[논문]유한요소해석을 이용한 브레이크 챔버 헤드 판재 성형에 관한 연구

이상익; 최동환; 이진우; 이정환

doi:10.5228/kstp.2017.26.2.79

유한요소해석을 이용한 브레이크 챔버 헤드 판재 성형에 관한 연구
Study on the Sheet Metal Forming of the Brake Chamber Head using the Finite Element Analysis 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.26 no.2, 2017년, pp.79 - 86

이상익 (재료연구소 실용화연구단) , 최동환 (재료연구소 실용화연구단) , 이진우 (재료연구소 실용화연구단) , 이정환

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the sheet metal forming process of the brake chamber head, which had a complex shape compared to the conventional head part, was investigated using finite element (FE) analysis. In order to prevent the forming failures such as necking and fracture, the multi-stage forming process was introduced. The forming process consisted of three steps: (1) first drawing, (2) second drawing, (3) final forming. Experimental and FE simulated results of the brake chamber head were compared, and the results showed that the required characteristics of the straightness and the wall thickness at each location were satisfied.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

각 포인트에 대한 두께 및 직진도 치수는 요구특성을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 요구특성 만족으로 제안 된 공정을 이용하여 성형 및 제품 적용 가능성을 확인하였다.
상부 펀치가 헤드를 성형하게 되면 펀치링(punch ring)은 제품의 직진도를 균일하게 성형이 된다. 또한 헤드의 높이가 높기 때문에 금형과 소재간의 마찰이 많이 발생할 것으로 판단되어 마찰을 최소화할 수 있는 TD(toyota diffusion coating process) 표면처리를 금형제작 시 수행하고자 한다. TD 표면처리는 950~1,050°C 의 바나듐 성분의 염욕에서 제품에 있는 탄소 성분과 확산결합시켜 바나듐, 카본 층을 형성하는 공법으로 마찰력감소, 고경도, 내소착성을 높여주는 열처리 공법이다.
본 논문은 에어 브레이크 챔버의 헤드 제작을 위해 유한요소해석으로 성형 가능성 및 공정을 제안하고자 한다. 유한요소해석 결과를 바탕으로 냉간 판재성형에 적용하여 요구특성과 비교분석으로 적용가능성을 확인하고자 한다.
본 논문은 에어 브레이크 챔버의 헤드 제작을 위해 유한요소해석으로 성형 가능성 및 공정을 제안하고자 한다. 유한요소해석 결과를 바탕으로 냉간 판재성형에 적용하여 요구특성과 비교분석으로 적용가능성을 확인하고자 한다.

