극한소성가공법을 극한소성가공법을 극한소성가공법을 극한소성가공법을 이용한 이용한 이용한 이용한 알루미늄의 알루미늄의 알루미늄의 알루미늄의

결정립 결정립 결정립 결정립 미세화에 미세화에 미세화에 미세화에 관한 관한 관한 관한 연구연구연구연구

2005200520052005년 년 년 년 2222월월월월

정밀기계공학과정밀기계공학과정밀기계공학과정밀기계공학과

부산대학교 부산대학교 부산대학교 부산대학교 대학원대학원대학원대학원

이 이 이 이 주 주 주 주 현현현현

공학석사 공학석사 공학석사 공학석사 학위논문학위논문학위논문학위논문

극한소성가공법을 극한소성가공법을 극한소성가공법을 극한소성가공법을 이용한 이용한 이용한 이용한 알루미늄의 알루미늄의 알루미늄의 알루미늄의

결정립 결정립 결정립 결정립 미세화에 미세화에 미세화에 미세화에 관한 관한 관한 관한 연구연구연구연구

2005200520052005년 년 년 년 2222월월월월

정밀기계공학과정밀기계공학과정밀기계공학과정밀기계공학과

부산대학교 부산대학교 부산대학교 부산대학교 대학원대학원대학원대학원

이 이 이 이 주 주 주 주 현현현현

지도교수 지도교수 지도교수 지도교수 김 김 김 김 영 영 영 영 호호호호

공학석사 공학석사 공학석사 공학석사 학위논문학위논문학위논문학위논문

이주현의 이주현의 이주현의 이주현의 공학석사 공학석사 공학석사 공학석사 학위논문을 학위논문을 학위논문을 학위논문을 인준함인준함인준함인준함

2004200420042004년 년 년 년 12121212월 월 월 월 13131313일 일 일 일

주 주 주 주 심 심 심 심 배 배 배 배 원 원 원 원 병 병 병 병 ㊞㊞㊞㊞

위 위 위 위 원 원 원 원 김 김 김 김 철 철 철 철 ㊞㊞㊞㊞

위 위 위 위 원 원 원 원 김 김 김 김 영 영 영 영 호 호 호 호 ㊞㊞㊞㊞

- i -

목 목 목 목 차차차차

기호 기호 기호 기호 설명 설명 설명 설명 ⅱⅱⅱⅱ

List List List List of of of of Figures Figures Figures Figures ⅳⅳⅳⅳ

1. 1. 1. 1. 서론 서론 서론 서론 1111

1.1 연구배경 및 동향 1111

1.3 연구내용 및 범위 3333

2. 2. 2. 2. 이론해석 이론해석 이론해석 이론해석 4444

2.1 상계해법 4444

2.2 ECAP 공정의 상계해석 모델 6666

2.3 소재의 전단 변형률식 계산 13131313

2.4 강소성 유한요소법의 변분 방정식 15 15 15 15

3. 3. 3. 3. 실험 실험 실험 실험 17171717

3.1 실험장치 및 방법 17171717

4. 4. 4. 4. 결과 결과 결과 결과 및 및 및 및 고찰 고찰 고찰 고찰 21212121

5. 5. 5. 5. 결론 결론 결론 결론 26262626

참고문헌 참고문헌 참고문헌 참고문헌 65656565

ABSTRACT ABSTRACT ABSTRACT ABSTRACT 67676767

- ii -

기호 기호 기호 기호 설명설명설명설명

a 소재의 초기 반경 [mm]

소재의 초기 높이 [mm]

총에너지 소비율

전단항복응력 [Mpa]

m 마찰계수

M 회전모멘트

평균하중 [N]

표면력이 규정된 표면

속도가 규정된 표면

속도 불연속 표면

표면력 벡터

동적가용속도장

절점속도 [mm/s]

입구부분에서의 속도 [mm/s]

, 전단면에서의 속도 [mm/s]

출구부분에서의 속도 [mm/s]

, , 원통좌표계의 속도성분 [mm/s]

- iii -

전단면에서 속도불연속량

완충영역에서 속도불연속량

경사면에서 속도불연속량

마찰에너지 소비율

내부에너지 소비율

전단에너지 소비율

다이의 각속도 [rad/s]

, 전단변형각

ε 변형률 속도

속도에 대한 무차원 변수 정의

재료의 항복응력 [Mpa]

유효응력 [Mpa]

전단응력 [Mpa]

φ,ψ 교차각 및 만곡각

- iv -

List List List List of of of of TablesTablesTablesTables

Table 1 The simulation conditions for multi ECAP

Table 2 The conditions of experiments using plasticine

Table 3 The conditions of experiments using annealed Al 1100-O

Table 4 Chemical composition limits of Aluminum 1100-O

Table 5 Specifications of driving system

List List List List of of of of figuresfiguresfiguresfigures

Fig.1 Specimen of tensile test for metals

Fig.2 Stress-displacement curve for annealed Al1100-O in tension

showing behavior

Fig.3 Schematics of analytical models of the Multi ECAP

(a) initial billet geometry

(b) Multi ECAP with rotation dies

Fig.4 Deformation patterns of ECAP

(a) Ideal case of deformation zone

(b) Hodograph

Fig.5 Schematic illustration of ECAP showing the channel angle φ and

the inner coner angle ψ

Fig.6 ECAP originated by Segal and Multi ECAP with rotational dies

- v -

using the plasticine

Fig.7 Driving system

Fig.8 Components of driving system

(a) Load Cell (b) Torque Transducer

Fig.9 continued

(a) Torsional Platen (b) Torque Controller

Fig.10 Continued

(a) Servo Motor

Fig.11 Schematic Diagram of ECAP equipment

Fig.12 Drawings of dies

Fig.13 Experimental results of internal deformed flow patterns in

conventional and torsional ECAP

(a) initial specimen

(b) originated ECAP model from Segal

(c) conventional ECAP

(d) torsional ECAP at 0.524(rad/s) angular velocity

(e) torsional ECAP at 1.047(rad/s) angular velocity

Fig.14 Photographs of Aluminum billet during extrusion through the

φ=150° ECAP die

Fig.15 Simulation model

Fig.16 FEM simulations of internal deformed flow patterns in ECAP

(a) punch travel : 20mm (b) 40mm (c) 70mm

Fig.17 Velocity Vectors in the upper die

- vi -

(a) Conventional ECAP

(b) ECAP with rotation at

(c) ECAP with rotation at

Fig.18 Deformed mesh during ECAP

Fig.19 Effective stress distributions in conventional ECAP

Fig.20 Effective stress distributions in torsional ECAP at

Fig.21 Effective strain distributions in conventional ECAP

at punch travel : 70mm

Fig.22 Effective strain distributions in torsional ECAP at

, punch displacement=70mm

Fig.23 Effective strain distributions across the billet at m=0.3,

punch travel : 70mm

Fig.24 Relative pressure to the channel die angle[degree]

