Numerical Study on Defect Analysis of Hot Cross Wedge Rolling Process

열간전조공정의 공정결함 분석을 위한 해석적 연구

이 형 욱^*

한국교통대학교 에너지시스템공학과

Numerical Study on Defect Analysis of Hot Cross Wedge Rolling Process

Hyoung Wook Lee^*

Department of Energy System Engineering, Korea National University of Transportation, 50 Daehak-ro ChungJu, Chung-buk, 380-702, Korea

(Received 2013. 10. 15 / Accepted 2013. 11. 12)

Abstract : Hot cross wedge rolling process as an incremental forming has many advantages such as the material usage, the short process time, the automatic equipment line and the low forming load. However, it occurs some defects such as the surface groove, the axis warping and the Mannesmann hole. In this paper, the defect of the Mannesmann hole was carried out. Finite element analysis was utilized to reveal the stress distribution, the rotation of the specimen and the change of section profile. Cross wedge rolling experiment was also conducted on the generation of the Mannesmann hole. It was demonstrated according to the spreading angle with respect to the various types of material. In the view point of metal flow, the smaller forming angle and the larger spreading angle increase opportunities of the defect hole generations.

Key words : Hot cross wedge rolling, Forming angle, Spreading Angle, Mannesmann hole, Finite element Analysis

1. 서 론

전조압연공정은 보편적인 단조공정으로는 성형이 곤란한 가늘고 긴 고강도 다단형 축류제품 및 정밀단 조용 예비형 제품을 생산하기위하여 개발된 공정으로 원소재를 절약하며, 후 가공 공정을 크게 줄일 수 있는 점진성형공정이다. Fig. 1에 전조압연공정을 통하여 생산할 수 있는 제품들을 도시하였다. 그러나 이러한 장점에 대조적으로 환봉 소재의 성형공정에서 나타날 수 있는 형상결함인 Mannesmann Hole, 표면찍힘, 성 형품 휨 현상 등이 발생할 수 있다.

전조압연공정에서 발생하는 형상결함은 금형의 설 계와 공정변수에 따라 제어할 수 있어 금형설계기술 과 공정기술이 본 공정의 핵심이라 할 수 있다. 이러한 관점에서 금형의 설계변수 및 공정상의 장치설계 등

*

Fig. 1 Typical products of the cross wedge rolling process

고급 설계기술이 필요하다. 전조압연공정은 성형이

점진적으로 이루어져 소재유동이 연속적이기 때문에

재료의 강도를 높일 수 있다. 또한 점진공법의 특성상

소음과 진동이 적은 특징을 나타낸다. 전조압연공정

은 금형의 형상에 따라 드럼형과 평판형으로 나누어

지고, 금형의 성형형태에 따라 램프(Ramp) 형과 웨지

(Wedge) 형으로 나눌 수 있다. 램프형 금형은 최종형

상과 동일한 형상의 금형을 이용하여 압하량을 조절

하여 성형하는 방식이고, 웨지형 금형은 초기에 절입

Fig. 2 Types of cross wedge rolling according to the die shape

Fig. 3 Mannesmann hole from cross wedge rolling process

부를 사용하여 필요한 압하량을 성형한 후 소재를 측 면으로 유동시키는 방식이다. 웨지형 금형은 드럼형 과 평판형에서 소재의 유동이 비교적 많은 경우에 사 용되며, 램프형 금형은 주로 나사 전조와 같은 냉간가 공에서 소재의 유동량이 많지 않은 경우에 사용된다.

Fig. 2 에 금형형상에 따른 전조압연공정을 분류하여 나타내었다.

전조압연공정에서는 Fig. 3과 같이 대표적으로 만네 스만 홀이 생기는 결함이 발생하는데, 주로 비정상적인 성형각과 진행각을 사용하거나, 금형과의 접촉이 일정 회전이상 지속적으로 유지되는 경우 발생한다.

본 연구에서는 드럼형 금형을 가지는 웨지형 전조 압연공정에서 가장 많이 나타나는 결함인 만네스만홀 의 생성을 파악하기 위하여 유한요소법을 이용하여 성형공정을 모사하고, 이를 통하여 생성의 현상을 파 악하고자 한다.

2. 유한요소해석 모델링

드럼형 전조압연금형을 Fig. 4와 같이 모델링하였 다. 금형의 시작부에 Knifing 영역이 있어 소재의 유동

을 발생시키고, 중간부에는 금형의 다운구간이 존재 하여 홀 발생을 억제시키도록 설계하였다. 유한요소 모델링된 결과도 같이 도시하였다.

Fig. 5 에는 모델링된 금형과 소재를 배치하여 전조 압연공정이 이루어지도록 하였다. 해석은 요소의 수 및 성형공정해석에 대한 어려움으로 외연적 유한요소 프로그램인 LS-DYNA3D를 이용하였다.

전조압연해석을 위한 소재의 유동응력을 알아내기 위하여 열간인장실험을 수행하였다. 실험 온도는 1140 도이며, 재료는 SM45C소재를 이용하였다. 실험 된 결과와 실험장치를 Fig. 6에 도시하였다. 최대 인장 강도는 22 MPa 정도로 나타났다.