제안 방법

(2) 유한요소해석 결과를 바탕으로 헤드부 성형을 위한 금형을 선정하고 각 공정에 대한 금형설계 및 제작으로 브레이크 헤드 성형 후 요구특성과 비교분석하였다. 각 포인트에 대한 두께 및 직진도 치수는 요구특성을 만족하는 것으로 나타났다.
공정 설계 및 유한요소해석 결과를 바탕으로 300ton 유압프레스를 선정하여 냉간성형을 수행하였다. Fig.
Table 1은 a와 b 부위에 대한 금형 사이즈를 나타내고 있다. 공정 설계로 유한요소해석을 수행하였다. Table 2 은 유한요소해석 조건을 나타내고 있다.
최종적으로 두께치수는 만족하지만 조립을 위한 간섭이 중요하기 때문에 브레이크 헤드의 직진도를 측정하게 된다. 따라서 각 위치 별 내경 10 구간을 선정하여 직진도 치수를 측정 하였다(Fig. 16). Table 7은 브레이크 헤드의 내경을 측정한 결과를 나타내고 있다.
변경된 형상의 브레이크 헤드를 SPCC 강판을 적용하여 성형 가능성과 요구특성을 비교분석하기 위해 공정설계 및 유한요소해석을 수행하고자 한다. 먼저 유한요소해석을 위해 두께가 3mm인 SPCC 강판을 이용하여 상온 인장시험을 실시 하였다. Fig.
변경된 형상의 브레이크 헤드를 SPCC 강판을 적용하여 성형 가능성과 요구특성을 비교분석하기 위해 공정설계 및 유한요소해석을 수행하고자 한다. 먼저 유한요소해석을 위해 두께가 3mm인 SPCC 강판을 이용하여 상온 인장시험을 실시 하였다.
본 연구에서는 상용 자동차용 브레이크 챔버의 케이스 역할을 하는 헤드를 단순한 냉간 판재성형으로 제작되고 있는 형상에서 연비향상 및 경량화를 위해 변경 된 형상으로 냉간 판재성형을 수행하였다. 유한요소해석으로 성형하중을 예측하여 성형프레스를 선정하고 성형결함과 요구특성 비교로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
11은 브레이크 챔버 헤드 성형을 위한 금형을 나타내고 있다. 브레이크 헤드 성형을 위한 공정설계 및 유한요소해석 결과를 바탕으로 금형설계 및 제작을 하였으며, 금형과 소재간의 마찰 감소를 위해 금형에 TD 표면처리를 실시하여 냉간 판재성형을 수행 하였다. 소재 사이즈는 Ø372×t3mm로 가공하고 펀치속도 100mm/sec 인 300 ton 유압프레스를 이용하였다(Fig.
브레이크 헤드 성형을 위해 각 공정 별 형상설계를 수행하였다(Fig. 6). 브레이크 헤드는 높이가 높고 상부 형상이 복잡하기 때문에 성형 시 발생하는 성형결함, 성형하중, 금형수명 등을 고려하여 3 공정으로 나누어 설계 하였다.
6). 브레이크 헤드는 높이가 높고 상부 형상이 복잡하기 때문에 성형 시 발생하는 성형결함, 성형하중, 금형수명 등을 고려하여 3 공정으로 나누어 설계 하였다. Fig.
유한요소해석 결과와 성형품의 외관 형상은 성형결함 없이 각 공정에 따라 성형해석 결과와 유사하게 일치하는 것을 확인할 수 있다. 요구특성과 비교 분석하기 위해 유한요소해석 결과와 성형품에 대한 치수를 각 공정에 따라 위치 별 두께 측정을 실시하였다. Fig.
본 연구에서는 상용 자동차용 브레이크 챔버의 케이스 역할을 하는 헤드를 단순한 냉간 판재성형으로 제작되고 있는 형상에서 연비향상 및 경량화를 위해 변경 된 형상으로 냉간 판재성형을 수행하였다. 유한요소해석으로 성형하중을 예측하여 성형프레스를 선정하고 성형결함과 요구특성 비교로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
7(b)는 드로잉(drawing) 공정을 나타내고 있다. 헤드는 일반적인 성형공정으로 제작 할 경우 성형 시 국부적인 네킹으로 성형결함이 발생할 가능성이 높을 것으로 예측되어 성형결함 방지를 위해 드로잉을 수행하는 1공정과 2 공정은 성형하는 방향의 반대방향에서 다이링(die ring)에 하중을 부과하여 급격한 소성변형을 받지 않도록 금형설계를 수행하였다. Fig 7(c)는 헤드부 성형공정을 나타내고 있다.

대상 데이터

실제 성형을 위해 case 2 선정하였다. 각 부위의 두께치수가 case 2가 case 3 보다 5 부위가 두꺼운 결과로 두 개의 case 중 case 2 금형을 선정하였다. Fig.
유한 요소해석에 사용된 소프트웨어는 DEFORM-2D를 이용하였으며, 해석 시간과 성형품에 대한 대칭인 점을 고려하여 1/2 형상으로 성형해석을 수행하였다. 성형해석 물성은 상온 인장시험을 통해 획득한 결과를 사용하였고 TD 표면처리가 된 금형의 전단 마찰계수를 적용하여 기존 냉간 성형 보다 낮은 전단 마찰계수값인 0.05을 적용하였다. 헤드는 냉간 성형이기 때문에 성형온도와 소재온도 값은 상온으로 적용 하였고 소재사이즈는 직경 372mm 높이 3mm 를 갖는 판재를 이용하였다.
소재 사이즈는 Ø372×t3mm로 가공하고 펀치속도 100mm/sec 인 300 ton 유압프레스를 이용하였다(Fig. 10).
05을 적용하였다. 헤드는 냉간 성형이기 때문에 성형온도와 소재온도 값은 상온으로 적용 하였고 소재사이즈는 직경 372mm 높이 3mm 를 갖는 판재를 이용하였다. 쿠션압은 1차, 2차 드로잉에서 각각 0.

