균일압력 유도에 의한 꺾임 구조를 가진 미세주름 박판구조물 성형을 위한 고무성형 공정연구 Investigation of a Novel Rubber-Forming Process Inducing Uniform Surface Pressure for the Fabrication of a Thin Bent Plate with Corrugated Structure원문보기
주름구조를 가지는 박판구조물은 비행기, 자동차, 전자제품 등의 다양한 용도의 열교환기로 사용된다. 이러한 주름구조를 가지는 박판구조물의 경우 대량생산을 위하여 박판소성가공 공정으로 제작하게 되는데 꺾임 각을 가지는 주름구조를 형성하는 것은 매우 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 정확한 주름구조를 형성하기 위하여 일정한 압력을 박판의 전면에 효과적으로 미칠 수 있도록 새로운 고무성형공정을 제안한다. 본 연구에서 제안한 공정을 검증하기 위하여 우선 유한요소해석을 통해 고무성형공정 변수를 최적화하였다. 그리고 최적화한 고무성형공정을 이용하여 꺾임구조와 미세주름 구조를 가지는 박판을 제작함으로써 본 연구에서 제안한 공정이 목표로 하는 박판의 성형에 효과적인 공정임을 검증하였다.
주름구조를 가지는 박판구조물은 비행기, 자동차, 전자제품 등의 다양한 용도의 열교환기로 사용된다. 이러한 주름구조를 가지는 박판구조물의 경우 대량생산을 위하여 박판소성가공 공정으로 제작하게 되는데 꺾임 각을 가지는 주름구조를 형성하는 것은 매우 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 정확한 주름구조를 형성하기 위하여 일정한 압력을 박판의 전면에 효과적으로 미칠 수 있도록 새로운 고무성형공정을 제안한다. 본 연구에서 제안한 공정을 검증하기 위하여 우선 유한요소해석을 통해 고무성형공정 변수를 최적화하였다. 그리고 최적화한 고무성형공정을 이용하여 꺾임구조와 미세주름 구조를 가지는 박판을 제작함으로써 본 연구에서 제안한 공정이 목표로 하는 박판의 성형에 효과적인 공정임을 검증하였다.
Thin sheets with a corrugated structure are generally used for the fabrication of heat exchangers for electronics, airplanes, and vehicles. However, it is difficult to fabricate corrugated structures, especially those with a bent angle, using the conventional stamping process because of its intrinsi...
Thin sheets with a corrugated structure are generally used for the fabrication of heat exchangers for electronics, airplanes, and vehicles. However, it is difficult to fabricate corrugated structures, especially those with a bent angle, using the conventional stamping process because of its intrinsic formation mechanism. We propose a novel rubber-forming process for the effective pressing of the both tilted sides of a plate under the same pressure to form exact corrugated shapes. We use finite element analysis and experiments to study the rubber-forming process parameters, and we evaluate the maximum allowable bent angle for high-quality formation. We show that the proposed method is effective for the fabrication of bent plates with low cost.
Thin sheets with a corrugated structure are generally used for the fabrication of heat exchangers for electronics, airplanes, and vehicles. However, it is difficult to fabricate corrugated structures, especially those with a bent angle, using the conventional stamping process because of its intrinsic formation mechanism. We propose a novel rubber-forming process for the effective pressing of the both tilted sides of a plate under the same pressure to form exact corrugated shapes. We use finite element analysis and experiments to study the rubber-forming process parameters, and we evaluate the maximum allowable bent angle for high-quality formation. We show that the proposed method is effective for the fabrication of bent plates with low cost.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 기존의 고무성형공정을 개선하여 평탄한 고무 블록 대신에 균일면압을 유도하는 특정한 형상을 가진 고무 펀치를 이용하여 꺾임 구조와 일정한 깊이의 미세주름구조를 가지는 박판을 효과적으로 제작하고자 한다. 또한 유한요소해석을 통하여 박판의 전면에 가장 균일한 수직 하중을 전달할 수 있는 최적의 고무 펀치형상을 제안하고, 꺾임 각에 따라 박판에 미치는 압력분포를 비교하였다.
