KR102117943B1 - Method for evaluating forging characteristics of light weight metal - Google Patents
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Abstract
본 발명은 경량 금속의 단조특성 평가방법에 관한 것으로, 구체적으로는 경량 금속의 단조한계 평가와 더불어 단조품의 기계적 특성을 단일 금형을 이용하여 일관적인 절차를 통해 평가할 수 있는 표준화된 경량 금속의 단조특성 평가방법에 관한 것이다.
본 발명은 로드(rod)형 경량 금속 소재를 준비하는 제1단계; 상기 경량 금속 소재가 투입되어 성형되는 경우 상기 경량 금속 소재의 외면 상하측 및 좌우측에 상기 경량 금속 소재의 길이 방향을 따라 복수의 볼록한 돌출부가 형성되도록 상형 코어 및 하형 코어가 동일하게 형성된 금형을 준비하는 제2단계; 상기 금형에 투입된 경량 금속 소재를 유압 프레스로 가압하여 1차 성형하는 제3단계; 및 상기 1차 성형된 경량 금속 소재를 상기 금형 내에서 상기 경량 금속 소재의 외면 둘레 방향으로 일정 각도 회전시킨 다음 유압 프레스로 가압하여 2차성형하는 제4단계;를 포함하고, 상기 경량 금속의 길이 방향 끝단에 크랙이 발생할 때까지 상기 제3단계 및 제4단계를 반복 실시하여 단조한계 평가를 실시하며, 성형이 완료된 경량 금속 소재로부터 규격 인장시편 및 피로시편을 직접 추출하여 단조품의 인장특성 및 피로특성을 평가할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 경량 금속의 단조특성 평가방법을 제공한다.The present invention relates to a method for evaluating the forging characteristics of a lightweight metal, specifically, forging characteristics of a standardized lightweight metal that can evaluate the forging limits of a lightweight metal and the mechanical properties of a forged product through a consistent procedure using a single mold. It is about the evaluation method.
The present invention is a first step of preparing a rod-type lightweight metal material; When the light-weight metal material is introduced and molded, a mold having the same upper and lower cores is prepared so that a plurality of convex protrusions are formed along the length direction of the light-weight metal material on the upper, lower, and left and right sides of the lightweight metal material. Second stage; A third step of primary molding by pressurizing the lightweight metal material put into the mold with a hydraulic press; And a fourth step of rotating the primary molded lightweight metal material at an angle around the outer surface of the lightweight metal material in the mold and then pressing it with a hydraulic press to perform secondary molding. The third and fourth steps are repeated repeatedly until cracking occurs at the end of the direction to evaluate forging limits, and the tensile properties and fatigue of the forged products are extracted by directly extracting standard tensile specimens and fatigue specimens from the lightweight metal material that has been molded. It provides a method for evaluating the forging characteristics of a lightweight metal, characterized in that the characteristics can be evaluated.
Description
본 발명은 경량 금속의 단조특성 평가방법에 관한 것으로, 구체적으로는 경량 금속의 단조한계 평가와 더불어 단조품의 기계적 특성을 단일 금형을 이용하여 일관적인 절차를 통해 평가할 수 있는 표준화된 경량 금속의 단조특성 평가방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for evaluating the forging characteristics of a lightweight metal, specifically, forging characteristics of a standardized lightweight metal that can evaluate the forging limits of a lightweight metal and the mechanical properties of a forged product through a consistent procedure using a single mold. It is about the evaluation method.
공기 해머, 프레스 등의 기계력을 이용하여 크게는 수백톤에 이르는 선박용이나 원자력 발전소용 회전축에서부터 작게는 못과 같은 1g 전후의 제품, 그 중간으로는 자동차용 또는 항공기용 각종 복잡한 부품이 단조로 만들어진다.By using mechanical powers such as air hammers and presses, products of around 1g, such as small nails, from the rotating shaft for ships or nuclear power plants up to several hundred tons in size, and various complex parts for automobiles or aircraft are made in forging.
기존에 적용한 적이 없거나 새로 개발된 합금 소재를 단조하여 제품을 양산 제조할 때에는 단조 소재에 대한 단조성(forgeability)을 미리 평가해보고 이를 단조공정설계에 반영하게 된다.When mass-producing a product by forging a newly developed alloy material that has never been applied or is newly developed, the forgeability of the forged material is evaluated in advance and reflected in the forging process design.
단조성 평가를 위한 가장 확실한 방법은 기존의 단조금형을 통해 다양한 조건으로 단조성형을 실시해 보는 것이지만, 이 경우 재료소모가 많게 되고 조건별로 일목요연한 정량적인 데이터를 얻을 수 없다는 한계가 있어 압축한계시험을 비롯한 다양한 단조성 평가 시험법들이 사용되고 있다.The most reliable method for evaluating forging is to perform forging molding under various conditions through the existing forging mold, but in this case, there is a limitation that the material consumption is high and there is a limitation that it is impossible to obtain a clear quantitative data for each condition. Various monotonic evaluation test methods are used.
종래의 단조성 평가 시험법은 시편의 높이 혹은 시험 금형의 스트로크에 의해 소재에 부여할 수 있는 변형량이 제한되므로 대변형 부과가 불가능한 문제점이 있다.The conventional forging evaluation test method has a problem in that it is impossible to impose a large strain because the amount of deformation that can be applied to the material is limited by the height of the specimen or the stroke of the test mold.
