[논문]가공경화를 이용한 고강도 Al 6056 볼트의 생산 공정설계

박종수; 김유빈; 김승우; 김하성; 안규희; 박정섭; 강종훈

doi:10.5228/kstp.2021.30.4.165

[국내논문] 가공경화를 이용한 고강도 Al 6056 볼트의 생산 공정설계
Manufacturing Process Design of High Strength Al 6056 Bolts by Strain Hardening Effect 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.30 no.4, 2021년, pp.165 - 171

박종수 (중원대학교 항공기계공학과) , 김유빈 (중원대학교 항공기계공학과) , 김승우 (중원대학교 항공기계공학과) , 김하성 (중원대학교 항공기계공학과) , 안규희 (태정기공 기술연구소) , 박정섭 (삼에이 기술연구소) , 강종훈 (중원대학교 항공기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted on the manufacturing method of high-strength aluminum bolts. We obtained the displacement-load information by tensile test of the Al 6056 raw material and the T6 heat-treated material and calculated the precise flow stress and fracture limit using repetitive finite element analysis for before and after heat treatment. We designed a multi-stage forging process for T6 heat-treated material, and calculated that the accumulated damage value does not exceed fracture limits by finite element method. We produced the prototype forgings without any harmful defects such as cracks and folding occurring. Bolts made of T6 heat treated material show 9.6%higher tensile strength than T6 heat treated material after wire drawing.

Keyword

표/그림 (17)

그림 Fig. 1 Tensile test result of Al 6056 raw material
표 Table 1 The chemical composition of Al 6056 (wt%)
그림 Fig. 2 Al6056 raw material load comparison between tensile test and FEA
그림 Fig. 3 FEA of tensile test for Al 6056 raw material
그림 Fig. 4 Flow stress calculated by iterative FEA
그림 Fig. 5 Tensile test result of Al 6056 T6 treated material
그림 Fig. 6 Al6056 T6 load comparison between tensile test and FEA
그림 Fig. 7 Flow stress calculated by iterative FEA
그림 Fig. 8 FEA of tensile test for Al 6056 T6 material
그림 Fig. 9 Flow stress comparison of raw material and T6
그림 Fig. 10 Forging process of M8 hexagonal Al bolt
그림 Fig. 11 Effective strain distribution of forging process
그림 Fig. 12 Damage distribution of forging process
그림 Fig. 13 Forging process layout of prototype bolt
그림 Fig. 14 Longitudinal section and metal flow of prototype
그림 Fig. 15 The tensile test of Al 6056 T6 bolt
표 Table 2 Tensile test results of Al 6056 T6 bolt

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

Al 6056 T6소재를 이용하여 성형결함이 없고 강도가 높은 볼트를 성형하기 위해 설계된 다단 볼트 성형공정을 강소성 유한요소해석을 이용하여 성형 형상과 크랙 등의 결함 발생여부를 예측하였다. 설계된 공정으로 다단 포머를 이용하여 연속 성형하여 시제품을 생산하였으며 유한요소해석에서 가장 큰 손상값을 나타낸 부위의 마크로 검사를 통하여 결함 발생 여부를 확인하였다.
Al 6056 T6소재를 이용하여 성형결함이 없고 강도가 높은 볼트를 성형하기 위해 설계된 다단 볼트 성형공정을 강소성 유한요소해석을 이용하여 성형 형상과 크랙 등의 결함 발생여부를 예측하였다. 설계된 공정으로 다단 포머를 이용하여 연속 성형하여 시제품을 생산하였으며 유한요소해석에서 가장 큰 손상값을 나타낸 부위의 마크로 검사를 통하여 결함 발생 여부를 확인하였다. 또한 성형된 볼트의 인장강도를 인장실험에서 구하여 Al 6056 T6 소재보다 더 높은 강도를 나타냄을 확인하였다.
단조공정 해석은 볼트 머리의 6 각 형상으로 인하여 전체 제품을 축방향으로 1/6 로 모델링하였으며 소재의 요소 수는 32, 000 개의 4 면체 격자(Tetrahedral element)를 이용하여 분할하였다. 다단공정 해석 결과의 유효변형율 분포를 Fig.
Al 6056 소재를 이용한 고강도 알루미늄 볼트의 생산 공법을 개발하기 위하여 원소재와 T6 열처리 이후의 기계적 성질변화와 유동응력을 정량화 하였다. 다단공정으로 성형하기 위한 단조공정설계, 유한요소해석, 결함분석 및 M8 볼트의 인장강도 시험을 통하여 다음의 결론을 얻었다.
Al 6056 소재를 이용한 고강도 알루미늄 볼트의 생산 공법을 개발하기 위하여 원소재와 T6 열처리 이후의 기계적 성질변화와 유동응력을 정량화 하였다. 다단공정으로 성형하기 위한 단조공정설계, 유한요소해석, 결함분석 및 M8 볼트의 인장강도 시험을 통하여 다음의 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 소재는 Al 6056 이며 Al-Mg-Si 계 합금으로서, 상용하는 6000계 합금 중 가장 비강도가 높고, 내식성이 우수하다. 본 연구에 사용한 Al 6056 소재의 화학조성을 Table 1에 나타내었다.
본 연구에 사용된 소재는 Al 6056 이며 Al-Mg-Si 계 합금으로서, 상용하는 6000계 합금 중 가장 비강도가 높고, 내식성이 우수하다. 본 연구에 사용한 Al 6056 소재의 화학조성을 Table 1에 나타내었다.
본 공정의 원소 재는 직경 Φ9.8 mm, 높이 33.7 mm 소재를 이용하여 50%의 단면감소율로 나사부와 생크(Shank)부에 가공경화를 유도하도록 설계하였다
Al 6056 T6 소재로 M8 6 각 머리볼트를 성형하기 위한 다단공정을 Fig. 10 에 나타냈다.
설계된 단조공정에 따라 Al 6056 T6소재를 이용한 시험작업을 수행하였다. 4단 포머를 이용하여 성형하였으며 성형공정은 Fig.

