[논문]사각형 캔 드로잉 다단 공정에서 성형성과 제품형상을 동시에 고려한 초기 블랭크 형상 최적 설계

박상민; 김동규; 홍석무

doi:10.5762/kais.2017.18.3.320

사각형 캔 드로잉 다단 공정에서 성형성과 제품형상을 동시에 고려한 초기 블랭크 형상 최적 설계
Initial Blank Optimization Design of Square Can Multistage Drawing considering Formability and Product Shape 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.3, 2017년, pp.320 - 326

박상민 (국립공주대학교 금형설계공학과) , 김동규 (상신이디피(주) 기술연구소) , 홍석무 (국립공주대학교 금형설계공학과)

초록
AI-Helper

다단 딥드로잉 기술은 제품의 생산성 향상과 비용 절감을 위해 휴대폰 배터리 케이스 제품의 생산 공정으로 많이 사용하고 있다. 휴대폰 배터리 케이스는 용량과 강성을 목적으로 세장비가 큰 사각 컵 형상으로 제조된다. 사각 컵 형상의 다단 딥드로잉은 세장비가 크고, 복잡한 변형 형태 메커니즘으로 인한 제품의 좌우 높이 차이가 발생한다. 이로 인해 제품 조립과 표면 품질에 문제가 발생한다. 본 연구에서는 이러한 문제를 개선하기 위해 제품의 높이 차이가 최소가 되는 블랭크 형상에 대해 연구했다. 제품 좌우 높이 차이가 최소가 되는 블랭크 형상을 찾기 위해 최적 설계와 해석을 수행했다. 타원형 블랭크의 장변과 단변을 설계 변수로 설정하고, 목적 함수는 높이 차이가 최소가 되도록, 제품의 두께 감소율이 목표 범위에 도달하도록 설정했다. 또한 최종 제품 형상의 높이를 구속 조건으로 설정하였다. 그 결과 최적 설계를 통한 초기 블랭크 설계로 높이 차이가 최소가 되었으며, 원하는 공정을 지정하여 높이 차이가 최소화 되도록 수행 가능하다. 향후 개발된 자동화 프로세스로 인해 모든 각형 타입의 초기 소재 설계가 가능할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Multistage deep-drawing technology is used widely in the production of mobile phone battery cases to improve productivity and economy. To ensure adequate capacity and rigidity, such cases are fabricated as a rectangular cup with a high slender ratio. The multistage deep-drawing of a rectangular cup entails a high slender ratio, and the heights of the product sides may be non-uniform because of the complicated deformation mechanisms. This causes problems in product assembly that affects the surface quality of the case. This study examined a blank shape that minimizes the height variations of the product to resolve the aforementioned problems. Optimization design and analysis were performed to identify the shape that yields the least variation. The long and short sides of an oval blank were set as the design variables. The objective function was set to yield the lowest height difference, and the thickness reduction rate of the product was set to the target range. In addition, the height of the final shape was set as a constraint. The height difference was minimized successfully using the optimized design. The design process of the initial blank for all rectangular shapes can be automated in the future.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 Hong 등이 수행한 타원형 다단 딥드로잉 제품의 블랭크 최적 설계에 대한 연구 결과를 바탕으로 사각 컵 케이스 제품의 성형성에 영향을 미치는 초기 블랭크 형상에 대한 다중 목적 함수를 설정하여 최적 설계를 수행하였다. 그리고, 개선된 블랭크를 실제 양산 금형에 적용하여 초기 블랭크와 개선된 블랭크의 성형성을 비교하였다.
현장에서는 경험에 의존하여 Δ/을 조절하여, OP40에서 제품 높이 단차가 최소가 될 때까지 반복 실험을 통해 소재형상을 결정한다. 본 연구에서는 유한 요소 해석과 최적화 설계법을 이용하여 목표 공정인 4공정 이후 제품의 높이가 균일해 지는 최적의 초기블랭크 형상을 제안하고자 한다.

