CNG 압력용기의 제조를 위하여 고성능 수평식 프레스를 이용한 딥드로잉과 아이어닝의 연속공정(D.D.I. 공정)이 도입되었다. 그러나, 몇몇 D.D.I. 공정 변수들은 현장 경험에 의존하여 결정되는 문제점이 있으며, 다이의 짧은 수명 역시 고성능, 저비용의 압력용기 제조를 위하여 필수적으로 개선되어야 한다. 본 연구에서는, 공정의 신뢰성 확보 및 다이 수명 향상을 위하여 기존 관련 연구 및 현장 경험을 바탕으로 드로잉비, 다이 간의 간격, 드로잉 다이의 라운딩 반경, 아이어닝 다이의 각도를 공정변수로 결정하였다. FEA 를 이용하여 각 성형 단계에서 찢어짐과 주름이 발생하지 않는 한계 드로잉비를 결정하였고, 다이 간의 간격, 드로잉 다이의 라운딩 반경, 아이어닝 다이의 각도에 대하여 실험계획법을 이용하여 최적 공정설계를 수행하였으며, 기존 공정에 의한 결과와 비교하여 효율성을 검증하였다.
CNG 압력용기의 제조를 위하여 고성능 수평식 프레스를 이용한 딥드로잉과 아이어닝의 연속공정(D.D.I. 공정)이 도입되었다. 그러나, 몇몇 D.D.I. 공정 변수들은 현장 경험에 의존하여 결정되는 문제점이 있으며, 다이의 짧은 수명 역시 고성능, 저비용의 압력용기 제조를 위하여 필수적으로 개선되어야 한다. 본 연구에서는, 공정의 신뢰성 확보 및 다이 수명 향상을 위하여 기존 관련 연구 및 현장 경험을 바탕으로 드로잉비, 다이 간의 간격, 드로잉 다이의 라운딩 반경, 아이어닝 다이의 각도를 공정변수로 결정하였다. FEA 를 이용하여 각 성형 단계에서 찢어짐과 주름이 발생하지 않는 한계 드로잉비를 결정하였고, 다이 간의 간격, 드로잉 다이의 라운딩 반경, 아이어닝 다이의 각도에 대하여 실험계획법을 이용하여 최적 공정설계를 수행하였으며, 기존 공정에 의한 결과와 비교하여 효율성을 검증하였다.
The deep drawing and ironing (DDI) process involving the use of a high-capacity horizontal press is used for manufacturing acompressed natural gas (CNG) pressure vessel. However, some variables of the DDI process have been determined based on the experiences of workers, and the short die life needs ...
The deep drawing and ironing (DDI) process involving the use of a high-capacity horizontal press is used for manufacturing acompressed natural gas (CNG) pressure vessel. However, some variables of the DDI process have been determined based on the experiences of workers, and the short die life needs to be improved for manufacturing the pressure vessel withhighquality and lowcost. In this study, process variables such as the draw ratio, distance between dies, radius of rounding of drawing die, and angle of ironing die are chosen to enhance the reliability and improve the die life based on previous studies and experiences. The draw ratio limits at which no tearing or wrinkling occurs are determined using FEA, and the distances between dies, radius of rounding of drawing die, and angle of ironing die are optimized by the DOE method. The results of the optimal process variables are compared with those of the existing DDI process for verifying their effectiveness.
The deep drawing and ironing (DDI) process involving the use of a high-capacity horizontal press is used for manufacturing acompressed natural gas (CNG) pressure vessel. However, some variables of the DDI process have been determined based on the experiences of workers, and the short die life needs to be improved for manufacturing the pressure vessel withhighquality and lowcost. In this study, process variables such as the draw ratio, distance between dies, radius of rounding of drawing die, and angle of ironing die are chosen to enhance the reliability and improve the die life based on previous studies and experiences. The draw ratio limits at which no tearing or wrinkling occurs are determined using FEA, and the distances between dies, radius of rounding of drawing die, and angle of ironing die are optimized by the DOE method. The results of the optimal process variables are compared with those of the existing DDI process for verifying their effectiveness.
