[논문]냉간 업셋팅 공정에 의한 경사형 볼 그루브를 갖는 내륜의 잔류응력 예측 및 경도 평가

구태완

doi:10.5228/kstp.2023.32.4.180

냉간 업셋팅 공정에 의한 경사형 볼 그루브를 갖는 내륜의 잔류응력 예측 및 경도 평가
Residual Stress Prediction and Hardness Evaluation within Cross Ball Grooved Inner Race by Cold Upsetting Process 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.32 no.4, 2023년, pp.180 - 190

구태완 (부산대학교 설계기반미래성형기술센터)

Abstract ▼ AI-Helper

This study deals with residual stress prediction and hardness evaluation within cross ball grooved inner race fabricated by cold upsetting process consisted of upsetting and ejection steps. A raw workpiece material of AISI 5120H (SCr420H) is first spheroidized and annealed, then phosphophyllite coated to form solid lubricant layer on its outer surface. To investigate influences of the heat treatment, uni-axial compression tests and Vickers micro-hardness measurements are conducted. Three-dimensional elasto-plastic FE simulations on the upsetting step and the ejection one are performed to visualize the residual stress and the ductile (plastic deformation) damage. External feature of the fabricated inner race is fully captured by using an optical 3D scanner, and the micro-hardness is measured on internal cross-sections. Consequently, the dimensional compatibility between the simulated inner race and the fabricated one is ensured with a difference of under 0.243mm that satisfied permissible error range of ±0.50mm on the grooved surface, and the predicted residual stress is verified to have similar distribution tendency with the measured Vickers micro-hardness.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1 Two-dimensional layout of cold forged inner race and final product after machining (unit : mm)
그림 Fig. 2 Detail working flow for manufacturing cross ball grooved inner race
표 Table 1 Chemical composition of AISI 5120H workpiece
그림 Fig. 3 Time-temperature history for spheroidizing and annealing of AISI 5120H workpiece
그림 Fig. 4 Compressive stress-strain curves before and after spheroidizing and annealing specimens
표 Table 2 Mechanical properties of AISI 5120H workpiece
그림 Fig. 5 Measured Vickers micro-hardness
그림 Fig. 6 Stress-strain curves based on flow stress models
그림 Fig. 7 Flow stress curve plotted through superposition with Swift and Voce models
그림 Fig. 9 Predefined cross-sections
그림 Fig. 8 FE model and initial billet for elasto-plastic cold upsetting simulation
그림 Fig. 10 Stress and ductile damage distributions of cross ball grooved inner race by elasto-plastic FE simulations
그림 Fig. 11 Forging load prediction of cold upsetting process for cross ball grooved inner race
그림 Fig. 12 Fabricated inner race with six cross ball grooves
그림 Fig. 13 Dimensional variation between FE simulated and fabricated inner races
그림 Fig. 14 Metal flow of inner race fabricated through cold upsetting process
그림 Fig. 15 Grid structures for measuring Vickers micro-hardness
그림 Fig. 16 Comparison of residual stress and ductile damage with measured Vickers micro-hardness

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 냉간 업셋팅 공정을 이용하여 경사형 볼 그루브를 갖는 등속조인트용 내륜의 잔류응력을 예측하고, 시제작된 내륜 단조품의 경도를 측정하여 예측된 잔류응력의 유효성을 검토하였다. 이를 위해 SCr420H (AISI 5120H) 크롬 합금 저탄소강을 초기 소재로 선정하였으며, 단조성 개선을 위해 구상화 소둔 열처리를 수행하였고, 인산염피막층을 그 외부에 도포하였다.
본 연구에서는 이전의 연구 결과를 바탕으로 경사형 볼 그루브를 갖는 등속조인트용 내륜에 대한 개선 설계를 통해 하이브리드 또는 전기자동차용으로 적용하고자 하였다. 개선 설계된 경사형 볼 그루브를 갖는 내륜의 내구성 및 고강성 측면에서의 건전성을 확인하기 위해 냉간 업셋팅(cold upsetting) 공정에서의 잔류응력(residual stress)과 소성변형손상(plastic deformation damage)라 불리우는 연성손상(ductile damage)를 예측하였다.

