KR100374507B1 - 후방압출을 이용한 전단마찰인자의 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부피성형 가공시에 압출소재와 금형 사이에 발생하는 전단마찰인자를 측정하는 방법에 있어서, 후방압출을 이용하여 전단마찰인자를 보다 쉽게 측정할 수 있는 측정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 후방압출로서 성형제품을 제작하기 위해 압출소재(30)를 펀치(21)로 가압함에 있어 발생하는 마찰인자를 측정하는 방법에 있어서, 상기 압출소재(30)를 성형다이(11, 13)의 내부에 위치시키고 하중을 가해 성형제품을 제작하는 단계와, 성형제품의 외측면으로부터 상기 성형제품의 후방압출방향으로의 끝점(33)까지의 수직거리(d)를 측정하는 단계와, 상기 측정된 수직거리(d)를 이용하여 마찰인자를 계산하는 단계를 포함하는 마찰인자 측정방법이 제공된다.

Description

후방압출을 이용한 전단마찰인자의 측정방법{Measuring method of shear friction factor using backward extrusion}

본 발명은 부피성형 가공시에 압출소재와 금형 사이에 발생하는 전단마찰인자를 측정하는 방법에 있어서, 후방압출을 이용하여 전단마찰인자를 보다 쉽게 측정할 수 있는 측정방법에 관한 것이다.

부피성형가공은 다양한 구조 및 기능적 기계 부품을 생산하기 위해 널리 사용되고 있다. 특히, 부피성형가공은 원하는 형상에 가까운 성형이 가능하므로, 일반적으로 성형공정 후에 따르는 후공정이 간단해지고, 소재 절약 및 공정수의 절감효과를 기대할 수 있다. 또한, 부피성형 가공시에 재료의 가공경화로 인하여 성형제품에 우수한 기계적 성질을 부여할 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 부피성형가공을 보다 효과적이며 효율적으로 설계하기 위해 수치해석을 적용하는 경우가 일반적이다.

수치해석을 효과적으로 부피성형가공의 설계에 적용시키기 위해서는 성형과정의 여러 인자들을 정확히 예측할 필요가 있으며, 그 중에서도 특히, 금형과 소재 사이의 마찰은 소재의 유동, 요구되는 성형하중 등과 직결되기 때문에 공정설계의 성공여부에 큰 영향을 미친다.

이와 같은 마찰조건을 정량적으로 표현하기 위해 마찰모델과 이에 따르는 전단마찰인자를 이용한다. 일반적으로 부피성형가공의 수치해석에서 널리 사용되어지는 전단마찰모델(constant shear friction model)은 수학식 1과 같다.

여기에서, m_f는 전단마찰인자이다.

수학식 1에 따르면, 마찰력은 소재의 전단항복응력과 비례함을 알 수 있으며, 비례관계의 비를 결정하는 것은 전단마찰인자라는 것을 알 수 있다. 따라서, 부피성형가공의 마찰조건을 정확하게 모사하기 위해서는 전단마찰인자의 정확한 선정이 요구된다. 즉, 설계단계에서 수치해석이 실용적으로 사용되기 위해서는 수치해석에 대한 신뢰가 있어야 하며, 부피성형가공 수치해석의 신뢰성을 높이기 위해서는 정확한 마찰조건의 모사가 요구된다.

현재까지 이런 전단마찰인자를 측정하기 위한 시험으로 가장 널리 사용되는 방법이 링(ring) 압축시험이다.

링 압축시험은 링 형상의 소재를 압축하여 성형과정 동안에 발생하는 링의 내경 변화를 측정함으로써 마찰조건을 예측하는 시험이다. 이런 링 압축시험은 간편하다는 장점을 갖고는 있지만, 공정자체가 너무 단순하여 복잡한 성형공정의 마찰조건을 모사하기에는 역부족이며, 일반적인 부피성형가공에 비해 생성되는 자유표면(free surface)이 너무 작고, 전단마찰인자를 결정하기 위해서는 비선형인 보정선도를 이용해야만 한다는 단점이 있다.

