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고강도 저변형경화 재료의 소성가공을 위한
Bauschinger 효과의 정량적 분석
1) 삼화강봉㈜ 2) 경상대학교 기계공학과 대학원 3) 한국생산기술연구원 4) 영신금속공업㈜ 5) 경상대학교 기계공학부 교수
Korean Society for Technology of Plasticity
안순태1), 조재민 2), 박지태1), 윤덕재3), 손요헌4), 전만수#)
www.afdex.com
AFDEX
목 차
▣ 서 론
▣ 해석 및 압축시험
▣ 결론
▣ 실험 결과와 해석 결과의 비교
⊙ 압축시험 조건
⊙ 인발해석 결과
⊙ 압축시험 결과
⊙ 해석 조건
⊙ 문헌 조사
⊙ 연구 배경
연구 배경
⊙ 문헌조사
X. Lemoine , A. Aouafi 등은 Bauschinger 효과를 실험적으로 연구하였다.
연구 배경
⊙ 문헌조사
M.A. Vicente Alvarez, M. Bergant and T. Perez 등은 템퍼링된 마르텐사이트 강과
Bauschinger 효과의 관계를 연구하였다.
Flow stresses obtained from tensile tests
Elongation (mm)
Te
nsile
loa
d(N
)
0 2 4 6 8 100
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
SCM435
ESW95
ESW105
⊙ Tensile load-elongation curves ⊙ True stress-strain curves
True strain (mm/mm)
Tru
estr
ess
(MP
a)
0 0.4 0.8 1.2 1.60
200
400
600
800
1000
1200
SCM435
ESW95
ESW105
AFDEX/MAT
Comparison of Predictions with Experiments
Engineering strain (mm/mm)
En
gin
ee
rin
gstr
ess
(MP
a)
0 0.1 0.2 0.3 0.40
200
400
600
800
1000
1200
Experiment (SCM435)
Analysis (SCM435)
Experiment (ESW95)
Analysis (ESW95)
Experiment (ESW105)
Analysis (ESW105)
⊙ ESW95
Simulations of a tensile test
⊙ SCM435 ⊙ ESW105
Metal
flow
line
Effective
strain
Metal
flow
line
Effective
strain
Ball-stud cold forging – 제4단
Max.
1.291e+000
Max.
1.640e+000
⊙ SCM435 ⊙ ESW105
Cylinder longitudinal compression
⊙ SCM435
⊙ ESW105
Cylinder lateral compression
⊙ SCM435
⊙ ESW105
실린더의 측면방향 압축시험
⊙ SCM435 ⊙ ESW105
Thread rolling
전방압출 공정-해석결과의 비교
Comparison of predicted deformed shapes
⊙ SCM435 ⊙ ESW105
Extrusion
Experiment Analysis Experiment Analysis
SCM435 ESW105⊙ SCM435 ⊙ ESW105
장축다각볼트 해석 결과 - 3~4단 유효변형률
1st stage 2nd stage 3rd stage 4th stage
SCM435 ESW105 SCM435 ESW105 SCM435 ESW105 SCM435 ESW105
문제 설명-연구 대상 단조 시뮬레이션 (Metal flow)
Stroke (mm)
Lo
ad
(to
n)
0 10 20 30 40 500
25
50
75
100
125
150
SCM435
ESW105
30 ton
금형재료 및 금형설계에 관한 고찰
⊙ Load of ball stud forging process
⊙ Effective stress (Left) and circumferential stress (Right) at the possible
die-fracture stroke 16mm
파손 원인 분석-Peak point에서 금형 구조해석 결과의 비교
C L
(a) SCM435 (b) ESW105
779MPa 2850MPa -18MPa 871MPa
초경합금의 압축강도가 2683MPa인 반면,
인장강도는 344MPa 이다.
⊙ Reference data
C L
공정설계에 관한 고찰-1
SCM435 ESW105
C L
C L C L
Initial shape (SCM435)
⊙ Difference in metal flows
Metal flow Effective strain
C L
C L C L
⊙ Hexagonal flange bolt
공정 개발 실패 원인의 분석-1
Rigid zone
2.62 mm
Plastic zone Rigid zone
C L C L
SCM435 ESW125
2.63 mm
2 단에서 취출하는
문제가 발생하였음
⊙ Cylinder head bolt
SCM435 ESW125
공정 개발 실패 원인의 분석-2
3400 MPa 4000 MPa 3800
Effective stress: MPa
3400
3000
2600
2200
1800
1400
1000
600
200
Effective stress: MPa 4000
3600
3200
2800
2400
2000
1600
1200
800
400
마지막 단에서 펀치가 종료 직전에 파손되었음
금형 피로 파괴
예압량의 최적화 필요
연구 배경
⊙ 자동차를 비롯한 수송기계에 대한 경량화와 높은 신뢰성의 요구는 지속되고 있다.
⊙ 알루미늄이나 마그네슘과 같은 저비중 소재의 활용과 함께 고강도 소재 및 신소재의 사용이 날로 증가하
고 있다.
⊙ 고강도 재료의 냉간 소성가공은 극한 상황에서 이루어지므로 금형 재료, 금형 구조, 성형 공정, 소재의 조
건 등에 관한 철저한 분석이 선행되어야 한다..
⊙ 다단자동 냉간단조용 소재는 대개 전 공정으로 인발 공정을 거치게 된다.
⊙ 인발은 근본적으로 인장변형에 의존한 성형 공법이기 때문에 후속된 압축력에 의존하는 단조공정에서
Bauschinger 효과의 영향을 크게 받게 된다.
