대한기계학회 2014 년도 추계학술대회 논문집 pp. 129

1. 서 론

단조에서 단류선은 제품의 건전성, 구조강도를

결정하는 중요 요소이다. 따라서 제품의 품질 평

가에서 단류선 검사는 필수적이다.

단류선은 기초재료가 열간압연 등을 거치는 과

정에서 형성된 것으로 후속된 소성가공 및 열처리

등의 공정에서 변화하지 않고, 재료의 유동에 의

하여 그 형상이 변화될 뿐이다. 따라서 단류선은

소성가공 이력을 저장하고 있다. 단류선을 통하여

거시적 및 미시적 변형 이력을 유추할 수 있으므

로 단류선은 베어링 및 기어 등과 같이 극한의 하

중을 지탱하는 기계부품의 내구성 등의 성능을 정

성적으로 평가하는데 널리 사용되고 있다.

단류선의 중요성을 각종 문헌에서 찾아 볼 수는

있지만, 단류선과 기계적 강도 및 품질을 직접적

으로 연계하여 평가하는 방법이 체계화되어 있지

는 않다. 이를 체계화하는데는 개별 기업이나 조

직에서 부담하기에는 많은 시간과 예산이 수반되

기 때문이다. 따라서 전문가의 직감에 의존하는

경우가 대부분이다.

물론 기본적으로 피해야 할 단류선의 형태가 존

재한다. 가령, 내부적으로 심하게 접힌 경우, 기

계가공 시에 특히 윤활면에서 단류선이 많이 끊어

지는 경우, 재료의 중심부가 주요 부위에 위치하

는 경우 등을 피하는 것은 기술자들의 경험에 근

거하여 오래토록 전래된 설계 지침이다.

베어링은 고강도를 요하는 기계요소부품이며,

베어링을 구성하는 모든 금속부품에서 요구되는

최적의 단류선이 존재한다. 물론 베어링회사에 따

라 차이는 있지만, 선도 베어링회사에서는 단류선

에 대한 엄격한 기준을 확립해 두고 있다.

단류선의 예측 및 공정설계 활용은 1990 년대

중반부터 활성화되었다. Joun 등[1,2,3]은 단류선

의 패턴이 중시되는 베어링 제조공정 설계에 정교

한 단류선 예측 기법을 적용하였다. 1990 년대에

들어 자동차용 1-3 세대 허브베어링이 개발되면서

단류선의 중요성은 더욱 부각되었다[2,4].

그렇지만 아직 단류선 예측 기술은 산업현장의

요구에 부응하지 못하고 있다. Joun 등[5]은 최근

단류선 예측의 정확도를 높이기 위해서는

제1세대 허브베어링 외륜의 단조와 링롤링 중 발생한 단류선

변화

최무호* · 정승원**

· 전만수†

Effect of flow stress, friction, temperature and velocity on finite element

predictions of metal flow lines in forging

M. H. Choi, S. W. Jeong, M. S. Joun

Key Words: Metal flow lines(단류선), Forging and ring rolling combined simulation(단조

및 링롤링 복합 시뮬레이션), Bearing race(베어링 레이서)

Abstract

In this paper, a full sequence of manufacturing process of outer race of the first generation hub bearing for

passenger’s car is simulated with emphasis on tracing metal flow lines. The importance of metal flow lines in forging of

the bearing is emphasized to enhance structural rigidity and product quality of bearings. A viscoplastic finite element

method is employed with a special scheme of tracing the metal flow lines. The predictions are compared with

experiments, revealing that they are in good agreement with each other. The final metal flow lines are evaluated

considering the function of the first generation bearing outer race.

* All Bearing Belover’s Academy

** 경상대학교 기계공학과 일반대학원

†경상대학교 기계공학과 공학연구워

E-mail : msjoun@gnu.ac.kr

TEL : (055)772-1624 FAX : (055)772-1624

유동응력 정보의 정확도를 높이는 것이 필요한

점을 강조하였다. 열간의 경우, 유동응력의

정확도를 높이는데는 한계가 있으나, 역으로

유동응력이 내부의 소재 유동, 즉 단류선에 가장

큰 영향을 미치는 인자이므로 고온상태의 소재의

유동응력을 평가하는 목적으로 활용될 수도 있다.

하여튼 응용 기술자들은 단류선 예측의 정확도를

높이는데 노력해야 한다. 이 논문에서는 링롤링

공정 이전의 3개의 단조 공정을 포함한 제1세대

허브 베어링 외륜 제조 공정 중 발생하는 단류선

변화 전체를 해석하여 실험결과와 비교한다.

2. 전체의 제조공정에 대한 단류선의 추적

Fig. 1은 이 연구에서 채택한 베어링 제조

공정도를 나타낸다. Fig. 1(a), Fig. 1(b), Fig.

1(c), Fig. 1(d)는 각각 열간업세팅 공정,

열간후방압출공정, 피어싱공정, 열간링롤링공정의

마지막 형상 정보를 나타내고 있다.