가설 설정

해석에서 진행한 공정은 전체 6공정 중 1~4공정까지 진행하였다. 4공정에서의 좌우 높이 차이가 최소가 된 후 다음 공정을 진행하였을 때 성형성이 향상된다는 가정 하에 4공정 후 높이차이가 최소화되는 것을 목적함수로 선정하였다.
125를 적용하였다. 또한, 블랭크를 제외한 펀치와 다이, 블랭크 홀더 및 가이드 펀치 등은 변형되지 않는다는 가정하에 4절점 강체 쉘(shell) 요소로 정의하였으며, 블랭크는 성형 공정 과정에서의 굽힘 변형과 아이어닝 공정의 효과를 고려하기 위해 8절점 솔리드 요소와 두께 방향으로는 두 개의 층(layer)을 사용하였다. 솔리드 요소로 두 개의 층을 사용하였을 시는 굽힘 변형을 모사하기에 충분하지 않아 일반적으로 세 개 층이상을 사용해야 하지만, 0.

제안 방법

본 논문에서는 Hong 등이 수행한 타원형 다단 딥드로잉 제품의 블랭크 최적 설계에 대한 연구 결과를 바탕으로 사각 컵 케이스 제품의 성형성에 영향을 미치는 초기 블랭크 형상에 대한 다중 목적 함수를 설정하여 최적 설계를 수행하였다. 그리고, 개선된 블랭크를 실제 양산 금형에 적용하여 초기 블랭크와 개선된 블랭크의 성형성을 비교하였다.
본 연구에서 적용된 사각 컵 케이스의 성형 공정은 최종 제품 형상을 구현하기 위해 여러 개의 다이와 펀치를 갖추어 성형하는 다단 딥드로잉 공정 방식으로 성형되며, 드로잉(Drawing), 아이어닝(Ironing) 두 공정이 주를 이루게 된다. 다단 딥드로잉 성형 공정으로 생산되는 사각 컵 케이스의 성형 시 가장 큰 특징은 세장비가 크고, 복잡한 변형 형태 메커니즘으로 인한 제품의 좌우 높이차이가 나타나며, 이 현상으로 인해 제품의 품질이 떨어져 불량품이 발생한다.
이 때 해석에 사용되는 총 요소의 수는 13만 5천개 정도로 과도하게 사용된다. 사전 연구를 통해 2층 요소와 3층 요소의 변형 결과는 차이가 없어서 본 연구에서는 해석 시간을 고려하여 2층 요소를 사용하였다. 2층 요소 최소 요소 크기는 0.
4에 제시한 것과 같이 최적의 블랭크를 설계하기 위한 설계 변수로 타원 형상의 블랭크의 장변을 px, 단변을 py로 설정하였다. 우선, 설계변수 px와 py가 제품의 단차를 최소화하는데 얼마만큼의 영향을 끼치는지 민감도 분석(sensitivity analysis)을 수행하였다. 민감도 분석에서는 설계 변수의 최소, 최대값은 0과 1사이의 값으로 정규화(normalizing)되어 비교되기 때문에 서로 다른 차원의 설계 변수가 목적함수에 끼치는 영향도를 정량적으로 평가가 가능하게 된다[8].
이 때 1공정 당 대략 6시간이 소요되어, 1~6공정의 1 사이클 해석 시 36시간 정도가 소요되었다. 전 단계 드로잉 블랭크의 형상 및 변형 응력, 변형률의 값을 그대로 유지한 채 다음 단계 드로잉에 적용하여 연속해석이 수행되었다. 해석 시간을 단축하기 위해 Fig.
Δh가 최소화 값에 수렴하지 않으면 설계변수를 수정한 뒤, 다시 초기 단계로 돌아가서 Δh값이 최소화될 때까지 자동으로 프로세스를 진행한다. 최적화 해석 및 자동화 프로세스 구현은 상용 최적화 프로그램인 LS-OPT[7]와 LS-PREPOST[8]를 조합해서 구현하였다.
최적화된 블랭크를 이용하여 제품을 생산하였을 때, 해석 결과와 어떠한 차이를 보이는지 확인하기 위해 실제 금형으로 제품 생산을 수행했다. Fig.
최종 목표로 하는 목적 함수를 높이 단차 Δh의 값이 최소화 되도록, 제품의 품질을 위해 두께 감소율(thinning)이 -30% 초과, 25% 미만이 되도록 설정하였다.
펀치 속도는 2m/s, 패드력(pad force)는 98 N으로 적용하였다. 펀치 행정(punch stroke)은 제품의 목표 치수인 33.55 mm에서 소재의 두께 0.55 mm만큼 제외한 33.0 mm로 하였다.