제안 방법

(2) 탄소성 유한요소해석을 통해 경사형 볼 그루브를 갖는 내륜 외부 및 내부에 잔존하는 잔류응력과 연성손상을 예측하였고, 내륜 단조품 내부의 각 단면에서 측정된 비커스 경도와 비교하였다. 이를 통해, 실험적으로 측정된 경도는 잔류응력과 분포 경향성이 유사한 것으로 파악되었다.
1(b)에서 제시된 바와 같이, 내륜 단조품은 볼 그루브 면을 제외한 이외의 부분에 대해 방전가공 및 절삭가공을 거쳐 최종 제품으로 제작되기 때문에 볼 그루브 면의 형상 및 치수 정밀도에 한하여 허용 치수오차 범위(±0.50mm)의 충족 여부를 판단하고자 하였다
앞서의 Fig. 10에 제시된 경사형 볼 그루브를 갖는 등속조인트용 내륜의 냉간 업셋팅 공정에 대한 탄소성 유한요소해석 결과로부터 상부 펀치에 작용하는 반력(reaction force)를 이용하여 단조하중을 예측하였다. Fig.
Fig. 2는 내륜 제작과정을 나타낸 것으로, 원소재를 이용하여 구상화 소둔 열처리를 수행한 후, 열처리된 소재 외면에 인산 염피막을 도포하여, 냉간 업셋팅 공정에 적용하였다.
본 연구에서는 이전의 연구 결과를 바탕으로 경사형 볼 그루브를 갖는 등속조인트용 내륜에 대한 개선 설계를 통해 하이브리드 또는 전기자동차용으로 적용하고자 하였다. 개선 설계된 경사형 볼 그루브를 갖는 내륜의 내구성 및 고강성 측면에서의 건전성을 확인하기 위해 냉간 업셋팅(cold upsetting) 공정에서의 잔류응력(residual stress)과 소성변형손상(plastic deformation damage)라 불리우는 연성손상(ductile damage)를 예측하였다. 이와 더불어, 제작된 내륜 단조품에 대한 비커스 미세경도(Vickers micro-hardness)를 측정하여 내륜 내부의 경도 분포를 조사하였다.
또한, 냉간단조된 내륜에 대한 3차원 형상을 측정하였고, 해석적으로 예측된 외형과의 형상 비교를 수행하였다. 그리고, 내륜의 내부 단면들에서의 경도를 각각 측정하였다. 본 연구 결과를 요약하면, 구상화 소둔 열처리에 의해 기계적 특성이 개선됨을 확인하였고, 냉간 단조품과 탄소성 유한요소해석을 통해 예측된 형상과의 치수 오차는 0.
이를 위해 SCr420H (AISI 5120H) 크롬 합금 저탄소강을 초기 소재로 선정하였으며, 단조성 개선을 위해 구상화 소둔 열처리를 수행하였고, 인산염피막층을 그 외부에 도포하였다. 그리고, 열처리에 의한 단조성 개선 여부를 확인하기 위해, 단축 압축시험을 수행하였으며, 경도 측정도 병행하였다. 또한, 압축시험을 통해 획득된 재료물성과 냉간 업셋팅 공정의 유한요소 모델을 이용하여 탄소성 유한요소해석을 수행하였다.
냉간 업셋팅을 위한 초기 소재로 선정된 크롬합금 저탄소강인 SCr420H(AISI 5120H)의 단조성 향상을 위해 구상화 소둔(spheroidizing and annealing) 열처리를 수행하였으며, 이후 인산염피막(phosphophyllite coating)을 열처리된 소재의 표면에 도포하여 금형면과 소재 사이의 마찰특성을 개선하였다. 열처리에 의한 기계적 특성 및 경도의 변화를 살펴보기 위해, 단축 압축시험 및 경도 측정 시험을 수행하였다.
앞서의 탄소성 유한요소해석을 통해 예측된 내륜과의 형상 및 치수정밀도 비교를 위해, 비접촉식 3차원 스캐너(Rexcan IV)를 이용하여 내륜 단조품의 형상 이미지를 추출하였다. 이를 통해 추출된 내륜 단조품의 3차원 형상은 탄소성 유한요소해석 과정에서 예측된 업셋팅이 종료된 상태에서의 형상 및 취출 이후의 형상과 각각 비교하였다.
냉간 업셋팅을 위한 초기 소재로 선정된 크롬합금 저탄소강인 SCr420H(AISI 5120H)의 단조성 향상을 위해 구상화 소둔(spheroidizing and annealing) 열처리를 수행하였으며, 이후 인산염피막(phosphophyllite coating)을 열처리된 소재의 표면에 도포하여 금형면과 소재 사이의 마찰특성을 개선하였다. 열처리에 의한 기계적 특성 및 경도의 변화를 살펴보기 위해, 단축 압축시험 및 경도 측정 시험을 수행하였다. 이와 더불어, 업셋팅 및 취출(ejection) 공정으로 구성된 냉간단조 공정에 대한 탄소성 유한요소해석(elasto-plastic finite element simulation)을 수행하였으며, 이를 통해 잔류응력과 연성손상을 예측하였다.
이와 더불어, 내륜 단조품의 금속유동선(metal flow line)을 가시화하기 위해 부식(corrosion) 시험을 수행하였다. 부식 시험을 위해 내륜 단조품을 단면 A-A’, B-B’ 및 C-C’을 기준으로 와이어커팅(wire-cutting)하였고, 황산(HCl)용액에서 약 30분간 끓여 금속유동선을 가시화하였다.
열처리에 의한 기계적 특성 및 경도의 변화를 살펴보기 위해, 단축 압축시험 및 경도 측정 시험을 수행하였다. 이와 더불어, 업셋팅 및 취출(ejection) 공정으로 구성된 냉간단조 공정에 대한 탄소성 유한요소해석(elasto-plastic finite element simulation)을 수행하였으며, 이를 통해 잔류응력과 연성손상을 예측하였다. 또한, 냉간단조된 내륜에 대한 3차원 형상을 측정하였고, 해석적으로 예측된 외형과의 형상 비교를 수행하였다.
개선 설계된 경사형 볼 그루브를 갖는 내륜의 내구성 및 고강성 측면에서의 건전성을 확인하기 위해 냉간 업셋팅(cold upsetting) 공정에서의 잔류응력(residual stress)과 소성변형손상(plastic deformation damage)라 불리우는 연성손상(ductile damage)를 예측하였다. 이와 더불어, 제작된 내륜 단조품에 대한 비커스 미세경도(Vickers micro-hardness)를 측정하여 내륜 내부의 경도 분포를 조사하였다.

