[논문]DEFORM을이용한 로터리 스웨이징 공정의 시뮬레이션에 대한 연구

임동재; 정원지; 설상석; 김대영; 최경신; 차태형

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.6.106

DEFORM을이용한 로터리 스웨이징 공정의 시뮬레이션에 대한 연구
A Study on Rotary Swaging Process Simulation using DEFORM 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.6, 2019년, pp.106 - 112

임동재 (창원대학교) , 정원지 (창원대학교) , 설상석 (창원대학교) , 김대영 (창원대학교) , 최경신 (창원대학교) , 차태형 (창원대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Rotary swaging is a method of forging automotive drive shafts. In this paper, we propose a new two-hammer forging technique by applying the problem-solving approach TRIZ to improve the efficiency and productivity of the rotary swaging automation process. We will simplify the materials and hammers via the 3D modeling tool SolidWorks for high accuracy of a comparative analysis of existing and proposed methods under the same boundary conditions. In addition, we will compare the stress trends of the proposed model using ANSYS Workbench and verify the feasibility through a comparison of the simulation results using DEFORM. Relative to the existing method, the proposed method can decrease production costs and improve efficiency of the automation process by reducing the power source.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 로터리 스웨이징 장비의 개발에 있어서 장비의 효율을 높이는 방안에 대한 연구를 진행하였다. 트리즈 기법을 이용하여 로타리 스웨이징 장비의 구성요소에 대한 초점을 맞춰 효율성 개선 방안을 연구하였다.
본 연구에서는 6SC(6단계 창의성 이론)를 적용한 실용 TRIZ 기법을 이용하여 자동차 드라이브 샤프트의 가공 공정인 타발식 로터리스웨이징 공정에서의 효율 개선 방안을 도출할 것이다. 그 후 SolidWorks^Ⓡ를 이용한 소재 및 장비의 모델링을 기반으로, 구조해석 Tool을 이용한 응력경향의 비교와, 소성해석 Tool을 이용한 단조 시뮬레이션을 통해 기존의 방법과 제안된 방법을 비교하며 개선된 안의 기술성을 검증할 것이다.
7은 로터리 스웨이징 시스템의 핵심 요소인 Forming Hammer, Feeding Device와 공정 효율의 요소-상호작용에 대한 그림이다. 제품의 생산 효율에 영향을 미치는 각 요소의 변수들을 그림에 나열하였고, 본 논문의 목표인 로터리 스웨이징 장비 자동화 공정 효율 향상에 영향을 주는 변수로 Forming Hammer의 수와 Feeding Device의 소재 회전 각도 등이 있는 것으로 분석되었다.

가설 설정

(1) 단조에 이용하는 해머의 수는 3개로 유지한다. 하지만 3개의 해머 중 하부에 위치한 1개의 해머를 고정시키고, 상부 2개의 해머로 타격하는 경우에도 제품의 품질에 변화가 없다면 필요한 동력원의 개수를 줄일 수 있다.
Fig. 6의 시스템 분석으로 살펴보았을 때 공정의 생산성과 효율성을 높일 수 있는 이상해결책을 아래의 2가지로 가정해 보았다.

제안 방법

성형의 준비과정으로 Material feeding device가 소재를 장비의 중심에 위치시킨다. 그 후 3개로 구성된 Forming Hammer가 소재의 축 중심방향으로 동시에 일정한 타격을 실시한다. 이에 맞춰 Material feeding device가 일정한 각도의 회전과 일정한 투입 속도로 소재를 밀어 넣음으로써 소재의 모든 면이 점진적으로 성형되게 된다.
8에 나타내었다. 도출된 방안에 대해 검증하기 위하여, 먼저 3개의 해머가 직선왕복운동을 하며 소재를 타격하는 기존의 성형 방식에 대한 해석을 진행하였다. 해석에 적용된 변수들을 Table.
비교분석에 앞서서, 해석 시간과 정확도를 늘리기 위해 간략하게 해머와 튜브를 모델링 하였다. 구조해석 Tool인 ANSYS^Ⓡ를 이용하여 응력의 경향을 비교하였고, 타격점 기준 10MPa 이내의 응력 차이가 있었다.
그에 따라 해머의 직선 왕복타격운동을 위한 동력원의 개수가 늘어나 생산원가 역시 늘어나게 된다. 이러한 모순을 해결하기 위해 소재의 타격면적과 직결되는 해머의 수는 3개로 유지하여 제품의 생산속도는 유지하되, 하나의 해머는 고정시키므로서 동력원의 개수를 줄여 생산원가를 줄이는 방안을 제안하였다.
5mm를 만족하였다. 이를 통해 1개의 동력원을 줄이는, 즉 자동화 공정의 생산원가를 줄여 장비의 효율을 높이는 방안을 검증하였다.
본 논문에서는 로터리 스웨이징 장비의 개발에 있어서 장비의 효율을 높이는 방안에 대한 연구를 진행하였다. 트리즈 기법을 이용하여 로타리 스웨이징 장비의 구성요소에 대한 초점을 맞춰 효율성 개선 방안을 연구하였다. 해머의 개수가 늘어나면 한번에 성형하는 면적이 넓어서, 성형에 필요한 시간이 줄어든다.
구조해석 Tool인 ANSYS^Ⓡ를 이용하여 응력의 경향을 비교하였고, 타격점 기준 10MPa 이내의 응력 차이가 있었다. 해석 정밀도를 검증하기 위하여 소성 전용 프로그램인 Deform을 이용한 해석을 수행하고 결과를 비교하고자 하였다. 결과로 보여졌듯이, 단면상의 8개 지점 지름 측정결과, 3-hammer 방식은 평균 26.