꺾임 구조와 일정한 깊이의 주름구조를 같이 형성하기 위해서는 박판의 전면 표면을 따라 일정한 압력이 부가되어야 하는데, 상하 금형의 운동을 이용한 기존의 스탬핑 공정에서는 상하 방향으로만 변형하중이 전달되어 꺾임 구조를 가지는 경우 정확한 형상제작이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 꺾임 구조와 일정한 깊이의 주름구조를한 번의 공정으로 제작하기 위하여 금형과 고무를 함께 사용하는 고무성형공정(rubber forming)을 이용하여 꺾임구조를 가진 박판구조물을 성형하고자 한다.
본 연구에서는 꺾임 구조를 가진 미세주름 박판구조물을 성형하기 위하여 고무성형공정을 제안하였다. 고무성형공정 시 박판의 전면에 균등한 압력을 가할 수 있는 고무의 형태를 해석적으로 비교하고 이를 바탕으로 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
고무의 압축력에 의해 박판에 미치는 압력은 다이에 미치는 압력과 같으므로 본 기초해석에서는 고무 펀치 형상과 다이만을 고려하였다. 또한 해석의 편의성을 위하여 고무의 압축력이 다이의 전면에 미치는 압력을 비교하는 것이므로 다이는 주름 구조를 단순화하여 평면으로 가정하였다. 그리고 해석의 효율성을 높이기 위하여 고무 펀치와 다이의 꺾임이 일어나는 중심선을 기준으로 좌우의 형상이 같으므로 한쪽 부분만 모델링하여 Fig.
제안 방법
Fig. 7(a)-7(c)와 같이 3가지의 고무 펀치형상에 대하여 고무의 압축력이 다이에 미치는 압력을 비교하였다. 고무 펀치의 형상을 나타내면, Fig.
Fig. 9에 나타낸 것처럼 2 mm 고무펀치 변형에 대하여 고무 펀치의 기울기 각도와 다이의 꺾임 각도를 동일하게 5∘ 에서 30∘ 까지 5∘ 간격으로 해석하여 다이에 미치는 압력 분포를 비교해 보았다.
실리콘 고무는 어떤 형태의 다른 탄성체보다도 일반 범용으로 널리 쓰이고 있으며 높은 신뢰성과 화학적 안정성을 가지고 있어 본 연구에서도 고무 펀치의 소재로 사용하였다. 고무 펀치의 물성은 기본적으로 실리콘 고무의 경도에 따라 실험적 방법을 통하여 5가지 종류의 실리콘 고무 특성을 평가하였다.
그러므로 해석 시 고무 펀치의 각 면에 대하여 구속된 경계조건을 정의해주었다. 고무 펀치의 윗면은 x, y, z축 전 방향에 대하여 고정, 고무 펀치의 xz면은 y축 방향만 고정, yz면에 x축 방향만 고정하여 z축 방향으로만 변형되도록 하였다. 그리고 다이는 x, y축 방향은 고정하고 z축 방향으로만 이동되도록 구속조건을 부여하였다.
본 연구에서는 꺾임 구조를 가진 미세주름 박판구조물을 성형하기 위하여 고무성형공정을 제안하였다. 고무성형공정 시 박판의 전면에 균등한 압력을 가할 수 있는 고무의 형태를 해석적으로 비교하고 이를 바탕으로 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
유한요소해석을 통하여 고무 펀치 형상에 따른 고무의 압축력이 박판의 전면에 미치는 압력분포를 알아보았다. 고무의 압축력에 의해 박판에 미치는 압력은 다이에 미치는 압력과 같으므로 본 기초해석에서는 고무 펀치 형상과 다이만을 고려하였다. 또한 해석의 편의성을 위하여 고무의 압축력이 다이의 전면에 미치는 압력을 비교하는 것이므로 다이는 주름 구조를 단순화하여 평면으로 가정하였다.
고무의 기계적 물성을 결정하기 위해서는 일반적으로 단축인장(uniaxial tensile test), 단축압축(uniaxial compression test), 순수전단(pure shear), 이축 인장시험(biaxial tensile test) 등의 다양한 방향별 특성을 평가하게 된다. 그러나 본 연구에서는 시험의 편리성을 고려하여 단축인장 실험만을 통하여 고무의 특성을 평가하여 실리콘 고무별 상대적 특성치를 비교하였다. 고무 재료의 단축 인장 시험을 하기 위해서 IRHD(international Rubber Hardness Degrees)가 40, 45, 50, 60, 70인 5 가지의 실리콘 고무를 사용하였다.