이와 같은 링 압축시험의 단점을 보완하기 위해 제안된 많은 전단마찰인자 측정방법 중에서도 특히, 자유표면의 생성이 많은 후방압출공정을 이용하는 전단마찰인자 측정방법이 많이 제안되었다.

그 한 예로 후방압출시에 마찰조건에 따라 요구되는 성형하중의 차이를 측정함으로써, 전단마찰인자를 추적하는 방법이 소개되었다. 그러나, 성형하중의 차이를 측정하여 전단마찰인자를 추적하는 방법은 가해지는 성형하중의 측정에 의존한다는 단점이 있다. 성형하중은 소재의 물성치(flow stress)와 직접적으로 연관되므로, 성형하중의 차이를 측정하여 전단마찰인자를 추적하는 방법을 실시하기 위해서는 우선 소재의 정확한 물성치가 보장되어야 한다.

한편, 전단마찰인자 측정방법 중에서 또 다른 한 예로는 전방 및 후방압출공정을 동시에 사용하는 방법이 있다. 이 방법은 전방과 후방으로 압출되는 소재의 유동량의 비가 마찰조건에 따라 달라지는 현상을 이용하여 전단마찰인자를 예측하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 마찰이 큰 경우에는 전단마찰인자의 측정이 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 복잡한 공정의 마찰조건을 모사하는데 적합하며, 넓은 범위의 마찰조건에 대하여 적용 가능한 부피성형 가공시에 발생하는 전단마찰인자의 간편한 측정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 후방압출을 수행하기 위한 압출기의 단면도이고,

도 2는 도 1에 도시된 압출기의 내부에 압출소재의 위치관계를 나타내기 위한 단면도이고,

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전단마찰인자의 측정방법에서 압출단계를 나타낸 개략도이며,

도 4는 도 3에서 도시된 압출소재가 후방압출방향으로 압출되면서 형성된 성형제품의 끝점을 나타낸 상세도이고,

도 5는 압출기와 압출소재 사이의 윤활조건에 따라 변화하는 성형제품의 끝점을 나타낸 개략도이며,

도 6은 도 5에 도시된 수직거리(d)에 따른 전단마찰인자의 변화를 나타낸 그래프이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

10 : 다이부 11 : 외경다이

13 : 하부다이 15 : 다이장착플랜지

20 : 펀치부 21 : 펀치

30 : 압출소재 33 : 끝점

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 후방압출로서 성형제품을 제작하기 위해 압출소재를 펀치로 가압함에 있어 발생하는 마찰인자를 측정하는 방법에 있어서, 상기 압출소재를 성형다이의 내부에 위치시키고 하중을 가해 성형제품을 제작하는 단계와, 성형제품의 외측면으로부터 상기 성형제품의 후방압출방향으로의 끝점까지의 수직거리(d)를 측정하는 단계와, 상기 측정된 수직거리를 이용하여 마찰인자를 계산하는 단계를 포함하는 마찰인자 측정방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 압출소재의 직경은 상기 펀치의 직경과 상기 성형다이의 내경의 평균치이며, 상기 압출소재의 중심과 상기 펀치 및 상기 성형다이의 중심이 일치한다.

또한, 본 발명의 상기 계산단계에서 계산된 마찰인자(m_f)의 범위는 0.0~1.0이며, 마찰인자(m_f)는 수직거리(d)와의 선형적인 비례관계를 이용하여 계산한다.

한편, 일반적으로 부피성형가공 설계에 수치해석을 적용하는 것은 설계단계의 효율을 높이고, 시간 및 자원의 소비를 줄이면서, 결과적으로 생산품의 품질향상을 얻기 위한 것이다. 부피성형가공 수치해석의 신뢰성을 확보하기 위해서는 적절한 전단마찰인자의 선정이 필수적이다. 이와 같이 정확한 전단마찰인자를 측정함으로써, 성형가공시에 적합한 윤활유를 선택할 수 있다.