η :　The ratio of angular velocity to the punch velocity

Fig.25 Relative pressure to the channel die angle[degree],φ

m : friction factor

Fig.26 Forming force to the punch travel at m=0.3,

φ : inclined channel die angle

Fig.27 Forming force to the punch travel at m=0.3

Fig.28 Forming force to the punch travel at

Fig.29 Forming load-punch travel relationships between finite element

analysis and experiments at

Fig.30 The amount of changes of Micro-Vickers hardness on the cross

section to the pass numbers

- vii -

Fig.31 The amount of changes of mechanical properties(U.T.S &

Elongation) to the pass numbers

Fig.32 Optical micrograph of the Al 1100-O before and after ECAP to

the pass numbers, (a) N=0, (b) N=1, (c) N=4, (d) N=6

Fig.33 Continued

- 1 -

1. 1. 1. 1. 서 서 서 서 론론론론

1.1 1.1 1.1 1.1 연구배경 연구배경 연구배경 연구배경 및 및 및 및 동향동향동향동향

세계적으로 환경 친화적이며 에너지 효율성의 극대화를 위한 가공제조 방법에

대한 관심이 높아지면서 이를 실현하기 위한 새로운 가공 공정에 대한 관심이

높아지고 있다. 이러한 가공기술 중에서 초미세 결정립의 재료를 얻기 위한 방

법으로 최근 세계적으로 활발히 연구되고 있는 극한소성가공법(Severe Plastic

Deformation, SPD)이 있다. 이 가공법에는 구속전단가공법(Equal Channel

Angular Pressing: ECAP), 극한 소성 비틀림 변형, 반복압연법, 다단 단조법

등이 있다. 이 중에서도 ECAP가공법이라는 아주 간단하고 가장 유용한 가공

방법이 80년대 Segal에 의해 처음으로 초미세 결정립 크기를 갖는 소재를 얻

을 수 있는 가능성이 제시되었다.[1]

ECAP 방법은 재료에 큰 전단변형을 주면서도 초기단면의 형상을 유지한 상태

로 단면적의 감소가 없기 때문에 대형의 미세립 재료의 제조가 가능한 특징

을 갖고 있다. 새로운 가공법인 이 방법을 적용하면 벌크재의 초소성 재료를 얻

을 수 있을 뿐만 아니라 종래에 없었던 새로운 강인한 재료를 얻을 수 있다는

것이다. 합금원소를 첨가하여 고강도의 재료를 얻는 기존의 방법과는 다르게 동

일한 화학 조성으로 재료의 조직을 제어하여 초미세한 결정립을 얻으려는 방법

이다. 강도 및 인성의 기계적 성질을 개선 할 수 있으며 균일 연신을 나타내는

초소성과 우수한 댐핑성(damping capacity)을 얻을 수 있는 것이 특징이다.

ECAP의 연구동향을 살펴보면 다음과 같다. Segal에 의해 처음 제안된 ECAP

은 단순전단을 이용한 재료의 가공공정으로 여러번 공정을 반복하므로 미세한

- 2 -

조직을 얻었고, 성형 하중이 높은 소재를 낮은 압력에서 생산할 수 있음을 밝혔

다[1]. Iwahashi등은 Segal의 식을 발전시켜 교차각과 만곡각의 크기를 고려하

여 재료 변형량을 예측하는 식을 제시하였다[2]. Wu등은 모델재료인 플라스트

신을 이용하여 금형 형상에 따른 재료의 변형 거동을 관찰하였다[3]. Nemoto

등은 재료의 미세 조직을 조절 할 수 있는 방법으로 다단 ECAP를 이론적으로

제안하였다. Nakashima등은 기존의 반복적인 번거로운 공정을 개선하는 다단

계 ECAP공정 방법을 제안하고 실험으로 증명하였다[4]. Kang 등은 6061 알

루미늄 합금의 가공온도의 변화에 따른 미세조직과 기계적 특성을 관찰하였다

[5]. 가공속도가 느린 소재의 경우 결정립 내부에 전위가 없고 입계가 비교적

명확한 결정립이 많이 분포하고 있음을 밝혔다. Azushima등은 여러번의 ECAP

공정 반복이 가능한 금형을 설계하여 공정을 개선하였다[6].

- 3 -

1.2 1.2 1.2 1.2 연구 연구 연구 연구 내용 내용 내용 내용 및 및 및 및 범위범위범위범위

본 연구에서는 기존의 ECAP 공정에 비해 높은 변형률을 얻기 위해 극한 소

성 비틀림 변형 기술을 접목하고, 단속적인 채널수로 인한 공정수 증가를 줄이

기 위한 다단 ECAP 가공 기술을 결합하여 복합 SPD가공기술의 개발과 동시

에 공정해석 및 소성변형 특성을 파악하는 데 있으며 연구범위는 다음과 같다.

1) ECAP에 관한 해석은 2차원 및 3차원 해석모델을 대상으로 이론적 해석수

단으로 상계해법 및 소성 역학적 방법으로 이론 해석을 수행한다.

2) 유한요소 시뮬레이션과 실험을 통해 최적 공정조건과 최적의 금형 형상을

찾으며 각 경우에 따라 비교하고 검증을 행한다.

3) 공정변수인 금형 형상, 금형 크기, 통로 교차각, 금형 모서리 반경, 금형 마

찰, Punch 속도, 재료 온도 등을 통해 ECAP 공정 중에 발생하는 응력, 변형

률, 변형률속도 분포에 대한 이론적 연구를 한다.

4) 모델재료인 플라스트신을 이용하여 간이 모델실험을 수행하며 기존의

ECAP 모델의 결과와 비교 검토한다.

5) 이론해석 및 시뮬레이션 결과를 바탕으로 심층 분석하여 실제재료(Al

1100-O)를 이용한 실험 장치를 설계하고 실험한다.

- 4 -

2. 2. 2. 2. 이론해석이론해석이론해석이론해석

2.1 2.1 2.1 2.1 상계해법상계해법상계해법상계해법

성형 에너지의 예측을 하는 것은 소성가공 시 매우 중요한 사항이다. 압출공정

을 해석하는 이론적 방법에는 슬래브법, 상계법, 유한 요소법 등이 있다.

상계법은 한계하중이론의 하나로 강소성 재료의 경에 대해 W.Prager와 P.G.

