유도 가열을 이용한 전자기 성형 실험 장치 구축 및...
TRANSCRIPT
항공우주시스템공학회 2018년도 춘계학술대회 SASE 2018 Spring Conference
1. 서 론
전자기 성형(EMF, Electromagnetic Forming)은 고
속 성형 기술의 하나로 펄스 자기장을 이용하여 높은
전기전도도를 가지는 금속 환봉 또는 판재를 성형하는
기술이다. 큰 특징은 강한 전자기력을 사용하여 유도
전류를 피 가공물에 직접 인가시켜 성형하기 때문에
피 가공물과 기계적 접촉이 없어 고속으로 성형을 할
수 있다.[1,]
소재가 1 ms 이내의 짧은 시간 동안 성형되면 소재
의 성형성이 향상되어 비교적 복잡한 형상도 성형이
가능하고 저속일 때 보다 스프링 백(Spring-back)이
저감되는 장점이 있다. 그러나 전자기 성형의 경우, 순
간적인 하중으로 성형하기 때문에 바운싱(Bouncing)이
발생한다. 바운싱은 피 가공재가 금형에 접촉 후 다시
표면으로 튀어 오르는 현상을 말하는데, 스프링백과는
다른 현상이다.[2]
본 연구에서는 바운싱 현상을 줄이고 초고강도강,
알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등에 적용할 수 있는
피 가공물의 가열 후 전자기 성형을 수행하고자 한다.
가열 후 가공하면 작은 하중으로 커다란 변형을 줄 수
있고, 거친 가공에 적합한 장점이 있지만, 가공 면이
거칠고 산화되기 쉽다는 단점이 있다. 가열 방식은 전
자기 유도 가열 방식을 적용한다. 전자기 성형과 동일
하게 비접촉으로 빠른 시간 내에 고온으로 가열할 수
있고 친환경적의 방식이다.[3]
따라서 본 논문에서는 정밀성을 증가시키고 초고강
도강과 알루미늄 합금의 성형성을 높일 수 있는 가열
후 전자기 성형 장치를 구성하고 실험을 수행하였다.
모든 구성 장치는 자체적으로 설계하고 구성된 장치를
이용해 실험을 수행하였다. 상온 약 20 ℃와 가열 후
약 200 ℃일 때 결과를 비교하였다. 시편은 AL6061의
파이프로 하였다.[4]
유도 가열을 이용한 전자기 성형 실험 장치 구축 및 검증
백인석1· 탁승민1· 강한빈1· 최진규1· 이석순1,†
1국립경상대학교 기계항공공학부, ERI
Installation and Verification of Electromagnetic Forming ExperimentalEquipment using the Induction HeatingInseok Baek1, Seungmin Tak1, Hanbin Kang2, Jinkyu Choi1 and Seoksoon Lee1,†
1School of Mechanical and Aerospace Engineering, ERI, Gyeongsang National University
Abstract : 전자기 성형은 고에너지 고속 가공법으로 펄스 자기장을 이용하여 높은 전기전도도를 갖는 공작물을 성형하는 기술이다. 유도 가열 공정을 적용하여 공작물을 가열해 재료의 유동 응력을 낮추면 성형성이 높아져 낮은 성형성을 가지는 초고강도강 성형에 적용할 수 있다. 본 연구에서는 전자기 성형 및 유도 가열 실험 장치를 구축하였다. 유도 가열 장치로 AL6061 튜브를 약 200 ℃까지 가열 후 순차적으로 전자기 성형 실험을 하였다. 상온의 시편은 변형이 발생하지 않았으나 가열 시편은 약 1 mm의 변형이 발생하였다. 따라서 실험 장치 구축에 상공하였고, 지속된 연구를 통해 상온에서 낮은 성형성을 가지는 소재의 성형 방법에 전자기 성형의 저변 확대가 기대된다.
Key Words : 고에너지 고속 가공법(High energy rate forming), 전자기 성형(Electromagnetic forming, EMF), 성형성(Moldability), 유도 가열(Induction heating), AL6061
†교신저자 ( Corresponding Author )E-mail: [email protected] Ⓒ The Society for Aerospace System
Engineering
FA5-1
196
항공우주시스템공학회 2018년도 춘계학술대회 SASE 2018 Spring Conference
Fig. 1 Configuration of Electromagnetic forming device
Fig. 2 Triggered spark gap switch
2. 전자기 성형 실험 장치 구성
2.1 전자기 성형 장치 전자기 성형 장치의 구성은 Fig. 1과 같다. 전자기
성형 장치는 에너지를 커패시터에 충전하고 스파크 스
위치를 이용해 순간적으로 에너지를 코일에 방전 시킨
에너지를 이용하여 성형하게 된다. 그래서 장치는 안
전을 최우선으로 하며 충전기를 통해 4~8 까지 에
너지 조절이 가능하다. 충전기의 패널을 통하여 방전
에너지를 확인할 수 있다. 또한 커패시터로 전자기 성
형 장치의 성능을 알 수 있다. 본 연구의 커패시터 성
능은 40 , 최대 전압 8 로 최대 에너지는
1.28 이다. Fig. 2는 스파크 스위치로 가운데 2개의
환봉 모양의 텅스텐을 이용하여 스파크를 발생시킨다.
