소개:
굽힘 튜브는 대량 생산되고 다양한 유형이 있어 건설, 자동차, 항공우주, 화학 공학을 포함한 다양한 산업에서 필수적인 구성 요소입니다. 이러한 부품은 재료 및 구조적 관점에서 제품의 경량화와 고강도에 대한 증가하는 수요를 충족합니다.
그러나 굽힘 과정에서 응력 및 변형 문제가 발생하여 튜브의 성능에 영향을 미치고 잠재적으로 구조적 문제 및 기타 문제로 이어질 수 있습니다.
본 논문은 스테인리스 스틸 굽힘 튜브의 응력과 변형과 관련된 질문과 답을 다루고 있습니다.
1.0 튜브 굽힘에서의 응력 및 변형의 원인
1.1 처리 중 발생하는 스트레스
냉각 속도: 굽힘 공정에서 불균일한 냉각 속도는 튜브 재료 내에서 온도 차이를 발생시켜 다른 영역에서 다양한 기계적 특성이 발생하고 열 응력을 유발할 수 있습니다. 영역 간에 냉각 속도에 상당한 차이가 있는 경우 스트레칭 또는 압축 응력 더 높거나 낮은 온도 영역에서 형성될 수 있습니다. 이러한 불균일한 응력 분포는 국부 변형이나 잔류 응력 축적으로 이어져 튜브의 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.
굽힘 공정: 스테인리스 강관을 굽히는 동안, 인장 응력은 바깥쪽에 발생하고 압축 응력은 안쪽에 발생합니다. 다른 부분의 불균일한 응력 분포는 굽힘 공정 중에 타원화나 주름과 같은 변형을 일으킬 수 있습니다.
부적절한 처리: 적합하지 않은 금형이나 굽힘 기계를 사용하거나, CNC 설정을 잘못 사용하거나, 처리 속도가 너무 빠르거나, 윤활이 부족하면 튜브에 국부적인 응력 집중과 돌이킬 수 없는 변형이 발생할 수 있습니다.
1.2 재료 속성의 영향
내부 스트레스: 특히 냉간 압연 금속 소재의 경우 굽힘 가공 시 소재 내부 응력이 방출되어 굽힘이나 뒤틀림이 발생할 수 있으며, 이는 튜브 모양의 정확도에 영향을 미칩니다.
높은 경도 및 냉간가공경화: 스테인리스 강의 높은 경도는 굽힘 가공 시 냉간 가공 경화로 이어질 수 있으며, 이로 인해 인장 응력 하에서 재료 표면의 경도가 증가하여 더 취성이 생깁니다.
탄성과 가소성: 스테인리스 스틸은 굽힘 가공 시 상당한 반발 현상이 발생하여 튜브의 최종 모양과 설계 요구 사항 사이에 편차가 발생할 수 있습니다.
1.3 부적절한 장비 설정
부적절한 굽힘 금형 선택: 굽힘 기계에 잘못된 치수, 곡률 반경 또는 재료가 있는 금형을 선택하면 튜브의 응력 분포와 변형에 영향을 미칠 수 있습니다.
잘못된 굽힘 속도 제어: 굽힘 기계 프로그래밍 오류나 다양한 재료에 맞게 굽힘 속도를 설정하지 않으면 재료에 응력이 고르지 않게 가해질 수 있으며, 특히 굽힘의 초기 및 최종 단계에서 응력이 고르지 않아 국부적인 과도한 변형이나 모양 왜곡이 발생할 수 있습니다.
2.0 굽힘 튜브의 응력 및 변형에 대한 감지 방법
2.1 시각 검사 및 측정 도구
시각적 검사: 육안이나 돋보기를 사용하여 튜브 표면에 균열, 긁힘, 움푹 들어간 곳 또는 기타 결함이 있는지 확인합니다.
캘리퍼스와 마이크로미터: 치수 정확도를 확인하기 위해 외경, 내경 및 벽 두께를 측정하고, 튜브의 진원도, 직경 및 굽힘 반경을 평가하여 설계 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.
2.2 참조 샘플 테스트
튜브를 표준 샘플과 비교하여 설계 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.
2.3 허용 기준 테스트
허용 기준에 따라 튜브의 굽힘 반경, 각도, 치수 및 모양을 테스트합니다.
2.4 고정밀을 위한 비파괴 검사
3.0 솔루션: 스트레스 및 변형 문제를 해결하는 효과적인 방법
3.1 굽힘 반경 최적화
굽힘 반경: 튜브의 벽 두께와 재료 특성에 따라 적절한 굽힘 반경을 선택합니다. 반경이 너무 작으면 바깥쪽이 과도하게 늘어나고 안쪽이 압축되어 변형이 발생할 수 있습니다.
"최소 굽힘 반경" 원칙을 따르세요. 최소 굽힘 반경은 일반적으로 응력 집중을 줄이기 위해 튜브 직경의 3~5배입니다.
3.2 굽힘 속도 제어
굽힘 속도: 굽힘 속도가 너무 빠르면 응력 분포가 고르지 않아 국부적인 변형과 반발이 발생할 수 있습니다. 반대로 속도가 너무 느리면 냉간 가공 경화가 발생할 수 있습니다. 현대 파이프 벤딩 머신 CNC 제어 시스템을 사용하면 다양한 재료에 대한 굽힘 속도를 처리하도록 프로그래밍할 수 있습니다.
3.3 멀티패스 벤딩 공정을 사용하세요
다중 단계 굽힘: 다중 굽힘 단계를 수행하면 각 굽힘의 응력을 효과적으로 줄여 반발 및 변형을 줄일 수 있습니다.
3.4 커스텀 벤딩 머신 몰드
튜브 사양에 맞는 적절한 곡률 반경과 치수를 가진 적합한 굽힘 금형을 선택하고, 금형을 정기적으로 유지관리하여 굽힘 중 튜브의 손상을 줄이고 매끄러운 표면을 유지하세요.
4.0 튜브 굽힘의 응력 및 변형에 대한 일반적인 질문과 답변
금속 굽힘 튜브에는 어떤 유형의 응력이 발생합니까?
인장응력(바깥쪽), 압축응력(안쪽), 전단응력.
최소 굽힘 반경과 응력 사이의 관계는 무엇입니까?
반경이 작을수록 응력이 커져 원래 재료 특성이 손상될 가능성이 있습니다.
굽힘 가공 시 잔류응력이 발생하는 이유는 무엇인가?
잔류 응력은 굽힘 과정 중에 내부 응력이 완전히 해소되지 않았기 때문에 발생합니다.
굽힘 중 변형을 줄이는 방법은?
적절한 굽힘 도구와 CNC 제어 굽힘 기계를 사용하여 반경을 관리하고, 과도한 늘어남이나 압축을 피하세요.
리바운드 현상이란 무엇인가?
반발은 재료가 구부러진 후 부분적으로 원래 모양으로 돌아가는 경우로, 이로 인해 편차가 발생합니다.
참고문헌
- 파이프 굽힘의 흥미로운 응력 https://www.comsol.com/blogs/the-intriguing-stresses-in-pipe-bends
- 파이프 구성 요소의 모멘트 하중에 대한 SIF 및 응력 지수의 배경 https://www.osti.gov/biblio/841246
- 금속 파이프 구성 요소에 대한 응력 강화 계수(i-계수), 유연성 계수(k-계수) 및 이들의 결정B31J – 2017 https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/b31j-stress-intensification-factors-flexibility-factors-determination-metallic-piping-components/2017/pdf
