[논문]조향장치용 요크 자동다단 정밀냉간단조 공정에서 발생하는 스프링백의 수치적 및 실험적 검증

김광민; 김민철; 황태민; 정석환; 정완진; 전만수

doi:10.5228/kstp.2019.28.3.115

[국내논문] 조향장치용 요크 자동다단 정밀냉간단조 공정에서 발생하는 스프링백의 수치적 및 실험적 검증
Numerical and Experimental Study on Spring Back in Automatic Multi-Stage Precision Cold Forging Process of a Steering Yoke 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.28 no.3, 2019년, pp.115 - 122

김광민 ((주)성진포머) , 김민철 ((주)엠에프알씨) , 황태민 ((주)성진포머) , 정석환 ((주)엠에프알씨) , 정완진 (서울과학기술대학교 기계설계금형공학과) , 전만수

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, finite element analysis of an automatic five-stage precision cold forging process of a yoke, a steering part of a passenger's car, is conducted with emphasis on spring back analysis at the yoke-forming stage and its experimental verification is subsequently made. An elastoplastic finite element method with MINI-element technique employed for the analysis of the entire process is explained. There is emphasis that the thin film of material formed between the punch and die in the stage may result to some errors especially in elastoplastic finite element analysis of spring back due to frequent remeshing. The numerical robustness of the spring back analysis in regards to remeshing is hence shown first through investigation into its effect on the predicted spring back. Experimental measurement of displacement due to spring back is carried out for comparison with the predicted results, and they are in a qualitative agreement with each other.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1 One-piece tube yoke to be studied
그림 Fig. 2 Flow stress of the material
그림 Fig. 3 Predictions of the entire process (Left of Fig. 3(f):before unloading, Right: after unloading)
그림 Fig. 4 Elastoplastic finite element predictions of unloading of a punch
표 Table 1 Spring backs of different mesh systems
그림 Fig. 5 Measurement of the distance between the measurement points of punch
그림 Fig. 6 Measurement of the distance between two corresponding measurement points of the material to those of the die
표 Table 2 Measured distance (mm) between the measurement points of the punch
표 Table 3 Measured distance (mm) between two measurement points of the material

AI 본문요약
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문제 정의

냉간단조 공정 중에서 스프링백 양이 비교적 크고, 그것이 품질에 미치는 영향이 큰 부품 중의 하나가 요크이다. 이 연구에서는 사면체 MINI-요소[17]와 기존 연구[4, 18]를 바탕으로 일체형 중공 요크의 자동다단 냉간단조공정 중에 발생하는 스프링백에 관한 해석적 및 실험적 연구를 실시한다.
1은 이 연구에서 해석 대상으로 하는 일체형 튜브요크를 나타내고 있다. 이 제품은 600톤의 압조력을 가진 6단 공정의 자동다단 냉간단조기를 사용하여 생산하는 것을 목표로 한 것이다. 이 연구는 5단에서 발생하는 스프링백에 연구의 초점이 맞추어져 있으며 전체 공정의 해석결과를 제시한다.
특히 제5단의 요크 성형 과정에서 발생하는 과도한 탄성 회복이 불량을 초래하거나 추가적인 후가공을 필요로 한다. 따라서 이 연구의 초점은 제5단에서의 스프링백의 양을 예측하여 그 결과를 금형설계 시에 반영하는 것에 있다.
해석결과의 타당성을 검증하기 위하여 실험을 실시하였다. Fig.
이 논문에서는 자동차의 조향장치 부품인 일체형 요크의 자동다단 냉간단조 공정 중에서 중요시되는 요크성형 공정의 스프링백에 관한 실험적 및 해석적 연구를 통하여 체적소성가공 공정에서 스프링백 해석결과의 실용적 활용 방법을 제시하였다.

가설 설정

03으로 결정하였다. 금형은 강체로 가정하였다.