대상 데이터

사전 연구를 통해 2층 요소와 3층 요소의 변형 결과는 차이가 없어서 본 연구에서는 해석 시간을 고려하여 2층 요소를 사용하였다. 2층 요소 최소 요소 크기는 0.3 mm, 9만개의 요소가 사용되었다. Dell precision 1910 컴퓨터를 사용하였으며, 사양은 CPU 3,2GHz, 16 multi-cores이다.
사각 컵 케이스 제품의 소재는 Al 3005이고, 소재 두께는 0.55t이다. Al 3005의 항복응력은 41.
본 연구에서는 다단 딥드로잉 공정으로 성형되는 사각 컵 케이스의 유한 요소 성형 해석을 수행하기 위해 동적 외연적 유한 요소 프로그램인 LS-DYNA[7]를 이용하였다. 해석에서 진행한 공정은 전체 6공정 중 1~4공정까지 진행하였다. 4공정에서의 좌우 높이 차이가 최소가 된 후 다음 공정을 진행하였을 때 성형성이 향상된다는 가정 하에 4공정 후 높이차이가 최소화되는 것을 목적함수로 선정하였다.

데이터처리

오른쪽은 최적화된 블랭크의 해석결과 그림이고, 최적화된 블랭크를 이용하여 제품 생산 결과 장변 단변 높이 차이가 해석 결과와 일치함을 확인하였다. 그리고 Fig.11과 같이 제품의 9개 포인트에서 다이얼 게이지로 두께를 측정하여 해석 결과와 비교하였다. 그 결과 제품의 평균 두께는 0.

이론/모형

본 연구에서는 다단 딥드로잉 공정으로 성형되는 사각 컵 케이스의 유한 요소 성형 해석을 수행하기 위해 동적 외연적 유한 요소 프로그램인 LS-DYNA[7]를 이용하였다. 해석에서 진행한 공정은 전체 6공정 중 1~4공정까지 진행하였다.
33이다. 유한 요소해석에 사용된 소재의 유동응력(flow stress)은 식 (1)의Swift 식이 사용되었다.
전 단계 드로잉 블랭크의 형상 및 변형 응력, 변형률의 값을 그대로 유지한 채 다음 단계 드로잉에 적용하여 연속해석이 수행되었다. 해석 시간을 단축하기 위해 Fig. 3과 같이 1/4 대칭(symmetric) 모델을 적용하였다.

성능/효과

1. 최적 설계를 통한 초기 블랭크 설계로 높이 단 차 Δh 값이 3.38 mm 감소하였다.
2. 본 연구에서 제안한 최적설계 자동화 기법을 적 용한다면, 초기 공정 또는 최종 공정이 아니라 문제가 발생하는 공정을 지정하여 높이 단차 최소화 설계가 가능하다.
11과 같이 제품의 9개 포인트에서 다이얼 게이지로 두께를 측정하여 해석 결과와 비교하였다. 그 결과 제품의 평균 두께는 0.36 mm 이고, 해석 결과의 평균 두께는 0.40 mm로 0.04 mm의 오차 수준을 보여준다.
10은 그 결과를 보여주며, 그림에서 보이는 바와 같이 왼쪽은 최적화 블랭크로 생산한 제품의 그림이다. 오른쪽은 최적화된 블랭크의 해석결과 그림이고, 최적화된 블랭크를 이용하여 제품 생산 결과 장변 단변 높이 차이가 해석 결과와 일치함을 확인하였다. 그리고 Fig.
초기 블랭크의 경우 4공정에서 제품 상단에 두께가 두꺼워지는 것을 볼 수 있다. 초기 블랭크의 두께는 양끝단 귀 부분에서 최대 7%증가하였으나, 이에 비해 최적 설계 결과는 양끝단 부분에서 두께 증가가 최대 3.875%이다. 이런 고른 두께 분포로 인해서 4공정 이후 공정에서 두께 증가로 인한 제품의 파단과 불량품 발생 문제가 생기지 않을 것으로 판단된다.
최적 설계 프로세스는 Fig. 6와 같이 초기 블랭크를 설정하여 최초 공정에서 4공정까지 시뮬레이션을 수행한 후 장변과 단변의 제품 높이 차이 Δh의 값을 확인한다.
최적 설계를 통해 얻어진 블랭크를 4공정까지 진행하였을 때 Δh의 값은 0.429 mm로 높이차가 88% 감소하였다.

