KR20130077923A - 예압분포 산출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 억지끼움 등 잔유응력(예압)이 분포된 상태의 대상물의 표면의 예압을 산출하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 검사의 대상이 되는 물체의 예압이 작용하지 않는 표면에 압자로서 기준압흔을 생성하는 기준압흔 생성단계와, 검사의 대상이 되는 물체의 예압이 작용하는 표면에 상기 압자로서 상기 기준압력을 형성할 때와 동일한 압력으로 검사압흔을 생성하는 검사압흔 생성단계와 상기 기준압흔과 검사압흔을 측정하는 측정단계 및 측정된 상기 기준압흔 대비 검사압흔의 크기와 형태를 비교하여 상기 검사압흔이 형성된 지점의 예압에 대한 응력의 크기와 방향을 산출하는 응력산출단계를 포함하여 이루어지는 예압분포 산출방법이 제공된다.

Description

예압분포 산출방법{Calculation Method for Distribution of Residual Force}

본 발명은 예압분포 산출방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 억지끼움 등 잔유응력(예압)이 분포된 상태의 대상물의 표면의 예압을 산출하는 방법에 관한 것이다.

소재의 소성변형이나 열응력으로 발생하는 잔류응력은 재료의 피로강도, 파괴 물성 등의 기계적 성질을 떨어뜨리고 후가공을 곤란하게 하는 등 여러 문제점을 야기한다. 특히, 근자에 들어 사용이 급증한 박막소재의 경우, 이종 소재 접합부 계면에서 발생한 잔류응력이 기계적 물성을 좌우하는 중요한 요소로 보고되었으며 벌크 소재에 있어서도 용접 중에 발생한 잔류응력의 중요성은 이미 알려져 있다.

한편, 잔류응력은 상기와 같이 부정적인 영향을 끼치는 것 만은 아니고, 냉간 성형 금형등여세넌 내력 증진과 수명 향상을 위해 잔류응역(예압)을 형성하도록 설계하고 있다.

그러나, 실제금형에서는 가공오차와 결합 오차로 인해 설계시에 의도한 것과는 상이한 치수 및 형태의 구조물이 얻어지고, 이는 잔류응력(예압)분포의 상이함을 가져오게 되어 금형의 수명저하로 이어질 수 있어 제작된 금형의 예압분포의 확인 필요성이 커지고 있다.

공지된 잔류응력 측정방법은 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 하나는 기계적 응력 완화 방법(Mechanical stress relaxing)으로 구멍 뚫기 방법(Hole drilling)이나 절단(Saw cutting)이며, 다른 하나는 물리적 방법으로 X-ray diffraction, Barkhausen magnetic noise, 초음파법 그리고 중성자회절법 등을 들 수 있다.

기계적 응력 완화 방법은 구속인자를 제거해서 완화될 때의 변형정도로 잔류응력을 측정하는 것이다. 이러한 기계적방법은 비교 시편없이 잔류응력을 정량적으로 평가할 수 있다는 장점이 있는 반면 반드시 시편을 파괴해야 하는 문제점이 있다.

물리적 방법 중, X-ray diffraction은 원자간의 간격을 측정해서 이를 변형의 정도로 계산하는 것이며, Barkhausen magnetic noise는 잔류응력에 의해서 변화하는 자기장 노이즈의 하나인 바크하우젠 노이즈의 변화를 계산하는 것이다.

이러한 물리적 방법은 비파괴적이라는 장점과 동시에 재료의 미세조직의 영향이 크다는 단점으로 인해 용접부와 같은 미세조직의 급격한 변화(결과값이 잔류응력인지 미세조직의 변화인지를 판면하기 어려움)가 존재하는 영역에서의 적용은 불가능하다는 한계가 있다.

이처럼 기존에 공지된 잔류응력 측정방법 들은 일정 형태의 시편채취에 따른 응력완화를 보상할 수 없고 측정 중에서도 응력 제거를 목적으로 일부 소재를 손상없이 제거하는 등의 복잡한 과정이 필요한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 재료나 시편의 파괴없이 검사 대상물에 존재하는 예압의 분포를 확인할 수 있는 예압분포 산출방법을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 검사의 대상이 되는 물체의 예압이 작용하지 않는 표면에 압자로서 기준압흔을 생성하는 기준압흔 생성단계와, 검사의 대상이 되는 물체의 예압이 작용하는 표면에 상기 압자로서 상기 기준압력을 형성할 때와 동일한 압력으로 검사압흔을 생성하는 검사압흔 생성단계와 상기 기준압흔과 검사압흔을 측정하는 측정단계 및 측정된 상기 기준압흔 대비 검사압흔의 크기와 형태를 비교하여 상기 검사압흔이 형성된 지점의 예압에 대한 응력의 크기와 방향을 산출하는 응력산출단계를 포함하여 이루어지는 예압분포 산출방법이 제공된다.

