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에너지 제어형 용착 공정을 이용한 공작기계 부품 보수시 적층부와 기저부 형상이 보수부 인근의 잔류응력 특성에 미치는 영향성 분석

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Author(s)
김단아
Issued Date
2022
Abstract
Recently, the need for manufacturing has been emphasized worldwide due to environmental problems. Machine tool parts that cause irregular damage can extend the life of existing products with low cost and materials using a laminated manufacturing process. A direct energy deposition (DED) process, which is one of the additive manufacturing processes, is advantageous in remanufacturing because a molten-pool be generated of a high energy heat source and a metal powder or a metal wire can be supplied to form a desired shape. However, in the DED process, rapid heating and cooling around the deposition region generates rapid heat history, resulting in residual stress. In this paper is to analyze the influence of deposition and substrate shapes on residual stress characteristics in the vicinity of the repaired region of parts for machine tools using a DED process and to select a groove type that can reduce stress concentration and residual stress. After that, a substrate for repairing machine tool parts is designed and manufactured in an appropriate groove shape. Three-dimensional thermo-mechanical analysis according to the groove angle and corner radius was conducted to analyze the residual stress according to the groove angle and corner radius to predict the residual stress distribution of each shape. A three-dimensional thermo-mechanical analysis according to the groove angle and deposition type was performed to predict the residual stress distribution near the repair by deposition type. Subsequently, two-dimensional finite element analysis model were produced and thermo-mechanical analysis was conducted to compare the differences with the results of three-dimensional analysis. In addition, a two-dimensional thermo-mechanical analysis according to the base groove depth and groove shape was performed to predict the residual stress distribution according to the groove depth and groove shape. A two-dimensional analysis model according to the pore position was generated and thermo-mechanical analysis was performed to predict the residual stress distribution according to the pore position. Finally, a basic experiment was conducted by determining the substrate and the deposition material, and a substrate for repairing machine tool parts was manufactured. The groove shape of the machine tool parts repair substrate is designed to be an appropriate groove shape derived from two-dimensional and three-dimensional finite element analysis. After manufacturing the sample, the deposition characteristics of the machine tool parts repair deposition were investigated through deposition type, pore, and hardness analysis.
Alternative Title
A study on the influence of deposition and substrate shapes on residual stress characteristics in the vicinity of the repaired region of parts for machine tools using a DED process
Alternative Author(s)
Kim Dan A
Affiliation
조선대학교 일반대학원
Department
일반대학원 기계공학과
Advisor
안동규
Awarded Date
2022-02
Table Of Contents
LIST OF TABLES v
LIST OF FIGURES vi
NOMENCLATURES x
ABSTRACT xii

제 1 장 서론 1
제 1 절 연구 배경 및 관련 연구 1
1. 연구 배경 1
2. 에너지 제어형 용착 (DED) 공정 5
3. 선행 연구 7
제 2 절 연구 목적 및 방법 9
1. 연구 목적 9
2. 연구 방법 10

