[논문]마이크로 스프링 제작을 위한 마이크로 와이어 프레스가공 해석연구

강정진; 홍석관; 전병희; 고귀현; 양승진; 표창률

문제 정의

본 연구에서는 마이크로 와이어를 원소재로 하는 마이크로 스프링의 프레스 가공공정에 대한 적합한 유한요소해석 모델을 확립하기 위하여, 해석조건 및 공정인자에 대한 기초연구를 수행하였다. 마찰모델 및 마찰계수 변화에 따른 변위-하중 곡선의 변동 양상을 살펴보았으며, 공정조건 및 해석조건에 매우 민감하게 반응하는 스프링백 현상에 대한 유한요소해석 및 그 예측결과에 대한 분석을 수행하였다.
일반적으로 프레스금형 기반의 소성가공은 생산성이 가장 좋은 공정 중 하나이다. 본 연구에서는 마이크로 와이어를 원소재로 하여 마이크로 스프링에 대한 프레스가공기술을 개발하는 과정에 있어, 해당 프레스성형공정을 효과적으로 시뮬레이션할 수 있는 유한요소해석기법을 마련하고자 한다.
다음으로 특정 형상의 마이크로 스프링 제작을 위한 단조 및 굽힘 복합성형공정에 대한 해석을 통하여 변형률 분해법 선정의 영향, 유한요소의 크기 및 개수가 스프링백 해석결과에 미치는 영향을 평가한다. 아울러 마찰인자의 변화에 따른 스프링백 예측결과의 변동 경향을 살펴본다.

제안 방법

마이크로 와이어에 대한 단조공정해석을 통하여 마이크로 와이어 성형공정해석에 적합한 마찰모델 및 마찰인자에 대한 고찰을 수행한다. 다음으로 특정 형상의 마이크로 스프링 제작을 위한 단조 및 굽힘 복합성형공정에 대한 해석을 통하여 변형률 분해법 선정의 영향, 유한요소의 크기 및 개수가 스프링백 해석결과에 미치는 영향을 평가한다. 아울러 마찰인자의 변화에 따른 스프링백 예측결과의 변동 경향을 살펴본다.
마이크로 스프링의 프레스 가공에 대한 시뮬레이션을 수행할 때에, 적정한 마찰 모델 및 마찰 상수를 결정하기 위하여 마이크로 와이어에 대한 단조 시뮬레이션을 수행하였다(Fig. 1). 마이크로 와이어의 직경은 0.
마이크로 와이어에 대한 단조공정해석을 통하여 마이크로 와이어 성형공정해석에 적합한 마찰모델 및 마찰인자에 대한 고찰을 수행한다. 다음으로 특정 형상의 마이크로 스프링 제작을 위한 단조 및 굽힘 복합성형공정에 대한 해석을 통하여 변형률 분해법 선정의 영향, 유한요소의 크기 및 개수가 스프링백 해석결과에 미치는 영향을 평가한다.
본 연구에서는 마이크로 와이어를 원소재로 하는 마이크로 스프링의 프레스 가공공정에 대한 적합한 유한요소해석 모델을 확립하기 위하여, 해석조건 및 공정인자에 대한 기초연구를 수행하였다. 마찰모델 및 마찰계수 변화에 따른 변위-하중 곡선의 변동 양상을 살펴보았으며, 공정조건 및 해석조건에 매우 민감하게 반응하는 스프링백 현상에 대한 유한요소해석 및 그 예측결과에 대한 분석을 수행하였다.
2는 각 마찰 모델에 기초한 단조 시뮬레이션에 의해서 예측된 변위-하중 곡선을 실험 결과와 함께 보여주고 있다. 실제 실험은 윤활을 하지 않은 상태에서 수행되었으며, 성형 하중을 5kg 단위로 증가시키면서 각 하중에서의 펀치 스트로크를 측정하였다. 성형 하중에 대한 펀치 스트로크 예측값이 마찰 모델 및 마찰 계수(또는 마찰 인자)의 변화에 따라 큰 편차를 보이는 것으로 예측되었다.
유한요소(finite element)의 크기, 형상비 및 사용된 요소 수 등이 해석 결과에 미치는 영향을 살펴보기 위하여, 요소 개수를 3,000개에서 15,000개까지 변화시켜가며 시뮬레이션을 수행하였다. 해석 결과 간의 비교를 위하여, 성형 직후 스프링백에 의한 마이크로 스프링의 오른쪽 끝단의 처짐각(θ₂, Fig.

