회전굽힘피로시험 (Rotary Bending Fatigue Test)

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1 회전굽힘피로시험 (Rotary Bending Fatigue Test)
Doosung Science

2 目次 1. 개요 1-1. 피로란? 1-2. 피로시험의 목적 1-3. 용어 설명 1-4. 피로시험의 종류 2. 회전굽힘 피로시험
2-1. 회전굽힘 피로시험 종류 2-2. 회전굽힘 피로시험 데이터 3. Ono‘s 회전굽힘 피로시험기 3-1. 회전굽힘피로시험기 구조 및 명칭 3-2. 회전 굽힘 피로 시험기의 장점 단점 3-3. 시험편 종류 및 가공방법 3-4. 시험편 장착시 유의사항 3-5. 시험 조건 및 부하방법

3 1. 개요 1-1. 피로란? ○.피로(fatigue)는 금속 등의 재료가 반복되는 응력을 받아 그 강도가 약해지는 현상이다
○ 고체재료에 반복응력을 연속으로 가하면 인장강도보다 훨씬 낮은 응력에서 재료가 파괴된다. 이와 같이 피로에 의한 파괴를 피로파괴라 한다.

4 1-2. 피로시험의 목적 기계나 구조물의 파괴가 대부분 피로파괴라 할 정도로 이에 대한 안정성 확보가 설계
시 매우 중요한 사항 중 하나가 된다. 특히 운동 상태에 있는 기계는 사용기간이 경과하 면 재료의 강도가 저하되는데 그 저하 속도는 매우 느린 경우가 많고, 또 파괴 시점을 예측하기가 어려운 때가 대부분이다. 그리고 외형상으로는 큰 변화를 일으키지 않고 진 행되는 피로파괴가 대부분이며 어느 순간 돌발적으로 파괴가 일어나 종종 큰 사고가 일 어나기도 한다. 이처럼 피로 시험은 재료를 실용 기계부품이나 구조물 등에 적용 시 예 상치 못한 파괴를 미연에 방지하고 부품의 수명이나 교체시기를 예측하여 궁극적으로 안전을 도모하고 물적 인적 피해를 방지키 위하여 수행된다. -. 재료의 피로 기초특성(피로 강도,피로한도..) 파악 -. 재료의 피로특성에 대한 실험적 자료보충 -. 부품재료에 대한 피로특성 파악 -. 부품 및 구조물에 대한 피로특성 파악 → 많은 제품은 반복 부하를 받기 때문에 피로 강도를 고려한 설계가 필요. → 수명 예측의 필요성.

5 1-3. 용어 설명 1) 하중 관련 용어 (일정진폭반복하중의 경우)
-.응력비(stress ratio) 또는 하중비(load ratio) -.진폭 (amplitude) -. 평균응력(mean stress) -.주기:최소점에서 최소점까지 걸린 시간 -.주파수(Hz) :1초동안 반복되는 회수

6 2) S-N 곡선 S-N선도는 재료가 어떤 응력범위의 반복하중을 받을 때 파단되는 반복시험횟수를 나타내는 선도. -. 피로한도(fatigue limit) 또는 내구한도 : 피로 시험 결과, 무한히 반복응력에 대해 견딜 수 있다고 생각되어지는 응력의 최대치. -. 피로강도 (fatigue strength) S-N곡선상에서 108회를 지나더라도 아직 꺾임점이 나타나지 않으며, 꺾임점이 존재한다는데, 또한 이 앞끝이 평행한 직선이 되는지 알 수 없는 재 료가 있다. 이러한 경우엔, 실용성을 생각해서 반복회수를 미리 규정하여, 그에 견딜 수 있는 응력으로 바꾸는 수가 있다. 즉, 반복 회수를 철합금 에서는 107회, 비철합금에서 는 108회로 하며, 반복응력을 1㎏/㎟만 늘리면, 이 규정의 반복수 이하로써 파단하는 응력을 채용하며, 피로강도로 한다. 피로수명 (NF : Number of Cycles) : 시편의 파단 시 까지 적용된 하중의 반복횟수

