플랫 웨지 롤링의 유한요소 시뮬레이션과 미세조직에 관한 연구

Abstract

플랫 웨지 롤링(FWR)은 환봉소재를 축 방향으로 늘리며 성형하는 것이 목적으로 크로스 웨지 롤링(CWR) 방법의 하나이다. 이 공정의 원리는 웨지(wedge)를 포함하는 평행인 두 금형 사이에 가열된 환봉소재를 삽입한 후, 금형을 같은 속도로 교차시킨다. 소재는 회전하며 웨지(wedge)에 의해 점진적 성형되어 샤프트와 같은 축대칭 제품을 얻을 수 있다. 하지만, 플랫 웨지 롤링(FWR)은 웨지(wedge)를 형성하는 금형 설계의 어려움 때문에 다양한 분야에 적용되는데 제한되고 있다. 또한, 열간 소성 변형으로 소재 내부의 미세조직 재결정에 따른 특성 변화를 동반하고 있다. 본 연구에서는 플랫 웨지 롤링(FWR)의 금형 설계 및 공정 특성을 이해하고자, 환봉형태의 SM45C를 사용하여 단면적 감소율(ΔΑ) 56%인 샤프트 형태로 금형을 설계하였다. 강소성 유한요소 시뮬레이션을 이용하여 결과를 예측하였고, 최적 금형 조건을 결정하였다. 그리고 실제 장치를 제작하여, 소재를 가공 후 미세조직 특성을 평가하였다. 시뮬레이션을 통해 단면적 감소율(ΔΑ)이 56%일 때 최적 금형 조건은 성형각 35°, 진행각 5°으로 결정되었다. 성형각은 클수록 진행각은 작을수록 안정적이다. 소재는 웨지(wedge)에 의해 변형되며 길이 방향으로 늘어났고, 웨지와 접촉하는 부분에서 큰 변형이 발생하였다. 공정 중 응력은 금형과 접촉하는 부분에서 관찰되었으며, 특히, 웨지(wedge)와 접촉하는 부분에서 큰 응력이 관찰되었다. 실제 장치를 이용해 가공한 시편에서는 응력이 집중된 부분에서 열간가공 중 동적 재결정이 관찰되었다. 동적 재결정된 미세조직은 동적 연화에 의해 경도가 저하되었으며, 인장강도 또한 저하되었다. 하지만, 연신율은 약 70% 증가하는 효과를 관찰하였다. 본 연구를 통해 유한요소 시뮬레이션을 이용하여 플랫 웨지 롤링(FWR)의 금형 설계 및 결과 예측이 가능 하였다. 또한, 열간 소성 변형 중 소재 내부의 유동 예측이 가능하였고, 미세조직의 재결정과 특성 변화를 확인하였다.; Flat Wedge Rolling is one of Cross Wedge Rolling method whose purpose is to form cylindrical billet while extending it axially. The principle of this process is to insert heated cylindrical billet between paralleled two dies that is forming wedge, and then cross dies at the same speed. Billet revolves and is formed incrementally by wedge and becomes axially symmetric product such as shaft. However, Flat Wedge Rolling has limitation of application due to the difficulty of die design forming wedge, characteristic change caused by microstructure recrystallization of billet inside is accompanied due to thermal plastic deformation. In this study, I designed die in the shape of shaft whose cross-section reduction(ΔΑ) is 56% using SM45C in the shape of cylindrical shape, in order to understand the characteristics of die design and process of Flat Wedge Rolling. predicted the results using rigid-plastic FEM simulation, and determined optimal die conditions. In addition, I evaluated the characteristics of microstructure after processing billet by manufacturing actual machine. Optimal die conditions when cross-section reduction through simulation is 56% were decided to be 35°of Forming Angle and 5°of Stretching Angle. It was stable when Forming Angle is bigger and Stretching Angle is smaller. Billet is deformed by wedge and expanded in length direction and big strain occurred on the part contacting with wedge. Stress during process was observed on the part contacting with die, especially on the part coming into touch with wedge, big stress was observed. In a product processed through actual machine, Dynamic Recrystallization during Hot working was observed on the part where stress is concentrated. In a dynamically recrystallized microstructure, hardness was lowered due to dynamic softening and tensile strength was decreased as well. However, elongation was observed to increase by 70%. Through this study, die design of Flat Wedge Rolling and result prediction using finite element simulation were made possible, metal flow billet inside during thermal plastic deformation could be predicted, and recrystallization and characteristic change of microstructure could be identified.