또한, 종래의 단조성 평가 시험법에 의해 시험 종료 후 변형된 시편에서 인장시편이나 피로시편의 추출이 불가능하기 때문에 인장시험이나 피로시험을 통한 단조품의 재료 특성 평가를 위해서는 별도의 단조금형을 제작해야 하고, 이처럼 다양한 시험을 수행하기 위해서는 시험 시편의 소진 및 시험 비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.In addition, since it is impossible to extract tensile specimens or fatigue specimens from specimens deformed after the end of the test by the conventional forging evaluation test method, a separate forging mold must be manufactured to evaluate the material properties of forged products through tensile testing or fatigue testing. And, in order to perform such various tests, there is a problem in that the exhaustion and test cost of the test specimen are increased.
최근에는 다양한 조성 및 물성을 가지는 경량 금속의 연구가 활발하게 진행되고 있으므로, 이러한 경량 금속의 단조성 관련 물성 평가를 단시간에 저비용으로 수행할 수 있도록 경량 금속의 단조성 평가와 더불어 단조품의 특성까지 일관적인 절차를 통해 평가할 수 있는 시험 방법에 대한 필요성이 대두되고 있다.In recent years, research on light weight metals having various compositions and properties has been actively conducted, so to evaluate the forging properties of light weight metals at low cost in a short time, the forging properties of light weight metals as well as the characteristics of forged products are consistent. There is a growing need for test methods that can be assessed through routine procedures.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 여러 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 경량 금속의 단조한계 평가와 더불어 단조품의 기계적 특성을 단일 금형을 이용하여 일관적인 절차를 통해 평가할 수 있는 표준화된 경량 금속의 단조특성 평가방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been devised to solve various conventional problems as described above, and standardized lightweight metals capable of evaluating the mechanical properties of forgings through a consistent procedure using a single mold as well as evaluating the forging limits of lightweight metals The purpose is to provide a method for evaluating forging characteristics.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명은 로드(rod)형 경량 금속 소재를 준비하는 제1단계; 상기 경량 금속 소재가 투입되어 성형되는 경우 상기 경량 금속 소재의 외면 상하측 및 좌우측에 상기 경량 금속 소재의 길이 방향을 따라 복수의 볼록한 돌출부가 형성되도록 상형 코어 및 하형 코어가 동일하게 형성된 금형을 준비하는 제2단계; 상기 금형에 투입된 경량 금속 소재를 유압 프레스로 가압하여 1차 성형하는 제3단계; 및 상기 1차 성형된 경량 금속 소재를 상기 금형 내에서 상기 경량 금속 소재의 외면 둘레 방향으로 일정 각도 회전시킨 다음 유압 프레스로 가압하여 2차성형하는 제4단계;를 포함하고, 상기 경량 금속의 길이 방향 끝단에 크랙이 발생할 때까지 상기 제3단계 및 제4단계를 반복 실시하여 단조한계 평가를 실시하며, 성형이 완료된 경량 금속 소재로부터 규격 인장시편 및 피로시편을 직접 추출하여 단조품의 인장특성 및 피로특성을 평가할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 경량 금속의 단조특성 평가방법을 제공한다.In order to achieve the above objects, the present invention is a first step of preparing a rod-type lightweight metal material; When the light-weight metal material is introduced and molded, a mold having the same upper and lower cores is prepared so that a plurality of convex protrusions are formed along the length direction of the light-weight metal material on the upper, lower, and left and right sides of the lightweight metal material. Second stage; A third step of primary molding by pressurizing the lightweight metal material put into the mold with a hydraulic press; And a fourth step of rotating the primary molded lightweight metal material at an angle around the outer surface of the lightweight metal material in the mold and then pressing it with a hydraulic press to perform secondary molding. The third and fourth steps are repeated repeatedly until cracking occurs at the end of the direction to evaluate forging limits, and the tensile properties and fatigue of forged products are extracted by directly extracting standard tensile and fatigue specimens from the lightweight metal material that has been molded. It provides a method for evaluating the forging characteristics of a lightweight metal, characterized in that the characteristics can be evaluated.
또한, 상기 금형에는 온-열간 성형 시의 경량 금속 소재 단조특성 평가를 위해 경량 금속 소재를 예열 및 보온하기 위한 히터가 내설된 것이 바람직하다.In addition, the mold is preferably provided with a heater for preheating and keeping the lightweight metal material in order to evaluate the forging characteristics of the lightweight metal material during hot and hot forming.
아울러, 상기 상형 코어 내주면에서 중앙부분에는 길이 방향을 따라 제1홈이 형성되고, 상기 하형의 코어 내주면에는 상기 제1홈과 대응되는 제2홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, a first groove is formed along the longitudinal direction in the central portion of the inner circumferential surface of the upper core, and a second groove corresponding to the first groove is formed on the inner circumferential surface of the lower core.
또한, 상기 상형 코어와 하형 코어에 투입된 경량 금속 소재를 유압 프레스로 가압하는 경우 상기 경량 금속의 양측에 돌출부가 형성되도록, 상기 경량 금속 소재가 투입된 부분의 외측에 위치한 상기 상형 코어와 하형 코어의 상호 대향하는 면에서 상기 상형 코어의 제1대향면은 외측으로부터 경량 금속 소재 방향으로 갈수록 상방으로 경사지게 형성되고, 상기 하형 코어의 제2대향면은 외측으로부터 경량 금속 소재 방향으로 갈수록 하방으로 경사지게 형성되며, 상기 상형 코어와 하형 코어가 접촉 후 상기 제1대향면과 제2대향면은 제3홈과 제4홈을 각각 형성하고, 상기 제1홈 및 제2홈의 폭은 상기 제3홈 및 제4홈의 폭 보다 넓게 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, when pressurizing the lightweight metal material injected into the upper core and the lower core with a hydraulic press, the upper core and the lower core located on the outside of the portion where the lightweight metal material is injected are formed so that protrusions are formed on both sides of the lightweight metal. On the opposite side, the first opposing surface of the upper core is formed to be inclined upward from the outside toward the lightweight metal material, and the second opposing surface of the lower core is inclined downward toward the lightweight metal material from the outside, After the upper and lower cores are in contact, the first and second opposing surfaces form third and fourth grooves, respectively, and the widths of the first and second grooves are the third and fourth grooves. It is characterized by being made wider than the width of the groove.
