알루미늄 로어암의

고수율 복합성형 공정의 유한요소해석

1) (사)경상대 수송기계부품기술혁신센터 2) ㈜센트랄 3) 경상대학교 대학원 기계공학과 #) 경상대학교 기계항공공학부, 교수

Korean Society for Technology of Plasticity

엄재근1), 강신길2), 김진우2), 김민철3), 박건형2), 정순종2), 이민철3), 전만수#

www.afdex.com

AFDEX

목 차

▣ 서 론

▣ 고온압축시험

▣ 결론

▣ 문헌 조사

▣ 복합성형 공정 및 해석 조건

▣ 실험결과와 해석결과의 비교

⊙ 온도에 따른 응력-변형률곡선

▣ 해석결과

⊙ 해석조건

⊙ 알루미늄 복합성형 공정의 초기소재와 금형의 형상

⊙ 실험결과

⊙ 해석결과

▣ 유동응력-변형률속도 곡선

⊙ 변형률 0.4에 대한 유동응력-변형률속도 곡선을 온도별로 나타낸 결과

⊙ 조건 및 결과

연구 배경 및 문헌 조사

⊙ 지구 온난화의 주범 중의 하나가 자동차에 의한 에너지 소비이다.

⊙ 전세계적으로 이산화탄소 배출의 규제를 제도화하고 있으며, 고연비 자동차의 개발을 장려하고 있다.

⊙ 자동차의 연비는 차체의 무게와 직결되어 있다.

⊙ 알루미늄은 경량화를 위한 대표적인 소재이며, 이미 주요 부품에 응용되고 있다.

⊙ 소재 수율을 향상시키는 것은 제조 원가 절감은 물론이고 환경적으로 이점이 있다.

⊙ 형상이 복잡한 단조 공정의 경우, 수율 확보를 위하여 예비형상의 효율적인 확보가 주요 요소이다.

⊙ 대표적으로 형상봉재연속주조이지만, 기계적 성질 확보가 힘들다. 롤 단조는 기계적 성질의 개선에는

좋으나 공정 개발이 용이하지 않다.

⊙ 본 논문에서는 시뮬레이션 기술을 활용하여 롤 단조 공정을 설계하고, 후 공정의 굽힘, 단조 공정에 대한

복합성형 공정해석을 통하여 알루미늄 로어암에 대한 실험과 해석결과를 비교하였다.

⊙ 롤 단조에 관한 학술적 연구는 산업적 중요성에 비하여 많지 않다.

○. 회전롤의 표면과 소재의 표면 사이의 접합해석을 바탕으로 하는 롤 설계 기법을 제안

Z. Y. Cai, 2005, Precision design of roll-forging die and its application in the forming of automobile front axles,

J. Mat. Proc. Tech., Vol. 168, pp. 95-101.

○. 타원형-원형 형상의 비교적 단순한 형상의 제품의 생산을 위한 롤단조 공정을 시뮬레이션

G. H. Liu, G. S. Ren and C. G. Xu, 2007, Simulation of 3-D deformation and material flow during roll forging process

using system of oval-round groove, Acta Metall. Sinica, Vol. 20, No. 5, pp. 380-384.

○. 열간 알루미늄 롤단조 공정의 유한요소해석을 통한 실험적 검증에 관한 연구

J. G. Eom, Q. S. Li, M. C. Lee, M. S. Joun, S. J. Jung, K. H. Park and Y. S. Kwak, 2009, Finite element simulation of

a hot aluminum roll forging process and its experimental verification, Proc. Kor. Soc. Tech. Plast. Conf., pp. 437-440.

`

가열 BLOCKER FINISHER

BUSTER BLOCKER FINISHER 가열

연구 대상

⊙ 알루미늄 로어 컨트롤 암 (Front Lower Control Arm)

- 타이어 측의 너클과 크로스 멤버를 볼 조인트 및 부시로 연결하는 구조로 구성

- 타이어의 안쪽에 위치하여 노면으로부터 입력되는 하중을 차체에 전달하는 역할을 하며,

휠, 타이어, 제동장치 등을 차체에 연결 지지하는 구조 부품

<현가장치 모듈 개략도>

예비형상 제조

Pre-form

name Process

항목

비고

설계 수율 투자비 개발

기간 품질 점유율

원가

(공정)

