[논문]30mm 자동포용 폐쇄기의 내구성 향상에 관한 연구

박영민; 김성훈; 노상완; 김성진

doi:10.5762/kais.2020.21.5.47

30mm 자동포용 폐쇄기의 내구성 향상에 관한 연구
A Study on Durability Improvement of Breech Block for 30mm Automatic Gun 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.5, 2020년, pp.47 - 53

박영민 (국방기술품질원 기동화력센터) , 김성훈 (국방기술품질원 기동화력센터) , 노상완 (국방기술품질원 기동화력센터) , 김성진 (S&T중공업 특사품질보증팀)

초록
AI-Helper

본 연구는 30mm 자동포에 적용 중인 폐쇄기의 내구성을 향상시킴으로서 제품의 신뢰성을 증가시키는 것을 목적으로 하고 있다. 연구 대상인 폐쇄기는 왕복운동을 통해 탄의 장전, 약실 폐쇄, 탄피 추출 등의 기능을 하는 포의 주요 구성품으로 높은 신뢰성이 요구되지만 운용 중 폐쇄기 균열이 조기에 발생됨에 따라 개선이 필요하였다. 개선을 위해 원인 분석을 수행하여 균열은 반복적인 충격에 의해 발생함을 확인하였다. 그러하여 다음과 같은 개선방안을 연구하고 입증 사격을 통해 효과를 증명하였다. 개선방안으로 소재 변경으로 충격 흡수에너지를 증가시켰으며 균열 부위의 R 값을 증대하여 응력 집중을 완화하였다. 또한, 쇼트피닝 추가, 크롬도금 삭제, 단조 방법 변경으로 피로수명을 증가시켰다. 개선품의 입증 사격 결과 5,000발까지 사격 장애가 발생하지 않았고 균열의 시작이 늦춰졌으며 그 깊이가 작아졌다. 따라서 개선방안이 적용된 폐쇄기는 기존 제품 보다 내구성이 향상됨을 확인하였다. 본 연구는 유사제품의 내구성 향상, 폐쇄기 균열 성장 속도 예측(수명 연구) 및 균열 허용 기준 설정을 추진할 때 유용한 참고 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to increase product reliability by improving the durability of the breech block for a 30mm Automatic Gun. The breech block is a key component of a gun that functions as chambering, closing, and extracting. The breech block requires high reliability, which needs to be improved because cracks of a breech block can occur early in operation. Cause analysis confirmed that the crack is caused by repeated impacts. Therefore, the following improvement measures were studied, and the effects were demonstrated using a firing test. The energy of impact absorption was increased by changing the material, and the stress concentration was mitigated by increasing the value of R. In addition, the fatigue life was increased by adding Shot-peening, deleting chromium plating, and changing the forging method. The firing test did not show firing trouble for up to 5,000 rounds. The start timing of the crack was delayed, and the depth was small. Therefore, the improved product was more durable than the existing product. This study can be used as a useful reference when assessing the improvement of the durability of similar products, life study, and criteria for crack acceptance.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Breech Block and Surrounding Components
그림 Fig. 2. Crack of Breech Block
그림 Fig. 3. Stroke of Parts over Time
그림 Fig. 4. Condition for Impact Force Analysis
그림 Fig. 5. Impact Force and Impulse(Breech-Locking Block)
그림 Fig. 6. Constraint Boundary Conditions for FEA
그림 Fig. 7. Tensile Stress Analysis of Breech Block
그림 Fig. 8. Shape of Fracture Surface
그림 Fig. 9. SEM(Scanning Electron Microscope) analysis of Fracture Surface
표 Table 1. Results of Tension & Impact Test
그림 Fig. 10. Check Area of Crack
표 Table 2. Comparison of Improvements
표 Table 3. Comparison of Crack Length

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 30mm 자동포용 폐쇄기가 운용 중 균열이 발생됨에 따라 개선을 통해 폐쇄기의 내구성을 향상하고자 하였다.
본 연구는 폐쇄기 균열 현상 개선을 통해 제품의 신뢰성 증가에 그 목적이 있으며 균열의 원인 분석 후 내구성 향상을 위한 방안을 고안하였고, 입증시험을 통해 효과를 확인한 내용을 기술하였다.

