[논문]블라인드 리벳의 단조공정설계를 위한 유한요소해석

변홍석

doi:10.5762/kais.2009.10.10.2577

블라인드 리벳의 단조공정설계를 위한 유한요소해석
Finite Element Analysis for the Forging Process Design of a Blind Rivet 원문보기 논문타임라인

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.10 no.10, 2009년, pp.2577 - 2582

초록
AI-Helper

리벳은 두 부품을 결합하는 중요한 체결 요소이다. 본 연구에서는 부품의 진동 등에서도 잘 견디고 강한 체결력을 가지는 블라인드 리벳 몸체의 제작을 위해 강소성 유한요소해석을 사용하여 최적의 공정설계에 관한 연구를 수행하였다. 제안된 공정설계규칙 및 유한요소해석 결과를 토대로 4단계의 단조공정을 제시하였고, 폴딩 및 금형으로부터 이탈과 같은 결함을 예측하여 최적의 공정설계를 제안하였다. 또한, 소재의 유동 형상, 변형률 분포, 단조하중 등을 비교 검토하여 블라인드 리벳 몸체의 단조공정의 유용성을 확인하였다. 이들의 결과는 금형 설계 및 공정설계에 유용한 자료로 활용될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

A rivet which can fasten two parts is one of an important mechanical elements. In this study, the process design of a blind revet is implemented using finite element method in order to manufacture it which can resist high vibration and has strong coherence between two parts. Considering plastic flow, ease of manufacture, high strength, material loss, and so forth, an optimal four-stage process is proposed by finite element analysis and process design rules. In addition, the finite element simulation results such as shape of the forged rivet, strain distribution and forging load are investigated for the usefulness of the forging process of the blind rivet. These results will be contributed to the forging process design and the die design of the blind rivet.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

리벳은 두 부품을 결합하는 중요한 체결 요소이다. 본 연구에서는 부품의 진동 등에서도 잘 견디고 강한 체결력을 가지는 블라인드 리벳 몸체의 제작을 위해 강소성 유한요소해석을 사용하여 최적의 공정설계에 관한 연구를 수행하였다. 제안된 공정설계규칙 및 유한요소해석 결과를 토대로 4단계의 공정을 제시하였고, 폴딩 및 금형으로부터 이탈과 같은 결함을 예측하여 최적의 공정설계를 제안하였다.
본 연구에서는 블라인드 리벳의 국산화 개발에 소요되는 제품의 개발기간을 단축하고 시행착오적 실험을 통해 발생하는 비용을 최소화할 수 있도록 하기 위해 블라인드 리벳의 단조 공정을 강소성 유한요소법을 적용하여 성형공정 해석을 수행하고, 그 결과를 향후 블라인드 리벳 개발에 최적의 공정설계 및 금형설계를 위한 기초 자료로서 제공하고자 한다.

가설 설정

일반적으로 금속재료의 소성가공시 발생하는 변형률은 매우 작으므로 소성가공문제 해석시 탄성변형률을 무시한다. 따라서 소재를 강소성(rigid-plastic)으로 가정할 수 있다.