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문제 정의
본 연구에서는 D.D.I.공정의 신뢰성 확보 및 다이의 수명 향상을 위하여 D.D.I. 공정에 대한 FEA를 수행하여 각 성형단계에서의 드로잉 비와 클리어런스를 결정하고, 실험계획법을 이용하여 다이 간의 간격, 드로잉 다이의 모서리 라운딩 반경, 아이어닝 다이의 각도에 대한 최적 공정설계를 수행하였다.
제안 방법
4.1 장에서 성형한계를 고려하여 결정된 드로잉비 (1 차 성형단계: 2.0, 2 차 성형단계: 1.27, 3 차 성형단계: 1.23)와 클리어런스 (1 차 성형단계: 1.05×t0, 2 차 성형단계: 1.0×t0 , 3 차 성형단계: 0.95×t0 ) 조건 하에서, 4.2.1~4.2.2 장의 실험계획법에 의해 구해진 각 다이 별 최적 공정 변수 조합에 대해 각각 FEA 를 수행하였다.
4.1 장의 성형한계를 고려하여 결정된 드로잉비와 클리어런스 조건 하에서 각 다이 간의 간격, 드로잉 다이의 라운딩 반경, 아이어닝 다이의 각도에 대하여 실험계획법을 이용한 공정설계를 수행하였다.
2 장에 나타난 것과 동일하다. 공정변수들에 대하여 실험계획법을 이용한 3 인자 5 수준의 L25 직교 배열표를 적용한 해석을 수행 하였다. 해석시간 단축을 위해 축 대칭 모델을 사용하였으며, 총 요소 수는 5,188 개이다.
이는 주름(Wrinkling) 및두께 감소에 따른 찢어짐(Tearing) 현상의 원인이 된다. 그러므로, 공정의 성형한계를 결정하기 위하여 기존 관련연구(1,3) 및 현장경험을 바탕으로 드로잉비를 변화시켜가며 각 성형공정별 FEA 를 수행하여 Fig. 6 에서와 같이 주름(Wrinkling) 및 찢어짐(Tearing) 등의 파손 여부를 판단하였다.
연속공정에 대한 FEA를 수행하였으며, 각 공정들에 대하여 찢어짐(Tearing) 및 주름(Wrinkling) 등의 결함이 발생하지 않는 한계 드로잉비(Draw ratio)를 구하였다. 그리고, 한계 드로잉비에 너무 근접하면 제품 불량의 요인이 되므로 각각의 성형단계에서 균등하게 한계 드로잉비에 근접하도록 이론적 해석 및 FEA를 이용하여 최적의 드로잉비를 구하였다. 또한, 각 다이 간의 간격(Distance between dies), 드로잉 다이의 라운딩 반경(Radius of rounding), 아이어닝 다이의 각도(Angle of ironing die)를 다이 수명 향상을 위한 공정변수로 결정하여 성형한계를 고려한 공정의 신뢰성 확보와 실험계획법(Design of Experiment method)을 이용한 각 공정변수들의 다이에 국부적으로 작용하는 응력에 미치는 영향을 고려하여 다이 수명 향상을 위한 최적 공정설계를 수행하였다.
그리고, 한계 드로잉비에 너무 근접하면 제품 불량의 요인이 되므로 각각의 성형단계에서 균등하게 한계 드로잉비에 근접하도록 이론적 해석 및 FEA를 이용하여 최적의 드로잉비를 구하였다. 또한, 각 다이 간의 간격(Distance between dies), 드로잉 다이의 라운딩 반경(Radius of rounding), 아이어닝 다이의 각도(Angle of ironing die)를 다이 수명 향상을 위한 공정변수로 결정하여 성형한계를 고려한 공정의 신뢰성 확보와 실험계획법(Design of Experiment method)을 이용한 각 공정변수들의 다이에 국부적으로 작용하는 응력에 미치는 영향을 고려하여 다이 수명 향상을 위한 최적 공정설계를 수행하였다.
