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문제 정의
- 본 논문에서는 가변벌칙기법에 근거한 유한요소법을 이용하여 다단자동 냉간단조에서 금형의열박음의 영향을 다양한 설계변수와 연계하여 규명하고자 한다.
가설 설정
- 2 에 나타내었다. 접촉면에서 마찰계수를 0.1 로 가정하였다.
제안 방법
- 각 층의 금형은 다이인서트와 두 개의 열박음용 링으로 구성되어있다. Fig. 1에 본 논문에서 분석 대상으로 삼은 설계 변수들을 표시 하였으며 , 해석 결과는 O, △, □ 으로 표시된 점 A, B, C 에서 유효응력 U 과 원주 방향의 응력 성분%을 중심으로 분석하였다.
- 금형의 열박음의 영향을 분석할 목적으로 Table 1에서 보는 바와 같은 다양한 조건하에서 금형의 구조해석을 실시하였다.
- 금형의 예압량, 다이인서트의 재료, 링의 기울기, 금형의 상하 좌우 분리, 압축링의 두께, 체결력 등이 유효응력과 원주방향의 응력 성분에 미치는 영향을 상세하게 분석하였다.
- 본 논문에서는 열탄성 유한요소법과 가변벌칙기법에 바탕을 둔 금형 구조해석 기술을 이용하여 자동 다단 냉간단조 공정에서 금형 열박음 및 이와 관련된 주요 설계변수의 영향을 정량적으로 분석하였다. 금형의 예압량, 다이인서트의 재료, 링의 기울기, 금형의 상하 좌우 분리, 압축링의 두께, 체결력 등이 유효응력과 원주방향의 응력 성분에 미치는 영향을 상세하게 분석하였다.
- 압축 링의 두께 영향을 분석하기 위하여 2 층의 외측 링, 즉 Fig. 1에서 부품 ⑦을 제거하는 대신 내측 링, 즉 Fig. 1에서 부품 ⑥의 두께를 변화 시켜 금형 구조해석을 실시하여 그 결과를 조사하였다. 이 목적으로 Case 11의 공정설계에 대한 구조해석을 실시하였다.
- 1에서 부품 ⑥의 두께를 변화 시켜 금형 구조해석을 실시하여 그 결과를 조사하였다. 이 목적으로 Case 11의 공정설계에 대한 구조해석을 실시하였다. Fig.
- 따라서 금형 재료의 탄성계수 간의 역학적 차이를 규명할 필요가 있다. 이를 위하여 다이 인서트 재료의 탄성계수(200GPa 에서 700GPa 까지)가 예압에 미치는 영향을 조사하였으며, 그 결과를 Fig. 7 에 정리하였다. Fig.
- 체결력은 열 수축량으로 표현하였다. 체결력의 영향 조사를 위하여 Case 12에 대한 금형 구조해석을 실시하였다. Fig.
- 체결력의 영향을 조사하기 위하여 Fig. 1의 외곽 실린더(Fig. 1 에서의 ④번 금형 부품)의 예압량, 즉 체결력의 영향을 조사하였다. 체결력은 열 수축량으로 표현하였다.
대상 데이터
- 다. 본 논문에서는 비교적 생 산량이 많아 널리 알려져 있으며 금 형설계 측면에서 다소 까다로운 볼 스타 드 냉간단조 공정을 시험 공정으로 선택하였다. Fig.
데이터처리
- 금형 분리 의 영향을 조사하기 위하여 Case 4 에서 1 층과 2 층을 일체화시킨 Case 10 의 금형 설계에 대하여 금형 구조해석을 실시하였으며, 그 결과를 Case 4 의 결과와 비교하였다. 해석결과는 Fig.
성능/효과
- 실제 자동다단 냉간단조 (multi-stage automatic cold forging)의 금형은 대부분 다층 구조로 되어 있다.9 단조 금형의 구조해석을 위하여 Joun9 등이 제안한 가변벌칙기법(varying penalty method) 은 수치적 안정성이 확보되어 있으며, 그 결과 선행연구에서 밝힌 바와 같이 수치해가 이론해와 공학적으로 일치하며, Coulomb 마찰법칙으로 수식화된 금형 부품 간의 접촉 경계에 작용하는 응력 벡터가 뉴톤의 제 3 법칙을 만족하는 결과를 보였다.