상기 압자는 압흔이 형성되는 표면에 작용되는 예압의 주응력방향 및 상기 주응력방향과 교차하는 방향으로 길이방향을 갖는 압흔을 형성하도록 이루어질 수 있다.

한편, 검사의 대상이 되는 물체를 이루는 재질의 기준압흔 대비 검사압흔의 각 스트레인비에 따른 응력값 테이블이 구비되고, 상기 응력산출단계는, 상기 테이블과 측정된 기준압흔대비 검사압흔의 스트레인비를 비교하여 응력의 크기와 방향을 산출하는 단계일 수 있다.

상기 응력산출단계는, 상기 기준압흔의 어느 한 방향과, 검사압흔의 상기 어느 한 방향과 동일한 방향의 스트레인값의 비율에 따른 응력값을 상기 테이블과 비교하여 응력의 크기와 방향을 산출하는 단계일 수 있다.

그리고, 상기 어느 한 방향은 주응력 방향일 수 있다.

또한, 상기 응력산출단계는, 상기 기준압흔과 검사압흔을 비교하여, 상기 검사표면에서 가장 큰 스트레인이 일어나는 방향의 스트레인값의 비율에 따른 응력값과, 상기 가장 큰 스트레인이 일어나는 방향과 직교하는 방향의 스트레인값의 비율에 따른 응력값을 상기 테이블과 비교하여 응력의 크기와 방향을 산출하는 단계일 수도 있다.

그리고, 상기 검사압흔 생성단계는 복수회 수행되며, 상기 측정단계는 상기 기준압흔과 복수개의 검사압흔을 측정하고, 상기 응력산출단계에서는, 상기 기준압흔과 각 검사압흔을 비교할 수 있다.

그리고, 상기 응력산출단계에서 산출된 검사압흔이 형성된 지점의 응력과, 검사의 대상이 되는 물체를 이루는 재질의 최대허용응력 및 최대전단허용응력을 비교하여 검사압흔이 형성된 지점의 파괴여부를 판단하는 파괴여부 판단단계가 더 수행될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 형태에 따르면, 검사의 대상이 되는 물체의 예압이 작용하지 않는 표면에, 상기 물체의 표면 중심에서 외측둘레를 향하는 제1길이방향과, 상기 표면 중심을 중심점인 원주방향을 향하는 제2길이방향을 갖는 압흔을 형성하는 압자로서 기준압흔을 생성하는 기준압흔 생성단계, 검사의 대상이 되는 물체의 예압이 작용하는 표면에 상기 압자로서 제1길이방향을 따라 복수회 검사압흔을 생성하는 검사압흔 생성단계, 상기 기준압흔과 각 검사압흔을 측정하는 측정단계 및 측정된 기준압흔과 각 검사압흔의 제1길이방향과 제2길이방향의 스트레인비를 비교하여 상기 검사압흔이 형성된 지점의 예압에 대한 응력의 크기와 방향을 산출하는 응력산출단계를 포함하여 이루어지는 예압분포 산출방법이 제공된다.