공정에 적용시켜 고압가스 용기를 제조하였다. 이를 위해 소성이론 및 현장 기술자의 경험을 토대로 설계및 시험규칙(1,3)이 정식화되었으며, AutoCAD 환경 하에서 AutoLISP 언어를 이용한 공정설계 자동화 시스템을 개발하였다.(1,2) 또한, 구조강도 및 피로 수명의 향상을 위한 자긴 처리와 소성변형시 변형에 의한 소재의 파열 및 성형 결함 등에 대한 지식 베이스 구축을 통한 설계 자동화 시스템 개발이 이루어졌고,(4) D.
이에, 본 연구에서는 D.D.I. 공정의 신뢰성 확보및 다이의 수명 향상을 위하여, 기존의 관련 연구 및 현장 경험을 바탕으로 D.D.I. 연속공정에 대한 FEA를 수행하였으며, 각 공정들에 대하여 찢어짐(Tearing) 및 주름(Wrinkling) 등의 결함이 발생하지 않는 한계 드로잉비(Draw ratio)를 구하였다. 그리고, 한계 드로잉비에 너무 근접하면 제품 불량의 요인이 되므로 각각의 성형단계에서 균등하게 한계 드로잉비에 근접하도록 이론적 해석 및 FEA를 이용하여 최적의 드로잉비를 구하였다.
05 씩 증가시켜가면서 FEA 를 수행하여 결과를 Table 3에 나타내었다. 찢어짐이 발생하지 않는 한계 드로잉비의 범위는 2.0 이하로 나타났으며, 2차와 3 차 성형공정에서의 단면적 감소율을 줄이기 위하여 한계 단면적 감소율(50%)(1,3,7) 내에서 최대의 단면적 감소율을 가지는 2.0 을 1 차 성형 공정의 드로잉비로 결정하였다.(9)
클리어런스의 경우, 드로잉비에 비해 단면적 감소율에 미치는 영향이 미비하므로 기존 공정의 클리어런스(1차 성형단계: 1.05×t0(소재 두께), 2 차 성형단계: 1.0×t0, 3 차 성형단계: 0.95×t0) 를 적용하였으며, 드로잉비에 따른 D.D.I. 공정해 석을 수행하였다.
해석 결과를 토대로 다이에 가장 낮은 하중이 작용하는 공정 변수 (다이 간의 간격 400-400mm, 드로잉 다이 라운딩 반경 10mm, 아이어닝 다이 각도 30°)를 최적 공정 설계로 결정하였다.
대상 데이터
해석 툴은 DEFORM 을 사용하였으며, 해석 모델은 펀치 (Punch), 소재 (Workpiece), 드로잉 다이(Drawing die), 아이어닝 다이 1, 2, 3 (Ironing die 1, 2, 3)로 구성된다. 펀치와 다이는 강체 (Rigid body), 소재는 탄소성(Elasto-plastic) 소재로 모델링 하였다. 일반적으로 강소성(Rigid-plastic) 소재를 사용하는 경우는 탄성을 무시할 수 있는 열간 공정들을 해석할 때 사용되며, 라이너 제조를 위한 D.
공정변수들에 대하여 실험계획법을 이용한 3 인자 5 수준의 L25 직교 배열표를 적용한 해석을 수행 하였다. 해석시간 단축을 위해 축 대칭 모델을 사용하였으며, 총 요소 수는 5,188 개이다. 해석 결과를 바탕으로, Fig.
이론/모형
해석 툴은 DEFORM 을 사용하였으며, 해석 모델은 펀치 (Punch), 소재 (Workpiece), 드로잉 다이(Drawing die), 아이어닝 다이 1, 2, 3 (Ironing die 1, 2, 3)로 구성된다. 펀치와 다이는 강체 (Rigid body), 소재는 탄소성(Elasto-plastic) 소재로 모델링 하였다.
성능/효과
(1) 1 차, 2 차, 3 차 성형단계에서의 드로잉비가 각각 2.0, 1.27, 1.23, 클리어런스 1.05×t0 , 1.0×t0 , 0.95×t0 일 때, 각 성형단계에서의 총 단면적 감소율이 한계 단면적 감소율(50%) 이하를 나타내었으며 찢어짐이 발생하지 않았다.
