[논문]성형하중 감소를 위한 냉간단조금형 최적설계에 관한 연구

황준; 이승현

doi:10.6111/jkcgct.2022.32.6.251

[국내논문] 성형하중 감소를 위한 냉간단조금형 최적설계에 관한 연구
A study on the cold forging die geometry optimal design for forging load reduction 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.32 no.6, 2022년, pp.251 - 261

황준 (한국교통대학교 항공.기계설계학과) , 이승현 (한국교통대학교 대학원 항공‧기계설계학과)

초록
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본 연구에서는 냉간단조공정에서 성형하중과 금형내 응력집중 감소를 위해 자동차 엔진 밸브 스프링 리테이너 제품의 형상최적화를 위한 금형형상 최적설계를 수행하였다. 기존 생산에 사용되는 각 성형공정별 냉간단조 금형에 대한 유한요소해석 시뮬레이션을 통해 절단공정을 포함해 총 6공정으로 구성되어 있는 냉간단조공정 별 단조 프리폼의 성형 시에 발생하는 성형하중과 성형유동 특성을 분석하였으며, 이를 통해 금형 내 응력집중이 발생하는 주요 설계인자를 확인하였다. 상형금형과 하형금형부의 챔퍼(chamfer) 및 에지필렛(edge fillet) 형상을 대상으로 4인자 3수준 설계인자 및 변수 수준을 설정하고, 성형해석 시뮬레이션과 다구찌법을 활용하여 설계인자별 영향도를 분석하여 최적의 최적설계인자를 결정하였다. 본 연구를 통해 얻어진 최적설계변수를 적용하여 엔진밸브 스프링 리테이너의 최적설계 시뮬레이션 결과, 각 프리폼 성형공정별로 최대 36 %, 전체 공정 평균 20 %의 성형하중 감소 효과를 얻을 수 있었다. 엔진의 고효율, 고출력, 고성능화 목표가 지속적으로 높아짐에 따라 고강도 소재의 활용이 많아지게 되어 이에 대응할 수 있는 성형공정 및 금형설계의 최적화가 필요하며, 향후 연구 결과를 활용하여 현업에 적용하여 제품단조성형성 개선 및 금형수명관리를 위한 기술자료로 활용하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the finite element analysis and die design change of spring retainer forging process to reduce the cold forging load and plastic forming stress concentration. Plastic deformation analysis was carried out in order to understand the forming process of workpieces and elastic stress analysis of the die set was performed in order to get basic data for the die fatigue life estimation. Cold forging die design was set up to each process with different four types analysis progressing, the upper and lower dies shapes with combination of fillets and chamfers shapes of cold forging dies. This study suggested optimal cold forging die geometry to reduce cold forging load. The design parameters of fillets and chamfers are selected geometry were selected to apply optimization with the DoE (design of experiment) and Taguchi method. DoE and Taguchi method was performed to optimize the workpiece preform shape for spring retainer forging process, it was possible to expect an increase in cold forging die life due to the 20 percentage forging load reduction.

주제어

표/그림 (29)

그림 Fig. 1. spring retainer and engine intake & exhaust valve system structure [1].
그림 Fig. 2. Forging process and die design for spring retainer.
그림 Fig. 3. Configuration of spring retainer forging at 6 stage cold forging process.
표 Table 1 Mechanical properties of spring retainer material for cold forging process simulation
그림 Fig. 4. Forging load variation at each stage for spring retainer.
그림 Fig. 5. Effective stress distribution of forging die at each steps.
그림 Fig. 6. Configuration of initial billet dimensions for spring retainer forging.
그림 Fig. 7. Effective strain distribution of spring retainer with initial billet shape design change.
그림 Fig. 8. Comparison of die forging load with three different initial billet workpiece shapes.
그림 Fig. 9. Design parameters of 2nd, 3rd, 4th dies sets for cold forging.
표 Table 2 The specifications of design parameters for cold forging die shape change
그림 Fig. 10. ANOVA analysis of 2nd dies set.
표 Table 3 Design parameter of 2nd dies set
표 Table 4 Design parameter of 3rd dies set
표 Table 5 Design parameter of 4th dies set
표 Table 6 S/N ratio analysis of L₉(3⁴ ) for 2nd forging stage
표 Table 7 ANOVA table of 2nd dies set design parameters
표 Table 8 Calculated optimal design parameters for 2nd dies set
그림 Fig. 11. ANOVA analysis of 3rd dies set.
표 Table 9 S/N ratio analysis of L₉(3⁴ ) for 3rd forging stage
표 Table 10 ANOVA table of 3rd dies design parameters
표 Table 11 Calculated optimal design parameters for 3rd dies set
표 Table 12 S/N ratio analysis of L₉(3⁴ ) for 4th forging stage
그림 Fig. 12. ANOVA analysis of 4th dies set.
그림 Fig. 13. Effective strain of optimized spring retainer workpiece.
표 Table 13 ANOVA table of 4th dies design parameters
표 Table 14 Calculated optimal design parameters for 4th dies set
표 Table 15 Forging load reduction effect due Cold forging die optimal design
그림 Fig. 14. Effective stress distribution of forging die at each steps.

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