[논문]다중 회귀 분석을 활용한 Tee-Pipe 버링 공정에서 찢어짐 방지를 위한 피어싱 펀치 형상 최적 설계

이영섭; 김준영; 강정식; 홍석무

doi:10.5228/kstp.2017.26.5.271

Abstract ▼ AI-Helper

A tee is the most common pipefitting used to combine or divide fluid flow. Tees can connect pipes of different diameters or change the direction of a pipe run. To manufacture tee type of stainless steel pipe, combinations of punch piercing and burr forming have been widely used in the industry. Howe...

A tee is the most common pipefitting used to combine or divide fluid flow. Tees can connect pipes of different diameters or change the direction of a pipe run. To manufacture tee type of stainless steel pipe, combinations of punch piercing and burr forming have been widely used in the industry. However, such method is considerably time consuming with regard to performing empirical work necessary to attain process conditions to prevent upper end tearing of the tee product and meet target tee height. Numerous experiments have shown that the piercing profile is the main cause of defects mentioned above. Furthermore, the mold design is formed through trial and error according to pipe diameters and changes in requirements. Thus, the objective of this study was to perform piercing and burring process analysis via finite element analysis using DYNAFORM to resolve problems mentioned above. An optimization design method was used to determine the piercing punch profile. Three radii of the piercing punch (i.e., large, small, and joined radii) were selected as design variables to minimize thinning of a tee pipe. Based on results of correlation and multiple regression analyses, we developed a predictive approximation model to satisfy requirements for both thickness reduction and target height. The new piercing punch profile was then applied to actual tee forming using the developed prediction equation. Model results were found to be in good agreement with experimental results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 이러한 tee-pipe의 상단부 찢어짐을 막기 위해 tee-pipe 성형 공정을 모델링하고, 유한 요소 해석 프로그램인 Dynaform ver. 5.9.2.1을 사용하여 2단계의 피어싱(piercing)-버링(burring) 성형공정 해석을 수행하였다[4]. 피어싱 공정에서 tee-pipe의 두께 감소를 최소화시키기 위하여 피어싱 펀치를 장변 R, 단변 R, 장변과 단변을 연결하는 R을 설계 변수로 설정하고, 실험계획법에 따라 해석적 실험 결과를 기반으로 다중 회귀 분석(multiple regression analysis)을 활용하여 두께 감소와 tee-pipe 상단부 높이를 동시에 만족시키는 최적의 형상을 결정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 tee-pipe 성형공정에서 상단부의 찢어짐 문제 해결을 위해 버링 공정의 유한 요소해석 모델링을 수행하였고, 주요 공정 설계 변수인 장변 R과 단변 R, 장변과 단변을 연결하는 R을 최적 설계 기법을 활용하여 결정하였다. tee-pipe의 최적의 피어싱 형상을 개발하고 그 해석과 실험을 비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1을 사용하여 2단계의 피어싱(piercing)-버링(burring) 성형공정 해석을 수행하였다[4]. 피어싱 공정에서 tee-pipe의 두께 감소를 최소화시키기 위하여 피어싱 펀치를 장변 R, 단변 R, 장변과 단변을 연결하는 R을 설계 변수로 설정하고, 실험계획법에 따라 해석적 실험 결과를 기반으로 다중 회귀 분석(multiple regression analysis)을 활용하여 두께 감소와 tee-pipe 상단부 높이를 동시에 만족시키는 최적의 형상을 결정하였다. 결정된 최적 형상을 기반으로 피어싱 금형 제작을 수행하였고, 해석 결과와 비교 검증을 수행하였다.

대상 데이터

tee-pipe 성형을 위해 해석 s/w Dynaform를 사용하여 4절점 쉘 요소를 사용하였고 메쉬 사이즈는 1mm에 요소 수는 13,389개이다. 소재(blank)는 높은 연신율을 갖는 냉연 강판인 SUS304를 사용된다. 소재의 물성 및 유동응력은 Dynaform에서 제공되는 database를 사용하였으며, Table 1에 나타내었다.

데이터처리

(3) 피어싱 펀치의 long R과 short R, edge R을 설계 변수로 설정하여 완전 요인 설계 법으로 유한 요소 해석을 수행하였다.

