Ceramic tile is widely used as a floor or interior decoration of buildings. The main processes are raw material blending, molding, drying, firing, etc., and since dimensional and quality stability are very important, they are generally molded by a dry press method. In ceramic tile molds, there is a ...
Ceramic tile is widely used as a floor or interior decoration of buildings. The main processes are raw material blending, molding, drying, firing, etc., and since dimensional and quality stability are very important, they are generally molded by a dry press method. In ceramic tile molds, there is a liner that can be easily replaced in case of wear. The liner is constantly abrasion due to a continuous pressing process during tile forming, and it is required to be replaced every certain period. Even in the liner, use a wear-resistant fitting material only in areas where wear is concentrated. However, there was a risk that the fitting material was applied to large-sized tile molding due to problems such as damage to the molding machine and decrease in productivity when detached during the actual tile molding process due to weak fitting strength with the liner. Therefore, in this study, thermal-structural analysis for fitting tolerance analysis and structural analysis for fitting force analysis were performed for the shrink fit process of the fitting material.
Ceramic tile is widely used as a floor or interior decoration of buildings. The main processes are raw material blending, molding, drying, firing, etc., and since dimensional and quality stability are very important, they are generally molded by a dry press method. In ceramic tile molds, there is a liner that can be easily replaced in case of wear. The liner is constantly abrasion due to a continuous pressing process during tile forming, and it is required to be replaced every certain period. Even in the liner, use a wear-resistant fitting material only in areas where wear is concentrated. However, there was a risk that the fitting material was applied to large-sized tile molding due to problems such as damage to the molding machine and decrease in productivity when detached during the actual tile molding process due to weak fitting strength with the liner. Therefore, in this study, thermal-structural analysis for fitting tolerance analysis and structural analysis for fitting force analysis were performed for the shrink fit process of the fitting material.
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문제 정의
따라서 구조해석을 통해 공차에 따른 라이너 베이스와 끼움재 조립 시 발생하는 변형 빛 응력에 대한 분석을 수행하고자 한다. 열박음 시 라이너의 하부에 100~300 ℃의 온도에 의해 라이너가 팽창하며, 팽창된 홈에 끼움재를 넣어 결합하여 강력한 결합력이 작용한다.
따라서 본 논문에서는 라이너 및 끼움재의 억지끼움 공차에 따른 결합력을 분석하기 위해 열해석 및 구조해석을 수행하였다.
본 연구에서는 열박음 시 끼움공차 분석을 위한 열 구조 연성해석과 열박음 시 결합력 분석을 위한 구조해석을 수행하였다. 결합력이란 다음과 같다.
이를 해결하기 위해 끼움재의 열박음 공정에 대한 연구를 수행하였다. 열박음을 하기 위해 억지끼움 공차가 발생하도록 설계해야 한다.
제안 방법
경계조건으로 라이너 베이스를 가열하는 가열판 대신 라이너 베이스 하부에 Thermal condtion 조건을 주어 가열을 표현하였다. 가열은 100, 150, 200, 250, 300 ℃의 조건을 주어 각각 수행하였다. 가열에 의해 팽창된 베이스 표면에 상온 (22 ℃)의 대류 조건을 부여하였다.
경계조건으로 라이너 베이스를 가열하는 가열판 대신 라이너 베이스 하부에 Thermal condtion 조건을 주어 가열을 표현하였다. 가열은 100, 150, 200, 250, 300 ℃의 조건을 주어 각각 수행하였다.
억지 끼움 공정 시 가열 온도의 선정은 불필요한 가열시간 및 자원소모를 방지할 수 있다. 따라서 본 과제에서는 Ansys Workbench의 열해석 소프트웨어를 통해 라이너 베이스를 가열하는 온도에 따른 소재의 열변형을 시뮬레이션하고 그 특성을 분석하였다.
이는 유한요소 해석에 소모되는 자원을 최소화하기 위함으로 해석에 소모되는 자원은 유한요소 모델의 개수와 비례한다. 따라서 비관심 영역의 유한요소모델의 개수를 줄여주기 위해 끼움재가 들어가는 부분과 나머지 라이너 베이스를 구분하여 모델링한다. Table 1은 소재 물성으로 라이너 베이스의 물성은 SKD11, 끼움재의 물성은 초경(Tunsten Carbide)이다.
3과 같이 수행하였다.모델링은 끼움재가 들어가는 부분과 나머지 라이너 베이스를 구분하여 모델링 하였다. 이는 유한요소 해석에 소모되는 자원을 최소화하기 위함으로 해석에 소모되는 자원은 유한요소 모델의 개수와 비례한다.
대상 데이터
Fig. 4는 생성된 mesh의 모습으로 각각 끼움재와 끼움재가 삽입되는 부분의 mesh의 크기는 1mm로 설정, 끼움재가 없는 부분의 mesh의 크기는 2mm 이며, 사다리꼴 형상의 총 node 수는 516,558 개, 총 element의 수는 118,577 개, 직사각형 형상의 총 node 수는 503,921 개 총 element의 수는 115,512 개로 생성되었다.
