[논문]Ti6Al4V 판재의 초소성 성형공정에서 Inconel 600 금형 마모 평가

방준호; 송정한; 김민기

doi:10.5228/kstp.2024.33.2.112

Ti6Al4V 판재의 초소성 성형공정에서 Inconel 600 금형 마모 평가
Evaluation of Wear in Inconel 600 Tools in Superplastic Forming of Ti6Al4V Sheet

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.33 no.2, 2024년, pp.112 - 117

방준호 (한국생산기술연구원) , 송정한 (한국생산기술연구원) , 김민기 (한국생산기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the friction and wear characteristics of Inconel 600 in the superplastic forming process of Ti6Al4V were evaluated through pin-on-disc tests. To achieve an efficient and systematic experimental design, the Taguchi method was employed. The wear track of the Inconel 600 pin showed scratches in the sliding contact direction, confirming that the wear mechanism is abrasive wear. Through sensitivity analysis such as ANOVA and Main effects, it was confirmed that both normal force and sliding distance have a significant impact on the wear. Changes in sliding velocity and distance did not affect the friction coefficient, which remained relatively constant at approximately 0.380. The wear prediction model for Inconel 600 in the superplastic forming of Ti6Al4V was constructed, which can be utilized as a guideline for the prediction and management of tool wear.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 High-temperature pin-on-disc test setup[11]: (a) Pin-on-disc tester; (b) size of the pin and disc
그림 Fig. 2 Geometry and boundary conditions for sheet metal forming simulation
그림 Fig. 3 Forming simulation results of Ti6Al4V sheet: (a) contact pressure distribution; (b) normal force history on the die curvature
그림 Fig. 4 Simulation of pin-on-disc test: (a) boundary conditions; (b) strain rate history of Ti6Al4V sheet
표 Table 1 Material properties of Ti6Al4V and Inconel 600 at 900℃[12-14]
표 Table 2 Orthogonal array L₉(3²) constructed by Taguchi method
그림 Fig. 5 Schematic illustration of pin wear track
그림 Fig. 6 Wear track and wear depth of Inconel 600 pin for each experimental case
그림 Fig. 7 ANOVA for wear depth of Inconel 600 pin
그림 Fig. 8 Main effects plot for wear depth of Inconel 600 pin
그림 Fig. 9 Friction coefficient in sliding contact between Inconel 600 pin and Ti6Al4V disc
그림 Fig. 10 Prediction result of wear depth of Inconel 600 pin