본 발명의 예압분포 산출방법에 따르면, 검사 대상물의 재질에 따라 대상물의 예압분포를 비파괴방식으로 간편하게 측정할 수 있어 제품의 신뢰성 및 보다 정확한 수명예측을 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 형태에 따른 예압분포 산출방법의 순서도;
도 2는 도 1의 예압분포 산출방법으로 예압분포가 산출되는 냉간성형금형의 일 예를 도시한 분해사시도;
도 3은 도 2의 평면도;
도 4는 도 3의 중심점으로부터 반지름 방향으로의 예압분포도;
도 5는 일반적인 금속재료의 예압에 따른 거동을 나타낸 응력변형선도;
도 6은 기준압흔 대비 검사압흔의 비율에 대한 예압을 도시한 도표
도 7은 기준압흔을 확대하여 도시한 도면;
도 8은 압흔을 형성하기 위한 압흔을 도시한 도면;
도 9는 P1지점에서의 검사압흔을 기준압흔과 같이 도시한 도면;
도 10은 P2-?지점에서의 검사압흔을 기준압흔과 같이 도시한 도면;
도 11은 P2+?지점에서의 검사압흔을 기준압흔과 같이 도시한 도면;
도 12는 P3지점에서의 검사압흔을 기준압흔과 같이 도시한 도면;
도 13은 P1, P2-?, P2+?, P3 지점에서의 모어서클과 재료의 최대허용응력 및 최대허용전단응력에 의한 모어서클을 도시한 그래프 이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 예압분포 산출방법은 도 1에 도시된 바와 같이 기준압흔 생성단계(S110)와, 검사압흔 생성단계(S120), 측정단계(S130), 응력산출단계(S140) 및 파괴여부 판단단계(S150)로 이루어질 수 있다.

한편, 본 실시예의 예압분포 산출방법을 적용하는 검사대상물은 도 2에 도시된 바와 같이, 원통형태의 몸체(20)와, 몸체(20)의 일측면의 중심에 형성된 원형의 중공(22)에 끼워지는 원형판(30)이 구비되는 냉간성형금형(10)을 예로 들어 설명하기로 한다. 물론, 상기 냉간성형금형(10)외에도 예압이 형성되는 물체라면 다른 것도 가능하다.

상기 냉간성형금형(10)은 내력증진과 수명향상을 위해 상기 원형판(30)이 중공(22)에 억지끼움되어 예압이 작용되도록 구비된다. 따라서, 상기 냉간성형금형(10)은 상기 원형판(30)이 억지끼움되는 면에 예압이 분포되며, 반대면이나 상기 원형판(30)으로부터 거리가 먼 부분에는 예압분포가 상대적으로 무시할 수 있는 정도로 미미하거나 존재하지 않는 상태가 될 수 있다.

도 3은 상기 냉간성형금형(10)의 원형판(30)이 구비된 면을 정면으로 바라본 정면도 이다.

설명의 편의를 위해, 원형판(30)의 중심점을 P1이라 칭하고, 원형판(30)의 외주면과 몸체(20)의 중공(22) 내주면의 경계면을 P2, 원형의 몸체(20) 외주면을 P3라 칭하기로 한다. 또한, 상기 P2 지점에서 원형판(30) 측으로 미소하게 이동한 원형판의 외주면을 P2-△라 칭하며, 상기 P2지점에서 몸체(20)측으로 미소하게 이동한 몸체 중공(22) 내주면을 P2+△라 칭하기로 한다.

또한, 상기 원형판(30)의 중심점으로부터 반지름방향을 R방향이라 칭하고, 상기 원형판(30) 중심점을 중심으로 하는 원주 둘레방향을 θ방향이라 칭하기로 한다.

도 4는 도 3에 도시된 냉간성형금형(10)의 원형판(30)이 구비된 면의 중심점으로부터 반지름방향으로 진행함에 따른 내부응력변화를 도시한 도면이다.

이 때, 상기 냉간성형금형(10)의 원형판(30) 및 원형판(30)이 구비된 면의 미소단위체적에 반지름 방향으로 작용되는 반지름방향 응력을 σ_R 이라 표현하고, 원주방향으로 작용되는 원주방향 응력을 σ_θ칭하기로 한다. 또한, 상기 σ_R과 σ_θ인해 발생되는 최대전단력을 τmax라 칭하기로 한다.

여러 실험에 걸쳐 파악한 결과, 상기와 같이 중심점에 원형판(30)이 이상적으로 억지끼움된 경우 내부응력변화는 도 4에 도시된 바와 같다.

즉, 반지름방향 응력(σ_R)은 원형판 중심(P1)에서 원형판과 몸체 중공 내주면의 경계면(P2)으로 갈수록 음의 방향으로 증가하며 상기 원형판의 원주면(P2-△)에서 음의 방향으로 최대가 된 후 몸체 중공 내주면(P2+△)에서 몸체 외주면(P3)로 갈 수록 0을 향해 수렴하는 경향을 보인다.

