In order to investigate the optimum condition of the autofrettage process for the diesel engine injection pipe, different values of autofrettage pressure, pressure rising time, pressure holding time, and repetition of autofrettage process were applied. Autofrettage was preformed by applying the hydr...
In order to investigate the optimum condition of the autofrettage process for the diesel engine injection pipe, different values of autofrettage pressure, pressure rising time, pressure holding time, and repetition of autofrettage process were applied. Autofrettage was preformed by applying the hydrostatic internal pressures of 603 MPa, 535 MPa, 500 MPa on the fuel injection pipe, corresponding to theoretically 50%, 30%, and 20% overstrain levels, respectively. The autofrettage residual stresses in the injection pipe were experimentally determined by using X-ray diffractometer. As the overstrain level increased, the magnitude of compressive residual stress at the bore increased. It was found that the rising time to reach the autofrettage pressure, holding time at the autofrettage pressure, and repeating application of the autofrettage pressure on the pipe had no significant influence on the residual stress distributions.
In order to investigate the optimum condition of the autofrettage process for the diesel engine injection pipe, different values of autofrettage pressure, pressure rising time, pressure holding time, and repetition of autofrettage process were applied. Autofrettage was preformed by applying the hydrostatic internal pressures of 603 MPa, 535 MPa, 500 MPa on the fuel injection pipe, corresponding to theoretically 50%, 30%, and 20% overstrain levels, respectively. The autofrettage residual stresses in the injection pipe were experimentally determined by using X-ray diffractometer. As the overstrain level increased, the magnitude of compressive residual stress at the bore increased. It was found that the rising time to reach the autofrettage pressure, holding time at the autofrettage pressure, and repeating application of the autofrettage pressure on the pipe had no significant influence on the residual stress distributions.
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문제 정의
재료가 하중을 받을 때 이에 대한 변형거동은 하중속에 따라 다르게 나타나므로 가압하여 최대 자긴압력에 이르는 시간, 즉 가압시간(또는 가압 속도), 그리고 자긴압력 유지시간 등의 변수가 자긴 잔류응력에 대하여 미치는 영향을 재료특성시험과 수치해석적인 방법을 이용하여 파악함으로써 최적의 자긴가공 공정 개발이 가능하다. 본 연구에서는 가압속도 유지시간 그리고 자긴횟수가 잔류응력에 미치는 영향을 실험적으로 파악하기 위하여 서로 다른 조건에서 자긴가공된 압력관으로부터 채취된 시편을 X선회절법을 이용하여 잔류응력을 측정한 후 비교, 검토하였다.
본 연구에서는 엔진 출력을 향상시키기 위하여 내압수준이 지속적으로 상승하고 있는 디젤엔진용 연료분사관을 개발하기 위하여 분사관의 탄성 강도를 확보할 수 있는 최적의 자긴가공 절차와 자긴가공된 연료분사관의 잔류응력분포 해석 및 측정에 대하여 검토하였다.
제안 방법
1. 자긴가공을 이용한 디젤엔진 연료분사관의 정적 강도를 확보하기 위하여 604 MPa, 536 MPa, 500 MPa의 압력으로 자긴가공하였다. 자긴압력이 증가할수록 내경부근에서의 압축잔류응력이 증가하는 경향이 확인되었으며, 내경에서의 압축잔류응력은 자긴도에 따라 150 ~ 450 MPa이 얻어졌다.
93를 대입하면 669 MPa수준이며, 50% 자긴도의 경우에는 603 MPa의 자긴압력이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 Tresca 항복조건 식에 근거한 자긴압력 계산식 (5)를 이용하여 50%, 30%, 20%의 자긴도를 예상하여 각각 603 MPa, 535 MPa, 500 MPa의 자긴압력으로 연료분사관을 자긴가공하였으며, 잔류응력분포를 실험적으로 측정한 결과를 이론적인 잔류응력분포와 비교・검토하였다.
