[논문]후판을 이용한 힌지 브래킷 성형 공정 설계

장명근; 최효성; 이현규; 신양재; 김종봉

doi:10.5228/kstp.2016.25.4.227

[국내논문] 후판을 이용한 힌지 브래킷 성형 공정 설계
Design of a Hinge Bracket Forming Process Using Thick Plate 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.25 no.4, 2016년, pp.227 - 234

장명근 (자동차공학과, 서울과학기술대학교) , 최효성 (자동차공학과, 서울과학기술대학교) , 이현규 (자동차공학과, 서울과학기술대학교) , 신양재 (연구개발 센터, 한국컨테이너풀) , 김종봉

Abstract ▼ AI-Helper

In the transportation between countries using container, too many empty containers must be transported due to the transportation unbalance. For transportation efficiency, therefore, foldable containers are being developed. Hinge brackets are important parts of foldable containers because great force is applied on the hinges during loading onto and unloading from ships. In this study, the hinge bracket for a foldable container is designed to be made using thick plate or bulk materials to endure the heavy loads. The forming process for the hinge bracket using a thick plate is designed via numerical analysis. First of all, the shape of bracket is designed for the better formability. Bending and successive side wall thickening processes are employed for the forming of the hinge bracket. Maximum thickening that can be achieved in a single stage of forming without a folding defect is determined and three stage of thickening processes are designed.

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AI 본문요약
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문제 정의

판재의 성형과 함께 판재의 두께를 증가시키는 증 육 공정에 대한 연구도 수행되었다. Cho와 Kim[15]은 판재의 두께를 증가시키기 위해 유동성형(flow forming)을 이용한 증육에 대해 연구하였고, Jang 등 [16]은 더블 싱크 제품의 증육을 위해 드로잉 공정 과 업셋팅을 이용한 증육 공정으로 구성된 프로그 레시브 금형 설계에 대해 연구를 수행하였다.
본문에서 기술하였지만, 한 번의 증육 공 정으로 원하는 형상을 성형하기 어렵다. 그러므로 여러 번의 증육 공정으로 최종 형상을 성형하고자 하였다. 판재의 증육 공정은 소재의 좌굴에 의한 접힘 불량으로 인해 증육에 한계가 있다.
판재의 증육 공정은 소재의 좌굴에 의한 접힘 불량으로 인해 증육에 한계가 있다. 본 연구에서는판재의 증육의 한계에 대해 연구하여 가장 작은 수 의 증육 공정으로 원하는 힌지를 성형하기 위한 연구를 수행하였다.
3(b)~(c)에 보인 증육 공정은소재의 좌굴로 인해 각 단계에서 증가시킬 수 있는 두께에 한계가 있다. 그러므로 원하는 두께로 성형 하기 위해서는 여러 번의 증육 공정이 필요하고, 본 연구에서 몇 번의 증육 공정이 필요한지에 대해 연구를 수행하였다.

가설 설정

05를 사용하였다[20]. 금형은 강체로 가정하였다. 요소는 선형 사각형 요소(linear quadrilateral element)를 사용하였고 곡률 부 에 최소 10개 이상의 요소가 위치하도록 크기를 설 정하였다.

