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문제 정의
- 본 연구에서는 록업허브의 제조공정 시 배 압력을 이용하여 제품의 품질을 향상시키고, 단조 공정을 단축시키기 배압성형기술을 개발하였다. 제조공정 시 최적의 배압력을 얻기 위해 강소성 유한요소해석을 수행하였으며, 계산에 의해 결정된 배 압력을 이용하여 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 1975년부터 국내에 일본의 단조 기술 도입을 시작으로 최근까지 많은 국내 및 국외 연구 학자들은 단조 공정 중 금형의 수명 향상 및 금형의 탄성변형에 의한 제품의 정밀도 향상에 대해 연구를 지속적 하고 있다. 본 연구에서는 자동차 자동 변속기 부품에 사용되는 록업허브(Lock-up hub)를 이용하여 실험 및 유한요소해석을 수행하였다. 록업 허브의 재조는 기존 전방 압출을 이용하여 원소재에서부터 최종제품까지 4공정으로 제조되어 왔으며, 생산공정의 단축 및 치형부위의 리드 정밀도를 향상시키기위해 기존 단조 형태와 다른 배압성형 기술을 개발하였다.
- 배압 성형 기술 (Back Pressure Forming)이란 단조 공정 시 소재의 유동속도를 동일한 조건으로 제어함으로써 정형 단조에 적합한 기술이며, 또한 치수 정밀도를 향상 시킬 수 있는 기술이다. 유한요소해석을 이용하여 배압성형 시 필요한 배압력을 계산하였으며, 해석의 정확성을 높이기 위해 소재의 물성치를 상온에서 압축실험을 통해 실제 측정값을 이용하였다. 해석에 의해 계산된 배압력을 이용하여 800[ton] 유압 프레스에서 배압력을 가할 수 있도록 특수다이셋을 이용하여 실험을 하였으며, 제품의 치형부위의 리드정밀도를 측정하기위해 접촉식 3차원즉정기 (Contact Coordinate Measuring Machine)을 이용하여 측정하였다.
- 유한요소해석을 이용하여 배압성형 시 필요한 배압력을 계산하였으며, 해석의 정확성을 높이기 위해 소재의 물성치를 상온에서 압축실험을 통해 실제 측정값을 이용하였다. 해석에 의해 계산된 배압력을 이용하여 800[ton] 유압 프레스에서 배압력을 가할 수 있도록 특수다이셋을 이용하여 실험을 하였으며, 제품의 치형부위의 리드정밀도를 측정하기위해 접촉식 3차원즉정기 (Contact Coordinate Measuring Machine)을 이용하여 측정하였다. 또한, 제품에 대한 신뢰성을 입증하기 위해 기존 전방압출에 의해 제조된 제품과 일본 제품에 대해 리드 정밀도를 비교 분석하였다.
- 해석에 의해 계산된 배압력을 이용하여 800[ton] 유압 프레스에서 배압력을 가할 수 있도록 특수다이셋을 이용하여 실험을 하였으며, 제품의 치형부위의 리드정밀도를 측정하기위해 접촉식 3차원즉정기 (Contact Coordinate Measuring Machine)을 이용하여 측정하였다. 또한, 제품에 대한 신뢰성을 입증하기 위해 기존 전방압출에 의해 제조된 제품과 일본 제품에 대해 리드 정밀도를 비교 분석하였다. Fig.
- 1은 실험과 해석의 전반적인 내용을 설명하고 있다. 그림에서 볼 수 있듯이 유한요소해석을 이용하여 최적의 배압력을 계산하였으며, 해석에 의해 계산되어진 압력을 실험에 적용 시켰다.
- 수행하였다. 압축 실험을 통해 정량화된 소재의 유동응력(Flow stress)을 측정하였으며, 실험에 의해 측정되어진 유동응력을 해석 시 적용시켰다. 우선 최적의 배압력을 결정하기 위해 소재는 소성체 (Plastic material), 펀치와 다이는 강체(Rigid body)로 놓고 강소성 유한 요소해석을 수행하였다.
- 압축 실험을 통해 정량화된 소재의 유동응력(Flow stress)을 측정하였으며, 실험에 의해 측정되어진 유동응력을 해석 시 적용시켰다. 우선 최적의 배압력을 결정하기 위해 소재는 소성체 (Plastic material), 펀치와 다이는 강체(Rigid body)로 놓고 강소성 유한 요소해석을 수행하였다. Fig.
- 본 해석은 피어싱 후 3 공정에 대해서만 해석을 수행하였으며, 해석 시간을 고려하여 1/12 모델을 이용하였다. 성형해석 시 펀치의 속도는 40mm/sec, 배압력은 0.5, 1, 2, 2.2, 3, 4[ton]등 8 가지방안으로 각각 압력을 부가 시켜 적정값을 찾고자 하였다.
