[논문]블라인드 리벳 너트 체결 적합성에 관한 연구

김찬양; 구본준; 이사랑; 최정묵; 홍석무

doi:10.5228/kstp.2020.29.6.331

블라인드 리벳 너트 체결 적합성에 관한 연구
Accurate Fastening of Blind Rivet Nuts: A Study 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.29 no.6, 2020년, pp.331 - 337

김찬양 (국립공주대학교 미래융합공학과) , 구본준 (국립공주대학교 미래융합공학과) , 이사랑 (국립공주대학교 미래융합공학과) , 최정묵 ((주) 진합) , 홍석무 (국립공주대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Blind rivet nuts (BRNs) are increasingly used in automotive industry because unlike conventional bolt fastening, BRN fastening requires access from one side only. Generally, fastening is conducted using automated units, but manual fastening may be resorted to in case of small quantities. Since the fastening direction is not exactly perpendicular to the sheet metal, the BRN axis is tilted with respect to the plate and may result in damage or incomplete fastening. As the tilt angle (clamping angle α) increases, undesired plate deformation occurs and the contact area of the plate with the BRN fastening area decreases, reducing the clamping effect. In this study, the reduction of the clamping effect with the α was investigated to ensure stable fastening force. M6 BRNs were used in the tests. The fastening force was measured as follows: the plate was cut in half through the center of the hole; the BRN was inserted into the hole and fastened; and the clamping angle a was measured (values, 0° ≤ α ≤ 9°). The force leading to the separation of the halves was measured using a universal testing machine (UTM). The maximum α range, in which the fastening force remains stable, was determined. Finite element (FE) analysis confirmed that the fastening force decreases approximately linearly with increasing α. Based on the experiment and FE analysis using various α, the fastening force was found to decrease with α. Further, the maximum tolerance for α that provides secure fastening without damage is suggested.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 (a) Blind rivet fastening
그림 Fig. 1 (b) BRN fastening
그림 Fig. 2 Change of xy plane angle θ and clamping angle α during BRN fastening
그림 Fig. 4 Measurement of separation force F using UTM
그림 Fig. 3 (a) Split plate without and with BRN (top view)
그림 Fig. 3 (b) split plate with BRN before and after fastening (front view)
그림 Fig. 5 Change of separation force F with clamping angle α
표 Table 1 Specification of universal testing machine
그림 Fig. 6 FE model for simulation of BRN fastening
그림 Fig. 7 Rivet gun force(P) from the BRN fastening simulation according to different contact angle(α )
표 Table 2 Material properties of Al6061-O and SWCH10A
그림 Fig. 8 Gap due to damage to BRN region (a) FE simulation (b) experiment
그림 Fig. 9 BRN cross section (FE analysis)
그림 Fig. 10 Contact area between BRN and plate (top view)
그림 Fig. 11 Change of contact area with clamping angle α

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 BRN 체결력에 관한 연구가 필요하며 특히 다양한 클램핑 각도에 따른 체결력에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 BRN 체결 시 발생할 수 있는 여러 클램핑 각도에 대해 실험 및 해석적 연구가 진행되었다. 먼저 클램핑 각도에 따른 전단방향의 분리력 실험을 수행하였다.

가설 설정

하지만 실제 접촉면 변화는 전체면적의 1/2범위, θ = 180º 방향에서 많이 일어난다. 따라서 접촉 면적 감소량에 영향을 미치는 면적을 전체 접촉면적의 1/2인 31.2mm²로 가정했다. 이를 통해 분리력(F)에 영향을 미치는 접촉면적 감소량은 15.

제안 방법

α에 따른 분리력 시험은 70개의 시료로 진행했으며 0° ≤ α ≤ 9°에서 1°단위로 구간을 나누었다.
(1) BRN은 수동 체결 시 BRN과 판재구멍 사이 간격 때문에 체결 각도 α가 발생하며 이에 따른 영향을 분석하기 위해 0° ≤ α ≤ 9° 범위에서 분리력을 측정했다.
BRN 체결 시 α 값에 따른 BRN 과 판재사이의 접촉면적 확인을 위해 α값을 0°~ 5°범위에서 1°단위로 증가시켜 해석을 진행했다.
먼저 클램핑 각도에 따른 전단방향의 분리력 실험을 수행하였다. 그리고 유한요소해석을 통해 클램핑 각도에 따른 BRN과 판재 사이의 접촉면적 변화를 확인하여 체결력 감소의 관계를 연구하였다. 결론으로 리벳을 손상시키지 않으면서 안정적인 체결력을 확보하는 최대 체결 허용 각도를 제시하였다.
두번째 BRN 나사산이 변형되기 전까지 공정이 진행된 길이가 6mm이다. 따라서 두번째 나사산 변형이 일어나지 않도록 L = 6mm시점에 압착 플랜지와 판재 사이 접촉면적을 측정했다. 면적 측정은 유한요소 해석프로그램 AFDEX에서 계산된 금형과 소재의 접촉 요소를 이미지로 export하고 이 이미지 데이터로부터 픽셀 수를 적분하여 접촉 면적을 계산하였다.
본 연구에서는 BRN 체결 시 발생할 수 있는 여러 클램핑 각도에 대해 실험 및 해석적 연구가 진행되었다. 먼저 클램핑 각도에 따른 전단방향의 분리력 실험을 수행하였다. 그리고 유한요소해석을 통해 클램핑 각도에 따른 BRN과 판재 사이의 접촉면적 변화를 확인하여 체결력 감소의 관계를 연구하였다.
따라서 두번째 나사산 변형이 일어나지 않도록 L = 6mm시점에 압착 플랜지와 판재 사이 접촉면적을 측정했다. 면적 측정은 유한요소 해석프로그램 AFDEX에서 계산된 금형과 소재의 접촉 요소를 이미지로 export하고 이 이미지 데이터로부터 픽셀 수를 적분하여 접촉 면적을 계산하였다.
본 연구는 α에 따른 BRN 체결 적합성 분석을 위해 실험과 해석적 연구를 진행했으며 다음과 같은 결론에 도달했다.
이 때 α를 다르게 하여 0° ≤ α ≤ 9°에서 다양한 각도로 시료를 만들었다.
볼트가 상승할 때 BRN 이 같이 상승하면 플랜지 형성이 안된다. 이를 해결하기 위해 BRN 머리부분을 고정하여 실제의 체결과 같은 경계 조건을 만들었다. BRN 체결 시 α 값에 따른 BRN 과 판재사이의 접촉면적 확인을 위해 α값을 0°~ 5°범위에서 1°단위로 증가시켜 해석을 진행했다.

