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문제 정의
- 본 연구에서는 리클라이너 용 섹터기어의 파인 블랭킹 성형을 위한 금형의 최적화를 위하여 클리어런스, V-ring 높이, V-ring 위치, 블랭크 홀딩력 및 카운터 펀치력의 영향을 해석하여, 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 본 연구에서는 리클라이너 용 섹터기어의 파인 블랭킹 성형을 위한 금형의 최적화를 위하여 클리어런스, V-ring 높이, V-ring 위치, 블랭크 홀딩력 및 카운터 펀치력의 영향을 해석하였다.
제안 방법
- 연구에서 V-ring의 위 치및 크기, 클리어런스, 블랭크 홀더 력, 카운터 펀치력을 변수로 설정하여 각각의 조건에 따른 전단면의형 상을 해석하였다. V링의 설치 위치와 높이는 실제 현장에서 사용되는 규격표를 기준으로 그 범위를좀더 확대하여 해석을 수행하였다. 클리어런스는 파인블랭킹에서 일반적으로 사용되는 1 % m 이하의범위 내에서 0.
- 전단하중은 예비성형을 통하여 얻은 1, 530 N을 기준으로 블랭크 홀더력과 카운터 펀치력에 적용하였다. 각 공정변수에 대한 영향을알아보기 위해 각각의 변수들을 독립변수로 하여 해석을 수행하였다.
- 2는 대칭성을 고려하여 시험편의 1/4을 30, 000 여개의 사면체 요소로 모델링한 것이다. 공정해석 도중 자동 요소망 재구성이 될 경우에도 요소의 크기가 최대 0.02 m, 최소 0.002 ㎜ 정도를 유지하도록 하였다.
- 또한 전단공정 해석에 반드시 필요한 연성파괴조건의 임계값은 앞 절에서 언급한 바와 같이 단축인장시험의 3차원 유한요소해석을 통하여 결정하였다. 그리고 V-ring의 높이와 위치, 클리어런스의 크기, 블랭크 홀더력, 카운터 펀치력을 변수로 선정하여 상용 유한요소해석 소프트웨어인 DEFORM-2D[14] 를 이용하여 2차원 단면 해석을 수행하였다.
- 물성치로 입력하였다. 또한 전단공정 해석에 반드시 필요한 연성파괴조건의 임계값은 앞 절에서 언급한 바와 같이 단축인장시험의 3차원 유한요소해석을 통하여 결정하였다. 그리고 V-ring의 높이와 위치, 클리어런스의 크기, 블랭크 홀더력, 카운터 펀치력을 변수로 선정하여 상용 유한요소해석 소프트웨어인 DEFORM-2D[14] 를 이용하여 2차원 단면 해석을 수행하였다.
- 수는 약 5,000 개 이다. 연구에서 V-ring의 위 치및 크기, 클리어런스, 블랭크 홀더 력, 카운터 펀치력을 변수로 설정하여 각각의 조건에 따른 전단면의형 상을 해석하였다. V링의 설치 위치와 높이는 실제 현장에서 사용되는 규격표를 기준으로 그 범위를좀더 확대하여 해석을 수행하였다.
- 임계값은 실험이 간단한 단축인장을 대상으로 여러 가지 임계값을 입력하여 유한요소해석을 수행하고 파단 후 소재의 형상을 실험결과와 비교하여 가장 일치하는 경우의 임계값을 구하는 방법을 사용하였다. 본 연구에서는 DEFORM-3D(13)를 사용하여 해석을 수행하였다.
- 02 m를 적용하여그 영향을 분석하였다. 전단하중은 예비성형을 통하여 얻은 1, 530 N을 기준으로 블랭크 홀더력과 카운터 펀치력에 적용하였다. 각 공정변수에 대한 영향을알아보기 위해 각각의 변수들을 독립변수로 하여 해석을 수행하였다.
- V링의 설치 위치와 높이는 실제 현장에서 사용되는 규격표를 기준으로 그 범위를좀더 확대하여 해석을 수행하였다. 클리어런스는 파인블랭킹에서 일반적으로 사용되는 1 % m 이하의범위 내에서 0.003, 0.005, 0.01, 0.02 m를 적용하여그 영향을 분석하였다. 전단하중은 예비성형을 통하여 얻은 1, 530 N을 기준으로 블랭크 홀더력과 카운터 펀치력에 적용하였다.