Hodge [7]의해 정립 되었으며 에너지 소비율, 하중 등의 상계해를 구하는 방

법이다. 상계법에서는 체적 일정 조건 및 경계조건에 맞는 동적 가용 속도장을

가정하게 되는데 복잡한 형상을 가진 변형 소재의 경우 이 경계조건과 체적 일

정 조건을 동시에 만족하는 동적 가용 속도장을 수식적으로 표현하는 것이 매

우 어렵고, 구한다 하더라도 이 속도장에 대해 에너지 소비율을 계산하는 것이

해석적으로 불가능할 경우가 많다.

상계 해석에 의한 유동 응력은 소성 유동을 일으키는 것에 필요한 실제 에너

지 보다 같거나 큰 해를 짧은 시간에 간단하게 예측하게 된다.

본 연구에서는 상계해법을 이용한 성형하중을 계산한다.

상계해법을 금속가공에 적용할 때 다음과 같은 가정을 한다.

1) 재료는 등방성, 강소성체이며, Von Mises 항복조건을 따른다.

2) 재료는 비압축성이다.

ε

3) 변형 중의 온도 변화 및 관성을 무시한다.

4) 재료의 상당 응력은 상당 변형률 속도의 함수이다.

- 5 -

ε

5) 마찰 조건은 소성 변형중 일정하며 다음과 같은 조건을 따른다.

은 마찰계수이며, 는 순수전단 항복응력이다.

6) 가공경화와 변형속도가 유동응력에 미치는 영향을 무시한다.

- 6 -

2.2 2.2 2.2 2.2 ECAP ECAP ECAP ECAP 공정의 공정의 공정의 공정의 상계해석 상계해석 상계해석 상계해석 모델모델모델모델

해석모델을 기초로하여 ECAP 공정중에 모든 변형은 Fig.5의 (a)와 같이 면

EF와 면 GH, 면 IJ의 전단면에서 발생하는 전단변형과 전체 다이 계면과 소재

사이의 마찰에 의한 변형, 그리고 완충 영역 CDEF와 완충 영역 IJKL에서만 토

션에 의한 내부변형이 발생한다고 가정한다.

2.2.1 속도장 유도

Fig.5에 (a)와 같이 전단변형이 발생하는 원호 부분을 직선 처리하여 계산을

용이하게 하였으며 각 영역에서의 속도장은 (b)와 같다.

소성변형에서는 체적변화가 없으므로 가 되고 이 된다.

전단면에서 속도 불연속은

,

(1)

(∴ )

,

(2)

,

(3)

완충 영역(영역 CDEF,영역 IJKL)에서의 반경방향, 원주방향, 축방향 각각의

속도성분을 아래와 같이 가정한다.

- 7 -

(4)

(5)

(6)

여기서 는 파손의 가능성을 피하기 위해 완충 영역을 지정한다. 그리고

는 회전다이의 각속도이다.

완충 영역에서 속도벡터의 변형률 속도 성분을 나타내면

ε

ε

ε

ε

(7)

ε

(영역 CDEF),

(영역 IJKL) (8)

각 계면에서 부착마찰조건이 성립하며 다이 계면과 소재사이의 마찰에 의한

속도차는 이와 같다.

다이가 회전하는 영역(ABCD, KLMN)에서

(9)

완충 영역(CDEF, IJKL)에서

- 8 -

(∴ ) (10)

경사진 영역(EFGH, GHIJ)에서

(11)

2.2.2 ECAP공정의 성형하중 계산

구해진 속도장으로부터 비틀림을 이용한 ECAP 공정시 필요한 에너지 소비율

및 성형하중을 구할수 있다.[8] 기본 가정을 바탕으로 하여 전체 에너지 소비

율을 구하면 다음과 같다.

(12)

여기서 는 전체에너지 소비율, 는 내부 변형 에너지율,

는 전단변형

에너지율, 는 마찰손실 에너지을 각각 나타낸다.

내부 변형 에너지율은 소재의 소성변형시의 에너지율로 다음과 같이 구할 수

있다.

이때의 두 완충 영역(CDEF, IJKL)에서 내부변형에너지,

- 9 -

ε

ε

(13)

여기서 는 재료의 항복응력값이다. 는 단축항복응력

의 배, a 는

빌렛의 반경이다.

속도 불연속면, 즉 요소와 요소사이의 경계에서의 전단변형 에너지율은 다음식

과 같다.

(14)

불연속이 발생하는 면 EF와 면 IJ에서 전단변형 에너지율은,

(15)

면 GH에서 전단변형 에너지율은,

(16)

전체 전단변형 에너지율은,

(17)

- 10 -

마찰손실 에너지율, 는 소재와 다이 접촉면사이에서의 마찰에 의한 손실

에너지율을 나타내며 다음과 같다.

(18)

영역 ABCD에서 마찰손실 에너지율,

(19)

영역 KLMN에서 마찰손실 에너지율,

(20)

(21)

두 완충 영역에서 마찰손실 에너지율,

(22)

다이의 각속도에 대한 펀치의 하강속도를 무차원 변수 정의

(23)

- 11 -

두 경사면에서 마찰손실 에너지율,

(∴

) (24)

전체 마찰손실 에너지율,

(25)

그리고 외부에서 가한 에너지율 는 수직방향 펀치의 이송과 다이의 회전에(영

역 ABCD, KLMN)의한 에너지율로 다음과 같다.

× ⋅ (26)

여기서, 는 펀치에 걸리는 평균하중을 나타내며, 은 재료와 다이 사이의

마찰에 의해 재료로 전달되어지는 회전에 의한 모멘트로써 두 완충 영역

(CDEF, IJKL)에서 발생한다.

(27)

⋅

(28)

- 12 -

전체 에너지 소비율,

⋅

(29)

상대펀치압력을 나타내면,

(30)

- 13 -

2.32.32.32.3 소재의 소재의 소재의 소재의 전단 전단 전단 전단 변형률식 변형률식 변형률식 변형률식 계산계산계산계산

ECAP 공정에서 가장 중요한 변수는 두 채널이 이루는 각으로 이를 교차각(Φ)

이라 정의한다. 그리고 ECAP 금형에서 두 채널이 교차하는 외벽 부분에 존재

하는 원호를 정의하는 각을 만곡각(Ψ)이라 한다.

ECAP 공정에 의한 시편의 변형은 주로 단순 전단 변형으로 Segal 등이 이에

대한 이론적 해석을 최초로 제시하였다.[1] 그는 만곡각이 0° 인 금형에 대하

여 금형과 재료의 마찰을 무시한 채 전단 변형률과 교차각의 관계식을 유도한

바 있다.(Fig.6)

(31)

그리고 Iwahashi 등[2]은 이 식을 보다 더 일반화하였다. ECAP 공정에서 마

찰이 없다고 가정하여 두각(φ,ψ)의 크기에 따른 재료 변형량 변화를 예측하는

관계식을 제시하였는데 그 결과에 의하면 ψ/π-φ인 조건에서 재료가 그 형을

통과할 때 받는 전단 변형량, 는 아래와 같이 주어진다.

