[논문]마이크로 체결부품 전조성형공정에 관한 해석 및 실험적 고찰(Part I: 유한요소 해석기반 공정변수 영향분석)

송정한; 이종섭; 이혜진; 이근안; 박기동; 나승우; 이형욱

doi:10.5228/kstp.2011.20.8.581

마이크로 체결부품 전조성형공정에 관한 해석 및 실험적 고찰(Part I: 유한요소 해석기반 공정변수 영향분석)
Analysis and Experiments on the Thread Rolling Process for Micro-Sized Screws Part I: Process Parameter Analysis by Finite-Element Simulation 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.20 no.8, 2011년, pp.581 - 587

송정한 (한국생산기술연구원) , 이종섭 (한국생산기술연구원) , 이혜진 (한국생산기술연구원) , 이근안 (한국생산기술연구원) , 박기동 (한국생산기술연구원) , 나승우 ((주) 서울금속) , 이형욱 (충주대학교 에너지시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The production of high-precision micro-sized screws, used to fasten parts of micro devices, generally utilizes a cold thread-rolling process and two flat dies to create the teeth. The process is fairly complex, involving parameters such as die shape, die alignment, and other process variables. Thus, up-front finite-element(FE) simulation is often used in the system design procedure. The final goal of this paper is to produce high-precision screw with a diameter of $800{\mu}m$ and a thread pitch of $200{\mu}m$ (M0.8${\times}$P0.2) by a cold thread rolling process. Part I is a first-stage effort, in which FE simulation is used to establish process parameters for thread rolling to produce micro-sized screws with M1.4${\times}$P0.3, which is larger than the ultimate target screw. The material hardening model was first determined through mechanical testing. Numerical simulations were then performed to find the effects of such process parameters as friction between work piece and dies, alignment between dies and material. The final shape and dimensions predicted by simulation were compared with experimental observation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 M0.8×P0.2 급 마이크로 스크류의 전조성형 공정기술 개발을 목적으로 한다.
본 논문에서는 M0.8×P0.2 급 마이크로 스크류의 전조성형 공정기술 개발을 목적으로 현 양산가능 수준인 M1.4×P0.3 제품을 기준으로 판형전조공정 설계를 위한 해석기술을 확보하고 공정해석 및 성형실험을 통하여 주요 공정변수인 마찰상수, 평 금형 간격 등을 정량화 하였다.
본 논문에서는 마이크로 스크류의 공정설계를 위한 판형 전조공정의 유한요소해석기법을 확립하는 것을 목적으로 소재의 기계적 물성평가를 수행하고, 소재의 가공경화 근사모델을 결정하였으며, M1.4×P0.3 스크류를 기준으로 전조성형 공정해석 및 실험을 통하여 주요 공정변수인 마찰계수, 평금형 간격 등을 정량화 하였다.
본 연구에서는 마이크로 스크류 판형전조공정 설계를 위한 최적의 해석기술을 확보하고자 현 양산가능 수준인 M1.4×P0.3 제품을 기준으로 해석 및 실험과의 비교를 통하여 마찰상수, 금형 사이의 간격 등 공정변수가 성형품의 형상 등에 미치는 영향을 분석하였다.
2% 내 오차범위의 유사한 치수 정밀도를 보임을 확인하였다. 이상의본 논문에서 확보한 성형해석 및 공정변수 분석 결과를 M0.8×P0.2 급 마이크로 스크류의 전조성형을 위한 공정설계에 적용하고자 한다.

