터보차저는 배기가스로 구동되는 엔진 과급기를 말하며, 배기에너지를 이용하여 배기통로에 연결된 터빈의 회전력을 변화시켜, 혼합 가스의 충전효율을 높여 출력과 연비를 향상 시키는 부품이다. 이러한 목적에 따라 과급을 조절해주는 것이 중요하며, 핵심 부품 중 노즐 슬라이드 조인트가 있다. 소재는 현재 오스테나이트 계 스테인리스강으로 높은 내열성과 내식성 등의 우수한 기계적 성질을 이용하고 있다. 그러나 절삭성이 나쁘기 때문에 절삭가공에 의해 복잡한 형상의 제품을 만드는데 어려운 점이 많다. 현재 노즐 슬라이드 조인트의 가공방법은 금속분말 사출성형후 치수정밀도를 위해 절삭가공을 행하고 있다. 따라서 본 연구에서는 Nitronic 60을 이용하여 터보차저 과급유량을 조절해주는 노즐 슬라이드 조인트의 제작 공정에서 절삭가공이 필요 없는 정형가공 공정을 제안하기 위하여, 기계적 특징에 영향과 연관이 있는 소결온도, 제품의 응력 및 변형률, 형상과 관련이 있는 모따기 펀치각도 및 펀치의 곡률반경을 설계변수로 선정하였다. 그에 따라 유한요소해석과 실험계획법인 다구찌법 및 SN비를 이용하여 가장 좋은 공정 조건을 제안하였다. 최종제품과 유한요소해석 결과의 상대밀도 및 정수압을 비교하여 경향이 일치함을 알 수 있었다. 따라서 다구찌법을 이용한 금속분말의 성형공정 설계에 유용하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
터보차저는 배기가스로 구동되는 엔진 과급기를 말하며, 배기에너지를 이용하여 배기통로에 연결된 터빈의 회전력을 변화시켜, 혼합 가스의 충전효율을 높여 출력과 연비를 향상 시키는 부품이다. 이러한 목적에 따라 과급을 조절해주는 것이 중요하며, 핵심 부품 중 노즐 슬라이드 조인트가 있다. 소재는 현재 오스테나이트 계 스테인리스강으로 높은 내열성과 내식성 등의 우수한 기계적 성질을 이용하고 있다. 그러나 절삭성이 나쁘기 때문에 절삭가공에 의해 복잡한 형상의 제품을 만드는데 어려운 점이 많다. 현재 노즐 슬라이드 조인트의 가공방법은 금속분말 사출성형후 치수정밀도를 위해 절삭가공을 행하고 있다. 따라서 본 연구에서는 Nitronic 60을 이용하여 터보차저 과급유량을 조절해주는 노즐 슬라이드 조인트의 제작 공정에서 절삭가공이 필요 없는 정형가공 공정을 제안하기 위하여, 기계적 특징에 영향과 연관이 있는 소결온도, 제품의 응력 및 변형률, 형상과 관련이 있는 모따기 펀치각도 및 펀치의 곡률반경을 설계변수로 선정하였다. 그에 따라 유한요소해석과 실험계획법인 다구찌법 및 SN비를 이용하여 가장 좋은 공정 조건을 제안하였다. 최종제품과 유한요소해석 결과의 상대밀도 및 정수압을 비교하여 경향이 일치함을 알 수 있었다. 따라서 다구찌법을 이용한 금속분말의 성형공정 설계에 유용하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
A turbocharger is an engine supercharger that is driven by exhaust gas. It improves the output and fuel efficiency by increasing the charging efficiency of the mixture gas, which is achieved by changing the rotatory power of the turbine connected to the exhaust passage. It is important to control th...
A turbocharger is an engine supercharger that is driven by exhaust gas. It improves the output and fuel efficiency by increasing the charging efficiency of the mixture gas, which is achieved by changing the rotatory power of the turbine connected to the exhaust passage. It is important to control the supercharging for this purpose. A nozzle slide joint is one of the core parts. Austenitic stainless steel is currently used as the material for this part, and its excellent mechanical properties include high heat resistance and corrosion resistance. However, because of its poor machinability, there are many difficulties in producing products with complicated shapes. Machining is used in the production of nozzle slide joints for high dimensional accuracy after metal powder injection molding. As design variables in this study, we investigated the sintering temperature, product stress, deformation rate, radius of curvature of the punch, and angle of the chamfer punch, which are related to the strain and shapes. The goal is to suggest a forming process using Nitronic 60 that does not require machining to manufacture a nozzle slide joint for a turbocharger. Accordingly, we determined the best process environment using finite-element analysis, the signal-noise ratio, and the Taguchi method for experiment design. The relative density and hydrostatic pressure of the final product were in accordance with the results of the finite element analysis. Therefore, we conclude that the Taguchi method can be applied to the design process of metal powder injection molding.