⋅

(32)

이 식에서 알수 있는 바와 같이 두개 통로의 교차각이 작을수록, 만곡부의 각

이 작을수록 변형량이 증가한다. Iwahashi 등에 의하여 유도된 식은 만곡각이

0°일 때 Segal 등에 의하여 유도된 결과와 동일하다.

- 14 -

특히 ECAP 공정은 여러 가지 공정 조건에 따라 전단변형뿐만 아니라 인장과

압축변형도 함께 발생하게 되며, 변형도 재료의 전체에 걸쳐 균일하게 발생하지

는 않는다.[10-12] 따라서 정확한 결과를 예측하기 위해서는 정밀한 유한요소

해석이 필요하다.

- 15 -

2.4 2.4 2.4 2.4 강소성 강소성 강소성 강소성 유한요소법의 유한요소법의 유한요소법의 유한요소법의 변분 변분 변분 변분 방정식방정식방정식방정식

본 연구에서는 강소성 유한요소법을 이용한 시뮬레이션을 통해 하중, 유효변형

률 등을 알아 보고자 한다. 금속성형공정 해석에 효과적이며, 현재 널리 사용되

고 있는 유한요소법에 대한 이론과 수식화 과정은 이미 널리 알려져 있으므로

여기서는 간략하게 언급한다. 강소성 재료에 대한 범함수 ∏는 다음과 같다.

∏

ε

(33)

여기서, 는 유효응력, ε 는 유효변형률 속도, 는 표면력,

는 절점속도이

다.

비압축성 조건을 고려하기 위해 벌칙함수 K를 도입하면, 위의 식 (42)에 대한

일차 변분 범함수는 다음과 같이 표현될수 있다.

∏

ε

ε

ε

(34)

을 얻는다. 여기서 ε는 체적 변형률 속도이다.

식 (43)는 일반적인 유한요소 분활화 과정을 거치면 절점속도가 미지수인 비

선형방정식이 되므로 뉴우튼 랩슨법(Newton-Raphon Method)을 이용해서 해

를 구하고, 초기 속도장은 직접 반복법을 이용하여 구한다.

- 16 -

2.4.1 DEFORMDEFORMDEFORMDEFORM Simulation

본 연구에서는 상용 유한 요소 프로그램인 DEFORMDEFORMDEFORMDEFORM을 이용하여 유한요소 시

뮬레이션을 실행한다. 시뮬레이션의 조건으로 마찰값과 채널각의 변화에 따라

성형하중을 나타내고, 상부와 하부다이의 회전속도에 따른 유효응력분포와 유효

응력변형율의 분포를 비교하고 각 채널을 통과시 변형율의 차이를 나타낸다. 그

리고 이차원 평면변형해석을 통해 소재의 전단변형 상태를 파악한다. 시뮬레이

션 조건은 각각 Table 1, Table 2를 따른다.

- 17 -

3. 3. 3. 3. 실 실 실 실 험험험험

3.1 3.1 3.1 3.1 실험 실험 실험 실험 장치 장치 장치 장치 및 및 및 및 방법방법방법방법

3.1.1 모델재료의 ECAP 실험

금속을 소성가공으로 성형할 때 성형 중이나 성형 후의 금속 각 부분의 변형

양상을 조사하기 위해 이전부터 많은 연구자들은 각종 모델재료를 사용하여 수

행해 오고 있다. 이 모델재료들에 요구되는 성질을 목적으로 하는 금속의 소성

변형과 근사한 소성변형을 하는 것, 변형에 요하는 하중이 작은 것, 실온 근방

에서 목적으로 하는 금속 소성 변형을 재현하는 것 등이다. 현재 모델재료로서

사용되고 있는 것은 크게 나누어 연질 금속, 왁스 계통, 점토 계통이다.

본 연구에서는 금형내의 소재 유동양상을 파악하기 위해 점토 계통의 하나인

영국의 Harbutt's Plasticine사의 제품인 플라스티신을 모델재료로 사용하여

ECAP 공정을 수행하였다. 플라스티신의 기초실험에 관한 유동특성은 Kim등

[9]의 연구에서 언급되었다. 플라스티신의 유동양상은 열간에서의 강의 유동과

비슷하며, 종래의 ECAP 모델과 토션을 이용한 다단 ECAP 모델의 변형을 비교

검토한다.

플라스티신을 이용한 실험 재료는 다음과 같은 과정(Table 2.)을 거쳐 완성

하였다.

1) 플라스티신을 반죽하여 재료 내의 기포를 충분히 제거시킨 후 직경 20mm,

높이l 60mm의 원통형 재료를 준비하였으며, 실험하는 동안 시편을 일정한 온

도로 유지하기 위하여 오븐 속에 넣어 24시간 정도 보관하여 사용하였다.

- 18 -

2) 재료 유동상태를 관찰하기 위하여 Fig.14 (a)와 같이 각 색깔별로 얇게 잘라

적층하여 소재를 만들었다.

실험에 사용된 장치와 실험조건은 다음과 같다.

1) 성형을 위한 프레스는 3톤 유압프레스 장치가 사용되었다.

2) Fig.7에서와 같이 다이의 회전을 주기 위한 장치를 고안하여 다이 상단부에

장착하였으며, AC 서보 모터의 회전력이 기어 트랙에 의해 다이에 전달된다.

3) 펀치의 하강 속도는 1mm/sec이며, 실험에 사용된 펀치는 직경 20mm이며

다이각도 90°, 135°를 각각 가진다.

4) 실험에 쓰인 윤활제는 탈크 파우더(talc powder)를 사용하였다.

위의 조건에 의하여 실험을 한 결과 단순 ECAP 공정과 비틀림을 이용한

ECAP 공정의 유동 양상을 확인할 수 있다(Fig.14).

3.1.2 풀림 처리된 알루미늄 ECAP 실험

실험에 사용된 장치와 실험 조건은 다음과 같다.

1) 성형을 위한 전체 운전 시스템은 Fig.8과 같으며 각 장치는 Fig.9-11에 나

타내었으며 장치의 규격은 Table 5에 표기하였다.

2) 금형 내부 형상은 반으로 나뉘어 3축 고속 가공기로 형상 가공하였으며, 볼

트 체결하였다.

3) Fig.4와 같이 펀치는 단을 두어 좌굴을 방지하였으며, 하부다이는 소재와의

마찰부를 최소화하여 마찰력을 최소화하였다.