발생된 스파크에 의해서 방전이 이루어지며 방전에너
지에 따라 텅스텐 사이의 간격이 달라진다. 충전된 에
너지가 클수록 간격이 넓어져야 안전하게 실험이 가능
하다. 간격이 너무 크면 스파크가 발생되지 않는다.
Fig. 3 Configuration of Induction heating device
Fig. 4 Heated specimen as seen in the thermal camera
2.2 유도 가열 장치 유도 가열 장치의 구성은 Fig. 3과 같다. 가열 코일
은 전자기 유도 가열에서 피 가열물의 형태에 따라
원, 사각, 나선, 팬케이크 등의 형상으로 달라질 수 있
다. 냉각을 위해 대부분 관 형태의 구리로 제작이 된
다. ZVS 회로는 전원 공급 장치에서 전기 에너지를 받
아 직류를 교류로 변환하여 공진을 발생시키는 회로이
다. 본 연구에서는 12~48 V, 20 A, 1 kW 급 ZVS 회
로를 사용하였다. 피 가열물에 탄소 함유량이 높을수
록 가열이 쉽게 되는데 알루미늄은 가열이 되더라도
육안으로는 가열이 되는지 확인하기 어렵다. 그래서
Fig. 4처럼 열화상 카메라를 사용하여 200 ℃까지 가
열이 되는지 확인하고 실험을 진행하였다. 유도 가열
시 가열 코일에서도 열이 발생한다. 그래서 소형 펌프
를 이용하여 관 형태의 코일 내부로 물을 흐르게 하여
냉각을 시킨다. 만약 냉각시키지 않으면 코일의 형태
가 열로 인해 변형될 수 있다. 그리고 냉각팬을 이용
하여 2차 냉각을 한다.
197
항공우주시스템공학회 2018년도 춘계학술대회 SASE 2018 Spring Conference
3. 결 과
본 연구에서는 유도 가열을 이용한 전자기 성형 실
험 장치를 구축하였다. 실험 장치 검증은 AL6061 재
질의 길이 150 mm, 두께 2 mm의 파이프 시편을 통
해 20 ℃(상온), 200 ℃(가열) 실험을 하였다.
결과는 Fig. 5에서 나타낸 포인트에서 변위를 측정
하였고 Table 1에서 값을 확인할 수 있다. 20 ℃일 때
최고값과 최저값의 차이는 약 0.2 mm로 최저값은 5
포인트에서 나타났다. 200 ℃일 때 최고값과 최저값의
차이는 0.43 mm로 최저값은 5포인트에서 나타났다.
4. 결 론
상온에서의 시편과 가열 후 시편의 전자기 성형 실
험 결과에서 약 0.2 mm의 차이가 발생하였다. 유도
가열을 이용하여 가열을 하고 전자기 성형 실험을 할
수 있는 실험 장치 구축에 성공하였다.
본 연구에서 실험 장치 구성 중 가장 어려웠던 부분
은 전자기 성형 코일 제작이다. 성형 코일은 피 가공
물과 거리가 가까울수록 성형성이 높아지는데 피 가공
물은 200 ℃ 이상 가열이 되기 때문에 코일 전선에
피해가 입게 된다. 또한 온도 차이가 급격하게 발생하
므로 연속적 실험이 힘들었다.
차기 연구에서는 전자기 성형 코일 설계를 보완하여
온도 별 성형성을 확인하고, 재질에 따라 연구를 진행
할 것이다.
후 기
본 연구는 중소기업청과 중소기업기술정보진흥원의
“중소기업기술혁신개발사업 투자연계과제(과제번
호:S2370889), 차세대 기계항공 창의인재 양성사업인
BK Plus와 교육부 지방 특성화 사업인 CK-1 사업의
지원을 받아 수행된 연구결과임.
Fig. 5 Measuring position and Experimental result of specimen
PositionDisplacement
20 ℃ 200 ℃
1 20.120 20.020
2 20.115 19.989
3 20.116 19.945
4 20.114 19.935
5 20.099 19.591
6 20.110 19.810
7 20.107 19.981
8 20.106 20.021
Table 1 Result of the electromagnetic forming
참 고 문 헌
[1] W. J. An, H. G. Noh, B. S. Kang, J. Kim,
“Experimental Study of Pattern Emboss Forming
ysing an Electromagnetic Force,” Transactions of
Materials Processing, vol. 23, no.6 pp. 363-368,
October 2014.
[2] T. Altan, A. E. Tekkaya, 2012, Sheet Metal Forming:
Process and Application, ASM International.
[3] M. Woo, H. Noh, W. J. Song, B. Kang, J. Kim,
“Development of Electrohydraulic Forming Apparatus
and Its Experimental Study,” Transactions of KSAE,
vol. 25, no. 2, pp. 236-241, March 2017.
[4] A. Melander, A. Delic, A. Björkblad, P. Juntunen, L.
Samek and L. Vadillo, “Modelling of Electro
Hydraulic Free and Die Forming of Sheet Steels,” International Journal of Material Forming, vol.6,
no.2, pp.223-231, 2013.
198