또한 해석의 편의성을 위하여 고무의 압축력이 다이의 전면에 미치는 압력을 비교하는 것이므로 다이는 주름 구조를 단순화하여 평면으로 가정하였다. 그리고 해석의 효율성을 높이기 위하여 고무 펀치와 다이의 꺾임이 일어나는 중심선을 기준으로 좌우의 형상이 같으므로 한쪽 부분만 모델링하여 Fig. 6에 나타낸 것처럼 해석모델을 구성하였다.
다이는 160∘ 의 꺾임 각을 가지고 미세주름 구조는 깊이 2 mm, 너비 5 mm의 형상을 반복적으로 가지도록 하였다. 또한 고무 성형에 사용되는 고무 펀치는 다이와 동일한 꺾임 각도 160∘를 가지도록 설계하여 고무성형이 다이와 균일한 접촉이 일어나도록 하였다.
따라서 본 연구에서는 기존의 고무성형공정을 개선하여 평탄한 고무 블록 대신에 균일면압을 유도하는 특정한 형상을 가진 고무 펀치를 이용하여 꺾임 구조와 일정한 깊이의 미세주름구조를 가지는 박판을 효과적으로 제작하고자 한다. 또한 유한요소해석을 통하여 박판의 전면에 가장 균일한 수직 하중을 전달할 수 있는 최적의 고무 펀치형상을 제안하고, 꺾임 각에 따라 박판에 미치는 압력분포를 비교하였다. 이러한 공정변수 최적화 과정을 통해 얻어진 결과를 이용하여 실제 실험적 장치를 구성하고 두께 100 ㎛의 꺾임 구조를 가진 박판 구조물을 성형하여 개발된 공정의 유용성을 평가하였다.
또한 평행사변형 형상의 성형 능력을 알아보기 위해서 박판의 최대 꺾임 각(α° )에 따른 압력분포 변화를 살펴보았다.
직사각형 고무 펀치의 경우 다이와 완전히 접촉이 일어나는 시점이 고무 펀치가 6 mm 정도 내려왔을 때 이며, 이후 2 mm를 더 변형한 경우 2 가지에 대하여 나타내었다. 사다리꼴 고무 펀치와 평행사변형 고무 펀치의 경우 처음부터 다이와 전면에서 접촉이 일어나기 때문에 동일한 성형 깊이 조건으로 비교하기 위하여 고무 펀치가 각각 2 mm 변형 다이의 압력분포를 알아보았다.
유한요소해석을 통하여 고무 펀치 형상에 따른 고무의 압축력이 박판의 전면에 미치는 압력분포를 알아보았다. 고무의 압축력에 의해 박판에 미치는 압력은 다이에 미치는 압력과 같으므로 본 기초해석에서는 고무 펀치 형상과 다이만을 고려하였다.
또한 유한요소해석을 통하여 박판의 전면에 가장 균일한 수직 하중을 전달할 수 있는 최적의 고무 펀치형상을 제안하고, 꺾임 각에 따라 박판에 미치는 압력분포를 비교하였다. 이러한 공정변수 최적화 과정을 통해 얻어진 결과를 이용하여 실제 실험적 장치를 구성하고 두께 100 ㎛의 꺾임 구조를 가진 박판 구조물을 성형하여 개발된 공정의 유용성을 평가하였다.
실험에 사용된 프레스(press)는 상부 실린더의 하중이 최대 200 ton 까지 작동이 가능하며, 하부실린더의 경우 최대 150 ton의 하중을 가할 수 있다. 프레스의 상부 틀에는 고무 펀치를 가압하기 위하여 고무 펀치의 형상과 동일한 꺾임 각도를 가진 금속 펀치를 고정하고 하부에는 리테이너와 다이를 고정하고 리테이너에는 50 mm 두께의 고무 펀치를 두었다. Fig.
