[논문]파단방지를 위한 튜브인발공정 최적 금형형상 설계에 관한 연구

이상곤; 김상우; 이영선; 이정환; 김병민

문제 정의

본 연구에서는 최적화기법을 적용하여 설계된 인발 금형 형상에 대하여 튜브 인발 실험을 통하여 그 효과를 평가하였다. Fig.
본 연구에서는 튜브 인발공정에 대하여 소재 물성평가, 최적화기법 및 유한요소해석을 통하여 소재의 파단발생을 방지할 수 있는 최적의 인발금형 형상을 설계하였다. 이상의 연구를 통하여 다음의 결론을 도출하였다.
본 연구의 목적은 튜브 인발 공정으로 생산되는 자동차용 SIS(Steering Input Shaft) 생산에 있어서 공정 중에 발생하는 소재의 파단을 방지할 수 있는 최적 인발 금형 형상 설계이다. 이를 위하여 본연구에서는 링압축시험 및 유한요소해석을 통하여 초기 소재의 임계연성파괴값을 예측하고, 유한요소해석을 통하여 현 공정에 대한 문제점을 파악하였다.

제안 방법

(2) 본 연구에서는 금형 형상을 효과적으로 정의할 수 있는 Bezier-curve 와 최적화기법인 FPS 법, 그리고 유한요소해석을 통하여 인발시 소재의 파 단발 생을 방지할. 수 있는 최적의 금형 형상을 설계할 수 있었다.
대한 마찰보정곡선을 구하였다.* 마찰 보정 곡선에 실제 '현장에서 적용하고 있는 M0S2 를 도포한 조건에 대하여 링압축시험을 실시하여 높이감소율에 따른 내경 감소율을 측정하여 마찰 보정 곡선에 표시하여 마찰상수를 결정하였다. 링 압축시험 결과 M_oS2 가 도포된 상태의 마찰상수는 0.
3 과 같이 높이/외경 비가 다른 세가지 초기 소재에 대하여 반경 Imm 의 노치를 가공하여 각각의 소재를 압축속도 2mm/min 로 진행하여 노치부에 크랙이 발생할 때까지 압축을 실시하였다. 노치부 크랙은 확대경을 이용하여 육안으로 관찰하였으며, 압축시험 후 각 소재에 대하여 크랙이 발생한 높이까지 유한요소해석을 수행하여 크랙 발생 부위의 연성파괴값을 초기 소재의 임계연성파괴값으로 설정하였다.
초기 금형 형상들에 대하여 유한요소해석을 수행하여 본 연구에서의 목적함수인 최대 연성파괴값을 소재의 임계연성 파괴 값과 비교한다. 목적함수가 임 계연성 파괴값을 초과할 경우 FPS 법과 Bezier-curve 를 이용하여 새로운 금형 형상을 설계하여 다시 유한요소해석을 수행하고 목적함수를 임계연성파괴 값과 비교한다. 이상의 과정을 반복하여 목적함수인 최대 연성 파괴 값이 임계 연성파괴값보다 작아질 때까지 반복 수행하게 된다.
되면 소재에 파단이 발생하거「된다. 본 연구에서는 소재의 압축시험과 유한요소해석을 이용하여 소재의 파단발생을 평가할 수 있는 초기 소재의 임 계연성 파괴 값(CDV: Critical Damage Value)을평가하였다J* 압축시험은 Fig. 3 과 같이 높이/외경 비가 다른 세가지 초기 소재에 대하여 반경 Imm 의 노치를 가공하여 각각의 소재를 압축속도 2mm/min 로 진행하여 노치부에 크랙이 발생할 때까지 압축을 실시하였다. 노치부 크랙은 확대경을 이용하여 육안으로 관찰하였으며, 압축시험 후 각 소재에 대하여 크랙이 발생한 높이까지 유한요소해석을 수행하여 크랙 발생 부위의 연성파괴값을 초기 소재의 임계연성파괴값으로 설정하였다.
700 을 초과하였으나, 반복 횟수 10 번째 이후에서는 최대 연성파괴값이 임계 연성 파괴 값보다 낮았다. 본 연구에서는 최대 연성 파괴 값이 0.475 로 가장 낮은 값을 나타내는 12 번째의 금형 형상을 최적의 인발 금형 형상으로 결정하였다. 초기와 최적화된 금형형상에 대한 유한요소해석 결과를 Fig.
현 공정에 대한 해석 및 현장결과를 토대로, 최적화기법인 FPS 법과 유한요소해석을 이용하여, 인발 공정중에 소재의 파단이 발생하지 않는 최적의 인발 금형 형상을 설계하였다. 설계된 인발 금형 형상에 대하여 그 타당성을 검증하기 위하여 튜브 인발 시험을 실시하였다. 그 결과 소재 파단 없이 건전한 제품을 생산 할 수 있었다.
최적 인발 금형 형상 설계이다. 이를 위하여 본연구에서는 링압축시험 및 유한요소해석을 통하여 초기 소재의 임계연성파괴값을 예측하고, 유한요소해석을 통하여 현 공정에 대한 문제점을 파악하였다. 현 공정에 대한 해석 및 현장결과를 토대로, 최적화기법인 FPS 법과 유한요소해석을 이용하여, 인발 공정중에 소재의 파단이 발생하지 않는 최적의 인발 금형 형상을 설계하였다.
9 과 같다. 초기 금형 형상들에 대하여 유한요소해석을 수행하여 본 연구에서의 목적함수인 최대 연성파괴값을 소재의 임계연성 파괴 값과 비교한다. 목적함수가 임 계연성 파괴값을 초과할 경우 FPS 법과 Bezier-curve 를 이용하여 새로운 금형 형상을 설계하여 다시 유한요소해석을 수행하고 목적함수를 임계연성파괴 값과 비교한다.
튜브 소재와 금형사이의 마찰특성을 평가하기 위하여 우선, 본 연구에서는 강소성 유한요소해석 S/W 인 DEFORM-2D 를 이용하여 여러 마찰상수 (m)에 대한 마찰보정곡선을 구하였다.* 마찰 보정 곡선에 실제 '현장에서 적용하고 있는 M0S2 를 도포한 조건에 대하여 링압축시험을 실시하여 높이감소율에 따른 내경 감소율을 측정하여 마찰 보정 곡선에 표시하여 마찰상수를 결정하였다.
이를 위하여 본연구에서는 링압축시험 및 유한요소해석을 통하여 초기 소재의 임계연성파괴값을 예측하고, 유한요소해석을 통하여 현 공정에 대한 문제점을 파악하였다. 현 공정에 대한 해석 및 현장결과를 토대로, 최적화기법인 FPS 법과 유한요소해석을 이용하여, 인발 공정중에 소재의 파단이 발생하지 않는 최적의 인발 금형 형상을 설계하였다. 설계된 인발 금형 형상에 대하여 그 타당성을 검증하기 위하여 튜브 인발 시험을 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에서 적용한 자동차용 SIS 인발공정은 Fig. 1과 같이 예비성형공정, 1차 인발 및 2차 인발공정으로 이루어져 있다. Table 1 에 공정조건을 나타내었다.

