3차원 결정소성 유한요소해석 기법을 이용한 연속 극한 소성 가공 공정의 이방성 예측

Abstract

제품 생산성과 품질 향상을 위하여 금속 가공 공정의 최적화는 필수적이다. 과거에는 현장 경험에 의존한 시행착오를 통하여 공정 최적화가 이루어졌으나, 최근에는 수치 해석 기법을 이용하여 공정 최적화에 소비되는 시간과 비용을 절감하고 있다. 하지만 기존의 유한요소법은 소성 가공 중 발생하는 이방성 거동을 모사하는데 한계가 있다. 따라서 소성 가공 중 발생하는 이방성 거동을 예측하고 공정 변수에 따른 가공성의 차이를 예측하기 위해서는 3차원 결정소성 유한요소 해석 프로그램의 개발은 필수적이라고 할 수 있다. 본 연구에서는, 결정소성 유한요소법을 이용하여 본 연구실에서 개발한 극한 소성 가공 공정인 연속 하이브리드 공정시 발생하는 소재의 집합조직 진화 및 후속 공정에서의 이방성 변형 거동을 예측하기 위한 결정소성 유한요소해석 프로그램을 개발하였다. 개발된 결정소성 유한요소 해석 프로그램은, 본 연구실의 인하우스 코드인 강점소성 유한요소해석 프로그램에 속도 의존성 결정소성 구성 방정식을 적용하였다. 각 요소의 각 적분점은 200개의 결정립을 가진 다결정 소재로 구성되어 있다고 가정하였으며, 다결정 모델인 Taylor 모델을 사용하여 모든 결정립의 변형률 속도는 다결정 집합체의 변형률 속도와 동일하다고 가정하였다. 계산된 결정립의 방위와 슬립 시스템의 경화정보는 후속 공정의 시편으로 전달된다. 개발된 프로그램을 검증하기 위하여 일축 인장 및 일축 압축 실험의 응력-변형률 선도 및 극점도와 해석 결과를 상호 비교 하였다. 비교 결과를 통해 해석 결과가 실험 결과와 비교적 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이번 연구에서는, 금형 교차각 및 후속 공정 시편의 기하학적 특성에 따른 이방성 거동을 고찰하고자 하였다. 몇가지 금형 교차각 경우에 따른 극점도를 결정소성 모델을 이용하여 계산하고, 그 결과를 실험 결과 및 이론 결과와 비교해 보았다. 그리고 시편의 형상비에 따른 후속공정의 이방성 거동을 결정소성 유한요소법을 통하여 모사하였다. 업세팅 해석을 통해 시편 형상 및 금형 교차각이 이방성 거동에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 본 연구 과정을 통하여 연속 하이브리드 공정과 같은 소성 가공 공정을 거친 저탄소강 선재의 가공성 예측에 도움이 될 것으로 기대 되며, 이를 확장하여 산업 현장에도 적용이 가능할 것으로 기대된다.