또한, 원주둘레방향 응력(σ_θ)은 원형판 중심(P1)에서 음의 값으로 최대가 되며 원형판과 몸체 중공 내주면의 경계면(P2)으로 갈수록 줄어들다가 원형판의 외주면(P2-△)에서 음의 값으로 최소가 되며, 몸체 중공 내주면(P2+△)에서 양의 값으로 최대가 되며, 몸체 외주면(P3)으로 갈수록 0을 향해 줄어드는 경항을 보인다.

이에 따라, 상기 σR과 σ_θ로 인해 발생되는 최대전단력 τmax는 원형판 중심(P1)에서 최대가 되며, 원형판의 외주면(P2-△)으로 갈수록 줄어들다가 몸체 중공 내주면(P2+△)에서 다시 상승하여 최대가 되고 몸체 외주면(P3)으로 갈수록 0을 향해 줄어드는 경향을 보인다.

즉, 상기 원형판(30)의 경우 중심점(P1)으로부터 외주면(P2-△)으로 갈수록 반지름 방향으로 압축되는 응력(σ_R)이 커지고, 압축되는 방향으로 작용하는 원주둘레방향 응력(σ_θ)이 감소하는 형태를 보이며, 상기 몸체(20)의 경우 중공 내주면(P2+△)으로부터 몸체 외주면(P3)으로 갈수록 반지름 방향으로 압축되는 응력(σ_R)은 감소하고, 원주둘레방향으로 늘어나려는 응력(σ_θ)이 감소하는 형태를 보이는 것이다.

한편, 도 5는 일반적인 금속재료의 스트레스(σ)-스트레인(ε)곡선을 도시한 도면이다.

일반적인 금속재료에서 재료에 응력(stress: σ_f)을 가하면 항복점(σ_y)까지는 선형적이며 탄성적으로 변형되다가 상기 항복점(σ_y)보다 더 변형되면 영구적인 소성변형이 일어난다. 이 때, 응력(σ_f)이 제거되면 응력(σ_f)이 제거된 지점으로부터 탄성변형율 기울기(E)로 탄성복원(spring back)하여, 결국 ε₁만큼의 소성변형을 남긴다.

한편, 금속재료에 초기부터 예압(잔류응력: residual force: σ_r)이 가해진 경우에는 그래프의 하단 끝 지점이 응력(σ)축의 σ_r 지점부터 시작하게 된다. 따라서, 상기 잔류응력(σ_r)이 가해진 상태에서 응력(σ_f)을 부가한다면 응력(σ)축의 σ_r+σ_f 지점까지 상승하게 되며 응력 제거 후엔 탄성변형률 기울기로 탄성복원하여 결국 ε₂만큼의 소성변형이 이루어진다.

또 한편, 금속재료에 가해진 예압이 음의 방향으로 가해진 경우에는 그래프의 하단 끝 지점이 응력(σ)축의 -σ_r 지점부터 시작하게 된다. 따라서, 상기 잔류응력(-σ_r)이 가해진 상태에서 응력(σ_f)을 부가한다면 응력(σ)축의 (-σ_r)+σ_f 지점까지 상승하게 되며 응력 제거 후엔 탄성변형률 기울기로 탄성복원하여 결국 ε₃만큼의 소성변형이 이루어진다.

따라서, 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 초기예압(잔류응력)의 존재 여부 및 크기와 소성변형량(strain: ε)은 상관관계가 있으며, 이는 재질의 특성인 스트레스(σ)-스트레인(ε)곡선에 따라 달라질 수 있는 점을 알 수 있다.

따라서, 재료에 다양한 조건의 예압(잔류응력)과 응력(σ_f)을 가하면서 실험하면, 해당 재질의 스트레인량에 따른 예압(잔류응력)에 대한 테이블을 작성할 수 있다.

좀 더 자세하게 말하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 잔류응력 없이 해당응력만 가해졌을 때의 스트레인량과 잔류응력이 더해졌을 때의 스트레인량의 비에 따른 예압(잔류응력)의 테이블을 만들 수 있는 것이다.

다시 도 1 돌아가서, 본 실시예의 예압분포 산출방법의 기준압흔 생성단계(S110)는, 검사의 대상이 되는 물체의 예압이 작용하지 않는 표면에 압자(100)로서 압흔을 생성하는 단계이며, 이 때 형성되는 압흔을 기준압흔이라 한다.