제안 방법

3절에서 제시된 개선 제품을 제작하여 1발 고압탄 사격 후 연습탄 5,000발의 실 사격 내구도 시험을 수행하여 균열상태 및 사격 불능의 기능장애가 발생하지 않는 지 확인하였다. 폐쇄기만 개선 제품을 적용하고 다른 부품은 기존 부품을 사용하였다.
균열 원인 분석을 위해 소프트웨어 해석을 통해 충격력 분석과 유한 요소 해석(FEA: Finite Element Analysis, 이하 FEA)을 수행 후 균열 부위 파단면 상태를 확인하였다.
기존 폐쇄기는 자유단조 방법으로 제작되었으며 파팅 라인(Parting Line)이 균열 발생부와 겹치게 되어 있었다. 따라서 균열 발생부의 강성을 증대시키기 위하여 발생되는 응력의 흐름과 유사하게 메탈 플로(Metal Flow)가 형성되도록 형단조 방법으로 변경하였다.
내구성 향상 방안으로 기존 재질을 MIL-S-46119로 변경하고, 크롬도금은 삭제하였으며, 단조 공정을 변경하여 내충격성 향상 및 균열 감소 개선을 하였다. 또한, 기존 균열부의 R 값을 증대하여 응력을 분산시키고 하중 집중부위에 쇼트피닝 공정으로 압축 잔류응력을 발생시켜 피로강도를 향상시켰다.
5로 증대시켰으며, 변경 시 기존 형상보다 최대 응력이 약 5%가 감소될 것으로 해석되었다. 또한, 충격에 약하고 균열 발생에 취약한 크롬도금을 삭제하고 기존 균열 부위에 쇼트피닝 작업을 추가하였다.
사격 리듬은 총 403발로 한 리듬은 포신 예열을 위해 3단발, 2초 간격으로 10연발 4회, 2분 간격으로 40발 9회로 구성하였다. 총 13리듬 사격을 실시하였으며 마지막 13리듬은 164발을 사격하여 총 5,000발을 맞추었다.

대상 데이터

연구 대상인 30mm 자동포용 폐쇄기는 격발 시 전진 스프링 압축력에 의해 전진하여 탄을 약실 안으로 장입시키며, 전진운동으로 돌출된 공이에 의해 탄 뇌관이 격발되면 탄의 폭발력에 의해 주퇴한다. 이때 폐쇄기 하부에 있는 잠금쇠는 상승 회전 운동을 하며 폐쇄기에 충격을 가한다.
사격 리듬은 총 403발로 한 리듬은 포신 예열을 위해 3단발, 2초 간격으로 10연발 4회, 2분 간격으로 40발 9회로 구성하였다. 총 13리듬 사격을 실시하였으며 마지막 13리듬은 164발을 사격하여 총 5,000발을 맞추었다. 리듬이 종료될 때 마다 Fig.

이론/모형

내충격성 향상을 위해 소재를 기존 SNCM439에서 포 열 소재로도 많이 사용되고 있는 MIL-S-46119로 변경 하였다. 효과성 확인을 위해 인장 및 충격시험을 수행하 였으며 기존 소재 대비 상온에서의 충격 흡수에너지가 약 2배임을 확인하였다.