59

.8m

m

27

.8m

m

R20

CL

(a) Upsetting stage

(b) Backward extrusion stage

(C) Piercing Stage

(d) Ring rolling stage

Fig. 1 Definition of test process (Left: Starting

stroke, Right: Final stroke)

0 1.0Strain rate (/s)

Tru

e st

ress

(M

Pa)

30

60

90

120

0.5

1000

1050

1100

1150

Temperature(℃)

0.01

0.03

0.05

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Fig. 2 Flow stress of the material

공정 및 해석조건은 다음과 같다. 재료는 베어

링강의 일종인 SUJ2이며, 이 재료의 유동응력은

Fig. 2와 같다. 등온해석을 실시하였으며, 업세팅

공정 직전의 재료의 초기온도는 1130℃ 이다. 재

료-금형 접촉면에서의 마찰계수는 0.3으로 가정하

대한기계학회 2014 년도 추계학술대회 논문집 pp. 129

였고, 단조 공정에서 펀치의 속도를 200 mm/s로

가정하였다[3].

AFDEX 3D를 이용한 3차원 해석을 실시하였으며,

요소의 수는 약 30000-60000 개 내외가 되도록 하

였다. 비록 단조공정에서는 대칭면이 존재하지만,

링롤링공정과의 연결해석을 위하여 전체 영역을

해석영역으로 간주하였다.

Fig. 3에 단류선의 예측 결과를 각 단별로 주요

스트로크에서 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같

이 피어싱공정에서 발생한 한쪽에서의 단류선의

끊어짐은 링롤링공정을 거치면서 볼이 접촉하게

될 지역에 잔류하게 된다. 그리고 내벽을 따라 단

류선이 깊은 골을 형성하고 있는데 이 역시 링롤

링 공정에서 더욱 접히는 형상에 가깝도록 하는

경향이 있다. 결과적으로 Fig. 1의 공정설계는 개

선여지가 매우 많음을 알 수 있다. 바람직한 개선

의 방향은 중심 부에서 피어싱이 이루어지도록 공

정설계를 실시하는 것이라고 사료된다.

(a) Upsetting stage

(b) Backward extrusion stage

(c) Piercing Stage

(b) Ring rolling stage

Fig. 3 visualization of metal flow lines

(a) Upsetting stage

(c) Piercing stage

(c) Ring rolling stage

Fig. 4 comparison of predictions(right) and

experiments(left)

Fig. 4에 해석결과와 실험결과를 비교하였다.

Fig. 4(a)에서 업세팅공정 직후의 중심 단면의

단류선을 비교하였고, Fig. 4(b)에서 피어싱공정

직후의 단류선을 비교하였다. 그리고 Fig.

4(c)에서 링롤링 이후의 단류선을 비교하고 있다.

4. 결 론

이 논문에서는 단조, 특히 베어링 부품

단조에서 단류선의 중요성을 강조하였으며, 단조-

링롤링 복합공정 중 단류선 추적 적용 사례가

제시되었다.

적용 공정으로 제1세대 베어링 외륜의 기초소재

제조공정-3단 열간단조(업세팅, 후방압출, 피어싱)

후 열간링롤링-에서 발생한 단류선의 변화를

전체의 공정을 대상으로 예측하였으며,

예측결과는 실험결과의 비교를 통하여 타당하다고

평가되었다.

시도된 단조-링롤링 복합공정 중 발생하는

단류선의 변화 추적 기법은 관련 공법의 적용을

가속화시키는데 일조할 것이다. 특히 최근

청정생산 및 수율 제고의 요구에 따라 단조-

링롤링 복합공정의 수요가 점증하고 있으므로 이

연구 결과는 유의미하다고 사료된다.

베어링 레이서의 단류선은 강도는 물론이고

베어링의 경우 마모 특성에도 영향을 미친다.

자동차 부품의 경량화 요구가 점증하고 있으므로

단류선을 고려한 고강도 부품설계의 방향으로

발전할 것이며, 이것을 바탕으로 금속학적 지식의

접목이 현실적으로 이루어질 전망이다.

후 기

본 연구는 중소기업청의 산학연협력기술개발사

업과 한국산업기술진흥원의 지역특화산업육성 개

술개발 사업의 지원을 받아 수행된 연구임.

참고문헌

(1) Joun, M. S., Moon, H. K., 1998, Automatic

simulation of a sequence of hot-former forging processes

by a rigid-thermoviscoplastic finite element method,

Journal of Engineering Materials and Technology, Vol.

120, No. 4, pp. 291~296.

(2) Joun, M. S., Lee, S. W., Jung, J. H., 1998, Finite

element analysis of a multi-stage axisymmetric forging

process having a spring-attached die for controlling

metal flow lines. Int. J. Mach. Tools Manuf., Vol. 38, No.

7, pp. 843~854.

(3) Eom, J. G., Jeong, S. W., Joun, M. S., 2013, Metal

forming simulation with emphasis on metal flow lines

and its applications, Transactions of materials

processing, Vol. 22, No. 6, pp. 323~327.

(4) Moon, H. K., Moon, S. C., Eom, J. G., Joun, M. S.,

2005, Optimization of a hot forging process using six

sigma scheme and computer simulation technology

considering required metal flow lines, Trans. Mater.

Process., Vol. 14, No. 9, pp. 798~803.

(5) Choi, M. H., Jin, H. T., Joun, M. S., 2014, Effect of

flow stress, friction, temperature and velocity on finite

element predictions of metal flow lines in forging,

KSTP.