In order to design forging processes effectively and to prevent the defects, analysis of the processes is essential, for the die design and the die manufacture. For the complex problems, numerical method are commonly used for the modeling of forging processes. The effectiveness of the finite element method has long been proved for the prediction of metal flow and defects, forging load, stress and strain distributions, temperature gradients and tool distortion.
Since materials at the elevated temperature are usually rate-sensitive, analysis of hot forging requires two considerations; the effect of the rate-sensitivity of materials and the coupling of the metal flow and heat transfer analysis. The material behavior that exhibits rate-sensitivity is called viscoplastic. A three-dimensional thermoviscoplastic finite element formulation is presented considering the heat transfer. An efficient three-dimensional finite element code of the workpiece and the die has been developed for the simulation of hot forging. The finite element method and the boundary element method are employed for the analysis of the heat transfer. The boundary element method is one of the efficient methods for the transient heat trasfer analysis, because element nodes are fined only on the extemal surface and intermal unknowns are not required.
To show the effectiveness of the three-dimensional thermo-viscoplastic finite element method, forging processes which are useful in the industry such as cogging process and turbine blade forging are analyzed. Simulation of the cogging process focuses on the influence of various cogging paramenters on centerline consolidation such as die shape, die width ratio and temperature gradient of ingot.
In turbine balde forging, the forging experiment was carried out in the laboratory condition and compared with the computation. It has been shownd that the results of the experment and the computation are in good agreements in forging load, temperature distribution and geometrical configuration of the deformed blade.
The die surface of an arbitrary complex shape which cannot be analytically described is represented in a piecewise contincous fashion of a complex shape, a new remeshing scheme for generating linear 8-node hexaheadral elements is presented. In the proposed method, the deformed body to be remeshed is divided into a surface adaptive layer and a core region. After generating the mesh automatically in the surface adaptive layer, the core is automatically meshed by introducing the body-fitted mapping technique. In order to show the validity and effectiveness of the proposed scheme, the whole forging simulations of a spider and a connecting rod have been carried out by using the developed three-dimensional thermo-viscoplastic finite element formulation and the remeshing scheme.
The developed thermo-viscoplastic finite element method has enabled the acquirement of useful information on the metal flow and the physical properties during hot forging. The proposed remeshing scheme can be successfully employed to simulate forging of complicated parts.
단조공정은 효율적으로 설계하고 제작중 불량을 방지하기 위해서는 금형의 설계와 금형제작에 관한 연구가 필수적이다. 복잡한 문제의 경우 단조 공정을 모델링하는 방법으로 수치해석 모델을 이용하고 있다. 유한요소법은 수치해석 방법중에서 널리 사용되고 있는 방법으로 소재의 유동, 결함, 단조 하중과 응력과 변형도 분포, 온도분포, 금형의 변형등의 단조 공정 설계에 필요한 정보등을 예측할 수 있다.
재결정 온도 이상에서 작업하는 열간단조공정 해석은 고온영역에서 소재의 변형속도에 대한 민감성을 고려하고 소재와 금형의 열전달을 포함하고 있다. 변형속도에서 대해 나타나는 소재의 거동을 점소성(viscoplastic)이라 한다. 본 논문에서는 열간단조의 효율적인 해석을 위하여 점소성과 열전달을 고려한 3차원 열-점소성 유한요소 수식화를 도입하여 해석 프로그램을 개발하였다.
열전달 해석은 유한요소법과 경계요소법을 사용하였으며, 특히 경계요소법은 3차원 문제에서 단지 경계면에서 요소분할이 이루어지고 내부해석이 필요 없기 때문에 열전달해석에 편리한 방법이다.
3차원 열-점소성해석의 효용성을 보이기 위해 산업적으로 유용한 코깅공정 (cogging process)과 터빈 블레이드의 단조 공정을 해석하였다. 코깅공정에서는 중심부의 기공압침과 단조효과 증대를 위하여 공정변수의 영향에 관한 연구에 집중되었다. 터빈 블레이드는 등온단조와 비등온단조해석의 결과를 비교 하였으며, 실험을 통하여 단조 하중, 온도와 변형 형상을 계산과 비교하였으며, 계산에 의해 예측된 결과는 실험과 잘 일치하고 있음을 확인하였다.
복잡한 단조제품의 금형곡면의 묘사와 접촉처리를 위하여 Fergusion 패치 (patch)를 도입하여 해석대상을 일반화하였다. 특히 복잡한 형상의 단조를 최종단계까지 수행하기 위해서는 격자 재구성이 필수적이다. 본 논문에서는 3 차원에서 표면적응층(surface adaptive layer)과 내부(core)의 개념을 도입하고 body-fitted mapping을 이용한 새로운 격자재구성 기법을 제안하였다. 이 방법에서는 표면적응층에서 요소의 찌그러짐을 지연시킬수 있도록 요소를 분할한 후, 내부는 body-fitted mapping을 이용하여 자동적으로 요소를 생성시킨다.
제안된 방법의 타당성과 효율성을 검증하기 위해 자동차용의 스파이드 (spider)와 코넥팅로드(connecting rod)와 같은 복잡한 형상의 단조품에 적용하여 최종단계까지 완전한 해석을 수행하였다. 따라서 본 논문에서 제안된 방법들과 개발된 프로그램이 복잡한 형상의 열간단조 공정에서 효과적으로 수행할 수 있음을 확인 하였다.
