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문제 정의
- 본 연구에서는 우선 이와 같은 ECAP 공정을 최적화하기 위한 방법으로 다이 형상, 마찰계수, 압출속도, 온도 등이 재료의 변형거동에 미치는 영향을 등가변형률의 크기, 분포와 함께 압력 변화를 통해 해석적으로 분석하였다. 또한 최적화된 공정변수를 이용하여 알루미늄과 티타늄 재료의 ECAP 성형 시험을 수행 하였으며 성형 완료된 시료와 해석결과의 비교, 분석을 통해 공정에 필요한 제반 변수의 특성을 고찰할 수 있었다.
제안 방법
- (1) ECAP 공정 시, 소재의 소성변형률 양을 극대화하고, 그 분포를 가장 균일하게 할 수 있는 다이 형상으로써 교차각 90˚, 만곡각 0˚를 선정하였다.
- (2) ECAP 공정에 수반되는 마찰계수는 반복적인 해석을 통해 선정하고자 하였으며 이를 위해 성형 후 빌렛의 형상으로부터 기하학적 특징(θ, h, l)을 정의하였다.
- 7, 8 은 각각 티타늄과 알루미늄의 성형 해석된 빌렛 형상을 나타내고 있다. 결과에서 알 수 있듯이 마찰계수에 따라 ECAP 성형된 빌렛의 형태가 차이가 남을 확인할 수 있으며 이를 바탕으로 채널 다이와 소재간의 마찰성능을 분석 하였다.
- 따라서 소재를 반 용융상태로 가열하여 적정한 성형성을 갖도록 해 주는 것이 중요하다. 기존의 연구(7)에서 350℃ 및 450℃로 ECAP 공정을 시행한 것처럼 Table 1 의 Case 1, 9, 10 을 통해 압력과 변형률 크기 및 분포 등을 비교하였다.
- 본 연구에서는 우선 이와 같은 ECAP 공정을 최적화하기 위한 방법으로 다이 형상, 마찰계수, 압출속도, 온도 등이 재료의 변형거동에 미치는 영향을 등가변형률의 크기, 분포와 함께 압력 변화를 통해 해석적으로 분석하였다. 또한 최적화된 공정변수를 이용하여 알루미늄과 티타늄 재료의 ECAP 성형 시험을 수행 하였으며 성형 완료된 시료와 해석결과의 비교, 분석을 통해 공정에 필요한 제반 변수의 특성을 고찰할 수 있었다.
- 본 연구는 ECAP 성형 최적화와 관련하여, 우선유한요소해석을 바탕으로 공정변수 분석을 수행하였으며 이를 통해 공정에 필요한 다이 형상을 최적화 하였다. 이어 램속도, 온도 및 마찰계수에 따른 영향을 고찰하였으며 다음과 같은 결론을 구할 수 있었다.
- 본 연구에서 고려한 ECAP 공정변수는 Table 1과 같이 총 5 가지로서 교차각, 만곡각, 다이마찰, 램속도 및 공정온도를 들 수 있다. 교차각, 만곡각 및 마찰에 관한 분석은 티타늄 및 알루미늄 소재를 이용하였고, 나머지 램속도, 온도에 관한 해석은 티타늄 만을 대상으로 하였다.
- 선행 해석을 통해 선정한 다이형상(Φ=90˚, Ψ=0˚) 및 램속도, 공정온도에 따라 티타늄 및 알루미늄에 대한 ECAP 성형을 실시하였으며 각각의 공정조건은 Table 4 와 같이 요약하였다.
- 교차각, 만곡각 및 마찰에 관한 분석은 티타늄 및 알루미늄 소재를 이용하였고, 나머지 램속도, 온도에 관한 해석은 티타늄 만을 대상으로 하였다. 아울러 다이 형상(교차각, 만곡각)을 제외한 공정변수는 모두 최적화된 형상을 바탕으로 해석을 수행하였다.