이론/모형

왔다.이。본 연구에서는 최적화 기법으로 목적함수가 최적화 되게 하는 벡터 X 를 구하기 위해 심플렉스(Simplex)가 목적함수의 공간에서 목적함수를 더 작아지게 하는 방향으로 이동해 가는 FPS 법을 사용하였다.“ Fig.
인발금형 형상은 제어점(Control points)과 직선 요소(Line segments)로 금형의 형상을 정의할 수 있는 Bezier-curve 를 이용하였다." Fig.

성능/효과

(1) 링압축시험과 강소성유한요소 해석을 통하여 소재의 임계연성파괴값을 구하였으며, 이를 토대로 현 튜브 드로잉 공정의 경우 최대 연성 파괴 값이 임계값을 초과함을 알 수 있었다.
(3) 최적화된 금형 형상에 대한 유한요소해석 결과 튜브 소재에 발생하는 최대 연성파괴값은 현 공정의 1.050 및 소재의 임계연성파괴값인 0.700 보다 매우 낮은 0.475 였다.
(4) 최적화된 금형 형상에 대한 효용성을 평가하기 위하여 실제 튜브인발 실험을 실시한 결과, 파단이 발생하지 않는 건전한 튜브인발 제품을 생산할 수 있었다.
설계된 인발 금형 형상에 대하여 그 타당성을 검증하기 위하여 튜브 인발 시험을 실시하였다. 그 결과 소재 파단 없이 건전한 제품을 생산 할 수 있었다.
10 에 이상의 최적화 절차를 반복 적용하여 생성된 금형형상을 나타내었다. 본 연구에서는 16 회 반복으로 최적 금형 형상을 찾을 수 있었다. Fig.
이상의 실험을 통하여 본 연구에서 설계한 최적 인발 금형의 효용성을 확인할 수 있었다.
튜브 인발 실험 결과 튜브 소재의 파단없이 건전한 인발 제품을 생산할 수 있었다. Fig.
6 에 유한요소해석에 의한 예비성형공정 및 1차 인발공정 후의 소재의 연성파괴값 분포 및 최대값을 나타내었다. 해석결과에서 알 수 있듯이 1차 인발 초기단계에서 맨드렐과 접촉하고 있는 소재 끝단부에서 최대 연성파괴값이 소재의 임 계연성 파괴 값(0.700)보다 높은 0.962 를 나타내었다. 해석결과는 Fig.

후속연구

이상의 연구결과, 본 연구에서 적용한 최적화 기법과 유한요소해석을 함께 적용할 경우, 본 연구에서 적용한 분야 이외에 많은 공학분야에 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

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