성능/효과

12리듬(4,836발) 사격 이후부터는 1, 2, 3, 4번 전체 X 방향과 Y 방향에서 균열이 확인되었다. 13리듬(5,000 발) 사격 결과 X 방향에서는 10~26 mm, Y 방향에서는 2번은 전체에서 미세한 균열이 확인되었고, 1, 3, 4번은 10~17 mm의 균열이 확인되었다.
13리듬(5,000발)까지 사격 간 폐쇄기 균열로 인한 고장이나 사용 불능 현상이 발생하지 않고 정상적인 사격이 가능하였으며, 균열의 최대 깊이가 2.5 mm로 기존 제품의 2,211발에서의 3 mm보다 작았다. 또한 개선 전 제품과 균열 길이 비교 결과 개선 후 균열 길이가 전반적 으로 낮게 발생되어 기존 제품과 대비하여 개선 효과가 있음을 확인하였다.
2리듬(806발) 사격 후 자분탐상 결과 잠금쇠 접촉부 모서리 부위(2, 4번)에서 미세균열(3, 4 mm)이 확인되기 시작하였으며, 3리듬 사격 후에는 2, 4번의 측면인 Y 방 향에서도 균열(7 mm)이 확인되었다.
4리듬(1,612발) 사격 후에는 2, 4번의 X 방향 균열이 약 3 mm 정도 성장하였고, Y 방향은 모서리 전체(1, 2, 3, 4번)에서 균열이 확인되었다. 5리듬(2,015발) 사격 후에는 잠금쇠 접촉부 모서리 전체(1, 2, 3, 4번)의 X, Y 방향 모두 균열이 확인되었다.
6리듬(2,418발) 사격 후에는 X 방향의 균열 길이가 1~4 mm 정도 성장하였고, Y 방향은 2, 4번에서는 전체 부위에 균열이 확인되었으며 1, 3번은 3~5 mm 정도 성장하였다. 7리듬(2,821발) 이후 13리듬(5,000발)까지 리듬이 진행될수록 균열 길이가 1~5 mm 정도 성장하는 경향을 보였으며, 최종 13리듬(5,000발) 사격 결과 2, 4번에서 는 X, Y 방향 전체 균열이 확인되었고 3번에서는 X, Y 방향에서 각각 11 mm, 23 mm, 1번에서는 X, Y 방향에서 각각 12 mm, 25 mm의 균열이 확인되었다.
개선 제품의 사격시험 결과 5,000발까지 폐쇄기로 인한 사격 장애는 없었으며, 문제 된 균열은 균열 발생 시점이 부위마다 늦춰졌고, 기존 제품은 2,211발에서의 최대 균열 깊이가 3 mm이었으나 개선 제품은 5,000발 사 격 후 2.5 mm로 감소하여 개선 효과가 있다는 것을 확인하였다.
균열은 사격 발수에 따라 성장하는 현상이 보였으며 상대적으로 경도가 높은 크롬도금부위에서 시작하여 모재로 성장된 것으로 관찰되었다.
내구성 향상 방안으로 기존 재질을 MIL-S-46119로 변경하고, 크롬도금은 삭제하였으며, 단조 공정을 변경하여 내충격성 향상 및 균열 감소 개선을 하였다. 또한, 기존 균열부의 R 값을 증대하여 응력을 분산시키고 하중 집중부위에 쇼트피닝 공정으로 압축 잔류응력을 발생시켜 피로강도를 향상시켰다.
따라서 폐쇄기와 잠금쇠는 사격 시 충돌이 매 1회 발생하는 구조로 유한 요소 해석 결과 충격력에 의한 응력이 균열 발생부에서 가장 높게 나타나며 사격에 의해 발생된 균열에서 비치 마크와 같은 피로균열 형상이 보이므로 균열은 화학성분, 경도 등 소재의 제조 결함보다는 사용 중 발생되는 잠금쇠와의 반복되는 충격 피로에 의해 발생 및 진전된 것으로 판단되었다.
5 mm로 기존 제품의 2,211발에서의 3 mm보다 작았다. 또한 개선 전 제품과 균열 길이 비교 결과 개선 후 균열 길이가 전반적 으로 낮게 발생되어 기존 제품과 대비하여 개선 효과가 있음을 확인하였다. 개선 전 샘플 시료와의 균열 길이 비교는 Table 3과 같다.
균열은 래칫 마크가 있는 표면의 다수 부위에서 시작 된 것으로 보이며 비치 마크가 발견되었다. 미세 조직상의 특이점이나 비금속 개재물은 없었으며, 열처리 조직은 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite) 조직으로 열처리 및 단조 시 발생된 균열의 흔적이나 재료적 결함 은 관찰되지 않았다.
사격 시 시간에 따른 부품의 동작은 Fig. 3과 같으며 ADAMS 동력학 해석 프로그램으로 Fig. 4의 해석 조건 을 적용하여 잠금쇠와 폐쇄기의 접촉 충격력을 분석한 결과 Fig. 5와 같이 최대 충격력은 500.4 kN, 최대 충격 량은 2.0383 N·S이었다.
잠금쇠와의 접촉 충격에 대한 유한 요소 해석을 ABAQUS 구조해석 프로그램으로 Fig. 6과 같은 경계조건을 적용하여 수행한 결과, Fig. 7과 같이 인장응력집중 현상이 발생되었으며 이는 폐쇄기 균열이 발생한 위치와 동일하였다.
폐쇄기와 잠금쇠 작동 간 발생하는 충격으로 인한 응력집중을 완화하기 위해 기존 균열부의 R 크기를 기존 R 2.0에서 R 2.5로 증대시켰으며, 변경 시 기존 형상보다 최대 응력이 약 5%가 감소될 것으로 해석되었다. 또한, 충격에 약하고 균열 발생에 취약한 크롬도금을 삭제하고 기존 균열 부위에 쇼트피닝 작업을 추가하였다.
내충격성 향상을 위해 소재를 기존 SNCM439에서 포 열 소재로도 많이 사용되고 있는 MIL-S-46119로 변경 하였다. 효과성 확인을 위해 인장 및 충격시험을 수행하 였으며 기존 소재 대비 상온에서의 충격 흡수에너지가 약 2배임을 확인하였다. 시험 결과는 Table 1과 같다.

후속연구

본 연구는 향후 유사제품의 내구성 향상, 폐쇄기 균열 성장 속도 예측(수명 연구) 및 균열 허용 기준 설정을 추진할 때 유용한 참고 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	30mm 자동포의 주요 구성품은?	30mm 자동포는 자주 대공포 및 함정 등에 장착되어 적의 공중 위협을 대처하기 위한 장비로서 좌우쌍열식으로 장착되며 매우 빠른 발사속도를 가지고 있다. 주요 구성품은 포열, 폐쇄기, 송탄기, 완충기 등이 있으며, 그 중 폐쇄기는 왕복운동을 통해 탄의 장전, 약실 폐쇄, 탄피 추 출 등의 기능을 수행한다.
	폐쇄기의 기능은?	30mm 자동포는 자주 대공포 및 함정 등에 장착되어 적의 공중 위협을 대처하기 위한 장비로서 좌우쌍열식으로 장착되며 매우 빠른 발사속도를 가지고 있다. 주요 구성품은 포열, 폐쇄기, 송탄기, 완충기 등이 있으며, 그 중 폐쇄기는 왕복운동을 통해 탄의 장전, 약실 폐쇄, 탄피 추 출 등의 기능을 수행한다.

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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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