The quality of the forged parts produced from the wires is dependent on evolution of surface defects in wire drawing since surface defects left in the drawn wires lead to a possible defect in a secondary forging process. In this study, three-dimensional finite element simulations for the multi-pass drawing were carried out in order to evaluate deformation behavior of longitudinal surface defects introduced during the manufacturing processes. An in-house finite element program for bulk metal forming analyses, CAMPform3D, was used to simulate the drawing process. Free surface contact treatment was employed to suppress node penetration in the numerical simulations of evolution of various surface defects. Numerical simulation results were compared with the experimental data obtained by optical microscopy for the drawing samples of medium carbon steel wires with longitudinally notched crack in terms of variations of load requirements and evolution of the cross-sectional shapes of surface defects. Aside from the small difference between the numerical and experimental result, the cross-sectional shape of the surface defects and load requirements were in good agreement between the experiment and simulation. Thus, this approach extended to investigate other cross-sectional shape of surface defects. To identify the cross-sectional shape of defects easily, the aspect ratio was defined as the ratio of the width to the depth of the defect in the cross-sectional plane. Optimization of process parameters has been carried out for the multi-pass wire drawing process with surface defect. The Taguchi method was employed to optimize the wire drawing process parameters. The optimum combination of process parameters is determined from the numerical result and estimated by statistical method. The comparison of the estimated result with the confirmed result shows good coincidence for its validity and reliability. Therefore, the simulation results confirmed the effectiveness of this robust design methodology in optimizing the drawing process. The current numerical approach will be helpful in determining proper processing parameters in the multi-pass drawing process.
선재로부터 생산되는 단조품의 품질은 신선된 강선의 표면품질과 밀접한 관련이 있다. 강선의 표면결함은 후속 공정인 단조공정이나 압조공정 중 표면터짐으로 발전하여 최종 성형품에 치명적인 결함으로 작용할 수 있다. 이러한 표면결함의 발생 원인은 다양하나 일반적으로 신선 전 선재의 표면결함이 신선 후에도 강선에 잔류하여 강선의 표면결함이 되는 것으로 알려져 있다. 연주에서 압연에 걸친 선재가공 전체 공정에서 표면결함이 발생되는 것을 방지하는 것은 매우 힘들며, 또한 일단 발생된 표면결함을 완전히 검출하여 후속 공정 시 그 정보를 활용하는 것도 힘들기 때문에 이들 시도와는 별개의 접근 방법으로 본 연구에서는 신선 공정을 통해 표면결함을 저감시키고자 한다. 이러한 연구 목표에 대한 수행방법으로 본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 신선 공정 중 길이방향 표면결함의 거동을 관찰하였다. 유한요소해석 프로그램은 강점소성 유한요소법에 기반을 삼차원 유한요소해석 프로그램인 CAMPform3D를 사용하였다. 일반적인 소성가공 공정에서는 금형과 소재간의 접촉만을 고려하지만 본 연구에서와 같이 소재의 표면에 결함이 존재할 경우 자유경계면이 존재하게 되고 적절한 경계조건이 주어지지 않을 경우 요소간에 관통이나 접힘이 발생하여 올바른 유한요소해석 결과를 얻을 수 없게 된다. 따라서 본 연구에서는 문헌을 참고하여 자유경계면의 접촉처리를 실시하였고 요소간 관통이나 접힘 현상을 방지할 수 있었다. 이렇게 획득한 유한요소해석의 결과를 인공적으로 가공된 표면결함을 가진 소재의 신선 실험 결과와 비교하여 유한요소해석의 타당성을 확보할 수 있었다. 유한요소해석의 타당성이 확보되었으므로 보다 다양한 단면 형상을 가지는 길이 방향의 표면결함에 대해 유한요소해석을 실시한 결과, 초기 단면형상에 따라 신선 후 표면결함의 거동이 달라지는 것으로 예측되었다. 이러한 표면결함을 저감시킬 수 있는 신선공정 조건을 도출하기 위해 강건설계의 도구로써 널리 사용되고 있는 다구찌 방법을 사용하였으며 유의한 공정변수들의 조합의 최적조건을 도출할 수 있었다.
