국부가열에 의한 장축 T자형 제품의 특수단조공법의

실험적 및 수치적 연구

1) 경상대학교 기계공학과 대학원 2) ㈜한국샤프트 3) 한국생산기술연구원 4) 경상대학교 기계공학과 #) 경상대학교 기계공학부/공학연구원

E-mail:msjoun@gnu.ac.kr

Korean Society for Technology of Plasticity

김봉수1), 강석순2), 류호연3) , 한광일4) 전만수#

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AFDEX

목차

▣ 서 론

▣ 결론

⊙ 문헌조사

⊙ 연구배경 및 목적

▣ 본 론

⊙ 연구대상

⊙ 해석조건

⊙ 해석결과

⊙ 가열공정

○ 가열로는 연주공정에서 나온 소재를 압연하기에 적합한 목표온도로 재가열 해주는 열설비로, 소재를 고

온으로 가열하는데 에너지소비가 매우 크므로 연료절감을 통한 에너지 절약이 매우 중요.

○가열공정에서는 일차적으로 소재를 가열함과 동시에 추출 시 소재의 적절한 균열도와 목표온도를 확보

함으로써 제품의 품질을 결정.

○ 국부화염 가열은 환봉 형태의 예비 성형체 일부만이 가열로 내에 장입되는 구조를 가짐.

○ 플랜지형 스핀들의 제조법으로 한국샤프트에서는 환봉의 초기소재의 성형부위를 국부가열하여 열간단

조 함.

연구 배경 및 목적

⊙ 2차원 유한요소해석을 통한 국부화염 가열공정에서의 소재의 온도변화 예측

○ 국부가열 방식으로 가스를 이용한 방법은 시제품 제작 및 소규모 생산 측면에서는 유리.

○ 정확한 온도분포의 예측은 성형하중 조건을 맞추는데 필수적임.

○ 실험결과와 해석결과의 비교를 통하여 열적 물성치의 정량화 함.

○ 가열공정과 이와 연계된 단조공정의 해석을 수행을 통해 최적의 가열공정의 설계 및 단조공정 최적화를

위함.

(1) M. C. Song, D. S. Kim, 2011, 크랭크샤프트 국부화염가열시 예비성형체 길이가 축방향 온도분포에 미치는 영향, Proc. Kor. Soc. Tech. Plast. Conf., pp. 246~249.

(2) I. S. Han, S. I. Kwon, S. K. Lee, J. B. Lee, S. J. Lee, 2010, 가열 및 단조 공정에서 자유단

조품 온도해석, Trans. of the KSME, pp. 2469~2473.

(3) E. S. Jeong, S. M. Shim, Y. D. Kim, D. H. Kang, W. S. Kim, 2008, 직접 가열식 가열로 내

최적 분위기온도 분포 해석에 관한 연구, Trans. of the KSME(B), pp.2122~2125.

(4) D. E. Lee, M. Y. Kim, H. D. Park, H. J. Kim, Y. B. Park, 2006, 열복사를 고려한 가열로 내

슬랩의 온도 예측에 관한 연구, Trans. of the KSME, pp. 2528~2533

문헌 조사

공정도

⊙ Spindle 공정 도면

MAIN SPINDLE UPPER & LOWER DIE Billet (Φ160 X 630)

160

630

238

163

431

18

46

314

163

170

250

175

18

40

365

실공정

열화상 카메라 촬영사진

⊙ 적용대상

<일반 디지털 카메라로 촬영한 사진>

<열화상 카메라로 촬영한 사진>

A. 가열로 B. 가열 전 소재 C. 가열 후 소재

해석 조건 – 온도설정

⊙ 가열공정 해석 조건

1,150 C

0 mm

450 mm

630 mm

350 C

1,100 C

Heating Furnace

Billet

35 C

800 C

<가열로 및 외부 온도 조건>

문제의 유형: 열전달 해석, 가열공정

소재 조건

■ 형상 : 그림참조

■ 크기 :