A turbocharger is an engine supercharger that is driven by exhaust gas. It improves the output and fuel efficiency by increasing the charging efficiency of the mixture gas, which is achieved by changing the rotatory power of the turbine connected to the exhaust passage. It is important to control the supercharging for this purpose. A nozzle slide joint is one of the core parts. Austenitic stainless steel is currently used as the material for this part, and its excellent mechanical properties include high heat resistance and corrosion resistance. However, because of its poor machinability, there are many difficulties in producing products with complicated shapes. Machining is used in the production of nozzle slide joints for high dimensional accuracy after metal powder injection molding. As design variables in this study, we investigated the sintering temperature, product stress, deformation rate, radius of curvature of the punch, and angle of the chamfer punch, which are related to the strain and shapes. The goal is to suggest a forming process using Nitronic 60 that does not require machining to manufacture a nozzle slide joint for a turbocharger. Accordingly, we determined the best process environment using finite-element analysis, the signal-noise ratio, and the Taguchi method for experiment design. The relative density and hydrostatic pressure of the final product were in accordance with the results of the finite element analysis. Therefore, we conclude that the Taguchi method can be applied to the design process of metal powder injection molding.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 오스테나이트 계 스테인리스강인 Nitronic 60의 금속을 이용하여 터보차저 과급유량을 조절하는 주요 구성요소 부품인 노즐 슬라이드 조인트 생산의 정형공정에 대한 연구를 실시하고, 공정 변수는 소결온도, 모따기 펀치각도와 곡률반경으로 두었으며, 실험계획법인 다구찌 법(Taguchi method)을 이용하여 소결분말금속으로 노즐 슬라이드 조인트의 절삭공정을 삭제 할 수 있도록 유한요소해석을 통하여 정형 성형 조건을 연구하고자 한다.
제안 방법
1. 기계적 물성 및 특성을 알아보기 위해 인장시험과 경도시험 및 상대밀도 측정을 통하여 Nitronic 60 소재의 소결 후 기계적 특성을 평가하였다.
Fig. 2에 유한요소해석 모델 중 모따기 펀치각도 45°을 나타내었는데, 실제 공정에서 제품의 성형성을 확인 하기위해 제품의 상단에서 하단으로 펀칭하는 순서와 같이 면취 및 정형공정의 해석을 진행하였다.
이러한 소결온도, 모따기 펀치각도, 펀치의 곡률반경인 공정변수의 최적 조건을 찾기 위해 다구찌 법을 적용하여 설계변수의 수준 및 직교배열표를 작성하였다. 각 수준(level) 별 선정조건은 노즐 슬라이드 조인트의 재료에 대한 적절한 소결온도와 함께 원하는 모따기 각도를 기준으로 15도의 차이로 나누었으며, 노즐슬라이드 크기를 생각하여 곡률반경을 선정하였다. Table 4의 수준과 값들을 이용하였으며, Table 5의 직교배열표를 작성하였고, 각 수준 조합에 따라 면취 및 정형공정 유한요소 해석을 수행하였다.
따라서 가장 좋은 설계변수로 펀치 각도가 60°인 조건중 응력과 정수압이 가장 낮은 조건인 9번의 소결온도 1335℃, 모따기 펀치각도 60°, 곡률반경 2.5 mm의 설계 변수를 선정하였다.
따라서 다구찌 법을 적용한 소결온도 1335℃, 모따기 펀치각도 60°, 곡률반경 2.5mm 조건의 성형성을 평가하기 위해 정수압에 망소특성 식 (3.1)의 손실 함수를 적용 하여, SN(Signal-to-Noise) 비를 비교하고 가장 좋은 수준을 예측하였다.
따라서 다구찌 법을 통한 해석 조건 중 응력과 정수압이 가장 낮은 소결온도 1335℃, 모따기 펀치 각도 60°, 곡률반경 2.5mm 조건과 SN 비가 최대인 소결온도 1290℃, 모따기 펀치각도 60°, 곡률반경 2.5mm 의 조건에 대한 성형해석을 수행하고 결과를 평가하였다.