즉, 압자(100)로서 검사의 대상이 되는 물체의 표면에 항복응력 이상의 힘(예를 들어 σ_f )으로 누른다면, 검사의 대상이 되는 물체의 표면에 소성변형이 일어나 흔적이 남게 되는데, 이를 압흔이라 한다.

상기 압자(100)가 물체의 표면을 물체를 이루는 재질의 항복응력의 크기이상으로 누를 때, 물체의 표면은 압자의 크기 및 형태만큼 변형하게 되고, 상기 압자의 누름이 해제되었을 때 일정부분 탄성복원한 후에 소성변형된 부분이 남아 압흔을 형성하게 된다.

여기서, 상기 기준압흔은, 검사의 대상이 되는 물체 표면 중 예압이 분포되지 아니하는 표면(예를 들어 상기 원형판(30)이 구비된 반대면 또는 상기 원형판으로부터 거리가 먼 부분)에 형성될 수 있다.

이 때, 상기 압자(100)에 의해 형성되는 압흔은 상기 검사의 대상이 되는 물체 표면 중 예압이 분포되는 표면(예를 들어, 상기 원형판이 구비되는 면)에 작용되는 예압의 주응력방향 및 상기 주응력방향과 교차하는 방향으로 길이방향을 갖는 압흔을 형성하도록 이루어질 수 있다.

본 실시예에서, 표면에 예압이 분포되는 부분이 원형태의 원형판(30) 및 몸체(20)의 원형판이 구비되는 면이므로, 주된 응력방향이 반지름 방향 및 원주방향임을 알 수 있다. 따라서, 상기 압흔은 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 반지름 방향으로 제1길이방향을 갖고 상기 반지름 방향과 교차되는 원주방향으로 제2길이방향을 갖는 사각 또는 마름모꼴형태로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 압흔의 크기를 매우 작게 형성한다면, 상기 원주방향의 제2길이방향을 직선으로 간주할 수 있으며, 상기 제2길이방향과 상기 제1길이방향이 직교하는 것으로 간주할 수 있다.

상기와 같은 압흔을 형성하기 위하여 상기 압자(100)의 끝단은 도 8에 도시된 바와 같이 피라미드 형태 또는 사각마름모꼴 단면을 이루는 형태로 이루어질 수 있다.

다시 도 7로 돌아가서, 상기 기준압흔(102)에서, 반지름방향(R)의 길이변형량을 ε_{R. reference}라 칭하며, 원주방향(θ)의 길이변형량을ε_{θ. reference}이라 칭하기로 한다.

한편, 상기 검사압흔 생성단계(S120)는, 검사의 대상이 되는 물체의 예압이 작용하는 표면에 상기 압자로서 압흔을 생성하는 단계이며, 이 때 형성된 압흔을 검사압흔이라 칭하기로 한다.

즉, 상기 검사의 대상이 되는 물체 표면 중 예압이 분포되는 표면(예를 들어, 상기 원형판(30)이 구비되는 면)에 상기 압자(100)로서 검사압흔을 생성할 수 있다.

상기 검사압흔 또한 상기 몸체의 반지름 방향으로 제1길이방향을 갖고 상기 반지름 방향과 교차되는 원주방향으로 제2길이방향을 갖는 사각 또는 마름모꼴형태로 이루어질 수 있다.

상기 검사압흔이 형성되는 표면에는 예압이 분포되어 있으므로, 예압이 분포된 크기 및 방향에 따라 상기 기준압흔(102)과 비교하여 반지름 방향 변형량 및 원주방향 변형량이 상이할 수 있다. 이 때, 상기 압자가 검사압흔을 형성할 때 누르는 압력은 기준압흔(102)을 형성할 때 누르는 압력과 동일할 수 있다.

즉, 예압이 분포된 크기 및 방향에 따라 예압이 분포되지 않았을 때보다 더 변형되거나 덜 변형될 수 있는 것이다.

이하, 검사압흔의 반지름방향 변형량을 ε_R 이라 칭하기로 하며, 원주방향 변형량을 ε_θ 라 칭하기로 한다.

상기 검사압흔은 상기 원형판 및 원형판이 구비되는 면의 중심부터 반지름 방향을 따라 복수개소에 복수개 형성될 수 있다. 이는, 검사의 대상이 되는 물체의 표면이 원형이며, 예압분포의 원인이 되는 원형판 및 원형판에 의해 예압의 영향을 받는 상기 몸체의 원형면이 동일한 중심을 가지므로 원주방향으로는 동일한 응력분포를 나타낼 것이기 때문이다.

