[논문]일체형 스티어링 휠 튜브의 인발에 관한 연구

이상곤; 문형준; 김병민; 이정환; 이영선

doi:10.5228/kspp.2005.14.9.779

문제 정의

본 연구에서는 FEM 을 이용하여 SIS(Steering Input Shaft)의 냉간 튜브 인발공정 시 공정변수들의 영향[2~7]을 파악하여 최적의 공정 조건을 찾고, 적절하지 못한 공정 조건으로 발생되는 인발 결함을 억제하는 것이다[8]. 또한, 결함을 방지할 수 있는 인발다이의 형상을 제시하고, 제시된 인발다이를 유한요소해석과 실험을 통해 검증하였다.
본 연구에서는 자동차 부품 요소로 널리 사용되는 SIS(Steering Input Shaft) 튜브 성형 시 발생하는 결함에 대해 유한요소해석을 통해 결함 발생원인을 규명하였다. 또한 1차 인발다이의 설계변수에 대한 결함의 영향을 파악하고 이를 근거로 결함을 방지할 수 있는 인발다이의 형상을 제시하였으며, 제시된 인발다이를 유한요소해석과 실험을 통해 검증하였다.

가설 설정

보정 곡선은 응력-변형율 식과 강소성 유한 요소 해석 코드인 DEFORM-2D를 사용하여 작성하였다. 유한요소 해석을 실시하는 동안 전단 마찰 상수 값은 일정하다고 가정하였다.

제안 방법

(3) 연성파괴 원인이 인발다이 곡률부의 변형에너지 증가로 판단되어 도입부 곡률이 없는 직선형인 발다이를 설계하였다. 유한요소해석 결과 연성 파괴 수치가 크게 감소되는 것을 알 수 있었다.
SIS(Steering Input Shaft) 튜브 성형시 나타난 결함의 원인을 규명하기 위해서 기존 공정과 동일한 조건에 대한 유한요소해석을 수행하였다. Fig.
3과 Table 1에 나타내었다. 가시적으로 크랙이 관찰된 시점을 기준으로, 강소성 유한요소법을 수행하여 연성파괴값을 정하였다. 연성파괴 값은 미소 크랙(Micro crack)의 발생을 고려하여, 0.
기존의 다이를 적용한 공정에서는 소재 파 단발 생을 방지할 수 없었기 때문에 인발다이 형상을 재설계하였고, 연성파괴의 원인이 Sis 튜브를 성형할 때 인발다이 곡률부에서의 변형에너지의 증가로 판단되었기 때문에 곡률부가 없는 인발다이 형상을 제시하였다. 해석 결과 기존의 인발다이 형상 보다 연성파괴 수치가 낮아지는 것을 알 수 있었으며, 재설계한 인발다이는 기존의 다이에 비해 연성파괴에 의한 결함을 저하시킬 수 있을 것으로 판단되었다.
따라서, 1차 인발 초기의 소재 변형량을 줄이기 위하여 Fig. 9 (b)에서와 같이 도입부가 라운드 형상인 인발다이를 직선형으로 수정하여 1차 인발공정에 대한 해석을 수행하였다. 해석은 직선부의 다이 반각을 8.
규명하였다. 또한 1차 인발다이의 설계변수에 대한 결함의 영향을 파악하고 이를 근거로 결함을 방지할 수 있는 인발다이의 형상을 제시하였으며, 제시된 인발다이를 유한요소해석과 실험을 통해 검증하였다. 이상의 과정을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
억제하는 것이다[8]. 또한, 결함을 방지할 수 있는 인발다이의 형상을 제시하고, 제시된 인발다이를 유한요소해석과 실험을 통해 검증하였다.
마찰 보정 곡선(Calibration curve)을 얻기 위해 강소성 유한요소해석을 실시하였다. 보정 곡선은 응력-변형율 식과 강소성 유한 요소 해석 코드인 DEFORM-2D를 사용하여 작성하였다.
무윤활 조건(Non-lubrication condition)과 MoS2를 도포한 조건에서의 해석 결과로부터 각각의 전단 마찰 상수 값에 대해 높이 감소율에 따른 내경감소율을 측정하여 마찰 보정 곡선을 작성하였다. 최소값을 가진 MoS2 윤활제는 전단 마찰 상수 값 0.
본 연구에서는 기존의 라운드형 다이의 반각에 따른 영향을 평가하기 위하여 다이 도입부 곡률 반경 10.0mm 에 대하여 다이 반각을 10.0°, 15.0°, 17.0°, 18.0°, 20.0°로 변화시켜 성형해석을 수행하였다. 해석은 축관 공정 후 그 변형이력을 고려하여 수행하였다.
소재의 연성파괴값(Critical damage value)을 얻기 위해, 세장비를 달리하여 3가지 경우에 대해서 압축 시험을 수행하였다. 압축시험 결과와 연성파괴 값을 Fig.
따라서 초기 소재와 접촉이 이루어지는 다이 도입부의 형상이 중요한 영향을 미칠 것으로 판단되었다. 이를 고려하여 본 연구에서는 다이반각을 15°로 고정시키고 도입부 곡률 반경을 8mm, 10mm, 12mm, 14mm, 16mm 로 변화시켜 해석을 수행하여, 인발다이 도입부의 곡률이 1차 인발에 미치는 영향을 평가하였다.
이상의 결과를 기초로 하여 다이 반각 10.0°인 직선형 인발다이를 이용하여 실제 인발을 실시하였다. 제안된 인발다이를 통한 시 생산한 결과를 Fig.
9 (b)에서와 같이 도입부가 라운드 형상인 인발다이를 직선형으로 수정하여 1차 인발공정에 대한 해석을 수행하였다. 해석은 직선부의 다이 반각을 8.0°, 10.0°, 11.0°, 12.0°, 14.0°, 16.0°, 17.0°로 변화시켜 소재에 대한 연성파괴 분포와 인발 하중을 평가하였다. Table 5 와 Fig.
0°로 변화시켜 성형해석을 수행하였다. 해석은 축관 공정 후 그 변형이력을 고려하여 수행하였다. Table 3에 해석결과를 나타내었다.