면취 및 정형공정의 설계 변수는 재료의 소결온도와 모따기 펀치각도, 펀치의 곡률반경으로 선정하였다. 소결온도는 일반적으로 높아질수록 스테인리스 강 소재의 기공률이 낮아지며, 항복강도, 탄성 계수, 비커스 경도 등이 증가한다.
면취공정과 정형공정 설계를 위해 상용 유한요소해석 S/W인 DEFORM-3D를 이용하여 3차원 성형해석을 수행하였다. 노즐 슬라이드 조인트의 소재인 Nitronic 60 의 유동응력식은 앞서 기술한 Table 1의 것을 사용하였다.
소결 후의 상대밀도는 앞선 2.2절에서 파악한 것과 같고, 정형가공후의 밀도는 각 소결온도에 대해 모따기 펀치각도 60°, 곡률반경 2.5mm의 조건으로 유한요소해석을 통하여 구하였으며, 이론밀도와 비교하여 Table 8에나타내었다.
유한요소해석을 통하여 선정된 조건의 실험검증을 위하여 본 연구에서 제시한 설계변수인 소결온도 1290℃, 모따기 펀치각도 60°, 곡률반경 2.5mm에 대한 면취 및정형 공정의 타당성을 검증하기 위하여, Fig. 11과 같이 금형을 제작 후, 실제품을 제작하여 유한요소해석결과와 비교하였다.
유한요소해석을 통해 얻은 상대밀도와 실제품의 상대 밀도를 비교 검증하고 치수 및 형상도 비교 검증을 하였다.
대상 데이터
과급유량을 조절하는 핵심 부품 중 하나인 슬라이드 조인트는 터보차저에서 노즐 밴(nozzle vane)을 고정시키는 역할을 한다. 가로 및 세로는 8.86 mm이며 높이는 5.6 mm의 성형품을 이용하여 면취 및 정형공정을 마쳐 최종제품의 형상을 가진다.
면취공정과 정형공정 설계를 위해 상용 유한요소해석 S/W인 DEFORM-3D를 이용하여 3차원 성형해석을 수행하였다. 노즐 슬라이드 조인트의 소재인 Nitronic 60 의 유동응력식은 앞서 기술한 Table 1의 것을 사용하였다. 정형공정의 최적 해석 조건을 선정하기 위하여 본 연구에서는 다구찌 법을 활용하였다.
본 연구에서 유한요소해석과 다구찌 법의 직교배열 망소특성의 SN비의 조건을 비교하여 선정한 공정조건으로 가공하면, 차량 터보차저의 노즐 슬라이드 조인트의 절삭공정을 수행하지 않고 정형공정만으로 성형성을 향상시킬 수 있다는 것을 증명하였다. 설계 변수는 소결 온도, 모따기 펀치각도, 곡률반경이며 재질은 스테인리스 강 Nitronic 60이다. 본 연구를 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.
이론/모형
이러한 소결온도, 모따기 펀치각도, 펀치의 곡률반경인 공정변수의 최적 조건을 찾기 위해 다구찌 법을 적용하여 설계변수의 수준 및 직교배열표를 작성하였다. 각 수준(level) 별 선정조건은 노즐 슬라이드 조인트의 재료에 대한 적절한 소결온도와 함께 원하는 모따기 각도를 기준으로 15도의 차이로 나누었으며, 노즐슬라이드 크기를 생각하여 곡률반경을 선정하였다.
노즐 슬라이드 조인트의 소재인 Nitronic 60 의 유동응력식은 앞서 기술한 Table 1의 것을 사용하였다. 정형공정의 최적 해석 조건을 선정하기 위하여 본 연구에서는 다구찌 법을 활용하였다.
2. 다구찌 법의 직교배열표를 각 수준 조합에 따라 작성하였으며, 해석 결과의 형상은 펀치 각도 60°를제외한 모든 조건에서 버(burr)가 발생하였고, 이는 제품 제작 공정상에서 프레스 펀치와 가이드 핀에 수명감소를 유발하기 때문에 가장 좋은 펀치 각도는 60°로 선정하였다.
3. 다구찌 법과 SN비 비교 분석 결과, 해석에 미치는 영향도의 순서로는 모따기 펀치각도, 곡률반경, 소결온도 순이며, 다구찌 법과 SN비의 조건이 불일치 할 경우, 설계변수의 비교분석을 통해 가장 좋은 조건을 선정하였고, 소결온도는 1290℃, 모따기 펀치각도 60°, 곡률반경 2.5 mm가 가장 우수하였다.