이론/모형

tee-pipe 성형을 위해 해석 s/w Dynaform를 사용하여 4절점 쉘 요소를 사용하였고 메쉬 사이즈는 1mm에 요소 수는 13,389개이다. 소재(blank)는 높은 연신율을 갖는 냉연 강판인 SUS304를 사용된다.

성능/효과

(1) tee-pipe 버링 공정에서 찢어짐 문제를 두께 감소 70% 이상으로 정량화하였다.
(2) 유한 요소 해석을 통해 찢어짐 문제를 구현하였고, 버링 시 찢어짐은 피어싱 공정의 펀치 형상이주 영향을 미침을 확인하였다.
(4) 다중회귀분석(multiple regression analysis)을 활용한 예측식을 개발하여 long R : 70.22mm, short R : 38mm, edge R : 10mm인 최적의 피어싱 펀치 형상을 도출하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	tee-pipe 성형의 특징은 무엇인가?	가스 배관의 연결을 위해서는 T형 파이프(tee type pipe)가 필요하다. 정밀부품의 경우 하이드로 포밍 공법으로 제조되지만, 양산라인을 갖출 경우 초기 투자비가 상당히 많이 드는 단점이 있어, 가격이 저렴하고 대량 생산에 적합한 금형을 사용하여 tee-pipe 성형을 진행하였다[2]. tee-pipe 성형은 2공정으로 진행이 된다.
	tee-pipe 성형의 공정은 어떻게 진행되는가?	tee-pipe 성형은 2공정으로 진행이 된다. 1공정은 모서리가 둥근 직사각형 형태로 피어싱을 한 후 2공정에서 구(球)형의 버링 펀치를 위로 밀어 올려 제작하고 있다[3]. 그러나 제품 상단부에서 찢어지는 현상이 발생하거나, 목표 높이를 만족시키지 못하는 문제점이 발생한다(Fig.
	tee-pipe의 두께 감소를 위해 설계 변수는 무엇을 설정해야 하는가?	1을 사용하여 2단계의 피어싱(piercing)-버링(burring) 성형공정 해석을 수행하였다[4]. 피어싱 공정에서 tee-pipe의 두께 감소를 최소화시키기 위하여 피어싱 펀치를 장변 R, 단변 R, 장변과 단변을 연결하는 R을 설계 변수로 설정하고, 실험계획법에 따라 해석적 실험 결과를 기반으로 다중 회귀 분석(multiple regression analysis)을 활용하여 두께 감소와 tee-pipe 상단부 높이를 동시에 만족시키는 최적의 형상을 결정하였다. 결정된 최적 형상을 기반으로 피어싱 금형 제작을 수행하였고, 해석 결과와 비교 검증을 수행하였다.

참고문헌 (8)

Korea Gas Safety Corporation, 2015, Gas Statistics for 2015, http://www.kgs.or.kr/publish/Board.do?methodlist&board_idmain_13.
G. Liu, J. Peng, S. Yuan, B. Teng, K. Li, 2015, Analysis on Critical Conditions of Side Wall Wrinkling for Hydroforming of Thin-walled Tee-joint, Int. J. Mach. Tools Manuf., Vol. 97, pp. 42-49.

상세보기
T. Teramae, K. Manabe, K. Ueno, K. Nakamura. H. Takeda, 2007, Effect of Material Properties on Deformation Behavior in Incremental Tube-burring Process using a Bar Tool, J. Mat. Process. Technol., Vol. 191, No. 1, pp. 24-29.

상세보기
DYNAFORM-PC User's Manual, Version 1.0, 2011, Engineering Technology Associates Inc.
A. Saungsai, Y. Otsuka, Y. Mutoh, 2014, Fretting Fatigue Behavior of SUS304 Stainless Steel Under Pressurized Hot Water, Tribol. Int., Vol. 79, pp. 52-58.

상세보기
E. S. Kim, J. M. Lee, B. M. Kim, 2008, Selection of the Optimum Seaming Condition for Spin Drum Using Statistical Method, Kor. Precis. Eng. Soc., Vol. 25, No. 1, pp. 99-107.
R. H. Myers, 2009, Response Surface Methodology Process and Product Optimization using Designed Experiments, Third Ed., John Wiley & Sons, New Jersey, pp. 13-62.
ATOS, GOM mbH, http://www.gom.com.

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