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문제 정의
- 본 연구에서는 성형성과 부식성이 우수한 페라이트계 스테인리스 강인 MH1 과 443CT를 사용하여 상용차용 다층형 벨로우즈를 개발하였으며, 기존의 STS304를 사용하여 제조된 벨로우즈와의 특성을 비교하여 양산적용 가능성을 검토 하였다. 3가지 소재를 사용하여 재료 물성을 평가하였으며, 유한요소법을 사용한 성형해석, 시제품 제작, 내구시험을 수행하여 제품의 수명을 평가하였다.
제안 방법
- 하였다. 3가지 소재를 사용하여 재료 물성을 평가하였으며, 유한요소법을 사용한 성형해석, 시제품 제작, 내구시험을 수행하여 제품의 수명을 평가하였다.
- 내구시험은 변위 제어 방식으로 축방향으로 벨로우즈에 인장과 압축이 가해지도록 수행하였다. 실험은 모터와 캠을 사용하여 회전운동을 직선 왕복운동으로 변화시키는 전용으로 제 작된 장비 에서 수행하였다.
- 시제품을 제작하였다. 롤포밍 공법의 특징을 살려 6 개의 롤을 배치하여 성형이 순차적으로 진행되도록 하였다. 성형시에 파단이나 주름과 같은 문제들은 발견되지 않았으며, 브라켓 용첩 후 유연성을 부여하고 설계 치수를 확보하기 위해서 압축공정을 통해 사이징 처리하였다.
- 롤포밍 공정으로 시제품을 제작하였으며, 변형율의 급격한 변화를 피하기 위해서 6 개의 롤을 사용하여 주름형상을 순차적으로 성형하였다. 이후 4 겹의 구조를 가지는 다층의 원통형으로 성형하였으며, 유연성을 부여하기 위해서 압축 공정을 통해 돌기의 형상이 S 자형이 되도록 사이징 처리하였다.
- 1에 나타내었다. 벨로우즈는 외즉 지름이 96 mm, 돌기부의 피치와 깊이를 각각 8.3 mm 와 9.6 mm 로 설계하였다. 성형공정은 두께가 0.
- 25 mm, 폭이 89 mm 인판재롤을 사용하여 우선 4개의 산과 골을 가지는 주름 모양을 형성하고 4 겹의 나선형으로 겹치는 공정을 거쳐서 최종 다층형 벨로우즈를 완성하였다. 본 연구에서는 주된 성형인 판재의 주름 성형만을 고려하여 해석을 수행하였다. 해석모델을 간략히 하기 위해서 평면변형 상태로 가정하고 하형은 동일하게 고정시키고 단공정형 (sin 이 e step process)과 다단공정형 (multi step process)의 2 가지 공정 모형으로 해석을 수행하였다.
- 성형량이 상대적으로 적은 다단공정형 방식으로 시제품을 제작하였다. 롤포밍 공법의 특징을 살려 6 개의 롤을 배치하여 성형이 순차적으로 진행되도록 하였다.
- 롤포밍 공법의 특징을 살려 6 개의 롤을 배치하여 성형이 순차적으로 진행되도록 하였다. 성형시에 파단이나 주름과 같은 문제들은 발견되지 않았으며, 브라켓 용첩 후 유연성을 부여하고 설계 치수를 확보하기 위해서 압축공정을 통해 사이징 처리하였다. 완성된 시제품의 형 상을 Fig.
- 소재의 리징(ridging)특성을 평가하기 위해 시편은 KS B 0802 5 호 형상으로 압연방향과 평 행하게 가공하였으며, 변형율이 25%되는 시점에서 실험을 멈추고 시편의 중심부에서 인장방향과 수직한방향으로 표면거칠기를 측정하였다.
- 시제품을 사용하여 축방향 인장-압축 조건으로 내구시험을 실시하였으며, 결과를 Table 5에 나타내었다. STS304와 MH1 은 목표 수명을 만족하였으나 443CT 소재는 다소 낮은 수명을 나타내었다.
- 해석에 사용한 요소는 평면변형 솔리드 요소이며, 소성변형중의 굽힘변형을 잘 재현하기 위해 두께 방향으로 4개의 요소를 채용하였다. 실험에서 얻어진 재질별 유동곡선을 사용하여 해석하였으며, 금형과 소재의 마찰계수는 0 으로 하여 롤포밍시의 구름 마찰을 묘사하였다.
- 수행하였다. 실험은 모터와 캠을 사용하여 회전운동을 직선 왕복운동으로 변화시키는 전용으로 제 작된 장비 에서 수행하였다.
- 이후 4 겹의 구조를 가지는 다층의 원통형으로 성형하였으며, 유연성을 부여하기 위해서 압축 공정을 통해 돌기의 형상이 S 자형이 되도록 사이징 처리하였다. 최종적으로 벨로우즈의 양쪽 끝단에 파이프를 용접하여 벨로우즈를 완성하였다.
- 본 연구에서는 주된 성형인 판재의 주름 성형만을 고려하여 해석을 수행하였다. 해석모델을 간략히 하기 위해서 평면변형 상태로 가정하고 하형은 동일하게 고정시키고 단공정형 (sin 이 e step process)과 다단공정형 (multi step process)의 2 가지 공정 모형으로 해석을 수행하였다. 단공정형은 상형의 5 개 돌기가 동시에 내려오면서 성형하는 방식이며, 다공정형은 1 번 돌기가 내려오고 이 후 2 번, 최종적으로 3 번 독기가 내려와서 성형이 완료된다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 소재는 두께가 0.25 mm 인 STS304, MH1, 443CT 이며, 화학적 조성은 발광분광분석기를 사용하여 평가하였다.