Roll △ △ ◎ ◎ △ ◎ ◎

수평

업세팅 △ ◎ × △ ◎ △ ×

Cutting

forming × × △ △ △ × △

해석 조건

원소재 단조

Preform 소재 단조

환봉 소재 Bending Press

환봉 소재 Bending Press Roll forging

소재 회수율

50% 이하

소재 회수율

70% 이상

해석 조건

⊙ Roll forging 해석조건

비압축성 처리 S/W 롤 회전속도 마찰법칙 마찰계수 희망 절점 수

#1~#4 Lagrange 변수법 AFDEX/3D 50 rpm Coulomb 0.25 20,000

⊙ Bending, Press 해석조건

비압축성 처리 S/W 금형의 속도 마찰법칙 마찰계수 희망 절점 수

Lagrange 변수법 AFDEX/3D 230mm/s Coulomb 0.25 50,000

<Blocker> <Finisher> <Roll forging> <Bending>

⊙ 공정도

Temp. 300 350 400 450 500 550

Strain

0.1 84.979 0.0445 64.886 0.0538 49.826 0.0684 41.843 0.1051 36.822 0.1092

0.2 87.693 0.0438 66.600 0.0582 50.602 0.0729 42.216 0.1032 37.104 0.1082

0.3 89.257 0.0384 65.921 0.0647 50.871 0.0698 41.915 0.1003 36.168 0.1075

0.4 89.844 0.0349 65.858 0.0548 49.737 0.0671 40.092 0.1044 35.539 0.0987

mC

( ) ( )( ) n mC T C T

CC T

⊙ 시편: Al6082, 8mm 12mm ⊙ 시험장비: Thermecmastor-Z

⊙ 시험조건: 압축률 50~60%, 변형률속도 0.1~20.0/s, 시험온도 300~550oC

고온압축시험 - 조건 및 결과

C m C m C m C m C m C m

Strain (mm/mm)

Str

ess

(MP

a)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

20

40

60

80

100

120

0.1/s

1.0/s

5.0/s

10.0/s

20.0/s

Strain (mm/mm)

Str

ess

(MP

a)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

20

40

60

80

100

120

0.1/s

1.0/s

5.0/s

10.0/s

20.0/s

True stress-strain curves at 300℃ True stress-strain curves at 350℃

고온압축시험결과 - 응력-변형률곡선

Strain (mm/mm)

Str

ess

(MP

a)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

20

40

60

80

100

120

0.1/s

1.0/s

5.0/s

10.0/s

20.0/s

True stress-strain curves at 400℃

Strain (mm/mm)

Str

ess

(MP

a)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

20

40

60

80

100

120

0.1/s

1.0/s

5.0/s

10.0/s

20.0/s

True stress-strain curves at 450℃

Strain (mm/mm)

Str

ess

(MP

a)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

20

40

60

80

100

120

0.1/s

1.0/s

5.0/s

10.0/s

20.0/s

True stress-strain curves at 500℃

⊙ 변형률 0.4에 대한 유동응력-변형률속도 곡선을 온도별로 나타낸 결과

Stain rate (/s)

Tru

estr

ess

(MP

a)

5 10 15 200

40

80

120

True stress-strain rate curves at 300℃ True stress-strain rate curves at 350℃

Stain rate (/s)

Tru

estr

ess

(MP

a)

5 10 15 200

40

80

120

Stain rate (/s)

Tru

estr

ess

(MP

a)

5 10 15 200

40

80

120

True stress-strain rate curves at 400℃

Stain rate (/s)

Tru

estr

ess

(MP

a)

5 10 15 200

40

80

120

True stress-strain rate curves at 450℃

Stain rate (/s)

Tru

estr

ess

(MP

a)

5 10 15 200

40

80

120

True stress-strain rate curves at 500℃

고온압축시험결과 - 응력-변형률속도 곡선

해석 결과 – Roll forging

⊙ Pass 1

374mm

440mm

ø71

Cutting plane

해석 결과 – Roll forging

⊙ Pass 2

Material rotation = 90°

440mm

499mm

Cutting plane

해석 결과 – Roll forging

⊙ Pass 3

Material rotation = 90°

499mm

549mm

Cutting plane

해석 결과 – Roll forging

⊙ Pass 4

Material rotation = 90°

549mm

604mm

Cutting plane

해석 결과 – Roll forging

Initial

Pass 1

Pass 2

Pass 3

Pass 4

해석 결과 – Bending

해석 결과 – Press

Blocker - initial

Blocker - final

Finisher - initial

Finisher - final

Stroke (sec)

Lo

ad

(to

n)

0 0.15 0.3 0.45 0.60

300

600

900

1200

1500

해석 결과 – Press

Stroke (sec)

To

rqu

e(N

m)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Stroke (sec)

Po

we

r(W

)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60

500000

1E+06

1.5E+06

2E+06

2.5E+06

3E+06

3.5E+06

4E+06

실험 및 해석결과 비교 – Roll forging

<실험 결과> <해석 결과>

실험 및 해석결과 비교 – Bending

<실험 결과>

<해석 결과>

실험 및 해석결과 비교 – Press

<Blocker>

<Finisher>

<실험 결과>

결 론

⊙ 강점소성 유한요소법을 이용하여 알루미늄 로어암 복합성형 공정의 전공정에 대한 시뮬레이션 실시

⊙ 시뮬레이션 결과와 실험결과의 비교, 검증

⊙ 소재 수율 극대화를 통한 알루미늄 로어암 복합 성형 공정이 제시

⊙ 롤단조에 바탕을 둔 예비형상 성형 기술은 소성유동선도의 건전한 변형을 유발하는 것을 확인

⊙ 롤단조 금형 설계기술의 발전이 뒷받침된다면, 롤단조의 발전 가능성을 시사하는 결과를 제시