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문제 정의
- 본 연구에서는 금형가공후 시행착오 과정을 통해 견실한 성형조건을 찾기 위해 시행하는 트라 이아웃 과정을 컴퓨터상에서 구현하는 디지털 트라이아웃 기법을 제시하였다. 성형의 난이도가 높아질수록 성형성은 성형후 윤곽선에 민감하게 영향을 받기 때문에 트라이아웃이 어려워지는 문제를 노비드성형공법을 이용하여 블랭크형상으로 성형후 윤곽선과 소재유동을 조절함으로써 난성형제 품의 성형성문제를 해결하였다
제안 방법
- 이 문제를 해결하기 위해 Fig. 4(a) 와 같이 직변의 일부에만 드로비드를 설치하여 성형동안 폭방향으로의 강체운동은 방지하고 소재유입은 쉽도록 계획하였다. Fig.
- (a)과 같이 전면과 측면의 일부 구간에 “ㄱ” 자 형태의 드로비드를 설치하여 성형동안 양측면의 움직임을 구속하고 전면중앙부와 후면은 소재가 쉽게 유입될 수 있도록 계획하였다.
- 본 연구에서는 금형가공후 시행착오 과정을 통해 견실한 성형조건을 찾기 위해 시행하는 트라 이아웃 과정을 컴퓨터상에서 구현하는 디지털 트라이아웃 기법을 제시하였다. 성형의 난이도가 높아질수록 성형성은 성형후 윤곽선에 민감하게 영향을 받기 때문에 트라이아웃이 어려워지는 문제를 노비드성형공법을 이용하여 블랭크형상으로 성형후 윤곽선과 소재유동을 조절함으로써 난성형제 품의 성형성문제를 해결하였다
- 스탬핑금형에서 제품부위의 형상은 일반적으로 수정이 금지되지만 파단발생문제를 해결하기 위해 부득이 제품에 해당하는 부위인 필렛반경을 수정하였다. 즉 Fig.
- 이 문제를 해결하기 위해 도출된 최적블랭크가 직사각형에 가깝다는 점으로부터 Fig.9 와 같이 블랭크형상을 직사각형으로 변형시켜 보았다. 직사각형으로 변형할 때 Fig.
- 최대형상오차를 기준으로 허용오차를 7.0mm 로 설정하였으며 이를 만족할 때까지 최적블랭크 설계를 진행하였으며 Fig. 5 는 설계단계별로 블랭크 형상과 성형후 형상을 목표형상과 비교하고 있다. Fig.
이론/모형
- 그림에서 볼 수 있듯이 BSE 기능을 이용하여 생성된 블랭크는 성형후 형상이 목표형상과 크게 차이가 나고 있다. 목표형상으로 성형이 되는 블랭크형상을 찾기 위해 반경벡터법을 이용하여 블랭크 형상을 수정한다[4]. Fig.
성능/효과
- 넷째, 디지털트라이아웃을 거쳐 결정된 최적블랭크 형상이라도 블랭크 가공방법과 소재이용율을 고려하여 합리적으로 변경할 수 있다. 즉 최적 블랭크의 가공에는 일반적으로 블랭킹공정을 필요로 하는 경우가 많은데 이는 일반적으로 채택하는 시어링(shearing)에 비해 블랭킹금형 비용과 블랭킹공정이 추가되는 문제가 있다.
- 둘째, 블랭크형상 만으로 유동을 조절하기 때문에 조절해야 할 변수가 줄어들고, 드로비드를 제거함으로써 소재사용량 절감효과 뿐만 아니라 유동방해 요인을 제거하여 성형성이 향상된다.
- 그렇지만 최적블랭크는 윤곽선이 곡선이기 때문에 블랭킹이 요구되는 문제점이 있다. 따라서 도출된 블랭크형상을 다시 시어링으로 제작 가능한 형상으로 변형시키기 위해 성형 후 형상과 최종제품의 형상을 고려하여 직사각형블랭크를 도출하였고, 그 결과 소재 사용량은 설계원안에 비해 23.7%가 감소할 뿐만 아니라 크랙발생 가능성도 완전히 해결되었다.