⊙ 고강도 소재의 냉간 소성가공에서 성형하중의 최소화는 당면 문제가 되고 있다. 따라서 고강도 재료의 냉
간 소성가공에서 Bauschinger 효과는 매우 중요하다
⊙ 인발된 코일재 소재의 압축 특성에 관하여 실험적으로 연구하여, Bauschinger 효과를 정량화하고자 한다.
해석 조건
⊙ 인발 공정 해석조건
⊙ 공정도
Reduction of area (%)
iR
(mm)
oR
(mm) r(mm) (°)
10 8.25 7.829 5 12.5
20 8.25 7.381 5 12.5
30 8.25 6.904 5 12.5
40 8.25 6.392 5 12.5
50 8.25 5.835 5 12.5
r
C L
iRoR
2
oR
M
▶ 문제의 유형 : 등온해석, 냉간, 1단, 축대칭
▶ 소재의 조건 :
▪ 중공 파이프 소재
▪ 소재의 단면 크기(그림 참조)
▪ 초기온도 : 상온
공정도 단면감소율에 따른 인발공정 정보
▶ 금형의 조건 :
▪ 금형형상 : 그림 참조
▪ Coulomb 마찰법칙 (μ=0.03)
▪ 금형속도 : 등속
⊙ 시편: ASTM E9, 10mm 15mm
⊙ 시험장비: UH-1
⊙ 시험조건: 단면감소율 10 ~ 50%
압축시험
식별코드 수량
A(16.5mm)
신선율 : 0%
ESW105 6 EA
SCM435 6 EA
B(15.6mm)
신선율 : 10%
ESW105 6 EA
SCM435 6 EA
C(14.75mm)
신선율 : 20%
ESW105 6 EA
SCM435 6 EA
D(13.8mm)
신선율 : 30%
ESW105 6 EA
SCM435 6 EA
E(12.8mm)
신선율 : 40%
ESW105 6 EA
SCM435 6 EA
F(11.7mm)
신선율 : 50%
ESW105 6 EA
SCM435 6 EA
D X 1.5
10mm(D)
단면감소율에 따른 압축시험결과
True stress-strain curves at 0% True stress-strain curves at 10% True stress-strain curves at 20%
True stress-strain curves at 30% True stress-strain curves at 40%
True strain
Tru
es
tre
ss
(MP
a)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
300
600
900
1200
1500
ESW105(0%)
SCM435(0%)
True strainT
rue
str
es
s(M
Pa
)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
300
600
900
1200
1500
ESW105(10%)
SCM435(10%)
True strain
Tru
es
tre
ss
(MP
a)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
300
600
900
1200
1500
ESW105(20%)
SCM435(20%)
True strain
Tru
es
tre
ss
(MP
a)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
300
600
900
1200
1500
ESW105(30%)
SCM435(30%)
True strain
Tru
es
tre
ss
(MP
a)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
300
600
900
1200
1500
ESW105(40%)
SCM435(40%)
True strainT
rue
str
es
s(M
Pa
)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
300
600
900
1200
1500
ESW105(50%)
SCM435(50%)
True stress-strain curves at 50%
단면감소율에 따른 평균유효변형률
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
10% 20% 30% 40% 50%
10% 20% 30% 40% 50%
⊙ SCM435
⊙ ESW105
True strain
Tru
es
tre
ss
(MP
a)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
200
400
600
800
1000
1200
ESW105(0%)
ESW105(10%)
ESW105(20%)
ESW105(30%)
ESW105(40%)
ESW105(50%)
단면감소율에 따른 True S-S Curve
True strain
Tru
es
tre
ss
(MP
a)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
150
300
450
600
750
900
SCM435(0%)
SCM435(10%)
SCM435(20%)
SCM435(30%)
SCM435(40%)
SCM435(50%)
단면감소율에 따른 True S-S Curve
True strain
Tru
es
tre
ss
(MP
a)
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.80
200
400
600
800
1000
1200
ESW105(0%)
ESW105(10%)
ESW105(20%)
ESW105(30%)
ESW105(40%)
ESW105(50%)
단면감소율에 따른 True S-S Curve
단면감소율에 따른 True S-S Curve
True strain
Tru
es
tre
ss
(MP
a)
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.80
150
300
450
600
750
900
SCM435(0%)
SCM435(10%)
SCM435(20%)
SCM435(30%)
SCM435(40%)
SCM435(50%)
결 론
⊙ 강소성 유한요소법을 이용하여 인발 공정에대한 시뮬레이션 실시 하였다.
⊙ 시뮬레이션 결과와 압축 실험결과의 비교, 검증 하였다.
⊙ SCM435의 경우, 인발된 소재의 압축 유동응력은 Bauschinger 효과로 동일한 압축변형을 받은 시편의 압
축 유동응력에 비하여 작게 나타났으며, 초기항복 직후에 완전소성 특성을 일정 구간에서 보이는 경향이
있었으며, 완전소성 구간 이후에는 전통적인 변형경화의 성질을 보였다.
⊙ ESW105의 경우, 원소재의 압축 유동응력 곡선은 초기에 최대값을 나타내고 변형률의 증가에 따라 서서히
감소하는 경향을 보였다. 반면, 인발된 소재의 압축 유동응력은 초기에 변형경화의 특성을 나타내었다.
⊙ 변형경화능이 매우 작은 고강도 소재의 소성가공 측면에서 무시할 수 없는 요소임을 밝혔다.