후속연구

3. 향후 자동화 프로세스로 인해 모든 각형 타입의 초기 소재 설계가 자동으로 계산 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	휴대폰 배터리 케이스는 어떤 형태로 제조 되는가?	다단 딥드로잉 기술은 제품의 생산성 향상과 비용 절감을 위해 휴대폰 배터리 케이스 제품의 생산 공정으로 많이 사용하고 있다. 휴대폰 배터리 케이스는 용량과 강성을 목적으로 세장비가 큰 사각 컵 형상으로 제조된다. 사각 컵 형상의 다단 딥드로잉은 세장비가 크고, 복잡한 변형 형태 메커니즘으로 인한 제품의 좌우 높이 차이가 발생한다.
	다단 딥드로잉은 어디에 쓰이는가?	다단 딥드로잉 기술은 제품의 생산성 향상과 비용 절감을 위해 휴대폰 배터리 케이스 제품의 생산 공정으로 많이 사용하고 있다. 휴대폰 배터리 케이스는 용량과 강성을 목적으로 세장비가 큰 사각 컵 형상으로 제조된다.
	제품 조립과 표면 품질에 문제가 생기는 이유는 무엇인가?	다단 딥드로잉 기술은 제품의 생산성 향상과 비용 절감을 위해 휴대폰 배터리 케이스 제품의 생산 공정으로 많이 사용하고 있다. 휴대폰 배터리 케이스는 용량과 강성을 목적으로 세장비가 큰 사각 컵 형상으로 제조된다. 사각 컵 형상의 다단 딥드로잉은 세장비가 크고, 복잡한 변형 형태 메커니즘으로 인한 제품의 좌우 높이 차이가 발생한다. 이로 인해 제품 조립과 표면 품질에 문제가 발생한다.

참고문헌 (8)

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원문보기 상세보기
Y. Kim, J. Kim, B. S. Kang, "Analysis of Multi-Stage Deep Drawing Process for Rectangular Container Using Finite Element Method", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. Spring Conf., pp. 1454-1457, 2005.
S. H. Kim, S. H. Kim, H. Huh, "Optimum Tool Design in a Multi-stage Rectangular Cup Drawing and Ironing Process with the Large Aspect Ratio by the Finite Element Analysis", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A., vol. 26, no. 6, pp. 1077-1084, 2002. DOI: https://doi.org/10.3795/KSME-A.2002.26.6.1077

원문보기 상세보기
S. H. Kim, S. H. Kim, H. Huh, "Analysis of Rectangular Cup Drawing Processes with Large Aspect Ratio Using Multi-Stage Finite Element Inverse Analysis", Trans. Mater. Process, vol. 10, no. 5, pp. 389-395, 2001.
D. H. Park, S. B. Park, S. S. Kang, "An Experimental Study on Improvement of Formability for Elliptical Deep Drawing Process", Trans. Mater. Process., vol. 9, no. 2, pp. 120-127, 2000.
S. Lee, S. Park, S. Hong, "Optimization of Initial Blank Shape of Multi-Stage Deep Drawing for Improvement of Formability", J. of the KAIS, vol. 17, no. 10, pp. 696-701, 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.10.696

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LS-DYNA, User's Manual, 2014.
LS-OPT User's Manual, 2014.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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