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문제 정의
- 본 연구에서는 금속 휴대폰 프론트 케이스의 성형공정에서 발생하는 비틀림을 저감하기 위한 블랭크 형상을 유한요소해석을 통해 설계하고, 이를 실험적으로 검증하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
- 5)를 사용하였으며, 노칭공정은 블랭크 요소제거법으로 대체하였다[6, 7]. 성형공정은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 펀치, 다이 및 홀더로 구성되며, 툴과 소재간의 마찰계수는 0.125로 가정하였다. 성형 후 DYNAFORM에서 지원하는 스프링백 해석모듈을 이용하여 탄성회복에 의한 금속 휴대폰 프론트 케이스의 형상오차를 평가하였다.
제안 방법
- 기존 생산방식에서 제작되는 금속 휴대폰 프론트 케이스의 비틀림량을 평가하였다. 휴대폰 프론트 케이스의 비틀림은 Fig.
- 유한요소해석을 통해 연결부 형상에 따른 성형공정 후의 형상오차를 평가하고, 형상오차를 최소화 할 수 있는 연결부 형상을 결정하였다. 또한 성형실험을 통해 설계된 연결부 형상의 타당성을 검증하였다.
- 또한 성형실험을 통해 제작된 성형제품을 용접 공정에 적용하여 보강재와 성형제품을 조립하였다. Fig.
- 본 연구에서는 Fig. 5에 나타낸 것과 같이 연결부(connector)의 형상에 따른 휴대폰 프론트 케이스의 비틀림현상을 유한요소해석을 통해 분석하였다. Fig.
- 본 연구에서는 금속 휴대폰 프론트 케이스의 성형공정 시, 스프링백에 의해 발생하는 휴대폰용 금속 프론트 케이스의 프레임 비틀림을 방지하기 위해 프레임 사이에 연결부를 추가하였다. 유한요소해석을 통해 연결부 형상에 따른 성형공정 후의 형상오차를 평가하고, 형상오차를 최소화 할 수 있는 연결부 형상을 결정하였다.
- 즉, 금속 휴대폰 프론트 케이스 성형 시 발생되는 비틀림을 억제하기 위해서는 비틀림 방향으로 제품의 구조강성을 증가시킬 수 있는 방안이 요구된다. 본 연구에서는 제품의 비틀림을 억제하기 위해 Fig. 5와 같이 금속 휴대폰 프론트 케이스의 연결부를 추가하여 평면 내 굽힙방향으로의 구조강성을 증가시켰다.
- 본 연구에서는 프로그레시브 성형공정 후 제품의 탄성회복에 의한 비틀림을 유한요소해석을 통해 평가하였다. 유한요소해석은 상용박판성형 해석 프로그램인 DYNAFORM(ver.
- 125로 가정하였다. 성형 후 DYNAFORM에서 지원하는 스프링백 해석모듈을 이용하여 탄성회복에 의한 금속 휴대폰 프론트 케이스의 형상오차를 평가하였다. 박판소재는 SUS304 1/2H를 사용하였으며, 소재의 기계적 물성은 인장시험을 통해 평가하였다.
- 9는 성형실험을 위한 프로그레시브 금형을 나타낸 것이다. 성형 후 제품의 형상오차는 3차원 레이저 형상측정장비를 사용하여 형상을 측정하고, 도면 치수와 비교하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 프로그레시브 성형공정 후 제품의 탄성회복에 의한 비틀림을 유한요소해석을 통해 평가하였다. 유한요소해석은 상용박판성형 해석 프로그램인 DYNAFORM(ver. 5.5)를 사용하였으며, 노칭공정은 블랭크 요소제거법으로 대체하였다[6, 7]. 성형공정은 Fig.
- 본 연구에서는 금속 휴대폰 프론트 케이스의 성형공정 시, 스프링백에 의해 발생하는 휴대폰용 금속 프론트 케이스의 프레임 비틀림을 방지하기 위해 프레임 사이에 연결부를 추가하였다. 유한요소해석을 통해 연결부 형상에 따른 성형공정 후의 형상오차를 평가하고, 형상오차를 최소화 할 수 있는 연결부 형상을 결정하였다. 또한 성형실험을 통해 설계된 연결부 형상의 타당성을 검증하였다.
- 유한요소해석 결과, 연결부3의 형상으로 했을 때 폭치수 공차를 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 이에 대한 유효성을 검증하기 위해 성형실험을 수행하였다. 성형실험시 소재는 유한요소해석과 동일한 SUS304 1/2H소재를 사용하였다.
- 11은 평면이탈 굽힘에 의한 금속 휴대폰 프론트 케이스의 형상오차를 나타낸 것이다. 평면이탈 굽힘에 의한 형상오차는 프레임 길이방향으로 발생하는 프레임의 높이변화로 평가하였다. 성형 실험결과, 연결부의 추가를 통해 평면이탈 굽힘에 대한 형상오차를 저감할 수 있었으며, 유한요소해석과 실험결과 모두 허용 치수공차 0.
