[기계공학실험]에릭슨 시험(Erichsen Cupping Test) 2부

실험 방법

1. 실험 과정

이론적으로 나와 있는 에릭슨 시험방법에 대해 소개하겠습니다.

1) 에릭슨 시험 A방법

상형 다이와 하형 다이에 시험편을 넣고 1000KGf의 체결하중을, 항상 시험편에 가한 상태에서 시행하는 시행방법을 일컫습니다.

 

2) 에릭슨 시험 B방법

상형 다이와 하형 다이에 시험편을 넣고, 시험편의 두께 이외에 0.05㎜의 틈새를 만든 상태에서 시행하는 에릭슨 시험방법을 말합니다.

 

상, 하형 다이의 중심축의 편심은 0.10㎜ 이하로 하고, 시험 A 방법에 있어서는 시험편과 접촉하는 하형 다이의 평면도를 0.02㎜로 하고, 상, 하다이의 간격이 시험편의 두께 이외에 0.05㎜의 틈새를 가지는 상태임을 지시할 수 있는 구조이어야 합니다.

 

시험방법 B에서는 상, 하 전체 면에 걸쳐 시험편을 균일하게 누를 수 있는 구조이어야 하고, 시편에 100에서 1200kgf의 죔 하중을 유지할 수 있어야 합니다. 또한 펀치 측의 압입 속도를 지시할 수 있는 시험기에선 5~20㎜.min의 속도범위를 10%의 정밀도를 지시할 수 있어야 합니다.

 

에릭슨 값 지시장치가 0을 가리키는 위치에서 펀치 앞끝은 하형 다이와 시험편에 접히는 면에서 0.02㎜를 넘는 오차가 없어야 하며, 펀치 중심과 다이 중심간의 펀치는 펀치 이동 범위에서 0.1㎜를 넘는 오차가 없어야 합니다. 마지막으로 시험편과 접하는 다이의 면은 HV700 이상이어야 합니다.

 

2. 실제 진행한 실험 과정

1) 에릭슨 B 시험방법을 따르고, 시험편의 두께를 버니어 캘리퍼스를 통하여 정확하게 측정한다.

2) 시편의 두께를 측정한 뒤, 앞뒤면을 만져보고 상대적으로 부드러운 쪽을 택하여 그라파이트 그리스 대신 WD-40을 시편의 중앙에 고루 뿌려준다.

3) 에릭슨 시험기의 0점 조절을 한다.

4) 시편을 시험기에 대략적으로 끼워 넣은 다음, 핸들을 어느정도 조여주고 난 뒤, 시편이 다이나 펀치의 정중앙에 올 수 있도록 정확히는 아니지만 대략적인 중심을 맞춰 준다. 그런다음 시편이 움직이지 못하게 강하게 조여준다.

5) 펀치의 이동속도는 500rpm 즉 5㎜/min 으로 맞춰 놓고 이제 전진 버튼을 누르고 펀치를 이동시켜 준다.(펀치의 이동방향은 왼쪽에서 오른쪽으로)

6) 펀치를 전진시켜 주는 동안 거울이나 직접 시편을 관찰한다.

7) 펀치가 어느정도 전진되고 나면 육안으로 시편이 볼록하게 나오는 것을 확인하고 시편이 깨지면 그 즉시 전진을 멈춘다.

8) 시편의 깨짐을 확인하고 전진한 눈금을 읽어준다.

9) 펀치를 후진(오른쪽에서 왼쪽) 시킨다음 0점 조절을 하고 위의 과정을 총 3번 반복한다.

 

주의 사항

실험방법에서도 대략적으로 얘기하였듯이 시편을 끼워 맞출때에 최대한 시편의 중심이 펀치의 중앙과 맞닿을 수 있도록 합니다. 또한 펀치를 한번 전진시키기 시작했으면 시편이 깨질때까지 중간에 멈춤이 없어야 합니다. 중간에 멈추게 되면 값이 다르게 나오기 때문입니다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

	1회	2회	3회	평균
시편의 두께	1.92㎜	1.91㎜	1.92㎜	1.916㎜
눈금 값	13.58㎜	13.56㎜	13.44㎜	13.52㎜

[표 4] 에릭슨 눈금 값 데이터

시편의 두께 평균 : (1.92+1.91+1.92)/3 = 1.91666

눈금값의 평균 : (13.58+13.56+13.44)/3 = 13.5266

 

[표 5] 결과 사진

실험 1
실험 2
실험 3

 

실험결과를 왼쪽에서부터 위에서 바라 보았을 때와 측면에서 파단 부분을 조금 더 정확히 관찰했을 때 찍은 모습입니다. 파단의 정도를 비교해 보면 1,3번 실험에 비해 2번 실험이 조금더 많이 깨짐을 관찰 할 수 있었는데, 이러한 결과는 아마 육안으로 파단 지점을 관찰한 후 기기를 멈추어야 했기 때문에, 이미 파단이 일어난 상태에서 조금 더 전진 시켰기 때문에 일어난 결과라고 생각됩니다.

