[논문]반복충격에 의한 한국형 소총의 공이 피로파괴 사례 연구

이호준; 최시영; 신태성; 서현수

doi:10.5762/kais.2020.21.5.648

반복충격에 의한 한국형 소총의 공이 피로파괴 사례 연구
Case Study on the Firing Pin Fatigue Destruction of the Korean Rifle by Repeated Impact 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.5, 2020년, pp.648 - 655

이호준 (국방기술품질원) , 최시영 (국방기술품질원) , 신태성 (국방기술품질원) , 서현수 (국방기술품질원)

초록
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현대의 자동소총의 공이는 공이치기에 의해 타격을 받아 장전된 탄약의 뇌관을 기폭 시키는 역할을 한다. 이 과정에서 공이는 충격하중을 받게 되며 소총의 수명주기 동안 반복적인 힘을 받게 된다. 소총의 내구도 시험에서 전체의 96.26% 진행 중 공이가 조기에 파손되는 현상이 발생하였다. 이에 따라 원인분석과 재현시험을 통해 파손현상 사례연구를 실시하였다. 파손이 발생한 공이의 파단면을 현미경 및 SEM 분석결과 반복충격에 의해 표면 원주방향 전체에서 균열이 시작해 심부로 피로균열이 발생했다. 반복충격에 의해 균열이 성장하다 마지막에 피로파괴가 발생하였으며, 노치에 의한 것으로 추정되었다. 검증을 위해 원주방향 0.03mm의 노치를 생성한 공이로 재현시험결과 동일한 형태의 파단면을 가지면서 전체 수명의 64.25%에서 파손되었다. 파손사례연구를 위한 노치형태별 재현시험결과 한쪽 측면 노치 0.3mm, 0.5mm의 공이는 각각 65.53%, 50.76%에서, 6개 지점의 노치 0.03mm는 85.65%에서 파손되었다. 마지막으로 표면 거칠기가 거칠고 툴 마크가 육안으로 확인이 가능한 공이는 내구수명을 만족하며 381㎛의 내부균열이 진행되었다. 본 연구를 통해 노치형태별 파손에 대해 고찰하였으며, 반복충격을 받는 부품의 신뢰성 확보를 위해 노치와 표면 거칠기 품질관리가 중요한 것을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The firing pin of modern automatic rifles detonates the primer of loaded ammunition via a hammer. During this process, the firing pin receives an impact load and repetitive force throughout the life of the rifle. An endurance test of a rifle showed that the firing pin breaks prematurely at 96.26% of life. Accordingly, a case study was conducted through cause analysis and a reconstruction test. Optical microscopy and scanning electron microscopy of the broken surface of the firing pin showed that a crack began in the circumferential direction of the surface, resulting in a fatigue crack to the core after repeated impact. Crack growth and fatigue destruction occurred at the end due to the repetitive impact and was estimated using a notch. For verification, a sample that produced a 0.03mm circumferential notch was broken at 64.25% of life in the reconstruction test. A test of breakage according to the notch types showed that a 0.3mm and a 0.5mm one-side notch were broken at 66.53% and 50.76%, respectively, and a 0.03mm six-point notch was broken at 85.65%. The endurance life of a sample firing pin with a rough surface and tool mark was examined, but an approximately 381 ㎛ internal crack formed. Through this study, failure for each notch type was considered. These results show that quality control of the notch and surface roughness is essential for ensuring the reliability of a component subjected to repeated impact.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Impingement Gas System
그림 Fig. 2. Gas Piston System
그림 Fig. 3. M16 Rifle Gas Operating System
그림 Fig. 4. Bolt Carrier Components
그림 Fig. 5. Firing Pin Acting Force Mechanism
그림 Fig. 6. Firing Pin Hammer Acting Force
그림 Fig. 7. Cause Analysis Process
그림 Fig. 8. Characteristics diagram
그림 Fig. 9. Broken Parts of Firing Pin
그림 Fig. 10. Broken Shapes of Firing Pin
그림 Fig. 11. SEM & Microscopic Views
그림 Fig. 12. Reconstruction Test Process
그림 Fig. 13. Notched site of Firing Pin
그림 Fig. 14. Broken Shapes of Reproduction Test
그림 Fig. 15. Broken Shapes by Notched Type
그림 Fig. 16. Microscopic Views of Case 3
표 Table 1. Result of Case Study

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

문제 정의

본 논문에서는 소구경화기 사격시험 간 반복충격을 받는 공이의 파손원인을 분석하고 원인 검증을 위한 재현 시험 및 공정간 발생 가능한 다양한 형태의 결함에 대한 사례연구를 실시하였다.
본 연구에서는 소총 사격 간 반복충격을 받는 부품인 공이의 파손현상 사례에 대해 분석하였다. 공이는 사격기 능에서 탄약을 폭발시키는 역할을 하는 중요한 부품이며, 직접적으로 격발충격을 반복해서 받게 된다.