데이터처리

Table 2 은 유한요소해석 조건을 나타내고 있다. 유한 요소해석에 사용된 소프트웨어는 DEFORM-2D를 이용하였으며, 해석 시간과 성형품에 대한 대칭인 점을 고려하여 1/2 형상으로 성형해석을 수행하였다. 성형해석 물성은 상온 인장시험을 통해 획득한 결과를 사용하였고 TD 표면처리가 된 금형의 전단 마찰계수를 적용하여 기존 냉간 성형 보다 낮은 전단 마찰계수값인 0.

성능/효과

(1) 변경 된 형상에 대한 브레이크 챔버 헤드를 냉간 판재성형을 위해 3단계 공정 3가지 금형형상제안으로 유한요소해석을 수행한 결과로 성형결함, 성형하중 등을 고려하여 성형공정 안을 도출할 수 있었다.
(a)는 1차 드로잉 공정의 성형해석 결과이며, 직경 372mm, 높이 3mm(Ø372t3)의 원형 판재를 드로잉 하기 위해 펀치(punch)의 스트로크(stroke)를 약 132mm까지 성형 하였을 때 성형하중은 61.5tons로 예측 되었다.
5 은 상온 인장시험 결과를 나타내고 있다. SPCC 강판의 상온 인장시험 결과는 최대 인장강도 288MPa, 항복강도는 185MPa, 연신율 57%로 나타났다.
(2) 유한요소해석 결과를 바탕으로 헤드부 성형을 위한 금형을 선정하고 각 공정에 대한 금형설계 및 제작으로 브레이크 헤드 성형 후 요구특성과 비교분석하였다. 각 포인트에 대한 두께 및 직진도 치수는 요구특성을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 요구특성 만족으로 제안 된 공정을 이용하여 성형 및 제품 적용 가능성을 확인하였다.
7mm 보다 모두 두꺼운 결과를 나타내었다. 따라서 최종 제품에 대한 각 부위 별 두께는 요구특성 보다 모두 두꺼운 결과로 적용 가능성을 확인 할 수 있다. 또한 각 포인트에 대한 유한요소해석 결과와 성형품의 두께 차이가 가장 크게 나타나는 부위 c-1과 c-2 포인트에서 +0.
따라서 최종 제품에 대한 각 부위 별 두께는 요구특성 보다 모두 두꺼운 결과로 적용 가능성을 확인 할 수 있다. 또한 각 포인트에 대한 유한요소해석 결과와 성형품의 두께 차이가 가장 크게 나타나는 부위 c-1과 c-2 포인트에서 +0.24mm, -0.32mm 두께 차이를 나타내지만 다른 포인트에 대한 두께 치수는 약 5% 이내 오차로 유한요소해석과 성형품에 대한 두께 치수는 유사한 것을 알 수 있다. 최종적으로 두께치수는 만족하지만 조립을 위한 간섭이 중요하기 때문에 브레이크 헤드의 직진도를 측정하게 된다.
10은 각 공정에 대한 성형하중을 나타내고 있다. 성형시 최대 하중은 포밍 공정에서 130tons로 나타나 성형하중을 감안하여 200tons 프레스에서 성형이 가능할 것으로 예측되었다.
성형공정은 헤드의 상부 형상을 성형하는 공정이다. 성형해석 결과 펀치 스트로크를 약 55.5mm까지 성형하였을 때 성형하중은 130tons으로 나타났으며 성형결함 없이 성형할 수 있었다. Table 3은 각 금형 별 성형해석 결과의 두께 치수를 나타내고 있다.
12은 유한요소해석 결과와 냉간성형품에 대한 형상 비교를 나타내고 있다. 유한요소해석 결과와 성형품의 외관 형상은 성형결함 없이 각 공정에 따라 성형해석 결과와 유사하게 일치하는 것을 확인할 수 있다. 요구특성과 비교 분석하기 위해 유한요소해석 결과와 성형품에 대한 치수를 각 공정에 따라 위치 별 두께 측정을 실시하였다.