대상 데이터

본 연구에서는 연성파괴 값이 가장 낮은 다이 반 각 10.0°인 직선형 다이를 최적의 다이로 선정하였다.
시험 및 해석 모두 1차 인발 시 스트로크 약 18mm 지점에서 Tube 소재의 파단이 발생하였다. SIS 튜브 인발공정 시 결함은 1차 인발공정 수행 중 변형에너지가 변형한계를 초과하여 연성 파괴에 의한 결함이 발생하는 것으로 판단된다.

이론/모형

SIS 튜브 인발 소재는 680℃ 에서 약 20 분간 풀림처리를 한 SM45C 이고, 해석은 강소성 유한요소법을 이용하였다. 압축시험을 통한 소재의 유동응력식은 아래 식(1)과 같으며, Fig.
마찰 보정 곡선(Calibration curve)을 얻기 위해 강소성 유한요소해석을 실시하였다. 보정 곡선은 응력-변형율 식과 강소성 유한 요소 해석 코드인 DEFORM-2D를 사용하여 작성하였다. 유한요소 해석을 실시하는 동안 전단 마찰 상수 값은 일정하다고 가정하였다.

성능/효과

(1) 1차 인발공정 시 도입부 곡률을 고정시키고 다이반각을 변화시켜 해석한 결과 모든 경우에 있어서 임계 연성파괴 수치를 초과하기 때문에 파단이 발생할 것으로 판단되었다.
(2) 다이 반각을 고정시키고 도입부 곡률을 감소 시켜 해석한 결과 모든 경우에 있어서 최대 연성파괴 값이 소재의 임계 연성파괴 값을 초과하기 때문에 파단이 발생할 것으로 판단되었다.
5와 6에 성형 시 사용했던 인발장비와 다이 그리고 성형 수행 시 발생한 결함을 나타내었다. 1차 인발 공정 시 맨드렐 끝단부와 접촉하는 부분에서 소재의 과도한 국부 연신에 의해 파단이 발생하는 것을 알 수 있었다.
기존 도입부 곡률이 10.0mm 인 다이에 있어서 반 각 변화만으로는 양호한 인발이 불가능하다는 것을 알 수 있었다. 튜브 소재의 파단은 대부분 1 차 인발 초반부에서 발생하였다.
발생될 가능성이 높았다. 따라서, 축(Shaft)의 중량 감소와 동력 전달 토크의 증가를 위해 MTS(Monobloc Tube Shaft) 도입이 증가되었다. 냉간 튜브 인발 공정은 표면 결함이 없고, 단차가 있는 중공축(Hollow Shaft) 또는 일정한 외경을 가진 MTS 성형 시 스웨이징(Swaging)을 대체 할 수 있는 효율적인 성형 기술로서 생산성이 높아 저원가 실현에 적합한 공정이다[I].
유한요소해석 결과 연성 파괴 수치가 크게 감소되는 것을 알 수 있었다. 또한, 재설계된 직선형 다이를 적용한 결과 양호한 제품을 얻을 수 있었다.
설계하였다. 유한요소해석 결과 연성 파괴 수치가 크게 감소되는 것을 알 수 있었다. 또한, 재설계된 직선형 다이를 적용한 결과 양호한 제품을 얻을 수 있었다.
이상의 결과로부터 인발다이에 있어서 다이 반각과 도입부 곡률반경의 변화만으로는 1차 인발이 불가능한 것을 알 수 있었다.
이상의 해석결과로부터 기존의 라운드형 인발다이로는 1차 인발이 불가능함을 알 수 있었다. 기존 도입부가 라운드형인 인발다이를 이용한 성형 수행 시 주로 튜브 소재의 파단이 1차 인발초반부에서 발생하였다.
12는 직선형 다이의 반각에 따른 인발 하중을 나타내고 있다. 하중의 형태는 이전의 결과와 유사하였으며, 다이 반각이 증가할수록 인발 하중이 다소 감소하는 경향을 나타내었다.
형상을 제시하였다. 해석 결과 기존의 인발다이 형상 보다 연성파괴 수치가 낮아지는 것을 알 수 있었으며, 재설계한 인발다이는 기존의 다이에 비해 연성파괴에 의한 결함을 저하시킬 수 있을 것으로 판단되었다.
Table 4에 해석 결과를 나타내었다. 해석 결과에서 알 수 있듯이, 모든 경우에 있어서 최대 연성파괴 값이 튜브 소재의 임계 연성파괴 값 0.700 을 초과하였다.

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