The prediction of metal flow together with forging load in upset forging is very important, since it makes a great influence on the deformed shapes, mechanical properties and surface defects.
The present study is concerned with upset forging of non-circular prismatic blocks in which the developed metal flow is nonuniform both in the plane section of the billet and along its thickness. Upset forging of non-circular blocks is characterized by the three-dimensional deformation with lateral sidewise spread as well as axial bulging along thickness occurring in the plane including the upsetting axis.
For the analysis of upset forging of general prismatic blocks a kinematically admissible velocity field to incorporate the three-dimensional deformation is proposed. From the proposed velocity field the upper-bound load and the deformed configuration are determined by minimizing the total power consumption with respect to some chosen parameters. In computation the deforming region is divided into the finite number of small elements and the work-hardening effect is considered for each elemental region. The analysis is made in three stages according to the billet shape.
ⅰ) Upset forging of elliptical disks of various aspect ratios.
ⅱ) Upset forging of regular polygonal blocks; as examples, regular triangle, square and regular hexagon.
ⅲ) Upset forging of arbitrarily-shaped prismatic blocks; as examples, clover and rounded rectangles of various aspect ratios.
In order to confirm the validity of the proposed velocity field, experiments have been carried out with annealed AISI 1015 steel billets and commercially pure copper billets at room temperature for different geometrical shape and frictional conditions. The theoretical predictions both in the forging load and the deformed configuration are shown to be in good agreement with the experimental results.
Therefore, the proposed method of analysis in the present study can be used for the prediction of forging load and deformation in upset forging of arbitrarily-shaped prismatic blocks.
업셋팅 단조에 있어서 금속유동(metal flow)과 단조하중(forgingload)은 가공물의 기계적 성질, 결함, 변형 형상등에 많은 영향을 미치고있기 때문에 이들의 예측은 매우 중요하다. 본 논문은 소재의 축방향 뿐만아니라 축에 수직인 횡단면에서도 금속유동이 불균일한 비원형 블록(noncircular block)의 업셋팅 단조를 해석하는 것으로 하였다. 비원형 단면을 갖는 소재의 업셋팅은 두께방향으로의 벌징(bulging)변형과 횡단면 내에서의 변형(sidewise spread)을 동시에 갖는 3차원 변형을 나타내고 있다.
본 논문에서는 이의 해석을 위해 먼저 3차원 변형을 표현할 수 있는 동적가용속도장(Kinematically Admissible Velocity Field)을 제안한다. 업셋팅에 필요한 단조하중과 단조후의 제품의 변형형상은 상계이론(upperbound theory)에 의한 전체에너지 소비율을 주어진 변수들에 대해 최소화 시킴으로써 결정된다. 이론 계산에 있어서 재료의 가공 경화를 고려하기 위해 소성변형 영역을 유한개의 요소들로 나누고 이들 각 요소에 대해서 유효 변형도, 유효응력, 에너지소비율 등을 계산한다. 본 논문은 가공물의 형상에 따라 다음과 같이 3분야로 나누어 연구되었다.
ⅰ) 원형 및 타원형 소재의 업셋팅 단조
ⅱ) 정3각형, 정4각형, 정6각형과 같은 정다각형 블록의 업셋팅 단조
ⅲ) 클로바(clover)형상, 라운딩된 직사각형과 같은 임의의 단면형상을 갖는 블록의 업셋팅 단조
제안된 이론의 타당성을 입증하기 위해 각 분야별로 실험을 수행하였다. 재료로 SM15C 탄소강과 순수상용 구리를 사용하여 마찰조건과 소재형상등을 바꿔가면서 상온에서 실험하였으며 이론에 의해 구해진 단조하중과 변형 형상은 실험결과와 잘 일치하고 있음을 보여주고 있다. 따라서 본 논문에서 제안한 해석 방법은 임의의 단면 형상을 갖는 업셋팅 단조에 있어 단조 하중과 변형 형상을 예측하기 위해 일반적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.
