Considering the entire material, when the metal is deformed during a specific process, active slip planes tend to rotate and make the slip direction more nearly parallel to the principal axis of tension. This condition of nonrandom distribution of crystal orientation is known as preferred orientation, and it is also called as deformation texture. Texture affects the overall macroscopic properties of materials such as the anisotropy in the rolled sheet. In bulk metal forming processes, extrusion is the most effective process for production of uniform cross section. Because of the extreme deformations taking place during extrusion, the aluminum profiles have highly anisotropic properties. The experimental and analytical investigations on three point bending and stretch bending have shown the importance of mechanical anisotropy. Therefore, these characteristics of deformation should be reflected on the conventional finite element scheme as a deformation-induced anisotropy. The anisotropic characteristics can then be studied in the industrial extrusion process as an important measure to evaluate the product quality.
In the present work, the deformation-induced anisotropic evolution of material properties is introduced by applying the phenomenological yield potential. Deformation-induced anisotropic properties may represent the microscopic deformation characteristics macroscopically. The Barlat's six-component yield criterion is introduced to analyze the anisotropic characteristics implying the macroscopic deformation. Moreover, the comparison with crystallographic texture analysis based on the crystal plasticity helps to validate the proposed algorithm. Predicted material anisotropy of the simple deformation modes, such as uniaxial stress state and pure shear stress state, is compared with the result from the crystallographic texture analysis based on the crystal plasticity, and, application to the combined stress state as the simulated stress state of the rolling process should be also compared with the result from crystal plasticity. From the comparison, the proposed algorithm to predict the deformation-induced anisotropy can be validated.
After the verification, the proposed algorithm for prediction of deformation-induced anisotropy deals with several numerical examples for the three-dimensional industrial extrusion process. Selected applications are the extrusion of C-section and the extrusion of window guide with a square die, and the extrusion of rectangular tube extrusion with different aspect ratio with a porthole die. For the case of solid section extrusion, the concepts of `region-of-influence' and the Region-Sampling Factor (RSF) are introduced to observe the deformation-induced anisotropy, effectively. Moreover, in the case of hollow section extrusion with a porthole die, the complicated deformation occurs across the process. Therefore, in this case, the concept of flow-line integration is introduced to consider the deformation history of the extruded part.
소성가공 공정은 금속을 성형하는 여러 공정중의 하나로써 재료의 손실을 최소화하면서 좋은 품질의 제품을 얻어낼 수 있는 장점이 있어, 여러 분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 이중 특히 알루미늄 압출 공정은 일정한 단면형상을 갖는 제품에 대해 높은 생산성과 품질, 가격 경쟁력 등을 보장하기 때문에 자동차나 건설 구조물 등의 생산에 많이 사용되어지는 효과적인 공정이다. 그러나, 성형 공정을 통해 제품을 생산하는 과정에서 수반되는 매우 복잡한 변형은 생산된 제품 자체에 불균일성(non-uniformity)을 주게 되며, 이는 제품의 기계적인 성질의 불균일한 분포를 가져오게 된다. 이러한 불균일성은 제품을 사용할 경우, 결함의 발생이나 파손 등의 발생에서 문제가 될 수 있다. 또한, 이렇게 생산된 제품을 굽힘가공과 같은 2차 성형을 추가할 때, 제품에 내재된 기계적인 성질의 불균일한 분포에 의해 원하는 형상으로의 성형이 어려워지는 문제가 발생한다.
이러한 불균일성은 다음과 같은 금속의 미시적인 변형 거동의 특성에 의해 설명될 수 있다. 어떤 특정한 공정을 통해 금속이 변형할 때, 재료는 주어진 변형공정이나 열처리 등의 외부 환경 변화에 따라 매우 민감하게 변화하며, 특히, 금속의 미끄럼면(slip plane)과 미끄럼방향(slip direction)은 공정의 주된 인장의 방향으로 배치하려는 경향을 지닌다. 이러한 경향에 의해 형성되는 금속 결정의 일정한 방향성을 집합조직(preferred orientation)이라고 부르며, 이는 변형에 의해 형성되는 변형 이방성(deformation-induced anisotropy)의 주된 원인이 된다. 따라서, 본 연구에서는 압출 공정을 통해 재료에서 발생하는 변형 불균일성을 실제 현장에서 유용하게 사용할 수 있는 인자인 이방성의 입장에서 접근하고, 이를 이용하여 좀 더 효과적인 공정 분석과 개선을 이룰 수 있도록 한다.
