[논문]다단 이형인발공정의 중간패스 단면형상 설계에 관한 연구

이재은; 이태규; 이상곤; 김성민; 김병민

doi:10.5228/kspp.2009.18.4.283

[국내논문] 다단 이형인발공정의 중간패스 단면형상 설계에 관한 연구
A Study on Cross Sectional Shape Design of Intermediate Pass in the Multi-Stage Shape Drawing 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.18 no.4 = no.110, 2009년, pp.283 - 289

이재은 (부산대학교 대학원 정밀기계공학과) , 이태규 (부산대학교 대학원 정밀기계공학과) , 이상곤 (부산대-IFAM 국제공동연구소) , 김성민 (광진실업(주)) , 김병민 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The multi-stage shape drawing is used to obtain long shaped products with high levels of dimensional accuracy and quality. It is important to design the cross sectional shapes of the intermediate passes to meet the required dimensional accuracy of the final product in the multi-stage shape drawing. Until now, the cross sectional shapes of the intermediate passes have been designed by the experiences. It is still remained unsolved problem to design the cross sectional shapes of intermediate pass drawing dies in the multi-pass shape drawing. In this study, a new technique is proposed to design the cross sectional shapes of intermediate passes. The proposed method is applied to a multi-stage shape drawing for a LM-guide which is one of the representative shape drawing products. In order to verify the effectiveness of the proposed method, FE-simulation and experiments have been carried out. The dimensional accuracy of the proposed method is compared with that of the conventional shape drawing process designed by the industrial engineers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(1) 본 연구에서는 가상금형을 이용한 다단 이형인발공정의 중간 패스 단면형상 설계방법을 제안하였다. 제안한 설계방법에 대하여 대칭면이 하나인 리니어모션 가이드 생산을 위한 3패스 인발공정에 적용하였다.
본 연구에서는 다단 이형인발공정에서 중간 패스의 단면형상 설계방법을 제시하였다. 제시된 설계방법을 리니어모션 가이드 생산을 위한 이형인발공정에 적용하여 그 타당성을 검증하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 직사각재가 아닌 단면형상이 복잡한 인발공정에 적용하기 위해 초기형상과 최종형상의 도심을 일치시킨 후 가상금형을 구성하였다. 그 이유는 대칭면이 하나일 때, 도심이 일치할 경우 인발력이 상대적으로 적게 들 뿐만 아니라, 인발시 소재의 휨이나 비틀림 발생을 최소화시켜 진직도를 향상시킬 수 있기 때문이다[9].
본 연구에서는 현장적용이 용이한 다단 이형인발공정 중간패스 단면형상설계방법을 제안하였다. 이를 이용하여 총 3 패스로 구성된 Fig.