7 비틀림하중을 반복하여 작용시키며, 회전축 등에 사용되는 재료에 대한 피로시험이다. 4). 복합응력 피로시험
1-4. 피로시험의 종류 1). 축방향 피로실험 축방향으로 인장 또는 압축응력을 작용시키는 시험 -. 인장-인장 피로시험: 최소응력과 최대응력이 모두 인장일 경우. -. 압축-압축 피로시험: 최소응력과 최대응력이 모두 압축일 경우. -. 완전양진 피로시험: 최대응력이 인장이고, 최소응력이 최대응력과 같은 값을 가지는 압축일 경우, 평균응력값은 영(zero) 2). 회전굽힘 피로실험 축방향의 수직으로 반복하중을 작용시키며, 시편의 네곳을 지지시켜 순수굽 힘상태가 되도록 한다. 시편을 회전시킴으로서 인장 및 압축응력이 시편의 표면에 번갈아 작용하게 된다. 3). 비틀림 피로시험 비틀림하중을 반복하여 작용시키며, 회전축 등에 사용되는 재료에 대한 피로시험이다. 4). 복합응력 피로시험 2개 이상의 응력이 동시에 작용할 경우를 복합응력 상태라 부르며, 주로 축 방향과 비틀림응력을 반복적으로 작용시키는 피로시험 5). 기타: 부식피로시험, 열피로실험

8 그림1 2-1. 회전굽힘 피로시험 종류 2-1-1. Wӧhller 회전굽힘 피로시험기
편지식 (片持式) 회전굽힘피로시험기로 부하는 스프링방식 변위 일정형이며, 구조는 그림1과 같다. 2개의 시험편 a는 베어링 b에 의해 양단을 지지한 축 c에 체결하며 축c에는 풀리 d가 고정되어 별개의 모터로부터 밸트를 통해 축c에회전력이 전달된다. 시험편의 다른끝은 베어링e를 통해 계력용 스프링 f를 달아 f의 다른끝에 체결된 볼트g를 너트h로서 체결하여 시험편 끝단에 집중하중을 준다. 이 시험기는 1863년에 발표된것으로 아주 간단하며 현재에도 사용되고 있으나, 굽힘모멘트가 시험편 축에 일정치 못하고 직선으로 변하고 있음이 결점이다. 그림1

9 Ono‘s 회전굽힘 피로시험기 그림2는 가장 널리 사용되는 양단 지지식 4점굽힘형 Ono식 회전 굽힘 피로시험기이다. 시험편 a를 축b에 체결하여 가변연결축c를 통한 모터d로부터 구동된다. 축b는 4개의 볼 베어링e에 의해 베어링상자 f에 지지되며 f는 그외측에 지지되는 knife edge g를 통해 시험기의 지지대 h에 고정되고 양측은 같이 지지되는 knife edge i를 경유하여 중추j로서 하중이 부하되며 i-i간에는일정한 굽힘모멘트를 받게된다. K는 적산회전계이며 m은 시험편이 파단시 회로를 차단하여 전자계폐기를 작동하여 모터d의 전원회로를 여는 자동정지용 접점이다. N은 평형추로 중추j를 걸지 않은 경우에 시험편에 가하는 굽힘모멘트가 정확히 영이되는위치를 좌우 조정한다.시험편을 체결하고 회전시키면서 목표하중을 걸면 시험편은 회전되면서 공간에 고정된 굽힘모멘트를 받으므로 시험편 표면의 한점에 대해서는양진의 굽힘응력을 받는다. 그림2

10 2-2.회전굽힘피로 데이터 -.그림2에서 추의 하중을 P, 편측의 knife edge (베어링) 간의 거리를 L이라 하면
시험편에 가해지는 굽힘모멘트 M은 M = (P*L)/2 이다. 이 굽힘모멘트가 시험편의 전체에 균일하게 가해지며 시험부의 직경을 d라 하면 굽힘응력 σ는 σ=32M/πd3 으로 구해진다. 참고: -.일반적으로 회전굽힘피로시험기의 최대굽힘모멘트는 10kgf.m 이며, 편측의 knife edge (베어링) 간의 거리 L은 20cm이므로 추 받침대에 걸수있는 추의 최대무게는 100kgf가 된다. -.4점 굽힘 시험에서는 하중점 C, D 사이에 일정한 굽힘모멘트가 작용한다 따라서 C와 D 사이에서 가장 취약한 부분이 파괴된다. -.굽힘모멘트를 증가시키는 방법 1) 중추의 무게를 늘리는 방법 2) 편측 나이프에찌(베어링) 간 거리를 길게하는 방법

