[논문]자유단조에서 업세팅 공정 중 기공 압착 과정의 유한요소 시뮬레이션

이민철; 조주현; 최인수; 장성민; 전만수

자유단조에서 업세팅 공정 중 기공 압착 과정의 유한요소 시뮬레이션
Finite Element Simulation of a Pore Closing Process during Upsetting in Open Die Forging 원문보기

이민철 (경상대학교 기계공학과) , 조주현 (동은단조(주) 기술연구소) , 최인수 (대명산업(주) 기술연구소) , 장성민 (경상대학교 기계공학과 대학원) , 전만수 (경상대학교 기계공학부)

We carry out three-dimensional simulation of pore closing processes during upsetting in open die forging. Several pores on a plane section of a cylindrical material are traced at the same time and the results of hydrostatic pressure and effective strain are discussed to reveal the parameters affecting pore closing phenomena. Five different sizes of pores are also investigated by simulation to reveal the pore size effect in pore closing during upsetting. AFDEX 3D is employed for this study.

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문제 정의

본 논문에서는 3차원 유한요소해석 기술을 이용하여 자유단조의 업세팅 공정에서 소재 내부에 위치한 구형상의 기공이 압착되는 과정을 시뮬레이션하였다. 기공압착 공정의 3차원 시뮬레이션을 실현하는데 요소기술인 기공형상의 정확한 표현에 적합한 요소밀도 제어기술과 요소망 재구성 기술이 확보되었으며, 비교적 작은 크기의 기공의 압착 과정 해석이 성공적으로 이루어졌다.
최근 이민철과 전만수[15]는 지능적 요소망재구성 기법을 개발하여 단조 시뮬레이터 AFDEX 3D[16]에 활용한 바 있다. 본 연구에서는 업세팅 중 기공 압착의 과정을 3차원 단조 시뮬레이터 AFDEX 3D를 이용하여 규명하고자 한다

제안 방법

업세팅 중 온도의 변화는 크지 않다는 가정하에 등온해석을 실시하였으며, 시뮬레이션에 사용된 유동응력, 마찰조건, 금형의 속도는 다음과 같다.
일반적으로 구 형상의 압착이 접히는 부분에서 발생하므로 서로 접히는 부분을 요소망재구성 시에 압착된 것으로 간주하였다. 요소망재구성은 AFDEX3D 의 자동 일반 모드를 사용하여 이루어졌다' 즉, 사용자개입 또는 요소밀도 통제를 배재하였다.

대상 데이터

Fig. 1 에서 보는 바와 같이 해석 대상의 원소 재는 실린더 형상이며, 치수는 직경이 300 mm 이고 높이 가 300 mm 이다. 기공은 Fig.
따라서 대칭성을 이용하여 실린더의 1/24 즉, 15을 해석 대상 영역으로 선택하였다. 기공의 형상은 구이며, 구의 직경으로 2.5 mm, 5.0 mm, 7.5 mm, 10.0 mm, 12.5 mm, 15.0 mm 등의 여섯 가지를 선택하였다.

이론/모형

강소성 유한요소법과 사면체 MINI-요소에 근거한 AFDEX 3D [16] 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 유한요소 시뮬레이션 중에 요소의 수는 40000 개 이내로 통제하였으나, 기공은 관찰의 용이함을 위하여 대칭면에 위치시켰으며, 그 반대면에는 기공을 삽입하지 않았다.

성능/효과

기공압착 공정의 3차원 시뮬레이션을 실현하는데 요소기술인 기공형상의 정확한 표현에 적합한 요소밀도 제어기술과 요소망 재구성 기술이 확보되었으며, 비교적 작은 크기의 기공의 압착 과정 해석이 성공적으로 이루어졌다. 시뮬레이션 결과는 기공압착 현상을 이해하고 최적의 공정 조건을 찾는데 유용함을 확인하였다
기공압착 공정의 3차원 시뮬레이션을 실현하는데 요소기술인 기공형상의 정확한 표현에 적합한 요소밀도 제어기술과 요소망 재구성 기술이 확보되었으며, 비교적 작은 크기의 기공의 압착 과정 해석이 성공적으로 이루어졌다. 시뮬레이션 결과는 기공압착 현상을 이해하고 최적의 공정 조건을 찾는데 유용함을 확인하였다

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