제안 방법

적합한 치형형성이 가능한 동작부 금형의 축 방향 이동거리의 범위를 구하기 위하여, 금형의 축 방향 배치를 변화하여 치형 성형성 분석을 위한 유한요소해석을 실시하였다. Fig. 9 와 같이 동작부 금형을 고정부 금형과 동일하게 위치한 경우를 기준으로 동작부 금형을 시편 축 방향으로 치형 피치의 1/2 인 0.15mm 까지 달리하여 배치하고, 해석을 수행하여 생성된 치형의 설계기준 만족여부를 확인하였다.
STS410의 물성평가를 위해 압축시험을 수행하였다. 실제 스크류 제조에 사용되는 초기직경 1.
기존 시행착오법이 아닌 해석기반의 공정기술 개발을 위하여 먼저 Part I에서는 실험과의 비교 등을 위하여 현 양산가능 수준인 M1.4×P0.3 제품을 기준으로 판형전조공정 설계를 위한 해석기술을 확보하고 주요 공정변수의 영향을 분석하였으며, Part II에서는 이를 M0.8×P0.2 급 마이크로 스크류 전조성형공정에 적용하였다.
판형 전조성형공정에서 고정부와 동작부 금형의 배치는 성형품질에 영향을 미치는 중요한 인자로써 현장에서는 숙련자가 동작부 금형을 임의로 이동시킨 후 시행착오 과정을 거쳐 제품을 생산한다. 불량을 야기시키는 전조금형 배치에 관한 공정변수를 정량적으로 분석하고 적합한 설계 가이드라인 확보를 위하여 유한요소해석을 이용한 변수연구를 실시하였다.
스크류 성형소재의 물성실험 및 비커스 경도해석을 토대로 Hockett–Sherby 모델을 이용한 유동 응력 근사의 신뢰성을 확인하였다.
STS410의 물성평가를 위해 압축시험을 수행하였다. 실제 스크류 제조에 사용되는 초기직경 1.17mm의 신선된 STS410 소재를 높이 2.0mm의 원기둥 형태로 압축 면의 평평도 유지 및 버 제거 등에 최대한 주의를 기울여 가공하였다. 압축시험은 Instron 5583을 이용하여, 무윤활 조건으로 75%의 압하량을 0.
0mm의 원기둥 형태로 압축 면의 평평도 유지 및 버 제거 등에 최대한 주의를 기울여 가공하였다. 압축시험은 Instron 5583을 이용하여, 무윤활 조건으로 75%의 압하량을 0.01mm/s의 압축속도를 부과하여 수행하였다. 시험 전·후의 시편형상 과 진응력–진변형률 곡선을 각각 Fig.
따라서 수치해석에서도 초기 진입 시 미끄럼이 발생되지 않는 전단마찰상수의 결정이 필요하다. 이를 위해 본 논문에서는 마찰상수를 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 으로 변화시킨 해석을 수행하고, 소재가 금형 내부로 진입되는 이동 및 변형양상을 분석 하였다.
이중에서 스크류의 치수정밀도가 가장 중요한 조건으로 본 논문에서는 해석 결과 검증을 위해 M1.4×P0.3 성형품과 형상 및 치수 정도를 비교하였다.
적합한 치형형성이 가능한 동작부 금형의 축 방향 이동거리의 범위를 구하기 위하여, 금형의 축 방향 배치를 변화하여 치형 성형성 분석을 위한 유한요소해석을 실시하였다. Fig.
지금까지 분석한 소재의 유동응력 모델, 금형과 소재 간 마찰상수, 고정부 및 동작부 금형의 축 방향 배치 등의 해석조건을 적용하여 해석을 수행하였다. 해석결과와 실제 M1.
해석결과와 실제 M1.4×P0.3 성형품과의 비교를 통하여 본 논문에서 정립한 스크류 전조성형공정해석의 유효성을 검증하였다.

대상 데이터

5 와 같다. 소재는 4 절점 테트라(Tetra) 요소로 구성하였다. 전조성형해석 시 해석시간의 감소를 위해 전조성형이 이루어지지 않는 나사 머리부의 치수는 작게 설계하였다.
3 스크류 전조공정의 유한요소해석은 상용 프로그램인 DEFORM-3D를 사용하였다. 소재는 앞에서 기술한 STS410 의 물성치를 사용하였으며, 헤딩공정 후 전조공정에 적용되는 초기소재의 형상은 Fig. 5 와 같다. 소재는 4 절점 테트라(Tetra) 요소로 구성하였다.

이론/모형

Hockett–Sherby 모델을 사용하여 근사한 유동응력을 전조 성형공정의 유한요소해석에 적용하기에 앞서 물성치의 타당성 검증을 위하여 마이크로 비커스 경도측정[10] 모사해석을 수행하였다.
M1.4×P0.3 스크류 전조공정의 유한요소해석은 상용 프로그램인 DEFORM-3D를 사용하였다.
본 논문에서는 Hockett – Sherby 모델을 유동응력 근사에 사용하여 전조성형해석에 적용하였다.
본 논문에서는 소재의 변형경화거동을 정밀하게 모사하기 위해 먼저 일반적으로 사용되는 식 (1)의 Ludwik 모델을 이용하여 Fig. 3(a)와 같이 유동응력곡선을 근사하였다.
이에 본 논문에서는 식(2)로 표현되는 Hockett – Sherby 모델[9]을 이용하여 STS410 소재의 유동응력 곡선을 근사하였다.
Hockett–Sherby 모델을 사용하여 근사한 유동응력을 전조 성형공정의 유한요소해석에 적용하기에 앞서 물성치의 타당성 검증을 위하여 마이크로 비커스 경도측정[10] 모사해석을 수행하였다. 해석은 상용 소프트웨어인 DEFORM-3D를 사용하였으며[11], 형상대칭성을 고려하여 1/8 모델에 대하여 다이아몬드 압자의 압하속도를 1.0mm/sec로 부과하였다. 모사 해석 및 실험 결과를 Fig.