11 3-1.회전굽힘피로시험기 구조 및 명칭 회전구동 모타 적산회전계 평형추 시험편 추 추 회전속도 제어기

12 1) 시험편이 정확히 제작되지않거나 체결에 숙련되지 않으면 시험편이 진동하여
3-2. 회전 굽힘 피로 시험기의 장점 단점 ● 회전 굽힘 피로 시험기의 장점 1) 구조가 간단 2) 하중의 조정이 용이하다 3) 초기, 런닝코스트가 비교적 적게든다 … 가장 보편적인 타입의 장치 4) 고온 시험도 가능 … 전기로의 사용도 가능 ● 회전 굽힘피로 시험기의 단점 1) 시험편이 정확히 제작되지않거나 체결에 숙련되지 않으면 시험편이 진동하여 과대한 굽힘모멘트가 걸려 시험결과의 산포 원인이된다. 2) 부하 모드가 한정적이다.

13 3-3.시험편 종류 및 가공방법 -.시험편의 지름 : 직경18mm,15mm,12mm 10mm, 8mm…
- 요구되는 응력을 얻기 위해 가해야 하는 하중을 계산하기 위해 서는 시험편의 실제 최소 지름을 0.01mm의 정밀도로 측정해야 하며, 측정시 시험편에 상처가 나서는 안 됨 - 일정한 굽힘 모멘트를 받는 원통형 시험편 : 시험부의 평행도는 0.025mm 이내 -. 시험편 표면은 320번 에머리 페이퍼로 연마 다듬질한다. Fig. 4 Chucking Rod

14 3-4.시험편 장착시 유의사항 ° 시험편 장착(시험기 제작사의 권장사항이 우선) - 각 시험편은 적용 하중에 의해 부가되는 응력 이외에 다른 응력이 걸리지 않아야 한다. - 하중을 받치는 베어링이 분리형 콜릿으로 시험편에 고정하는 방식 : 비틀림 변형률이 가해지는 것을 피하기 위하여 시험편을 시험기에 장착하기 전에 콜릿을 먼저 시험편에 부착하고 단단하게 조이는 것이 바람직함 시험 기간 중의 진동을 피하기 위하여 시험편과 시험기 회전축과의 동축성을 근사한 한계 이내로 유지해야 함. ° 시험편 장착후 확인사항 -.시험편 체결후 손으로 돌려보아 다이얼게이지로 편심을 측정하여 5/100mm 이내가 되도록 조정해야 한다.

15 3-5.시험 조건 부하 방법 ° 시험 속도: - 시험회전속도는 분당 1500rpm – 6000rpm 정도이나 보통 분당 3000회 정도가 많이 적용된다. - 시험편 선회현상(Whirling:기하학적 중심과 질량적 중심이 일치하지 않을 때 굽음 진동을 일으 키는 현상)이 일어나는 속도는 피한다. ° 시험 하중 부하 : 각 시험편마다 전 시험 하중을 가하는 순서가 같아야 한다. - 시험 하중을 가하기 전에 시험기를 작동시켜 시험 속도에 먼저 도달하도록 한다. - 시험 속도에 도달 후 충격이 없는 범위 안에서 가능한 빠르게 시험 하중에 이를 때까지 시험 하중을 단계적으로, 또는 연속적으로 높인다. - 만약, 특정한 주파수가 요구될 경우에는 하중 부하가 끝난 다음에 시험 속도를 소폭 조정할수 있다 - 시험편에 가해지는 굽힘 모멘트의 정확도는 1%이어야 한다.

16 참고 시험중 샘플 파단면 시험후