[논문]액압 성형을 이용한 내부복합파형 고효율 이중관 제조 기술

한상욱; 김대용; 문영훈

doi:10.5228/kstp.2022.31.3.143

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The purpose of this study was to investigate an innovative hydroforming process for the cost-effective manufacturing of double layered tube with circumferentially corrugated patterns. Conventional double pipe heat exchanger has relatively poor heat transfer efficiency because of the limited contact ...

The purpose of this study was to investigate an innovative hydroforming process for the cost-effective manufacturing of double layered tube with circumferentially corrugated patterns. Conventional double pipe heat exchanger has relatively poor heat transfer efficiency because of the limited contact area resulting from the concentrically arranged simple cylindrical structure. As a promising alternative to enhance heat transfer efficiency, double layered tube with corrugated internal pattern was considered in this study. To fabricate corrugated inner tube, innovative tube hydroforming system was developed. The customized loading paths were established using the simulated forming pressure and contracting stroke at various bar diameters. Experimentally obtained cross-sectional profiles were analyzed to evaluate the reliability and applicability of the hydroformed tube with various patterns. The results demonstrate that the proposed hydroforming process can be a feasible alternative for manufacturing high-performance double-tube heat exchangers.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 (a) Components of double layered tube forming system and (b) die and punch
표 Table 1 Dimensions of outer and inner tubes
그림 Fig. 2 Sequence of hydroforming process for double layered tube with corrugated internal pattern: (a) tube positioning, (b) stage 1 forming, (c) stage 2 forming, and (d) calibration stage
그림 Fig. 3 Mesh model of double layered tube for hydroforming process simulation
표 Table 2 Material properties of outer and inner tubes
그림 Fig. 4 Geometric model for determination of forming pressure at each stage
그림 Fig. 5 Determination of forming pressure at each stage: (a) stage 1 forming, (b) stage 2 forming, and (c) calibration stage
그림 Fig. 6 Difference in cross-sectional profile with increasing internal pressure: (a) stage 1 forming and (b) stage 2 forming
그림 Fig. 7 Contracting stroke variation after reaching stage 2 forming
표 Table 3 Results of contracting stoke according to bar diameter
그림 Fig. 8 Loading paths for manufacturing of double layered tube with corrugated pattern
그림 Fig. 9 cross-sectional profiles: (a) initial double-layered tube, (b) bar diameter of 3 mm, (c) 4 mm, and (d) 5 mm
그림 Fig. 10 Comparison of FEM and experimentally obtained pattern profiles
그림 Fig. 11 Defects generated from unguaranteed loading paths: (a) unfilled and (b) cracking
그림 Fig. 12 Application to double layered tube with sixinternal pattern: (a) loading path and (b) crosssectional profile

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 기존 이중관 열교환기 대비 향상된 열전달 효율을 갖는 이중 주름관을 한 번의 공정으로 효과적으로 생산하기 위한 일환으로 내부복합 파형 이중관 액압 성형 기술을 제안하였다. 복합 파형 패턴 이중관을 효과적으로 성형하기 위해액압 성형 공정을 설계하였으며 관련 이중관 성형시스템을 구축하였다.
FEM 을 이용하여 성형압력, 축피딩을 예측하였으며, 하중경로 설정을 위한 맞춤형 가이드를 제시하였다. 제안된 액압 성형 공정의 당위성을 입증하기 위해 단면 건정성을 평가하였으며, 다양한 복합 파형 패턴에도 적용될 수 있는 응용 가능성을 실험적으로 검토하였다.