성능/효과

10에 도시하였다. 금형을 0.0mm~0.09mm로 이동시킬 경우 불연속 치형 또는 낮은 연속성을 갖는 치형이 생성되었으며, 0.10mm 이상 이동시킬 경우 연속성을 갖는 치형이 생성됨을 확인하였다.
14에 도시하였다. 블록으로 표시한 부분이 금형과 소재 사이의 접촉이 발생된 부분이며, 소재 치형이 금형 나사산과 균일하게 접촉되어 원활한 소재충진이 이루어짐을 확인할 수 있다. 금형 이송거리에 따른 고정부 금형과 동작부 금형에 부과되는 반력은 Fig.
실제 마찰조건이 제품성형에 미치는 영향 분석을 위하여 윤활조건에서 M1.4×P0.3 제품의 전조공정실험을 수행한 결과 Fig. 8 과 같이 금형 내 소재 상하 이탈현상이 발생되어 스크류의 머리 하단부가 금형과 접촉되어 소재의 치형이 휘어지는 불량이나, 표면의 미끄러짐으로 인한 소재의 기울어짐으로 치형불량이 발생되었다.
3제품에 대하여 동작부 금형과 고정부 금형 사이의 간격을 동일하게 배치한 경우에 발생한 치형불량을 도시하였다. 유한요소 해석과 동일하게 실험에서도 전조성형과정에서 소재의 회전에 따라 상대 치형과의 간격이 발생하여 불연속적인 치형이 성형됨을 확인할 수 있다.
11에 정리하였다. 이동거리가 피치의 1/2에 해당되는 0.15mm에 근접하게 배치할 경우, 연속성을 갖는 치형이 생성되어 성형하중은 점차 감소하였고, 0.12mm 이상 배치한 경우에서 0.15mm와 유사한 성형하중을 가짐을 확인하였다. 즉, 양호한 치형성형을 위한 동작부 금형의 축 방향 이동거리는 0.
2% 내 이다. 이상의 치수 및 성형형상 비교를 통해 본 논문에서 분석한 공정 변수를 토대로 성형해석을 수행할 경우에 정밀 하게 성형공정을 예측할 수 있음을 확인할 수 있다.
15mm와 유사한 성형하중을 가짐을 확인하였다. 즉, 양호한 치형성형을 위한 동작부 금형의 축 방향 이동거리는 0.12mm~0.15mm이며, 피치의 10%인 0.03mm의 허용범위를 가지는 것을 확인하였다.
3 스크류를 기준으로 전조성형 공정해석 및 실험을 통하여 주요 공정변수인 마찰계수, 평금형 간격 등을 정량화 하였다. 최종적으로 성형품과 해석결과의 비교를 통하여 제안된 성형해석기법의 유효성을 확인하였다.
최종적으로 성형해석 및 공정분석 결과의 유효성을 확인하기 위하여 M1.4×P0.3 성형품과 해석결과의 비교를 수행한 결과 0.2% 내 오차범위의 유사한 치수 정밀도를 보임을 확인하였다. 이상의본 논문에서 확보한 성형해석 및 공정변수 분석 결과를 M0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스크류란 무엇인가?	스크류는 각종 기계 및 통신, 전자제품 결합에 사용되는 대표적인 체결용 기계요소다. 대형 스크류와 특정목적을 갖는 스크류를 제외하면, 제품의 우수한 기계적 특성 때문에, 일반적으로 전조가공을 통해 생산되고 있다.
	M1.4×P0.3 마이크로 스크류의 소재인 STS410 (AISI410)의 특징은 무엇인가?	3 마이크로 스크류의 소재는 STS410 (AISI410)으로 그 조성은 Table 1 과 같다. STS410강의 경우, Cr 이 강 표면에 매우 얇은 Cr2O3 피막을 형성해 내식성, 내산화성 및 내열성이 뛰어나 추가적인 도금과정이 필요 없는 특징을 갖는다.
	전조가공에 의해 생산된 스크류의 표면의 특징은 무엇인가?	대형 스크류와 특정목적을 갖는 스크류를 제외하면, 제품의 우수한 기계적 특성 때문에, 일반적으로 전조가공을 통해 생산되고 있다. 전조가공에 의해 생산된 스크류의 표면은 소성변형에 의해 가공 경화되고 결정이 미세화되어 미려한 품질을 갖게 되며, 결정의 미세화로 인해 절삭가공 대비 인장강도와 피로강도가 크게 향상된다[1].

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Z. Pater, A. Gontarz, W. Weronski, 2004, New Method of Thread Rolling, J. Mater. Process. Technol., Vol. 153-154, pp. 722-728.

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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].

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