제안 방법

(2) 유한요소해석을 수행하였고, 단면적의 미충만율을 계산하여 단면치수정도를 평가하였다. 그 결과 가상금형을 적용한 설계방법의 단면치수정도가 보다 우수함을 알 수 있었다.
(3) 가상금형을 이용한 설계방법의 타당성을 검증하기 위하여 이형인발 실험을 수행하였다. 실험결과 인발력은 유한요소해석결과와 거의 유사하였으며, 단면치수정도는 실험결과가 다소 우수하였다.
가상금형에 의한 설계방법의 타당성을 검증하기 위해 현장도면의 조건과 함께 상용 유한요소해석 S/W인 DEFORM-3D를 이용하여 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 적용된 소재는 AISI 4137이며, 유한요소해석을 위해 인장시험을 통해 확보한 소재의 유효 응력-유효 변형률 곡선은 식(4)와 같다.
즉, 이형인발공정에서 다이각도는 다이 높이와 소재의 국부적인 감면율에 따라 결정된다. 따라서, 본 연구에서는 다이입구의 형상은 유입되는 소재형상을 오프셋(Offset)하여 설계하였고, 그 크기는 다이각도를 고려하여 결정하였다. 또한, 다이 입구단면과 다이 출구단면의 도심은 일치하도록 하였다.
본 연구에서 제시한 중간다이 단면형상설계방법에 대한 성형해석 결과의 타당성을 검증하기 위해 인발실험을 실시하였다. 실험에 적용한 두 경우의 다이와 인발기를 Fig.
1 과 같은 대표적인 이형인발제품인 리니어모션 가이드에 적용하였다. 설계된 중간패스 단면형상에 대하여 유한요소해석과 실험을 수행하였고, 실제품 생산에 적용되고 있는 공정과 비교하여 그 타당성을 검증하였다.
0mm, 요소 수는 60,000개로 설정하였다. 성형해석은 Fig. 8에 알 수 있듯이 대칭면을 고려하여 1/2 단면에 대해 수행하였으며, 첫 번째 패스를 완전히 빠져 나온 소재에 대해 변형이력을 고려하여 두 번째와 세 번째 패스에 대한 해석을 연속적으로 수행하였다.
인발 전에 구상화된 소재가 다이스를 통해 인발기에 충분히 물릴 수 있도록 포인팅 후 피막처리를 하여 실험을 실시하였으며, 인발 후에는 응력제거 열처리, 쇼트 블라스트, 포인팅, 그리고 피막처리 후 2차 및 3차 인발을 실시하였다. 인발속도는 모든 패스에 대해 90mm/s로 동일하게 설정하였다.
인발실험을 통해 각 패스에 대한 인발력과 최종 인발된 제품에 대해 3차원 투영기를 이용하여 횡단면의 단면적을 측정하였고, 미충만율을 계산하여 평가하였다.
본 연구에서는 다단 이형인발공정에서 중간 패스의 단면형상 설계방법을 제시하였다. 제시된 설계방법을 리니어모션 가이드 생산을 위한 이형인발공정에 적용하여 그 타당성을 검증하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 본 연구에서는 가상금형을 이용한 다단 이형인발공정의 중간 패스 단면형상 설계방법을 제안하였다. 제안한 설계방법에 대하여 대칭면이 하나인 리니어모션 가이드 생산을 위한 3패스 인발공정에 적용하였다. 제안된 설계방법은 현장작업자의 경험에 의한 시행착오법으로 설계된 중간패스의 단면형상과 매우 유사한 단면형상을 얻을 수 있다.

대상 데이터

그 이유는 초기소재가 인발 시 다이스에 완전히 충진 되기 위해서는 최종형상보다 커야 하며, 중간패스의 단면형상은 초기형상과 최종형상 사이에 존재하기 때문이다. 리니어모션 가이드의 최종형상에 접하는 원의 최소직경은 34.5mm이며, 총 3패스로 구성되어 있으므로 초기소재의 직경은 최소직경보다 4mm 큰 38.5mm로 선정하였다. 이 때, 총 단면감소율은 46.
각 패스에 대한 단면적은 가상금형에 의해 결정된다. 본 연구에서 적용한 리니어모션 가이드의 경우 총 3패스의 인발공정이기 때문에 가상금형을 등간격으로 3등분하였으며, 절단된 단면들의 단면적은 각각 991.642mm2, 816.111mm2이다. 이에 따른 각 패스에 대한 단면감소율은 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서 초기형상은 원형으로 제한하였으며, 초기소재의 직경은 패스 수를 고려하여 최종형상에 접하는 원의 직경보다 2~4mm 크게 선정하였다. 그 이유는 초기소재가 인발 시 다이스에 완전히 충진 되기 위해서는 최종형상보다 커야 하며, 중간패스의 단면형상은 초기형상과 최종형상 사이에 존재하기 때문이다.
실험에 사용된 소재는 AISI 4137이며, 초기 소재의 직경은 38.5mm, 길이는 1000.0mm이다.
해석조건으로 소재와 다이 사이의 마찰상수(m)는 0.1, 인발속도는 90mm/s로 설정하였으며, 해석시간을 고려하여 초기 소재의 길이는 60.0mm, 요소 수는 60,000개로 설정하였다. 성형해석은 Fig.