대상 데이터

6에 로터리 스웨이징 공정의 시스템을 나타내었다. Forming Hammer와 Feeding Device, Bed, Motor를 기술시스템으로 설정하였고, 목표대상을 가공 대상인 Tube로 설정하였다.
해머의 타격방식으로는 캠을 이용한 방식, 유압을 이용한 방식, 볼스크류를 이용한 방식 등 다양한 방식이 존재한다. 본 연구에 사용된 모델은 제품의 품질과 직결되는 진원도를 보장하기 위해 여러 방향의 정밀한 동시타격에 유리한 볼스크류 방식의 해머 타격방식의 모델이다.^[5]

데이터처리

를 활용한 해석은 순차적인 동작에 대한 동적인 분석 진행 시 해석 시간이 매우 오래 걸릴 뿐만 아니라, 값의 수렴이 어려워 소성변형에 대한 정확한 값을 기대하기 어렵다. 본 장에서는 소성해석 전용 Tool인 DEFORM^Ⓡ을 이용하여 기존의 3-Hammer 방식과 제안하는 2-Hammer 방식의 해석을 진행 하여 비교하였다. 해석에 사용한 변수는 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

5mm를 만족한다. 2-Hammer 방식과 3-Hammer 방식의 결과값 모두 목표를 만족하며, 큰 차이가 없으므로 2-Hammer 방식의 적용가능성을 확인하였다.
^[8] 기술적 모순은 서로 다른 Parameter들이 충돌하는 것인 반면 물리적 모순은 어떤 하나의 기술적인 변수가 서로 다른 값을 가져야 하는 경우이다.^[6] 로터리 스웨이징 시스템에서는 성형해머의 수가 많아야 한번에 가공하는 면적이 넓기 때문에 샤프트 성형 공정의 시간이 줄어들어 생산성이 향상 되는 반면, 그와 동시에 성형에 사용되는 해머의 수가 많으면 해머를 움직이는데 필요한 동력원의 개수가 많아져 성형 공정에 들어가는 생산원가가 늘어나게 되는 기술적 모순이 발생하게 된다.
해석 정밀도를 검증하기 위하여 소성 전용 프로그램인 Deform을 이용한 해석을 수행하고 결과를 비교하고자 하였다. 결과로 보여졌듯이, 단면상의 8개 지점 지름 측정결과, 3-hammer 방식은 평균 26.96mm, 2-hammer 방식은 평균 27.27mm가 측정되었다. 이는 목표 값인 28mm±1.
단면상의 지름 8개 포인트 측정결과 3-Hammer 방식의 평균값은 26.96mm, 2-Hammer 방식의 평균값은 27.27mm로 목표 값인 28mm±1.5mm를 만족한다.
시스템 기능분석은 기술시스템 및 목표대상, 환경요소로 구성되어 있다. 모든 기술시스템은 사각형으로, 목표대상은 둥근형, 환경요소는 육각형으로 표현된다.^[7] Fig.

