[논문]금형 냉각을 고려한 다단 열간 단조 공정의 유한요소해석

최두순; 강형부

doi:10.14775/ksmpe.2020.19.05.075

금형 냉각을 고려한 다단 열간 단조 공정의 유한요소해석
Finite Element Analysis of Multistage Hot Forging Process During Mold Cooling 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.19 no.5, 2020년, pp.75 - 81

최두순 (한국교통대학교 기계공학과) , 강형부 ((주)케이피에프)

Abstract ▼ AI-Helper

Multistage hot forging process enables mass production of various parts at a high speed, wherein, it is important to design the forging steps in an optimal way. Finite element methods are widely applied for optimizing the forging process design; however, they present inaccurate results due to the rapid change in the mold temperature during multistage hot forging. In this study, the temperature distributions of the mold in a steady state were calculated via heat transfer analysis during mold cooling. The flow stress and friction coefficient of the material were measured according to the temperature and were applied for numerical analysis of the multistage hot forging process. Eventually, the accuracy of the analysis results is verified by comparing these results with the experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 본 연구의 다단 열간 단조 성형은 성형속도가 매우 빠른 양산용 장비이므로 성형 하중을 측정하거나 중간 성형품을 얻기가 매우 어렵다. 따라서 본 연구에서는 성형품의 형상을 이용하여 해석 결과의 정확도를 검토하였다. 밀폐단조에서 성형품의 형상은 금형 내부의 캐비티 형상을 따라가기 때문에 Fig.
그러나 단조 공정 해석은 비선형 해석으로 한번의 해석에도 많은 시간이 소요되므로, 반복 해석에는 매우 많은 시간이 요구된다. 따라서, 본 연구에서는 금형의 정상상태 온도분포를 도출하기 위하여 금형부의 열전달 해석만을 반복수행하고, 그 결과 얻어진 금형온도를 단조해석에 적용하는 방법을 채택하였다.
본 연구에서는 다단 열간 단조의 유한요소 해석의 정확도를 향상시키기 위하여 다음과 같은 연구를 수행하였다.
에도 큰 영향을 미치는 중요한 인자이다. 본 연구에서는 열간 단조가 수행되는 고온 상태에서의 마찰계수를 측정하기 위하여 핀온디스크(Pin-on disk) 방식의 마찰/마모시험기를 이용하여 고온 마찰시험을 수행하였다. 이 때, 디스크 시편은 실제 금형과 동일하게 질화 처리된 DH32 소재를 사용하였고, 핀 시편은 단조 소재인 100Cr6으로 제작하였다.

가설 설정

따라서 본 연구에서는 몇 가지 가정을 통하여 해석을 단순화시켰다. 먼저 성형 중 소재의 온도는 초기 가열온도 1160 ℃가 그대로 유지된다고 가정하고, 소재와 금형 사이의 열전달을 계면열전달 계수^[14]를 이용하여 계산하였다. 또한 금형과 냉각수 사이의 열전달, 금형과 대기 사이의 열전달은 대류열전달 계수^[15]를 이용하여 계산하였다.
실제 단조공정은 1단 업세팅, 2단 단조성형, 3단피어싱 공정으로 이루어져, 각 단계 별 열전달량이 다르나, 해석의 단순화를 위하여 동일한 열전달이 발생한다고 가정하고, Fig. 4와 같은 1/4 대칭영역을 해석영역으로 선정하였다.