제안 방법

접이식 컨테이너용 힌지도 단조 또는 판단조 등을 이용한 성형으로 높은 강도 의 확보가 필요하다. 본 연구에서는 후판을 굽힘 성 형한 후 3단계의 두께증가 공정을 통해 고강도 힌 지를 성형하는 공정을 제안하였다.
그래서, 두께가 비교적 작은 박판을 이용한 스탬핑 성형보다는 두께가 두꺼운 후판을 이용한 복합 성형이 필요하다고 판단이 된다. 후판을 이용한 굽힘성형 후 증육 공정을 이용하여 벽부의 두께를 증가시키는 복합 공정에 대해 연 구하였다. 본문에서 기술하였지만, 한 번의 증육 공 정으로 원하는 형상을 성형하기 어렵다.
성형이 비교적 용이하도록 하기 위해 중요 모서 리에 라운드를 주었다. 성형공정 설계 이전에 설계 된 힌지가 요구되는 하중을 지지할 수 있는지 확인 하기 위해 구조해석을 먼저 수행하였다. 상부 및 하 부 브래킷과 핀의 소재는 큰 강성을 요구하기 때문에 AISI 1040 Steel 소재를 사용하였고, 재료 물성은 Table 1에 기술하였다.
(b) 상부 브래킷의 볼트 체결 위치 수평 방향 변 위를 구속하고, 수직 방향으로 15kN의 하중에 해당하는 압력을 면에 수직 방향으로 적용하였다. 15kN 의 하중은 컨테이너를 선박에 옮길 때 각 힌지에 작용하는 하중이다.
요소는 육면체 요소를 사용하였고, 상부 브래킷, 하부 브래킷, 핀을 각각 20, 000, 19, 000, 그리고 50, 000개의 요소로 해석하였다. 접촉이 발생해서 응 력이 크게 걸리는 부분은 작은 요소를 이용하였고, 요소의 크기는 여러 번의 해석을 통해서 결정하였다.
요소는 육면체 요소를 사용하였고, 상부 브래킷, 하부 브래킷, 핀을 각각 20, 000, 19, 000, 그리고 50, 000개의 요소로 해석하였다. 접촉이 발생해서 응 력이 크게 걸리는 부분은 작은 요소를 이용하였고, 요소의 크기는 여러 번의 해석을 통해서 결정하였다. ABAQUS/Implicit[18]으로 해석을 수행하였다.
핀은 휘어지면서 상대적으로 응력이 분산되기 때문에 브래킷보다 작은 응력이 걸리는 것으로 사 료된다. 구조해석 결과 설계된 브래킷이 안전하다고 판단이 되어 성형공정 설계를 수행하였다.
브래킷 성형을 위해 Fig. 3에 보인 굽힘과 증육 공 정에 대해 유한요소해석을 수행하였다. 해석은 ABAQUS/Explicit[18]로 수행하였고, 탄성 회복을 해 석하기 위해 재료는 탄소성 모델을 이용하였고 물 성은 Table 1에 기술하였다.
응력-변형률 관계는 Yegin[19]가 측정한 결과를 이용하여 결정하였다. 해 석의 효율성과 부품의 대칭성을 고려해 Fig. 4에 보 인 형상의 오른쪽 반(1/2)만 해석하였고, 후처리에서는 이해를 돕기 위해 mirror 처리하여 전체 모델로 도시하였다. 소재의 대칭면에는 대칭 경계조건을 주 었고, 금형과 소재는 벌칙법을 이용한 접촉 조건을 부여하였고, 마찰계수(coulomb friction coefficient)는 냉간단조의 윤활을 고려하여 0.
금형은 강체로 가정하였다. 요소는 선형 사각형 요소(linear quadrilateral element)를 사용하였고 곡률 부 에 최소 10개 이상의 요소가 위치하도록 크기를 설 정하였다. 그리고, 대변형에서 요소의 과도한 변형 을 고려하기 위해 ALE 방법[18]을 적용하였다.
그래서 최종 형상의 부피를 고려하여 두께 27mm이, 길이 352mm인 판재를 사용하였다. 해석은 2차원 평면변형으로 해석하였다. Fig.
한 개의 공정에서 두께 증가가 너무 클 경우 좌굴에 의한 접힘 결함이 발생할 수 있다. 그래서 한계 증 육 크기를 결정하기 위해 금형의 옆면의 틈새를 4.0 mm에서 6.5mm까지 0.5mm 간격으로 해석을 수행하였다. Fig.
성형 도중 파란색 원 부분에서 소재 가 접힘이 심하게 발생하여 성형이 어려움을 확인 하였다. 그래서 2차 증육 공정도 여러 값의 증육 크 기에 대해 해석하였다. 2차 증육 공정에서 틈새 8.
그래서 2차 증육 공정도 여러 값의 증육 크 기에 대해 해석하였다. 2차 증육 공정에서 틈새 8.0~11.0mm까지 성형이 잘 되는 것을 확인하였으나,본 연구에서는 안전율을 고려하여 2차 증육 공정에서 증육 크기를 9.0mm로 결정하였다.
접이식 컨테이너는 큰 힘에 견딜 수 있고 내구성 이 있는 고강도 힌지를 필요로 한다. 설계된 고강도 힌지의 강도 안정성을 구조해석을 통해 확인하였고, 고강도 힌지를 성형하는 공정을 설계하였다. 후판을 굽힘 성형한 후 3단계의 측면부 증육 공정을 통해 설계된 힌지 브래킷을 성형할 수 있음을 해석을 통해서 확인하였다.
설계된 고강도 힌지의 강도 안정성을 구조해석을 통해 확인하였고, 고강도 힌지를 성형하는 공정을 설계하였다. 후판을 굽힘 성형한 후 3단계의 측면부 증육 공정을 통해 설계된 힌지 브래킷을 성형할 수 있음을 해석을 통해서 확인하였다. 증육 공정에서 증육의 크기가 큰 경우 좌굴에 의한 접힘 결함이 발생하였다.
하지만, 증육량이 매우 큰 경우에는 좌굴에 의한 굽힘이 회복이 되지 않고 접힘 불량으로 발생했다. 본 연구에서는 좌굴에 의한 굽 힘이 접힘 불량으로 발생하지 않고 회복이 되는 한 계 증육 크기를 해석을 통해서 결정하였다. 최종적 으로, 초기 두께 27mm인 소재를 굽힘 가공 후, 두 께 32, 41, 50mm로의 3단계 증육 공정으로 상부 힌 지 브래킷을 성형할 수 있음을 해석을 통해 확인하였다.

