한국소성가공학회 2012년도 춘계학술대회 논문집 pp.

- 1 - /한국소성가공학회지/제12권 제0호, 2003년

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무용접파이프 제조 공정 중 일롱게이션 공정의

유한요소해석

김봉수1 · 정승현2 · 조재민1 · 전만수#

Finite element analysis of an elongation process in manufacturing a seamless pipe

B. S. Kim, S. H. Jung, J. M. Cho, M. S. Joun

Abstract In this paper, finite element analysis of an elongation process after the Mannesmann roll piercing process during

seamless pipe manufacturing is conducted using a rigid-viscoplastic finite element method. The importance of the process

is emphasized with a typical shape defect occurring in the elongation process. Basic approaches with an analysis model

are presented together with an example found in the related industries. The predictions of contact area between material

and guide shoe are compared with experiments to reveal the validity of the approach.

Key Words : Roll piercing(롤피어싱), Elongation rolling process(신장 공정), Finite element method(유한요소법)

1. 서 론

상업용 금속 파이프에는 용접파이프(welded

pipes)와 무용접파이프(seamless pipes) 두 종류가

있다. 용접파이프는 박판 또는 후판재를 굽혀서

기본적인 형상을 성형하고 연결부위를 따라 용

접하여 만든다. 반면에 무용접파이프는

Mannesmann 효과 [1]를 이용하여 봉재를 길이방

향으로 피어싱하여 만든다. 용접파이프는 제조

원가가 적고 제조가 용이하기 때문에 광범위하

게 사용되고 있다. 그러나 용접파이프는 무용접

파이프에 비하여 신뢰성이 떨어지고 강도가 낮

은 문제가 있다. Mannesmann 효과는 압축 성형

시에 발생하는 인장응력 상태에서 발생하는 일

종의 결함적 요소이지만 롤피어싱에서는 구멍의

생성을 유도하며, 그 구멍이 원하는 형상으로

성형되는 과정에서 파이프의 금속 조직을 미세

화하며 균일화하므로 무용접파이프의 품질은 향

상된다. 이런 이유로 고압 및 고신뢰성이 요구

되는 목적으로 무용접파이프가 주로 사용되고

있다.

일반적으로 무용접파이프의 제조공정은 롤피

어싱 또는 천공롤링(pierce rolling)과 후속공정으

로 이루어진다. 후속공정에는 신장롤링

(elongation rolling), 축소롤링(reduction rolling) 등

이 포함된다. 롤피어싱은 봉재로부터 두꺼운 파

이프를 제조하는 공정이며, 신장롤링은 두꺼운

파이프로부터 얇은 파이프를 제조하는 공정이고,

축소롤링은 최종적인 제품을 제조하는 공정이다.

무용접파이프의 제조 공정에서 롤피어싱 공정은

학계의 주요 관심사가 되어왔다 [1~10].

신장롤링 공정은 롤피어싱 공정을 거친 소재

의 두께를 줄이고 길이를 증가시키면서 소재를

전체적으로 균일하게 하는 매우 중요한 공정이

다. 실제 이 공정에서 Fig. 1 에서 보는 바와 같1. 경상대학교 기계공학과 대학원

2. 용현BM㈜

# 경상대학교 기계공학부/공학연구원

E-mail:msjoun@gnu.ac.kr

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Fig. 1 Shape defect occurring in an elongation process

은 형상 결함이 발생할 수 있으며, 파이프의 파

열로 인하여 장비의 가동이 정지될 수도 있다.

따라서 신장롤링 공정의 역학적 해석은 매우 중

요하다. 그러나 신장롤링 공정은 그 중요성에도

불구하고 학계의 관심을 끌지 못하였다.

본 논문에서는 사면체요소망을 이용한 지능적

요소망생성기법과 강열점소성 유한요소법을 이

용하여 무용접 파이프 제조공정의 신장롤링 공

정에 관한 유한요소해석을 실시하며, 실험결과

와 해석결과의 비교를 통하여 해석결과의 타당

성을 검증한다.

