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문제 정의
- 국내에서는 이 등2)이 2점 언더 레일 슬라이드의 롤포밍 공정 설계에 유한요소법 적용의 유용성을 고찰하였고, 정 등3)은 3점 언더레일 슬라이드의 구성품 중 상위 멤버(upper member)에 대한 변형률 분포와 버클링현상4,5)을 해석하였다. 그러나 이러한 연구들은 강도와 강성이 구조적으로 취약하여 고하중 조건에 부적합한 2점 언더레일 슬라이드이거나, 3점 언더레일 슬라이드 구성품 중 형상이 비교적 간단한 상위 멤버의 롤포밍 공정에 대해 연구하였다.
- 모델링 및 시뮬레이션은 강소성 유한 요소법을 이용한 롤포밍 전용 해석 프로그램인 Shape-RF를 사용한다. 시뮬레이션을 통해 롤 사이의 간섭과 최종형상물을 예측하여 롤의 형상을 최적화하고자 하였다.
제안 방법
- 해석 소프트웨어(software)는 Non-Linear standard tool인 Shape-RF를 사용하였다. Shape-RF에서는 기본적으로 design modeler기능이 양호하지 못하기 때문에 CAD전용 툴인 AutoCAD 2005를 이용하여 롤의 단면을 먼저 그리고 난 뒤 Shape-RF상으로 삽입시켜서 롤을 모델링하였다. 또한 다른 3D 전용 툴(CATIA, UG 등)을 이용하여 직접 3차원으로 삽입시키는 방법 보다는 2D.
- 롤포밍 공정시 재료는 두께, 넓이, 길이 방향으로 인장/압축이 일어나고 또한 굽힘(bending)이 발생하기 때문에 본 해석에서는 8절 점 육면체 요소를 사용하였다. 공정시 재료에 두께방향으로 굽힘이 일어나기 때문에, 유한요소 모델링을 위해서 우선 재료를 3단계로 나누고, 제품의 최종 형상 단면을 고려하여 초기방향의 길이 방향으로 굽힘이 많이 일어나는 부분을 Fig. 6과 같이 유한요소 모델링하였다. Table 1은 대칭면을 기준으로 오른쪽 길이 방향으로 제품의 최종 형상을 고려하여 요소망의 수를 예측하고 작게 나누어 나타내었다.
- 8과 같이 원래의 설계형상과 다르게 굽힘을 하지 못하고 형상 또한 고르지 않았다. 따라서 롤 사이의 간섭을 최소화하고 무리한 변형을 일으키지 않게 하기 위해서 공정을 모두 18공정으로 설계하고 시뮬레이션하였다. 롤포밍 해석 시에 각 공정에서 발생하는 단면 변형형상을 롤의 설계변형에 반영하였고, 각 공정에서 롤의 형상과 단면 변형형상을 Fig.
- 실제 공정과 비슷하게 구현하기 위해서 요소 뒤에 푸셔를 만들어 요소가 병진운동을 하게 하고 병진운동에 따른 롤에 각속도를 부여해 주었다. 또한 롤과요소는 마찰력이 생기기 때문에 각각의 롤에 마찰계수를 주었고, 요소와 롤이 해석 시 경로 이탈방지를 위해 대칭면에 전부 접촉을 시켰다. 롤은 변형을 하지 않기 때문에 강체(rigid body)로 설정하고 요소는 변형을 하기 때문에 변형체(deformable body)로 설정하였다.
- 9는 각 공정에서의 세로변형률(longitudinal strain)분포를 나타내는데 이것은 롤포밍 설계 시에 가장 중요한 데이터라고 할 수 있다. 롤포밍 해석결과로 얻은 세로변형률 데이터를 이용하여 롤 형상설계를 최적화 할 수 있었다. Fig.
- 본 연구에서는 냉장고 도어용 3점 ball type 언더 레일 슬라이드의 구성품 중 형상이 복잡하여 제작이 어려운 센터 멤버(center member)의 롤포밍 공정을 시뮬레이션한다. 재료로 쓰이는 냉간 압연 강판(SCP-1 1/2H)에 대한 인장시험을 통해 재료의 기계적 물성치를 파악한다.