아울러, 상기 상형 코어와 하형 코어가 접촉하여 형성하는 공동부(cavity)는, 경량 금속 소재가 수용되는 중앙 수용부와, 상기 경량 금속 소재가 가압되어 상하측으로 돌출되는 돌출부가 수용되는 세로 돌출부 수용부와, 상기 경량 금속 소재가 가압되어 양측으로 돌출되는 돌출부가 수용되는 가로 돌출부 수용부로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the cavity formed by the upper core and the lower core contacting each other includes a central accommodating portion in which the lightweight metal material is accommodated, and a vertical projection accommodating portion in which the protruding portion protruding upward and downward is accommodated by pressing the lightweight metal material. And, it is preferable that the lightweight metal material is formed of a horizontal protrusion receiving portion in which protrusions protruding to both sides are accommodated.
이때, 상기 세로 돌출부 수용부의 폭은 상기 가로 돌출부 수용부의 폭 보다 넓게 형성되고, 상기 세로 돌출부 수용부 및 가로 돌출부 수용부의 상하방 경사각도는 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.At this time, the width of the vertical projection receiving portion is formed to be wider than the width of the horizontal projection receiving portion, it is preferable that the vertical inclination angle of the vertical projection receiving portion and the horizontal projection receiving portion is formed the same.
전술한 과제의 해결수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.According to the solving means of the above-described problem, the present invention has the following effects.
본 발명은 경량 금속의 단조한계 평가와 더불어 단조품의 기계적 특성을 단일 금형을 이용하여 일관적인 절차를 통해 평가할 수 있도록 함으로써, 시험에 소요되는 비용과 시간을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 경량 금속 소재의 단조한계 및 단조품의 기계적 특성에 대한 표준화된 데이터를 얻을 수 있게 되는 효과가 있다.The present invention enables to evaluate the forging limits of lightweight metals as well as to evaluate the mechanical properties of forged products through a consistent procedure using a single mold, thereby reducing the cost and time required for testing, as well as of various lightweight metal materials. It has the effect of being able to obtain standardized data on the forging limits and the mechanical properties of forged products.
도 1은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 채용된 경량 금속 소재, 하형 및 상형이 분리된 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 경량 금속 소재가 1차 성형된 후 2차 성형을 위해 외면 둘레 방향으로 90° 회전되어 하형에 재투입된 상태를 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가금형의 공동부(Cavity) 3차원 형상을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법을 길이방향 단면에 대한 2차원 유한요소해석을 통해 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가금형 공동부(Cavity)의 횡단면을 결정하는 주요치수를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가금형 공동부(Cavity)의 종단면을 결정하는 주요치수를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 따라 경량 금속 소재가 성형이 되는 상태를 3차원 유한요소해석에 의해 성형 횟수 별로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 의해 경량 금속 소재가 5차까지 성형이 된 결과를 성형 횟수 별로 나타낸 사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 따라 경량 금속 소재가 성형된 상태를 유한요소해석에 의해 나타낸 것으로서, 도 10에 나타낸 손상도값과 유효변형률 측정 위치를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 의해 경량 금속 소재가 성형된 횟수에 따른 유효변형률과 손상도값을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 의해 경량 금속 소재가 성형되는 각 성형 횟수별 유효변형률을 나타낸 것으로서, 경량 금속 소재의 길이 방향 중심으로부터의 거리에 따른 유효변형률 분포를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 의해 경량 금속 소재가 성형된 횟수에 따른 최대인장강도 변화를 나타낸 그래프이다.1 is a view showing a state in which the lightweight metal material, the lower mold and the upper mold employed in the method for evaluating forging characteristics of a lightweight metal according to the present invention are separated.
FIG. 2 is a photograph showing a state in which the lightweight metal material of FIG. 1 is first molded and then rotated 90° in the circumferential direction of the outer surface for secondary molding, and re-injected into the lower mold.
3 is a view showing a cavity (Cavity) three-dimensional shape of the forging characteristics evaluation mold of a lightweight metal according to the present invention.
4 is a view schematically showing a method for evaluating forging characteristics of a lightweight metal according to the present invention through a two-dimensional finite element analysis of a longitudinal section.
5 is a view showing the main dimensions for determining the cross-section of the forging characteristics evaluation mold cavity (Cavity) of a lightweight metal according to the present invention.
Figure 6 is a view showing the main dimensions for determining the longitudinal section of the forging characteristics evaluation mold cavity (Cavity) of the lightweight metal according to the present invention.
7 is a view showing a state in which the lightweight metal material is molded according to the method for evaluating the forging characteristics of the lightweight metal according to the present invention for each molding number by 3D finite element analysis.
FIG. 8 is a photograph showing the results of the molding of the lightweight metal material up to the fifth order by the number of molding times by the method for evaluating the forging characteristics of the lightweight metal according to the present invention.
9 is a view showing a state in which a lightweight metal material is molded according to a method for evaluating forging characteristics of a lightweight metal according to the present invention by finite element analysis, and is a view showing a damage value and an effective strain measurement position shown in FIG. 10.
10 is a graph showing the effective strain rate and the damage value according to the number of times the lightweight metal material is formed by the method for evaluating the forging characteristics of the lightweight metal according to the present invention.
