[논문]유한요소법을 이용한 세미 파인-블랭킹 금형 해석에 관한 연구

이상훈; 송기환; 손창우; 서형진; 서태일

유한요소법을 이용한 세미 파인-블랭킹 금형 해석에 관한 연구
A Study of Semi Fine-blanking Mold Analysis using Finite Element Method 원문보기

Metal sheet forming has been commonly used as the core technology in manufacturing parts of automobiles. It guarantees the highest production rate due to the process of mass production employing the press die. For precision of the product, the accuracy of the molds and its mechanic structures are considered as essential factors. One of these is fine blanking, which is utilized for the production of the metal sheet spring, with which clear sheer surfaces can be achieved in one operation from the materials. However, the current designs of press dies perform the forming analysis with the molds of rigid body, so they are focused on weight lightening by a rule of thumb. Therefore, this paper practice structural analysis about developing the semi fine-fine blanking technology. The semi fine-blanking can be run through the combination of the hydraulic cylinders and normal presses, so this paper analyze the amount of deformation according to the oil pressure. In addition, based on the plasticity of 50CrV4, the materials of the mold parts, the structural analysis and life analysis are proceeded, so they are expected to be useful as data for manufacturing the mold.

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문제 정의

유압기계의 압력이 과도하게 상승하면 상대운동부 간에 존재하는 유체 유막이 파괴되고, 과도한 하중 및 응력으로 인한 재료의 파손이나 소착이 발생될 수 있다. 따라서 유압실린더의 압력에 따른 변형량을 해석하고자 한다.
본 연구에서는 자동변속기 변속 클러치에 적용되어 자동차 주행 중 유압작용에 의한 변속 충격을 완충하기 위한 웨이브 형 쿠션 스프링의 제작을 위한 세미 파인-블랭킹의 구조해석에 대하여 고찰하였다. 구조해석을 위하여 2-D, 3-D 금형 설계 후 유압실린더의 내부 압력에 대한 변형량 해석, 박판의 성형이 가능성에 대한 해석, 성형력을 바탕으로 금형의 구조해석, 펀치와 다이의 수명해석을 진행하였다.
특히 변속기의 부품 중 박판 스프링은 파인-블랭킹 공정을 통하여 이루어지므로 전단면은 훌륭하다. 하지만 파인-블랭킹의 높은 비용에 따라 유압실린더를 이용한 세미 파인-블랭킹을 통한 전단 가공에 필요한 프레스 금형 다이와 펀치 수명에 대하여 유한요소법을 이용하여 많은 생산을 보장하는 프레스 금형설계에 관한 연구를 하고자 한다^3-5).

가설 설정

2) 박판의 성형이 가능성에 대한 해석은 50CrV4의 성형성에 대하여 판단하고자 금형을 강체로 가정하여 해석을 진행하였다. 해석 결과 약 2,600 Mpa의 Stress를 확인할 수 있었으며 이를 통하여 제품이 성형이 잘 이루어 질 것을 판단하였다.