(2) 실험계획법을 이용하여 다이 간의 간격, 드로잉 다이의 모서리 라운딩 반경, 아이어닝 다이의 각도에 대한 최적 공정설계를 수행하였으며, 해석 결과, 다이 간의 간격 400-400mm, 드로잉 다이의 모서리 라운딩 반경 10mm, 아이어닝 다이의 각도 30° 일 때, 모든 다이에서 하중이 가장 적게 나타났다.
(3) 최적 공정설계에 의한 다이에서의 하중은 기존 공정과 비교하였을 때, 드로잉 다이에서 약 1.6%, 아이어닝 1 다이는 약 4.5%, 아이어닝 2 다이에서 약 20%의 하중 감소를 나타내었으며, 이는 측방향의 하중감소를 가져옴으로써 드로잉 및 아이어닝 다이의 수명을 향상시킬 것이다.
해석 결과, 드로잉 다이에서 약 1.6%, 아이어닝 1 공정은 약 4.5%, 아이어닝 2 공정에서 약 20%의 하중 감소를 나타내었다.
해석결과를 토대로 각 성형단계에서 총 단면적 감소율이 50%를 넘지 않고(2 차 성형단계: 49.6%, 3 차 성형단계: 49.0%), 찢어짐이 발생하지 않는 드로잉비(1 차 성형단계: 2.0, 2 차 성형단계: 1.27, 3 차성형단계: 1.23)를 결정하였다.
후속연구
본 논문에서 제시한 D.D.I. 공정에 대한 해석기법 및 다이 수명 향상을 위한 최적 설계기법은 다양한 공정 조건 하에서의 압력용기 제조에 관한 연구에 널리 적용될 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이음새 없는 튜브를 사용하여 바닥성형, 접합공정, 열간 오목성형 공정의 문제점은 무엇인가
소화기와 LPG 가스통 등과 같은 고압 가스용기의 경우, 이음새 없는 튜브(Seamless tube)를 사용 하여 바닥성형(Bottom forming)과 접합(Closing)공정및 열간 오목성형 공정(Forming to concave bottom) 을 이용하는데, 이러한 생산방식은 고가의 재료비 와 재료 보관상의 문제점이 있으며, 경량화된 고품질의 고압가스용기의 생산을 어렵게 한다. 상기의 문제점을 해결하기 위하여 Fig.
소화기와 LPG 가스통 등과 같은 고압가스용기 생산방식의 문제점을 해결하기 위해 도입된 공정은 무엇인가
상기의 문제점을 해결하기 위하여 Fig. 1 과 같은 CNG (Compressed natural gas) 고압가스 용기의 제조에 D.D.I. (Deep drawing & ironing) 공정이 도입되었으며, 이를 위하여 국내에서는 정격하중 650tonf 및펀치행정 8.2m (단방향 4.
소화기와 LPG 가스통 등과 같은 고압 가스 용기의 경우 어떤 공정을 이용하는가
소화기와 LPG 가스통 등과 같은 고압 가스용기의 경우, 이음새 없는 튜브(Seamless tube)를 사용 하여 바닥성형(Bottom forming)과 접합(Closing)공정및 열간 오목성형 공정(Forming to concave bottom) 을 이용하는데, 이러한 생산방식은 고가의 재료비 와 재료 보관상의 문제점이 있으며, 경량화된 고품질의 고압가스용기의 생산을 어렵게 한다. 상기의 문제점을 해결하기 위하여 Fig.
참고문헌 (11)
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Kim, E. S., Kim, J. H., Park, Y. S., Kim, C., Choi, J. C., 2003, "Development of an Automated Design System of CNG Composite Vessel Using Steel Liner Manufactured by D.D.I Process," Journal of KSPE, Vol. 20, No. 1, pp. 205-213.
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Park, C. W., Kim, C., Kim, Y. H., Choi, J. C., 2005, "A Study of Automated Process Planning Using Autofrettage for Large-Sized High Pressure Vessel," Spring Conference Proceeding, KSAE, pp.167-172.
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