이론/모형

따라서, 최종제품의 치수정도 향상을 위해서는 가상금형으로부터 얻은 임의의 단면형상에 대해 언더컷 부분의 감면율은 작게, 모서리 부분의 감면율은 상대적으로 높게 설정해야만 한다. 본 연구에서는 가상금형으로부터 얻은 임의의 단면형상을 최종형상과 유사하게 변형시키기 위해 스케일계수(Scale factor, S.F)를 도입하였다.

성능/효과

(2) 유한요소해석을 수행하였고, 단면적의 미충만율을 계산하여 단면치수정도를 평가하였다. 그 결과 가상금형을 적용한 설계방법의 단면치수정도가 보다 우수함을 알 수 있었다.
10은 최종패스의 변형영역 내에서의 소재유동 분포를 나타낸 것이다. 본 연구에서 제시한 설계방법이 현장작업자의 경험에 의한 설계방법에 비해 소재유동이 상대적으로 균일하며, 이로 인해 제품의 진직도가 보다 우수할 것으로 판단된다[10].
(3) 가상금형을 이용한 설계방법의 타당성을 검증하기 위하여 이형인발 실험을 수행하였다. 실험결과 인발력은 유한요소해석결과와 거의 유사하였으며, 단면치수정도는 실험결과가 다소 우수하였다.
이상의 이형인발실험을 통해 본 연구에서 제시한 중간다이스 설계방법에 대한 타당성을 확인할 수 있었다.
제안한 설계방법에 대하여 대칭면이 하나인 리니어모션 가이드 생산을 위한 3패스 인발공정에 적용하였다. 제안된 설계방법은 현장작업자의 경험에 의한 시행착오법으로 설계된 중간패스의 단면형상과 매우 유사한 단면형상을 얻을 수 있다.
최종제품에 대한 미충만율의 경우 유한요소해석 결과보다 실험결과가 보다 우수하였다. 해석결과와 실험결과의 미충만율 차이는 유한요소해석시 요소수의 제약에 의한 것으로 판단된다.
최종패스에서 미충만율은 현장작업자에 의한 설계방법에 비해 본 연구에서 제시된 설계방법이 보다 우수함을 알 수 있다.

후속연구

(4) 본 연구에서 제시한 가상금형을 이용한 설계방법을 적용할 경우 현장작업자의 경험에 의한 시행착오방법보다 체계적으로 다단 이형인발공정의 중간 패스 단면형상을 설계할 수 있으므로, 다양한 이형인발제품 생산에 용이하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직사각형 인발의 경우 기하학적 대칭면이 몇 개 이상인가?	직사각형 인발의 경우 기하학적 대칭면이 2개 이상이기 때문에, 다이 입구의 크기에 따라 다이각도가 대칭면을 기준으로 동일하게 변하게 된다. Kim[7] 등은 이러한 대칭성을 이용하여 가상금형(Virtual drawing die)을 구성하였다.
	다단 이형인발공정에서 중간패스의 단면형상을 설계하기 위해서는 무엇이 주어져야 하는가?	다단 이형인발공정에서 중간패스의 단면형상을 설계하기 위해서는 먼저 초기형상과 최종형상이 주어져야 한다.

참고문헌 (10)

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V. Nagpal, C. F. Billhardt, T. Altan, 1979, Lubricated Extrusion of 'T' Sections from Aluminum, Titanium and Steel Using Computer-Aided Techniques, J. Eng. Ind, Vol. 101, pp. 319-325

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S. K. Lee, J. E. Lee, B. M. Kim, 2008, Optimization of Dies Angles to Improve the Dimensional Accuracy and Straightness of the Shaped Drawn Product Based on the FE Simulation and the Taguchi Method, Trans. of the KSME(A). Vol. 32, pp. 474-480

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