제안 방법

1. 열간 단조 성형 시 온도 변화에 따른 소재의 성질 변화를 고려하기 위하여 소재의 유동응력과 마찰계수를 온도별로 측정하였다.
2. 냉각을 고려한 금형의 열전달 해석을 반복수행하여 정상상태에서의 금형의 온도분포를 계산하였다.
3D CAE해석을 위하여 해석 대상인 다이(die), 펀치(punch), 소재(workpiece)를 3D 모델링하였고, 1단 업세팅과 2단 단조성형을 연계하여 비등온 해석을 수행하였다.
먼저 성형 중 소재의 온도는 초기 가열온도 1160 ℃가 그대로 유지된다고 가정하고, 소재와 금형 사이의 열전달을 계면열전달 계수^[14]를 이용하여 계산하였다. 또한 금형과 냉각수 사이의 열전달, 금형과 대기 사이의 열전달은 대류열전달 계수^[15]를 이용하여 계산하였다.
본 연구에서는 2.4절에서 얻어진 금형 온도를 초기온도로 반영하여 해석을 수행하고, Fig. 8에 나타낸 성형품의 세 가지 치수를 실제 성형품의 치수와 비교하여 금형 온도에 따른 해석의 정확도를 분석하였다.
본 연구에서는 다단 열간 단조 해석의 정확도를 향상시키기 위하여 금형 냉각을 고려한 열전달 해석을 통하여 정상상태에서의 금형의 온도분포를 계산하고, 온도별로 측정된 소재의 유동응력과 마찰계수를 다단 열간단조 공정의 해석에 적용하였다. 또한 해석 결과를 실험결과와 비교하여 해석 결과의 정확도를 검증하였다.
본 연구의 열간 단조 공정에서는 하부 금형의 이젝터 핀 내부에 냉각 유로가 설치되어, 이젝터 작동 시 금형 표면에 직접 냉각수를 분사하는 냉각방식이 사용된다. Fig.
소재의 유동응력과 마찰계수는 2.1절과 2.2절에 기술된 측정값을, 펀치속도는 실제 속도인 513 mm/sec를 적용하였고, 상용 소프트웨어 Deform 3D를 이용하여 해석을 수행하였다.
소재의 유동응력을 측정하기 위하여 다양한 온도(800℃, 1000℃, 1160℃, 1260℃)및 변형률속도(0.1/s, 1.0/s, 5.0/s)에 대한 고온압축실험을 실시하였다.
압축 시편은 직경 10 mm, 길이 15 mm의 크기로 제작되었다. 시편의 온도제어를 위해 열전대를 부착하였고, 시편 양면에 전류를 통전시켜 가열하였다. 가열 시 승온 속도는 10 ℃/sec, 온도유지시간은 180 sec로 설정하였다.
이 때, 디스크 시편은 실제 금형과 동일하게 질화 처리된 DH32 소재를 사용하였고, 핀 시편은 단조 소재인 100Cr6으로 제작하였다. 열간단조 시 소재는 1260 ℃까지 가열되나, 시험기의 한계로 인하여 시험 온도는 600 ℃, 700 ℃, 800 ℃의 세 경우에 대하여 수행하였다. 핀 시편의 하중은 4 kgf, 디스크 시편의 회전속도는 50 rpm으로 설정하였다.
해석은 상용 소프트웨어 ANSYS를 이용하여 수행하였고, 소재와 금형 사이의 계면열전달계수는 0.01 W/mm2℃, 금형과 대기와의 대류열전달 계수는 5.0×10-6 W/mm2℃, 금형과 분사된 냉각수 사이의 열전달계수는 0.003 W/mm2℃를 적용하였다.
22 sec 으로 구성된다. 해석은 초기에 상온(20℃) 상태인 금형이 500회의 반복성형을 수행하는 동안의 열전달 해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

소재는 1160 ℃로 가열되어 설정된 크기로 절단된 후, 1단 업세팅, 2단 단조성형을 거쳐 3단 피어싱 공정에 의해 최종 제품이 완성된다. 단조용 소재는 100Cr6이 사용되었다.
본 연구의 대상 공정은 Fig. 1과 같은 다단자동단조기(automatic multi-stage forging machine)을 이용한 다단 열간 단조 공정을 통한 캠 로브(cam lobe)의 성형공정이다. 소재는 1160 ℃로 가열되어 설정된 크기로 절단된 후, 1단 업세팅, 2단 단조성형을 거쳐 3단 피어싱 공정에 의해 최종 제품이 완성된다.
압축 시편은 직경 10 mm, 길이 15 mm의 크기로 제작되었다. 시편의 온도제어를 위해 열전대를 부착하였고, 시편 양면에 전류를 통전시켜 가열하였다.
본 연구에서는 열간 단조가 수행되는 고온 상태에서의 마찰계수를 측정하기 위하여 핀온디스크(Pin-on disk) 방식의 마찰/마모시험기를 이용하여 고온 마찰시험을 수행하였다. 이 때, 디스크 시편은 실제 금형과 동일하게 질화 처리된 DH32 소재를 사용하였고, 핀 시편은 단조 소재인 100Cr6으로 제작하였다. 열간단조 시 소재는 1260 ℃까지 가열되나, 시험기의 한계로 인하여 시험 온도는 600 ℃, 700 ℃, 800 ℃의 세 경우에 대하여 수행하였다.

데이터처리

본 연구에서는 다단 열간 단조 해석의 정확도를 향상시키기 위하여 금형 냉각을 고려한 열전달 해석을 통하여 정상상태에서의 금형의 온도분포를 계산하고, 온도별로 측정된 소재의 유동응력과 마찰계수를 다단 열간단조 공정의 해석에 적용하였다. 또한 해석 결과를 실험결과와 비교하여 해석 결과의 정확도를 검증하였다.

성능/효과

3. 계산된 금형의 온도분포를 적용하여 다단 열간 단조 성형 해석을 수행하고 실험결과와 비교하여 정확도가 향상되었음을 확인하였다.
결과를 살펴보면 금형 초기 온도가 상온인 경우보다 정상상태 온도범위에 있을 경우에 모든 치수오차가 감소하였고, 특히 금형 초기 온도가 550 ℃인 경우에는 모든 치수오차가 최소가 되는 최적의 결과를 나타내었고, 이는 2.4절의 정상 상태의 금형 표면 온도와 정확히 일치한다.
따라서, 냉각 해석으로 얻어진 금형의 온도를 단조 성형 해석에 반영할 때 더욱 정확한 해석결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
소재의 유동응력은 온도가 증가함에 따라 감소하였는데, 특히 850 ℃와 1000 ℃ 사이에서 변화의 폭이 컸다. 또한 변형률 속도가 작을 경우에는 가공연화 특성을 나타내다가 변형률 속도가 증가할수록 가공경화의 특성을 나타내었다.

참고문헌 (15)

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상세보기
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원문보기 상세보기
Kang, J. H., Ko, B. H., Jae, J. S., Kang, S. S., "Heat transfer coefficients for F.E analysis in warm forging processes," Proc. of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference, pp. 138-143, 2005.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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