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문제 정의
- 본 논문에서는 국내 기술진에 의하여 개발된 외 륜 회전형 로터리 스웨이징 장치를 이용하여 중공 축의 개발을 위한TDS의 성형 특성 및 실차 적용시의 성능특성 만족도 검증을 위한 TDS의 길이 (Length), 직 경(Diameter), 튜브 두께(Thickness) 변화에 따른 고유진동수(Natural frequency) 의 민감도해 석과 정적 비틀림, 내구성 특성평가를 통한 품질안 정화 기술 확립을 통하여 현재 자동차에 사용되고 있는 SDS를 일체형 TDS로 개발하기 위한 제품화공 정기술을 제시하고자 한다.
- 본 연구를 통하여 로터리 스웨이징 공정으로 성형된 TDS를 개발하였으며 성형 후 제품평가를 통한 TDS의 제품화 가능성을 확인하였다. 그러나 향후 실용화 제품생산을 위한 튜브소재의 선정, 차종에.
제안 방법
- 스웨이징 성형된 드라이브 샤프트의 강성평가를 위하여 양단 고정 조건에서 SDS와 TDS의 강성을 비교하였다. 강성의 해석 결과 TDS의 경우 8.48x 103 N/mm이었으며 SDS의 경우는 6.368x103 N/mm 로 스웨이징 성형 후 TDS의 정적 비틀림 파단 시험 (Torsional torque test)과 내구성 (Torsional endurance test) 시험은 TDS 의 세 레 이 션 끝단 부를 시험기 의한 쪽 끝단에 고정하고 반대쪽에서 비틀림 모멘트를 부여하는 조건(JASO C 304)으로 수행하였다. Fig.
- 따라서 이를 위하여 자유단(Free-Free) 경계조건에서 TDS의 길이, 튜브두께, 그리고 직경크기변화에 따른 고유진동수의 민감도(Sensitivity)해석을 수행하였다. Table 1, Table 2 그리고 Fig.
- 본 성형 실험은 Fig. 2와 같이 로터리 스웨이징 성형 5공정과 절삭공정 3공정, 세레이션 성형 2공정 등 전체 10공정으로서 제 1 공정은 튜브끝단의 기계 가공이고, 제 2공정은 Feed-in 스웨이징 성형공정, 제 3공정부터 6공정 까지는 Recess 스웨이징 공정으로 진행되며 그 외에 스냅링 홈 가공공정으로 진행된다. 실제 성형된 제품의 길이는 465.
- 성형조건은 스핀들의 회 전수 120 rpm, 성형 소재의 이송속도(Forming speed) 5.5 mm/sec조건으로 소재 의 투입은 소재공급장치 를 이용한 자동공급을 하였으며 실험 결과로는 로터 리스웨 이징 성형 전후의 경도(Hardness) 및 두께(Thickness) 변화량, 표면조도(Surface roughness) 등이 어떠한 경향으로 나타나는지 관찰하였다.
- 스웨이징 성형된 드라이브 샤프트의 강성평가를 위하여 양단 고정 조건에서 SDS와 TDS의 강성을 비교하였다. 강성의 해석 결과 TDS의 경우 8.
- 현재 자동차에 사용되고 있는 SDS을 TDS으로 개발하기 위하여 점진성형공정인 로터리 스웨이징 공정에 의하여 TDS를 성형하였으며 성형 후의 두께 변화, 표면거칠기 그리고 튜브형상 등 성형성 특성 파악과 TDS의 성능평가를 위한 TDS의 길이, 중심 부의 직경, 그리고 튜브두께의 변화에 대한 고유진 동수의 민감도해석 및 비틀림 파단 및 내구성 시험을 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 368x103 N/mm 로 스웨이징 성형 후 TDS의 정적 비틀림 파단 시험 (Torsional torque test)과 내구성 (Torsional endurance test) 시험은 TDS 의 세 레 이 션 끝단 부를 시험기 의한 쪽 끝단에 고정하고 반대쪽에서 비틀림 모멘트를 부여하는 조건(JASO C 304)으로 수행하였다. Fig. 6 은 본 시험에 사용된 장치(Rotary actuator, MTS)이다.
