The process of hydrostatic extrusion is known to have many advantages as compared with conventional lubricated extrusion. The large amount of oil subject to high pressure brings about several important process problems including stick-slip effect and large energy loss of fluid.
The present study is concerned with hydrofilm extrusion in which the amount of oil is limited to a minimum to eliminate the drawbacks in conventional hydrostatic extrusion. For the analysis of hydrofilm extrusion a modified upper-bound theory is used in combination with the theory of hydrodynamic lubrication. According to the concept of energy minimization the process parameters are optimized such that the total energy composed of metal deformation energy and fluid shear energy dissipation is minimized with respect to the chosen parameters. As a die profile to be optimized, a fourth-order polynomial is chosen both for computation and experiment. Strain-hardening effect is incorporated in the analysis of metal deformation, and variation of viscosity due to pressure change is taken into account in the fluid analysis.
The study is structured in three stages according to the product shape.
(1) Hydrofilm extrusion of solid round rods.
(2) Hydrofilm extrusion of circular tubes.
(3) Hydrofilm extrusion of elliptic sections. The proposed theory can predict the pressure distribution of fluid at the die surface and film thickness at the outlet as well as the mean extrusion pressure. The optimal die profile can also be determined at the minimum extrusion pressure.
In order to confirm the validity of the proposed theory, experiments are carried out for each model. Billets of mild steel (AISI 1015) are extruded using the extrusion set-up at room temperature and castor oil is used as the lubricant and pressure-transmitting medium. The theoretical extrusion pressures are in good agreement with experimental results. The extruded products show beautiful surface finish with no defects found on the surface.
정수압 압출(Hydrostatic extrusion) 방식이 재래식 냉간 압출 방식에 비해 월등한 장점들을 갖고 있으나 높은 유체 압력을 사용 하므로서 생기는 잠재적인 위험과 유체의 방출에 의한 에너지 손실 (Energy loss)이 불가피 하였다.
본 논문에서는 유체의 양을 최소화 하는 박막식 정수압 압출 (Hydrofilm extrusion) 방식이 고안되어 이러한 손실을 극복 하였고 압출 해석을 위해 새로운 에너지 식 (Energy equation) 이 제안 되었다. 고체의 변형에 대한 해석에는 상계이론(Upper-Bound theory) 이, 유체해석을 위해 윤활 이론 (Hydrodynamic Lubrication theory) 이 적용 되었다. 고체의 변형 에너지와 유체의 전단에 의한 소모 에너지 (Energy dissipation) 로 구성된 전체 에너지는 에너지 최소화 개념(Concept of energy minimization) 에 따라 주어진 변수들 (유막의 두께, 금형의 형상 등)에 의해 최소화 되었다. 금형은 4차 다항식으로 표현되는 곡면이 선택 되었으며 고체의 해석에는 재료의 가공 경화 효과 (Strain-hardening effect)가, 유체의 해석에서는 압력 변화에 따른 점성 변화의 효과가 고려 되었다.
본 논문은 압출된 제품의 형상에 따라 크게 다음의 3분야로 나누어 연구 되었다.
(1) 축대칭 원형재의 박막식 정수압 압출
(2) 축대칭 관형재의 박막식 정수압 압출
(3) 타원재의 박막식 정수압 압출
제안된 이론은 평균 압출 압력의 예측은 물론 금형면 에서의 유체의 압력 분포와 출구에서의 유막의 두께 및 최소 압출 압력을 유발하는 곡면의 형상 등 공정상의 유익한 정보를 적은 계산 노력으로 쉽게 얻을 수 있음을 판명 되었다. 제안된 이론의 타당성을 입증하기 위해 각 분야별로 실험이 수행되었다. 실험은 제작된 장치 (최고 사용압 : 18.4 K bar)에 의해 상온에서 저탄소강(SM15C) 을 시편으로 하였고 윤활 및 압력 매체로 피마자 유 (Castor oil) 가 사용 되었다. 이론적으로 얻어진 압출 압력은 실험에 의한 결과와 정량적으로 잘 일치하며 압출된 제품은 매우 아름다운 표면 조도를 보여 준다. 실험중 표면 결함은 발견 되지 않았다.