제안 방법

1. 반복충격에 의해 균열이 외부표면 전 방향에서 시작하여 심부로 이동하였다.
공이는 사격기 능에서 탄약을 폭발시키는 역할을 하는 중요한 부품이며, 직접적으로 격발충격을 반복해서 받게 된다. 공이치기에 의해 충격하중을 반복적으로 받는 공이는 피로파괴에 강한 소재와 경도, 표면처리 등의 공정을 거친 부품이나 조기 파손사례가 발생하여 원인 및 발생사례 분석을 실시 하였다.
노치에 의한 파손의 검증을 위하여 재현시험을 실시하 였다. 재현시험의 절차는 Fig.
8과 같이 특성 요인도를 이용하여 공이 파손에 영향을 줄 수 있는 인자들을 먼저 파악하였다. 다음으로각 인자별로 규격만족 여부를 확인하여 파손 주요 인자를 식별 및 분석하여 발생 원인을 추론하였다.
라운드 가공 간 발생할 수 있는 결함 형태별로 한쪽 측면, 6개 지점에 노치를 임의로 생성한 시료와 표면 거칠기가 과다한 시료를 이용하여 재현시험을 실시하였다. 그 결과 노치가 형성된 시료는 내구수명을 만족하지 못하고 파손이 발생하였으며 표면 거칠기가 과다한 시료는 내부균열이 진행되고 있는 것을 확인하였다.
라운드 부위에서 연삭가공 중 발생할 수 있는 노치 발생유형별로 파손형태를 분석하였다. Fig.
공이 하단의 수직면과 수평면이 만나는 부위에 라운드 가공이 되어 있으나 표면 거칠기 불량 및 공구툴 마크에 의해 노치가 형성되어 균열이 시작된 것으로 추정하였다. 이에 따라 임의의 노치를 형성한 시료로 재현시험을 통해 검증하였다. 0.
노치에 의한 파손의 검증을 위하여 재현시험을 실시하 였다. 재현시험의 절차는 Fig. 12와 같이 내구도시험 결과 발생한 공이파손의 원인으로 추정된 인자에 대하여 재현시험을 통해 원인을 검증하고 인자의 유형에 따른 현상 분석을 실시하였다.
파손의 형태가 원주 전 방향에서 시작하여 내부로 이동하였기에 노치가 원주 전체에 있었을 것으로 가정하여, 재현시험을 위한 공이의 동일한 부위에 Fig. 13과 같이 임의의 노치(0.03 mm)를 생성하여 내구도시험과 동일한 절차로 재현시험을 실시하였다.

성능/효과

2. 반복적인 압축 이완에 의해 피로균열이 성장하였다.
3. 균열이 지속적으로 성장하여 사격충격에 의해 심부 에서 파손이 발생하였다.
라운드 가공 간 발생할 수 있는 결함 형태별로 한쪽 측면, 6개 지점에 노치를 임의로 생성한 시료와 표면 거칠기가 과다한 시료를 이용하여 재현시험을 실시하였다. 그 결과 노치가 형성된 시료는 내구수명을 만족하지 못하고 파손이 발생하였으며 표면 거칠기가 과다한 시료는 내부균열이 진행되고 있는 것을 확인하였다. 파손 발수와 균열 진행 형태를 보았을 때 육안으로 식별이 가능한 수준 또는 0.
(b)의 공이치기 타격부로 절단되었다. 기존 파손 품과 동일하게 공이 중심축 기준으로 두 개의 원으로 파단면이 형성되어 바깥면은 균열 성장, 내부는 취성파괴가 발생한 것을 확인할 수 있다. 균열의 성장방향 역시 Fig.
(d)와 같이 파단면이 나타났다. 노치를 생성한 각 지점에서 균열이 시작하여 매끈한 피로균열 성장 양상을 보이며, 각각의 시작점에서 만난 파단면과는 경계선이 형성되었으며 중심부로 성장한 피로균열이 종국에는 취성파괴의 형태로 나타난 것을 알 수 있다. 사격 결과는 수명의 85.
노치를 생성한 각 지점에서 균열이 시작하여 매끈한 피로균열 성장 양상을 보이며, 각각의 시작점에서 만난 파단면과는 경계선이 형성되었으며 중심부로 성장한 피로균열이 종국에는 취성파괴의 형태로 나타난 것을 알 수 있다. 사격 결과는 수명의 85.65 % 수준에서 파손되었으며, 원주 전체에 노치를 생성한 시료의 결과와 비교해 보았을 때 더높은 수명을 가지고 있음을 알 수 있다. 이것은 6개의 시작지점으로부터 성장한 균열이 각각 만났을 때 형성된 경계면에서 응력이 양쪽에서 받게 되어 더 이상 균열이 성장하지 않고 중심부로 성장한 균열이 파손을 일으킨 것으로 추정된다.
취성 파괴가 일어난 부위의 원주방향에서는 피로균열의 성장이 확인되지 않았고 최종파괴의 주 영향은 노치에 의해 성장한 피로균열인 것으로 판단된다. 이를 보았을 때 기존에 파손된 공이가 명확히 원주 전체방향에서 노치가 있었다는 것을 알 수 있다. 파손 사격발수는 Table 1과 같이 0.
015 mm 의 깊이를 보유하고 있었다. 재현시험결과 수명을 충족하 여, 추가적으로 10 % 사격을 진행한 후 이상여부확인을 위해 자분탐상검사를 하였으며, 표면에서 미세균열이 확인되었다. 균열의 진행정도를 파악하기 위하여 절개 후확대경으로 확인한 결과 Fig.
이것은 노치로부터 시작한 피로균열이 측면에서 반대측 면으로 진행하여 마지막에 파손된 것을 알 수 있다. 취성 파괴가 일어난 부위의 원주방향에서는 피로균열의 성장이 확인되지 않았고 최종파괴의 주 영향은 노치에 의해 성장한 피로균열인 것으로 판단된다. 이를 보았을 때 기존에 파손된 공이가 명확히 원주 전체방향에서 노치가 있었다는 것을 알 수 있다.
파손부위 현미경 및 SEM 분석결과 균열의 시작이 원주 전체방향에서 시작하여 반복하중에 의해 피로균열이 성장했으며 전체 내구수명의 96.26 %에서 피로파괴가 발생하였다. 공이 하단의 수직면과 수평면이 만나는 부위에 라운드 가공이 되어 있으나 표면 거칠기 불량 및 공구툴 마크에 의해 노치가 형성되어 균열이 시작된 것으로 추정하였다.
공이파손 원인 인자인 재질은 화학분석결과 규격을 만족하였다. 표면처리 공정과 도금 두께 확인, 열처리 공정및 경도 확인결과 이상 없었으며, 공이와 상호 작동하는 부품인 노리쇠, 공이치기의 치수와 조립 및 작동 역시 이상 없음을 확인하였다. 표면 거칠기와 노치의 이상여부 확인을 위해 아래와 같이 파손 형상을 분석 하였다.

