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문제 정의
- 있다. 멘드렐의 변형은 압출되는 제품의 정밀도와 연관되므로 그 변위를 평가하여 제품의 건전성을 확보하고자 한다. Fig.
- 본 연구에서는 자동차 컨트롤 암 생산을 위한 포트흘 다이 압출공정에 대한 성형해석 및 압출실험을 수행하여 다음의 결론을 도출 하였다.
- 본 연구에서는 차량용 컨트롤 암 생산을 위한 포트흘 다이의 알루미늄 압출공정에 대하여 유한요소 해석을 수행하였다. 먼저 현장경험에 의해 설계 및 제작된 1차 금형에 대하여 압출실험을 실시하고 발견된 문제점에 대한 원인 분석을 위해 유한요소해석을 수행하였다.
가설 설정
- 해석모델은 좌우 대칭을 고려하여 1/2 단면을 대상으로 수행하였다. 성형해석 시, 빌렛은 강소성체로 설정하고 금형은 변형을 수반하지 않는 강체로 설정하였다. Fig.
제안 방법
- 압축시편은 ∅8×h12 mm 로 가공하였으며 시편과 금형의 마찰을 최소화하기 위하여 고온 윤활제를 도포하고 운모판을 시편과 금형 사이에 넣고 실험하였다. 재료의 온도와 변형률속도에 대한 영향을 파악하기 위해 300"C, 400℃, 500℃ 온도에서 변형률 속도 0.01, 0.1, 0.5, 3.0 sec1에 대하여 시험하였다. 시험결과 Fig.
- (2) 금형의 챔버와 베어링부를 재설계함으로써 압출 속도의 균일화를 유도하였다.
- 해석을 수행하였다. 먼저 현장경험에 의해 설계 및 제작된 1차 금형에 대하여 압출실험을 실시하고 발견된 문제점에 대한 원인 분석을 위해 유한요소해석을 수행하였다. 해석 결과를 바탕으로 금형 형상을 재설계하였다.
- 본 연구에서는 소재의 고온변형거동 관찰을 위한 장비 Thermae Master-Z 를 사용하여 압축시험을 수행하였다. 압축시편은 ∅8×h12 mm 로 가공하였으며 시편과 금형의 마찰을 최소화하기 위하여 고온 윤활제를 도포하고 운모판을 시편과 금형 사이에 넣고 실험하였다.
- 베어링 길이의 변화로 소재의 유동을 제어하기에 어려울 경우 챔버의 형상을 함께 변화시켜 그 효과를 더욱 키운다. 본 연구에서는 해석결과에서 나타난 문제점을 해결하기 위해 Fig. 9 와 같이 금형을 재설계 하였다. Fig.
- 0 을 이용하였다. 성형해석의 최대압출하중이 작용하는 시점에서 금형에 작용하는 하중의 영향을 탄성 해석을 통해 평가하였다. Fig.
- 압축시편은 ∅8×h12 mm 로 가공하였으며 시편과 금형의 마찰을 최소화하기 위하여 고온 윤활제를 도포하고 운모판을 시편과 금형 사이에 넣고 실험하였다. 재료의 온도와 변형률속도에 대한 영향을 파악하기 위해 300"C, 400℃, 500℃ 온도에서 변형률 속도 0.
- 3310 ton 이다. 여기에 기존 제작된 금형 Fig. 5 를 압출기에 장착하고 압출 방법은 무 윤활 직접 압출 방식을 채택하였다. 소재와 금형의 예열온도를 460℃로 설정하였다.
- 7 과 같은 제품을 압출하였으며 압출된 제품의 외측이 제품의 중심부 방향으로 약 10mm 휘어지는 결과를 보였다. 이와 같은 현상의 원인을 분석하고자 유한요소해 석을 수행하였다. 해석은 소재가 포트홀을 통과하여 최종 다이 랜드 부를 빠져나온 후 정상상태 까지 수행하였으며 정상 상태 이후의 압출속도 분포를 관찰하였다.
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2.1 적용 소재
재료에 대한 열간 가공의 기본 데이터이면서 유한요소해석에 필요한 고온 유동 특성을 평가하기 위하여 압축시험을 수행하였다. 소재는 A6082 를 사용하였으며, Table 1에 주요 성분을 나타내었다.
- 재설계된 금형을 대상으로 유한요소해석을 수행하였다. Fig.
- 먼저 현장경험에 의해 설계 및 제작된 1차 금형에 대하여 압출실험을 실시하고 발견된 문제점에 대한 원인 분석을 위해 유한요소해석을 수행하였다. 해석 결과를 바탕으로 금형 형상을 재설계하였다. 재설계된 금형은 유한요소 해석을 통해 압출하중, 접합면의 접합압력, 소재의 유동속도를 평가하여 설계의 타당성을 검증하였으며, 최종적으로 압출실험을 수행하여 결함이 없는 건전한 압출품을 생산할 수 있었다.
- 해석결과 제품의 건전성과 압출공정에 이상이 없음을 확인한 후 재설계된 금형을 최대용량 3310ton 의 수평식 압출기에 장착한 후 압출 실험을 실시하였다. 빌렛과 금형의 예열온도는 460℃로 설정 하였으며 압출실험 결과 Fig.