물론, 검사 대상물의 형태가 이와 달라지게 되면 그에 따라 적절한 위치의 복수개소에 검사압흔을 형성할 수 있다.

본 실시예에서는 상기 검사압흔을 상기 원형판 중심(P1)지점과 원형판의 외주면(P2-△)지점 및 몸체 중공 내주면(P2+△)과 몸체 외주면(P3)에 형성하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

상기 측정단계(S130)는, 상기 기준압흔 생성단계(S110)에서 형성된 기준압흔과 상기 검사압흔 생성단계(S120)에서 형성된 각 검사압흔을 측정하는 단계이다. 상기 측정단계(S130)에서는 레이저 측정장비 등의 정밀 측정장치를 이용하여 상기 기준압흔과 각 검사압흔의 제1길이방향 변형량(ε_{R. reference}, ε_R)과 제2길이방향 변형량(ε_θ.reference, ε_θ)를 각각 측정한다.

상기 응력산출단계는, 상기 측정단계에서 측정한 기준압흔과 각 검사압흔의 제1길이방향 변형량(ε_{R. reference}, ε_R)과 제2길이방향 변형량(ε_{θ. reference}, ε_θ)을 비교하여 각 검사압흔이 형성된 각 지점의 예압(잔류응력)의 크기와 방향을 산출하는 단계이다.

도 7는 표면에 예압(잔류응력)이 없을 때의 압흔인 기준압흔(102)을 도시한 도면이다.

도 9는 표면에 예압(잔류응력)이 있을 때, 원형판 중심(P1)에서의 검사압흔(104P1)과 상기 기준압흔(102)을 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 원형판 중심(P1)에서 반지름방향 응력인 σ_R은 0에 가까으므로, 검사압흔의 제1길이방향 변형량(ε_R)은 기준압흔(102)과 거의 동일하게 형성될 수 있다. 한편, 원주방향 응력인 σ_θ은 음의 방향으로 최대가 되며, 도 5의 그래프에서 예압이 음의 방향일 때 스트레인량(ε₃)는 예압이 없을 때의 스트레인량(ε₁)에 비해서 크기가 작음을 알 수 있다. 따라서, 원형판 중심(P1)에서의 검사압흔의 제2길이방향 변형량(ε_θ)는 기준압흔(102)의 제2길이방향 변형량(ε_{θ. reference})보다 작게 형성된다.

도 10은 표면에 예압(잔류응력)이 있을 때, 원형판의 외주면(P2-△)에서의 검사압흔(104P2-△)과 상기 기준압흔(102)을 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 원형판의 외주면(P2-△)에서의 반지름방향 응력인 σ_R은 음의 방향으로 최대가 되므로, 검사압흔의 제1길이방향 변형량(ε_R)은 기준압흔(102)의 제1길이방향 변형량(ε_{R. reference})보다 작게 형성되며, 원주방향 응력인 σ_θ은 원형판 중심(P1)보다는 작아지나 여전히 음의 방향을 가지고 있으므로 검사압흔(104P2-△)의 제2길이방향 변형량(ε_θ)은 기준압흔(102)의 제2길이방향 변형량(ε_{θ. reference})보다 작게 형성된다.

도 11은 표면에 예압(잔류응력)이 있을 때, 몸체 중공 내주면(P2+△)에서의 검사압흔(104P2+△)과 상기 기준압흔(102)을 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 몸체 중공 내주면(P2+△)에서의 반지름방향 응력인 σ_R은 원형판의 외주면(P2-△)과 유사하므로 검사압흔의 제1길이방향 변형량(ε_R)은 기준압흔(102)의 제1길이방향 변형량(ε_{R. reference})보다 작게 형성된다. 한편, 원주방향 응력인 σ_θ는 양의 방향으로 최대가 되며, 도 5의 그래프에서 예압이 양의 방향일 때 스트레인량(ε₃)는 예압이 없을 때의 스트레인량(ε₁)에 비해서 크기가 커짐을 알 수 있다. 따라서, 몸체 중공 내주면(P2+△)에서의 검사압흔(104P2+△)의 제2길이방향 변형량(ε_θ)는 기준압흔(102)의 제2길이방향 변형량(ε_{θ. reference})보다 크게 형성된다.

