[논문]상용차용 중공형 휠 너트 렌치의 냉간단조 공정 개발

김홍석; 윤재웅

doi:10.5228/kstp.2012.21.8.493

상용차용 중공형 휠 너트 렌치의 냉간단조 공정 개발
Development of Cold Forging Process of Hollow-type Wheel Nut Wrench for Commercial Vehicles 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.21 no.8, 2012년, pp.493 - 498

김홍석 (School of Mechanical and Automotive Engineering, Daegu University) , 윤재웅 (School of Mechanical and Automotive Engineering, Daegu University)

Abstract ▼ AI-Helper

A wheel nut wrench is one of the hand tools used to loosen and tighten lug nuts on automobile wheels and it has generally a solid-type geometry for commercial vehicles. However, the solid-type wheel nut wrenches manufactured by hot forging processes exhibit several drawbacks such as heavy weight and rough surface finish. Thus, many efforts have been devoted to change the part geometry and improve the manufacturing process. For this purpose, the weight of the final product can be reduced drastically using a hollow tube as the initial stock, which can be manufactured by the more economical manufacturing process of cold forging. In this study, the cold forging of a hollow-type wheel nut wrench for commercial vehicles was designed based on the results of fundamental experiments and CAE analyses using the commercial finite element code DEFORM-3D. In addition, cold forging experiments were conducted on a special-purpose forming machine for hollow wheel nut wrenches in order to validate the designed process sequence. As results, it was found that the final products with a weight reduction of 39% and better surface appearance can be manufactured without any defect with the newly designed cold forging process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로 냉간단조에서는 성형량이 과도할 경우 여러 단계를 거쳐 최종 제품 형상을 성형하는 다단계 성형공정이 사용된다[7]. 따라서, Fig. 6에 나타낸 바와 같이 육각형상의 성형 전에 원형 단면을 갖는 축관 및 확관 공정을 삽입함으로써 각 단계의 단면 변화를 완화시키고자 하였다. 각 성형단계에서의 성형비(Forming Ratio)는 A₀와 A₁이 각각 성형 전후의 단면적이라 할 때, (1) 식에 나타낸 바와 같이 단면적의 변화량과 성형 전 단면적의 비율로 계산된다.
따라서, 본 연구에서는 전술한 문제점을 극복하기 위해 중공형으로 설계된 상용차용 휠 너트 렌치의 냉간단조공정을 개발함으로써 제품의 중량을 감소시키고 외관 품질을 향상시키고자 하였다. 이러한 연구를 위하여 중공형 휠 너트 렌치에 대한 구조해석을 수행하여 제품의 기계적 강도를 검토하였으며, 기초 실험 및 CAE 해석을 통하여 냉간단조공정을 설계하였다.
특히, 육각 축관 및 확관공정에서는 스프링으로 지지되는 가동형 맨드렐 방식을 적용함으로써 소재와 맨드렐간의 상대운동으로 인하여 발생되는 마찰력을 줄일 수 있었다. 또한, 제작된 성형기에는 유압식 소재 공급장치 및 성형품 이송장치를 부착하여 성형 효율을 증가시키고자 하였다.
본 연구에서는 기존 중실형 휠 너트 렌치의 중량 감소 및 외관 개선을 위한 중공형 제품의 냉간단조공정을 개발하였다. 이러한 일련의 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

(1) 외경 43mm, 두께 3.5mm의 파이프에 대한 냉간단조공정의 적용을 통하여 중공형 휠 너트렌치를 개발하였다. 개발된 제품은 기존 제품에 비하여 약 39%의 중량 감소 효과를 갖는다.
CAE 해석에서 검증된 설계공정을 바탕으로 Fig. 11에 나타낸 바와 같이 전용 성형기를 제작하였다. 제작된 성형기는 단발식으로서 각 단계마다 금형을 교체하여 성형을 수행하며, 50톤 용량의 유압 펌프가 사용되었다.
5mm 의 파이프에 100kgf·m 의 비틀림모멘트를 가하면 단순 비틀림식에서 123MPa 의 전단응력이 발생하는 것으로 계산되는데, 일반적인 SM45C 의 항복응력은 500MPa 이상[3]으로 강도 상의 문제는 없을 것으로 판단되었다. 그러나, 휠 너트 렌치는 단순한 원통형 제품이 아니기 때문에 실제 제품의 사용 조건과 유사하게 레버잭을 사용한 비틀림 시험에 대한 CAE 해석을 수행하였다. 해석에는 구조해석 소프트웨어인 NASTRAN 을 이용하였고 예측된 유효응력을 Fig.
이러한 연구를 위하여 중공형 휠 너트 렌치에 대한 구조해석을 수행하여 제품의 기계적 강도를 검토하였으며, 기초 실험 및 CAE 해석을 통하여 냉간단조공정을 설계하였다. 또한, 설계된 공정을 기반으로 전용 성형기를 제작하여 단조 실험을 수행함으로써 개발된 설계공정을 검증하였다.
따라서, 본 연구에서는 전술한 문제점을 극복하기 위해 중공형으로 설계된 상용차용 휠 너트 렌치의 냉간단조공정을 개발함으로써 제품의 중량을 감소시키고 외관 품질을 향상시키고자 하였다. 이러한 연구를 위하여 중공형 휠 너트 렌치에 대한 구조해석을 수행하여 제품의 기계적 강도를 검토하였으며, 기초 실험 및 CAE 해석을 통하여 냉간단조공정을 설계하였다. 또한, 설계된 공정을 기반으로 전용 성형기를 제작하여 단조 실험을 수행함으로써 개발된 설계공정을 검증하였다.