제안 방법

1) 단조공정해석을 통해 리벳 제조를 위한 단계별 성형공정(업셋팅 공정, 1차 예비 공정(리벳 머리 성형 공정), 2차 예비 공정(리벳 몸체 중공 성형 공정) 및 리벳 몸체 쉘 홈 가공 공정)을 제안하였다.
2) 업셋팅시 폴딩 제거 방법, 각 공정의 성형과정, 유효변형률 분포 및 단조하중 등을 검토·분석하였다.
3) 단조공정해석 및 리벳 제조를 위한 공정 설계 규칙을 제안하였다.
1로 선택하였다. 또한 소재와 금형사이의 간격을 0.001mm이하가 되면 접촉된 것으로 하였고, 3차원 요소분할은 자동 생성되도록 하고 균일하게 격자가 분포되도록 하였다. 본 해석의 블라인드 리벳 형상은 축 대칭이므로 세 갈래의 절단된 홈을 기준으로 1/3형상에 대해서만 해석을 수행하였다.
제안된 공정설계규칙 및 유한요소해석 결과를 토대로 4단계의 공정을 제시하였고, 폴딩 및 금형으로부터 이탈과 같은 결함을 예측하여 최적의 공정설계를 제안하였다. 또한, 소재의 성형 형상, 변형률 분포, 단조 하중 등을 비교 검토하여 블라인드 리벳 몸체의 단조공정의 유용성을 확인하였다. 이들의 결과는 금형 설계 및 공정설계에 유용한 기초자료로 활용될 것이다.
본 연구에서 공정설계에 대한 설계 규칙은 제품의 압축율과 성형한계를 기초로 하여 숙련자의 경험, 관련 연구 결과 데이터, 소성이론 등[2-5]을 바탕으로 일반적이고 이론적으로 모순이 없는 사항에서 리벳의 단조 공정설계 규칙을 제안하였다. 그림 1은 리벳 단조의 공정설계 절차를 보여주고 있다.
본 연구에서는 리벳몸체 제작을 위해 냉간단조공정을 바탕으로 하여 단조공정을 분할하였고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 그림 3과 같이 공정을 결정하였다.
단조 공정에서는 소재의 변형이 심할 경우에는 소재 유동을 원활하게 하고 펀치의 하중을 감소시키기 위해 윤활제를 사용한다. 본 해석에서는 금형면과 소재면 사이에 일정전단마찰(constant shear friction)이 작용하는 것으로 하였으며, 마찰계수는 0.1로 선택하였다. 또한 소재와 금형사이의 간격을 0.
001mm이하가 되면 접촉된 것으로 하였고, 3차원 요소분할은 자동 생성되도록 하고 균일하게 격자가 분포되도록 하였다. 본 해석의 블라인드 리벳 형상은 축 대칭이므로 세 갈래의 절단된 홈을 기준으로 1/3형상에 대해서만 해석을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 재료는 Al5056으로 선택하였다.
본 연구에서는 부품의 진동 등에서도 잘 견디고 강한 체결력을 가지는 블라인드 리벳 몸체의 제작을 위해 강소성 유한요소해석을 사용하여 최적의 공정설계에 관한 연구를 수행하였다. 제안된 공정설계규칙 및 유한요소해석 결과를 토대로 4단계의 공정을 제시하였고, 폴딩 및 금형으로부터 이탈과 같은 결함을 예측하여 최적의 공정설계를 제안하였다. 또한, 소재의 성형 형상, 변형률 분포, 단조 하중 등을 비교 검토하여 블라인드 리벳 몸체의 단조공정의 유용성을 확인하였다.
이 프로그램은 금속 성형 해석을 위해 범용적으로 사용되는 소성변형 해석 도구이다[2,8]. 초기소재 및 금형의 모델링은 3D 캐드 모델러인 SolidWorks을 사용 하여 모델을 생성하고 STL화일로 저장하여 DEFORM-3D에서 읽어 들인 다음에 3차원 요소(element)를 분할 생성하고 재료의 소성 변형 해석을 수행하였다.

대상 데이터

본 해석의 블라인드 리벳 형상은 축 대칭이므로 세 갈래의 절단된 홈을 기준으로 1/3형상에 대해서만 해석을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 재료는 Al5056으로 선택하였다.

이론/모형

본 연구에서 블라인드 리벳의 단조공정해석을 위해 강소성 유한요소 해석 프로그램인 DEFORM-3D^TM를 사용하였다. 이 프로그램은 금속 성형 해석을 위해 범용적으로 사용되는 소성변형 해석 도구이다[2,8].
본 연구에서는 박판 또는 부품의 체결을 위해 사용되는 블라인드 리벳 몸체의 단조 공정 설계를 위해 강소성 유한요소법을 사용하였으며 단조공정 해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
규칙 1. 중간단계의 예비성형체의 치수를 결정하려면 체적 일정법칙을 사용한다.