후속연구

본 연구에서는 6SC(6단계 창의성 이론)를 적용한 실용 TRIZ 기법을 이용하여 자동차 드라이브 샤프트의 가공 공정인 타발식 로터리스웨이징 공정에서의 효율 개선 방안을 도출할 것이다. 그 후 SolidWorks^Ⓡ를 이용한 소재 및 장비의 모델링을 기반으로, 구조해석 Tool을 이용한 응력경향의 비교와, 소성해석 Tool을 이용한 단조 시뮬레이션을 통해 기존의 방법과 제안된 방법을 비교하며 개선된 안의 기술성을 검증할 것이다.
성형 해머의 수가 많으면 한번에 성형 할 수 있는 면적이 늘어나서 생산성이 올라가지만, 해머를 움직이기 위해 많은 동력원을 필요로 하게 된다. 동일한 생산속도를 가진 자동화 시스템상에서 필요한 동력원을 줄일 수 있다면 자동화 시스템의 효율을 개선할 수 있을 것이다. 이에 따라 아래와 같은 해결책 을 제시하고 해석 Tool을 이용하여 검증하고자 한다.
실용 트리즈란 기존의 트리즈(창의적으로 문제를 해결하는 방법론)에서 어렵거나 활용도가 낮은 부 분을 과감히 제거하거나 수정하고 새로운 방법론을 추가한 ‘6단계 창의성(6SC : 6 Step Creativity)’을 적용한 실용적인 트리즈이다. 자동화 공정의 효율 개 선에 대하여 6SC 표준양식에 맞춘 6단계(A~F)에 걸쳐 문제의 해결책을 도출 할 것이다.^[6]

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로터리 스웨이징 성형이란 무엇인가?	로터리 스웨이징 성형은 기본적으로 해머의 왕복 운동에 의한 소재의 타격으로 이루어 진다 해머의 . 타격방식으로는 캠을 이용한 방식 유압을 이용한 , 방식 볼스크류를 이용한 방식 등 다양한 방식이 , 존재한다 본 연구에 사용된 모델은 제품의 품질과 . 직결되는 진원도를 보장하기 위해 여러 방향의 정 밀한 동시타격에 유리한 볼스크류 방식의 해머 타 격방식의 모델이다. [5]
	로터리 스웨이징 기술을 이용해 얻을 수 있는 이점은?	로터리 스웨이징 기술은 중공 소재를 이용하여 경량화에서의 이점을 얻을 수 있으며 이음매가 없는 점진적 가공 방법을 통해 마찰 용접방식의 이음부 에서 발생하는 크랙의 발생을 방지하고 안전성도 증대된다 또한 소재의 타격으로 인한 소성 . Steel 성형 시 단순한 체적변화량에 따른 두께변화 이상 , 의 단면 두께를 확보할 수 있으며 이는 곧 강성의 증대 및 안전성의 증대를 의미한다. [3],[4]

참고문헌 (8)

10.5228/KSPP.2003.12.6.558 Lim, S. J., Lee, N. K. and Oh, T. W. and Lee, J. H., “Forging Process of the Automotive TDS (Tube Drive Shaft) by the Rotary Swaging Process”, The Korean Society For Technology of Plasticty, Vol. 12, no. 6, pp 558-565, 2003.

원문보기 상세보기
Sul, S. S., “A Study on 4-Hammer Radial Impact Forging Method for Development of Monoblock Tubular Shafts for Vehicle”, A Thesis for a Doctorate, Changwon National University, Jun 2017.
10.1016/S0924-0136(96)02568-X Hebdzynski, R., Kajzer, S. and Kozik, R. "Forging on the four-lever arms swaging machines", Journal of Materials Processing Technology., Vol. 64, No. 1/3, pp.199-206, 1997.

상세보기
Lim, S, J., Yoon, S, J., Na, N, H., “The Forming Characteristic of Rotary Swaging Process”, The Korean Society For Technology of Plasticity, pp.273-280, 1997.
ASM Metals Handbook, Forging, "Rotary Swaging of Bar and Tubes", Vol.4, pp.333~346, 1969.
Kim, H. J., “Practical TRIZ with 6 levels of creativity”, February 2006.
Lee, S. J., Chung, W. J., Kim, H. J., Kim, G. G., Kim, J. H. “A Study on Optimal Design of Piece Removing Automation System Using TRIZ and Brainstorming, Journal of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 17, No.6, December 2008.
Chung, W. J., Kim, J. M., Park, K. B., Ju, J. H., Sin, O. C., “A Study on design of polishing film transfer guide by using TRIZ”, Korean Society Of Precision Engineering, 2006.

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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