[논문]고강도 재료의 볼스타드 냉간자동단조에서 발생한 금형의 파괴 원인 분석

이추실; 엄재근; 김영수; 김응주; 전만수

[국내논문] 고강도 재료의 볼스타드 냉간자동단조에서 발생한 금형의 파괴 원인 분석
Reason of Die Fracture in Automatic Multistage Cold Forging of a High Strength Ball-Stud 원문보기

이추실 (경상대학교 대학원 기계공학과) , 엄재근 ((사)경상대 수송기계부품기술혁신센터) , 김영수 (태양금속공업(주)) , 김응주 (한국생산기술연구원) , 전만수 (경상대학교 기계항공공학부)

In this paper, a longitudinal die insert fracture which occurred during cold forging of a high strength ball-stud with a sound die design nearly optimized empirically for relatively low strength material of SCM435 is introduced and the reason is revealed. A comparative study between SCM435 and ESW105 is quantitatively made using a thermoelastic finite element method for die structural analysis coupled with a forging simulator theoretically based on a rigid-plastic finite element method. It has been shown that the longitudinal die insert fracture caused from non-optimized value of shrink fit, emphasizing that the die optimal design is inevitable for cold forging of high strength materials.

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문제 정의

본 논문에서는 고강도 소재인 ESW105의 볼스타드 냉간단조 중에 발생한 금형의 파손 문제의 원인을 규명하였다. 이 문제에서 금형 파손의 인과관계는 명확하다.
즉, SCM435의 소재를 적용할 경우 비정상적인 금형 파손이 발생한 사례가 없었으나, SCM435에 비하여 고강도인, 특히 저변형률에서 상대적으로 유동응력이 큰 ESW105의 소재를 적용했을 경우에는 비정상적으로 금형이 파손되는 사례가 반복적으로 발생하였다. 따라서 본 연구에서 대상으로 한 금형 파손 사례는 비교 연구가 가능하므로 금형의 파손 원인을 비교적 정량적으로 분석할 수 있는 예제이다.
본 연구에서는 고강도 재료의 볼스타드 냉간단조 공정 중에서 발생한 금형의 파괴 원인을 기 개발된 금형 구조해석 기법을 이용하여 규명하고 자한다.

가설 설정

2D[16]< 사용하였다. 금형-소재 접촉면에서 Coulomb 마찰법칙을 따른다고 간주하였고, 마찰계수는 0.05로 가정하였다. 해석결과(Fig.

제안 방법

먼저 SCM435와 ESW105의 두 재료를 비교하였다. 단조 직전의 소재로부터 획득한 인장시험 결과로부터 두 재료의 유동응력 곡선을 구하여 Fig.
성분의 변화를 추적하였다. 응력 변화의 추적 위치로 금형 파괴가 발생한 지점을 선택하였다. Fig.
5에서 보는 바와 같이 공정의 맨 마지막 순간뿐만 아니라 스트로크가 2mm와 16mm일 때 응력과 원주 방향의 웅력성분이 모두 극대치를 나타내고 있다. 따라서 이 두 경우에 대한 구조해석 결과를 상세하게 분석하였다.
파괴가 발생한 시점을 파악하기 위하여 펀치의 스트로크의 증가에 따른 유효응력과 원주 방향의 응력 성분의 변화를 추적하였다. 응력 변화의 추적 위치로 금형 파괴가 발생한 지점을 선택하였다.

이론/모형

금형 구조해석에 필요한 표면력 예측을 위하여강소성 유한요소법에 바탕을 둔 단조 시뮬레이터 AFDEX 2D[16]< 사용하였다. 금형-소재 접촉면에서 Coulomb 마찰법칙을 따른다고 간주하였고, 마찰계수는 0.
금형의 구조해석 목적으로 Joun 등図이 개발한가변벌칙기법(varying penalty method)에 바탕올 둔 AFDEX2D/DIE 를 사용하였고, 재료의 물성치는 Table 1[14, 1기에 정리하였으며, 다이인서트-열박음링의 접촉면에서 마찰계수는 0.1 로 하였다.

성능/효과

개발하였다. 기 제안된 방법은 수치적 안정성과 결과의 정확도가 확보되어 있다.
3배로 나타났다. 공정의 종료 순간, 금형 파손지점에서 ESW105의 유효웅력은 SCM435의 1.7배로 나타났으며, 유효변형률 둥은 전자와 유사하였다.
이 문제에서 금형 파손의 인과관계는 명확하다. 즉, SCM435의 소재를 적용할 경우 비정상적인 금형 파손이 발생한 사례가 없었으나, SCM435에 비하여 고강도인, 특히 저변형률에서 상대적으로 유동응력이 큰 ESW105의 소재를 적용했을 경우에는 비정상적으로 금형이 파손되는 사례가 반복적으로 발생하였다. 따라서 본 연구에서 대상으로 한 금형 파손 사례는 비교 연구가 가능하므로 금형의 파손 원인을 비교적 정량적으로 분석할 수 있는 예제이다.
비교 연구 결과, SCM435 소재에 적합하도록 개발된 기존 공정에 SCM435를 적용할 경우 단조 중에 금형에 부과되는 응력의 분포가 최적화되어 있는 반면, 동일한 공정과 금형에 고강도 소재인 ESW105를 적용하면 예압력이 최적치에 못 미치기때문에 금형에 과도한 유효응력과 원주 방향의 인장응력을 야기하였다. 특히 최대의 유효응력과 최대의 원주 방향의 인장응력이 금형 파괴가 발생한지점과 매우 인접한 지점에서 발생하였다.

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