대상 데이터

설계된 공정의 타당성을 검증하기 위하여 상용 소프트웨어인 Deform-3D를 이용하여 CAE 해석을 수행하였다. 본 제품에 사용된 소재는 SM45C로서 소프트웨어에 내장된 물성치를 사용하였는데 Fig. 7의 좌측에 응력-변형률선도를 나타내었다. 또한 Fig.
본 제품은 Fig. 2 에 나타낸 바와 같이 양단에 맞변 길이가 내경 기준으로 각각 41mm 와 23mm 인 육각 구멍을 갖는다는 형상 특징이 있다. 따라서, 초기소재의 형상을 몸통부와 동일하게 외경 43mm, 내경 36mm 인 원통형상으로 설정하면 제품의 한쪽단은 유효직경이 증가하고 다른 한쪽은 유효직경이 감소되어야 한다.
11에 나타낸 바와 같이 전용 성형기를 제작하였다. 제작된 성형기는 단발식으로서 각 단계마다 금형을 교체하여 성형을 수행하며, 50톤 용량의 유압 펌프가 사용되었다. 특히, 육각 축관 및 확관공정에서는 스프링으로 지지되는 가동형 맨드렐 방식을 적용함으로써 소재와 맨드렐간의 상대운동으로 인하여 발생되는 마찰력을 줄일 수 있었다.
2 에 나타내었다. 제품의 몸통부는 외경 43mm, 두께 3.5mm 의 파이프이며 제품의 양단은 내측 기준으로 맞변 길이가 41mm 와 23mm 인 육각 형상을 갖는다. KS 규격에서는 휠 너트 렌치의 재질이 SM45C 로 지정되어 있으며, 제품 강도는 대구경측 육각형의 맞변 길이가 41mm 인 경우 100kgf·m 의 비틀림 모멘트를 1 분간 견디도록 지정되어 있다[2].

데이터처리

설계된 공정의 타당성을 검증하기 위하여 상용 소프트웨어인 Deform-3D를 이용하여 CAE 해석을 수행하였다. 본 제품에 사용된 소재는 SM45C로서 소프트웨어에 내장된 물성치를 사용하였는데 Fig.
그러나, 휠 너트 렌치는 단순한 원통형 제품이 아니기 때문에 실제 제품의 사용 조건과 유사하게 레버잭을 사용한 비틀림 시험에 대한 CAE 해석을 수행하였다. 해석에는 구조해석 소프트웨어인 NASTRAN 을 이용하였고 예측된 유효응력을 Fig. 3 에 나타내었다.

