[논문]중공형 LM-Guide Rail 제조를 위한 다단 형상 인발공정의 중간 다이스 설계에 관한 연구

이경훈; 김상현; 이선봉; 김동환; 김성민; 김병민

doi:10.5228/kstp.24.3.15

중공형 LM-Guide Rail 제조를 위한 다단 형상 인발공정의 중간 다이스 설계에 관한 연구
Design Method for the Intermediate Dies in Multi-Stage Shape Drawing: The Case for a Hollow Linear Motion Guide Rail 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.24 no.3, 2015년, pp.155 - 160

이경훈 (PNU-IFAM 국제공동연구소) , 김상현 (동국제강 중앙기술연구소 봉형강 연구팀) , 이선봉 (계명대학교 기계자동차공학부) , 김동환 (한국국제대학교 항공부품공학과) , 김성민 (광진실업주식회사 생산부) , 김병민

Abstract ▼ AI-Helper

One of the most important aspects in multi-stage shape drawing is the proper design of the intermediate dies especially to provide adequate metal distribution. In the current study, a method for designing the intermediate dies has been developed to manufacture hollow linear motion guide rails by multi-stage shape drawing. The design method is based on the modified virtual die method. The effectiveness of the proposed design method was verified by FE-simulations and experiments using Mn55Cr carbon steel. From the results of the FE-simulations and the experiments, the proposed design method led to a drawn product with a sound shape. The dimensional tolerances of the product were within the allowable specified tolerances.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구의 목적은 중공형 이형 제품 제조를 위한 다단 형상 인발공정 시 중간 다이스 형상 설계법을 개발하는 것이다. 대표적인 형상 인발 제품인 리니어 모션 가이드 레일을 중공형으로 제조하기 위해 수정 가상금형 설계법(Modified virtual drawing die method)을 제안하여 중간 다이스 형상을 설계하였다.
본 연구에서는 중공형 리니어 모션 가이드 레일 제조를 위한 다단 형상 인발공정의 중간 다이스 설계법을 제안하였으며, 다음의 결론을 도출하였다.

가설 설정

1) 최종 단면 형상의 외접원 직경을 계산하다.

제안 방법

(2) 미충진 결함 개선을 위해 수정 형상계수를 이용하여 중간 다이스 단면 형상을 확대시키는 Overall-offset 설계법과 최종 패스의 다이 단면 형상을 발생된 치수오차만큼 부분적으로 확대시키는 Local-offset 설계법을 조합한 수정 가상금형 설계법을 제안하였다.
(3) 수정 가상금형 설계법의 타당성을 검증하기 위해 유한요소해석 및 형상 인발 실험을 수행하였다. 성형된 리니어 모션 가이드 레일의 최대 치수 오차를 평가한 결과, 허용공차 ±0.
다이 단면형상을 도출하는 것이다. 가상금형 설계법을 적용한 3^rd 패스 성형해석 결과를 바탕으로 각 모서리부와 상·하면에서 발생된 치수오차를 보상하기 위해 부분적으로 확대하였다. 좌·우 모서리부와 상·하면을 각각 0.
5와 같이 인발 공정은 총 3패스로 구성되어있으며, 초기 소재의 길이는 50mm로 설정하였다. 각 패스에서 다이스 단면형상은 가상금형 설계법을 기반으로 제안되었다. 실제 작업 현장에서 각 패스 별인 발 후 응력제거 및 가공성 향상을 위한 풀림 열처리를 실시한다.
다단 형상 인발공정에서 중간 패스 다이스의 단면 형상 설계법 중 하나인 가상금형 설계법을 중공형 인발 제품의 다이스 설계에 활용하기 위하여 다음의 두 가지 수정 설계법을 개발하였다. 치수 오차를 보상하기 위해 중간 다이스 단면 형상을 수정하는 Overall-offset 설계법과 최종 다이스 단면 형상을 수정하는 Local-offset 설계법의 절차는 다음과 같다.
가상금형 설계법을 적용한 2^nd 패스 성형해석 시 미충진된 영역의 최대 오차만큼 2^nd 다이 단면 형상을 확대시킨다. 다이스 단면적과 관재 단면적으로부터 도출된 수정 형상계수(M.S.F.: Modified scale factor)를 기존 2^nd 다이 단면형상에 곱하여 오프셋 된 단면 형상을 제시한다. 이를 통해 3^rd 패스에 투입될 소재의 크기를 상대적으로 증가시킴으로써 최종 제품의 치수 오차를 감소시키는 방법이다.
개발하는 것이다. 대표적인 형상 인발 제품인 리니어 모션 가이드 레일을 중공형으로 제조하기 위해 수정 가상금형 설계법(Modified virtual drawing die method)을 제안하여 중간 다이스 형상을 설계하였다. 제안된 설계법에 대하여 성형 해석 및 인발 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.
본 연구에서 제안한 설계법 및 성형해석 결과의 타당성을 검증하기 위하여 중공형 형상인발 실험을 수행하였다. 적용 소재는 실제 현장에서 제품으로 적용되는 Mn55Cr강이다.
본 연구에서는 Kim 등이 제안한 형상계수법을 응용하여 다단 형상 인발공정 시 중간 다이스 형상을 설계하였으며, 설계절차는 아래와 같다[9].
수정 가상금형 설계법의 유효성을 검증하기 위해해석을 수행하였다. 2^nd 패스와 3^rd 패스의 다이스 모델은 각각 Fig.

