고밀도 열원 및 온도 제어를 이용한 금형 국부 영역 열처리에 관한 연구 = A study on heat treatment of the mold local area using a high-density heat source and temperature control
저자
발행사항
대구 : 계명대학교 대학원, 2023
학위논문사항
학위논문(박사)-- 계명대학교 대학원 : 기계공학과 2023. 2
발행연도
2023
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
대구
형태사항
ⅸ,100 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 최해운
UCI식별코드
I804:22003-000000120691
소장기관
Globally, fuel efficiency and environmental regulations are being strengthened in the field of transportation aircraft, and efforts are being made to develop various technologies to improve competitiveness in the development of new materials and parts due to the increase in the cost of energy resources.
Among them, potent measures to improve fuel efficiency in the automobile industry include the reduction of vehicle weight, diversification of body design and design, and development of new materials. Although the proportion of high-strength steel or high-strength steel with excellent rigidity is increasing due to the weight reduction of vehicles, various stresses are generated in the production work of molds, causing cracks and wear. In order to prevent the mold from breaking, it is necessary to reduce the stress or use suitable materials to make the mold.
Local hardening surface heat treatment technologies such as flame hardening method and high-frequency hardening method, which are heat treatment technologies used for local strengthening of existing molds, are used. Surface heat treatment of automobile molds is a surface hardening method that only hardens the surface of the mold without changing the chemical composition of the steel. It is a heat treatment that hardens the surface to increase wear resistance and makes it rigid to withstand external shocks.
The flame surface hardening method mainly used in the field varies depending on the temperature, heating time, and movement speed of the welding flame, and since it is a manual process by the operator, the result of surface heat treatment of the mold may differ depending on the level of proficiency.
In this study, the laser heat treatment device used for local heat treatment using a high-density heat source used a 6kW high-power fiber laser of the square type. The laser heat treatment process irradiates a laser heat source that emits powerful energy on the metal surface, rapidly heats a thin layer on the surface, and then diffuses the martensite area by heat conduction inside, and the chiller uses a vortex tube that generates cold air by generating a vortex phenomenon.
Various temperature distributions generated when laser beams were irradiated on SKD11 materials. Computer simulation results with process variables were compared with actual experimental results, and computer simulation was performed using COMSOL Multiphysics, a finite element analysis software.
세계적으로 수송기 분야에 연비와 환경규제를 강화하는 추세이고 에너지 자원의 비용 증가로 신소재 및 부품 개발에 경쟁력 향상을 위한 다양한 기술개발의 노력이 이루어지고 있다. 그중 자동차산업의 연비 향상의 유력한 방안은 차량의 경량화와 차체 디자인 및 설계의 다변화와 신소재 개발 등이 있다.
차량 경량화로 강성이 뛰어난 고강도강 또는 고장력 강판의 사용 비율이 높아지고 있지만, 금형의 제품생산 작업에서 다양한 응력이 발생하여 균열이나 마모의 원인이 된다. 금형의 파손을 방지하기 위해서는 응력을 줄이거나 적합한 소재를 사용하여 금형을 만들어야 한다.
기존 금형의 국부적인 강화를 위해 사용된 열처리 기술인 화염 경화법, 고주파경화법 등의 국부경화 표면 열처리 기술 등이 사용되고 있다. 자동차 금형의 표면 강화 열처리는 강재의 화학적 성분은 변화시키지 않고 금형의 표면만 경화시키는 표면 경화법이다. 표면을 단단하게 하여 내마모성을 높이고, 외부의 충격을 견딜 수 있도록 강성을 갖도록 하는 열처리이다.
현장에서 주로 사용되는 화염 표면 경화법은 용접 불꽃의 온도, 가열시간, 이동속도에 따라 달라지고, 또 작업자가 수작업으로 이루어지는 공정이기 때문에 숙련도에 따라서 금형의 표면 열처리의 결과가 다르게 나오기도 한다.
본 연구에서는 고밀도 열원을 이용한 국부 열처리 사용된 레이저 열처리 장치는 스퀘어 방식의 6kW급 고출력 Fiber레이저를 사용하였다. 레이저 열처리 과정은 금속 표면에 강력한 에너지를 방출하는 레이저를 조사하여 표면의 얇은 층을 급속히 가열 후 열이 내부의 열전도에 의해 마르텐사이트 영역이 확산이 되며, 냉각장치는 와류현상이 발생하여 차가운 공기를 생성시키는 Vortex Tube를 사용하여 공기를 급속 냉각하는 경화를 진행하였다.
SKD11 소재에 레이저 빔을 조사하였을 때 발생하는 다양한 온도분포를 분석하고 시뮬레이션 변수에 따른 결과를 실제 실험결과와 비교 분석하였으며, 유한요소 해석 소프트웨어인 COMSOL Multiphysics를 활용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 작업하였다.
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