4) 채널각이 있는 중간다이와 펀치는 SKD11종 재료를 선정하였다. 질소 가스

- 19 -

를 이용하여 1020℃까지 가압하여 180℃로 냉각하는 진공 열처리하였으며, 나

머지 다이는 SM45C를 선정하여 870℃까지 가열하여 180℃로 분사 냉각하는

고주파 열처리를 하였다(Fig.12,13).

5) 재료는 Al 1100-O를 소둔처리 하였다.

6) 실험에 쓰인 윤활제는 dry graphite를 사용하였다.

7) 실험조건은 Table 3을 따른다.

3.1.3 인장시험

인장시험은 한국산업규격( KS B 0801)에 따른다. 시험편의 모양 및 치수는

Fig.1에 따른다. 이 시험편은 호칭지름(또는 맞변거리)이 25mm이하인 봉재에

사용한다. Al 1100-O 화학적 구성요소는 Table 4와 같다.

인장시험 결과는 Fig.2와 같이 그래프로 나타내었다.

3.1.4 경도시험

MICROMET 센서를 이용하여 시편의 횡단면상에서 0.5mm 단위로 5회 측정

한 평균값을 구한다. 측정하중은 100gf로 한다.

3.1.5 조직사진 촬영

조직사진 촬영을 위해 시료 준비과정으로 회전원판에 붙여진 연마지 위에서

습식연마를 행한다. 연마용에는 #1000. #1200, #1500, #2000 순으로 마무리

- 20 -

연마한다. 끝으로 연한 백색양모제에 알루미나(Al₂O₃)분말수용액을 이용하여

입경이 1μ로 폴리싱 작업을 마무리한다. 엣칭 처리는 Kellers Etch법을 따르며

엣칭용액의 성분비는 메탄올(Methanol) 25ml, 염산(Hydrochloric acid) 25ml,

질산(Nitric acid) 25ml, 불산(Hydrofluoric acid) 1drop으로 한다. 엣칭처리 시

간은 10-60초 정도로 하며 지속적인 부식방지를 위해 알코올로 세척한다.

조직 사진은 광학현미경으로 촬영하며 ECAP 공정수에 따른 각각의 조직을 비

교 검토한다.

- 21 -

4. 4. 4. 4. 결과 결과 결과 결과 및 및 및 및 고찰고찰고찰고찰

ECAP 공정에서 상계해석을 이용하여 성형하중을 예측하였으며, 이론적 결과

를 검증하기 위하여 플라스티신과 실제 금속재료를 이용하여 실험을 수행하고

DEFORM 2D,3D를 이용하여 유한요소 시뮬레이션을 병행하였다.

Fig.13Fig.13Fig.13Fig.13은은은은 플라스티신을 이용하여 제품의 내부 유동을 확인한 것으로써 유동의

형태를 가시화하기 위하여 플라스티신을 각 색깔별로 적층을 하여 실험하였다.

(a)는 초기소재이며 (b)는 Segal이 제안한 모델로 채널각이 90°인 다이를 이용

하여 재료의 유동을 관찰하였다. 출구 다이로 유동될수록 소재는 아래 다이의

벽면에 부착되어 길게 늘어지는 대변형이 발생하였으나 다이 상부 벽면과는 현

격한 차이가 발생된 불균일 변형이 발생하였다.

다이의 회전이 없는 (c)와 비틀림을 발생시킨 (d), (e)의 경우를 비교하면 채널

각을 통과하는 부분에 단순 ECAP 공정에 비해 비틀림이 추가된 공정 (d), (e)

에서 더 많은 유동이 일어남을 확인할 수 있다. 이는 소재 변형을 비틀림 공정

으로 더욱 크게 발생시킨다. 내부 결함을 완화시킬 수 있음을 의미한다.

다이 벽면과의 마찰에 의해 소재 내부 유동이 외부에 비해 빠르게 진행되는

(c)에 비하여 점차 다이 회전속도를 증가시킨 (d), (e)에서는 내부와 외부의 소

재 유동 속도차가 줄어드는 것을 관찰할 수 있다. 이는 비틀림에 의한 변형이

소재 내부에 까지 영향을 미친 것으로 내부 결함을 완화시킬 수 있을 것으로

전망된다.

Fig.14Fig.14Fig.14Fig.14는 금속의 유동상태를 펀치의 각 이동거리별로 나타낸 사진으로 극심한

단순전단 변형을 발생시키는 각 채널의 만곡각(ψ)은 60°, 120°, 60°순으로 가

- 22 -

공하였으며 만곡부에서 소재와 다이사이의 틈새를 발생시키지 않고 적절한

filling 상태로 변형하였다. 이와 같은 만곡부의 감소는 상당 소성 변형률 증가

의 요인으로 생각된다.

Fig.16Fig.16Fig.16Fig.16은 소재의 유동을 시뮬레이션 한 것으로 각 전단면을 통과 시 발생하는

소재의 직경감소는 소재와 다이 사이의 마찰과 다음 전단면에서 변형을 할 때

발생하는 역압력(back pressure)에 의해 다이와 소재의 간격을 채우면서 출구

쪽으로 유동한다.

Fig.17Fig.17Fig.17Fig.17은 단순 ECAP 공정과 비틀림 ECAP 공정의 속도 벡터에 관한 시뮬레

이션 결과를 보여준다. 다이 부분에 회전이 적용됨을 속도 벡터 분포로서 확인

할 수 있다.

Fig.18Fig.18Fig.18Fig.18 DEFORM-2D를 이용한 평면변형 해석한 것으로 정사각 모양으로

mesh된 요소가 전단변형이 발생하는 두 채널을 통과하면서 각각 다른 대각방

향으로 전단변형하고 마지막 채널을 통과하면서 입구부분 요소의 크기에 비해

미세화된 크기로 빠져 나온다.

Fig.19Fig.19Fig.19Fig.19와 Fig.20Fig.20Fig.20Fig.20은 단순 ECAP 공정과 비틀림 ECAP 공정의 유효응력의 분포

를 나타낸 것이다. 단순 ECAP 공정의 경우 다이 벽면부 뿐만 아니라 소재 내

부까지 응력이 분포됨을 확인할 수 있다. 이는 다이 벽면부의 응력 집중 현상을

비틀림 공정으로 재료 내부에까지 응력을 분산시킬 수 있음을 의미한다.

Fig.21Fig.21Fig.21Fig.21과 Fig.22Fig.22Fig.22Fig.22은 단순 ECAP 공정과 비틀림 ECAP 공정의 유효변형률 분포

를 그래프로 나타낸 것이다. 비틀림 공정으로 재료 내부까지 응력 분포를 미쳐

단순 ECAP 공정에 비해 평균 변형률이 30%이상 증가하였다. 이러한 결과로

내부파열 등의 내부결함을 방지 할 수 있으며 기계적 성질 향상에 도움을 줄

- 23 -

수 있음을 확인했다.