대상 데이터

1(a)는 본 연구에서 다루고자 하는 경사형 볼그루브를 갖는 등속조인트용 내륜 단조품의 형상을 나타낸 것으로, 내륜의 외부에 직경이 약 21.77mm인 6개의 그루브들이 약 15°의 기울기로 평면 대칭 구조를 가지고 있다
기계-구조용 크롬 합금 저탄소강인 AISI 5120H(SCr420H)를 본 연구에서의 냉간 업셋팅을 위한 원소재(Ø37.0mm×L50.4mm)로 선정하였고, 화학적 성분 구성은 Table 1과 같다
본 연구에서는 냉간 업셋팅 공정을 이용하여 경사형 볼 그루브를 갖는 등속조인트용 내륜의 잔류응력을 예측하고, 시제작된 내륜 단조품의 경도를 측정하여 예측된 잔류응력의 유효성을 검토하였다. 이를 위해 SCr420H (AISI 5120H) 크롬 합금 저탄소강을 초기 소재로 선정하였으며, 단조성 개선을 위해 구상화 소둔 열처리를 수행하였고, 인산염피막층을 그 외부에 도포하였다. 그리고, 열처리에 의한 단조성 개선 여부를 확인하기 위해, 단축 압축시험을 수행하였으며, 경도 측정도 병행하였다.

