An optimization of metal forming processes is necessary to improve productivity and quality. In the past, the optimization of processes depended on field experience of undergoing trial and error. But now, numerical analysis methods reduce the time and money required for process optimization. However, the conventional finite element method (FEM) is inappropriate to anticipate anisotropic behavior during plastic deformation. So, it is necessary to develop a three-dimensional crystal plasticity finite element analysis (CPFEA) program to predict the anisotropic behavior during plastic deformation and to consider differences in productivity according to process parameters of any subsequent process.
In this study, the three-dimensional CPFEA program was developed to predict the anisotropic behavior during the upsetting of a body-centered-cubic (BCC) polycrystalline material of low carbon steel after that material was processed using a continuous hybrid (CH) process that has been suggested as a new continuous severe plastic deformation (SPD) process to manufacture high-strength wires. In the developed CPFEA program, the crystal plasticity constitutive equation was incorporated into the three-dimensional rigid-plastic finite element method. A rate-dependent polycrystalline constitutive law for the slip system was implemented in an in-house rigid-plastic FE program, CAMPform3D. Each integration point in the element was considered to be a polycrystalline material composed of 200 grains. The strain rate of each grain in an assembly was assumed to be the same as the strain rate of the assembly as determined by the Taylor model. The calculated grain orientations and the slip system hardnesses were transferred over to the subsequent upsetting process. In order to verify the program developed in the present study, the predictions of the stress-strain curve and the pole figure were compared with the corresponding experimental results from the literature on uniaxial compression and uniaxial tension. Using the comparisons, the predicted results were found to be in comparatively good agreement with the experimental results from the literature.
In the present study, anisotropic behavior s according to several die intersecting angles and specimens of the upsetting process were considered. Pole figures of several die intersecting angles were calculated using the crystal plasticity (CP) model and results were compared with experimental results from the literature and also with theoretical results. Also, subsequent upsetting processes with respect to the ratio of height to diameter of the specimen were simulated by CPFEM. Upsetting simulations were carried out using developed program to consider the anisotropic behavior of the specimen and the die intersecting angle effect of the CH process.
It is expected that this study procedure can be a great help in predicting the workability of low carbon steel wires after such wires are processed by the CH process, which process can also be applied to the industry.
제품 생산성과 품질 향상을 위하여 금속 가공 공정의 최적화는 필수적이다. 과거에는 현장 경험에 의존한 시행착오를 통하여 공정 최적화가 이루어졌으나, 최근에는 수치 해석 기법을 이용하여 공정 최적화에 소비되는 시간과 비용을 절감하고 있다. 하지만 기존의 유한요소법은 소성 가공 중 발생하는 이방성 거동을 모사하는데 한계가 있다. 따라서 소성 가공 중 발생하는 이방성 거동을 예측하고 공정 변수에 따른 가공성의 차이를 예측하기 위해서는 3차원 결정소성 유한요소 해석 프로그램의 개발은 필수적이라고 할 수 있다.
본 연구에서는, 결정소성 유한요소법을 이용하여 본 연구실에서 개발한 극한 소성 가공 공정인 연속 하이브리드 공정시 발생하는 소재의 집합조직 진화 및 후속 공정에서의 이방성 변형 거동을 예측하기 위한 결정소성 유한요소해석 프로그램을 개발하였다. 개발된 결정소성 유한요소 해석 프로그램은, 본 연구실의 인하우스 코드인 강점소성 유한요소해석 프로그램에 속도 의존성 결정소성 구성 방정식을 적용하였다. 각 요소의 각 적분점은 200개의 결정립을 가진 다결정 소재로 구성되어 있다고 가정하였으며, 다결정 모델인 Taylor 모델을 사용하여 모든 결정립의 변형률 속도는 다결정 집합체의 변형률 속도와 동일하다고 가정하였다. 계산된 결정립의 방위와 슬립 시스템의 경화정보는 후속 공정의 시편으로 전달된다. 개발된 프로그램을 검증하기 위하여 일축 인장 및 일축 압축 실험의 응력-변형률 선도 및 극점도와 해석 결과를 상호 비교 하였다. 비교 결과를 통해 해석 결과가 실험 결과와 비교적 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
이번 연구에서는, 금형 교차각 및 후속 공정 시편의 기하학적 특성에 따른 이방성 거동을 고찰하고자 하였다. 몇가지 금형 교차각 경우에 따른 극점도를 결정소성 모델을 이용하여 계산하고, 그 결과를 실험 결과 및 이론 결과와 비교해 보았다. 그리고 시편의 형상비에 따른 후속공정의 이방성 거동을 결정소성 유한요소법을 통하여 모사하였다. 업세팅 해석을 통해 시편 형상 및 금형 교차각이 이방성 거동에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
본 연구 과정을 통하여 연속 하이브리드 공정과 같은 소성 가공 공정을 거친 저탄소강 선재의 가공성 예측에 도움이 될 것으로 기대 되며, 이를 확장하여 산업 현장에도 적용이 가능할 것으로 기대된다.
