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문제 정의
- 복잡한 형상이나 비축대칭형상의 냉간단조 공정에 대한 연구는 많이 진행되고 있으나 편심형상 부품의 편심단조 공정에 대한 연구는 미비하다. 따라서 본 논문에서는 플랜지 구조를 갖는 캠버볼트의 새로운 단조공법인 편심단조 공정설계에 대하여 연구하고자 하였다[4]-[8].
- 편심단조란 플랜지 구조를 가진 캠버볼트와 같이 대칭축이 일직선상에 놓여 있지 않은 편심형상 단조품을 제작하는 과정으로 편심유도 금형을 이용하여 성형하는 새로운 단조공정이다. 본 논문에서는 유한요소법을 이용하여 플랜지 구조 캠버볼트의 단조공정에서 트리밍 시 발생한 칩 량을 최소화할 수 있는 편심단조 공정을 설계하고자 하였다. 이를 위해 Pro/ENGINEER를 이용하여 금형과 빌렛을 모델링하고, DEFORM-3D 프로그램으로 단조 시뮬레이션을 하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 유한요소법을 이용하여 플랜지 구조 캠버볼트의 단조공정에서 트리밍 시 발생한 칩 량을 최소화할 수 있는 편심단조 공정을 설계하고자 하였다. 이를 위해 Pro/ENGINEER를 이용하여 금형과 빌렛을 모델링하고, DEFORM-3D 프로그램으로 단조 시뮬레이션을 하였다. 또한 시뮬레이션과 동일한 조건으로 금형을 제작하여 단조실험을 하였고, 실험과 시뮬레이션 결과를 비교‧분석하여 트리밍동안 발생한 칩 량을 최소화할 수 있는 플랜지 구조를 가진 캠버볼트의 새로운 편심단조 공정을 제시하였다.
- 이를 위해 Pro/ENGINEER를 이용하여 금형과 빌렛을 모델링하고, DEFORM-3D 프로그램으로 단조 시뮬레이션을 하였다. 또한 시뮬레이션과 동일한 조건으로 금형을 제작하여 단조실험을 하였고, 실험과 시뮬레이션 결과를 비교‧분석하여 트리밍동안 발생한 칩 량을 최소화할 수 있는 플랜지 구조를 가진 캠버볼트의 새로운 편심단조 공정을 제시하였다.
- 빌렛과 단조금형은 모두 1/2 대칭으로 모델링 하여 해석에 적용하였으며 빌렛의 요소 수는 60,000개, 소재는 단조 공정 시 전성과 연성이 좋은 AISI4140을 사용하였다. 단조금형과 소재간의 마찰상수는 0.08, 펀치속도는 200 mm/s로 설정하여 캠버볼트의 단조공정해석에 적용하였다. 또한 금형에 대한 구조해석에서 금형소재는 AISI-H-13, 펀치는 Tungsten Carbide 소재를 적용하였으며 금형간의 마찰상수는 0.
- 5 mm의 편심량을 가진다. 이에 따라 펀치와 편심유도 금형 간의 간섭을 고려하여 편심유도금형에 부동한 편심량을 적용하여 시뮬레이션을 하였다. 또한 시뮬레이션 결과에서 트리밍 칩에 대한 체적계산을 통하여 줄일 수 있는 최대 체적을 예측하였다.
- 설계2안은 설계1안을 바탕으로 적절한 편심량을 적용하였다. 동시에 편심단조 공정 중 6각 헤드 성형과정 예비성형체의 플랜지부분에서 X1위치의 소재유동을 억제하기 위해 Figure 4에 나타낸 바와 같이 편심유도 금형의 단면형상을 기존의 원형에서 타원형으로 설계하고 해석에 적용하였다.
- 설계2안은 설계1안을 바탕으로 적절한 편심량을 적용하였다. 동시에 편심단조 공정 중 6각 헤드 성형과정 예비성형체의 플랜지부분에서 X1위치의 소재유동을 억제하기 위해 Figure 4에 나타낸 바와 같이 편심유도 금형의 단면형상을 기존의 원형에서 타원형으로 설계하고 해석에 적용하였다. 이와 같은 조건으로 빌렛의 체적을 줄여 해석에 적용하고 트리밍 공정에서의 칩량과 성형성을 예측하였다.