- 본 연구에서 제시하는 디지털 트라이아웃은 성형해석을 바탕으로 합리적인 방법으로 시행하는 것이기 때문에 보다 최적화된 공정조건을 도출할 수 있도록 할 뿐만 아니라 소재비용절감, 금형개발기간 단축의 효과가 있음을 예제를 통해 확인하였다. 아울러 난성형제품의 생산을 위해 주로 채택되는 핫스탬핑이나 하이드로포밍 등과 같은 고가의 장비 및 고에너지 사용으로 특징되는 신성형공정 대신 일반적인 스탬핑의 적용가능성을 확인할 수 있었다.
- 블랭킹 공정으로 블랭크를 가공할 때 필요한 소재량을 산출하기 위해 블랭크를 최적배치한 결과 블랭크 1장당 소요되는 소재면적은 1088mm×302mm로 나타났다.
- 블랭킹공정으로 블랭크를 생산하기 위한 최소량의 소재는 블랭크 1 장당 소요량은 883mm×219mm 로 나타났다.
- 블랭킹공정으로 최적블랭크를 생산하기 위한 최소량의 소재는 블랭크 1 장당 1129mm×340mm 로 나타났다.
- 셋째, 성형성이 좋지 않은 고강도강의 경우에도 고가의 장비를 요구하는 핫스태핑이나 하이드로 포밍 등과 같은 신성형공법 대신 일반적인 스탬핑으로도 성형이 가능해질 수 있다.
- 본 연구에서 제시하는 디지털 트라이아웃은 성형해석을 바탕으로 합리적인 방법으로 시행하는 것이기 때문에 보다 최적화된 공정조건을 도출할 수 있도록 할 뿐만 아니라 소재비용절감, 금형개발기간 단축의 효과가 있음을 예제를 통해 확인하였다. 아울러 난성형제품의 생산을 위해 주로 채택되는 핫스탬핑이나 하이드로포밍 등과 같은 고가의 장비 및 고에너지 사용으로 특징되는 신성형공정 대신 일반적인 스탬핑의 적용가능성을 확인할 수 있었다.
- 이상과 같이 디지털트라이아웃을 적용한 결과 성형성이 크게 개선될 뿐만 아니라 블랭킹공정의 추가없이 소재사용량도 대폭으로 절감될 수 있는 공정조건을 도출할 수 있음을 확인되었다. 뿐만 아니라 일부 적용된 드로비드도 유동조절용이 아닌 강체운동 방지목적이기 때문에 트라이아웃 동안 유동조절을 위한 드로비드의 수정작업이 필요 없어짐에 따라, 공정개발 기간도 획기적으로 단축이 가능할 것으로 판단된다.
- 즉 설계원안은 제품의 전 둘레에 드로비드를 적용한 금형으로 920mm×280mm 의 직사각형 블랭크로 성형하는데 해석결과 크랙이 극심하게 발생하는 것으로 예측되고 있으나 노비드공법을 적용한 결과 크랙 가능성이 대부분 제거되었고, 소재사용량도 19.2% 가 감소하였다.
- Table 2 는 디지털트라이아웃을 통해 공정을 개선한 결과를 종합한 것이다. 즉 설계원안은 제품의 전 둘레에 드로비드를 적용한 금형으로 크랙발생 가능성이 극심하여, 금형수정없이 노비드공법만으로 해결코자 하였으나 크랙발생 가능성이 여전히 높게 나타났다. 바인더면의 수정, 그리고 필렛반경의 수정을 거침으로써 크랙발생 가능성이 대부분 제거되어 성공적으로 성형이 이루어지는 조건을 도출할 수 있었다.
- 직사각형으로 변형할 때 Fig.7 의 성형해석결과와 최종제품의 형상을 모두 고려하였고, 그 결과 Fig.9와 같은 시어링이 가능한 형상인 882mm×207mm의 직사각형 블랭크가 도출되었다.
후속연구
- 이상과 같이 디지털트라이아웃을 적용한 결과 성형성이 크게 개선될 뿐만 아니라 블랭킹공정의 추가없이 소재사용량도 대폭으로 절감될 수 있는 공정조건을 도출할 수 있음을 확인되었다. 뿐만 아니라 일부 적용된 드로비드도 유동조절용이 아닌 강체운동 방지목적이기 때문에 트라이아웃 동안 유동조절을 위한 드로비드의 수정작업이 필요 없어짐에 따라, 공정개발 기간도 획기적으로 단축이 가능할 것으로 판단된다.
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