제안 방법

복합 파형 패턴 이중관을 효과적으로 성형하기 위해액압 성형 공정을 설계하였으며 관련 이중관 성형시스템을 구축하였다. FEM 을 이용하여 성형압력, 축피딩을 예측하였으며, 하중경로 설정을 위한 맞춤형 가이드를 제시하였다. 제안된 액압 성형 공정의 당위성을 입증하기 위해 단면 건정성을 평가하였으며, 다양한 복합 파형 패턴에도 적용될 수 있는 응용 가능성을 실험적으로 검토하였다.
내부 복합 파형을 갖는 이중관으로 원활하게 성형하기 위해 본 연구에서는 이중관 성형 시스템을 개발하였다. 금형 내부에 안착되는 Fig.
이에 본 연구에서는 기존 이중관 열교환기 대비 향상된 열전달 효율을 갖는 이중 주름관을 한 번의 공정으로 효과적으로 생산하기 위한 일환으로 내부복합 파형 이중관 액압 성형 기술을 제안하였다. 복합 파형 패턴 이중관을 효과적으로 성형하기 위해액압 성형 공정을 설계하였으며 관련 이중관 성형시스템을 구축하였다. FEM 을 이용하여 성형압력, 축피딩을 예측하였으며, 하중경로 설정을 위한 맞춤형 가이드를 제시하였다.
성형바는 외부튜브와 내부 튜브 사이에 배열되며, 삽입 수량에 따라 내부튜브를 다양한 파형 패턴으로 성형을 유도한다. 성형바의 치수가 파형 패턴 성형에 미치는 영향을 확인하기 위해 성형바 직경을 3, 4, 5 mm로 하여 연구를 진행하였다. 바홀더는 링 형태의 구조를 가지며 내부 튜브 양측에 장착되어 복수의 성형바를 지지하며 액압성형 공정 동안 성형바의 위치 이탈을 방지한다.
반면 2 단계 성형의 변형 거동은 내부압력의 증가에 따라 복잡한 단면 프로파일로 변형되며, 확관 메커니즘이 매우 복잡하기 때문에 축피딩의영향도에 상당히 민감하다고 볼 수 있다. 축피딩은튜브 양끝단에 가압되는 양에 따라 유압누수 및 주름으로 이어질 수 있는 매우 민감한 공정 인자이기 때문에 본 연구에서는 적절한 축피딩량을 선정하기 위해 2 단계 성형 이후 내부튜브 끝단부의 수축 스트로크 S 변화를 분석하였다.

대상 데이터

바홀더는 링 형태의 구조를 가지며 내부 튜브 양측에 장착되어 복수의 성형바를 지지하며 액압성형 공정 동안 성형바의 위치 이탈을 방지한다. 내부 튜브와 외부튜브의 재질은 AISI 304를 이용하였으며 튜브들의 세부적인 치수를 Table 1에 정리하였다. Fig.

이론/모형

본 연구는 4-파형 패턴 이중관에 집중하여 연구를 수행하였다. 하지만, 제안된 액압 성형 공정을 이용하면 4-파형 이상의 다양한 복합 파형 패턴을 갖는이중관 제작에도 충분히 적용 가능하다.

성능/효과

(1) 내부복합파형을 갖는 이중관을 제작하기 위해 고안된 이중관 액압성형시스템을 이용하여 성형 바의 배열 특성에 따라 다양한 파형을 갖는 복합파형 튜브를 성공적으로 제작하였다.
(2) 본 연구에서 제안된 맞춤형 하중경로는 성형 바의 직경과 배열 수가 증가할수록 내부압력은 상승하고 축피딩량은 감소하는 양상을 보였으며, 성형결함의 발생없이 이중관을 효율적으로 성형하였다.
(3) 액압 성형된 파형 프로파일의 접촉각도는 25° 로 분석되었으며 이는 허용 가능한 기준치에 부합하는 수치로서 외부튜브와 내부튜브 사이의 강화된 접촉면을 통해 이중관의 기밀성과 견고성을 보장한다.

후속연구

(4) 4-파형과 6-파형 패턴의 결과는 다양한 내부복합 패턴에 충분히 적용될 수 있는 가능성을 보였으며, 고효율 열교환기 제조를 위한 유용한 가이드로 활용될 것으로 기대된다.
본 연구는 4-파형 패턴 이중관에 집중하여 연구를 수행하였다. 하지만, 제안된 액압 성형 공정을 이용하면 4-파형 이상의 다양한 복합 파형 패턴을 갖는이중관 제작에도 충분히 적용 가능하다. Fig.

참고문헌 (12)

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