3. 유한요소 해석결과

Fig. 7 은 유한요소 해석결과 중 von Mises 응력분포 를 도시한 그림이다. 금형의 회전각도를 기준으로 하 여 절반을 성형하였을 때, 즉 163도일 때의 분포와 325 도일 때의 분포를 각각 도시하였다. 소재가 길이방향

Fig. 4 Geometrical and FE modeling of rolling die

Fig. 5 FE modeling for cross wedge rolling process

Fig. 6 Experimental equipment and stress-displacement curve

의 중심부로부터 좌우로 성형되고 있는 것을 보여주 고 있다.

Fig. 8 은 성형된 제품 표면에서의 응력분포를 도시 한 그림이다. 소재 표면에서 사선모양으로 응력분포 가 나타나는 것은 금형의 진행각에 의해서 소재표면 이 지속적으로 성형되는 것이 아니라 소재가 회전하 면서 성형되기 때문이다. 또한 소재의 길이방향 단면 에 대한 최대 주응력 분포를 도시하였다. 이 그림은 전 조압연공정의 마지막 단계로 좌우측 끝부분이 오목하 게 되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9 는 전조압연성형 시 성형하중 중 압연하중을 도시한 그림이다. 금형의 도면을 보면 금형 다운구간 이 102도에서 시작하는 것을 알 수 있는데, 이것 때문 에 금형진행각도에 대하여 압연하중이 수평으로 나타 나게 된다. 압연하중 그림에서 두 번째 하중이 증가하 는 구간은 금형회전 200도 근처로 금형도에서 다단부 분을 다시 성형하는 구간인 208도에서 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 10 은 소재의 표면에 있는 한 절점의 좌표를 성

Fig. 7 von Mises stress distribution of results

Fig. 8 Final deformed shape of cross wedge rolling process

Fig. 9 Variation of forming load during process

형과정에서 계속 추적하여 나타낸 그림이다. 초기에 성형이 되면서 타원형으로 진행하다가 원형의 형상으 로 되는 것을 알 수 있다. 35.5도의 금형회전에서 소재 가 1회전하는 것을 알 수 있고, 소재가 2회전정도 하였 을 때부터 거의 원형단면을 유지하면서 성형되는 것 을 알 수 있다.

Fig. 11 은 소재 중앙부의 반경방향 단면의 형상변화

를 나타내는 것으로 타원의 형태로 진행하다가 원형

으로 마무리 되는 것을 볼 수 있다. 이때 나타나는 타

원의 정도와 회전량에 따라서 만네스만 홀이 발생된

다. 소재의 중앙에서는 계속 인장이 일어나고 있음을

알 수 있다.

Fig. 10 Trajectory of outer surface point on formed material

5.7 degrees 22.8 degrees

39.9 degrees 57.0 degrees

Fig. 11 Distribution of maximum principal stress in section according to the rolling angle (Interval = 17.1 degrees)

4. 재질에 따른 실험결과

전조압연시 나타나는 만네스만 홀의 발생을 분석 하기위하여 실험을 수행하였다. 금형의 성형각도인 α 는 30도로 고정하고 진행각도에 대하여 S20C, SM35C, SM45C 의 세 가지 소재를 이용하여 실험을 수행하였 다. 실험의 결과를 Table 1에 정리하였다. 이 중 ‘○’는 홀이 발생하였음을 의미하고, ‘X’는 홀이 발생하지 않 았음을 의미한다.

Table 1 Mannesmann hole occurrence with respect to materials

Die Angle Material

α β S20C SM35C SM45C

30°

12°

11° X X

10° X X X

표를 보면 금형의 진행각도가 커질수록 홀의 발생 확률이 많아짐을 알 수 있으며, 진행각도가 작아질수 록 홀이 적게 발생하는 것을 알 수 있다. 또한 소재의 강도측면에서 비교하면 소재가 강할수록 홀의 발생확 률이 커짐을 알 수 있다. 이것은 소재의 유동이 원활하 지 않을 경우 성형 중 계속적인 접촉으로 홀의 발생이 커지는 것에 기인하는 것으로 분석되었다.

5. 결 론

유한요소해석을 통하여 금형의 회전각에 따른 소 재의 변형양상과 주응력분포를 확인하였고, 금형의 주요인자에 따른 영향을 분석하였다. 실험을 통하여 소재의 종류에 따른 결함발생을 분석하였다.

해석과 실험을 바탕으로 설계변수의 영향을 다음 과 같이 종합할 수 있고, 최종적으로 Fig. 12와 같이 도 시할 수 있다.

(1) 금형의 성형각(Forming angle, Shoulder angle)이 작아질수록 만네스만 홀이 쉽게 발생됨

(2) 금형의 진행각(Stretching anlge, Spreading angle) 이 커질수록 만네스만 홀이 쉽게 발생됨

Fig. 12 Effect on defect according to design variables

Acknowledgement

본 논문은 2013년도 한국교통대학교 교내학술연구 비의 지원을 받아 수행한 연구임

References

1) H.W. Lee, G.A. Lee, D.J. Yoon, S. Choi, N.K. Lee, H.J. Lee and S.M. Bae, “Developmnet of Manufacturing Process using Cold Incremental Forming Technique for Micro-alloyed Non-heat- treated Material”, Materials Science Forum, Vols.

510-511, pp.254-257, 2006.

2) 이형욱, 이근안, 최석우, 윤덕재, 임성주, 이용신,

“ 반응표면법을 이용한 냉간전조압연공정 설계변

수의 영향도 분석 및 설계최적화”, 한국소성가공

학회지, Vol.15, pp.550-555, 2006.