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 에릭슨 시험은 재료의 연성을 평가 또는 비교하기 위한 시험으로 소성가공성을 평가하는 시험이다. 한 방향에 대해서만 연성 측정 시험을 할 수 있는 다른 시험(인장시험, 굽힘시험 등)과는 달리 각각의 방향에 대해서 재료의 연성을 알아 낼 수 있기 때문에 유용한 시험법임을 알았다.

본 시험은 에릭슨 측정기를 통하여 시편에 펀치의 이동으로 즉, 펀치의 일정 가압으로 금속판이 어떻게 얼마만큼 변형되는 지를 눈으로 관찰하며 언제 어느 부분에서 파단이 일어나는지 그 순간을 포착 하는 것이 주된 실험내용 이었다.

2. 실험 오차

첫째, 시편의 두께에 관한 내용이다. 시험전에 버니어 캘리퍼스를 이용하여 대략 5~6개 시편의 두께를 측정해 본 결과 그 차이는 0.01㎜ 내외였다. 이는 미흡한 차이긴 하지만, 실험결과에 그렇게 큰 영향을 끼쳤다고 보기는 어렵다고 판단된다.

둘째, 눈으로 관찰하는 시험의 가장 일반적인 오차라고 볼 수 있다. 아무래도 어떠한 시험이든 기계가 시험의 첫 시작부터 끝까지 모든 과정을 맡아서 하는 시험이라면 그에 따른 오차는 상당히 줄어드리라 생각된다. 하지만, 사람이 직접 무엇인가 측정하거나 육안으로 관찰해야할 시험이라면 기계가 도맡아서 하는 과정에 비해 상대적으로 높고, 많은 경우의 수의 오차를 낼 것이다. 

에릭슨 시험도 직접 눈으로 관찰해야 하는 시험이였기에 예외는 아니었다고 생각한다. 파단의 지점을 육안으로 관찰해야 한다면 사람마다 그 시점이 달라지기 마련이며, 그 시점의 차이는 한칸에 0.1㎜를 움직이는 기구의 회전속도를 고려해 보았을 때, 천차 만별일 수 있다. 다시 말해 파단 시점이 10초 내외로 차이가 난다면, 실험 결과 값은 대략 1㎜ 차이까지 낼 수 있는 것이다.

셋째, 시편 마다 강압의 위치가 상대적으로 차이가 나기 때문도 있다. 이 역시 바로 앞에서 설명했던 것과 비슷하게 시험 할 적에 시편의 정중앙이 펀치와 맞닿을 수 있게 하여야 하는데 이러한 중심점을 잡는 것 역시 감으로 맞추어야 했기에 어느정도 오차에 영향을 끼쳤다고 할 수 있겠다.

마지막으로 이 시험에서 가장 큰 오차라고 생각 되지만 생략 되었던 부분이 바로 금속과 금속간의 마찰로 인한 열손실의 오차이다. 일반적으로 금속과 금속이 마찰하게 되면 마찰(friction)이 생기는 것은 당연한 일이다. 이러한 마찰로 인하여 열적인 손실이 발생하게 되며 실험 결과값에 미치는 영향으로는 실험값이 열에너지로 빠져 나가는 것을 모를 수 밖에 없다. 즉, 정확한 실험을 위해서라면 이렇게 열에너지로 인하여 같이 늘어나는 길이를 총 늘어난 길이에서 빼주어야 하는 것이 원칙으로라면 맞는 것이지만 실험 여건상 그러한 내용은 배제 하였다.

이렇게 네가지 정도의 오차 원인을 분석하긴 하였다. 실험 결과값들만을 놓고 보았을 때 그 차이는 평균값을 기준으로 0.08㎜ 내외였다. 이정도면 그렇게 큰 차이는 아니라고 본다. 궁극적으로 우리는 직접 제작한 시험편에 대하여 이론값을 알고 있지 못하기 때문에 그 결과를 수치적으로 비교할 순 없었다. 하지만 중요한 것은 결과적인 숫자가 아니고 실험 과정을 이해하고, 재료의 연성을 평가하는 목적에 대하여 원하는 바를 이루었기 때문에 이번 시험은 만족한다.

 

참고 문헌

1. 材料詩驗法(재료시험법) 염영하, 동명사, p297~301

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