성능/효과

(2) 제품 양단에 요구되는 축관 및 확관 공정을 단공정으로 수행할 경우 좌굴 또는 균열 불량의 발생이 예상되었다. 따라서, 본 연구에서는 불량 해소를 위하여 원형단면을 갖는 예비성형공정을 삽입하여 불량없는 제품을 얻을 수 있었다.
또한, Fig. 9(a)에는 최종성형품의 유효변형률을 나타내었는데, 축관 부위에서 약 1.4의 최대치가 형성됨을 확인할 수 있었다. 그러나, 확관 부위의 경우 육각 모서리 부위에 변형이 집중되고 있음이 예측되었는데, 유효변형률값이 약 1.
5mm의 파이프에 대한 냉간단조공정의 적용을 통하여 중공형 휠 너트렌치를 개발하였다. 개발된 제품은 기존 제품에 비하여 약 39%의 중량 감소 효과를 갖는다.
10에 나타내었는데, 확관 공정에 비해 축관 공정의 성형하중이 높음을 알 수 있다. 다단계 공정에서는 각 단계별 성형하중이 균일하게 분포되는 것이 바람직하지만 본 제품의 경우 육각 확관공정에서 발생 가능한 균열을 억제하는 것이 중요하기 때문에 축관 공정에 비하여 확관 공정에서의 성형량을 감소시킨 설계의도에 적합한 성형하중이 형성되었다고 판단할 수 있었다.
4 에 나타낸 바와 같이 전체 공정흐름은 직관적으로 제품 양단에 육각 확관(Expanding) 및 축관(Shrinking), 측면의 레버홀 생성의 순서로 배치된다. 단, 측면 구멍의 경우 가압 방향이 다르고 소재 직경과 비교하여 구멍의 직경이 크기 때문에 금형을 이용한 피어싱(Piercing) 공정의 적용은 어렵기 때문에 단조 성형 후에 드릴링(Drilling) 공정을 이용하여 생성시키는 것이 타당할 것으로 판단되었다.
(2) 제품 양단에 요구되는 축관 및 확관 공정을 단공정으로 수행할 경우 좌굴 또는 균열 불량의 발생이 예상되었다. 따라서, 본 연구에서는 불량 해소를 위하여 원형단면을 갖는 예비성형공정을 삽입하여 불량없는 제품을 얻을 수 있었다.
그림에 나타낸 바와 같이 휠 너트 렌치의 몸통부에서는 최대 226MPa 의 유효응력이 하단의 레버잭 구멍 부근에 발생하는 것으로 예측되었다. 따라서, 설계된 중공형 제품은 규격 상의 강도조건을 큰 문제없이 만족시킬 수 있을 것으로 판단할 수 있었다.
9(b)의 표면확장률 분포에 나타낸 바와 같이 인장방향의 변형이 이루어지고 있어 실제 성형에서 균열 발생의 위험이 존재함을 예측할 수 있다. 따라서, 육각 확관 공정에서는 육각형의 성형을 위한 육각 맨드렐의 도입부에 모따기 및 모서리반경 증가를 통하여 가급적 완만한 소재 유동을 유도해야 할 것으로 판단되었다. 또한, CAE 해석으로 예측된 각 성형 단계의 성형하중을 Fig.
13에는 냉간단조품에 측면홀 생성을 위한 드릴링 및 흑색도장 처리를 통하여 얻어진 최종 제품 형상을 나타내었다. 제품 양단에 육각형상이 뚜렷하게 형성되었으며, Fig. 1에 나타낸 열간단조품에 비하여 외관 품질이 우수하다고 판단되었다. 특히 중공형 휠 너트 렌치의 경우 최종 제품의 중량이 1.
제작된 성형기는 단발식으로서 각 단계마다 금형을 교체하여 성형을 수행하며, 50톤 용량의 유압 펌프가 사용되었다. 특히, 육각 축관 및 확관공정에서는 스프링으로 지지되는 가동형 맨드렐 방식을 적용함으로써 소재와 맨드렐간의 상대운동으로 인하여 발생되는 마찰력을 줄일 수 있었다. 또한, 제작된 성형기에는 유압식 소재 공급장치 및 성형품 이송장치를 부착하여 성형 효율을 증가시키고자 하였다.

후속연구

(3) 본 연구는 국내에서 저급 기술로 치부되어 경쟁력이 저하된 제품이라 할지라도 제품 및 생산 공정의 개선을 통하여 국내 기반기술의 경쟁력을 다시 높일 수 있음을 보여 주는 사례라고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상용차용 휠 너트 렌치의 상단 부분이 중국 등 외국에서 수입되고 있는 이유는?	또한, 중실형 제품의 생산공정인 열간단조공정은 가열이 수반되는 고에너지 성형공정이며 제품의 표면 품질이 떨어지는 단점을 가지고 있다[1]. 특히, 소규모 형태로 운영되는 국내 수공구 제조업체의 특성 상 중간성형품의 이송 자동화가 어려워 작업자의 피로도 증가 및 작업 환경의 악화를 피할 수 없다. 따라서, 수년전부터 상용차용 휠 너트 렌치의 상당 부분은 중국 등 외국에서 수입되고 있는데, 현지 생산비 상승 및 환율 불안 등의 문제를 안고 있다.
	휠 너트 렌치란 무엇인가?	휠 너트 렌치(Wheel Nut Wrench)는 자동차 타이어의 탈부착에 사용되는 수공구로서 1.2 톤 이상의 상용차에 제공되는 기존 제품의 사례를 Fig.
	중실형 제품의 가장 큰 단점은?	중실형 제품의 가장 큰 단점은 단순 기능의 수공구로서는 중량이 과도하다는 점으로서 Fig. 1 에 나타낸 제품의 경우 무게가 약 1.

참고문헌 (7)

K. Lange, 1985, Handbook of Metal Forming, McGraw-Hill, New York.
Korea Agency for Technology and Standards, 2009, Wheel Nut Wrenches for Automobiles, KS B 3016, Korea.
MatWeb, 2012, Material Property Data: AISI 1045 Steel, http://www.matweb.com.
S. K. Lee, H. J. Moon, B. M. Kim, J. H. Lee, Y. S. Lee, 2005, Process Design of Monobloc Tube for Steering Input Shaft in Cold Drawing, Trans Mater. Process., Vol. 14, No. 9, pp. 779-784.

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S. S. Lim, S. J. Lim, H. J. Choi, C. D. Cho, 2006, Proc. Kor. Soc. Tech. Plast. Conf.(M. Y. Huh), Kor. Soc. Tech. Plast., Seoul, Korea, p. 153.
H. S. Kim, J. W. Youn, 2009, A Study on Development of Combined Drawing Process for Automotive Cowl Cross Bar with Variable Diameters, Trans. Mater. Process., Vol. 18, No. 7, pp. 538-543.

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H. S. Kim, Y. T. Im, 1999, An Expert System for Cold Forging Process Design Based on a Depth-first Search, J. Mater. Process. Technol., Vol. 95, No. 1-3, pp. 262-274.

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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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