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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 문영훈
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수7
이 논문의 연구 히스토리 (4)
2021
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인발공정(drawing process)은 전통적인 체적소성가공 공정의 한 종류이며, 단면이 일정한 선재(wire), 봉재(bar), 튜브(tube)뿐만 아니라, 단면 형상이 다른 장축의 부품 제조 목적으로도 널리 행하여지고 있다. 일반적으로 인발공정은 요구되는 단면감소율과 최종 단면형상을 위해 다단 패스로 행해지며, 다이(die)와 직접적으로 접촉되는 소재의 표면부가 중심부보다 상대적으로 변형률이 높다. 따라서 변형이 집중되는 와이어의 표면부와 상대적으로 변형률이 낮은 중심부까지 불균일한 변형률 분포가 나타나고, 이로 인해 인발된 와이어에 잔류응력(residual stress) 또는 단선(wire breakage)등이 발생할 수 있다. 잔류응력 및 단선은 최종 제품의 품질에 심각한 영향을 미치고, 불안정한 기계적 성질을 유발한다. 이러한 결함은 생산성을 크게 저하시키고 생산 비용을 증가시킨다. 따라서 인발 산업현장에서 불량률을 줄이고 경쟁력 있는 생산기술을 확보하기 위해서는 와이어의 불균일한 변형률 분포를 예측하고 이런 특성을 고려한 설계 및 공정 기술 개발이 필요하다.
본 연구의 목적은 인발 봉재의 중심부에서 표면부까지 불균일한 변형률 분포를 이론적으로 예측하고 이를 적용하여 강도를 평가하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 중심부에서 표면부까지의 변형률 분포를 평가하였다. 유한요소해석을 이용하여 변형률 분포 평가 결과, 인발 봉재의 중심부에서부터 표면부에 가까워질수록 변형률 분포는 이차함수(quadratic function)와 같은 형태로 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나, 일반적인 평균 변형률 예측식의 경우 하나의 대표값으로 일정한 값을 나타내기 때문에 불균일한 변형률 분포를 효율적으로 평가할 수 없다.
본 연구에서는 기존 상계법 기반의 평균 변형률 예측식에서 고려되어 있지 않은 마찰 변수를 추가하여 중심부에서 표면부까지 불균일한 변형률 분포를 예측할 수 있는 식을 제시하였다. 그리고 예측식으로 예측한 변형률 분포와 유한요소해석으로 도출한 변형률 분포를 비교 평가하였다. 예측결과와 해석결과 모두 이차함수 형태를 나타내며, 표면부에 가까워질수록 변형률이 증가하는 경향을 보임으로써 불균일 변형률 분포 예측식의 유효성을 검증하였다. 또한, 유한요소해석과 동일한 공정 조건으로 다단 인발 실험을 수행하고, 실험에서 도출된 인발 하중을 이용하여 소재와 다이간의 마찰계수를 도출하였다. 이를 불균일 변형률 분포 예측식과 유한요소해석 공정 조건에 적용하여 재해석하고, 인발 실험에서 변형률 평가를 용이하게 하기 위해 압축시험 후 경도평가를 통해 경도와 변형률의 상관관계를 도출하였다. 그리고, 상관관계를 적용하여 인발 실험한 봉재의 변형률 분포를 도출하였다. 이를 불균일 변형률 분포 예측식으로 평가된 결과와 비교함으로써, 실험적으로 검증하였다.
최종적으로 인발 봉재의 강도를 이론적으로 예측하기 위해 중심부에서 표면부까지의 강도 예측식을 제시하였다. 기존 평균 변형률 예측식으로 예측한 변형률을 적용하여 강도를 계산하였을 경우 봉재의 인장시험 결과와 큰 오차를 보였지만, 불균일 변형률 예측식으로 예측한 변형률은 실험결과와 매우 유사한 결과를 보였다. 따라서, 불균일 변형률 분포 및 강도 예측식은 인발 봉재의 정확한 기계적 물성치를 평가하기에 신뢰성을 갖기 충분하며, 다단 인발된 봉재의 강도 예측에 효과적으로 적용 가능할 것으로 판단된다.