적합한 윤활유를 사용함에 있어서, 성형하중의 감소, 금형의 수명연장, 생산 에너지의 절약 및 환경친화적인 윤활유의 개발 등의 효과를 얻을 수 있다.

이와 같은 효과를 얻기 위해 아래에서 본 발명에 따른 후방압출을 이용한 전단마찰인자의 측정방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 후방압출을 수행하기 위한 압출기의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 압출기의 내부에 압출소재의 위치관계를 나타내기 위한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전단마찰인자의 측정방법에서 압출단계를 나타낸 개략도이며, 도 4는 도 3에서 도시된 압출소재가 후방압출방향으로 압출되면서 형성된 성형제품의 끝점을 나타낸 상세도이고, 도 5는 압출기와 압출소재 사이의 윤활조건에 따라 변화하는 성형제품의 끝점을 나타낸 개략도이며, 도 6은 도 5에 도시된 수직거리(d)에 따른 전단마찰인자의 변화를 나타낸 그래프이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 후방압출을 이용한 전단마찰인자의 측정을 수행하기 위한 후방압출기는 크게 펀치(21)가 설치되어 압출하중을 가하는 펀치부(20)와, 압출소재(30)를 수용하며 압출소재(30)가 압출하중에 의해 정형적인 성형제품으로 변형되는 다이부(10)를 포함한다.

다이부(10)는 펀치(21)가 삽입 및 인출되도록 관통공이 형성된 원통형의 외경다이(11)와, 상기 외경다이(11)의 관통공 하부에 위치하는 하부다이(13)를 포함한다. 그리고, 다이장착플랜지(15)는 외경다이(11)의 둘레에 설치되어 외경다이(11)를 고정하고, 하부 다이하우징(19L)은 외경다이(11)와 하부다이(13) 및 다이장착플랜지(15)의 하부에 위치하여 상기 외경다이(11)와 하부다이(13) 및다이장착플랜지(15)를 지지한다. 이런 하부 다이하우징(19L)의 내부에는 하부 정수압판(17L)이 위치한다.

펀치부(20)의 펀치(21)는 다이부(10)의 외경다이(11)의 관통공으로 삽입 및 인출되는 운동을 수행하며, 상부 다이하우징(19H)이 펀치(21)의 상단의 둘레를 감싸며, 상기 상부 다이하우징(19H)의 내부와 상기 펀치(21)의 상부에는 상부 정수압판(17H)이 위치한다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 압출소재(30)는 하부다이(13)의 상면에 위치한다. 이 때, 압출소재(30)는 원기둥의 형상을 가지며, 압출소재(30)의 직경은 펀치(21)의 직경과 외경다이(11)의 내경의 평균값이다. 그리고, 압출소재(30)의 중심과 펀치(21)의 중심 및 외경다이(11)의 내경 중심이 일치하도록 압출소재(30)를 위치시킨다. 이런 상태에서 펀치(21)를 하부방향으로 이동시켜서 압출소재(30)에 압출하중을 가한다.

그러면, 압출소재(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 순차적으로 변형되면서 외경다이(11)의 내부의 형상과 펀치(21)의 형상에 의해 정형적인 성형제품이 형성된다. 압출하중이 가해지면서부터 성형제품이 형성될 때까지의 과정을 도 3을 참조하여 설명하면, 도 3의 (a)는 압출소재(30)에 압출하중을 가하기 이전 단계이고, 도 3의 (b)는 압출소재(30)에 압출하중이 가해지면서 압출소재(30)에 배럴링(barreling)이 형성되는 단계이고, 도 3의 (c)는 압출소재(30)의 모난 끝점(33) 형성 초기단계이며, 도 3의 (d)는 성형완료단계이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 완성된 성형제품의 모난 끝점(33)은 그 단면이 삼각형과 비슷한 형상을 가지고 있으며, 삼각형의 상부 꼭지점은 외경다이(11)의 내면으로부터 소정의 수직거리 d만큼 떨어져 있다.

이런 수직거리 d가 마찰조건을 결정하는 인자이다. 수직거리 d의 특성을 알아보기 위해 도 5를 참조하여 설명하겠다.