- 유한요소해석은 상용 탄소성 해석 프로그램 인 MARC 2007을 사용하였다. 해석에 사용한 요소는 평면변형 솔리드 요소이며, 소성변형중의 굽힘변형을 잘 재현하기 위해 두께 방향으로 4개의 요소를 채용하였다. 실험에서 얻어진 재질별 유동곡선을 사용하여 해석하였으며, 금형과 소재의 마찰계수는 0 으로 하여 롤포밍시의 구름 마찰을 묘사하였다.
- 현재 사용되고 있는 벨로우즈용 소재는 오스테나이트계인 STS304 이다. 페라이트계 스테인리스강은 오스테나이트 스테인리스강에 비해 고가 원소인 니켈의 함유량이 거의 없기 때문에 가격이 저렴하고 내부식성이 우수하기 때문에 배기계 부품용으로 널리 사용되고 있다.
이론/모형
- 단공정형은 상형의 5 개 돌기가 동시에 내려오면서 성형하는 방식이며, 다공정형은 1 번 돌기가 내려오고 이 후 2 번, 최종적으로 3 번 독기가 내려와서 성형이 완료된다. 소성 거동을 묘사하기 위해서 Von Mises 항복 조건과 등방경화이 론을 적용하였다. 유한요소해석은 상용 탄소성 해석 프로그램 인 MARC 2007을 사용하였다.
- 소재의 연성과 강도를 평가하기 위한 인장시험은 KSB 0802규격에 따라서 진행하였으며, 시편은 KS B 0801 13B 호 형상으로 압연방향과 평행하게 가공하였다. 실험은 Instron 5569 를 사용하여 변위 제어 방식으로 2 mm/min 의 속도로 수행하였다.
- 소성 거동을 묘사하기 위해서 Von Mises 항복 조건과 등방경화이 론을 적용하였다. 유한요소해석은 상용 탄소성 해석 프로그램 인 MARC 2007을 사용하였다. 해석에 사용한 요소는 평면변형 솔리드 요소이며, 소성변형중의 굽힘변형을 잘 재현하기 위해 두께 방향으로 4개의 요소를 채용하였다.
성능/효과
- (3) 단공정 형 보다는 다단공정형 이 성 형에 유리함을 확인하였다
- (4) MH1 를 사용해서 개발된 벨로우즈는 기존의 STS304를 사용한 벨로우즈와 유사한 내구수명을 나타내었으며, 양산 적용 가능성을 확인하였다.
- 2에 나타내었다. STS304 가 MH1 과 443CT 에 비해서 약 2 배 정도의 우수한 연성을 나타내었으며, 벨로우즈의 성형 시에도 STS304 가 유리할 것으로 판단된다. STS304 는 네킹의 발생 없이 최종파괴가 발생한 반면, MH1 과 443CT는 연신율이 약 20%인 지점에서 네킹이 발생하였다.
- 나타내었다. STS304 소재는 니켈의 함유량이 높으나 페라이트계인 MH1 과 443CT는 니켈이 거의 첨가되지 않음을 확인하였다.
- 3과 Table 4에 나타내었다. 단공정 형 에서는 다단공정형 에 비해 소재에 발생하는 국부적인 등가소성변형율(equivalent plastic strain)이 증가하였으며, 동일 공정에는 소재에 따른 차이가 크지 않음을 확인하였다. 즉, 국부적인 등가소성변형율은 소재 특성보다는 성형공정에 더 큰 영향을 받는다고 판단된다.
- 실험 전 측정결과는 3 강종 모두에서 표면거칠기 특성이 유사.하게 나타났으며, 실험 후 측정에서는 STS304에 비해서 MH1 과 443CT 의 경우에 Ra 와 Rz 가 다소 높게 나타났다. 리징의 발생 원인은 두께에 따라서 불균질하게 발달하는 집합조직 때문이라고 알려져 있으며, 특히 페라이트계 스테인리스 강은 주조 후 슬래브 중심층에 발달한 주상정의 결정립 미세화가 잘 이루어 지지 않고, 판재의 중심증에 방위가 유사한 결정립 군이 형성되어 강한 소성 이방성을 나타내게 되어 성형시 리징 발생량이 증가하게 된 것으로 생각된다[5].
후속연구
- (2) 리징에 의한 표면거칠기는 페라이트계 소재에서 다소 높게 나타났으나, 벨로우즈의 피로 수명에 미치는 영향은 추후 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- 금속 재료는 인장강도의 약 30 - 50% 정도에서 피로한도를 가지며, 인장강도가 높아질수록 높은 피로한도를 나타내기 때문에 STS304와 MH1 의 수명이 443CT 에 비해서 증가한 주요한 원인으로 생각된다[6]. 성형에 의한 표면거칠기의 증가가 피로 특성에 미치는 영향에 대한 연구는 추후 필요할 것으로 생각된다.
- 표면거칠기는 탄성영역 이내에서 행해지는 고 주기 피로시험에서 응력 집중원으로 작용하여 재료의 내구성을 저하시키는 요인으로 작용하므로, 벨로우즈 성형 후 발생된 리징이 내구성에 미치는 영향은 추후 보다 심도 있는 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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