15는 최종공정에 대한 소성변형을 많이 받는 부위와 성형품의 요구특성과 동일한 위치에서 두께 치수 측정하였다(Table 6). 치수 측정 결과 a와 b 포인트는 요구특성 최소 두께 2.5mm 보다 0.1mm 두꺼운 결과로 요구특성을 만족하는 것을 알 수 있으며 2 공정 보다 0.1mm 감소하였다. 가장 중요한 c-1 ~ c-5 포인트는 요구특성 1.
1 공정과 2 공정은 일반적인 딥드로잉 공정으로 높은 소성변형을 받지 않기 때문에 각 부위에 대한 두께 변화는 크게 차이가 없는 것을 알 수 있다(Table 4, 5). 하지만 포인트 d 부분에서 다이링의 반대방향에서 가해주는 압력에 의해 성형품의 끝단부에 증육이 되는 것을 알 수 있으며, 유한요소해석과 실제 성형에서 동일하게 나타났다. Fig.
Table 7은 브레이크 헤드의 내경을 측정한 결과를 나타내고 있다. 헤드의 내경 측정 결과는 최대 직경 164.78mm로 나타나고 최소 직경 164.66mm으로 요구특성 164.5mm 이상 결과로 내경의 직진도는 모두 만족하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	브레이크 챔버의 헤드의 역할은 무엇인가?	3). 브레이크 챔버의 헤드는 내부에 조립되는 파워 스프링(power spring), 스프링 가이드(spring guide) 등 부품을 보호하는 케이스 역할과 내부에 작용하는 높은 공기 내압을 견딜 수 있어야 한다. 하지만 헤드의 상부 형상이 복잡해 짐에 따라 판재 성형 시 국부 소성변형으로 네킹이 발생하게 되며 두께가 얇아 짐에 따라 내부에서 발생하는 압축공기의 내압을 견디지 못해 터짐이 발생할 가능성이 있다.
	냉간 판재성형을 할 때, 컵 드로잉 공정에서 나타날 수 있는 단점은?	일반적인 냉간 판재성형은 복잡한 형상이 없는 V-벤딩, U-벤딩, 원형 및 사각 컵 드로잉 등 공정으로 성형하는 방법과 연구는 많이 진행되고 있다. 하지만 깊은 컵 형상을 드로잉 시 국부적인 네킹(necking)으로 터짐이나 표면에 오렌지 필(orange peel) 현상이 발생할 수 있는 단점이 있다[3~7]. 현재 제작되고 있는 브레이크 헤드는 깊은 원형컵 형상으로 딥드로잉 성형이 가능하였으나 최근에는 차량의 연비 향상 및 부품의 경량화를 위한 형상 변경으로 상부 형상이 복잡해져 새로운 공정 설계 요구되고 있다.
	에어 브레이크 챔버의 장점은 무엇인가?	상용차는 주정차 시 감속 및 정지 시키기 위해 에어 브레이크 챔버(air brake chamber)를 이용하게 된다. 에어 브레이크 챔버는 높은 공기압을 이용한 강한 제동력과 고열로 제동력을 상실하는 베이퍼 록(vapor look)현상이 발생하지 않는 장점을 갖고 있어 대형 상용차, 버스 등에 적용되고 있다. 에어 브레이크 챔버는 챔버 내에 유입되는 공기를 이용하여 강한 제동력을 발생시키는 기능하게 된다[1, 2].

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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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