성능/효과

3차원 유한요소 단조 시뮬레이션에 사용된 가정은 다음과 같다. (1) 펀치와 다이면에서는 마찰조건이 일정하고, (2) 금형의 속도 등은 모든 공정에 동일하며, (3) 금형은 강체이고 소재의 변형중 탄성영역은 무시한다. 단조 공정에서는 소재의 변형이 심할 경우에는 소재 유동을 원활하게 하고 펀치의 하중을 감소시키기 위해 윤활제를 사용한다.
리벳 몸체의 중공 압출 공정의 경우 단조 중기까지는 재료 관통을 위해 일정한 하중이 요구되지만 압출이 될수록 즉, 단조후기로 갈수록 재료의 전단면이 작아지므로 점차로 단조하중이 감소되는 것을 볼 수 있다. 마지막 공정인 리벳 몸체 쉘의 절단홈 가공 공정은 쉘 절단에 요구되는 단조하중은 균일하게 일정한 하중을 요구하는 것을 알 수 있었다. 유한요소해석에서 예측된 각 공정의 단조하중은 최소 100kgf에서 최대 1,000kgf 범위라고 사료되며 이 범위의 하중이 적절한 단조하중이라 사료된다.
이들 네 단계 공정에 대해서 유한요소 시뮬레이션을 수행하였고 성형공정 단계별 변형 형태를 그림 4에서 보여주고 있다. 시뮬레이션 결과 각 공정별로 소성류에 의한 재료의 접힘 현상(folding)이나 소재의 파손 등이 보이지 않으며 적절하게 성형이 이루지는 것을 볼 수 있었다. 그러나, 리벳 머리 생성을 위해 예비단계인 업셋팅 공정과 리벳 머리 생성을 위한 단조시 그림 5(a)와 같이 소재가 접히는 폴딩(folding)현상이 발생하는 것을 알 수 있었다.
유효변형율은 리벳 몸체의 머리 부위, 몸체 쉘의 하단부위 및 세갈래의 절단 부위에서 크게 나타났다. 예측대로 심하게 변형되는 부위에서 가장 크게 나타나고 있다.

후속연구

4) 수행된 해석 결과들은 리벳의 단조 공정 설계 및 금형 설계에 유용한 자료로 활용될 것이다.
또한, 소재의 성형 형상, 변형률 분포, 단조 하중 등을 비교 검토하여 블라인드 리벳 몸체의 단조공정의 유용성을 확인하였다. 이들의 결과는 금형 설계 및 공정설계에 유용한 기초자료로 활용될 것이다.
향후연구에서는 본 연구의 결과를 토대로 단조공정설계 및 금형설계를 수행하고, 실험을 통해 획득한 데이터와 해석결과를 비교 분석하여 그 유용성 및 타당성을 고찰하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리벳은 무엇인가?	리벳은 두 부품을 결합하는 중요한 체결 요소이다. 본 연구에서는 부품의 진동 등에서도 잘 견디고 강한 체결력을 가지는 블라인드 리벳 몸체의 제작을 위해 강소성 유한요소해석을 사용하여 최적의 공정설계에 관한 연구를 수행하였다.
	블라인드 리벳이 자동차산업에서 각광받는 이유는 무엇인가?	최근에서 자동차산업에서 복잡한 몸체의 단면 구조에 부품을 서로 체결할 때 사전에 너트를 용접할 필요가 없는 블라인드 리벳이 사용되기 시작하여 자동차의 생산비용 절감에 공헌하고 있으며 이는 가전산업, 가구산업, 주택산업 등으로 확대 발전되어 오고 있다. 특히 자동차산업에서는 차체의 중량을 감소시키기기 위해 알루미늄판이나 고장력 강판의 적용이 주목되고 있어서 용접이 곤란한 재료나 융점이 다른 이종금속간의 접합에 리벳이 각광을 받고 있다.
	리벳은 무엇으로 제조되는가?	리벳은 강철판 또는 플라스틱 등의 부품간의 영구적인 체결을 위해 사용되고 있으며 좁은 공간 및 폐공간 설계에 유용하게 사용할 수 있고, 일반적으로 연강으로 만들지만 용도에 따라 강을 비롯하여 스테인레스강, 알루미늄 등이 이용되고 있으며 최근에는 플라스틱 소재의 리벳도 제조되고 있는 추세이다.

참고문헌 (8)
타임라인 바로가기

김용조, 박성대, "베벨기어의 밀폐단조 공정설계를 위한 유한요소해석", 한국기계가공학회지, 제2권, 제1호, pp. 92-99, 2003.

원문보기 상세보기
인용구절

인용 구절

리벳을 포함한 다양한 정밀부품들을 제조할 때 단조 등의 금속성형공정은 전문가의 지식을 바탕으로 경험에 의존하여 발달되어 왔으나, 금형이 고가이고 개발기간 단축을 위해 시행착오적인 실험을 통해 설계하기에는 한계가 있다[1].

최근에는 이러한 종래방법을 유한요소해석을 통해 대체함으로써 개발기간을 단축하고 최적의 공정분할을 도달하려고 노력하고 있다[1,6-7].
박철우, "다단-포머를 이용한 오토트랜스 미션용 솔레노이드 밸브 공정설계 및 유한요소해석", 한국마린엔지니어링학회지, 제33권, 제1호, pp. 97-103, 2009.