본 연구의 목적은 인발 봉재의 중심부에서 표면부까지 불균일한 변형률 분포를 이론적으로 예측하고 이를 적용하여 강도를 평가하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 중심부에서 표면부까지의 변형률 분포를 평가하였다. 유한요소해석을 이용하여 변형률 분포 평가 결과, 인발 봉재의 중심부에서부터 표면부에 가까워질수록 변형률 분포는 이차함수(quadratic function)와 같은 형태로 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나, 일반적인 평균 변형률 예측식의 경우 하나의 대표값으로 일정한 값을 나타내기 때문에 불균일한 변형률 분포를 효율적으로 평가할 수 없다.
본 연구에서는 기존 상계법 기반의 평균 변형률 예측식에서 고려되어 있지 않은 마찰 변수를 추가하여 중심부에서 표면부까지 불균일한 변형률 분포를 예측할 수 있는 식을 제시하였다. 그리고 예측식으로 예측한 변형률 분포와 유한요소해석으로 도출한 변형률 분포를 비교 평가하였다. 예측결과와 해석결과 모두 이차함수 형태를 나타내며, 표면부에 가까워질수록 변형률이 증가하는 경향을 보임으로써 불균일 변형률 분포 예측식의 유효성을 검증하였다. 또한, 유한요소해석과 동일한 공정 조건으로 다단 인발 실험을 수행하고, 실험에서 도출된 인발 하중을 이용하여 소재와 다이간의 마찰계수를 도출하였다. 이를 불균일 변형률 분포 예측식과 유한요소해석 공정 조건에 적용하여 재해석하고, 인발 실험에서 변형률 평가를 용이하게 하기 위해 압축시험 후 경도평가를 통해 경도와 변형률의 상관관계를 도출하였다. 그리고, 상관관계를 적용하여 인발 실험한 봉재의 변형률 분포를 도출하였다. 이를 불균일 변형률 분포 예측식으로 평가된 결과와 비교함으로써, 실험적으로 검증하였다.
최종적으로 인발 봉재의 강도를 이론적으로 예측하기 위해 중심부에서 표면부까지의 강도 예측식을 제시하였다. 기존 평균 변형률 예측식으로 예측한 변형률을 적용하여 강도를 계산하였을 경우 봉재의 인장시험 결과와 큰 오차를 보였지만, 불균일 변형률 예측식으로 예측한 변형률은 실험결과와 매우 유사한 결과를 보였다. 따라서, 불균일 변형률 분포 및 강도 예측식은 인발 봉재의 정확한 기계적 물성치를 평가하기에 신뢰성을 갖기 충분하며, 다단 인발된 봉재의 강도 예측에 효과적으로 적용 가능할 것으로 판단된다.
목차
제1장 서 론 11.1) 연구 배경 11.2) 연구 기술 동향 21.3) 연구 목적 및 범위 3제2장 유한요소해석을 이용한 다단 인발 공정의 해석 52.1) 다단 인발 공정조건 52.2) 유한요소해석을 이용한 인발 봉재의 변형률 분포 평가 7제3장 불균일 변형률 분포 예측 모델 83.1) 상계법 기반 변형률 예측 모델 83.2) 마찰항을 고려한 불균일 변형률 분포 예측 모델 113.3) 불균일 변형률 분포 예측 모델을 이용한 변형률 예측 12제4장 변형률과 경도 관계 함수 134.1) 압축시험 및 경도평가 134.2) 변형률과 경도 상관관계식 도출 13제5장 다단 인발 공정 실험 145.1) 다단 인발 봉재의 변형률 평가 145.1.1) 실험 절차 145.1.2) 인발공정에서의 윤활제 마찰계수 측정 145.1.3) 변형률 비교 및 평가 155.2) 강도 예측 및 평가 155.2.1) 불균일 변형률 분포를 고려한 강도 예측 모델 155.2.2) 강도 결과 평가 16제6장 결 론 17참고문헌 19ABSTRACT 50
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