- 본 연구에서는 냉장고 도어용 3점 ball type 언더 레일 슬라이드의 구성품 중 형상이 복잡하여 제작이어려운 센터 멤버를 모델링하고 롤포밍 공정을 시뮬레이션하였다. 유한요소 해석에 사용된 재료는 냉간 압연 강판(SCP-1 1/2H)이고 인장시험을 통해 재료의특성을 파악하였다.
- 이는 기존의 냉간 압연 강판의 기계적 물성치는 나와 있지만 경도가 반으로 작아진 것은 잘 나와 있지 않아서 직접 인장 시험을 하였다. 스트립(Strip) 되어 있는 재료를 직접 KS B 0501(금속재료 인장 시험편 규격)을 참고하여 표준 시험편 5호로 제작하여 시험하였다. 인장시험 결과 얻어진 시편의 기계적 특성을 Table 2에 나타내었으며 소성가공에서 필요한 진응력-진변형률 곡선(True strain/stress curve)을 Fig.
- 실제 공정과 비슷하게 구현하기 위해서 요소 뒤에 푸셔를 만들어 요소가 병진운동을 하게 하고 병진운동에 따른 롤에 각속도를 부여해 주었다. 또한 롤과요소는 마찰력이 생기기 때문에 각각의 롤에 마찰계수를 주었고, 요소와 롤이 해석 시 경로 이탈방지를 위해 대칭면에 전부 접촉을 시켰다.
- 1과 같이 상위 멤버, 하위 멤버(lower member) 그리고 센터 멤버로 구성된다. 언더레일은 하위 멤버를 고정하고 상위 멤버에 임의 케이스를 부착하여 운동하도록 모델링하였다. 본 연구에서는 공정상 가장 제작이 어려운 센터 멤버의 롤포밍 공정을 대상으로 하였다.
- 본 연구에서는 냉장고 도어용 3점 ball type 언더 레일 슬라이드의 구성품 중 형상이 복잡하여 제작이어려운 센터 멤버를 모델링하고 롤포밍 공정을 시뮬레이션하였다. 유한요소 해석에 사용된 재료는 냉간 압연 강판(SCP-1 1/2H)이고 인장시험을 통해 재료의특성을 파악하였다. 모델링 및 시뮬레이션은 강소성 유한 요소법을 이용한 롤포밍 전용 해석 프로그램인 Shape-RF를 사용하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 그러나 센터 멤버를 생산하는 재료는 경도가 반 정도 작은 (SCP-1 1/2H)이다. 이는 기존의 냉간 압연 강판의 기계적 물성치는 나와 있지만 경도가 반으로 작아진 것은 잘 나와 있지 않아서 직접 인장 시험을 하였다. 스트립(Strip) 되어 있는 재료를 직접 KS B 0501(금속재료 인장 시험편 규격)을 참고하여 표준 시험편 5호로 제작하여 시험하였다.
- 즉, 유한요소해석은 해석하는 모델을 어떻게 메쉬(mesh)로 분할하여 표현하느냐에 따라서 해석값의 차이가 발생한다. 이렇듯 본 해석에서 대상이 되는 센터 멤버는 Fig. 1과 같이 Y축 좌,우 대칭성을 가지기 때문에 Y축을 기준으로 대칭면(symmetry plane)을 설정하여 Fig. 4와 같이 대칭면을 기준으로 오른쪽만 해석하였다. 이것은 해석시간을 줄일 수 있고, 수치적 에러도 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 냉장고 도어용 3점 ball type 언더 레일 슬라이드의 구성품 중 형상이 복잡하여 제작이 어려운 센터 멤버(center member)의 롤포밍 공정을 시뮬레이션한다. 재료로 쓰이는 냉간 압연 강판(SCP-1 1/2H)에 대한 인장시험을 통해 재료의 기계적 물성치를 파악한다. 모델링 및 시뮬레이션은 강소성 유한 요소법을 이용한 롤포밍 전용 해석 프로그램인 Shape-RF를 사용한다.