이론/모형

12 에 도시하였다. 손상값은 Generalized Cockcroft Latham Damage 이론을 이용하였다.

성능/효과

최대손상 값은 전방압출된 축의 심부에서 관찰되며 만약 단면감소율이 증가할 경우 쉐브론 크랙(Chevron crack) 의 위험성이 있음을 예측할 수 있다. 제안 단조 공정의 해석결과에서 Al 6056 T6 소재를 이용한 다단공정의 성형안정성을 확인하였다.
(1) Al 6056 원소재와 T6 소재에 대하여 인장실험을 진행하고 유한요소해석을 통하여 유동응력을 계산하여, T6 열처리를 통하여 항복시점의 유동응력은 55% 증가되며, 파단 변형량은 3.0%감소, 연성파괴에 따른 파단 손상 값이 13%증가되었다.
(2) Al 6056 T6 소재의 유동응력을 이용하여 다단공정을 설계 및 해석을 진행하였으며, 볼트 생크부의단면감소율이 50.4%일 때 생크 심부에서 가장 높은손상값 0.426 이 발생하였으며, Al 6056 T6 소재의 파단손상값 0.471 이하로 크랙이 발생되지 않을 것으로 예상되었다.
(3) Al 6056 T6 소재를 이용한 시제품에 대하여 마크로 검사를 진행하였으며 유해한 결함이 관찰되지 않아 유한요소해석 결과와 동일함을 확인하였다.
(4) Al 6056 T6 소재로 제작된 M8 볼트의 인장실험을 통하여 단조공정으로 가공경화될 경우 인장강도는 415.1 MPa 에서 454.9 MPa 로 항복강도는 369.8 MPa 에서 429.8 MPa 로 각각 39.8 MPa (9.6%), 60MPa (16.2%) 증가하였다. 하지만 연신율은 13.
2%) 증가하였다. 하지만 연신율은 13.4%에서 10.8%로 3.6%감소하여 가공경화에 따른 성형 성이 저하됨을 확인하였다.

참고문헌 (8)

M. S. Kim, H. D. Jung, H. Y. Park, J. M. Choi, J. M. Kim and J. S. Park, 2015, Variation of Aluminum 6056 Alloy Properties withRespect to Heat Treatment and Forging Conditions for Fabrication of Piston Blocks for Automobile, Korean Journal of Materials Research, Vol. 25, No. 10, pp.552-558. https://doi.org/10.3740/MRSK.2015.25.10.552

원문보기 상세보기
EN1715-3, 2008, Aluminium and aluminium alloys - Drawing stock - Part 3: Specific requirements for mechanical uses.
EN573-3, 2007, Aluminium and aluminium alloys - Chemical composition and form of wrought products - Part 3: Chemical composition and form of products
D. Schwerdt, B. Pyttel, C. Berger, 2010, Fatigue strength and failure mechanism for the aluminium wrought alloy EN AW 6056 in the VHCF-region and influence of notches and compressive residual stresses, Procedia Engineering, vol.2, pp.1505-1514. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2010.03.162

상세보기
ASM International, 『ASM handbook』, 2019, Vol. 2B, pp.386-387
M.S. Joun, J.G. Eom and M.C. Lee, 2008, A new method for acquiring true stress-strain curves over a large range of strains using a tensile test and finite element method, Mechanics of Materials, Vol.40, pp. 586-593. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2007.11.006

상세보기
S.J. Chu, 2011, True Stress-True Strain Curves Obtained by Simulating Tensile Tests Using Finite Element Program, The Korean Society of Mechanical Engineers, Vol.35, pp.25-31. https://doi.org/10.3795/KSME-A.2011.35.1.025

원문보기 상세보기
K.H. Ann, J.H. Kang, S.J. Heo, T.S. Shin and H.Y. Cho, 2020, Mutistage Cold Forging Process Design of Al6082 Considering Forming Limit, J. Korean Soc. Manuf. Proc. Eng. Vol.19, No.9, pp.93-99. https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.09.093

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증