11 is a graph showing the effective strain rate for each number of moldings in which a light weight metal material is molded by the method for evaluating forging characteristics of the light weight metal according to the present invention, and is a graph showing the effective strain distribution according to the distance from the longitudinal center of the light weight metal material to be.
12 is a graph showing the change in maximum tensile strength according to the number of times a lightweight metal material is formed by the method for evaluating forging characteristics of a lightweight metal according to the present invention.
이하, 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the method for evaluating forging characteristics of a lightweight metal according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. For reference, the terms and words used in the present specification and claims should not be interpreted as being limited to ordinary or lexical meanings, and the inventor appropriately explains the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical spirit of the present invention. In addition, the configuration shown in the embodiments and drawings described herein is only one of the most preferred embodiments of the present invention, and does not represent all of the technical spirit of the present invention, and thus can replace them at the time of application. It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 1은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 채용된 경량 금속 소재, 하형 및 상형이 분리된 상태를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 경량 금속 소재가 1차 성형된 후 2차 성형을 위해 외면 둘레 방향으로 90° 회전되어 하형에 재투입된 상태를 나타낸 사진이며, 도 3은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가금형의 공동부(Cavity) 3차원 형상을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a state in which the light metal material, the lower mold and the upper mold are separated in the method for evaluating the forging characteristics of the light metal according to the present invention, and FIG. 2 is the secondary after the light metal material of FIG. 1 is first molded It is a photograph showing the state of being re-injected into the lower mold by being rotated 90° in the circumferential direction for molding, and FIG. 3 is a view showing a cavity 3D shape of a forging characteristic evaluation mold of a lightweight metal according to the present invention.
본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에는 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등 다양한 경량 금속 소재가 채용될 수 있는데, 여기에서는 알루미늄 합금을 예로 들어 설명하기로 한다.Various lightweight metal materials such as aluminum alloys and magnesium alloys may be employed in the method for evaluating the forging characteristics of a lightweight metal according to the present invention, and an aluminum alloy will be described here as an example.
알루미늄은 비중이 2.7로 가볍고, 신전성(伸展性)이 양호하며, 내식성이 뛰어난 특징을 갖고 있다.Aluminum has a specific gravity of 2.7, light, good stretchability, and excellent corrosion resistance.
또한, 여러 가지 원소와 조합하여 다수의 합금을 만들 수 있기 때문에 매우 유용한 금속이다.In addition, it is a very useful metal because it can be combined with various elements to make multiple alloys.
최근 발전이 현저한 알루미늄 합금으로는 고력(高力)알루미늄 합금, 내열 알루미늄 합금 등이 있다.Aluminum alloys that have been remarkably developed in recent years include high-strength aluminum alloys and heat-resistant aluminum alloys.
고력 알루미늄 합금은 인장강도가 강한 열처리형 합금으로, 판(板)이나 관(管)으로 만든 경우 인장강도가 40㎏f/㎟ 이상인 것을 말한다.High-strength aluminum alloy is a heat-treated alloy with strong tensile strength, and when it is made of plate or tube, it means that the tensile strength is 40 kgf/㎟ or more.
대표적인 고력 알루미늄 합금은 Al-Cu-Mg계 및 Al-Zn-Mg-Cu계 합금의 이른바 두랄루민(Duralumin)인데 구조재로 중요하다.A typical high-strength aluminum alloy is the so-called duralumin of Al-Cu-Mg-based and Al-Zn-Mg-Cu-based alloys, and is important as a structural material.
내열 알루미늄 합금은 200~250℃의 온도까지 재료의 강도가 거의 저하하지 않는 합금으로, Al-Si-Mg-Cu계 합금과 Al-Cu-Ni-Mg계 합금이 대표적인 합금이다.The heat-resistant aluminum alloy is an alloy in which the strength of the material hardly decreases to a temperature of 200 to 250°C. Al-Si-Mg-Cu-based alloys and Al-Cu-Ni-Mg-based alloys are typical alloys.
특히 Al-Cu계에 리튬과 카드뮴을 첨가한 합금은 내열성이 우수하다.In particular, alloys in which lithium and cadmium are added to the Al-Cu system have excellent heat resistance.
본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 채용되는 알루미늄 합금 소재(E)는 도 1에 도시된 바와 같이, 소정 길이를 가지고 양 끝단이 필렛처리되어 있는 로드(rod) 형태로 이루어진다.The aluminum alloy material (E) employed in the method for evaluating forging characteristics of a lightweight metal according to the present invention is made of a rod having a predetermined length and having both ends filleted as shown in FIG. 1.
또한, 금형은 후술할 도 4에 도시된 바와 같이 상형(10)과 하형(20)으로 이루어지고, 상형(10) 및 하형(20)에는 각각 알루미늄 합금 소재(E)가 투입되어 가압 성형될 수 있도록 상형 코어(12) 및 하형 코어(22)가 장착된다.In addition, the mold is made of an
이러한 상형 코어(12)의 내주면 중앙부분에는 길이 방향을 따라 제1홈(H1)이 연속적으로 형성되고, 하형 코어(22)의 내주면 중앙부분에는 제1홈(H1)과 대응되게 제2홈(H2)이 연속적으로 형성된다.In the central portion of the inner circumferential surface of the
이때, 금형에는 알루미늄 합금 소재(E)를 예열 및 보온하기 위한 카트리지 히터(미도시)가 내설될 수 있다.At this time, a cartridge heater (not shown) for preheating and warming the aluminum alloy material E may be provided in the mold.
도 4는 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법을 길이방향 단면에 대한 2차원 유한요소해석을 통해 개략적으로 나타낸 도면이다.4 is a view schematically showing a method for evaluating forging characteristics of a lightweight metal according to the present invention through a two-dimensional finite element analysis of a longitudinal section.