지금까지의 연구에서는 재료의 불균일성을 검토하기 위해 실제의 금속 결정 모델을 사용하여 분석하는 결정립 집합조직 해석(crystallographic texture analysis)에 의해 재료의 이방성 특성을 규명하는 연구가 진행되어져 왔다. 그러나, 이러한 방법은 실제적인 물리적인 거동에 기반을 두고 성립되어졌기 때문에 매우 타당한 특성을 지니는 방법이나, 매우 복잡한 성형을 수반하는 공정에 대해 적용할 경우는 계산 시간이나, 계산의 복잡성 등 많은 문제를 지니기 때문에 실제적인 공정에 대한 적용 시 한계점을 지녔던 것이 사실이다. 따라서, 본 연구에서는 이방성의 고려를 위해 이방성을 표현할 수 있는 현상학적 항복식(phenomenological yield potential)을 도입하여, 항복식의 이방성 계수를 예측하는 방법을 사용함으로써, 변형 공정을 통해 유도되는 변형 이방성을 예측할 수 있도록 하는 알고리즘을 제안하였다. 이렇게 제안된 알고리즘은 연속체 해석과 연계하여 이방성을 예측할 수 있기 때문에, 실제의 생산 공정에서 발생하는 변형이방성의 예측에 효과적으로 적용될 수 있는 장점을 지닌다.
본 연구에서는 그 동안의 여러 연구를 통해 알루미늄 재료에 대해 그 타당성이 검증되어 있는, Barlat의 응력기반 항복식(Barlat’s stress-based yield potential)을 선택하였다. 공정을 통한 변형이 알려져 있는 경우, 변형에 적합한 항복면은 각 이방성 계수에 의해 결정된다고 볼 수 있으므로, 본 연구에서는 이방성 계수의 결정을 통해 변형에 의한 이방성을 예측할 수 있다고 가정하였다. 본 연구에서는 변형에 적합한 항복면이 von-Mises 항복식과 Tresca 항복식의 한계 범위 내에서 결정되는 가장 안정화된 항복면이라고 가정함으로써, 반복계산(iteration)을 통해 이러한 항복면을 찾는 알고리즘을 제안하였다.
우선, 제안된 알고리즘은 단순 변형 모드(simple deformation mode)에서의 결정립 집합조직 해석 결과와 비교함으로써 그 타당성을 검증하였다. 또한, 압연공정(rolling process)과의 상사성을 지닌 복합응력 상태(combined stress state)에 적용한 결과와 결정립 집합조직 해석에 의한 변형 이방성 예측결과와 비교함으로써 알고리즘의 타당성 및 유용성을 검증할 수 있었다. 다음으로는, 이렇게 검증된 알고리즘을 실제의 압출공정에 적용함으로써, 얇은 벽을 지니는 압출제품의 성형에 도입하여 변형에 의해 유도되는 이방성을 예측하였다. 본 연구에서는 C-형 단면 압출과 창틀 가이드 압출과 같은 중실형 압출 공정에 대해 적용하여 보았고, 이때 유효 영향 영역(Region of Influence) 개념을 통해 압출구에서 유도되는 변형 이방성을 제품에서의 변형 이방성으로 볼 수 있다는 가정을 통해 이방성을 관찰하였고, 영역 선정인자(Region-Sampling Factor)를 도입함으로써, 일정한 영역을 선정하여 선정된 영역에서 예측된 이방성을 압출에 의해 성형된 판재에서 실험을 통해 얻어진 이방성 결과와 비교할 수 있도록 하였다. 그리고, 직사각형 튜브와 정사각형 튜브의 중공형 압출 공정에 대해 적용할 경우는, 변형이 압출의 전 공정을 통해 나타나므로 유동선 적분(flow-line integration) 알고리즘을 적용함으로써, 성형 공정을 통해 누적되는 이방성 효과를 고려할 수 있도록 하였다. 이렇게 예측된 변형 이방성 결과는 실험을 통해 얻어진 이방성 결과와 비교함으로써 그 타당성에 대해 고찰하였다.