자긴가공된 연료분사관의 잔류응력을 측정하기 위해서 X선 회절기를 이용하였다. 사용된 시험편의 제작조건은 Table 1과 같으며, 정확한 잔류응력의 측정을 위하여 시편 표면을 전해연마하여 압력관 내경으로부터 0.5mm 간격으로 외경방향으로 진행하면서 접선방향성분의 잔류응력을 측정하였다.
자긴가공된 연료분사관의 잔류응력을 측정하기 위해서 X선 회절기를 이용하였다. 사용된 시험편의 제작조건은 Table 1과 같으며, 정확한 잔류응력의 측정을 위하여 시편 표면을 전해연마하여 압력관 내경으로부터 0.
대상 데이터
본 연구에서 두꺼운 압력관은 내・외경이 각각 14 mm, 27 mm(내외경비, K=b/a=1.93)이며 내압 105 MPa을 받는 선박용 디젤엔진 연료분사관이다. 연료분사관은 SCM440(JIS4150)강이며 항복강도와 인장강도는 각각 1018 MPa, 1109 MPa이다.
93)이며 내압 105 MPa을 받는 선박용 디젤엔진 연료분사관이다. 연료분사관은 SCM440(JIS4150)강이며 항복강도와 인장강도는 각각 1018 MPa, 1109 MPa이다. 따라서 이에 대한 충분한 강도 및 안전성의 확보가 매우 중요하며, 이를 위하여 자긴가공 및 건전성 평가 기술개발이 요구된다.
성능/효과
2. 실험적으로 측정한 잔류응력은 이론적 잔류 응력과 비교하였을 때 상대적으로 작은 값이지만 연료분사관의 운전 내압(105 MPa)에 의하여 내경에서 발생하는 인장응력 182 MPa이 유사하거나 큰 응력수준이므로 자긴 가공이 압력관의 정적 강도 및 내구수명을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.
3. 최종 자긴가공 압력까지 이르는 승압시간, 압력유지시간의 증가가 잔류응력에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 평가되었다. 또한 동일한 자긴 압력까지 여러 횟수를 반복적으로 자긴가공을 실시하는 것이 자긴가공 잔류응력분포에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 평가되었다.
각각 604 MPa, 536MPa, 그리고 500MPa의 자긴압력을 작용하였을 때 시편에서의 잔류응력은 Fig. 6과 같이 자긴압력이 증가할수록 내경부근에서의 압축잔류응력이 작아지는 경향을 확인할 수 있다. 압력관 내경에서의 압축잔류응력은 측정되지 못했으므로 두께에 따른 잔류응력분포를 내경으로 선형적으로 외삽(extrapolate)하여 추정한 값과 Fig.
따라서 연료분사관 재질의 항복응력이 1018 MPa이므로 분사관의 100% 자긴가공에 필요한 자긴압력은 K=1.93를 대입하면 669 MPa수준이며, 50% 자긴도의 경우에는 603 MPa의 자긴압력이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 Tresca 항복조건 식에 근거한 자긴압력 계산식 (5)를 이용하여 50%, 30%, 20%의 자긴도를 예상하여 각각 603 MPa, 535 MPa, 500 MPa의 자긴압력으로 연료분사관을 자긴가공하였으며, 잔류응력분포를 실험적으로 측정한 결과를 이론적인 잔류응력분포와 비교・검토하였다.
최종 자긴가공 압력까지 이르는 승압시간, 압력유지시간의 증가가 잔류응력에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 평가되었다. 또한 동일한 자긴 압력까지 여러 횟수를 반복적으로 자긴가공을 실시하는 것이 자긴가공 잔류응력분포에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 평가되었다.
자긴가공을 이용한 디젤엔진 연료분사관의 정적 강도를 확보하기 위하여 604 MPa, 536 MPa, 500 MPa의 압력으로 자긴가공하였다. 자긴압력이 증가할수록 내경부근에서의 압축잔류응력이 증가하는 경향이 확인되었으며, 내경에서의 압축잔류응력은 자긴도에 따라 150 ~ 450 MPa이 얻어졌다.