본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법은, 도 4에 도시된 바와 같이 로드(rod)형 알루미늄 합금 소재(E)를 준비하는 제1단계; 알루미늄 합금 소재(E)가 투입되어 성형되는 경우, 알루미늄 합금 소재(E)의 외면 상하측 및 좌우측에 알루미늄 합금 소재(E)의 길이 방향을 따라 복수의 볼록한 돌출부(P)가 형성되도록 상형 코어(12) 및 하형 코어(22)가 동일하게 형성된 금형을 준비하는 제2단계; 상기 금형에 투입된 알루미늄 합금 소재(E)를 유압 프레스로 가압하여 1차 성형하는 제3단계; 및 1차 성형된 알루미늄 합금 소재(E)를 상기 금형 내에서 알루미늄 합금 소재(E)의 외면 둘레 방향으로 일정 각도 회전시킨 다음 유압 프레스로 가압하여 2차성형하는 제4단계;를 포함하고, 알루미늄 합금 소재(E)의 길이 방향 끝단에 크랙(C)이 발생할 때까지 상기 제3단계 및 제4단계를 반복 실시하여 단조한계 평가를 실시하며, 성형이 완료된 경량 금속 소재로부터 규격 인장시편 및 피로시편을 직접 추출하여 단조품의 인장특성 및 피로특성을 평가할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.The method for evaluating the forging characteristics of a lightweight metal according to the present invention comprises: a first step of preparing a rod-type aluminum alloy material (E) as shown in FIG. 4; When the aluminum alloy material (E) is injected and molded, the upper core (so that a plurality of convex protrusions (P) are formed along the longitudinal direction of the aluminum alloy material (E) on the upper and lower sides and the left and right sides of the aluminum alloy material (E). 12) and a second step of preparing a mold in which the
만일 열처리 후의 인장특성 및 피로특성 평가가 필요하면 성형완료된 경량 금속 소재에 대한 열처리를 수행한 후 인장시험 및 피로시험을 실시할 수 있다If it is necessary to evaluate the tensile properties and fatigue properties after heat treatment, a tensile test and a fatigue test may be performed after heat treatment is performed on the molded lightweight metal material.
이때, 상형 코어(12)와 하형 코어(22)에 투입된 알루미늄 합금 소재(E)를 유압 프레스로 가압하는 경우 알루미늄 합금 소재(E)의 양측에 돌출부(P)가 형성되도록, 알루미늄 합금 소재(E)가 투입된 부분의 외측에 위치한 상형 코어(12)와 하형 코어(22)의 상호 대향하는 면에서 상기 상형 코어(12)의 제1대향면(12b)은 외측으로부터 알루미늄 합금 소재(E) 방향으로 갈수록 상방으로 경사지게 형성되고, 상기 하형 코어(22)의 제2대향면(22b)은 외측으로부터 알루미늄 합금 소재(E) 방향으로 갈수록 하방으로 경사지게 형성되며, 상기 상형 코어(12)와 하형 코어(22)가 접촉 후 상기 제1대향면(12b)과 제2대향면(22b)은 제3홈(H3)과 제4홈(H4)을 각각 형성한다.At this time, when the aluminum alloy material (E) injected into the
이때, 제1홈(H1) 및 제2홈(H2)의 폭은 상기 제3홈(H3) 및 제4홈(H4)의 폭 보다 넓게 이루어지는 것이 바람직하다.At this time, the width of the first groove (H1) and the second groove (H2) is preferably made wider than the width of the third groove (H3) and the fourth groove (H4).
이에 따라, 90° 회전된 소재가 용이하게 안착될 수 있게 된다.Accordingly, the material rotated by 90° can be easily seated.
상형 코어(12)와 하형 코어(22)에 투입된 알루미늄 합금 소재(E)가 가압 성형되는 경우 제1대향면(12b)과 제2대향면(22b) 사이의 간격으로 알루미늄 합금 소재(E)가 돌출되어 돌출부(P)를 형성하게 된다.When the aluminum alloy material E injected into the
이와 같은 본 발명에 따르면, 경량 금속의 단조한계 평가와 더불어 단조품의 기계적 특성을 단일 금형을 이용하여 일관적인 절차를 통해 평가할 수 있도록 함으로써, 시험에 소요되는 비용과 시간을 절감할 수 있게 된다.According to the present invention, it is possible to reduce the cost and time required for the test by evaluating the forging limit of the lightweight metal and the mechanical properties of the forged product through a consistent procedure using a single mold.
도 5는 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가금형 공동부(Cavity)의 횡단면을 결정하는 주요치수를 나타낸 도면이다.5 is a view showing the main dimensions for determining the cross-section of the forging characteristics evaluation mold cavity (Cavity) of a lightweight metal according to the present invention.