- 이와 같은 현상의 원인을 분석하고자 유한요소해 석을 수행하였다. 해석은 소재가 포트홀을 통과하여 최종 다이 랜드 부를 빠져나온 후 정상상태 까지 수행하였으며 정상 상태 이후의 압출속도 분포를 관찰하였다.2 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 압출기의 사양은 최대 용량 3310 ton 이다. 해석결과 압출하중은 최대 1850 ton 을 나타내었고, 이는 허용 최대 하중의 약 56% 이다.
- 위하여 압축시험을 수행하였다. 소재는 A6082 를 사용하였으며, Table 1에 주요 성분을 나타내었다.
- 3은 컨트롤 암 압출을 위한 포트홀 다이구조를 나타낸 것이다. 실험에 사용된 A6082 소재의 빌렛은 직경이 279.4mm 이며 다이의 포트홀을 통과하면서 6 개로 분할 되었다가 챔버(chamber) 에서 하나로 합쳐진다. 이후 맨드렐(mandrel)을 통과한 소재는 Fig.
- 압출 실험에 사용된 설비는 수평식 압출기로 최대용량 3310 ton 이다. 여기에 기존 제작된 금형 Fig.
- 2 에 나타내었다. 제품은 노면에서 전달되는 하중과 진동에 견딜 수 있는 형상을 가지고 있으며, 경량화를 위해 중공형상을 이루고 있으며 좌우 대칭으로 설계되었다.
- 를 사용하였다. 해석모델은 좌우 대칭을 고려하여 1/2 단면을 대상으로 수행하였다. 성형해석 시, 빌렛은 강소성체로 설정하고 금형은 변형을 수반하지 않는 강체로 설정하였다.
데이터처리
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5.4 금형의 강도
강도해석은 상용 해석 프로그램인 ANSYS 9.0 을 이용하였다. 성형해석의 최대압출하중이 작용하는 시점에서 금형에 작용하는 하중의 영향을 탄성 해석을 통해 평가하였다.
이론/모형
- 성형해석은 강소성 유한요소해석 상용코드인 DEF0RM-3D 를 사용하였다. 해석모델은 좌우 대칭을 고려하여 1/2 단면을 대상으로 수행하였다.
성능/효과
- (1) 1차 금형의 유한요소해석 결과 제품 중심부의 압출속도가 외측에 비해 상대적으로 빠름을 알 수 있었다.
- (3) 재설계된 금형에 대한 성형 해석 결과 압출제 단면의 속도 분포는 균일하였다.
- (4) 재설계된 금형에 대한 성형 해석 결과 최대압출 하중은 1850 ton 으로 압출기 최대허용량의 약 56%이므로 압출 가능하였다.
- (5) 접합단계에서 모두 8 곳의 접합면이 형성되며, 이때 접합압력은 소재 평균유동응력의 2.0-5.1 배로 충분한 접합강도를 나타내었다.
- (6) 금형에 발생하는 최대유효응력은 금형 재료의 항복강도 이하이다
- (7) 재설계된 금형을 이용하여 압출 실험한 결과 결함이 없는 건전한 제품을 얻을 수 있었다.
- SKD61 금형강의 항복강도는 1470MPa 이다. 4 해석 결과 최 대유효응력값은 i060MPa 을 나타내므로 소성변형이 발생하지 않을 것으로 판단된다.
- 0 sec1에 대하여 시험하였다. 시험결과 Fig. 1과 같이 변형률 속도가 증가함에 따라 유동응력이 증가하였으며, 온도가 증가함에 따라 유동응력은 감소하였다.
- 해석 결과를 바탕으로 금형 형상을 재설계하였다. 재설계된 금형은 유한요소 해석을 통해 압출하중, 접합면의 접합압력, 소재의 유동속도를 평가하여 설계의 타당성을 검증하였으며, 최종적으로 압출실험을 수행하여 결함이 없는 건전한 압출품을 생산할 수 있었다. 위와 같은 일련의 과정들을 통한 압출제 개발은 금형 제작 시간, 수정작업의 감소, 제품 품질 향상에 기여할 것으로 사료된다.
- 금형 중심부의 속도가 제품 외측에 비해 약 2 배 빠름을 알 수 있다. 해석 결과로 살펴보아 속도가 상대적으로 느린 제품 외측이 속도가 빠른 중심부 방향으로 휘어진 것으로 판단된다.
- 3310 ton 이다. 해석결과 압출하중은 최대 1850 ton 을 나타내었고, 이는 허용 최대 하중의 약 56% 이다. 따라서 압출기 용량 내에서 압출이 가능하다.
후속연구
- 재설계된 금형은 유한요소 해석을 통해 압출하중, 접합면의 접합압력, 소재의 유동속도를 평가하여 설계의 타당성을 검증하였으며, 최종적으로 압출실험을 수행하여 결함이 없는 건전한 압출품을 생산할 수 있었다. 위와 같은 일련의 과정들을 통한 압출제 개발은 금형 제작 시간, 수정작업의 감소, 제품 품질 향상에 기여할 것으로 사료된다.
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