알루미늄 합금 6061-O를 압출소재(30)로 사용하여 압출시험을 하였다.

도 5의 (a)는 윤활조건이 좋지 않은 상태 즉, 윤활제를 사용하지 않은 상태에서 압출한 후, 성형제품의 모난 끝점(33)을 나타낸 도면이며, 도 5의 (b)는 윤활조건이 좋은 상태 그 예로, 그리스(grease) 및 MoS₂의 혼합 윤활제를 도유하고 압출한 후, 성형제품의 모난 끝점(33)을 나타낸 도면이다. 도 5의 (a)에 도시된 수직거리 d는 약 1.65mm이며, 도 5의 (b)에 도시된 수직거리 d는 약 0.75mm이다. 여기에서, 윤활조건이 좋을수록 수직거리 d는 작다는 것을 알 수 있다. 특히, 수직거리 d는 전단마찰인자의 증가와 함께 선형적으로 비례하는 것이 특징이며, 부피성형가공 수치해석에 널리 이용되는 강열점소성 유한요소법을 이용한 해석프로그램의 해석결과로부터 이와 같은 사실을 확인할 수 있다.

한편, 도 6은 전단마찰인자와 외경다이(11)의 내측면으로부터 형성제품의 모난 끝점(33)까지의 수직거리 d의 관계를 나타낸 그래프이다. 그리고, 그래프를 분석한 결과 수학식 2를 구할 수 있다.

여기에서 ±0.06은 해석데이터의 평균오차범위를 나타낸 것이다.

이와 같이, 압출된 성형제품의 기하학적인 특성을 사용하여 전단마찰인자를 보다 간편하게 측정할 수 있다. 한편, 압출된 성형제품의 외측면은 외경다이(11)의 내측면과 접하여 형성되므로, 외경다이(11)의 내측면으로부터 형성제품의 모난 끝점(33)까지의 측정된 수직거리 d와 성형제품의 외측면으로부터 형성제품의 모난 끝점(33)까지의 측정된 수직거리 d는 동일하다.

도 5에 도시된, 두 비교예를 수학식 2에 적용하여 계산하여 본 결과, 윤활조건이 나쁜 경우에 전단마찰인자는 0.5 ~ 0.62이며, 윤활조건이 좋은 경우에는 전단마찰인자가 0.03 ~ 0.15이다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 후방압출을 이용한 전단마찰인자의 측정방법은 복잡한 부피성형가공의 마찰조건을 모사하는데 적합하며, 간편하게 전단마찰인자를 측정할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 넓은 범위(m_f=0.0 ~ 1.0)의 마찰조건에 대한 판별이 가능하다. 따라서, 다양한 윤활조건에 대하여 손쉽게 정확한 전단마찰인자를 결정할 수 있으며, 이를 통해 부피성형가공 해석의 신뢰성과 공정설계의 효율성을 향상시켜 성형제품의 품질을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 후방압출을 이용한 전단마찰인자의 측정방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (3)

1. 후방압출방식으로 성형제품을 제작함에 있어 압출소재와 금형 사이에서 발생하는 전단마찰인자를 측정하는 방법에 있어서,

   펀치의 직경과 성형다이의 내경의 평균치 직경을 갖는 원기둥형 압출소재를 상기 성형다이에 안착시키는 단계와,

   상기 압출소재를 상기 펀치로 가압하여 그 상단에 모난 끝점(tip)을 갖는 성형제품을 완성하는 단계와,

   상기 성형제품의 외측면으로부터 상기 끝점(tip)까지의 수직거리(d)를 측정하는 단계 및,

   상기 전단마찰인자(m_f)를 상기 수직거리(d)와의 선형적인 비례관계를 이용하여 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 후방압출을 이용한 전단마찰인자 측정방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 전단마찰인자(m_f)는 상기 수직거리(d)를 하기 식에 대입하여 구하는 것을 특징으로 하는 후방압출을 이용한 전단마찰인자 측정방법.
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