상형 코어와 하형 코어가 접촉하여 형성하는 공동부(cavity)(30)는, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 경량 금속 소재가 수용되는 중앙 수용부(31)와, 상기 경량 금속 소재가 가압되어 상하측으로 돌출되는 돌출부가 수용되는 세로 돌출부 수용부(32)와, 상기 경량 금속 소재가 가압되어 양측으로 돌출되는 돌출부가 수용되는 가로 돌출부 수용부(33)로 이루어진다.The
본 발명에 따른 단조특성 평가금형을 사용하여 성형을 진행하면 경량합금 소재가 8각형태로 변형되게 되는데, 이때 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 8각을 결정하는 각도 A1(제2경사면(31b)과 가로 돌출부 수용부(33) 사이의 각도)과 A2(제1경사면(31a)과 세로 돌출부 수용부(32) 사이의 각도)는 동일하게 제작된다. 이에 따라, 외면 둘레 방향으로 90° 회전된 소재가 금형 상에 안정적으로 재안착될 수 있다.When molding is performed using the forging characteristic evaluation mold according to the present invention, the lightweight alloy material is deformed into an octagonal shape. At this time, as shown in FIG. (31b) and the angle between the horizontal projection receiving portion 33) and A2 (the angle between the first
도 5의 (b)에서 D1은 중앙 수용부(31)의 좌우측 폭을 나타낸 것이고, D2는 중앙 수용부(31)의 상하측 폭을 나타낸 것이다. 이때, D2는 항상 D1보다 커야 소재의 심부에 전단변형이 가해질 수 있다. D1과 D2의 비율을 조정함으로써 1회 성형 시에 소재 심부에 발생되는 유효변형률 양을 조절할 수 있다. In (b) of FIG. 5, D1 represents the left and right widths of the central
또한, 도 5의 (b)에서 A3와 A4는 세로 돌출부 수용부(32) 및 가로 돌출부 수용부(33)의 상하방 경사각도를 나타낸 것으로서, A3와 A4는 동일하게 제작해야 한다. In addition, in Fig. 5B, A3 and A4 show the vertical inclination angles of the vertical
또한, 가로 돌출부 수용부(33)와 세로 돌출부 수용부(32)의 시작지점의 폭을 W1과 W2로 나타내었다. 이때, W2는 외면 둘레 방향으로 90° 회전된 소재가 용이하게 삽입될 수 있도록 W1보다 약간 크게 제작해야 한다. In addition, the widths of the starting points of the horizontal
도 6은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가금형 공동부(Cavity)의 종단면을 결정하는 주요치수를 나타낸 도면이다.Figure 6 is a view showing the main dimensions for determining the longitudinal section of the forging characteristics evaluation mold cavity (Cavity) of the lightweight metal according to the present invention.
공동부 양 끝의 R1 형상은 단조과정에서 경량 금속 소재가 길이 방향으로 늘어나는 것을 저지해주는 역할을 한다.The R1 shape at both ends of the cavity serves to prevent the light metal material from extending in the longitudinal direction during the forging process.
도 7은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 따라 경량 금속 소재가 300℃ 에서 성형되는 상태를 3차원 유한요소해석에 의해 성형 횟수 별로 나타낸 도면이다. 7 is a view showing a state in which the lightweight metal material is molded at 300°C according to the method for evaluating the forging characteristics of the lightweight metal according to the present invention for each molding number by 3D finite element analysis.
도 7을 보면 성형 횟수가 증가하더라도 경량 금속의 외주면 돌출부 형상이 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 프레스에 의한 가압력이 주로 소재 심부의 변형에 쓰인다는 것을 확인할 수 있다. 또한 외주면의 돌출부는 추가 성형을 위해 알루미늄 합금 소재를 외면 둘래 방향으로 90° 회전시켰을 때 소재가 제 위치에 놓일 수 있도록 가이드 역할도 수행한다. Referring to FIG. 7, it can be seen that even when the number of molding increases, the shape of the protrusion of the outer circumferential surface of the lightweight metal remains constant. Through this, it can be seen that the pressing force by the press is mainly used for deformation of the core of the material. In addition, the projecting portion of the outer circumferential surface also serves as a guide so that the material can be put in place when the aluminum alloy material is rotated 90° in both directions of the outer surface for further molding.
도 7의 경량 금속 소재 양 끝단 형상을 보면 성형 횟수가 증가함에 따라 돌출되는 양이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 재료 거동이 성형된 소재의 양 끝단에 크랙의 원인이 되는 인장 주응력을 쌓이게 하므로, 이러한 재료거동을 활용하여 소재의 양 끝단에 크랙이 발생되는 성형 횟수를 통해 소재의 단조한계를 평가할 수 있게 된다.Looking at both ends of the lightweight metal material in FIG. 7, it can be seen that the amount of protrusion increases as the number of molding increases. Since this material behavior accumulates a tensile main stress that causes cracks at both ends of the molded material, it is possible to evaluate the forging limit of the material through the number of moldings where cracks occur at both ends of the material by utilizing this material behavior. .
도 8은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 의해 경량 금속 소재가 상온에서 5차까지 성형된 결과를 성형 횟수 별로 나타낸 사진이다.FIG. 8 is a photograph showing the results of molding the lightweight metal material from room temperature to the fifth order by the number of molding times by the method for evaluating the forging characteristics of the lightweight metal according to the present invention.
도 8에 도시된 바와 같이 5차 가압 성형된 알루미늄 합금 소재(E)의 끝단에 크랙(C)이 발생한 것을 알 수 있다.As illustrated in FIG. 8, it can be seen that crack C is generated at the end of the fifth press-molded aluminum alloy material E.
이는 크랙(C)이 발생하는 시점이 더이상 단조 공정 진행이 불가능한 단조한계를 나타내는 것이다.This indicates that the point at which the crack (C) occurs is the forging limit at which it is no longer possible to proceed with the forging process.
도 9는 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 따라 경량 금속 소재가 성형된 상태를 유한요소해석에 의해 나타낸 것으로서, 도 10에 나타낸 손상도값과 유효변형률 측정 위치를 나타낸 도면이다.9 is a view showing a state in which a lightweight metal material is molded according to a method for evaluating forging characteristics of a lightweight metal according to the present invention by finite element analysis.
앞서 도 7에서 설명한 바와 같이 성형된 소재의 양 끝단에 크랙의 원인이 되는 인장 주응력이 쌓이게 되므로 손상도값의 측정위치는 양 끝단의 중심부이다. As described above with reference to FIG. 7, since the tensile main stress that causes cracks is accumulated at both ends of the molded material, the measurement position of the damage value is the center of both ends.
