[논문]압력제어를 이용한 초소성 성형/확산접합의 공정설계

송재선; 강영길; 홍성석; 권용남; 이정환; 김용환

[국내논문] 압력제어를 이용한 초소성 성형/확산접합의 공정설계
Process design of superplastic forming/diffusion bonding by using pressure control 원문보기

송재선 (충남대학교 대학원, BK21 메카트로닉스사업단) , 강영길 (국방과학연구소) , 홍성석 (국방과학연구소) , 권용남 (한국기계연구원) , 이정환 (한국기계연구원) , 김용환 (충남대학교, BK21 메카트로닉스사업단)

The superplastic forming (SPF) has been widely used in the automotive and aerospace industry because it has great advantages to produce very light and strong components. Finite element method (FEM) is used to model the process of superplastic forming/diffusion bonding (SPF/DB), to predict the pressure-time curve and to analyze the process parameter. In this study, process design of SPF/DB is carried out a 3-sheet sandwich part. SPF/DB process with pressure control was analyzed by using finite element method. For obtaining proper shape, step-by-step pressurization is proposed. The first step of SPD/DB process is obtained by applying of pressure in patches. From the next step it applied pressure to all regions (between inner sheets, between inner and face sheets). By using the proposed pressurization scheme, deficit in part shape is found to be eliminated.

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문제 정의

이에 본 연구에서는 초소성 성형/확산접합의 완벽한 성형을 위하여 유한요소법을 이용한 공정해석을 수행하였다. 초기에 확산접합 된 후 압력을 가하는 방법으로 비접합부에 전체적으로 압력을 가하는 성형방법과 비접합부에 순차적으로 압력을 가하는 성형방법에 대하여 해석을 수행하였으며, 좀 더 빠른 성형시간의 성공적인 성형 조건을 찾고자 한다.

제안 방법

수행하였다. 초기에 확산접합 된 후 압력을 가하는 방법으로 비접합부에 전체적으로 압력을 가하는 성형방법과 비접합부에 순차적으로 압력을 가하는 성형방법에 대하여 해석을 수행하였으며, 좀 더 빠른 성형시간의 성공적인 성형 조건을 찾고자 한다.
5 와 같이 3 곳의 가스 유입구를 이용하여 1차 압력을 가하는 시간에 대하여 검토 후 금형 높이의 1/2 정도 높이까지 올라오는 360 초의 시간부터 성형이 완벽하게 됨을 확인 하였다. 360 초의 시간 동안 P1과 P3의 유입구에 1 차 압력을 가한 후 Pl, P2 그리고 P3의 유입구에 2 차의 압력을 가하는 공정에 대하여 해석을 수행하였다.
이용하였다. 결함이 없는 성공적인 성형을 위해 1 개의 유입구와 유동 홀을 이용하여 비접합부에 전체적으로 압력을 가하는 방법과 3개의 유입구를 이용하여 순차적으로 압력을 가하는 방법에대해 해석을 수행하였으며 해석 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

해석에 사용된 재료는 Ti-6A1-4V ELI 소재로 접합된 3 장의 원형 판재에 대하여 1710 개의 축 대칭 요소를 사용하여 해석을 수행하였다. 사용된 구성방정식은 식(1)과 같고, 성형공정 동안 변형률 속도를 일정하게 유지시키기 위한 최적의 변형률 속도 #로 하였으며, 판재의 초기 두께는 각각 2 mm, 마찰계수는 0.

데이터처리

본 연구에서는 Chandra[5]가 제안한 예측.수정 알고리즘을 이용한 압력제어기법이 적용된 유한요소 프로그램을 사용하여 해석을 수행하였다.

이론/모형

이루어진다. 본 연구에서는 Chandra[5]가 제안한 예측.수정 알고리즘을 이용한 압력제어기법이 적용된 유한요소 프로그램을 사용하여 해석을 수행하였다.
초소성 성형/확산접합의 공정설계에 유한요소법을 이용하였다. 결함이 없는 성공적인 성형을 위해 1 개의 유입구와 유동 홀을 이용하여 비접합부에 전체적으로 압력을 가하는 방법과 3개의 유입구를 이용하여 순차적으로 압력을 가하는 방법에대해 해석을 수행하였으며 해석 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

성능/효과

전체적으로 압력을 가하였을 경우에 대한 해석 결과를 바탕으로 Fig. 5 와 같이 3 곳의 가스 유입구를 이용하여 1차 압력을 가하는 시간에 대하여 검토 후 금형 높이의 1/2 정도 높이까지 올라오는 360 초의 시간부터 성형이 완벽하게 됨을 확인 하였다. 360 초의 시간 동안 P1과 P3의 유입구에 1 차 압력을 가한 후 Pl, P2 그리고 P3의 유입구에 2 차의 압력을 가하는 공정에 대하여 해석을 수행하였다.
순차적으로 압력을 가한 경우(b)의 최종변형 형상을 비교한 것으로서, 전체적으로 압력을 가한 경우 상부 소재의 바깥 부분의 소재가 신장되는 정도가 내부 소재의 신장되는 것보다 빠르게 진행되어 최종 변형형상에서 겹침의 결함이 발생하는 반면 순차적으로 압력을 가하였을 때 상부 판재의 겹침과 내부 판재의 휨 현상이 해결됨을 알 수 있다.
(2) 전체적으로 압력을 가하는 경우에 야기 될수 있었던 최종 변형형상에서 겹침의 결함과내부 판재의 휨에 대하여 순차적으로 압력을가함으로써 문제를 해결 할 수 있었다.
(1) 1 개의 유입구와 유동홀을 이용하여 전체적으로 압력을 가한 경우에 비해 3개의 유입구를 이용하여 순차적으로 압력을 가한 경우에 빠른 성형시간과 좋은 성형성을 얻을 수 있었다.

후속연구

접합시키는 공정이다. 이러한 초소성 성형법과확산접합의 기술을 조합한 초소성 성형/확산접합은 더욱 복잡한 구조물을 일체형으로 성형할 수있어 수많은 리벳에 의한 구조용 부품 등에 경제적 이익뿐만 아니라 생산 효율의 증대를 기대 할수 있다.
(3) 3개의 유입구를 이용하여 순차적으로 압력을 가하는 방법은 향후 실험을 통하여 결과를 검증할 예정이다.

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