데이터처리

단축 압축시험 통해 얻어진 SCr420H 소재의 응력-변형률(stress-strain curve) 선도들을 이용하여 구상화 소둔 열처리의 효과를 조사하였다. Fig.
이와 더불어, 업셋팅 및 취출(ejection) 공정으로 구성된 냉간단조 공정에 대한 탄소성 유한요소해석(elasto-plastic finite element simulation)을 수행하였으며, 이를 통해 잔류응력과 연성손상을 예측하였다. 또한, 냉간단조된 내륜에 대한 3차원 형상을 측정하였고, 해석적으로 예측된 외형과의 형상 비교를 수행하였다. 그리고, 내륜의 내부 단면들에서의 경도를 각각 측정하였다.
그리고, 열처리에 의한 단조성 개선 여부를 확인하기 위해, 단축 압축시험을 수행하였으며, 경도 측정도 병행하였다. 또한, 압축시험을 통해 획득된 재료물성과 냉간 업셋팅 공정의 유한요소 모델을 이용하여 탄소성 유한요소해석을 수행하였다. 이를 통해 예측된 잔류응력 및 연성손상을 시제작된 내륜 단조품 내부의 경도와 비교하였다.
또한, 압축시험을 통해 획득된 재료물성과 냉간 업셋팅 공정의 유한요소 모델을 이용하여 탄소성 유한요소해석을 수행하였다. 이를 통해 예측된 잔류응력 및 연성손상을 시제작된 내륜 단조품 내부의 경도와 비교하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과를 요약하면 다음과 같다.
앞서의 탄소성 유한요소해석을 통해 예측된 내륜과의 형상 및 치수정밀도 비교를 위해, 비접촉식 3차원 스캐너(Rexcan IV)를 이용하여 내륜 단조품의 형상 이미지를 추출하였다. 이를 통해 추출된 내륜 단조품의 3차원 형상은 탄소성 유한요소해석 과정에서 예측된 업셋팅이 종료된 상태에서의 형상 및 취출 이후의 형상과 각각 비교하였다. Fig.