제안 방법

대변형이 수반된 변형은 대회전 및 대변형률을 적절하게 고려해야 한다. 이를 위하여 매해석스텝에서 변형구배텐서(deformation gradient tensor) 𝐅를 구한 뒤, 이것에 극분해(polar decomposition) 를적용하여 회전텐서(rotation tensor) 𝐑와 우신장텐서(right stretch tensor) 𝐔를 다음 식으로부터 구한다.
먼저 사면체요소 수에 따른 결과의 신뢰성을 평가할 목적으로 10만개의 기준요소의 수에서 ±1% 및 0.5%만큼 벗어난 요소 수의 사면체요소망을 사용하여 스프링백 양을 예측하여 그 결과를 Table 1에서 비교하였다.
이러한 버의 발생은 잦은 요소 망재구성을 발생시키며 해석의 신뢰도를 다소 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 공정 해석을 희망요소수의 기준치인 100,000개의 1% 이내에서 변화시켜서 5차례에 걸쳐 실시하였다. Fig.
해석결과의 타당성을 검증하기 위하여 실험을 실시하였다. Fig. 5에서 보는 바와 같이, 단조를 실시하기 이전에 측점 점에서 펀치의 치수를 마이크로미터(해상도 0.001mm)로 5회 반복하여 측정하였다. 그 결과, Table 2에서 보는 바와 같이 31.
단조 중 충분한 윤활유의 공급이 이루어졌고, 소재는 윤활피막제로 코팅된 것을 사용하였다. 30개의 시편을 선택하여 세척한 후, 내폭 측정용 버니어캘리퍼스(해상도 0.01mm)를 이용하여 시편의 측점 점 간의 거리를 측정하였다. Table 3에서 보는 바와 같이 측정치는 30.

대상 데이터

소재는 합금강인 SCM415H이며, 유동응력은 인장 시험에 기반을 둔 유동응력 획득 기법[23]을 이용하여 획득되었다. 변형률 1.
단조 실험은 600 톤, 40 spm의 자동다단 냉간단조기를 사용하여 실시되었다. 단조 중 충분한 윤활유의 공급이 이루어졌고, 소재는 윤활피막제로 코팅된 것을 사용하였다.

이론/모형

해석스텝 (𝑛)에서 해석스텝 (𝑛 + 1)까지의 응력증분 ∆𝛔 = [∆𝜎_𝑥𝑥, ∆𝜎_𝑦𝑦, ∆𝜎_𝑧𝑧, ∆𝜎_𝑥𝑦, ∆𝜎_𝑦𝑧, ∆𝜎_𝑧𝑥]^𝑇의 계산은 식(2)의 변형률증분 ∆𝜀_𝑖𝑗 또는 ∆𝛆 = [∆𝜀_𝑥𝑥, ∆𝜀_𝑦𝑦, ∆𝜀_𝑧𝑧, ∆𝜀_𝑥𝑦, ∆𝜀_𝑦𝑧, ∆𝜀_𝑧𝑥]^𝑇을 사용하여 반경방향 복귀법(radial return method, [19])에 의하여 수행되며, 관계식은 다음과 같다.
식 (3)에서 해를 구하기 위한 반복계산 과정에서의 수렴성 향상을 위하여 탄소성 일관접선강성(elastoplastic consistent tangent stiffness) 𝐂^𝑒𝑝[20]을 사용하였다. 탄소성일관접선강성과 응력증분 ∆𝛔를 구하는 과정은 항복이론의 종류 및 ∆𝛆^𝑃를 구하는 방법에 따라 달라지며, 본 연구에서는 von Mises 항복이론을 사용하였다.
마찰법칙으로 쿨롱마찰 법칙을 사용하였으며, 마찰계수는 자동다단 냉간단 조의 특성상 윤활유 분위기에서 작업되는 점을 감안하여 경험적으로 μ = 0.03으로 결정하였다.
소성가공 공정에서는 여러 가지 비선형성으로 인해 식 (12)를 만족시키는 해를 Newton-Raphson법을 적용하여 구한다.

