The present investigation is an attempt to estimate the cold forging tool life, The cold forging tool life is usually limited by high and low cycle fatigue, wear, geometries of tools, defects in tool material, properties of tool and workpiece materials, friction conditions on the interface of tools and workpiece and the surface finish of tools. Since processing conditions like friction and material defects are immeasurable and tool material and geometry are usually considered as constant after designing stage, therefore fatigue would be the most dominant variable in limiting cold forging tool life. High strength and hardness of tool material along with the requirement of net shape manufacturing limits the chances of plastic deformation in tool, therefore, high cycle fatigue phenomenon usually takes place.
In the present study, four different workpiece materials were considered and their material properties were determined through the compression test. Finite element analysis of multistage bolt forming process was carried out by employing rigid viscoplastic program and then the elastic analysis of tool without and with stress ring was also carried out. Due to very high computation time required for 3D simulations, 2D axi-symmetric approximation was introduced and then computational results were compared between 2D axi-symmetric and 3D hexagonal bolt simulations. It was found out that the stress conditions on lower dies for both cases showed an acceptable difference. Therefore, 2D approximation results were used in the rest of the investigation.
The life cycles of already in use tools were obtained from industry. The fatigue strength coefficient and fatigue strength exponent was inversely calculated by plotting stress amplitude against the number of lifecycles. These fatigue properties contain the effect of all the immeasurable service life limiting parameters like friction, temperature change, non-uniform loading and unloading of tools and other unknown processing conditions. The obtained fatigue properties can be used in estimating the service lives of other cold forging tools, manufactured with the same tool material.
For the estimation of high cycle fatigue life, local stress and strain approach was employed in the present investigation. Tool life cycles were determined for four different workpiece materials and then the effect of workpiece material on tool life was analyzed. The relationship between the stress amplitude on tools and the workpiece material property like K and n was determined and then later used in the formulation to introduce the effect of workpiece material in local stress and strain approach.
In industry, a lower value of an effective stress on the tool insert is employed in deciding the amount of shrink fit for stress ring. However in this investigation, it was found that the effective stress amplitude is a more significant factor in optimizing the cold forging tool life against high cycle fatigue. In this regard, a variety of shrink fits was brought under investigation and a new concept based on stress amplitude in case of high cycle fatigue is employed in deciding the optimum value of shrink fit, hence, maximizing tool life.
본 논문에서는 냉간금형의 피로수명예측에 관한 연구를 수행하였다. 일반적으로 피로수명예측을 위해서는 금형재료의 피로강도 및 계수를 실험적으로 구해야 한다. 그러나 이와 같은 재료상수들을 피로시험을 통해 구한다 하더라도 피로 수명을 일반적으로 예측하기는 매우 어려운 일로 결과적으로 통계적인 방법을 통해서 구해지는 것이 일반적인 관례이다. 따라서 본 연구에서는 피로시험에 의해 재료상수를 구하지 않고 역으로 산업체에 알려진 통계적인 수명 값으로 부터 이들 재료상수를 구하는 방법을 제안하였다.
이와 같이 구한 재료상수들의 정확도를 비교하기 위해 2단계 볼트 성형공정을 이용하여 성형공정해석과 금형의 탄성변형 해석을 유한요소해석 프로그램을 적용하여 구하고, 이들로부터 계산되어진 응력 값들을 이용하여 금형의 피로수명을 성형되는 재료들에 따라 예측하여 비교하였다.
피로수명을 예측하기 위해 사용한 경험식으로는 금형에 가해지는 주기적 응력의 평균값을 고려하지 않는 Basquin 식과 이를 고려하는 Morrow의 식을 이용하여 계산하였다. 또한 계산된 피로수명 값을 비교하기 위해 비슷한 금형재료의 피로 물성치를 참고문헌에 나와 있는 값을 이용하여 상호 비교하였다.
금형의 피로수명은 성형되는 재료에 따라 변하는 것이 관례이다. 따라서 본 연구에서는 금형의 피로수명을 성형되는 재료의 강도계수 (K)와 가공경화지수 (n)값을 이용하여 간단히 구할 수 있는 식을 구하였다. 이와 같은 식을 이용할 경우 복잡한 계산을 이용하지 않고도 금형의 피로수명을 예측할 수 있기 때문에 성형되는 재료에 따라 금형재료를 가늠할 수 있는 장점이 있다.
일반적으로 금형의 인서트에 작용하는 유효응력의 크기가 작아지도록 끼워맞춤 양을 정하는 것이 산업체의 관례이다. 따라서 본 연구에서는 끼워맞춤 양에 따른 유효응력 값의 변화를 계산해 봄으로서 상대적으로 금형의 피로수명을 연장시키는 금형의 끼워맞춤 양을 정하고자 하였다. 결과로 기존에 산업체에 알려져 있던 금형의 끼워맞춤 양과는 다른 결과를 얻을 수 있었고 이와 같은 결과를 이용하여 금형의 수명을 연장시킬 수 있을 때 성형공정의 경제성을 늘릴 수 있을 것이다.
