소성가공 시뮬레이션

1. 서론

소성가공은 가격과 품질 요구를 동시에 만족시킬 수 있는 대량 생산 기술이다. 소성가공 기술은 한 국가의 산업 경쟁력의 척도가 되고 있다. 소성가공 기술의 발전은 소재산업(제강, 비철금속 재련, 압연, 인발, 압출, 열처리), 수요산업(자동차, 전자, 기계, 조선, 건설기계, 농기계), 기반산업(자동화, 장비, 금형, 윤활, 생산) 등의 발전, 투자 여력을 지닌 기업가, 고급 인적 자원 등의 필수조건에다 관련 산업 경험이 뒷받침되어야 한다. 따라서 소성가공 산업은 진입장벽이 높은 선진국형 산업이다.

우리나라는 이 분야에서 세계 5강에 속한다고 평가되고 있다. 정부의 부품소재산업 육성 정책이 본격화된 이후 약 40년의 짧은 기간에 이룩한 이러한 눈부신 발전의 역사 뒤에는 우리나라에 유리하게 전개된 글로벌 정세 및 경제 상황이라는 행운이 있었고, 제철산업의 국제 경쟁력, 자동차 산업의 급발전, 기업가 정신과 함께 짧은 경험의 한계를 극복하는데 필요한 단조 시뮬레이션과 같은 CAE 기술이 큰 영향을 미쳤다고 아니할 수 없다.

소성가공은 체적소성가공과 판재소성가공으로 분류되며, 체적소성가공은 단조, 압출, 압출, 인발, 특수성형 등을 포함한다. 전통적으로는 단조가 소성가공을 대표하는 의미로 사용되어 왔다. 판재성형 이론은 부피 대비 두께가 매우 작다는 전제 하에 도출된 가정으로부터 시작된다. 최근 단조 시뮬레이션 기술의 발전으로 판재의 형상적 특성을 무시한 방법, 즉, 체적소성가공 시뮬레이션 방식을 적용한 판재성형 공정의 시뮬레이션이 늘어나는 추세에 있다.

그러므로 시뮬레이션 관점에서 보았을 때, 단조는 소성가공의 대표성을 지닌다고 볼 수 있다. 단조와 판재성형의 중간 지역에 머무르고 있는 판단조의 경우, 공정 시뮬레이션을 위한 단조 방식의 접근이 훨씬 유리하다. 따라서 이 칼럼에서는 단조를 넓은 의미로 사용되기도 한다.

과거의 시행착오적 방식에 의한 소성가공 공정 개발은 장시간과 고비용을 초래한다. 단조산업에서 개발은 핵심적 요소이지만, 대량생산의 특성상 실제적으로는 개발 목적으로 장비를 활용하는 데는 많은 제약이 따른다. 개발의 성공 여부는 가격과 품질 경쟁력에 좌우된다. 20여년 전만 하더라도 이러한 종합적 요구를 만족하는 단조공정의 개발에는 다수의 시행착오가 불가피하였다.

이러한 문제의 해결을 위하여 선진국에서 1990년대에 중반부터 단조 시뮬레이션 기술의 사용이 시작되었다. 국내에서도 그 시기에 국산 단조 시뮬레이터의 등장으로 단조 시뮬레이터의 활용이 본격화되었다. 우리나라에서는 중소기업으로부터 단조 시뮬레이터의 사용이 활성화된 점이 특징이다.

1980년대부터 본격화된 국가적 부품산업 육성 정책으로 1990년대에 들어와 각종 기계 및 전자 부품의 국산화가 가속화되고 있었다. 이 시기는 일본 경제의 침체와 소련의 붕괴에 따른 값싼 소성가공 장비의 초저가 확보가 가능하였기 때문에 단조산업이 급성장을 앞두고 있었다. 단조 시뮬레이터는 이러한 특수한 산업경제적 여건에서 절실했던 경험 인력과 고급 인력 부족 문제를 해소하는데 크게 기여하였다.

단조 시뮬레이터는 특히 자동차부품산업의 발전에 기여한 바가 크다. 과거, 6개월 이상 소요되던 비교적 복잡한 단조공정의 개발이 1-2 주 이내로 단축되었다[1]. 현재 단조 시뮬레이터는 고정도화를 통하여 시험생산을 배제시키는 방향으로 소성가공 산업의 발전을 선도하고 있다. 그림 1은 1990년대 중반, 단조 시뮬레이터가 접목된 초창기 시절의 주요 적용 사례[1]를 나타내고 있으며, 그림 2는 최근의 적용사례[2,3,4]를 나타내고 있다.

그림 1. 1990년대 중반의 전형적인 적용 사례

그림 2. 최근의 대표적인 적용 사례

10여년 전만 하더라도 단조 시뮬레이션에서 가장 중시하던 요소가 계산시간이었다. 이 시기에는 소프트웨어들이 소성가공 공정 및 이론의 창의성과 다양성을 반영하기에 부족한 면도 있었지만, 사용자의 결과에 대한 믿음이 약했던 것도 부인할 수 없는 사실이다. 그 당시에는 대부분의 사용자들이 해석결과를 참고용으로만 사용하였다.

지금도 그런 시각을 가진 기술자들이 다수 있는 것이 현실이다. 오랜 경험을 지닌 기술자일수록 더 심한 경향이 있다. 단조 시뮬레이션 기술은 기술자의 눈높이만큼의 결과와 가치를 제공한다고 볼 때, 사용자가 갖추어야 할 덕목은 결과의 정확도에 대한 믿음이다.