대상 데이터

α에 따른 체결력 차이를 알아보기 위해 Al6061-O 판재와 SWCH10A 소재로 가공된 M6 BRN 을 사용해 시료를 제작했다.
첫번째 나사산은 압착 플랜지 형성을 위해 벌어지므로 이 부분은 고려하지 않았다. 두번째 BRN 나사산이 변형되기 전까지 공정이 진행된 길이가 6mm이다. 따라서 두번째 나사산 변형이 일어나지 않도록 L = 6mm시점에 압착 플랜지와 판재 사이 접촉면적을 측정했다.
나사산은 일정한 각도로 상승하는 형상이기 때문에 너트 내부는 비대칭 형상이다. 따라서 너트 내부의 비대칭면을 고려하여 BRN 전체를 모델링했고, 사용된 요소 수는 약 300,000 개이다. 참고문헌에 따르면 BRN 유한요소해석에 미치는 마찰계수의 영향은 4% 차이로 미비하므로[3], 본 연구에서는 리벳건 볼트에 윤활유가 있는 조건으로 마찰계수를 0.
사용된 모델은 BRN, 리벳건 볼트, 체결할 판재이며 범용 해석 프로그램 AFDEX[11]를 사용했다. 탄소성 유한요소법을 진행하였고, 리벳건 볼트는 강체, 판재 소재는 Al6061-O, BRN 소재는 SWCH10A 이며 세부 물성은 Table 2 에 기술했다. 나사산은 일정한 각도로 상승하는 형상이기 때문에 너트 내부는 비대칭 형상이다.

이론/모형

6 과 같은 모델을 설계했다. 사용된 모델은 BRN, 리벳건 볼트, 체결할 판재이며 범용 해석 프로그램 AFDEX[11]를 사용했다. 탄소성 유한요소법을 진행하였고, 리벳건 볼트는 강체, 판재 소재는 Al6061-O, BRN 소재는 SWCH10A 이며 세부 물성은 Table 2 에 기술했다.

성능/효과

(2) α에 따른 형상과 체결력을 분석하기 위해 유한요소해석을 진행했으며 접촉면적은 α가 커질수록 감소했다.
그리고 유한요소해석을 통해 클램핑 각도에 따른 BRN과 판재 사이의 접촉면적 변화를 확인하여 체결력 감소의 관계를 연구하였다. 결론으로 리벳을 손상시키지 않으면서 안정적인 체결력을 확보하는 최대 체결 허용 각도를 제시하였다.
5에서 보여지는 실험 결과 값에서 3°구간이 1°구간에 비해 27% 정도, 5° 구간은 53% 감소한 것과 근사한 값이다. 따라서 접촉면적 감소량은 F와 상관관계가 있으며 접촉면적 감소량을 분리력 감소의 참고 지표로 활용 가능하다고 판단하였다.
모든 α에서 damaged gap이 발생한 것을 확인했으며, α가 커질수록 BRN 머리와 판재 사이의 틈이 벌어져 머리부분 접촉면적이 감소하는 것을 확인했다.
이 결과를 통해 α의 감소량이 적어도 ΔF 는 큰 것으로 보아 α가 분리력에 상당한 영향을 미친다고 판단된다.

후속연구

이 때 클램핑 각도는 2°까지만 고려했으나 수동으로 BRN 체결 시 일반적으로 클램핑 각도 범위는 2°보다 더 크므로 이에 대한 연구가 필요하다.
(3) 판재 소재에 따라 BRN 체결 시 판재 변형량이 달라지므로 BRN 머리부분 접촉면적이 미치는 영향이 달라진다. 추후 판재 소재 및 두께가 체결력에 미치는 영향을 분석하여 BRN 형상 별 적합한 소재 조건을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

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AFDEX, https://www.afdex.com.

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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