대상 데이터

08mm이며, 길이 방향(축 방향)으로 2mm를 단조 성형한다. 마이크로 와이어는 팔라듐(Palladium) 계열의 합금으로 탄성계수는 117GPa, 초기항복응력은 618MPa로 설정하였다. 본 성형해석에는 MSC.

이론/모형

마이크로 와이어는 팔라듐(Palladium) 계열의 합금으로 탄성계수는 117GPa, 초기항복응력은 618MPa로 설정하였다. 본 성형해석에는 MSC.Marc를 사용하였다.
본 해석에는 마찰 모델로서 일반적으로 많이 사용되는 Coulomb 마찰(Coulomb's friction law)과 일정 전단 마찰(constant shear friction law)을 적용하였다.

성능/효과

0)일 때의 시뮬레이션 예측 결과가 실제 실험과 유사한 것으로 나왔다. 마이크로 스프링 성형공정 시뮬레이션에서는, 변형률의 additive decomposition 적용은 스프링백 예측에 적절하지 못한 것으로 확인되었다. 마이크로 스프링 프레스성형공정에 대한 유한요소해석에서 요소 크기 및 개수, 마찰인자(또는 마찰계수) 변동에 따른 스프링백 예측은 추후 좀더 면밀한 고찰이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
6는 마찰 인자(m)를 변화시켰을 때, 성형 직후 스프링백에 의한 처짐각(θ₂)에 대한 시뮬레이션 예측 결과이다. 마찰 인자의 증가에 비례하여 마찰력이 증가하면서 대체적으로 스프링백에 의한 처짐각이 저감(처짐각이 0에 가까워지는 것)되는 효과를 보이는 것으로 예측되었으며, 이는 마찰력의 증가가 스프링백에 미치는 일반적인 영향이라고 볼 수 있다. 마찰 인자(m)가 0.
5에 도시하였다. 본 해석을 수행할 때, 변형률의 탄성부 및 소성부 분해를 additive decomposition 또는 multiplicative decomposition으로 적용하였는데 예측 결과에서 보는 바와 같이, additive decomposition인 경우는 스프링백 예측결과가 일관성이 없음을 볼 수 있다. 반면에 multiplicative decomposition인 경우는 결과가 일관되게 예측되기는 하였으나 기대했던 바와는 달리 처짐각이 일정 값에 수렴하는 경향을 보이지 않았다.

후속연구

마이크로 스프링 성형공정 시뮬레이션에서는, 변형률의 additive decomposition 적용은 스프링백 예측에 적절하지 못한 것으로 확인되었다. 마이크로 스프링 프레스성형공정에 대한 유한요소해석에서 요소 크기 및 개수, 마찰인자(또는 마찰계수) 변동에 따른 스프링백 예측은 추후 좀더 면밀한 고찰이 이루어져야 할 것으로 판단된다. 본 연구내용은 마이크로 스프링 성형가공을 위한 프레스공정개발에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
마이크로 스프링 프레스성형공정에 대한 유한요소해석에서 요소 크기 및 개수, 마찰인자(또는 마찰계수) 변동에 따른 스프링백 예측은 추후 좀더 면밀한 고찰이 이루어져야 할 것으로 판단된다. 본 연구내용은 마이크로 스프링 성형가공을 위한 프레스공정개발에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
반면에 multiplicative decomposition인 경우는 결과가 일관되게 예측되기는 하였으나 기대했던 바와는 달리 처짐각이 일정 값에 수렴하는 경향을 보이지 않았다. 이에 대해서는 추후에, 적용된 유한요소의 종류 및 크기 등이 스프링백 해석에 미치는 영향을 살펴볼 계획이다. Fig.

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