원문보기 상세보기 타임라인에서 보기
인용구절

인용 구절

본 연구에서 공정설계에 대한 설계 규칙은 제품의 압축율과 성형한계를 기초로 하여 숙련자의 경험, 관련 연구 결과 데이터, 소성이론 등[2-5]을 바탕으로 일반적이고 이론적으로 모순이 없는 사항에서 리벳의 단조 공정설계 규칙을 제안하였다.

이 프로그램은 금속 성형 해석을 위해 범용적으로 사용되는 소성변형 해석 도구이다[2,8].
박철우, 강정훈, 이준호, 김철, 김문생, 최재찬, "다단포머-볼트류 공정 및 금형설계 자동화 시스템", 한국정밀공학회지, 제20권, 제4호, pp. 29-38, 2003.

원문보기 상세보기 타임라인에서 보기
인용구절

인용 구절

본 연구에서 공정설계에 대한 설계 규칙은 제품의 압축율과 성형한계를 기초로 하여 숙련자의 경험, 관련 연구 결과 데이터, 소성이론 등[2-5]을 바탕으로 일반적이고 이론적으로 모순이 없는 사항에서 리벳의 단조 공정설계 규칙을 제안하였다.

그림 2(a)의 초기 소재가 업셋 단조를 거쳐서 그림 2(b)와 같이 리벳 머리로 변형되었을 때 리벳 머리 상단은 임의 반지름을 가지는 구면이고 재료 유동이 일어나는 측면 부분은 벌징(Bulging)이 발생하는데 이는 매우작으므로 무시하여 전체적으로 원통 형상이라고 보면 압축길이는 초기소재와 변형된 최종형상의 체적이 같다는 체적일정조건[3]에 따라 다음과 같이 유도할 수 있다.
박종옥, 이준호, 정성윤, 김철, 김문생, "준축대칭 제품의 냉간단조 공정설계 및 금형설계 자동화 시스템 개발", 한국정밀공학회지 제19권, 제1호, pp. 107-118, 2002.

원문보기 상세보기 타임라인에서 보기
인용구절

인용 구절

본 연구에서 공정설계에 대한 설계 규칙은 제품의 압축율과 성형한계를 기초로 하여 숙련자의 경험, 관련 연구 결과 데이터, 소성이론 등[2-5]을 바탕으로 일반적이고 이론적으로 모순이 없는 사항에서 리벳의 단조 공정설계 규칙을 제안하였다.
최재찬, 김성원, 조해용, 김형섭, "축대칭 다단 냉간 단조 금형설계에 관한 연구", 한국정밀공학회지 제7권, 제2호, pp. 95-104, 1990.

인용구절

인용 구절

본 연구에서 공정설계에 대한 설계 규칙은 제품의 압축율과 성형한계를 기초로 하여 숙련자의 경험, 관련 연구 결과 데이터, 소성이론 등[2-5]을 바탕으로 일반적이고 이론적으로 모순이 없는 사항에서 리벳의 단조 공정설계 규칙을 제안하였다.
한규택, 추덕열, "유한요소해석에 의한 승용차용 플레어 너트 단조공정의 최적설계", 한국박용기관학회지 제28권, 제1호, pp. 83-89, 2004.

원문보기 상세보기 타임라인에서 보기
인용구절

인용 구절

최근에는 이러한 종래방법을 유한요소해석을 통해 대체함으로써 개발기간을 단축하고 최적의 공정분할을 도달하려고 노력하고 있다[1,6-7].
민규영, 김태범, 박용복 "자동차용 에어콘 호스 제조를 위한 스웨이징 공정 유한요소해석", 한국산학기술학회논문지 제9권, 제5호, pp. 1102-1106, 2008.

원문보기 상세보기 타임라인에서 보기
인용구절

인용 구절

최근에는 이러한 종래방법을 유한요소해석을 통해 대체함으로써 개발기간을 단축하고 최적의 공정분할을 도달하려고 노력하고 있다[1,6-7].
왕창범, 송두호, 박용복, "HDTE관의 TEE 성형에 대한 유한요소해석", 한국산학기술학회논문지, 제7권, 제3호, pp. 298-307, 2006.

인용구절

인용 구절

이 프로그램은 금속 성형 해석을 위해 범용적으로 사용되는 소성변형 해석 도구이다[2,8].

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증