- 따라서 %의 경사가 어떤 영향을 미치는지를 조사하기 위하여, Case 4 의 결과와 Case 9 의결 과를 비교하였다. 그 결과, 경사각 %가 금형의 응력에 크게 영향을 미치지 않음을 확인하였다.
- 열 박음의 세기에 따라서 원주방향의 압축 응력은 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며, 이에 따라 유효응력도 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 그리고다이인서트의 탄성계수가 클수록 예압효과는 증가하였고, 링의 층의 수가 증가할수록 더 큰 예압량을 부가할 수 있다는 점을 확인하였다. 반면, 링의 두께가 증가할수록 예압량이 증가하는 경향을 보이지만, 일정 이상의 두께에 이를 경우 두께의 증가에 따른 예압량의 변화율은 크게 완화되는 경향을 보였다.
- 반면, 링의 두께가 증가할수록 예압량이 증가하는 경향을 보이지만, 일정 이상의 두께에 이를 경우 두께의 증가에 따른 예압량의 변화율은 크게 완화되는 경향을 보였다. 또한 힘의 전달 통로가 아닌 곳에서의압축링의 기울기는 예압량에 큰 영향을 미치지 못한다는 사실을 확인하였다. 체결력의 변화는 평균적으로는 예압량의 변화에 큰 영향을 미치지 않지만, 체결력의 증가에 의하여 균일성이 저하되기 때문에 국부적으로는 비교적 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 그리고다이인서트의 탄성계수가 클수록 예압효과는 증가하였고, 링의 층의 수가 증가할수록 더 큰 예압량을 부가할 수 있다는 점을 확인하였다. 반면, 링의 두께가 증가할수록 예압량이 증가하는 경향을 보이지만, 일정 이상의 두께에 이를 경우 두께의 증가에 따른 예압량의 변화율은 크게 완화되는 경향을 보였다. 또한 힘의 전달 통로가 아닌 곳에서의압축링의 기울기는 예압량에 큰 영향을 미치지 못한다는 사실을 확인하였다.
- 열 박음의 세기에 따라서 원주방향의 압축 응력은 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며, 이에 따라 유효응력도 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 그리고다이인서트의 탄성계수가 클수록 예압효과는 증가하였고, 링의 층의 수가 증가할수록 더 큰 예압량을 부가할 수 있다는 점을 확인하였다.
- 1의 점 B 에서 Case 8의 유효응력과 원주 방향의 응력 성분은 Case 4 의 약 70% 이다. 이 결과는 강성 이 큰 다이인서트 소재일수록 예압 효과가 크다는 점과 다이인서트의 탄성계수가 예압과매우 밀접하다는 점을 말해 준다.
- 1의 점 B 에서의 유효응력과 원주방향의 압축응력이 약 77% 증가하였다. 이 결과는 이 중 링을 사용한 효과를 말해주고 있으며, 동일한 조건에서는 다증 링에 예압을 부과 하는 것이 효과적이라는 사실을 암시하고 있다.
- 성분을 비교하고 있다. 이 두 체결량에 대한 점 B의 원주방향 응력 성분은 각각 -1800MPa 과 -1700MPa 으로 나타났으며, 0.1%의 체결량을 적용한 경우의 원주방향 응력 성분의 분포가 0.5%의 체결량에 비하여 상대적으로 균일하게 나타났다. 반면, 0.
- 또한 힘의 전달 통로가 아닌 곳에서의압축링의 기울기는 예압량에 큰 영향을 미치지 못한다는 사실을 확인하였다. 체결력의 변화는 평균적으로는 예압량의 변화에 큰 영향을 미치지 않지만, 체결력의 증가에 의하여 균일성이 저하되기 때문에 국부적으로는 비교적 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
후속연구
- 제시한 결과들은 냉간단조 금형 기술자들에게 금형 역학에 관한 직관을 갖도록 하고 금형 설계의 최적화 및 문제해결 능력을 함양하는데 도움이돨 것으로 사료된다.
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