Fig.23Fig.23Fig.23Fig.23은 (a)와 같이 각 채널에 단면을 나누어 변형률 분포를 (b)와 같이 유효

소성 변형률 분포를 나타낸 것이다. Section1의 변형률에 비해 Section2에서

61% 증가, Section3에서 65% 증가가 나타났다.

Fig.24Fig.24Fig.24Fig.24는 다이의 회전속도 변화에 따른 상대 성형하중을 상계해석에 의해 계

산한 그래프이다. 여기서 마찰계수는 0.3이며 다이의 각도는 110°에서 170°까

지 나타냈다. 회전속도가 증가함에 따라 성형하중은 최대 35%까지 감소됨을 알

수 있으며, 다이의 회전속도 η=3.2일 때, 시뮬레이션 결과 값 η=3.2일 때의 상

계해법의 계산식 결과 값과 비슷하게 나타났다.

Fig.25Fig.25Fig.25Fig.25는 마찰값의 변화에 따른 상대 성형하중을 상계해석에 의해 계산한 그

래프이다.

무마찰의 경우에 비해 마찰값이 0.1, 0.2, 0.3으로 증가할 때, 성형하중이 각각

7%, 25%, 37%로 증가하였다. 시뮬레이션의 경우 무마찰인 경우와 0.1, 0.3의

경우 채널다이 각도가 150°에서 결과 값을 그래프에 나타냈으며, 상계해법의

계산결과와 비슷하게 나타났다.

Fig.26Fig.26Fig.26Fig.26은 시뮬레이션 결과 값으로 채널다이각의 증가에 따른 펀치에 걸리는

성형하중을 그래프로 나타내었다. 펀치의 이송 영역 Ⅱ 일때, 가장 큰 성형하중

이 발생했으며, 채널다이각의 증가에 따라 일정간격으로 성형하중이 점차 줄어

들었다.

Fig.27Fig.27Fig.27Fig.27은 시뮬레이션 결과 값으로 다이 회전속도의 증가에 따른 펀치에 걸리

는 성형하중을 그래프로 나타내었다. 펀치의 이송구간이 Ⅱ 일때, 가장 큰 성형

하중이 발생했으며, 다이 회전속도가 η=3.2 이상에서부터는 더 이상의 성형하

- 24 -

중의 감소가 나타나지 않았다.

Fig.28Fig.28Fig.28Fig.28은 시뮬레이션 결과 값으로 마찰계수 변화에 따른 양상을 나타낸 것이

다. 관찰 결과 , 무마찰인 경우에 비해 마찰력이 작용하는 경우 그 하중의 편차

가 크다. 이는 채널과 시편 재료의 접촉 면적이 증가함에 따라 마찰력과 그에

따른 역압력에 의해 커지는 것으로 보인다.

Fig.29Fig.29Fig.29Fig.29 소재에 비틀림을 발생하지 않은 상태에서 실험을 하였으며, 펀치의 이

송에 따른 성형하중을 그래프로 나타냈다. 시뮬레이션의 성형하중 보다 낮은 값

에서 성형이 이루어졌다.

다이에 토션을 주는 경우에는 내압에 의한 플QF래시가 토션의 영향으로 가

속화되어 과도한 성형하중을 초래하였고, 이는 일체형 다이가 아니라 분리형 다

이를 볼트 체결하여 성형시 다이 내벽에 발생하는 압력으로 다이 사이의 틈새

로 플래시가 발생한 것으로 여겨진다. 따라서 플래시의 발생으로 인한 소재의

손실과 회전토크의 한계를 초과하여 실험이 불가능하였다.

Fig.30 Fig.30 Fig.30 Fig.30 재료에 전단변형이 가해지면 재료 내에 전위가 생성되며 이에 따라 경

도가 증가한다. 초기경도가 Hv=31.7인 소재를 반복 가공할 경우 소재의 경도는

1회 가공 후 45% 증가 후 반복가공 횟수가 증가하여도 미소의 증가와 감소를

보이며 공정횟수에 따른 큰 경도의 변화는 보이지 않았다.

Fig.31Fig.31Fig.31Fig.31 ECAP 가공전과 ECAP 가공한 후의 풀림처리된 Al 1100-O의 기계적

성질 측정을 위해 인장시험을 실시하였고, 측정 결과인 인장강도와 연신율을 그

래프로 나타냈다. 1회 passing 후 가공전의 소재에 비해 변형에너지의 축적에

의한 인장강도는 약 29% 상승하였고, 반면에 연신율은 약 28% 감소하였다. 가

공횟수의 증가로 인장강도는 조금 상승했으며, 연신율은 더 이상 감소하지 않고

- 25 -

오히려 증가하는 경향이 나타났다[13]. 이는 1회 가공에 의하여 길게 연신된

밴드구조를 가지면서 결정립내에서 높은 전위를 가지는 결정립들이 가공횟수의

증가로 결정립이 더욱 미세화되고 결정립내의 전위도 일부 등축결정립 형태로

변화면서 연신율의 증가를 초래한 것으로 판단된다.[14]

Fig.31Fig.31Fig.31Fig.31과 과 과 과 Fig.32Fig.32Fig.32Fig.32는 (a)는 ECAP 가공전의 초기 소재이며 (b)는 1회 passing한

소재의 조직으로 조세결정립과 미세결정립으로 양분되는 현상을 보여주고 있다.

공정수 증가에 따른 과부하로 균열이 생길 때에는 다시 응력이 최소인 장소

를 따라 결정립계 균열이 일어난다.(c)와 같이 4회 passing후 등축 결정립으

로 전개되면서 결정립 미세화가 일어나며 결정립 크기는 7㎛-8㎛의 크기로 나

타났다.(d)와 같이 6회 passing후 결정립의 형태는 종축과 횡축의 축비가 짧

고 작은 크기(4㎛-5㎛)로 균일하게 분포하고 있다.

- 26 -

5. 5. 5. 5. 결 결 결 결 론론론론

본 연구에서는 비틀림 ECAP 공정에 대한 상계해석을 수행하여 성형하중을 예

측하였으며, 이론 결과를 토대로 DEFORM 2D, 3D를 이용한 FEM 시뮬레이션

및 모델 재료인 플라스티신과 Al 1100-O 금속재료를 이용한 실험을 통해 비교

하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

첫째, 다이의 회전에 의한 영향으로 비틀림 ECAP 공정은 단순 ECAP 공정에

비해 다이와 소재사이에 미끄럼을 발생시켜 성형하중이 최대 35%까지 감소된

다. 이러한 결과로써 프레스의 용량을 줄일 수 있으며 다이의 수명향상을 가질

수 있다.