- 동시에 편심단조 공정 중 6각 헤드 성형과정 예비성형체의 플랜지부분에서 X1위치의 소재유동을 억제하기 위해 Figure 4에 나타낸 바와 같이 편심유도 금형의 단면형상을 기존의 원형에서 타원형으로 설계하고 해석에 적용하였다. 이와 같은 조건으로 빌렛의 체적을 줄여 해석에 적용하고 트리밍 공정에서의 칩량과 성형성을 예측하였다. 또한 해석 결과를 바탕으로 동일 조건에서의 단조실험결과와 비교‧분석을 통하여 금형을 최적화 설계하였고, 이를 적용하여 캠버볼트의 편심단조 공정을 재해석하였다.
- 이와 같은 조건으로 빌렛의 체적을 줄여 해석에 적용하고 트리밍 공정에서의 칩량과 성형성을 예측하였다. 또한 해석 결과를 바탕으로 동일 조건에서의 단조실험결과와 비교‧분석을 통하여 금형을 최적화 설계하였고, 이를 적용하여 캠버볼트의 편심단조 공정을 재해석하였다.
- 최적화한 편심단조 공정에서 단조과정의 성형하중 예측과 금형에 대한 구조해석을 통하여 단조성형의 가능성을 판단하였다. 단조금형의 금형응력을 해석을 통하여 캠버볼트 편심단조 시 금형의 파손여부를 예측하였다.
- 편심단조 공정과정에서 트리밍 전 공정의 예비성형체 형상과 트리밍 공정해석결과에서 트리밍 되는 칩량을 측정하고 성형성을 예측하였다. 측정방법은 Figure 5에 나타낸바와 같이 트리밍 전의 예비성형체에서 캠버볼트의 형상과 일치한 부분을 제거한 나머지 소재의 형상과 체적을 트리밍 되는 칩의 양으로 간주하고 이때 칩의 inner edge부분의 폭을 X1, outer edge 부분의 폭을 X2로 설정하고 측정하였다.
- 편심단조 공정과정에서 트리밍 전 공정의 예비성형체 형상과 트리밍 공정해석결과에서 트리밍 되는 칩량을 측정하고 성형성을 예측하였다. 측정방법은 Figure 5에 나타낸바와 같이 트리밍 전의 예비성형체에서 캠버볼트의 형상과 일치한 부분을 제거한 나머지 소재의 형상과 체적을 트리밍 되는 칩의 양으로 간주하고 이때 칩의 inner edge부분의 폭을 X1, outer edge 부분의 폭을 X2로 설정하고 측정하였다. X1과 X2의 위치는 칩의 두께가 균일한 부분에서 트리밍 되는 부분으로 캠버볼트의 성형에 영향이 없을 것으로 판단하였다.
- 3 mm 로 한정되었다. 이에 따라 편심유도 금형의 편심량이 2.5 mm, 2.9 mm, 3.3 mm일 때의 해석결과를 바탕으로 더 큰 편심량을 적용하기 위해 Figure 6에 나타낸 바와 같이 제3단 공정을 생략하여 새로운 4단 편심단조 공정으로 수정 후 해석에 적용하였다. 따라서 기존의 3.
- 설계2안에서는 단조공정에서 편심유도 금형의 형상수정 및 편심량 조절을 통한 편심단조 공정 최적화 설계는 다음과 같이 진행하였다. 트리밍 되는 칩의 형상을 관찰하여 볼 때 side edge 부분에도 소재가 많이 남아있다.
- 트리밍 되는 칩의 형상을 관찰하여 볼 때 side edge 부분에도 소재가 많이 남아있다. 따라서 기존 편심유도 금형의 원형 단면형상을 수정하여 side edge 부분의 소재 유동을 억제하는 방법으로 단조공정을 설계하였다. 설계된 편심유도 금형으로 빌렛의 체적을 줄이고 편심량을 제1안에서 최적 조건인 3.
- 따라서 기존 편심유도 금형의 원형 단면형상을 수정하여 side edge 부분의 소재 유동을 억제하는 방법으로 단조공정을 설계하였다. 설계된 편심유도 금형으로 빌렛의 체적을 줄이고 편심량을 제1안에서 최적 조건인 3.3 mm와 4.1mm를 적용하여 해석하였고 결과는 Table 2에 정리한 바와 같다. 편심 량이 3.
- 최적 조건의 단조공정을 검토하기 위해 실험 장비의 용량결정을 위한 전체 성형하중과 금형 파손 가능성의 예측이 요구된다. 따라서 유한요소법을 통한 단조공정 시뮬레이션과 구조해석을 통해 최적 조건의 단조 공정 가능성을 예측하였다. 단조공정 시뮬레이션을 통해 예측된 성형하중을 Table 3에 정리하여 나타내었다.