- TDS의 제품성형에 사용된 재질은 현재 스위스 Rothrist사의 xMny 계열의 상용화된 재질로서 성형 성과 강도 면에서 우수한 소재로 알려진 이음매 없는 튜브소재(Seamless tube)인 34Mn5(031><6t)를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 로터리 스웨이징 된 TDS의 표면경도 및 두께가 전반적으로 증가하였으며 이로 인한 강도 및 강성 등 기계적 성질이 향상됨을 예측 할 수 있었다
- 2) 양단 고정 하에서의 중심부위 변형에 대한 강성 (Stiffness) 해석을 수행하였으며 그 결과 TDS가 SDS에 비하여 약 33% 강성이 증가되 었으며 SDS 대비 중량도 약 12.8% 감소되었다. 따라서 개발 된TDS가 고유 진동수나 강성, 무게 측면에서 유리함을 확인하였다.
- 3) TDS를 전 경화 열처리한 경우 비틀림 파단강도가 4, 330 Nm로 SDS의 기준 토오크 3, 600 Nm 보다 약 20.3%의 큰 값을 나타냄으로서 스웨이징 성형 후 공정으로 반드시 전 경화 열처리 공정이 필요함을 확인하였다.
- 4) TDS 길이, 중심부의 직경, 튜브 두께의 변화에 대한 고유진동수의 민감도해석을 수행한 결과 길이는 짧게, 직경 및 튜브의 두께는 크게 설정하는 것이 고유진동수를 고주파영역 으로 보내는데 유리함을 알 수 있었다.
- Fig. 4는 성형된 TDS의 Feed-in 성형부와 Recess 성 형부의 직 경감소율 변화에 따른 두께 변화를 나타낸 그래프로서 Feed-in 스웨이징 성형부는 약 11.67 %의 두께증가를 보였으며, Recess 스웨이징 성형 부는 약 24.3 %의 두께증가량을 나타냄으로서 직경감소율이 증가함에 따라 튜브 두께가 크게 증 가됨을 확인하였다. 즉 성형 후 두께증가량은 각 부 위에 따라 다소 차이는 있지만 전반적으로 증가되 었으며 성형전보다 약0.
- 그리고 파단은 그 이상 반복시험 횟수에서 나타났으며 대체적으로 파단 부위는 TDS 모두 세레이션부로 부터 크랙(Crack)이 시작되어 Fig. 8과 같이 부 트 체결 부근에서 공통적으로 파단 됨을 확인할 수 있었으며 비틀림 내구 시험결과TDS는 SDS의 평가 기준값을 만족함을 확인하였으며 피로 수명은 제품의 성형 상태, 소재의 균일성, 열처리 상태, 제품의 표면 상태 등에 따라 수명에 큰 영향을 주는 요소임을 알 수 있었다.
- 8% 감소되었다. 따라서 개발 된TDS가 고유 진동수나 강성, 무게 측면에서 유리함을 확인하였다.
- Table 1은 TDS의 길이 변화에 대한 1차 굽힘 모드와 비틀림 모드의 변화를 나타낸 도표로서 길이가 길어질수록 고유진동수가 낮아지는 경향을 나타내고 있다. 따라서 설계 변경 시 축의 길이를 길게 하는 것보다는 단축으로 설계를 하는 것이 고유진동수 영역 향상 측면에서 유리함을 알 수 있다.
- 이에 반하여 윤활유를 사용하는 경우는 성형 후 성형부위의 열 발생 및 소음등이 상당히 감소되었으며 표면이 매끄러운 광택 면을 갖는 성형품의 생산이 가능하였다. 따라서 스웨이징 성형 시 반드시 윤활유를 공급해야만 향상된 양질의 제품을 생산할 수 있다는 것을 본 실험을 통하여 확인할 수 있었다.
- 97 보다 한층 더 우수한 표면 거 칠기를 얻을 수 있었다. 따라서 스웨이징 성형을 하는 경우 기존의 냉간 단조 공정이나 기타 성형공정에 비하여 외표면이 매우 매끄러운 정형품의 생산이 가능함을 본 실험을 통하여 확인할 수 있었다.