결과의 정확도와 가치는 사용자가 인식하고 있는 이론의 깊이와 사용자가 준비한 정보 및 활용 경험에 의존적이기 때문이다. 일반적인 사용자라면, 단조 시뮬레이션 결과는, 그림 3에서 보는 바와 같이, 공학적으로 충분할 정도의 정확도를 보장하고 있다. 그 이유는 앞으로 연재될 칼럼에서 밝혀질 것이다.

그림 3. 단조 시뮬레이션 결과의 정확도 (우측 상단 이상함. 원본 참조)

해석결과에 영향을 미치는 요소는 재료 모델, 공정의 수치 모델, 요소망의 품질, 유동특성으로 대표되는 재료의 물성치, 마찰정보 등이다. 재료는 기본적으로 탄성변형률, 소성변형률, 변형률속도, 온도, 손상도 등에 다소의 영향을 받는다. 가령, 냉간 소성가공에서 재료의 탄성변형이 큰 영향을 미칠 수도 있다. 예를들면, 벤딩공정에서 탄성변형과 관련된 스프링백은 제품의 최종 형상과 품질을 좌우한다.

그러나 대부분의 냉간체적소성가공에서 탄성변형은 무시될 수 있다. 온도와 변형률속도도 상황에 따라서는 무시될 수도 있고, 그 반대로 중시될 수도 있다. 일반적으로 냉간단조에서 온도와 변형률속도의 영향을 무시하고 있지만, 봉재의 전단공정에서 특히 재료의 변형률속도 의존성은 전단면의 형상 및 품질에 큰 영향을 미친다 [5].

문제를 근본적으로 해결할 수 있다는 전제하에, 재료모델은 단순할수록 유리하다. 그러나, 가령, 온도 영향으로 발생하는 재료 심부의 결함 규명을 위해서는 재료 유동특성의 온도 의존성을 고려해야 한다. 일반적으로 재료의 탄성변형의 고려 여부에 따라 해법상에서 큰 차이가 발생하기 때문에 탄소성과 강소성 유한요소법으로 구분되고 있다. 물론 변형률속도를 고려해야 할 경우, 점소성 모델이 사용되어야 한다.

만약 여기에다 온도의 영향까지 고려하고 탄성변형을 무시한다면, 강열점소성 재료 모델이 사용되어야 한다. 그리고 이러한 재료 모델을 지원하는 해법이 강열점소성 유한요소법이다. 경우에 따라서는 손상도나 금속의 미세구조가 재료의 거동에 영향을 미친다고 간주할 수도 있다. 이러한 재료 모델을 지원하는 유한요소해석 기능이 대부분의 범용 소프트웨어에서 제공되고 있다.

공정에 관한 수치 모델링에는 기술적 및 경험적 요소가 크게 작용한다. 좋은 모델링을 위해서는 공정에 관한 통찰이 필요하다. 이것은 역학 현상에 대한 식견과 해결하고자 하는 문제에 관한 정확한 이해가 전제되어야 가능하다. 좋은 모델링을 위해서는 경험적 요소도 매우 중요하다. 간접적인 방법으로 모델링 기술을 획득하기 위하여 적용 사례와 학술 자료에 관한 학습을 지속적으로 실시하는 것이 바람직하다. 특히, 기회가 된다면, 빠른 활용의 시도가 개인이나 기관의 발전에 매우 중요하다.

활용 시작이 바로 이익을 보장하는 것이 아니기 때문이다. 모든 상용 소프트웨어의 사용은 그 나름대로 쉽게 되어 있다. CAE SW의 사용법을 숙지하고 결과를 얻는 것은 기술이 아니라 기능에 속한다. 문제와 직접 연관된 현상을 반영할 수 있는 해석 모델을 만들고 이로부터 얻은 결과로부터 가치를 뽑아내는 것(기술)은 사용법을 숙지하여 CAE SW를 잘 활용하는 것(기능) 이상의 의미를 갖는 것이다.

이 칼럼에서는 소성가공 시뮬레이션 기술의 과거와 현재와 함께 그 본질을 소개하며, 시뮬레이션 결과에 영향을 미치는 요소 중에서 가장 기본적인 요소망의 생성 및 재구성에 관하여 설명한다. 연재될 칼럼에서는 기술자가 지속적으로 개선시켜 나아가야 할 재료의 유동특성(두 번째 칼럼)과 마찰특성(세 번째 칼럼)에 관하여 알루미늄 등의 경량 금속의 소성가공 관점과 단조 시뮬레이션 기술의 정확도 측면에서 설명한다.

2. 소성가공 CAE

그림 4에서 보는 바와 같이, 소성가공 공정의 해석은 역학적 예측과 재료학적 예측으로 구성된다. 이 두 예측은, 비록 공정 전체로 볼 때 연계성은 분명히 존재하지만, 서로 독립적으로 실시되는 것이 일반적이다. 그 첫번째 이유는 하나의 해석스텝 내에서 연계성이 크지 않다는 것이다. 그리고 해석 시간도 연계성을 무시할만한 이유가 된다.

그림 4. 소성가공 CAE 문제의 구성

협의의 소성가공 CAE는 역학적 예측에 국한되어 사용되고 있다. 역학적 예측은 세 개의 자연법칙, 즉 질량보존법칙, 운동량보존법칙(뉴톤의 운동법칙), 에너지보존법칙을 연립하여 푸는 것이다. 물론, 계산 시간 측면에서 뉴톤의 운동법칙과 에너지보존법칙 간의 완전한 연계 해석은 해의 정확성 향상에 비하여 계산시간 증가의 부정적 요소가 클 수가 있다. 이 세 법칙은 소성가공 공정을 대상으로 하는 비선형 편미분방정식과 경계조건으로 구성된 전형적인 복잡한 경계치문제로 수식화된다.

 😥 미리 보기는 여기까지!
내용을 이어서 보고 싶다면,
아래 정보를 입력해 주세요.