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

Fig. 1(a)과 같이 퍼니스를 이용하여 핀과 디스크를 900℃로 가열하며 시편의 산화를 방지하기 위해 퍼니스 안의 시험 공간에 아르곤 가스를 주입하였다. 핀에 가해지는 수직하중은 공압으로 제어되며, 디스크가 회전하면서 핀과 디스크가 미끌림 접촉을 하게 된다.
구성된 직교배열표의 시험 조건 별로 마모시험을 수행하였으며, 현미경으로 핀의 마모트랙을 관찰한 후 마모깊이를 계산하였다. Fig.
금형(다이, 펀치, 바인더)은 강체(rigid body)이다. 금형 표면의 접촉압력과 수직하중의 정확한 예측을 위해 높은 접촉압력이 집중되어 마모에 취약할 것으로 예상되는 금형 곡률부 요소 사이즈는 0.8 mm, 그 이외의 영역은 해석시간 단축을 위해 5.0 mm로 모델링하였다. 블랭크(blank)는 쉘 요소(shell element)이며 해석의 연산시간 단축을 위해 적응적 메시 세분화(Adaptive mesh refinement)를 적용하였다.
마모시험의 수직하중 범위 설정을 위해 복잡한 형상을 가진 성형 부품의 해석을 통해 금형 표면의 접촉압력과 수직하중 범위를 확인하였다. 상용 유한 요소 해석 소프트웨어인 LS-Dyna Explicit code를 사용하였다.
본 연구에서는 초소성 성형 온도인 900℃에서 Ti6Al4V 판재와 미끌림 접촉하는 Inconel 600 금형의 마모를 정량적으로 평가하였으며, 마모 예측 모델을 구성하였다. 마찰 및 마모 특성을 확인하기 위해 900℃에서 핀온디스크 시험을 수행하였다. 다구찌법(Taguchi method)을 사용하여 체계적이고 효율적인 실험 구성 및 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 초소성 성형 온도인 900℃에서 Ti6Al4V 판재와 미끌림 접촉하는 Inconel 600 금형의 마모를 정량적으로 평가하였으며, 마모 예측 모델을 구성하였다. 마찰 및 마모 특성을 확인하기 위해 900℃에서 핀온디스크 시험을 수행하였다.
0 mm로 모델링하였다. 블랭크(blank)는 쉘 요소(shell element)이며 해석의 연산시간 단축을 위해 적응적 메시 세분화(Adaptive mesh refinement)를 적용하였다. 블랭크의 초기 요소 사이즈는 5.
수직하중(F)과 미끌림 거리(L)이 핀의 마모량에 미치는 영향을 확인하기 위해, 분산분석과 주효과를 분석하였다. Fig.
앞서 수행한 마모시험 결과를 바탕으로 Ti6Al4V 판재의 초소성 성형 공정에서 Inconel 600 금형 마모예측모델을 구성하였다. 민감도 분석에서 수직하중과 미끌림 거리 모두 마모에 주요한 영향을 끼치기 때문에 식 (3)과 같은 두 인자에 대한 2차 회귀식을 이용하여 R‒square가 98.
초소성 성형공정에서 Ti6Al4V 판재와 Inconel 600 내열합금강의 미끌림 접촉 시 마찰 및 마모 특성을 조사하기 위해 핀온디스크 시험을 수행하였다. 실험 계획은 다구찌법을 이용하였다.
초소성 성형에서 Inconel 600 금형의 마찰 및 마모 특성을 평가하기 위해, 초소성 성형 온도인 900℃의 환경에서 핀온디스크 마모시험을 수행하였다. 판재 성형공정은 새로운 판재를 연속으로 성형한다.

대상 데이터

Inconel 600의 마찰 및 마모를 정량적으로 평가하였으며, 마모에 영향 변수의 민감성을 확인하였다. 이를 바탕으로 Inconel 600의 마모 예측 모델을 구성하였다. 본 연구의 주요 결론은 아래와 같이 정리하였다.
핀과 디스크 모두 육면체 솔리드 요소 (solid element)를 사용하였다. 핀과 디스크의 재료는 각각 Inconel 600과 Ti6Al4V이며, Table 1의 재료물성을 적용하였다. 2 kgf의 수직하중이 가해지는 핀이 0.
핀에 가해지는 수직하중은 공압으로 제어되며, 디스크가 회전하면서 핀과 디스크가 미끌림 접촉을 하게 된다. 핀은 Inconel 600으로 제작하였으며, 디스크는 두께가 2.0 mm인 Ti6Al4V 판재이다. 핀과 디스크의 치수는 Fig.

데이터처리

해당 변형률 속도에 상응하는 핀의 속도를 확인하기 위해 Fig. 4와 같이 Pin-on-disc 시험에 대한 해석을 수행하였다. 핀과 디스크 모두 육면체 솔리드 요소 (solid element)를 사용하였다.
다구찌법(Taguchi method)을 사용하여 체계적이고 효율적인 실험 구성 및 분석을 수행하였다. 분산분석(Analysis of Variance, ANOVA)과 주효과(Main effect) 분석을 통해 각 마모 영향 인자의 민감도 분석을 수행하였다. 정량적인 마모 시험 결과를 바탕으로 2차 회귀식을 이용한 마모 예측 모델을 구성하였으며, 실험과의 비교를 통해 예측의 정확성을 검증하였다.