도 12는 표면에 예압(잔류응력)이 있을 때, 몸체 외주면(P3)에서의 검사압흔(104P3)과 상기 기준압흔을 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 몸체 외주면(P3)에서의 반지름방향 응력인 σ_R은 0의 인근에 수렴하므로 검사압흔(104P3)의 제1길이방향 변형량(ε_R)은 기준압흔(102)의 제1길이방향 변형량(ε_{R. reference})과 거의 유사하게 형성되며, 원주방향 응력인 σ_θ또한 0의 인근에 수렴하나 양의 방향이고 소정값을 가지고 있으므로 (104P3)의 제2길이방향 변형량(ε_θ)은 기준압흔(102)의 제2길이방향 변형량(ε_{θ. reference})보다 다소 크게 형성된다

한편, 상기와 같이 기준압흔과 각 검사압흔의 제1길이방향과 제2길이방향의 변형량을 비교한 후에, 기준압흔 대비 검사압흔의 같은 방향의 스트레인비율을 계산하여 전술한 도 6에 도시된 해당 스트레인 비율에 따른 예압(잔류응력)을 산출할 수 있는 것이다.

즉, 예압이 분포되지 않았다면, 기준압흔의 제1길이방향 변형량(ε_R.reference)과 검사압흔의 제1길이방향 변형량(ε_R) 및 기준압흔의 제2길이방향 변형량(ε_{θ. reference})과 검사압흔의 제2길이방향 변형량(ε_θ)이 동일할 것이므로 스트레인 비율은 1이며 그 때의 예압은 0이 될 것이다.

그런데, 해당지점의 제1길이방향의 예압이 음의 방향으로 분포되었다면 기준압흔의 제1길이방향 변형량(ε_{R. reference}) 보다 검사압흔의 제1길이방향 변형량(ε_R)이 작을 것이며, 그 때의 해당 스트레인비율은 1보다 작고 예압 또한 음의 값을 가질 것이며, 그 비율에 따른 잔유응력을 테이블을 통해 찾아낼 수 있다. 물론, 해당지점 제2길이방향의 예압이 음의 방향으로 분포되어도 마찬가지일 것이다.

마찬가지로, 예압이 양의 방향으로 분포되었다면 기준압흔의 제1길이방향 변형량(ε_{R. reference}) 보다 검사압흔의 제1길이방향 변형량(ε_R)이 클 것이며, 그 때의 해당 스트레인비율은 1보다 크고 예압 또한 양의 값을 가질 것이며, 그 비율에 따른 잔유응력을 테이블을 통해 찾아낼 수 있다. 물론, 해당지점 제2길이방향의 예압이 양의 방향으로 분포되어도 마찬가지일 것이다.

상기 파괴여부 판단단계는 상기 응력산출단계에서 산출된 검사압흔이 형성된 지점의 응력과, 검사의 대상이 되는 물체를 이루는 재질의 최대허용응력 및 최대전단허용응력을 비교하여 검사압흔이 형성된 지점의 파괴여부를 판단하는 단계이다.

도 13은 원형판 중심(P1), 원형판의 외주면(P2-△), 몸체 중공 내주면(P2+△) 및 몸체 외주면(P3)의 각 지점에서의 산출된 예압으로 형성된 모어서클(C_P1, C_P2-△, C_{P2 +△}, C_P3) 및 재질의 최대허용응력과 최대허용전단력에 의해 형성되는 모어서클(C_max)을 도시한 도면이다.

각 지점에서의 모어서클(C_P1, C_P2-△, C_P2+△, C_P3)이 재질의 최대허용응력과 최대허용전단력에 의해 형성되는 모어서클(C_max) 내에 위치되면 파괴되지 않았다고 판단할 수 있다. 물론, 상기 냉간성형금형에 가해지는 최대압력을 고려하여 파괴여부를 고려할 수 있다. 즉, 산출된 예압에 냉간성형금형에 가해지는 최대압력을 더하여 모어서클을 작성한 후 이를 재질의 최대허용응력과 최대허용전단력에 의해 형성되는 모어서클(C_max)과 비교할 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

