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#)

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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.