2. 신장롤링 공정의 유한요소해석

무용접 파이프 제조 공정 중의 신장롤링 공정

은 기본적으로 롤피어싱 공정과 유사하다. 두

개의 워크롤, 두 개의 지지판 또는 지지롤, 한

개의 맨드렐로 구성된다. Fig. 2는 본 연구에서

해석하고자 하는 신장롤링 공정을 나타내고 있

다. 주요 공정 변수는 다음과 같다

▪ 소재 종류 : SUJ2(100Cr6)

▪ 유동응력 : Fig. 3

▪ 기초소재의 내경 및 외경

-내경: ϕ 317.6 mm

-외경: ϕ 350.0 mm

▪ 롤 회전 속도 : 70.0 rpm

▪ 초기 소재온도 : 1100℃

▪ 초기 맨드렐 온도 : 300℃

▪ 초기 작업롤, 지지판(guide shoe) 온도 :

200℃

Workpiece Mandrel Guide shoe

Work roll

Fig. 2 Analysis model of a elongation rolling

Strain rate(/s)

Truestress(MPa)

0 10 20 30 40 500

50

100

150

200

250

300

900100011001200

℃

℃

℃℃

0.01

0.1

0.7

0.3

0.5

Strain rate (/s)

Tru

e st

ress

(MP

a)

Fig. 3 Flow stress information

사면체 MINI 요소를 사용하였으며, 45,000 개

내외의 사면체요소를 사용하였다. 주요 해석 대

상 구간에서 요소밀도를 크게 하였으며, 주변형

구간에서 하나의 요소가 내경과 외경 상의 절점

을 동시에 갖지 않도록 하였다. 즉, 소재의 두께

방향으로 층이 지도록 초기요소망을 생성하였다.

변형의 특성을 감안하여 요소망재구성은 실시하

지 않았다.

Fig. 4 에 예측결과로 얻은 소재의 변형 과정을

나타내었다. 입구측에서 한쪽으로 쏠린 타원 형

상을 나타내다가 모서리가 굴곡진 사각형으로

변한 후, 중심을 지나면서 다각형이 만들어지고

출구 측을 지나면서 점진적으로 원으로 변화하

는 변형 패턴을 보이고 있다. 외경은 350mm 에

서 353mm 로 변하였고, 내경은 317.6mm 에서

331mm 로 변하였으며, 연신율, 즉 축방향의 길

이 변화율은 21.48%로 나타났다.

- 3 -

Fig. 4 Deformed cross-sections with strain

distributions

800 steps

1100 steps

1400 steps

1700 steps

(a) Prediction

A

A

(b) Experiment

Fig. 5 The comparison of guide shoe-material

contact area between analysis and experiment

지지판의 위치는 공정의 안정성에도 영향을

미치지만, 출구측에서의 제품의 치수에도 매우

큰 영향을 미친다. 따라서 해석결과에서 지지판

과의 접촉영역을 조사하였다. Fig. 5(a)는 지지판

과 소재의 접촉 영역을 나타내고 있고, Fig. 5(b)

는 지지판에 새겨진 접촉 흔적을 나타내고 있다.

이 두 그림으로부터 예측결과는 실험결과와 정

성적으로 잘 일치함을 알 수 있다.

Fig. 5(a)로부터 접촉 영역은 입구 쪽에 치우쳐

있고, 상하부 쪽에 치우쳐 있음을 알 수 있다.

그리고 접촉 영역의 모양이 원호를 이루고 있으

며, 비교적 짧게 나타나고 있다. 이것은 접촉 영

역 주위에서 파이프 소재의 형상변화가 크게 발

생함을 의미하며, 이 영역의 적절한 설계 및 제

어가 매우 중요한 요소임을 암시하는 결과이다.

3. 결 론

본 논문에서는 Mannesmann 효과를 이용한 무

용접 파이프 제조공정 중 신장공정에 대한 유한

요소해석을 실시하였다. 신장공정에서 소재를

지탱하는 역할 목적으로 지지판이 사용되었다.

이 공정의 해석 목적으로 강열점소성 유한요소

법과 지능적 사면체요소 생성 기술이 사용되었

다.

주요 변형 구간에서 소재의 형상변화가 심하

게 발생하였으며, 이 현상과 직결되어 있는 지

지판과 소재의 접촉영역의 중요성을 강조하였다.

예측된 지지판-재료 접촉영역 위치 및 형상은

실험결과와 유사하게 나타났다. 이 결과는 접근

방법의 타당성을 검증하기에 충분하다고 하겠다.

후 기

본 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의

지역혁신인력양성사업 및 2단계 BK21 사업의

지원을 받아 수행된 연구임.

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