성능/효과

(1) SCr420H에 대한 구상화 소둔 열처리에 의해 약 70MPa의 압축 항복강도 감소 그리고 약 90MPa의 극한강도 감소 효과를 확인하였고, 비커스 경도 또한 약 53.6 HV 감소하는 것으로 조사되었다.
(3) 유한요소해석을 통해 예측된 형상과 내륜 단조품과의 치수정밀도를 조사한 결과, 취출에 의한 약간의 후변형이 관찰되었다. 그러나, 볼 그루브 면에서의 치수 오차는 최대 약 0.
20MPa로 나타났다. SCr420H 원소재는 구상화 소둔 열처리에 의해 약 70MPa의 항복강도와 약 90MPa의 극한강도가 감소하는 효과가 있음을 확인하였다. Table 2는 단축 압축시험 결과를 요약하여 나타낸 것이다.
SCr420H 원소재에 대한 구상화 소둔 열처리를 통해 시험 시편의 길이 감소율이 약 50%일 때, 연신률은 약 68.87%로 나타났다. 그러나, 단조공정에 있어서, 피가공재(workpiece)는 일반적으로 큰 변형률을 경험하게 되므로 Fig.
8MPa의 연성손상이 예측되었다. 그러나, 취출 후의 잔류응력은 리브 외측(약 381MPa)을 제외하고, 최대 309MPa및 평균 약 200MPa 수준으로 조사되었으며, 특히 연성손상의 변화는 거의 없는 것으로 파악되었다.
6 HV로 조사되었다. 그리고, 구상화 소둔 열처리된 소재의 평균 비커스 경도(약 128.4 HV)를 내륜 단조품 내부 단면에서 측정된 최소 경도(약 182.1HV)와 비교해 볼 때, 경사형 볼 그루브를 갖는 내륜을 성형하기 위해 적용된 냉간 업셋팅 공정은 최소 약 53.7 HV의 경도 증가를 유발하는 것으로 파악되었다.
34mm에 도달했을 때, 그루브 면에서 전체적으로 약 725MPa의 유효응력이 예측되었고, 그루브와 인접한 어깨부(shoulder)에서 약 817MPa의 최대 유효응력과 약 138MPa의 연성손상이 각각 예측되었다. 내륜 단조품이 외부로 취출이 완료된 경우에는 그루브 면에서 약 182MPa 수준의 잔류응력이 예측되었으나, 어깨부와 리브(rib) 주위에서 국부적으로 높은 수준의 잔류응력이 분포하는 것으로 파악되었다. 이와는 달리, 취출 전과 후의 연성손상 수준은 큰 변화가 없는 것으로 나타났다.
냉간 업셋팅 공정에 대한 탄소성 유한요소해석 결과를 상부 펀치의 스트로크가 7.50mm(약 50%), 11.50mm(약 75%), 15.34mm (100%), 그리고 취출이 완료되었을 때를 기준으로 살펴보면, 전반적으로 스트로크가 증가함에 따라 내륜의 외부 및 내부의 응력과 연성손상이 점차 증가함을 알 수 있다. Fig.
67Ton의 단조 하중이 필요한 것으로 판단되었다. 따라서, 냉간 업셋팅을 통해 본 연구에서의 내륜을 실제 제작하기 위해서는 프레스의 구조안전율을 고려하여 약 500Tonf 이상의 하중 용량을 가지는 단조 프레스를 적용하는 것이 타당한 것으로 파악되었다.
243mm 수준의 차이를 가지는 것으로 조사되었다. 따라서, 탄소성 유한요소해석을 통해 예측된 취출 이후의 내륜 형상과 냉간 업셋팅 실험을 통해 얻어진 내륜 단조품은 요구되는 치수를 충족하는 것으로 판단되었다.
50mm)를 만족하는 것으로 나타났다. 마지막으로, 내륜 단조품 내부의 경도 분포를 예측된 잔류응력 및 연성손상 분포와 비교해 본 결과, 정량적 수치는 차이가 있으나 경도와 잔류응력 분포의 경향성은 유사한 것으로 확인되었다.
본 연구 결과를 요약하면, 구상화 소둔 열처리에 의해 기계적 특성이 개선됨을 확인하였고, 냉간 단조품과 탄소성 유한요소해석을 통해 예측된 형상과의 치수 오차는 0.243mm로 평가되었으며, 허용 치수오차(±0.50mm)를 만족하는 것으로 나타났다
16(a)에 제시되어 있다. 전체적으로 살펴보면, 경도 분포는 예측된 연성손상 분포보다는 잔류응력 분포와 유사한 분포 경향성을 가지는 것으로 파악되었다. 그리고, 중심부에서 최대 288.
단면 C-C’에서의 금속유동선을 확인해 본 결과, 중심부에서는 명확하게 금속유동선을 구분할 수 없었으나, 리브부 및 그루브부에 가까워질수록 촘촘하게 발달되어 있음을 확인할 수 있었다. 전체적으로, 부식 실험을 통해 가시화된 금속유동선은 끊김이나 중첩 등의 결함없이 잘 분포되어 있는 것으로 조사되었다.
10(d)와 같이 가시화하였으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같이 유효응력과 연성손상은 대칭적으로 분포하는 것으로 조사되었다. 특히, 중심부에서 약 796MPa의 최대유효응력이 예측되었으며, 그루브 면의 내측에서 약 750MPa 수준의 유효응력이 분포함을 알 수 있었다. 그러나, 리브 부위에서는 상대적으로 낮은 유효응력이 분포함을 확인할 수 있었다.

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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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