[논문]분할된 노치형상을 고려한 냉간단조 금형 설계에 관한 연구

이효영; 여홍태; 허관도

doi:10.5228/kspp.2007.16.6.452

문제 정의

본 연구는 스프로켓(Sprocket) 및 기 어의 치형성형용 금형에서 단조공정 과정에 나타나는 인서트 금형 내면에 발생하는 응력집중에 관해 연구하였다. 일체형구조를 이루는 인서트 금형의 응력이 집중되는 노치부에 분할된 인서트 금형 구조를 채택하고 기존의 일체형 인서트 금형과 비교하여 설계 방법에 따른 금형이 받는 영향을 유한요소해석 법 을 통해 정 량적 으로 분석 하였다.
본 연구에서는 스프로켓(Sprocket) 및 기어에서 흔히 볼 수 있는 치형 성 형 용 금형 의 인서 트 내면에서 발생하는 응력집중 현상을 감소시키는 방법에 관하여 연구하고자 한다. 이를 위해 스프로켓 성형에 필요한 공정을 유한요소해석을 통하여 분석하고 그 결과를 바탕으로 성형과정에서 발생하는 금형 인서트에 작용하는 응력집중현상을 해결하기 위해 노치형 상을 고려한 분할된 인서트 구조를 도입하였다.
실험은 Fig. 1의 초기 단계인 단조공정에 중점을 두었으며 제품 성형시 인서트 금형의 설계 방법에 따라 금형이 받는 영향을 평가하고자 한다.

제안 방법

기존의 스프로켓 제작에 사용되는 일반적인 구조인 일체형 인서트 금형과 그 금형을 분할한 두 가지 모델을 사용하였으며 분할된 금형은 스프로켓 전체 치형 중 하나의 치형에 대해 3 분할한 구조로서 재료의 압출성형 공정에서 받는 영향 등을 해석적으로 접근하여 비교 평가하였다.
위 그래프에서도 나타나듯이 해석단계 P 지점에서는 350kN 의 하중이 발생하지만 그 이후 1400kN 까지 급격하게 하중이 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 하중이 급격하게 증가하는 완전 채움 이전 상태인 Fig. 2의 P 지점에서 성형해석 값을 보간 하여 금형의 구조해석에 적용하는 것으로 실험을 수행하였다.
스프로켓의 형상을 이루는 인서트 금형 안쪽은 제품 성형해석시 최종단계에서 발생한 압력 값을 그대로 해석조건으로 반영 하였다. 인서트 금형은 SKH₉ 를 사용하였으며 축대칭 해석을 하였다.
체인을 통하여 다른 부품에 정확한 회전을 전달하기 위해서는 각 치형의 정밀도가 높아야 하며 치형의 강도가 높아 파손에 안전하도록 설계 및 제작 되어야 한다. 이러한 점을 고려하여 단조공정으로 예 스프로켓 제품을 생산하고 이후 후절삭 가공을 수행하여 최종적으로 정밀한 부품을 생산하는 방법을 고려하였다.
관하여 연구하고자 한다. 이를 위해 스프로켓 성형에 필요한 공정을 유한요소해석을 통하여 분석하고 그 결과를 바탕으로 성형과정에서 발생하는 금형 인서트에 작용하는 응력집중현상을 해결하기 위해 노치형 상을 고려한 분할된 인서트 구조를 도입하였다.
일체형구조를 이루는 인서트 금형의 응력이 집중되는 노치부에 분할된 인서트 금형 구조를 채택하고 기존의 일체형 인서트 금형과 비교하여 설계 방법에 따른 금형이 받는 영향을 유한요소해석 법 을 통해 정 량적 으로 분석 하였다. 이상의 연구에서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
설정하였다. 일체형금형 때와 같이 인서트부에 똑 같은 압력 조건을 설정하였으며 외각에서 인서트를 고정하고 있는 보강링은 인서트와의 간섭량을 조절함으로써 예압량을 결정하도록 하였다.
특히 분할형 금형에 사용된 보강링은 인서트와 00.4mm 간섭을 설정하여 해석 시 금형에 먼저 예압을 걸어 인서트를 고정하도록 하였다.

대상 데이터

본 스프로켓은 회전 대칭이기 때문에 해석 시간을 줄이기 위하여 전체 형상의 1/10의 모델만을 사용하였다.

이론/모형

스프로켓의 성형해석을 위해 상용 3D-CAD 로 제품을 모델링(modeling) 하였으며 강소성 유한요소법에 기반[8~9]을 둔 DEFORM-3D 를 사용하였다. 이때 금형에 발생하는 영향을 알아보기 위해 DEFORM-3D 의 제품 성형해석값을 금형에 보간하는 방법[10]을 사용하였다.
이때 금형에 발생하는 영향을 알아보기 위해 DEFORM-3D 의 제품 성형해석값을 금형에 보간하는 방법[10]을 사용하였다. 성형해석 후 제품의 표면에 걸리는 힘을 다시 하중 조건으로 바꾸어 금형의 구조해석에 적용한 것이다.
해석조건으로 반영 하였다. 인서트 금형은 SKH₉ 를 사용하였으며 축대칭 해석을 하였다.

성능/효과

(1) 유한요소해석을 통해 치형 성형용 금형의 안전성을 판단하는 근거를 확보할 수 있었다.
(2) 일체형 금형구조에서 나타난 평균 2000MPa 높은 응력값은 분할구조에 의해 lOOOMPa 정도까지 낮아졌다. 이 것으로 분할된 치형 구조가 금형 내면에 작용하는 응력값에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
이것은 한 곳에 집중되었던 응력이 금형의 분할된 경계면을 만나면서 분산되어 전반적으로 일체형 구조의 금형 보다 낮은 응력분포를 보인 것으로 판단된다. 그리고 해석결과에서 금형에 발생하는 최대등가응력이 항복강도보다 높게 나타나지만 그 양이 아주 국부적으로 미세하며 후 가공을 고려한 1차 성형공정임을 미루어볼 때 금형과 제품에 미치는 영향은 크지 않을 것이라 판단된다.
낮아졌다. 이 것으로 분할된 치형 구조가 금형 내면에 작용하는 응력값에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
해석결과에서 측정되는 등가응력, 주응력의 크기가 두 금형의 설계방법에 따라 어떠한 경향을 보이는지 알아본 결과 노치형상에 분할형 구조를 적용한 금형의 응력은 최대 3865MPa이 작용하였고 일체형구조를 가진 금형은 이와 비슷한 응력 값인 3707MPa의 등가응력이 작용하였다. 그리고 일반적으로 모델이 외부의 힘을 받을 때 파단의 직접적인 원인이 되는 주응력(Fig.

후속연구

(3) 스프로켓 제 작을 위한 금형 치형 부의 국부적 파손을 줄일 수 있으며 유사 제품에도 기술을 적용하여 관련산업 전반에 재료비 절감에 따른 높은 경쟁력을 가져다 줄 것으로 기대된다.

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