대상 데이터
- 성형 후 DYNAFORM에서 지원하는 스프링백 해석모듈을 이용하여 탄성회복에 의한 금속 휴대폰 프론트 케이스의 형상오차를 평가하였다. 박판소재는 SUS304 1/2H를 사용하였으며, 소재의 기계적 물성은 인장시험을 통해 평가하였다. 평가된 물성치는 Table 1에 나타내었다.
- 이에 대한 유효성을 검증하기 위해 성형실험을 수행하였다. 성형실험시 소재는 유한요소해석과 동일한 SUS304 1/2H소재를 사용하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 금속 휴대폰 프론트 케이스의 비틀림은 주로 탄성회복에 의해 발생하며, 평면내 굽힘현상이 지배적으로 발생하였다.
- (2) 연결부를 추가시킨 블랭크 형상에 대해 비틀림은 감소하는 경향을 나타내었으나, 연결부 위치에 따라 굽힘 시작점의 이동으로 인한 비틀림이 발생하였다. 즉 연결부의 적절한 설계가 요구됨을 의미한다.
- (3) 유한요소해석을 설계된 제품에 대해 실험적으로 검증한 결과 최대 비틀림 발생은 0.06mm로 저감할 수 있었으며, 이는 요구 폭치수 공차 0.15mm를 만족하는 결과를 얻었다.
- (4) 이러한 결과는 유한요소해석을 통해 연결부 위치에 따른 비틀림 시작점의 변화 및 형상오차를 평가하고, 이를 최적화하여야 휴대폰 프론트케이스의 성형공정에서 발생하는 프레임의 형상오차를 저감할 수 있음을 보여준다.
- 또한 성형실험을 통해 제작된 성형제품을 용접 공정에 적용하여 보강재와 성형제품을 조립하였다. Fig. 12에 나타낸 것과 같이 연결부를 추가하여 성형 후 프레임의 비틀림을 억제한 결과, 용접공정에 의한 보강재와 금속 휴대폰 프론트 케이스의 양호한 조립이 가능함을 확인하였다.
- 유한요소해석을 통해 구해진 결과는 실제 실험과 매우 유사한 형상을 가지는 것으로 평가되었다. 또한 최대 비틀림 발생은 0.06mm로 폭 치수공차 0.15mm를 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 초기 블랭크에 Connector 3과 같은 형상을 추가하여 비틀림 방향으로의 구조강성을 증가시켰으며, 이를 통해 성형후 탄성회복시 발생하는 금속 휴대폰 프론트 케이스의 평면 내 굽힘에 의한 형상오차를 저감할 수 있음을 확인하였다.
- 평면이탈 굽힘에 의한 형상오차는 프레임 길이방향으로 발생하는 프레임의 높이변화로 평가하였다. 성형 실험결과, 연결부의 추가를 통해 평면이탈 굽힘에 대한 형상오차를 저감할 수 있었으며, 유한요소해석과 실험결과 모두 허용 치수공차 0.15mm이내에서 형상오차가 발생하였다.
- 유한요소해석 결과, 연결부3의 형상으로 했을 때 폭치수 공차를 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 이에 대한 유효성을 검증하기 위해 성형실험을 수행하였다.
- 10은 유한요소해석결과와 성형실험을 통해 얻어진 금속 프론트 케이스의 폭치수 변화를 비교한 결과이다. 유한요소해석을 통해 구해진 결과는 실제 실험과 매우 유사한 형상을 가지는 것으로 평가되었다. 또한 최대 비틀림 발생은 0.
- 6에 나타낸 것과 같이 끝단부에 연결부를 위치시킨 연결부 1의 경우, 끝단부에서 발생하는 평면내 굽힘현상은 감소하였으나, 상대적으로 구조강성이 약한 케이스 프레임이 안쪽으로 비틀어지는 현상이 발생 하였다. 이로 인해 폭치수는 최소 -0.14mm, 최대 0.14mm로 편차가 총 0.28mm였으며, 용접공정시 요구되는 폭치수 공차 0.15mm를 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
- 8은 중심부와 끝단부에 연결부를 위치시켜 전체적인 프론트 케이스의 강성을 증가시킨 연결부3에 대한 프레임 길이방향으로의 폭치수변화를 나타낸 것이다. 전체적인 구조강성의 증가로 폭치수 오차가 0.06mm로 폭 치수 공차를 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 안쪽으로 발생하는 평면 내 굽힘현상은 프레임 중간에 위치 한 연결부에 의해 억제되고, 바깥쪽으로 비틀리는 현상은 끝단부의 연결부에 의해 비틀림이 억제된다.
- 15mm를 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 초기 블랭크에 Connector 3과 같은 형상을 추가하여 비틀림 방향으로의 구조강성을 증가시켰으며, 이를 통해 성형후 탄성회복시 발생하는 금속 휴대폰 프론트 케이스의 평면 내 굽힘에 의한 형상오차를 저감할 수 있음을 확인하였다.
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