대상 데이터

적용 소재는 실제 현장에서 제품으로 적용되는 Mn55Cr강이다. 사용된 초기 관재의직경, 길이 및 두께는 각각 34mm, 800mm와 3.5mm 였다.
수행하였다. 적용 소재는 실제 현장에서 제품으로 적용되는 Mn55Cr강이다. 사용된 초기 관재의직경, 길이 및 두께는 각각 34mm, 800mm와 3.
성형해석을 수행하였다. 적용된 소재는 Mn55Cr 이며, 유한요소해석을 위해 인장시험을 통해 확보된 유동응력 식은 식 (2)와 같다.
2는 리니어 모션 가이드 레일 및 초기 관재의 단면 형상과 치수를\나타낸 것이다. 초기 관재의 직경은 34.70mm이고, 다단 튜브 싱킹 공정 중 두께가 두꺼워지는 현상을 고려하여 초기 관재의 두께는 3.5mm로 결정하였다.

데이터처리

가상금형 설계법의 유효성을 검증하기 위해 상용 유한요소해석 S/W인 DEFORM-3D를 이용하여 3차원 성형해석을 수행하였다. 적용된 소재는 Mn55Cr 이며, 유한요소해석을 위해 인장시험을 통해 확보된 유동응력 식은 식 (2)와 같다.
대표적인 형상 인발 제품인 리니어 모션 가이드 레일을 중공형으로 제조하기 위해 수정 가상금형 설계법(Modified virtual drawing die method)을 제안하여 중간 다이스 형상을 설계하였다. 제안된 설계법에 대하여 성형 해석 및 인발 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.

이론/모형

(1) 중공형 인발 제품의 중간 다이스 단면 형상을 결정하기 위해 기존의 가상금형 설계법을 적용하였다. 하지만 소성변형영역에서 관재 내부 반력의 감소 및 인장력에 의하여 다이스 모서리부에 미충진결함이 발생하였다.

성능/효과

05mm 미만으로 나타났다. 본 연구에서 제시한 설계법을 적용할 경우, 최종제품의 치수정도가 향상됨을 알 수 있었다.
성형된 리니어 모션 가이드 레일의 최대 치수 오차를 평가한 결과, 허용공차 ±0.05mm 미만으로 나타났다. 본 연구에서 제시한 설계법을 적용할 경우, 최종제품의 치수정도가 향상됨을 알 수 있었다.
038mm 로 나타났다. 이는 제품 허용공차 범위인 ±0.05mm 를 충족시키므로 수정 가상금형 설계법이 중공형 형상 인발 제품 제조 시, 외곽 형상을 설계하는데 있어 유효함을 확인할 수 있었다.

후속연구

이상으로, 본 연구에서 제시한 수정 가상금형 설계법을 적용할 경우 중공형 형상 인발공정의 중간다이스 설계를 보다 효율적으로 수행할 수 있을 것으로 사료된다.

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S. M. Kim, S. K. Lee, C. J. Lee, B. M. Kim, M. S. Jeong, S. B. Lee, 2012, Process Design of Multi-pass Shape Drawing Considering the Drawing Stress, Trans. Mater. Process., Vol. 21, No. 4, pp. 265-270.

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