- 해석은 Table 1 의 Case 1, 5, 6 에서와 같이 μ=0.0015, 0.1 및 0.15 세 가지 조건으로 나누어 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 고려한 ECAP 공정변수는 Table 1과 같이 총 5 가지로서 교차각, 만곡각, 다이마찰, 램속도 및 공정온도를 들 수 있다. 교차각, 만곡각 및 마찰에 관한 분석은 티타늄 및 알루미늄 소재를 이용하였고, 나머지 램속도, 온도에 관한 해석은 티타늄 만을 대상으로 하였다. 아울러 다이 형상(교차각, 만곡각)을 제외한 공정변수는 모두 최적화된 형상을 바탕으로 해석을 수행하였다.
- 본 연구에 사용된 소재는 티타늄과 알루미늄이며 각각의 화학적 조성은 Table 2 와 3 에 나타내었다. 선행 해석을 통해 선정한 다이형상(Φ=90˚, Ψ=0˚) 및 램속도, 공정온도에 따라 티타늄 및 알루미늄에 대한 ECAP 성형을 실시하였으며 각각의 공정조건은 Table 4 와 같이 요약하였다.
- 빌렛의 메쉬(mesh) 크기는 0.5×0.5 mm 이고 2,541 개의 절점수(nodal point)와 2,400 개의 CPE4R 요소(element)로 구성하였다.
- 해석모델에서, 다이와 램은 모두 강체로 구성하였으며 빌렛은 탄-소성 변형체로 고려하였다. 빌렛의 메쉬(mesh) 크기는 0.
데이터처리
- (10) 공정변수 분석을 위해 본 연구에서는 상용 해석프로그램인 ABAQUS 를 사용하였으며 Fig 2 와 같이 해석모델을 구성하였다.
성능/효과
- 선행 해석을 통해 선정한 다이형상(Φ=90˚, Ψ=0˚) 및 램속도, 공정온도에 따라 티타늄 및 알루미늄에 대한 ECAP 성형을 실시하였으며 각각의 공정조건은 Table 4 와 같이 요약하였다. 다이와 빌렛 사이의 윤활제는 MoS2 기반의 MT-LM (Rocol 社, 영국)를 사용하였으며 성형 완료된 빌렛의 기하학적 형태를 각 마찰계수의 해석결과와 비교함으로써 가장 유사한 조건을 선정할 수 있었다. Fig.
- 따라서 이러한 경향을 바탕으로 실험 결과와 가장 유사 경향을 나타내는 마찰계수를 선정할 수 있었으며 티타늄의 경우 θ 는 μ=0.15 조건에 해당하였고 h 는 μ=0.1 이하의 값에 해당하였다.
- 마찰성능은 사용 소재의 종류, 주변환경 및 이송속도에 따라 다르게 나타날 수 있으며 이를 정확히 측정하기란 매우 어렵다. 본 연구에서는 이와 같은 마찰계수를 효과적으로 선정하기 위해 반복해석을 수행하였으며 실험결과와 가장 유사한 해석결과로부터 타당한 마찰계수를 선정할 수 있었다. 아울러 이를 바탕으로 마찰계수에 따른 압력의 변화 또한 고찰할 수 있었다.
- (2) ECAP 공정에 수반되는 마찰계수는 반복적인 해석을 통해 선정하고자 하였으며 이를 위해 성형 후 빌렛의 형상으로부터 기하학적 특징(θ, h, l)을 정의하였다. 정의된 기하학적 특성을 바탕으로 실험결과와 해석결과의 상사성을 비교함으로써 가장 타당한 마찰계수를 추정할 수 있었으며 목적 온도에서 티타늄의 경우 0.1-0.15, 알루미늄은 0.15 로 선정되었다.
후속연구
- (3) ECAP 공정 시, 램속도, 온도에 따른 소성변형률의 차이와 함께 압력의 변화를 분석, 고찰함으로써 공정설계 시 이와 같은 방법들이 실질적으로 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단한다.
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