단조품의 인장특성 및 피로특성을 주로 평가하게 되는 영역의 최대 유효변형률을 알기 위하여 유효변형률은 도 9에 나타낸 바와 같이 성형된 소재의 정중심부에서 측정하였다.The effective strain was measured at the center of the molded material as shown in FIG. 9 in order to know the maximum effective strain of the region where the tensile and fatigue characteristics of the forged product are mainly evaluated.
도 10은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 의해 경량 금속 소재가 성형된 횟수에 따른 유효변형률과 손상도값을 나타낸 그래프이다.10 is a graph showing the effective strain rate and the damage value according to the number of times the lightweight metal material is formed by the method for evaluating the forging characteristics of the lightweight metal according to the present invention.
도 10에 도시된 바와 같이, 성형 횟수가 증가할수록 유효변형률이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 8차의 성형에 의해 소재 심부에 300%가 넘는 유효변형률이 발생함을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 10, it can be seen that as the number of molding increases, the effective strain rate increases linearly. In addition, it can be confirmed that an effective strain rate of more than 300% occurs at the core of the material by the eighth molding.
도 10에 도시된 바와 같이, 성형 횟수가 증가할수록 크랙발생 가능성을 나타내주는 손상도값 또한 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 단조특성 평가 방법이 단조한계를 평가할 수 있는 기준이 될 수 있음을 나타내 주는 것이다.As shown in FIG. 10, it can be seen that as the number of molding increases, the damage value indicating the possibility of cracking also increases. These results indicate that the forging characteristic evaluation method according to the present invention can be a criterion for evaluating the forging limit.
도 11은 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 의해 경량 금속 소재가 성형되는 각 성형 횟수별 유효변형률을 나타낸 것으로서, 경량 금속 소재의 길이 방향 중심으로부터의 거리에 따른 유효변형률 분포를 나타낸 그래프이다.11 is a graph showing the effective strain rate for each number of moldings in which the light weight metal material is molded by the method for evaluating the forging characteristics of the light weight metal according to the present invention, and is a graph showing the effective strain distribution according to the distance from the longitudinal center of the light weight metal material to be.
도 11에 도시된 바와 같이, 경량 금속(알루미늄 합금)의 길이 방향 중심부 유효 변형률은 성형 횟수가 증가할수록 증가하지만, 길이 방향 중심부로부터의 거리가 변하여도 중심부 유효 변형률은 인장시편 및 피로시편의 표점거리 내 영역에서는 거의 일정한 값을 나타냄을 알 수 있다. 인장시험 및 피로시험의 신뢰성을 높이기 위해, 성형 횟수와 무관하게 경량 금속이 표점거리 내 영역에서 길이 방향으로 균일한 특성을 갖도록 하기 위해 평면변형률(Plane strain) 거동을 유도하는 것이 본 발명의 핵심이다. As shown in FIG. 11, the effective strain in the longitudinal center of the lightweight metal (aluminum alloy) increases as the number of molding increases, but the effective strain in the center of the tensile specimen and the fatigue specimen is changed even if the distance from the longitudinal center changes. You can see that it shows almost constant value in my area. In order to increase the reliability of the tensile test and the fatigue test, it is the core of the present invention to induce a plane strain behavior in order to have a uniform characteristic in the longitudinal direction in the region within the target distance regardless of the number of moldings. .
도 12는 본 발명에 따른 경량 금속의 단조특성 평가방법에 의해 경량 금속 소재가 성형된 횟수에 따른 인장강도 변화를 나타낸 그래프이다.12 is a graph showing the change in tensile strength according to the number of times a lightweight metal material is formed by the method for evaluating forging characteristics of a lightweight metal according to the present invention.
상온에서 성형된 서로 다른 알루미늄 합금 소재(A, B)를 가지고 인장시험을 수행한 바에 의하면, 도 10에 도시된 바와 같이 두 종류의 알루미늄 합금 소재(A, B) 모두 성형 횟수가 증가할수록 인장강도가 증가함을 알 수 있다.According to a tensile test performed with different aluminum alloy materials (A, B) molded at room temperature, as shown in FIG. 10, the tensile strength of both types of aluminum alloy materials (A, B) increases as the number of molding increases. It can be seen that increases.
이는 성형된 알루미늄 합금 소재의 심부에서 유효변형률 누적에 의한 가공경화가 발생함을 나타내주는 것으로, 발명의 목적을 만족하고 있음을 보여주는 결과이다.This indicates that processing hardening occurs due to the accumulation of effective strain at the core of the molded aluminum alloy material, and is a result showing that the object of the invention is satisfied.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope of the present invention without departing from the technical spirit of the present invention. It will be obvious to those with ordinary knowledge.