제안 방법

1) 유압실린더 내부 압력에 대한 변형량 해석에서는 14 Mpa의 압력에 대하여 변형을 고찰하였다. 결과 약 0.
3) 금형의 구조해석에서는 앞선 해석에서 얻은 Load data를 토대로 진행하였으며 하형 금형에 대하여 진행하였다. 그 결과 0.
구조해석을 위하여 2-D, 3-D 금형 설계 후 유압실린더의 내부 압력에 대한 변형량 해석, 박판의 성형이 가능성에 대한 해석, 성형력을 바탕으로 금형의 구조해석, 펀치와 다이의 수명해석을 진행하였다.
프레스 금형의 성형력 예측 해석은 Deform-3D를 이용하여 진행하였으며 블랭킹 시 중요한 부분과 박판을 배치하여 진행을 하였으며 박판 제품의 물성은 50CrV4로 설정하였다. 또한 금형의 물성은 강체로 설정하여 성형력을 파악하였다. Fig.
7에 나타내었다. 또한 힘을 면적에 주게 되었는데 힘은 Deforfm 해석을 통하여 확인한 성형력인 2,269,700 N을 주었고 아래 면에 Fixed 조건을 주어 해석을 진행하였으며 프레스 금형의 해석결과를 Fig. 8에 나타내었다.
또한, 금형의 구조해석 및 프레스 공정시 일어나는 성형공정, 유압실린더가 제품에 작용했을 때 제품의 변형량을 알아보기 위해 2-D 도면을 이용하여 Fig.2와 같이 세미 파인-블랭킹의 3-D Modeling을 수행하였다.
박판 스프링 제작용 세미 파인-블랭킹의 금형의 해석을 위해서 프레스 금형 형상을 기초로 하여 금형의 각 부품 및 조립도를 Fig. 1과 같이 2-D 도면으로 설계하였다.
성형 시에 발생하는 파단 등의 성형성 불량의 문제점을 고찰하기 위하여 초기 공정변수를 바탕으로 하여 성형력을 파악하기 위한 유한요소 해석을 수행하였다⁶⁾.
유압실린더 해석은 Ansys를 이용하여 진행하였으며 Mesh설정은 Fig. 3과 같이 3차원 모델로 중심부에 있는 패드부분이 중요하기 때문에 더 집중적인 Mesh설정으로 하여 유압에 따른 변형량을 중심적으로 해석하였다. 유압에 의한 압력설정은 14 Mpa로 하였으며 변형량 해석 결과는 Fig.
펀치와 다이의 내마모적 구동 메커니즘을 위한 해석은 실제 프레스 가공 시 650 ton 급의 프레스를 사용하게 되므로 실제 힘을 단위 환산을 통하여 640,000 N의 힘을 주기 위하여 두 부분을 위로 힘을 주게 되고 움직이지 않는 부분을 고정으로 하여 피로해석을 통하여 내마모적 구동 메커니즘을 설계하기 이전 해석을 수행하였다.
프레스 금형의 성형력 예측 해석은 Deform-3D를 이용하여 진행하였으며 블랭킹 시 중요한 부분과 박판을 배치하여 진행을 하였으며 박판 제품의 물성은 50CrV4로 설정하였다. 또한 금형의 물성은 강체로 설정하여 성형력을 파악하였다.

성능/효과

4) 펀치와 다이의 수명해석은 650 ton의 프레스를 사용하게 되므로 그에 맞는 적절한 안전율을 통하여 해석을 진행하였으며 그 결과 약 58,000번의 수명을 예측할 수 있었으며 이에 따라 실제 사용을 할 시에 약 5만 번의 가공 후에 금형 펀치의 마모부분을 연마하여 라이너와 펀치를 같이 사용하거나 혹은 교체해주어야 함을 알 수 있다.
1) 유압실린더 내부 압력에 대한 변형량 해석에서는 14 Mpa의 압력에 대하여 변형을 고찰하였다. 결과 약 0.003 mm의 변형이 발생하는 것을 알 수 있었으며 탄성한계 이하의 변형으로 판단하여 이상이 없을 것을 고찰하였다.
3) 금형의 구조해석에서는 앞선 해석에서 얻은 Load data를 토대로 진행하였으며 하형 금형에 대하여 진행하였다. 그 결과 0.07 mm의 변형이 발생하는 것을 알 수 있었으며 이를 통하여 탄성한계이하의 값으로 안전함을 판단할 수 있었다.
2) 박판의 성형이 가능성에 대한 해석은 50CrV4의 성형성에 대하여 판단하고자 금형을 강체로 가정하여 해석을 진행하였다. 해석 결과 약 2,600 Mpa의 Stress를 확인할 수 있었으며 이를 통하여 제품이 성형이 잘 이루어 질 것을 판단하였다.

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