제 2 장 기저부 경사 각도, 코너부 반경 및 적층 형상에 따른 잔류응력 특성 분석 13
제 1 절 기저부 경사 각도 및 코너부 반경에 따른 잔류응력 특성 분석 13
1. 기저부 경사 각도 및 코너부 반경에 따른 3차원 유한요소 해석을 위한 모델 개발 및 데이터 도출 13
가. 코너부 반경에 따른 기저부 형상 개발 13
나. 코너부 반경에 따른 3차원 유한요소 해석 모델 개발 15
다. 온도의존 물성 데이터 도출 20
라. 경계 조건 데이터 도출 23
마. 열원 모델 30
2. 기저부 경사 각도 및 코너부 반경에 따른 잔류응력 비교 분석 32
가. 유효 응력 비교 및 분석 32
나. 주응력 비교 및 분석 35
제 2 절 기저부 경사 각도 및 적층 형상에 따른 잔류응력 특성 분석 38
1. 기저부 경사 각도 및 적층 형상에 따른 3차원 유한요소 해석을 위한 모델 개발 및 데이터 도출 38
가. 적층 형상에 따른 비드부 형상 개발 38
나. 적층 형상에 따른 3차원 유한요소 해석 모델 개발 38
다. 경계 조건 데이터 도출 42
2. 기저부 경사 각도 및 적층 형상에 따른 단일 방향 적층 시 잔류응력 비교 분석 44
가. 유효 응력 비교 및 분석 44
나. 주응력 비교 및 분석 49
3. 기저부 경사 각도에 따른 Alternative 방향 적층 시 잔류응력 비교 분석 54
가. 유효 응력 비교 및 분석 54
나. 주응력 비교 및 분석 59
4. 적정 적층 방향 선정 63
5. 기저부 경사 각도에 따른 2차원 유한요소 해석을 위한 모델 개발 및 잔류응력 비교 분석 66
가. 기저부 경사 각도에 따른 2차원 유한요소 해석 모델 개발 66
나. 경계 조건 데이터 도출 67
다. 유효 응력 및 주응력 비교 및 분석 68
6. 3차원 및 2차원 유한요소 해석 결과 비교 69

제 3 장 기저부 절삭 깊이 및 기공 위치에 따른 잔류 응력 특성 분석 71
제 1 절 기저부 절삭 깊이에 따른 잔류응력 특성 분석 71
1. 기저부 절삭 깊이에 따른 2차원 유한요소 해석을 위한 모델 개발 71
가. 기저부 절삭 깊이에 따른 기저부 형상 개발 71
나. 기저부 절삭 깊이에 따른 2차원 유한요소 해석 모델 개발 72
다. 경계 조건 데이터 도출 75
2. 기저부 절삭 깊이에 따른 잔류응력 비교 분석 77
가. 유효 응력 비교 및 분석 77
나. 주응력 비교 및 분석 80
제 2 절 기공 위치에 따른 잔류응력 특성 분석 84
1. 기공 위치에 따른 2차원 유한요소 해석 모델 개발 84
2. 기공 위치에 따른 잔류응력 비교 분석 85
가. 유효 응력 비교 및 분석 85
나. 주응력 비교 및 분석 88

제 4 장 공작기계 부품 보수 실험 및 결과 92
제 1 절 기초 적층 시편 설계 및 실험 설정 92
1. 기저부 및 적층 재료 선정 92
2. 적층 시편 설계 93
제 2 절 기초 적층 실험 조건 선정 및 실험 설정 94
1. 기초 적층 실험 조건 선정 94
2. 기초 적층 실험 설정 95
제 3 절 기초 적층 시편 제작 및 비드 특성 데이터 도출 96
1. 단일 비드 시편 제작 및 비드 특성 데이터 도출 96
2. 다열 및 다층 비드 시편 제작 99
제 4 절 시편 설계 및 제작 101
1. 공작기계 부품 보수 시편 설계 101
가. 적층 재료 선정 101
나. 적층 시편 설계 102
2. 적층 실험 조건 선정 및 실험 설정 103
가. 적층 실험 조건 선정 103
나. 적층 실험 설정 104
3. 공작기계 부품 보수 시편 제작 105

제 5 장 결론 및 향후 과제 106

Reference 113
Degree
Master
Publisher
조선대학교 대학원
Citation
김단아. (2022). 에너지 제어형 용착 공정을 이용한 공작기계 부품 보수시 적층부와 기저부 형상이 보수부 인근의 잔류응력 특성에 미치는 영향성 분석.
Type
Dissertation
URI
https://oak.chosun.ac.kr/handle/2020.oak/17308
http://chosun.dcollection.net/common/orgView/200000589226
Appears in Collections:
General Graduate School > 3. Theses(Master)
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  • AuthorizeOpen
  • Embargo2022-02-25
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