후속연구

본 연구를 통해 반복충격을 받는 부품인 공이의 표면 거칠기 및 노치가 중요 관리 포인트임을 도출할 수 있었 으며, 같은 작동방식을 가지는 타 소구경화기 및 장비에 서도 동일현상 방지를 위한 사례로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
정밀가공 부위 가공툴의 마모정도 관리, 공정간 주기 적인 제품 확인 등으로 발생할 수 있는 결함요소를 사전에 제거하고, 가공부위의 표면 거칠기 검사를 통해 노치에 의한 공이파손을 예방하고 품질 신뢰성을 확보 할 수있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스직동식은 무엇인가?	이를 가스작동식이라고 부르며 Fig. 1과 같이 가스가 직접적으로 노리쇠에 힘을 가해 후퇴시키는 방식을 가스직동식, Fig. 2와 같이 노리쇠에 연결된 피스톤을 후퇴시키는 방식을 가스피스톤식이라고 일컫는다[1].
	공이의 파손현상을 예방하고 품질 신뢰성을 확보하기 위하여 본 연구에서 제시된 방법은 무엇인가?	정밀가공 부위 가공툴의 마모정도 관리, 공정간 주기 적인 제품 확인 등으로 발생할 수 있는 결함요소를 사전에 제거하고, 가공부위의 표면 거칠기 검사를 통해 노치에 의한 공이파손을 예방하고 품질 신뢰성을 확보 할 수있을 것이다.
	소총의 사격기능 어떤 단계를 거치는가?	소총의 사격기능은 송탄, 장전, 잠김, 격발, 풀림, 추출, 방출, 격발준비 단계를 거쳐 진행되며 각 단계별로 소총 내부의 부품들 간 연쇄 작동에 의해 이루어지게 된다. 장전된 소총의 방아쇠를 당겼을 때 고정되어 있던 공이치 기는 Fig.

참고문헌 (8)

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Shotgunlee. M16 rifle Firing FM 23-9 Fig2-7[Internet]. wikimedia, c2006 [cited 2006 July 10], Available From: https://commons.wikimedia.org (accessed March. 18, 2020)
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V.Y.Yu, J.G.Kohl, R.A.Crapanzano, M.W.Davies, A.G.Elam, M.K.Veach "Failure analysis of the M16 rifle bolt", Engineering Failure Analysis, Vol.12, Issue.5, pp.746-756, Oct. 2005. DOI: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2005.01.004

상세보기
E P Riyanto, I Yani, A Arifin, M Zahir "Design Optimization in Stress Distribution of Firing Pin Rifle by Impact Force Using Finite Element Modeling", Symposium of Emergin Nuclear Technology and Engineering Novelty, Journal of Physics, 1198, April. 2019 . DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1198/4/042009

상세보기
Anthony Bedford, Wallace Fowler, Engineering Mechanics DYNAMICS, p.652, Prentice Hall, 2008, pp652
Lee, Hung Ju, Rifle and Ballistics. Chung Moon Gak, p.464
S. H. Kang, J. H. Cha, S. I. Bae, "A Study on Fatigue Strength Influence of Surface Treatment on High Strength Steel SNCM8", Korean Society for Precision Engineering, pp.697-703, June 1996.

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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