대상 데이터
그러나 본 연구에서는 시험의 편리성을 고려하여 단축인장 실험만을 통하여 고무의 특성을 평가하여 실리콘 고무별 상대적 특성치를 비교하였다. 고무 재료의 단축 인장 시험을 하기 위해서 IRHD(international Rubber Hardness Degrees)가 40, 45, 50, 60, 70인 5 가지의 실리콘 고무를 사용하였다. 또한 단축인장 시험에 사용한 시편으로는 KS M 6518 : 2006의 아령형(dumbbell specimens) 3호를 사용하였다.
고무 재료의 단축 인장 시험을 하기 위해서 IRHD(international Rubber Hardness Degrees)가 40, 45, 50, 60, 70인 5 가지의 실리콘 고무를 사용하였다. 또한 단축인장 시험에 사용한 시편으로는 KS M 6518 : 2006의 아령형(dumbbell specimens) 3호를 사용하였다.(3)
고무성형공정에 사용할 고무는 압축력에 의하여 박판을 성형시킨 후 본 상태로 되돌아와야 반복적으로 박판성형을 할 수 있으므로 우수한 탄성력을 가져야 한다. 실리콘 고무는 어떤 형태의 다른 탄성체보다도 일반 범용으로 널리 쓰이고 있으며 높은 신뢰성과 화학적 안정성을 가지고 있어 본 연구에서도 고무 펀치의 소재로 사용하였다. 고무 펀치의 물성은 기본적으로 실리콘 고무의 경도에 따라 실험적 방법을 통하여 5가지 종류의 실리콘 고무 특성을 평가하였다.
실험에 사용된 박판은 스테인레스 계열의 금속(STS304-1/2h)으로 두께 100 μm를 가지고 가로 및 세로의 크기가 각각 120 mm, 50 mm의 직사각형 형태로 절단한 뒤, 다이의 꺾임각도와 동일 하게 초기 꺾임 구조를 갖도록 하였다.
이론/모형
Table 1 에 5가지 실리콘 고무의 두 물질 상수를 정리하였다. Mooney-Rivlin 두 물질 상수의 결과를 정량적으로 비교하기 위하여 전단탄성계수(shear modulus; G)를 이용하였다. 전단탄성계수는 고무재료가 비압축성이며 변형이 작은 영역에서 식 (7)을 이용하여 계산할 수 있다.
성능/효과
(1) 고무성형공정을 이용해 박판의 전면에 균등한 압력을 전달하기 위해서는 다이와 고무 펀치의 꺾임 각을 같이 해주는 것 [Fig. 7(c)]이 가장 효과적이고 이와 같은 방법으로 성형할 경우 꺾임 각을 크게 하여도 박판의 전면에 비교적 일정한 압력을 미친다는 것을 알 수 있었다.
(2) 고무성형공정을 이용하여 두께 100 μm의 박 판에 160˚의 꺾임 구조와 균일한 형상의 미세주름 구조를 성형할 수 있었다.
(3) 본 연구에서 꺽임 각도를 5 ˚에서 30 ˚까지 변화시켜가면서 접촉압력의 변화를 살펴본 결과 꺽임 각도가 작을수록 접촉압력의 변화폭이 작아서 정밀하고 균일한 형상제작이 가능할 것으로 사료되며, 꺽임각도가 가장 큰 30˚의 경우에도 꺽임부분 이외의 평면에서 약 3% 수준의 압력변화를 보이기 때문에 큰 문제없이 균일한 성형이 가능할 것으로 사료된다.
전체적으로 고무 펀치의 형상에 따른 압력분포의 편차를 식 (8)을 이용해서 알아보면 일반적으로 사용되는 사각형 고무 펀치의 경우에 비하여 다이면의 형상에 따라 설계된 사다리꼴 또는 평행사변형 고무 펀치의 경우가 압력 편차가 4배 이상이 됨을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안하는 다이 형상에 따른 고무 펀치의 형상이 균일 압력유도에 매우 효과적임을 알 수 있다. 이러한 효과에 의해서 고무 펀치의 과도한 국부적인 변형과 압력이 줄어들어 전체적인 고무 펀치의 수명도 향상될 것으로 예측된다.
해석결과 다이 면의 기울어짐에 상관없이 다이 면 전체에 균일한 압력분포를 보였다. 따라서 본 연구에서 제안하는 방법이 30∘ 꺾임까지는 적용이 가능함을 알 수 있었다.