후속연구
두꺼운 압력관을 자긴가공하였을 때 발생하는 잔류응력의 크기는 재료의 항복강도 및 가공경화 특성, 역하중에 의한 재질의 바우싱거 효과, 압력관의 내외경비, 자긴도, 그리고 자긴하중의 속도 등의 두꺼운 압력관의 재질특성, 형상 및 자긴가공 조건에 의하여 영향을 받는다. 따라서 정확한 잔류응력을 계산함으로써 디젤엔진 분사용 압력관의 탄성강도를 예측하기 위하여서는 이에 대한 해석 및 실험이 요구된다.
재료가 하중을 받을 때 이에 대한 변형거동은 하중속에 따라 다르게 나타나므로 가압하여 최대 자긴압력에 이르는 시간, 즉 가압시간(또는 가압 속도), 그리고 자긴압력 유지시간 등의 변수가 자긴 잔류응력에 대하여 미치는 영향을 재료특성시험과 수치해석적인 방법을 이용하여 파악함으로써 최적의 자긴가공 공정 개발이 가능하다. 본 연구에서는 가압속도 유지시간 그리고 자긴횟수가 잔류응력에 미치는 영향을 실험적으로 파악하기 위하여 서로 다른 조건에서 자긴가공된 압력관으로부터 채취된 시편을 X선회절법을 이용하여 잔류응력을 측정한 후 비교, 검토하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
두꺼운 압력관이 보다 높은 압력을 받을 수 있도록 하기 위해서 어떤 방법들을 이용하여 내압에 의한 내경에서의 접선인장응력 수준을 낮추고 있는가?
두꺼운 압력관이 보다 높은 압력을 받을 수 있도록 하기 위해서는, 즉 압력관의 강도를 증가시키기 위하여 억지 끼워맞춤 방법(shrink fit), 묶음 방법(wrapping) 등을 이용하여 내압에 의한 내경에서의 접선인장응력 수준을 낮추고 있으나 견딜 수 있는 압력한도가 낮기 때문에 더 효과적으로 두꺼운 압력관의 탄성강도를 높일 수 있는 자긴 가공(autofrettage)방법이 개발되어 사용되고 있다.(1,4)
두꺼운 압력관에 자긴 가공(autofrettage)방법을 사용하는 경우 어떤 일이 발생하는가?
두꺼운 압력관을 자긴가공하였을 때 압력관에는 비선형적인 탄성회복에 의하여 내경부근에서는 압축 잔류응력, 그리고 외경 부근에서는 인장 잔류응력이 발생한다. 자긴가공에 의하여 압력관 내경에 유도되는 접선방향의 압축 잔류응력은 내압에 의하여 발생하는 인장 접선응력을 상쇄하는 작용을 함으로써 압력관이 부담할 수 있는 내압 한도를 증가시킬 수 있으며, 반복적인 내압을 받을 때 내경으로부터의 균열발생 및 균열진전을 억제하고 지연시켜 압력관의 강도증가와 수명향상에 크게 기여한다.
높은 압력을 유지하기 위한 두꺼운 압력관은 어떤 기계부품인가?
높은 압력을 유지하기 위한 두꺼운 압력관은 고압 발생장치, 화학 플랜트의 반응기, 원자력 발전소의 반응로 화력 발전소의 보일러 헤더, 증기 드럼, 화포의 포신을 포함한 방위산업분야, 그리고 디젤엔진 연료분사장치의 압력관과 같은 수송 기계장치에 이르기까지 그 사용이 광범위하며 다양한 종류를 지니고 있는 중요한 기계부품이다.(1,2) 따라서 높은 내부압력을 유지하기 위한 두꺼운 압력관의 설계, 제작 기술에 대한 많은 연구가 진행되어 오고 있으며, 특히 이러한 고압압력관의 갑작스런 파손사고가 많은 인명 및 재산 피해를 초래하기 때문에 압력관과 같은 압력 용기 또는 압력관의 설계 및 제작에는 엄격한 설계 규정이 정하여 있으며 높은 신뢰성이 요구된다.
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