■ 소재 :

공정 조건

■ 가열로 및 외부 온도 조건: 그림 참조

■ 가열시간: 1800 s

■ 대류 열전달 계수:

160 630

SCM440 (T 20 ~ 1200 )C

2800 W / m K

대류 열전달계수– 온도비교

⊙ 대류 열전달 계수에 따른 온도 분포

2800 W / m K2400 W / m K2100 W / m K 21000 W / m K

960 C

960 C1050 C

1050 C

960 C

1050 C960 C

해석 결과 – 온도변화

⊙ 가열시간에 따른 온도변화

1146.0

1035.0

923.5

812.0

700.0

589.1

477.7

366.2

254.7

143.3

35.0

온도(℃)

0 s 600 s 1200 s 1800 s

960

860

770

680

600

500

400 300

200

1050

870

780

685

600

500

405

35 C

960

1050

870

780

685

600

500

405

960

해석 결과 – 온도변화

⊙ 소재 내부 온도변화 분석

1272.0

1147.0

1022.0

896.9

772.0

647.1

522.2

397.3

272.4

147.5

22.6

온도(℃)

A point

< A 지점의 온도 변화 그래프 >

Time (s)

Te

mp

era

ture

(℃

)

0.0 300.0 600.0 900.0 1200.0 1500 1800

0.0

200.0

400.0

600.0

800.0

1000.0

1200.0

결과 비교

⊙ 실험결과와 해석결과의 표면 온도비교

0 100 200 300 400 500 600 630

Tem

per

atu

re

(℃)

350.0

400.0

500.0

600.0

700.0

800.0

1100.0

900.0

1000.0

1200.0

Length(mm)

해석 결과 실험 결과

630 mm

0 mm

실험결과 해석결과

해석 결과 – Animation

⊙ 국부 화염 가열 시 소재의 온도 변화

1146.0

1035.0

923.5

812.0

700.0

589.1

477.7

366.2

254.7

143.3

35.0

온도(℃)

해석 정보 - 단조공정

⊙ 1단 Forging 공정 해석 조건 설정

문제의 유형: 비등온해석, 열간, Forging 공정

소재 조건

■ 소재의 형상: 그림 참조

■ 소재 :

금형의 조건

■ 금형형상: 그림 참조

■ 금형물성치:

■ 1단 금형의 마찰계수

■ 금형의 속도: 등속

(상형: -25.0 mm/s, 하형: 0.0 mm/s)

0.3

상형

소재

하형

SCM440 (T 20 ~1200 )C

SKD61 (150 )C

해석 결과 – 하중분석

Time (s)

Load

(to

n)

1802 1804 1806 1808 1810 1812

0.0

300.0

600.0

900.0

1200.0

1800s 동안의 가열공정과 이송시간을 제외하고 1804.4s 부터 1단 forging공정이 시작된다.

하중 분석결과는 위의 그림과 같다.

⊙ 1단 단조 공정

1500.0

결과 비교

⊙ 최종 단조품의 예측결과와 실험결과의 비교

700

860

680

580

500

401

311

1146.0

1035.0

923.5

812.0

589.1

366.2

143.3

온도(℃)

700.6

477.7

254.7

35.0

690

600

온도 측정 해석결과 실험결과

해석 결과 – Animation

⊙ 실험결과를 토대로 반복적 해석을 진행하여 적절한 대류열전달 계수를 결정하였고 이러한 열적조건을 활용

하여 가열공정과 이와 연계된 단조공정의 해석을 수행하였음.

⊙ 2차원 유한요소해석을 통한 국부화염 가열공정에서의 소재의 열전달 해석을 실시하고 실험결과와 해석결

과의 비교를 통하여 해석결과의 타당성을 검증.

⊙ 이러한 연구결과는 장비의 한계를 고려한 최적의 가열공정의 설계 및 단조공정 최적화에 이바지 할 것으로

기대됨.

결론