는 각각의 미세주름깊이를 나타낸다. 비교한 결과 최대 0.94%이하의 차이를 보이며 일정한 미세주름깊이를 형성하는 것을 확인할 수 있다.
2에 나타내었다. 위의 결과에서 보면, 실리콘 고무 IRHD 40(HD-9240)의 경우 작은 하중에 가장 변형이 쉽게 발생함을 알 수 있다. 따라서 주름구조를 가진 다이면을 따라 고무펀치가 성형되기 위해서는 가장 효과적일 것으로 사료된다.
(2) 고무성형공정을 이용하여 두께 100 μm의 박 판에 160˚의 꺾임 구조와 균일한 형상의 미세주름 구조를 성형할 수 있었다. 이처럼 꺾임 구조와 미세 주름구조를 동시에 가지는 복잡한 구조의 박판형상도 고무성형공정을 통하여 우수한 성형균일성을 가지도록 성형할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
모든 고무 펀치 형상에 대하여 중심점 부근에서 최대 압력분포를 나타냄을 보였는데 이것은 다이의 형상이 대칭이 되는 지점에서는 좌우 변형이 발생하지 못하고 오직 수직으로만 변형이 발생하여 변형 압력이 높게 다이에 전달되기 때문으로 분석된다. 전체적으로 고무 펀치의 형상에 따른 압력분포의 편차를 식 (8)을 이용해서 알아보면 일반적으로 사용되는 사각형 고무 펀치의 경우에 비하여 다이면의 형상에 따라 설계된 사다리꼴 또는 평행사변형 고무 펀치의 경우가 압력 편차가 4배 이상이 됨을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안하는 다이 형상에 따른 고무 펀치의 형상이 균일 압력유도에 매우 효과적임을 알 수 있다.
9에 나타낸 것처럼 2 mm 고무펀치 변형에 대하여 고무 펀치의 기울기 각도와 다이의 꺾임 각도를 동일하게 5∘ 에서 30∘ 까지 5∘ 간격으로 해석하여 다이에 미치는 압력 분포를 비교해 보았다. 해석결과 다이 면의 기울어짐에 상관없이 다이 면 전체에 균일한 압력분포를 보였다. 따라서 본 연구에서 제안하는 방법이 30∘ 꺾임까지는 적용이 가능함을 알 수 있었다.
후속연구
따라서 본 연구에서 제안하는 다이 형상에 따른 고무 펀치의 형상이 균일 압력유도에 매우 효과적임을 알 수 있다. 이러한 효과에 의해서 고무 펀치의 과도한 국부적인 변형과 압력이 줄어들어 전체적인 고무 펀치의 수명도 향상될 것으로 예측된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고무성형공정은 무엇인가?
일반적인 고무성형공정이란 펀치 역할을 하는 성형다이(die)를 프레스의 하부에 고정하고 프레스의 상부 슬라이드에는 두꺼운 고무 블록을 장착하여 프레스의 상부 슬라이드를 하강시켜 고무가 프레스 하부의 성형 블록을 감싸 박판 전면에 균일한 압력이 전달되도록 하여 박판을 성형하는공정으로 Fig. 1에 개략적으로 나타내었다.
주름구조를 가지는 박판구조물은 어떤 분야에 주로 사용되는가?
주름구조를 가지는 박판구조물은 비행기, 자동차, 전자제품 등의 다양한 용도의 열교환기로 사용된다. 이러한 주름구조를 가지는 박판구조물의 경우 대량생산을 위하여 박판소성가공 공정으로 제작하게 되는데 꺾임 각을 가지는 주름구조를 형성하는 것은 매우 어렵다.
박판 금속 성형공정의 장점은?
박판 금속 성형공정은 금속 판재를 이어 붙임 없이 소성변형에 의하여 필요한 형상으로 성형하는 공정으로 비교적 복잡한 형상의 제품을 제작할 수 있다. 이 공정은 저렴한 소재의 가격, 대량생산성, 제품의 높은 비강도 및 높은 정밀도 등의 장점을 가지고 있어 다양한 산업분야에서 폭넓게 이용되고 있다. 주요 박판성형제품은 비행기 부품, 자동차의 차체 및 부품, 가전제품의 하우징, 주방기기에 이르기까지 다양하게 응용되고 있다.
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