이론/모형

마찰 및 마모 특성을 확인하기 위해 900℃에서 핀온디스크 시험을 수행하였다. 다구찌법(Taguchi method)을 사용하여 체계적이고 효율적인 실험 구성 및 분석을 수행하였다. 분산분석(Analysis of Variance, ANOVA)과 주효과(Main effect) 분석을 통해 각 마모 영향 인자의 민감도 분석을 수행하였다.
마모시험의 수직하중 범위 설정을 위해 복잡한 형상을 가진 성형 부품의 해석을 통해 금형 표면의 접촉압력과 수직하중 범위를 확인하였다. 상용 유한 요소 해석 소프트웨어인 LS-Dyna Explicit code를 사용하였다. Fig.
초소성 성형공정에서 Ti6Al4V 판재와 Inconel 600 내열합금강의 미끌림 접촉 시 마찰 및 마모 특성을 조사하기 위해 핀온디스크 시험을 수행하였다. 실험 계획은 다구찌법을 이용하였다. Inconel 600의 마찰 및 마모를 정량적으로 평가하였으며, 마모에 영향 변수의 민감성을 확인하였다.
판재 성형공정은 새로운 판재를 연속으로 성형한다. 이러한 특성을 반영하여 핀이 새로운 디스크 표면과 지속적으로 접촉하는 나선 마모 시험법을 채택하였다. Fig.
체계적인 고온 나선 마모시험을 위해 다구찌법을 이용하여 실험을 계획하였다. 미끌림 거리는 회전 나선 간격(t)을 통해 제어하였다.
핀의 마모깊이는 ASTM G99-17을 참고하여 계산하였다. Fig.