대상 데이터

성형공정 설계 이전에 설계 된 힌지가 요구되는 하중을 지지할 수 있는지 확인 하기 위해 구조해석을 먼저 수행하였다. 상부 및 하 부 브래킷과 핀의 소재는 큰 강성을 요구하기 때문에 AISI 1040 Steel 소재를 사용하였고, 재료 물성은 Table 1에 기술하였다.
본 연구에서 목표로 하는 부품은 상부 브래킷이다. 상부 브래킷을 단조로 성형할 경우에 대해 검토 한 결과 매우 큰 성형 하중이(약 60, 000kN) 필요함 을 사전 해석을 통해서 알 수 있었다.
4는 후판의 굽힘 공정 해석 결과를 보여준다. 최종 형상은 바닥면이 27mm이고 옆면의 두께가 50 mm이다. 그래서 최종 형상의 부피를 고려하여 두께 27mm이, 길이 352mm인 판재를 사용하였다.
최종 형상은 바닥면이 27mm이고 옆면의 두께가 50 mm이다. 그래서 최종 형상의 부피를 고려하여 두께 27mm이, 길이 352mm인 판재를 사용하였다. 해석은 2차원 평면변형으로 해석하였다.

이론/모형

(c) 핀과 상부 및 하부 브래킷의 접촉면, 상부 및 하부 브래킷의 접촉면은 접촉 처리하였다. 접촉eABAQUS/Implicit[18]에서 지원하는 벌칙법(penalty)을 사용하였고, 마찰계수는 0.1을 적용하였다.
접촉이 발생해서 응 력이 크게 걸리는 부분은 작은 요소를 이용하였고, 요소의 크기는 여러 번의 해석을 통해서 결정하였다. ABAQUS/Implicit[18]으로 해석을 수행하였다. Fig.
3에 보인 굽힘과 증육 공 정에 대해 유한요소해석을 수행하였다. 해석은 ABAQUS/Explicit[18]로 수행하였고, 탄성 회복을 해 석하기 위해 재료는 탄소성 모델을 이용하였고 물 성은 Table 1에 기술하였다. 응력-변형률 관계는 Yegin[19]가 측정한 결과를 이용하여 결정하였다.
해석은 ABAQUS/Explicit[18]로 수행하였고, 탄성 회복을 해 석하기 위해 재료는 탄소성 모델을 이용하였고 물 성은 Table 1에 기술하였다. 응력-변형률 관계는 Yegin[19]가 측정한 결과를 이용하여 결정하였다. 해 석의 효율성과 부품의 대칭성을 고려해 Fig.
4에 보 인 형상의 오른쪽 반(1/2)만 해석하였고, 후처리에서는 이해를 돕기 위해 mirror 처리하여 전체 모델로 도시하였다. 소재의 대칭면에는 대칭 경계조건을 주 었고, 금형과 소재는 벌칙법을 이용한 접촉 조건을 부여하였고, 마찰계수(coulomb friction coefficient)는 냉간단조의 윤활을 고려하여 0.05를 사용하였다[20]. 금형은 강체로 가정하였다.
요소는 선형 사각형 요소(linear quadrilateral element)를 사용하였고 곡률 부 에 최소 10개 이상의 요소가 위치하도록 크기를 설 정하였다. 그리고, 대변형에서 요소의 과도한 변형 을 고려하기 위해 ALE 방법[18]을 적용하였다. Fig.

성능/효과

20ft 컨테이너의 무게는 최대 24, 000kg이고[17] 16개의 힌지를 사용한다고 가정하 면 한 개의 힌지가 지지해야 할 하중은 15kN 이다. (c) 핀과 상부 및 하부 브래킷의 접촉면, 상부 및 하부 브래킷의 접촉면은 접촉 처리하였다. 접촉eABAQUS/Implicit[18]에서 지원하는 벌칙법(penalty)을 사용하였고, 마찰계수는 0.
본 연구에서 목표로 하는 부품은 상부 브래킷이다. 상부 브래킷을 단조로 성형할 경우에 대해 검토 한 결과 매우 큰 성형 하중이(약 60, 000kN) 필요함 을 사전 해석을 통해서 알 수 있었다. 그래서, 단조 성형 대신 증육 성형으로 원하는 부품을 성형하고 자 한다.
6에서 파란색 점선 원으로 표시된 부분에서 복원이 되지 않고 접힘 결함이 되었다. 결과적으로 틈새가 5.5mm 이하인 경우 성형 이 가능함을 확인하였다.
본 연구에서는 좌굴에 의한 굽 힘이 접힘 불량으로 발생하지 않고 회복이 되는 한 계 증육 크기를 해석을 통해서 결정하였다. 최종적 으로, 초기 두께 27mm인 소재를 굽힘 가공 후, 두 께 32, 41, 50mm로의 3단계 증육 공정으로 상부 힌 지 브래킷을 성형할 수 있음을 해석을 통해 확인하였다.

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