[논문]M10 육각 머리 볼트 다단 금형 설계 및 단조 성형해석 자동화 프로그램 개발

오민성; 이사랑; 최정묵; 홍석무

doi:10.5228/kstp.2024.33.5.341

[국내논문] M10 육각 머리 볼트 다단 금형 설계 및 단조 성형해석 자동화 프로그램 개발
Development of M10 Hex Head Bolt Multi-stage Die Design and Forging Analysis Automation Program 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.33 no.5, 2024년, pp.341 - 347

오민성 (공주대학교 미래융합공학과) , 이사랑 (공주대학교 미래융합공학과) , 최정묵 ((주) 진합) , 홍석무 (공주대학교 미래자동차공학과.그린카기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Many studies have focused on the optimal design of multi-stage forging molds. For optimal design progress, geometry parameters must be automatically modified, and the updated analysis file delivered. However, existing automation processes set and change parameters at the analysis input file stage, limiting them to simpler tasks like 2D shapes and basic process conditions (e.g., friction, elasticity), making it challenging to handle 3D asymmetric shapes. To address these limitations, an automated program was developed that modifies geometry directly in the CAD model, enabling the automation of complex 3D and asymmetrical shapes. In this process, a 3D mold is generated immediately after the drawing is input, automating the design of both the product and the mold without manual intervention. The program's effectiveness was demonstrated in the design and forging analysis of a multi-stage mold for M10 hex head bolts. This fully automated program reduced preprocessing time by approximately 6.7 times and successfully performed sensitivity analysis without manual input.

Keyword

표/그림 (12)

그림 Fig.1 Differences of optimal design automation: (a) as is; (b) to be
그림 Fig. 2 Cross section of a multi-stage six head bolt: (a) original; (b) modified for program input
그림 Fig. 3 Modeling automation applied to parametric CAD program: (a) 2D drawing input and parameterization; (b) 3D model export; (c) 3D model created on parametric CAD from a 2D drawing
그림 Fig. 4 Forging process and die design for hexagon head bolt
그림 Fig. 5 GUI for design automation integration
그림 Fig. 6 Effective strain of multistage forging analysis
표 Table 1 Material properties
그림 Fig. 7 Forming load as forging analysis
그림 Fig. 8 Design variables for op20, op30 and op40
그림 Fig. 9 Reliability analysis
표 Table 2 Objective function and design variable ranges
표 Table 3 Forming load and sensitivity analysis results

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 논문에서는 3차원의 형상 치수 변경이 가능한 M10 육각 헤드 볼트를 대상으로 다단 금형 설계 및 단조 성형 해석 자동화 프로그램을 개발하였다. 본 논문에서 제시한 프로그램은 Fig.
그리고 무개입 설계와 다양한 캐드 및 해석 프로그램 간 연동이 가능하도록 범용성이 확보된 프로그램을 개발함에 따라, 그 실효성을 검증하기 위해 M10 육각 머리 볼트 다단 금형 설계 및 단조 성형 해석을 진행하였다. 또한, 비숙련자를 대상으로 자동 및 수동의 전처리 과정에서 각각 작업 시간 비교를 통해 개발된 자동화 프로그램의 유효성을 입증하였다.
본 연구에서는 파라메트릭 캐드 프로그램, 파이썬스크립트를 활용하여 다단 금형 설계 및 해석 자동화 프로그램을 개발하였다. 또한, 무개입 민감도 분석을 통해 자동화 프로그램의 유효성을 검증하였다.

가설 설정

8에 자세히 도시하였다. 본 논문에서 민감도 분석을 수행하는 목적은 자동화 프로그램의 유효성 검증에 있기 때문에, 연구의 신속한 결과 확인을 위해 각 공정의 펀치(punch) 와 다이 R 은 동일하다고 가정하고 설계변수의 수를 제한하였다. 이전에 수행한 냉간 단조 성형 해석을 바탕으로 각 공정에서의 최대 성형 하중(maximum ton, Y )의 합을 목적함수로 설정하였으며, 설계변수가 2 공정부터 적용되기 때문에 1 공정의 성형 하중 최대값은 목적함수에서 제외하였다.