둘째, 다이의 회전에 의한 원주방향의 운동은 소재의 전단변형을 일으키며 소재

내부까지 큰 변형을 가지며 고른 유효변형률 분포를 얻을 수 있다. 이러한 결과

로 내부파열등의 내부결함을 방지 할 수 있으며 기계적 성질 향상에 도움을 줄

수 있음을 기대한다.

셋째, ECAP 가공에 의한 결정립의 미세화로 높은 인장강도를 얻을 수 있으며,

이때의 연신율은 1회 가공으로 감소되었으나 가공 횟수의 증가로 다시 연신율

이 상승하였다. 경도의 경우 1회의 가공으로 45%의 증가이후 공정수와 상관없

이 경도의 큰 증가가 나타나지 않았다.

- 27 -

넷째, 가공횟수의 증가로 등축정의 결정립 구조를 얻을 수 있으며, 그들의 입계

는 고경각 결정립계를 형성하였다.

- 28 -

Table 1 The simulation conditions for multi ECAP

specimen size

×

friction

factor

channel

angle φ

punch

velocity

angular velocity of die

8×60

m=0135

1

0

0.4

140

m=0.3 0.8

145

1.2

m=0.5150 1.6

- 29 -

Table 2 The conditions of experiments using plasticine

specimen size

×

friction

factor

channel

angle φ

punch

velocity

angular velocity of die

60×20 m=0.3

90

1

0

0.524

135

1.047

- 30 -

Table 3 The conditions of experiments using annealed Al 1100-O

specimen size

×

friction

factor

channel

angle φ

punch

velocity

angular velocity of die

30×8 m=0.3 150 1

0

0.8

- 31 -

Table 4 Chemical composition limits of Aluminum 1100-O

Chemical composition

Component Wt %

Al Min 99

Cu 0.05 - 0.2

Mn Max 0.05

Si+Fe Max 0.95

Zn Max 0.1

Other, total Max 0.15

- 32 -

Table 5 Specifications of driving system

Servo Motor

Maximum turning Speed 25-1750 r.p.m

Output Torque 2000kN-M

Speed Reduction Ratio 1:1500

Torque Transducer Capacity 2000kN-M

Load Cell Capacity 196.1kN

Torque Controller Reversible Frequency 0-12(second/cycle)

Press Equipment(MTS) Capacity 196.1kN

- 33 -

L

P

D

diameter D

gauge lengthL

contact lengthP

fixed 8D (L +2D)

Fig.1 Specimen of tensile test for metals

- 34 -

0

20

40

60

80

100

120

0 2 3 5 7 8 10 11 13 15 16 18 20 21

Displacement[mm]

Stress[Mpa]

Annealed Al 1100-O

Fig.2 Stress-displacement curve for annealed Al 1100-O in tension

showing behavior

- 35 -

Fig.3 Schematics of analytical models of the Multi ECAP

(a) initial billet geometry

(b) Multi ECAP with rotation dies

- 36 -

ⅠⅠⅠⅠ

ⅡⅡⅡⅡ

ⅢⅢⅢⅢ

∘

Fig.4 Deformation patterns of ECAP

(a) Ideal case of deformation zone

(b) Hodograph

- 37 -

Die

Punch

Billet

Fig.5 Schematic illustration of ECAP showing the channel angle φ and

the inner coner angle ψ

- 38 -

Fig.6 ECAP originated by Segal and Multi ECAP with rotational dies

using the plasticine

- 39 -

loadcell

LVDT controller

Fig.7 Driving system

- 40 -

(a)

(b)

Fig.8 Components of driving system

(a) Load Cell (b) Torque Transducer

- 41 -

(a)

(b)

Fig.9 continued

(a) Torsional Platen (b) Torque Controller

- 42 -

(a)

Fig.10 Continued

(a) Servo Motor

- 43 -

1

2

3

4

Fig.11 Schematic Diagram of ECAP equipment

- 44 -

3 4

Fig.12 Drawings of dies

- 45 -

(a) (b) (c) (d) (e)

Fig.13 Experimental results of internal deformed flow patterns in

conventional and torsional ECAP

(a) initial specimen (b) originated ECAP model from Segal

(c) conventional ECAP

(d) torsional ECAP at 0.524(rad/s) angular velocity

(e) torsional ECAP at 1.047(rad/s) angular velocity

- 46 -

Fig.14 Photographs of Aluminum billet during extrusion through the

φ=150° ECAP die

- 47 -

Fig.15 Simulation model

- 48 -

(a) (b) (c)

Fig.16 FEM simulations of internal deformed flow patterns in ECAP

(a) punch travel : 20mm (b) 40mm (c) 70mm

- 49 -

(a) (b) (c)

Fig.17 Velocity Vectors in the upper die

(a) Conventional ECAP (b) ECAP with rotation at

(c) ECAP with rotation at

- 50 -

Fig.18 Deformed mesh during ECAP

- 51 -

[Mpa]

Fig.19 Effective stress distributions in conventional ECAP

- 52 -

[Mpa]

Fig.20 Effective stress distributions in torsional ECAP at

- 53 -

Fig.21 Effective strain distributions in conventional ECAP

at punch travel : 70mm

- 54 -

Fig.22 Effective strain distributions in torsional ECAP at ,

punch travel : 70mm

- 55 -

section1

section2

section3s

e

e

e

s

s

(a)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 1.4 2.9 4.4 5.9 7.4

Distance across the billet[mm]

Eff

ective p

lastic s

train

section1

section2

section3

(b)

Fig.23 Effective strain distributions across the billet at m=0.3,

punch travel : 70mm

- 56 -

Fig.24 Relative pressure to the channel die angle[degree],φ

η :　angular velocity to the punch velocity ratio

Fig.24 Relative pressure to the channel die angle[degree]

η :　The ratio of angular velocity to the punch velocity

Upper Bound Analysis

4

6

8

10

12

14

16

110 130 150 170

Inclined channel die angle[degree]

[P/σ0]

η=0.4

η=1.6

η=3.2

η=3.2

F.E.M

- 57 -

Upper Bound Analysis

2.12

2.83

5.6

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

110 130 150 170

Inclined channel die angle(degree)

(P/σ0)

m=0

m=0.1

m=0.2

m=0.3

m=0

m=0.1

m=0.3

F.E.M

Fig.25 Relative pressure to the channel die angle[degree],φ

m : friction factor

- 58 -

F. E. M

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 18 38 50 61

Punch travel[mm]