- 2는 AutoCAD에서의 단면을 Shape-RF로 삽입시킨 첫 번째 롤의 단면형상이다. 총 롤의 개수는 18쌍으로 되어 있고, Fig. 2와 같은 작업을 반복적으로 수행하여 총 롤의 단면을 형상화시키고, 각 각의 단 면을 X축을 중심축으로 360도 회전하여 Fig. 3과 같이 18쌍의 롤을 체표면(surface body)으로 전부 묘사하였다.
대상 데이터
- 언더레일은 하위 멤버를 고정하고 상위 멤버에 임의 케이스를 부착하여 운동하도록 모델링하였다. 본 연구에서는 공정상 가장 제작이 어려운 센터 멤버의 롤포밍 공정을 대상으로 하였다. 해석 소프트웨어(software)는 Non-Linear standard tool인 Shape-RF를 사용하였다.
이론/모형
- 유한요소 해석에 사용된 재료는 냉간 압연 강판(SCP-1 1/2H)이고 인장시험을 통해 재료의특성을 파악하였다. 모델링 및 시뮬레이션은 강소성 유한 요소법을 이용한 롤포밍 전용 해석 프로그램인 Shape-RF를 사용하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 재료로 쓰이는 냉간 압연 강판(SCP-1 1/2H)에 대한 인장시험을 통해 재료의 기계적 물성치를 파악한다. 모델링 및 시뮬레이션은 강소성 유한 요소법을 이용한 롤포밍 전용 해석 프로그램인 Shape-RF를 사용한다. 시뮬레이션을 통해 롤 사이의 간섭과 최종형상물을 예측하여 롤의 형상을 최적화하고자 하였다.
- 본 연구에서는 공정상 가장 제작이 어려운 센터 멤버의 롤포밍 공정을 대상으로 하였다. 해석 소프트웨어(software)는 Non-Linear standard tool인 Shape-RF를 사용하였다. Shape-RF에서는 기본적으로 design modeler기능이 양호하지 못하기 때문에 CAD전용 툴인 AutoCAD 2005를 이용하여 롤의 단면을 먼저 그리고 난 뒤 Shape-RF상으로 삽입시켜서 롤을 모델링하였다.
성능/효과
- 1) 롤포밍 공정 시 굽힘을 18공정으로 나누어서 천천히 성형한 결과 무리한 굽힘에 의한 이상 형상을 보완할 수 있었다.
- 11에 나타내었다. 10단에서 선택된 점들은 공정 앞부분으로 갈수록 세로변형률이 작아짐을 알 수 있었으나, 15단에서는 앞으로 갈수록 약간 커지고 18단에서는 거의 균일한 세로변형률분포가 나타남을 알 수 있었다.
- 2) 롤포밍 해석결과로 얻은 각 공정에서의 세로 변형률 자료들을 이용하여 롤의 설계형상을 최적화할 수 있었다.
- 3) 최적화시킨 각 공정 사이의 거리와 롤의 설계형상을 이용해서 롤과 롤 사이의 간섭을 최소화시켰고 최종형상 또한 설계형상과 같은 성형을 만들 수 있었다.
- Shape-RF에서는 기본적으로 design modeler기능이 양호하지 못하기 때문에 CAD전용 툴인 AutoCAD 2005를 이용하여 롤의 단면을 먼저 그리고 난 뒤 Shape-RF상으로 삽입시켜서 롤을 모델링하였다. 또한 다른 3D 전용 툴(CATIA, UG 등)을 이용하여 직접 3차원으로 삽입시키는 방법 보다는 2D.dxf형식으로 삽입시키는 것이 효과적인 방법이라고 판단하였다. Fig.
- 여기서 앞 공정의 롤을 통과한 후 다음 공정의 롤에 물려 들어가는 순간 대부분의 소재에서 발생하는 롤의 간섭이 전혀 발생하지 않음을 확인하였다. 또한 소재를 1공정에서 18공정까지 서서히 성형한 결과 설계형상과 최종형상이 정확하게 일치함을 알 수 있었다. Fig.
후속연구
- 4) 이 롤포밍 해석기술을 사용해서 롤포밍기를 제작한다면 사전예측에 따른 시행착오를 줄일 수 있고, 원가절감 및 품질향상 등의 획기적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
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