[논문]마찰저감을 위한 슬라이딩 금형을 적용한 알루미늄 파이프 요크 냉간 단조공정에 관한 연구

이성민; 이인규; 이성윤; 황선광; 박재욱; 황원석; 문영훈; 이상곤

doi:10.5228/kstp.2023.32.1.5

마찰저감을 위한 슬라이딩 금형을 적용한 알루미늄 파이프 요크 냉간 단조공정에 관한 연구
Study on the Cold Forging Process of Aluminum Pipe Yoke using Sliding Die for Reducing Friction 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.32 no.1, 2023년, pp.5 - 11

이성민 (한국생산기술연구원 스마트제조기술연구그룹) , 이인규 (한국생산기술연구원 스마트제조기술연구그룹) , 이성윤 (한국생산기술연구원 스마트제조기술연구그룹) , 황선광 (한국생산기술연구원 스마트제조기술연구그룹) , 박재욱 (대한메탈 주식회사, 기술연구소) , 황원석 (대한메탈 주식회사, 기술연구소) , 문영훈 (부산대학교 기계공학부) , 이상곤 (한국생산기술연구원 스마트제조기술연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study is to manufacture an aluminum pipe yoke of automotive steering system for lightweight. In a multistage cold forging process for aluminum pipe yoke, the surface defects frequently occur due to excessive deformation or friction during extrusion process for forming hollow pipe part. It is import to reduce the friction between the material and the forging die. This study investigated a multistage forging process with sliding die to reduce friction for aluminum pipe yoke. After evaluating by FE analysis, the forging experiment with the sliding die was carried out. As a result, it was possible to manufacture a sound aluminum pipe yoke.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1 Steering system of automobile
그림 Fig. 2 Compression test
그림 Fig. 3 Flow stress of Al6082
그림 Fig. 4 Analysis model and condition for compress test
그림 Fig. 5 Comparison of experiment and FE analysis of Compression test
그림 Fig. 6 Aluminum pipe yoke
그림 Fig. 7 Multi-stage cold forging process
그림 Fig. 8 Forging processes of OP10 and OP20
그림 Fig. 9 Sliding extrusion die
그림 Fig. 10 Initial FE analysis model
그림 Fig. 11 Distribution of effective strain of OP10
그림 Fig. 12 Forming load of OP10
그림 Fig. 13 Distribution of effective strain of OP20
그림 Fig. 14 Forming load of OP20
그림 Fig. 15 Distribution of effective strain at each stage
그림 Fig. 16 Forming load of OP30 and OP40
그림 Fig. 17 Forming load of OP50 and OP60
그림 Fig. 18 Final shape after OP60
그림 Fig. 19 Forging experiment
그림 Fig. 20 Comparison of pipe yoke
그림 Fig. 21 Comparison of FE analysis and experiment

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 성형량이 많은 알루미늄 파이프요크 성형을 위한 다단 단조공정에 관한 연구를 수행하였으며, 다음의 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 파이프 요크 성형공정에 대한 유한요소해석을 수행하여 공정 분석을 수행하였다. 유한요소해석은 DEFORM 3D 로 최종 제품의 대칭성을 고려하여 1/2 단면 모델을 적용하였으며, Fig.

제안 방법

(1) 파이프 요크 성형을 위해 요크 하단 파이프부 전방압출, 헤드부 후방압출, 그리고 성형된 파이프 내측부의 치형을 고려하여 6 단 다단 단조공정을 적용하였다.
(2) 깊이가 깊은 중공형 파이프가 성형되는 OP10과 OP20 의 외측부 마찰저감을 통한 성형성 향상을 위해 슬라이딩 금형을 적용하였다.
이는 성형성을 저하시킬 뿐만 아니라 소재 겹침, 소착 등의 결함발생 원인이 된다. 따라서, 본 연구에서의 표면마찰영향을 최소화시키기 위해 OP10 과 OP20 의 전방압출공정에 슬라이딩 금형을 적용하였다. Fig.
성형해석을 통해 슬라이딩 금형과 고정형 금형이 적용된 공정을 비교하였다. Fig.
슬라이딩 금형이 적용된 전체 다단 단조공정에 대한 현장실험을 수행하여 그 타당성을 검토하였다.

대상 데이터

따라서, 본 연구에서는 Fig. 7 과 같이 초기 직경과 길이가 각각 24.6 mm 와 102.0 mm 인 중실봉재를 이용하여 총 6 공정의 냉간 다단 단조공정을 적용하였다. OP10 과 OP20 은 전방압출공정으로 요크 파이브 부 깊이가 매우 깊기 때문에 2 단계의 전방압출공정을 적용하였다.
본 연구에서 적용된 소재는 Al6082 로 먼저 단순압축시험을 통해 유동응력을 평가하였다. 압축시험은 만능재료시험기(INSTRON5988)로 수행되었으며, Fig.

이론/모형

본 연구에서는 파이프 요크 성형공정에 대한 유한요소해석을 수행하여 공정 분석을 수행하였다. 유한요소해석은 DEFORM 3D 로 최종 제품의 대칭성을 고려하여 1/2 단면 모델을 적용하였으며, Fig. 10 에 초기 해석모델과 해석 조건을 나타내었다.

성능/효과

(3) 성형해석을 통해 기존 고정 금형과 슬라이딩 금형을 적용한 공정을 비교한 결과, 슬라이딩 금형을 적용한 경우 외측부 마찰영향 감소로 인해 파이프 성형부의 유효 변형률이 상대적으로 낮았다. 또한, 성형하중도 약 6 ~ 9% 정도 감소함을 알 수 있었다.
Fig. 20(a)로부터 슬라이딩 금형이 적용된 OP10 과 OP20의 전방압출공정을 통해 결함없이 파이프부 성형이 가능하였으며, 파이프 내측 치형도 우수하게 성형되었음을 알 수 있다. 또한, 요크 헤드부도 결함없이 성형이 되었으며, Fig.
이상의 결과로부터 슬라이딩 금형이 적용된 다단 단조공정을 적용하여 성형량이 많은 알루미늄 파이프 요크를 결함없이 성공적으로 성형할 수 있었다.
12 는 성형해석결과 OP10 후 소재의 유효변형률 분포와 성형하중을 나타낸 것이다. 해석결과 슬라이딩 금형이 적용된 경우 마찰저감으로 인해 유효변형률이 상대적으로 낮았으며, 성형하중도 약 21.5 ton 에서 20.3 ton 으로 약 6% 감소하였다.

후속연구

(4) 슬라이딩 금형을 적용한 공정에 대한 현장 실험결과 요크의 파이프부, 헤드부, 그리고 표면상태 모두가 우수한 품질을 가진 파이프 요크 성형이 가능하였으며, 향후 다양한 알루미늄 다단 단조품 성형에 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

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Scientific Forming Technologies Corporation, Columbus, OH, USA, 1992.

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