- 또한 배압성형품은 현재 양산되고 있는 압출품에 비해 35 ㎛정도의 차이를 보였다. 측정은 정밀도가 높은 접촉식 3차원 측정기를 사용하였다.
- 제조공정 시 최적의 배압력을 얻기 위해 강소성 유한요소해석을 수행하였으며, 계산에 의해 결정된 배 압력을 이용하여 실험을 수행하였다. 또한 실험에 의해 제조된 시제품의 리드 정밀도를 측정하였다.
- 제조공정 시 최적의 배압력을 얻기 위해 강소성 유한요소해석을 수행하였으며, 계산에 의해 결정된 배 압력을 이용하여 실험을 수행하였다. 또한 실험에 의해 제조된 시제품의 리드 정밀도를 측정하였다. 본 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
- 또한 배압성형품은 현재 양산되고 있는 압출품에 비해 35 倒1정도의 차이를 보였다. 본 실험과 해석을 통해 배압성형 기술을 개발하였으며, 특허를 출현하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 소재는 S25C(AISI 1025)이며, 소재의 물성치를 정량화 시키기 위해 원통형 빌렛을 이용하여 상온에서 압축실험을 수행하였다. 압축 실험을 통해 정량화된 소재의 유동응력(Flow stress)을 측정하였으며, 실험에 의해 측정되어진 유동응력을 해석 시 적용시켰다.
- 3는 기존공정와 배압공정에 대해 유한요소해석에 사용된 모델을 비교한 것이다. 해석 시사용된 요소수는 83066 개로서, 모델의 형상을 최대한 고려하기 위해 메쉬 전용 프로그램인 Hyper_Mesh 를 사용하였다..
- . 본 해석은 피어싱 후 3 공정에 대해서만 해석을 수행하였으며, 해석 시간을 고려하여 1/12 모델을 이용하였다. 성형해석 시 펀치의 속도는 40mm/sec, 배압력은 0.
- 본 실험에 사용된 장비는 800[ton] 유압 프레스를 사용하였으며, 배압력은 24[ton]의 배압력을 이용하여 실험을 수행하였다" 또한 배압력을 가하기 위해 특별히 제작된 유압기기를 사용하였다. 실험에 사용된 유압펌프의 최대 유압용량은 100[ton]이다.
- 실험에 사용된 유압펌프의 최대 유압용량은 100[ton]이다. Fig.
데이터처리
- 본 해석을 통해 결정된 배압력을 이용하여 실금형을 제작하여 실험을 수행하였으며, Fig. 6 은 실험과 해석에서의 하중값을 비교 분석한 결과이다. 실험에서 측정된 최고 하중값은 580[ton], 해석에 의해 계산되어진 값은 640[ton]으로 약 60[ton] 정도 차이를 보였다.
성능/효과
- 6 은 실험과 해석에서의 하중값을 비교 분석한 결과이다. 실험에서 측정된 최고 하중값은 580[ton], 해석에 의해 계산되어진 값은 640[ton]으로 약 60[ton] 정도 차이를 보였다. 그러나 그림에서 알 수 있듯이 동일한 양상의 그래프가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 7은 자동차용 부품인 록업 허브의 기존 압출 공정에 의해 성형된 최종제품과 본 연구를 통해 개발된 배압성형품을 나타내고 있다. 제품의 리드 정밀도를 각 부위별로 비교 분석한 결과 압출품은 기준점에 비해 최대 25 ㎛, 배압성형품은 60 ㎛의 차이를 보였다. 또한 배압성형품은 현재 양산되고 있는 압출품에 비해 35 ㎛정도의 차이를 보였다.
- 1) 적정한 배압력을 결정하기 위해 8 가지 방안으로 배압력을 부가시켜 해석을 수행한 결과 48[ton]이상에서는 성형이 불가능하며, 20~25[ton]의 배압력이 최적의 배압력으로 계산되어졌다. 또한 유동속도 및 변형율 분포에서도 기존 압출 성형품에 비해 배압성형품이 각 부위별로 동일한 분포로 속도가 제어되는 것을 확인할 수 있었다.
- 계산되어졌다. 또한 유동속도 및 변형율 분포에서도 기존 압출 성형품에 비해 배압성형품이 각 부위별로 동일한 분포로 속도가 제어되는 것을 확인할 수 있었다.
- 2) 해석에 의해 결정된 배압력으로 실험을 수행한 결과 제품의 외형적 부분에서 기존제품에 비해 우수하였으며, 2 가지 제품에 대해 치형 부위의 리드 정밀도를 비교 분석한 결과 압출품은 기준점에서 최대 25 ㎛, 배압성형품은 60 ㎛의 차이를 보였다. 또한 배압성형품은 현재 양산되고 있는 압출품에 비해 35 倒1정도의 차이를 보였다.
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