σ_R : 반지름방향 응력
σ_θ : 원주방향 응력
σ_r : 잔류응력(예압)
ε_{R. reference} : 기준압흔의 반지름방향 변형량
ε_R : 검사압흔의 반지름방향 변형량
ε_{θ. reference} : 기준압흔의 원주방향 변형량
ε_θ : 검사압흔의 원주방향 변형량
C_P1 : P1 지점에서의 모어서클
C_{P2 -△}: P2-△ 지점에서의 모어서클
C_{P2 +△}: P2+△ 지점에서의 모어서클
C_P3 : P3 지점에서의 모어서클
C_max : 재질의 최대허용응력과 최대전단응력에 의해 형성되는 모어서클

Claims (9)

1. 검사의 대상이 되는 물체의 예압이 작용하지 않는 표면에 압자로서 기준압흔을 생성하는 기준압흔 생성단계;
   검사의 대상이 되는 물체의 예압이 작용하는 표면에 상기 압자로서 검사압흔을 생성하는 검사압흔 생성단계;
   상기 기준압흔과 검사압흔을 측정하는 측정단계;
   측정된 상기 기준압흔 대비 검사압흔의 크기와 형태를 비교하여 상기 검사압흔이 형성된 지점의 예압에 대한 응력의 크기와 방향을 산출하는 응력산출단계;
   를 포함하여 이루어지는 예압분포 산출방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 압자는 압흔이 형성되는 표면에 작용되는 예압의 주응력방향 및 상기 주응력방향과 교차하는 방향으로 길이방향을 갖는 압흔을 형성하도록 이루어지는 예압분포 산출방법.
3. 제1항에 있어서,
   검사의 대상이 되는 물체를 이루는 재질의 기준압흔대비검사압흔의 각 스트레인비에 따른 응력값 테이블이 구비되고,
   상기 응력산출단계는, 상기 테이블과 측정된 기준압흔대비 검사압흔의 스트레인비를 비교하여 응력의 크기와 방향을 산출하는 단계인 예압분포 산출방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 응력산출단계는,
   상기 기준압흔의 어느 한 방향과, 검사압흔의 상기 어느 한 방향과 동일한 방향의 스트레인값의 비율에 따른 응력값을 상기 테이블과 비교하여 응력의 크기와 방향을 산출하는 단계인 예압분포 산출방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 어느 한 방향은 주응력 방향인 예압분포 산출방법.
6. 제3항에 있어서,
   상기 응력산출단계는,
   상기 기준압흔과 검사압흔을 비교하여, 상기 검사표면에서 가장 큰 스트레인이 일어나는 방향의 스트레인값의 비율에 따른 응력값과,
   상기 가장 큰 스트레인이 일어나는 방향과 직교하는 방향의 스트레인값의 비율에 따른 응력값을 상기 테이블과 비교하여 응력의 크기와 방향을 산출하는 단계인 예압분포 산출방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 검사압흔 생성단계는 복수회 수행되며,
   상기 측정단계는 복수개의 검사압흔과 기준압흔을 측정하고,
   상기 응력산출단계에서는, 각 검사압흔과 기준압흔을 비교하는 예압분포 산출방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 응력산출단계에서 산출된 검사압흔이 형성된 지점의 응력과, 검사의 대상이 되는 물체를 이루는 재질의 최대허용응력 및 최대전단허용응력을 비교하여 검사압흔이 형성된 지점의 파괴여부를 판단하는 파괴여부 판단단계를 더 포함하여 이루어지는 예압분포 산출방법.
9. 검사의 대상이 되는 물체의 예압이 작용하지 않는 표면에, 상기 물체의 표면 중심에서 외측둘레를 향하는 제1길이방향과, 상기 표면 중심을 중심점인 원주방향을 향하는 제2길이방향을 갖는 압흔을 형성하는 압자로서 기준압흔을 생성하는 기준압흔 생성단계;
   검사의 대상이 되는 물체의 예압이 작용하는 표면에 상기 압자로서 제1길이방향을 따라 복수회 검사압흔을 생성하는 검사압흔 생성단계;
   상기 기준압흔과 각 검사압흔을 측정하는 측정단계;
   측정된 기준압흔과 각 검사압흔의 제1길이방향과 제2길이방향의 스트레인비를 비교하여 상기 검사압흔이 형성된 지점의 예압에 대한 응력의 크기와 방향을 산출하는 응력산출단계;
   를 포함하여 이루어지는 예압분포 산출방법.

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