대상 데이터
- 캠버볼트의 단조공정해석에서 실제 단조공정을 바탕으로 다음과 같이 경계조건을 설정하였다. 빌렛과 단조금형은 모두 1/2 대칭으로 모델링 하여 해석에 적용하였으며 빌렛의 요소 수는 60,000개, 소재는 단조 공정 시 전성과 연성이 좋은 AISI4140을 사용하였다. 단조금형과 소재간의 마찰상수는 0.
- 08, 펀치속도는 200 mm/s로 설정하여 캠버볼트의 단조공정해석에 적용하였다. 또한 금형에 대한 구조해석에서 금형소재는 AISI-H-13, 펀치는 Tungsten Carbide 소재를 적용하였으며 금형간의 마찰상수는 0.12로 시뮬레이션을 하였다.
데이터처리
- 캠버볼트의 단조공정설계를 위해 3D설계프로그램인 Pro/ENGINEER로 단조금형과 빌렛을 모델링 하고, 유한요소해석 프로그램인 DEFORM-3D를 이용하여 캠버볼트의단조공정을 해석하였다.
성능/효과
- 이에 따라 펀치와 편심유도 금형 간의 간섭을 고려하여 편심유도금형에 부동한 편심량을 적용하여 시뮬레이션을 하였다. 또한 시뮬레이션 결과에서 트리밍 칩에 대한 체적계산을 통하여 줄일 수 있는 최대 체적을 예측하였다.
- 최적화한 편심단조 공정에서 단조과정의 성형하중 예측과 금형에 대한 구조해석을 통하여 단조성형의 가능성을 판단하였다. 단조금형의 금형응력을 해석을 통하여 캠버볼트 편심단조 시 금형의 파손여부를 예측하였다.
- X1과 X2의 위치는 칩의 두께가 균일한 부분에서 트리밍 되는 부분으로 캠버볼트의 성형에 영향이 없을 것으로 판단하였다. 해석결과에서 트리밍 되는 칩의 체적은 약 1967.4 mm3이고 트리밍에 필요한 최소 여유 폭 1.5 mm를 기준으로 나머지 부분의 체적을 계산한 결과 약 700 mm3의 소재를 감소할 수 있을 것으로 예측된다. 이에 따라 이 부분의 형상을 기준으로 트리밍 가공의 가능성 여부를 판단하였다.
- 73 mm이다. 따라서 소재 체적을 700 mm3 감소하여도 캠버볼트의 성형은 가능할 것으로 판단된다. 4.
- 0 mm3로 줄어들었다. 따라서 편심유도 금형 편심 량 3.3 mm를 적용한 단조공정설계가 칩량 절감에 적합할 것으로 판단된다. 이러한 관점을 증명하고자 동일 조건으로 단조실험을 하여 해석결과와 비교‧분석할 필요가 있다.
- 1 mm3이며 이는 해석결과와 일치하였다. 이에 따라 새로운 편심단조 공정을 적용하면 전체 칩 량의 약 35 %인 6.1 g의 소재를 절감할 수 있었다.
- (1) 시뮬레이션을 통한 캠버볼트의 단조공정 설계에서 기존 5단에서 4단으로, 편심유도 금형의 형상을 타원형으로, 2.5 mm의 편심량을 3.3 mm로 공정을 개선하였고, 동일조건 실험에서 트리밍 되는 칩 량은 기존 공정에 비하여 무게가 35 % 감소되었다. 따라서 최적화된 편심단조 공정을 적용 시 소재 이용률을 높일 수 있다.
- (2) 단조공정 해석에서 제품성형에 필요한 전체 성형하중은 기존의 약 4,600,000 N에서 2,926,000 N으로 감소될 것으로 예측된다. 이는 성형과정에서 충분한 편심량을가질 수 있도록 기존 5단 공정에서 4단으로 설계하여 전체 공정의 성형하중을 크게 감소시킬 수 있다.
- (4) 캠버볼트와 같은 제품생산을 위한 편심단조 공정의 설계에 있어 칩 량을 최소화 할 수 있는 편심량 설정과 편심유도 금형의 형상을 모두 고려하여 편심단조 공정을설계하고 개선하는 것이 바람직하다.
후속연구
- (3) 새로운 편심단조 공정으로 성형한 캠버볼트의 단류선을 관찰한 결과 단조과정에서 접힘과 같은 결함이 없으므로 냉간단조 공정을 통한 캠버볼트의 대량생산이 가능할 것이다.
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