성능/효과

대칭성을 고려하여 소재의 1/4만을 해석영역으로 간주하였다. 해석 과정에서 요소망재구성은 불가피하며, 요소망재구성 중에서 사면체요소의 수가 10만개 내외가 되도록 통제하였다. 먼저 사면체요소 수에 따른 결과의 신뢰성을 평가할 목적으로 10만개의 기준요소의 수에서 ±1% 및 0.
따라서 평균값을 기준으로 판단할 때, 최대 오차는 5% 이내의 값이다. 따라서 비록 매우 얇은 버 또는 단조덧살의 발생으로 인하여 잦은 요소망재구성이 발생하지만, 그 결과는 비교적 안정적이라고 할 수 있다.
4(c)는 펀치의 언로딩 과정 중 발생한 스프링백의 해석 결과를 나타내고 있다. 최종적으로는 약 0.61mm의 스프링백 양이 예측되었다.
해석결과로 얻어진 측정 점에서의 스프링백 양은 0.62mm이고, 실험적으로 획득한 스프링 백 양은 0.71mm이다. 이 수치는 비교적 근접하고 있지만, 이 비교 결과가 정량적인 의미를 가졌다고 보기에는 다소 무리가 따른다.
이러한 특징을 가진 예제를 대상으로 제시된 탄소성 유한요소법의 안정성 및 결과의 견고함이 입증되었다. 그리고 실험결과와 해석결과의 비교를 통하여 예측결과가 정성적 및 공학적 의미를 지닌 것으로 밝혀졌다. 비교 결과로부터 비록 정량적으로 비교할만한 수치를 얻었지만, 현재로써는 정성적 의미를 부여할 수 있는 결과라고 사료된다.

후속연구

왜냐하면, 금형의 탄성변형을 고려하지 않았고, 취출 공정 및 열변형[12]을 고려하지 않았기 때문이다. 이러한 세부 공정의 해석은 현재 기술적인 문제가 존재하고, 열적 정보 들에 관한 추가적인 연구가 필요하기 때문에 현장에서 유의미한 결과를 얻는데는 다소의 시간이 소요될 전망이다. 다만, 취출 과정에서 발생할 것으로 예상되는 스프링백의 감소량은 온도에 따른 스프링백의 증가량을 상세할 것으로 판단되므로 예측치의 변화는 크지 않을 것으로 판단된다.
가령, 요크 부의 경사각이 스프링백에 미치는 영향을 분석하는 목적으로 사용되기에는 충분하다. 스프링백으로 공정설계가 실패하였다면, 해석결과에서 발생한 스프링백의 양을 상대치로부터 설계의 개선 방안을 얻을 수가 있다. 실제 이 연구에서 사용한 공정은 스프링백으로 인하여 선행연구에서 실패한 공정[4]에 대하여 동일한 방식으로 실시한 스프링백 예측 결과로부터 획득된 개선 방안으로부터 추가적인 공정실패 없이 스프링백을 고려한 공정설계에 성공한 경우이다.
그리고 추후의 금형변형 및 열변형의 고려를 통하여 정량적 의미를 부여할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단조 기술 발전의 흐름은 무엇인가?	단조 기술 발전의 한 흐름은 자동화와 고정밀화이다. 이러한 흐름에 부합하는 단조 공법으로 자동다단 정밀냉간단조(automatic multi-stage precision cold forging process)를 들 수 있다.
	자동다단 냉간단조의 발전과정은?	이러한 흐름에 부합하는 단조 공법으로 자동다단 정밀냉간단조(automatic multi-stage precision cold forging process)를 들 수 있다. 자동다단 냉간단조는 볼트로 대표되는 체결부품의 대량생산 목적으로 사용되다 점진적으로 기계부품 및 자동차부품의 고부가부품 제조 공법으로 발전해 왔다.
	스프링백에 관한 예측 기법이 판재 성형에 적용되어온 이유는?	스프링백에 관한 예측 기법은 주로 판재 성형에 적용되어 왔다[7],[8],[9],[10],[11]. 그 이유는 판재는 대부분 제품 그 자체가 제품의 형상을 결정하는 역할을 하기 때문이다.

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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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