대상 데이터
- 대칭성을 고려하여 1/2 모델을 사용하였으며, 총요소 수는 약 5,000 개 이다. 연구에서 V-ring의 위 치및 크기, 클리어런스, 블랭크 홀더 력, 카운터 펀치력을 변수로 설정하여 각각의 조건에 따른 전단면의형 상을 해석하였다.
- 실제 공정과 동일한 SNCM220 소재를 대상으로 해석을 수행하였으며, 인장시험을 통하여 얻은 데이터를 물성치로 입력하였다. 또한 전단공정 해석에 반드시 필요한 연성파괴조건의 임계값은 앞 절에서 언급한 바와 같이 단축인장시험의 3차원 유한요소해석을 통하여 결정하였다.
- 본 연구에서는 DEFORM-3D(13)를 사용하여 해석을 수행하였다. 인장시험은 두께 4.0 mm 의 SNCM220이며, 인장시편은 KS B 0801 5호 규격에따라 가공하여 사용하였다.
데이터처리
- 5 를 적용한 경우로 해석 결과가 파단 형상과 상당히 유사함을 알 수 있다. 본 연구의 결과를 고려할때 임계값은 근사적으로 1.5라고 판단하여, 파인블랭킹 공정 해석에 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 DEFORM-3D(13)를 사용하여 해석을 수행하였다. 인장시험은 두께 4.
- 3은 파단된 시험편 위에 해석에서 얻은 변형형상을 겹친 것이다. 파단 현상을 시뮬레이션하기 위하여 요소 제거법을 사용하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 클리어런스가 0.003 mm인 경우 가장 우수한전단면을 얻을 수 있었으나, 다이와 펀치 틈새의 최적량은 0.005 mm인 것으로 분석되었다.
- (2) V-ring의 높이는 0.7 mm인 경우가 전단 면의 크기와 두께 감소에 있어서 가장 좋은 경과를 얻을 수 있었다.
- (3) 홀더력을 증가시키는 경우에는 전단면의 크기는 더욱 좋아지고 두께 감소량은 작아지는 결과를보였다. 가장 눈에 띄는 특징은 홀더력이 증가함에따라 다이 롤 현상이 일관성 있게 줄어든다는 것을알 수 있었다.
- (4) 카운터 펀치력을 증가 시키는 경우에는 전단면의 크기와 두께 감소량이 함께 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 금형의 내구성을 위해서는 전단면의 80~90 %영역 범위인 30 %의 카운터 펀치력을 적용하는 것이 이상적이라 판단된다.
- 가장 눈에 띄는 특징은 홀더력이 증가함에따라 다이 롤 현상이 일관성 있게 줄어든다는 것을알 수 있었다.
- 소재 두께의 일정량까지는 V-ring 이 소재의 정수압 응력을 증가 시켜 전단역 비율의 향상에 도움을 주지만, V-ring 높이가 과도하면 클램핑된 부분의 소재 두께를 지나치게 감소시켜 소재 유동을 억제하는 효과를 줄이기 때문인 것으로 판단된다. 또한 전단면 형상은 0.7 m의 V-ring 높이에서 파단역 비율이 최소가 되는 것을 알 수 있었다.
- 클리어런스가 커질수록 파단역 (fracture zone)의 크기가 증가하고 전단역이 감소하는 것을 볼 수 있다. 시험 결과 다이와 펀치 틈새의 최적량은 0.005 mm인 것으로 분석되었다.
- 10은 V-ring 위치에 따른 전단역의 관계를나타내었으며, 전단면의 형상도 같이 나타내었다. 이그림에서 보는 바와 같이 V-ring 위치는 다이 모서리 쪽에 가까울수록, 즉 Pv가 가까울수록 전단면 품질이 향상되는 것으로 나타났다. 이것은 V-ring이모서리 쪽에 가까울수록 전단부의 정수압응력 증가와 소재 유동 억제 효과가 커지기 때문인 것으로 판단된다.
- 이 그림에서 블랭크 홀딩력은 펀치하중의 40 %일 때 유효전단면이 두드러지게 큰 것으로 나타났다. 전단면의 형상에서도 역시 블랭크 홀딩력이 펀치 하중의 40 %일 때 전단역의 크기가 최대가 됨을 알 수 있었다.
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