Form

ing f

orc

e[kN

]

Ф=135°

Ф=140°

Ф=145°

Ф=150°

Ф=155°

Ⅰ Ⅱ Ⅲ

Fig.26 Forming force to the punch travel at m=0.3,

φ : inclined channel die angle

- 59 -

F. E. M

0

5

10

15

20

25

30

35

0 21 43 54 66

Punch travel[mm]

Fo

rmin

g f

orc

e[

kN

]

η=0

η=1.6

η=3.2

η=4.8

Ⅰ Ⅱ Ⅲ

Fig.27 Forming force to the punch travel at m=0.3

- 60 -

F. E. M

0

5

10

15

20

25

30

35

0 21 43 54 66

Punch travel[mm]

Fo

rmin

g f

orc

e[kN

]

m=0

m=0.1

m=0.3

Ⅰ Ⅱ Ⅲ

Fig.28 Forming force to the punch travel at

- 61 -

0

5

10

15

20

25

30

35

0 16 32 47 54 62

Punch travel[mm]

Fo

rmin

g l

oa

d[kN

]

F.E.M

EXP.

Ⅰ Ⅱ Ⅲ

Fig.29 Forming load-punch travel relationships between finite element

analysis and experiments at

- 62 -

0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4

Number of passes

Hard

ness[HV]

Fig.30 The amount of changes of Micro-Vickers hardness on the cross

section to the pass numbers

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 1 2 3 4

Number of passes

Ten

sile

str

engt

h[M

pa]

0

20

40

60

80

100E

long

atio

n[%

]

Fig.31 The amount of changes of mechanical properties(U.T.S &

Elongation) to the pass numbers

- 63 -

10101010㎛㎛㎛㎛

(a)

10101010㎛㎛㎛㎛

(b)

Fig.32 Optical micrograph of the Al 1100-O before and after ECAP to

the pass numbers, (a) N=0, (b) N=1, (c) N=4, (d) N=6

- 64 -

10101010㎛㎛㎛㎛

(c)

(d)

Fig.33 Continued

- 65 -

참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌

[1] V.M.Segal, Materials processing by simple shear, Materials Science

and Engineering A197, pp.157-164, 1995.

[2] Yoshinori Iwahashi et.al., Principle if Equal-channel angular pressing

for the processing of ultra-fine grained materials, Scripta Materialia, Vol

35, No2, pp143-146, 1996.

[3] Y.Wu and I.Baker, An experimental study of equal channel angular

extrusion, Scripta Materialia, Vol.37, No.4, pp437-442, 1997.

[4] Kiaotaka Nakashima et al, Development of a multi-pass facility for

equal-channel angular pressing to high total strains, Materials Science

and Engineering A, Vol.281, issues 1-2, pp82-87, 1999.

[5] 강효경, 김형욱, 강석봉, ECAP법에 의해 제조된 6061 알루미늄 합금의 미

세조직과 기계적 특성에 미치는 가공온도의 영향, 대한금속․재료학회지, Vol.40,

No 2, pp168-176, 2002.

[6] Akira Azushima, Koshiro Aoki, Properties of ultrafine-grained steel

by repeated shear deformation of side extrusion process, Materials

Science and Engineering, 2002.

[7] W.Proger and P.G.Hodge, 'Theory of Perfectly Plastic Solid',

Chapman and Hall, London, 1951.

[8] Y.H.KIM, X.Ma, P.D.Hodgson and M.R.Barnett, "Multi Equal Channel

Angular Pressing with Rotation Dies", Material Science Forum

- 66 -

Vols.426-432,pp.2777-2782, 2003.

[9] Y.H.Kim,J.H.Park and Y.E.Jin, "An upper Bound Analysis for

Torsional Upset Forging of Cylindrical Billets", Proceedings of the 6th

int. conference on Technology of Plasticity. Adbanced technology of

Plasticity, Vol.2, pp.859-864 ,Setptember, 1999.

[10] 권기환, 채수원, 권숙인, 김명호, 황석근, “Pure-Zirconium 의 ECAP 공

정에서 금형의 교차각과 만곡각에 따른 재료의 변형거동해석” 대한기계학회 추

계학술대회논문집A, pp747-753, 2000.

[11] 박상석, 권기환, 채수원, 권숙인, 김명호, 황석근,“Pure-Zr의 ECAP 공정

에서 마찰의 영향연구” 한국정밀공학회 추계학술대회논문집, pp409-412,

2000.

[12] 권기환, 채수원, 권숙인, 김명호, 황석근, “Pure-Zr의 ECAP 공정에서 마

칠이 재료의 변형 거동과 금형에 미치는 영향” 한국정밀공학회지, 제18권, 제6

호, pp182-187, 2001.

[13] 안석환, 남기우, 김진환, 강석봉, “ECAP 가공한 알루미늄합금의 결정립

미세화에 대한 비파괴평가” 비파괴검사학회지, 제22권, 제2호, pp132-139,

2000.

[14] 강효경, L. Bachclard, 김형욱, 강석봉, “온간 ECAP법에 의해 제조된

5083 Al 합금의 미세조직과 기계적 특성”, 대한금속학회지, Vol. 39, No. 5,

pp.553-559, 2001.

- 67 -

The recent successful development of the equal channel angular

pressing(ECAP) process in metals provides a feasible solution to produce

ultra-fine or nano-grained bulk materials with tailored material

properties. However, ECAP is difficult to scale up commercially due to

ecxessive load requirements. In this paper, a new Multi-ECAP process

with die rotation is considered to obtain ultra-fine grain structured

materials under a moderate deformation force. It is shown that an

addition of torsion results in a reduction in the pressing force and an

increase in severity of plastic deformation. An analysis using the upper

bound method is found to be useful in predicting the pressing load and

channel angles under different angular velocities of dies. Relative

JU-HYUN LEE

Dept. of Precision & Mechanical Engineering, Graduate school,

Pusan National University

Abstract

A A A A Study Study Study Study on on on on the the the the Ultra-Fine Ultra-Fine Ultra-Fine Ultra-Fine Grain Grain Grain Grain Sizes Sizes Sizes Sizes of of of of Aluminum Aluminum Aluminum Aluminum by by by by Severe Severe Severe Severe Plastic Plastic Plastic Plastic Deformation Deformation Deformation Deformation Process Process Process Process

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pressures are presented and some computed solutions are compared

with those found by FEM simulation. In addition experimental research

using Al 1100-O is carried out on the ECAP process.The theoretical

predictions of the pressing load are in good agreement with the

experimental results. The amount of plastic deformation is determined by

the inclined angle between the two intersecting channels, and the

velocity ratio between the angular velocity of dies and the normal

component of the punch velocity.