- 스웨이징 성형 후 성형된 TDS의 Feed-in 스웨이징 성형부와 Recess 스웨이징 성형부의 표면 거칠기를 살펴본 결과 Feed-in 스웨이징성 형부는 Ra 0.76 그리고 Recess 성형부는 Ra 0.31 값으로 나타났으며 기 계가공에 의한 SDS의 표면 거칠기 Ra 3.97 보다 한층 더 우수한 표면 거 칠기를 얻을 수 있었다. 따라서 스웨이징 성형을 하는 경우 기존의 냉간 단조 공정이나 기타 성형공정에 비하여 외표면이 매우 매끄러운 정형품의 생산이 가능함을 본 실험을 통하여 확인할 수 있었다.
- 2와 같이 로터리 스웨이징 성형 5공정과 절삭공정 3공정, 세레이션 성형 2공정 등 전체 10공정으로서 제 1 공정은 튜브끝단의 기계 가공이고, 제 2공정은 Feed-in 스웨이징 성형공정, 제 3공정부터 6공정 까지는 Recess 스웨이징 공정으로 진행되며 그 외에 스냅링 홈 가공공정으로 진행된다. 실제 성형된 제품의 길이는 465.0 mm, 최대경은 031.0 mm로 표면조도 및 치수정밀도가 우수한 제품을 얻을 수 있었다.'2)
- 이러한 결과는 드라이브샤프트 설계 시 고유진동 수의 영역 변화를 결정하는데 있어 축의 길이는 가능한 짧게 하고 직경은 가능한 크게 설정하는 것이 고유진동수를 고주파{High frequency) 영역 쪽으로 보내는데 유리함을 본 해석을 통하여 알 수 있었다. 따라서 이러한 결과들은 어떤 설계 변수를 어떻게 변경하는 경우가 최소한의 설계 변경으로 최대 효과를 얻을 수 있는지에 대한 판단을 하는데 도움을 줄 수 있다.
- 7은 전 경화 및 부분 경화된 튜브 단면의 열처리 조직사진으로 전 경화된 경우 조직이 균일하고 치 밀화되어 있음을 볼 수 있다. 이와 같이 TDS를 전 경화 열처리하는 경우에만 SDS의 기준 토오크 3, 600 Nm 보다 약 20.3 %의 큰 값을 나타냄으로서 스웨이징 성형 후 공정으로 반드시 전 경화 열처리 공정이 필요함을 본 시험결과 통하여 확인할 수 있었다. 그리고 시편의 파단은 모두 TDS 양쪽 끝단 최소 직경부에서 발생하였다.
- 정적 비틀림 파단 강도시험eTDS의 전 경화(All hardening) 및 부분경화(Partial hardening) 열처리된 두 경우에 관하여 수행하였으며 시험결과Table 3에서 보듯이 부분경화의 경우 3, 425 Nm이고 전 경화 열처리를 실시한 경우의 비틀림 파단 값은 4, 330 Nm로 부분경화 경우보다 크게 나타났다.
- 3 %의 두께증가량을 나타냄으로서 직경감소율이 증가함에 따라 튜브 두께가 크게 증 가됨을 확인하였다. 즉 성형 후 두께증가량은 각 부 위에 따라 다소 차이는 있지만 전반적으로 증가되 었으며 성형전보다 약0.5 mm~ 1.5 mm 정도두께가 증가됨에 따라 스웨이징 성형을 통하여 강성 면에서 기계적 성질이 향상될 수 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 본 연구를 통하여 로터리 스웨이징 공정으로 성형된 TDS를 개발하였으며 성형 후 제품평가를 통한 TDS의 제품화 가능성을 확인하였다. 그러나 향후 실용화 제품생산을 위한 튜브소재의 선정, 차종에. 따른 제품 설계 및 평가기술 그리고 로터리스웨이징 성형기술의 최적화 등 지속적인 연구가 요구되며 이를 통한 기반기술이 확보될 경우 현재 및 차 세 대 자동차 경량화 및 NVH 특성 향상 등 자동차의 성능 향상에 크게 기여할 수 있으리라 기대된다.
- 그러나 향후 실용화 제품생산을 위한 튜브소재의 선정, 차종에. 따른 제품 설계 및 평가기술 그리고 로터리스웨이징 성형기술의 최적화 등 지속적인 연구가 요구되며 이를 통한 기반기술이 확보될 경우 현재 및 차 세 대 자동차 경량화 및 NVH 특성 향상 등 자동차의 성능 향상에 크게 기여할 수 있으리라 기대된다.
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