따라서 비관심 영역의 유한요소모델의 개수를 줄여주기 위해 끼움재가 들어가는 부분과 나머지 라이너 베이스를 구분하여 모델링한다. Table 1은 소재 물성으로 라이너 베이스의 물성은 SKD11, 끼움재의 물성은 초경(Tunsten Carbide)이다.
각각 끼움재와 끼움재가 삽입되는 부분의 mesh의 크기는 1mm로 설정, 끼움재가 없는 부분의 mesh의 크기는 2mm 이며, 사다리꼴 형상의 총 node 수는 517,699 개, 총 elemnet의 수는 118,783 개, 직사각형 형상의 총 node 수는 494,580 개, 총 elemet의 수는 113,298 개로 생성되었다.
이론/모형
Ansys Workbench를 통한 해석을 수행하기 위하여 3차원 모델링 도구인 Solidworks를 사용하여 기존 사다리꼴 형상 및 직사각형 형상 라이너 베이스의 3D 모델링을 Fig. 3과 같이 수행하였다.모델링은 끼움재가 들어가는 부분과 나머지 라이너 베이스를 구분하여 모델링 하였다.
Ansys Workbench를 통한 해석을 수행하기 위하여 3차원 모델링 도구인 Solidworks를 사용하여 기존 사다리꼴 형상 및 직사각형 형상 라이너 베이스의 3D 모델링을 수행하였다. Fig.
mesh를 올바르게 생성하기 위해서는 node의 수, element의 수 aspect ratio, 형상 등을 고려하여야 한다. 해석을 진행하고자 하는 라이너 베이스의 경우 끼움재 홈 방향의 단면 형상이 균일한 형태이기 때문에 Sweep method로 mesh를 생성하였다.
성능/효과
1) 열 구조 연성해석 결과 가열 온도 및 형상에 따른 라이너 베이스의 Y축 변형량을 보면 온도분포와 마찬가지로 끼움재의 형상이 기존 사다리꼴인 경우와 직사각형의 경우 모두 유의한 차이를 보이지 않았다.
2) 구조해석 결과 직사각형 형상이 사다리꼴에 비하여 약 20% 큰 응력을 받는 것으로 보인다. 공차에 따른 개발 제품의 결합력을 끼움재 중심으로 압축하는 방향으로 작용하며 공차가 증가할수록 결합력이 강해지는 것으로 판단되었다.
2) 구조해석 결과 직사각형 형상이 사다리꼴에 비하여 약 20% 큰 응력을 받는 것으로 보인다. 공차에 따른 개발 제품의 결합력을 끼움재 중심으로 압축하는 방향으로 작용하며 공차가 증가할수록 결합력이 강해지는 것으로 판단되었다.
이는 라이너 베이스 소재인 SKD11의 열전도율이 높기 때문인 것으로 분석된다. 형상의 관점에서 보면 라이너 베이스의 모서리 부분이 다른 면보다 공기와 더 많이 접촉하면서 공기에 의한 자연대류에 의해 열을 빼앗겨 다른 면보다 다소 온도가 낮은 것을 볼 수 있었다. 따라서 가열 온도에 따른 변형을 분석할 때 모서리 부분을 중점적으로 보아야 할 것이다.
후속연구
해석에 적용된 초경합금의 경우 약 3300 Mpa의 압축강도값을 갖는다. 해석을 통해 나타난 응력값은 최대 약 1500 Mpa로 압축강도 값에는 미치지 못하지만 소재는 프레스 금형에 적용되어 반복적인 프레스 하중 및 충격을 받게 되므로 그에 따른 피로파괴 및 변형의 가능성을 염두에 두어야 할 것으로 분석된다.
참고문헌 (6)
Ye. Liping, et al. "Life cycle environmental and economic assessment of ceramic tile production: A case study in China", Journal of Cleaner Production Vol. 189, pp. 432-441, 2018.
ISO 13006/2012. "Ceramic Tiles-Definitions, Classification, Characteristics and Marking, Annex K and L", pp. 38-43, 2012.
S. Y. Baek and S. Y. Kim, "Development of a fixing device for slate using press dies", Journal of the Korea Society of Die & Mold Engineering, Vol. 2, No. 4, pp. 24-31, 2008.
S. S. Kim, M. Lee and C. K. Lee, "A study on the abrasion resistance of punching carbide material of die for the application of SCP-1 material", Journal of the Korea Society of Die & Mold Engineering Vol. 3, No. 2, pp. 44-48, 2019.
Liao, Jingping, et al. "Identification of contact stiffness of shrink-fit tool-holder joint based on fractal theory", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology Vol. 90, No. 5 pp. 2173-2184, 2017.
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