제안 방법

그러나 원본 제품 도면을 3차원 캐드 프로그램에 그대로 불러 들어올 경우, 형상 설계 알고리즘이 제대로 적용되지 않을 수 있다. 따라서 실제 제품 형상의 설계적 특징을 추출하고, 이를 캐드 프로그램에 적용하기 위해 볼트 형상을 단순화하였다(Fig. 2(b)).
5와 같이, GUI(Graphic User Interface)를 개발하였다. 이 GUI는 모델링 자동화 단계에서 설정된 gap, 다이 R 파라미터를 동일하게 설정할 수 있도록 파이썬 스크립트와 연동하고, 파라미터의 범위, 수준 그리고 실험 계획법(DOE) 설정에 따른 설계 사례를 생성할 수 있는 기능을 구현하였다. 이를 통해 설계변수에 따라 제품과 금형모델링을 3차원 캐드 파일로 자동 추출할 수 있다.
9 ton의 성형 하중이 예측되었다. 이후 금형 제작 및 해석 구현의 전처리 과정 작업 시간을 비교하기 위해 비숙련자를 대상으로 수동과 자동 각각의 작업을 진행하였다. 해석 시간을 포함하여 1 공정 수행까지 수동 시스템은 약 10분이 소요된 반면, 자동 시스템은 1분 30초가 소요되었다.
일반적으로 단조 성형에서 소재와 맞닿는 펀치와 다이 R에서 가장 높은 하중이 발생하기 때문에 2 ~ 4 공정의 펀치 R, 다이 R 조정하였다. 따라서 2 공정의 다이 R( R1, X1 ), 3 공정의 다이 R ( R2, X2 ) 그리고 4 공정에서의 다이 R( R3, X3 )을 설계변수로 지정하였으며, 각각 0.5 mm 부터 1.5 mm까지 3수준으로 설정하였다. 각각의 설계변수는 Fig.
설계변수의 범위는 목적함수에 대하여 일괄된 해석 결과를 보이는 설계변수의 범위로 지정하였으며, 이를 Table 2에 나타내었다. 총 3요소 3수준, 27번의 해석을 진행하여 다단 단조 공정 해석 진행 과정에서 각 공정에서 발생하는 최대 하중의 총합에 대한 민감도를 분석하였다.
본 연구에서는 파라메트릭 캐드 프로그램, 파이썬스크립트를 활용하여 다단 금형 설계 및 해석 자동화 프로그램을 개발하였다. 또한, 무개입 민감도 분석을 통해 자동화 프로그램의 유효성을 검증하였다. 이렇게 수행된 본 연구의 내용과 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 3차원 캐드 프로그램, 파라메트릭 모델링 기능 그리고 파이썬 스크립트를 활용한 모델링 자동화를 구현하여, 3차원 다단 단조 금형의 모델링 전처리 과정을 대폭 단축하였다.
(2) 프로그램의 접근성을 높이기 위하여 파이썬스크립트를 활용하여 GUI를 제작하였으며, 이를 통해 모델링 자동화와 설계변수 설정 기능을 연동하였다. 이를 통해 설계 자동화 기능을 구현하여 설계사례 제작에 대한 시간을 절약할 수 있었다.
본 연구에서 제안된 자동화 프로그램을 통해 무개입 설계, 해석 및 민감도 분석을 통해 3차원 비대칭 금형에 대하여 설계 자동화 및 민감도 분석을 진행하였다. 이 연구는 AI와 디지털 트윈을 활용한 최적화 및 실제 공정 적용을 목표로 하는 기초 연구의 일환이며, 후속 연구를 통해 공정변수나 설계변수를 더욱 세분화하고 이를 조정하는 무개입 최적설계를 진행하고자 한다.

이론/모형

민감도 분석을 진행하는 설계변수는 냉간 단조 성형 해석을 바탕으로 선정되었다. 성형해석 결과 성형 하중은 하부 금형에 상대적으로 높은 하중이 가해지고 있으며 2 공정에서부터 상대적으로 과도한 하중이 발생하였다.

성능/효과

그리고 무개입 설계와 다양한 캐드 및 해석 프로그램 간 연동이 가능하도록 범용성이 확보된 프로그램을 개발함에 따라, 그 실효성을 검증하기 위해 M10 육각 머리 볼트 다단 금형 설계 및 단조 성형 해석을 진행하였다. 또한, 비숙련자를 대상으로 자동 및 수동의 전처리 과정에서 각각 작업 시간 비교를 통해 개발된 자동화 프로그램의 유효성을 입증하였다.
또한 공정이 5단계로 확장될 경우, 소요 시간 차이는 8분 30초에서 42분 30초로 더욱 증가하였다. 이러한 실험 결과를 통해 다단 금형 캐드 제작으로부터 해석 구현까지의 전처리 과정을 크게 단축할 수 있음을 확인하였다.
(3) 제작된 단조 금형 모델링을 활용하여 단조 성형 시뮬레이션을 수행하였으며, 추가로 GUI와 연동하여 금형 모델링의 전처리부터 단조 해석 과정까지의 소요되는 시간을 약 6.7배 단축할 수 있었다.

후속연구

본 연구에서 제안된 자동화 프로그램을 통해 무개입 설계, 해석 및 민감도 분석을 통해 3차원 비대칭 금형에 대하여 설계 자동화 및 민감도 분석을 진행하였다. 이 연구는 AI와 디지털 트윈을 활용한 최적화 및 실제 공정 적용을 목표로 하는 기초 연구의 일환이며, 후속 연구를 통해 공정변수나 설계변수를 더욱 세분화하고 이를 조정하는 무개입 최적설계를 진행하고자 한다.

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