유한요소법을 이용한 구성방정식의 절삭력 분석에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

알루미늄은 지각을 이루는 주 구성 원소 중 하나로 지각에서 가장 풍부한 원소 중 하나이다. 가볍고 내식성이 우수하며 비강도가 뛰어나 철강 다음으로 널리 사용되는 금속 소재이며 열처리 및 합금 기술의 개발로 그 수요는 증가하고 있다. 이러한 알루미늄은 고강도 알루미늄합금인 두랄루민의 개발로 우주산업, 항공기, 자동차등 여러 분야에서 해가 갈수록 그 용도와 추세는 점점 더 증가하고 이에 걸맞게 기존의 부품을 대체하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
공정해석 시뮬레이션은 제작공정에 실제 적용하기 위하여 재료의 물성 모델을 개발하여 적용해야 한다. 시뮬레이션은 유한요소를 기반으로 하고 있으며 이 기술은 금속의 절삭가공(metal cutting process)에 대한 시뮬레이션이 가능하도록 발전되어 왔다. 이 방법은 공구의 힘, 응력 및 온도의 분포, 공구 마모 예측, 절삭 조건 최적화, 공구 형상, 그리고 기계 표면적의 잔류응력 등을 예측할 수 있는 장점이 있다. 그러나 예측의 정확성 및 신뢰성은 피삭재의 유동응력(flow stress)에 따라 크게 달라진다. 재료의 유동응력과 변형률과의 관계를 기술한 모델은 Johnson - cook, Zerilli - Armstrong, Nemat - Nasser, Calamaz, Ozel& Sima 등 다양하게 개발되어 있다.
본 연구에서는 Al7075-T6를 절삭용 수치해석 모델에 적용하기 위하여 절삭시험과 수치해석을 통하여 저합금강의 유동응력을 결정하고 절삭용 수치해석모델을 검증하였다.

1. 인장, 고온인장, 직교절삭 그리고 시뮬레이션을 통하여 절삭해석용 물성모델을 완성하였다. 초기 항복응력 A=103.32MPa, 변형률 경화계수 B=536.57MPa, 변형률 경화 지수 C=40.56을 얻었으며 온도지수 m=1.257을 구하였다. 그리고 절삭시험과 시뮬레이션을 이용하여 변형률 속도 경화지수 D=0.05964, E=0.0000566을 구하였다.

2. Al7075-T6의 시뮬레이션 소성물성모델을 생성하고 이를 검증하기 위하여 LS-Dyna 프로그램을 이용하여 S-K 재료 상수값을 검증하고 신뢰성을 얻을 수 있었다.

3. 절삭시뮬레이션을 이용하여 Al7075-T6의 절삭력, 절삭온도, 동력을 얻을 수 있었으며 각 조건별 특성을 알 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 1. 절삭이론 – 2차원 절삭 3
• 2. S-K 구성방정식 4
• 3. 실험계획법 5
• 3-1 다구찌 기법 5
• 3-2 반응표면법 8
• 3-3 요인배치법 11
• 3-4 SHPB 12
• 3-5 절삭 시뮬레이션 13
• Ⅲ. 실험방법 15
• 1. 실험장치 15
• 2. 실험재료 18
• 3. 실험방법 20
• Ⅳ. 시뮬레이션 적용을 위한 물성모델 생성 21
• 1. 실험장치 21
• 2. 온도항 재료 상수값의 추정 24
• 3. 변형률속도 경화계수 추정 26
• 4. 재료 상수값의 검증 38
• 4-1 수치해석 소프트웨어에 따른 검증 38
• 4-2 S-K 모델 검증 39
• Ⅴ. 절삭시뮬레이션을 이용한 Al7075-T6의 절삭특성 41
• 1. 절삭 특성 분석을 위한 시뮬레이션 가공조건 41
• 2. 시뮬레이션을 이용한 절삭특성 44
• 2-1 절삭조건에 따른 칩의 형상을 이용한 절삭특성 분석 44
• 2-2 절삭조건에 따른 절삭력을 이용한 절삭특성 분석 46
• Ⅵ. 결론 50
• 참고문헌 51
• Abstract 54