10 : 상형 12 : 상형 코어
20 : 하형 22 : 하형 코어
30 : 공동부 E : 경량 금속 소재10: upper mold 12: upper core
20: lower 22: lower core
30: cavity E: lightweight metal material
Claims (6)
상기 경량 금속 소재가 투입되어 성형되는 경우 상기 경량 금속 소재의 외면 상하측 및 좌우측에 상기 경량 금속 소재의 길이 방향을 따라 복수의 볼록한 돌출부가 형성되도록 상형 코어 및 하형 코어가 동일하게 형성된 금형을 준비하는 제2단계;
상기 금형에 투입된 경량 금속 소재를 유압 프레스로 가압하여 1차 성형하는 제3단계; 및
상기 1차 성형된 경량 금속 소재를 상기 금형 내에서 상기 경량 금속 소재의 외면 둘레 방향으로 일정 각도 회전시킨 다음 유압 프레스로 가압하여 2차성형하는 제4단계;를 포함하고,
상기 경량 금속의 길이 방향 끝단에 크랙이 발생할 때까지 상기 제3단계 및 제4단계를 반복 실시하여 단조한계 평가를 실시하며,
상기 상형 코어와 하형 코어가 접촉하여 형성하는 공동부는, 경량 금속 소재가 수용되는 중앙 수용부, 상기 경량 금속 소재가 가압되어 상하측으로 돌출되는 돌출부가 수용되는 세로 돌출부 수용부 및 상기 경량 금속 소재가 가압되어 양측으로 돌출되는 돌출부가 수용되는 가로 돌출부 수용부로 이루어지며,
상기 중앙 수용부의 상하측 폭은 상기 중앙 수용부의 좌우측 폭보다 크게 형성됨으로써 소재의 심부에 전단변형이 가해지게 하며,
성형이 완료된 경량 금속 소재로부터 규격 인장시편 및 피로시편을 직접 추출하여 단조품의 인장특성 및 피로특성을 평가할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 경량 금속의 단조특성 평가방법.
A first step of preparing a rod-type lightweight metal material;
When the light-weight metal material is introduced and molded, a mold having the same upper and lower cores is prepared to form a plurality of convex protrusions along the longitudinal direction of the lightweight metal material on the upper, lower, and left and right sides of the lightweight metal material. Second stage;
A third step of primary molding by pressurizing the lightweight metal material put into the mold with a hydraulic press; And
Including the fourth step of rotating the primary molded lightweight metal material at an angle around the outer surface of the lightweight metal material in the mold and then pressurizing it with a hydraulic press.
The third and fourth steps are repeatedly performed until cracks are generated at the longitudinal ends of the lightweight metal to evaluate forging limits,
The cavity formed by the upper core and the lower core contacting each other, the central accommodation portion in which the lightweight metal material is accommodated, the vertical protrusion accommodation portion in which the protrusion in which the lightweight metal material is pressed and protruding upward and downward is accommodated, and the lightweight metal material is pressed. It is made of a horizontal projection receiving portion that is projected to protrude on both sides,
The upper and lower widths of the central accommodating portion are formed larger than the left and right widths of the central accommodating portion, so that shear deformation is applied to the core of the material,
A method for evaluating the forging characteristics of a lightweight metal, characterized in that a standard tensile specimen and a fatigue specimen can be directly extracted from the molded lightweight metal material to evaluate the tensile and fatigue characteristics of the forged product.
상기 금형에는 온-열간 성형 시의 경량 금속 소재 단조특성 평가를 위해 경량 금속 소재를 예열 및 보온하기 위한 히터가 내설된 것을 특징으로 하는 경량 금속의 단조특성 평가방법.
The method according to claim 1,
A method for evaluating the forging characteristics of a lightweight metal, characterized in that the mold is provided with a heater for preheating and warming the lightweight metal material for evaluating the forging characteristics of the lightweight metal material during hot and hot forming.
상기 상형 코어 내주면에서 중앙부분에는 길이 방향을 따라 제1홈이 형성되고, 상기 하형의 코어 내주면에는 상기 제1홈과 대응되는 제2홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 경량 금속의 단조특성 평가방법.
The method according to claim 1,
A method for evaluating forging characteristics of a lightweight metal, characterized in that a first groove is formed along a longitudinal direction in the central portion of the inner circumferential surface of the upper core, and a second groove corresponding to the first groove is formed on the inner circumferential surface of the lower core.
상기 상형 코어와 하형 코어에 투입된 경량 금속 소재를 유압 프레스로 가압하는 경우 상기 경량 금속의 양측에 돌출부가 형성되도록,
상기 경량 금속 소재가 투입된 부분의 외측에 위치한 상기 상형 코어와 하형 코어의 상호 대향하는 면에서 상기 상형 코어의 제1대향면은 외측으로부터 경량 금속 소재 방향으로 갈수록 상방으로 경사지게 형성되고, 상기 하형 코어의 제2대향면은 외측으로부터 경량 금속 소재 방향으로 갈수록 하방으로 경사지게 형성되며,
상기 상형 코어와 하형 코어가 접촉 후 상기 제1대향면과 제2대향면은 제3홈과 제4홈을 각각 형성하고,
상기 제1홈 및 제2홈의 폭은 상기 제3홈 및 제4홈의 폭 보다 넓게 이루어지는 것을 특징으로 하는 경량 금속의 단조특성 평가방법.
The method according to claim 3,
When pressurizing the lightweight metal material injected into the upper and lower cores with a hydraulic press, protrusions are formed on both sides of the lightweight metal.
The first facing surface of the upper core is formed to be inclined upward toward the direction of the lightweight metal material from the outside in a mutually opposite surface of the upper core and the lower core located outside the portion where the lightweight metal material is injected. The second facing surface is formed to be inclined downward toward the light metal material from the outside,
After the upper and lower cores are in contact, the first and second opposing surfaces form third and fourth grooves, respectively.
A method of evaluating forging characteristics of a lightweight metal, characterized in that the widths of the first and second grooves are wider than those of the third and fourth grooves.
상기 세로 돌출부 수용부의 폭은 상기 가로 돌출부 수용부의 폭 보다 넓게 형성되고,
상기 세로 돌출부 수용부 및 가로 돌출부 수용부의 상하방 경사각도는 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 경량 금속의 단조특성 평가방법.The method according to claim 1,
The width of the vertical projection receiving portion is formed wider than the width of the horizontal projection receiving portion,
A method for evaluating forging characteristics of a lightweight metal, wherein the vertical inclination angles of the vertical protrusion receiving portion and the horizontal protrusion receiving portion are formed identically.
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