4. 유한요소해석으로 펀치 각도에 따른 슬라이드 조인트의 형상변화를 알 수 있었고, 60°R(2.5mm)의 해석 결과가 가장 좋은 정밀도를 가지며, 해석 결과와 실제 제품의 밀도는 99.9% 동일하다는 것을 확인하여 해석의 신뢰성을 확보하였다.
5. 실제 면취 및 정형 공정 해석결과를 실험적으로 검증하기 위해 금형을 제작하고 최종 제품의 단면형 상과 치수를 비교하였고, 잘 일치하였다.
면취공정 후 제품 면취 부위에 홈이 발생한 것을 확인 할 수 있다. Fig. 11은 면취 공정 후 다음 단계인 정형공정의 유한요소해석의 결과로 버와 홈이 발생하지 않았으며, 실험계획법의 SN비를 통해 도출한 공정 조건에 따른 제품 성형성이 가장 좋다는 것을 확인할수 있었다.
Fig. 9의 응력과 정수압을 비교한 결과 SN비로 구한 조건이 상대적으로 9번인 경우보다 응력 및 정수압이 낮아, 제품에 가해지는 영향이 줄어들어 성형성이 향상되어 소결온도 1290℃, 모따기 펀치각도 60°, 곡률반경2.5mm의 조건이 더 좋다는 것을 알 수 있었다.
각 소결온도에 대해 모따기 펀치각도 60°, 곡률반경 2.5mm으로 구한 상대밀도는 99%이상 일치 하였다.
노즐 슬라이드 조인트의 규격을 Table 10에 나타내었고, 유한요소해석의 결과와 최종제품의 치수는 Table 11 에 나타내었고, 해석과 실제품의 치수와 형상을 비교한 결과 잘 일치함을 알 수 있었고, 모든 치수가 규격에 적합하였다.
따라서 절삭 공정을 거치지 않은 정형 공정만으로 노즐 슬라이드 조인트의 성형성을 향상시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 유한요소해석 결과의 밀도 값과 본 연구에서 제안한 소결온도 1290℃, 모따기 펀치각도 60°, 곡률반경 2.5mm으로 제작한 제품과 비교하였고, 해석결과와 실제 제품의 밀도는 99.9% 이상 동일하여 해석의 신뢰성을 확보하였다.
본 연구에서 유한요소해석과 다구찌 법의 직교배열 망소특성의 SN비의 조건을 비교하여 선정한 공정조건으로 가공하면, 차량 터보차저의 노즐 슬라이드 조인트의 절삭공정을 수행하지 않고 정형공정만으로 성형성을 향상시킬 수 있다는 것을 증명하였다. 설계 변수는 소결 온도, 모따기 펀치각도, 곡률반경이며 재질은 스테인리스 강 Nitronic 60이다.
이상의 결과로부터 노즐슬라이드 조인트의 성형성 향상을 위해, 기계적 물성치 평가를 진행하고 실험계획법 적용으로 유한요소해석을 수행하고 실험적으로 검증한 결과 기존의 절삭공정을 삭제 할 수 있음을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
터보차저란 무엇인가
터보차저(turbocharger)는 배기가스로 구동되는 엔진의 과급기를 말하며, 배기 에너지를 배기통로에 마련된 터빈의 회전력으로 변화시켜서 회수하고, 압축기의 흡기 계에 마련된 압축기에 의해 혼합 가스의 충전 효율을 높이고 출력 및 연료비를 향상시킨다.
스테인리스 강의 장점과 단점은 무엇인가
노즐 슬라이드 조인트의 소재는 스테인리스 강으로 높은 내열성과 내식성, 기계적 성질이 좋아 기계부품, 일반생활용품 등 많은 산업에서 사용되고 있으나, 절삭성이 나쁘기 때문에 절삭가공에 의해 복잡한 형상의 제품을 만드는데 어려운 점이 많다. 그러므로 최근에는 치수의 정밀도가 높고 복잡한 형상의 제품을 단시간에 다량 으로 생산할 수 있는 분말야금법이 스테인리스강 제품 생산에 많이 이용되고 있다[2-4].
노즐 슬라이드 조인트의 역할은 무엇인가
1은 스테인리스강인 Nitronic 60 분말 소재로 제작된 노즐 슬라이드 조인트를 나타내었다. 과급유량을 조절하는 핵심 부품 중 하나인 슬라이드 조인트는 터보차저에서 노즐 밴(nozzle vane)을 고정시 키는 역할을 한다. 가로 및 세로는 8.
참고문헌 (14)
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