성능/효과

(1) Inconel 600의 주요 마모 메커니즘은 연삭 마모이다.
(2) 민감도 분석을 통해 수직하중과 미끌림 거리가 Inconel 600의 마모에 주요한 영향을 주는 것을 확인하였다.
(3) 마찰은 미끌림 거리와 속도의 증가에 영향을 받지 않으며 0.380의 비교적 일정한 마찰계수가 측정되었다.
(4) 2차 회귀식을 이용하여 초소성 성형 시 Inconel 600의 마모 예측 모델을 구성하였으며 우수한 예측 성능을 확인하였다.
핀과 디스크의 재료는 각각 Inconel 600과 Ti6Al4V이며, Table 1의 재료물성을 적용하였다. 2 kgf의 수직하중이 가해지는 핀이 0.2 mm/s의 속도로 미끄러질 때 판재에 발생하는 변형률 속도는 최대 0.0007 /s인 것을 확인할 수 있다. 따라서 초소성 성형 금형의 마모시험 속도 수준은 0.
판재 성형 해석 결과, Fig. 3의 흰 원으로 표시한 다이의 곡률부에서 높은 접촉압력이 발생하는 것을 확인하였다. 최대 접촉압력은 약 30 MPa이며, 해당 절점(node)에서의 수직하중은 최대 20 N인 것을 확인하였다.
Fig. 7의 분산분석을 통해 수직하중과 미끌림 거리 모두 P-value가 0.05보다 작으므로 95% 신뢰수준에서 두 인자가 Inconel 600 핀의 마모에 유의미한 것을 확인하였다. 수직하중의 F-value가 미끌림거리의 값보다 크기 때문에 수직하중 변화가 마모깊이 변화에 더 많은 영향을 주는 것을 확인하였다.
Fig. 8의 주효과도에서도 수직하중과 미끌림거리가 증가할수록 핀의 마모깊이가 커지기 때문에 두인자 모두 Inconel 600 핀의 마모에 유의미한 것을 확인할 수 있다.
실험 계획은 다구찌법을 이용하였다. Inconel 600의 마찰 및 마모를 정량적으로 평가하였으며, 마모에 영향 변수의 민감성을 확인하였다. 이를 바탕으로 Inconel 600의 마모 예측 모델을 구성하였다.
최대 접촉압력은 약 30 MPa이며, 해당 절점(node)에서의 수직하중은 최대 20 N인 것을 확인하였다. 따라서 초소성 성형 금형 마모시험의 수직하중 범위는 최대 2 kgf으로 설정하였다.
0007 /s인 것을 확인할 수 있다. 따라서 초소성 성형 금형의 마모시험 속도 수준은 0.2 mm/s로 설정하였다.
마모 영역에서 마모잔해(wear debris)의 접착 흔적이 보이지 않고 미끌림 방향으로 마모 스크레치가 발생한 것을 확인할 수 있다. 따라서 핀의 마모 메커니즘은 연삭마모(abrasive wear)인 것을 확인하였다.
6은 각 실험 조건에 대한 마모트랙과 마모깊이의 결과를 보여준다. 마모 영역에서 마모잔해(wear debris)의 접착 흔적이 보이지 않고 미끌림 방향으로 마모 스크레치가 발생한 것을 확인할 수 있다. 따라서 핀의 마모 메커니즘은 연삭마모(abrasive wear)인 것을 확인하였다.
4 rpm이지만, 나선마모시험의 특성상 회전반경이 증가함에 따라 미끌림 속도도 증가한다. 미끌림 속도의 증가에 따라 마찰계수의 변화가 없는 것으로 보아 설정된 수준의 미끌림 속도는 마찰계수에 영향을 주지 않는 것을 확인하였다.
앞서 수행한 마모시험 결과를 바탕으로 Ti6Al4V 판재의 초소성 성형 공정에서 Inconel 600 금형 마모예측모델을 구성하였다. 민감도 분석에서 수직하중과 미끌림 거리 모두 마모에 주요한 영향을 끼치기 때문에 식 (3)과 같은 두 인자에 대한 2차 회귀식을 이용하여 R‒square가 98.10%인 우수한 성능의 근사식을 확보하였다.
380이다. 본 실험의 미끌림 속도는 0.4 rpm이지만, 나선마모시험의 특성상 회전반경이 증가함에 따라 미끌림 속도도 증가한다. 미끌림 속도의 증가에 따라 마찰계수의 변화가 없는 것으로 보아 설정된 수준의 미끌림 속도는 마찰계수에 영향을 주지 않는 것을 확인하였다.
블랭크(blank)는 쉘 요소(shell element)이며 해석의 연산시간 단축을 위해 적응적 메시 세분화(Adaptive mesh refinement)를 적용하였다. 블랭크의 초기 요소 사이즈는 5.0 mm이며 4 수준의 적응적 메시 세분화 적용을 통한 최종 요소 사이즈는 0.625 mm이다. 해석에 적용된 900℃에서의 Ti6Al4V와 Inconel 600의 재료물성은 Table 1과 같다.
05보다 작으므로 95% 신뢰수준에서 두 인자가 Inconel 600 핀의 마모에 유의미한 것을 확인하였다. 수직하중의 F-value가 미끌림거리의 값보다 크기 때문에 수직하중 변화가 마모깊이 변화에 더 많은 영향을 주는 것을 확인하였다. Fig.
분산분석(Analysis of Variance, ANOVA)과 주효과(Main effect) 분석을 통해 각 마모 영향 인자의 민감도 분석을 수행하였다. 정량적인 마모 시험 결과를 바탕으로 2차 회귀식을 이용한 마모 예측 모델을 구성하였으며, 실험과의 비교를 통해 예측의 정확성을 검증하였다.
10과 같이 실험과 예측 결과의 관계를 비교하였다. 제안된 2차 회귀식을 이용한 마모 예측 시 우수한 예측 성능을 보이며, 마모예측을 통한 초소성 성형장비 금형관리 가이드로 활용 가능함을 검증하였다.
3의 흰 원으로 표시한 다이의 곡률부에서 높은 접촉압력이 발생하는 것을 확인하였다. 최대 접촉압력은 약 30 MPa이며, 해당 절점(node)에서의 수직하중은 최대 20 N인 것을 확인하였다. 따라서 초소성 성형 금형 마모시험의 수직하중 범위는 최대 2 kgf으로 설정하였다.

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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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