[논문]유한요소법을 이용한 나사전조 공정의 해석

장수진; 이민철; 한승상; 윤덕재; 전만수

[국내논문] 유한요소법을 이용한 나사전조 공정의 해석
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장수진 ((사)경상대 수송기계부품 기술혁신센터) , 이민철 (경상대학교 공학연구원) , 한승상 (영신금속공업(주)) , 윤덕재 (한국생산기술연구원) , 전만수 (경상대학교 기계항공공학부)

In this paper, three-dimensional finite element analysis of screw rolling process of a long shaft bolt is conducted by using a rigid-plastic finite element method based metal forming simulator AFDEX 3D. A whole sequence of cold forming processes of a long shaft bolt composed of forging and screw rolling processes is simulated to reveal the mechanism of screw formation. A mesh density control function is applied near the major plastic deformation region to achieve computational efficiency.

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문제 정의

본 연구에서는 나사전조 공정에 초점을 맞추되장축볼트의 전체 제조 공정을 대상으로 소성가공공정 시뮬레이션을 실시하고자 한다.

제안 방법

강소성 유한요소법에 근거한 AFDEX 2D 와 AFDEX3D를 사용하여 Fig. 1의 나사제조 전체공정의 시뮬레이션을 실시하였다. 유동응력은 선조 질강인 ESW105의 압축시험으로부터 구하여 사용하였고, 제4단까지의 단조 공정에서의 마찰조건으로 쿨롱 마찰법칙과 마찰계수 0.
제3단까지는 2차원 해석을 수행하였고, 제4단에 대해서는 3차원 해석을 수행하였다. 예측된 소재의 변형 형상과 각 공정의 종료 순간의 유효 변형률 분포를 Fig.
하였다. 나사의 전조공정 해석이 강조되었으며, 계산의 효율과 정확도의 향상을 위하여 나사가 성형되는 부위를 조밀하게 모델링 하기 위하여 요소 밀도 제어기능을 사용하였다. 해석 결과 나사의 길이변화는 무시할 정도로 작게 나타났으며, 이는 실험적으로도 확인되었다.
따라서 마찰조건 등의 설정과 적합한 유한요소해석 모델의 개발이 선행되어야 할 것으로판단된다. 현실적으로 가능한 방안으로는, 해석과실험 결과 모두 길이 방향의 변형이 거의 발생하지 않기 때문에, 소수의 나사산을 포함하고 양면에대칭조건을 설정한 해석모델을 제안한다.

대상 데이터

본 연구에서는 4단의 단조공정과 나사전조 공정을 포함하는 장축12각 볼트의 전 제조공정을 시뮬레이션 하였다. 나사의 전조공정 해석이 강조되었으며, 계산의 효율과 정확도의 향상을 위하여 나사가 성형되는 부위를 조밀하게 모델링 하기 위하여 요소 밀도 제어기능을 사용하였다.

이론/모형

1의 나사제조 전체공정의 시뮬레이션을 실시하였다. 유동응력은 선조 질강인 ESW105의 압축시험으로부터 구하여 사용하였고, 제4단까지의 단조 공정에서의 마찰조건으로 쿨롱 마찰법칙과 마찰계수 0.05를 사용하였다. 전조 공정의 해석에서는 접촉절점이 매우 작은 관계로 접착조건을 사용하였다.

성능/효과

02% 증가하였으므로 길이변화는 무시 가능하다. 5개의 시편에대하여 나사 전조 전후의 길이를 측정하여 비교해본 결과, 103mm의 길이의 단조 후의 볼트 소재가약 0.04mm 늘어난 것으로 나타났다. 따라서 실험결과와 해석결과는 늘어난 길이 측면에서는 유.
나사의 전조공정 해석이 강조되었으며, 계산의 효율과 정확도의 향상을 위하여 나사가 성형되는 부위를 조밀하게 모델링 하기 위하여 요소 밀도 제어기능을 사용하였다. 해석 결과 나사의 길이변화는 무시할 정도로 작게 나타났으며, 이는 실험적으로도 확인되었다.

후속연구

그리고 소재의 크기에 비하여 접촉영역이 작으면서 동시에 두 평판 사이에는 탄성력이 작용할 것으로판단된다. 따라서 마찰조건 등의 설정과 적합한 유한요소해석 모델의 개발이 선행되어야 할 것으로판단된다. 현실적으로 가능한 방안으로는, 해석과실험 결과 모두 길이 방향의 변형이 거의 발생하지 않기 때문에, 소수의 나사산을 포함하고 양면에대칭조건을 설정한 해석모델을 제안한다.
즉, 점진 성형 공법이 가지고 있는 공통적인 문제인 과다한 해석스텝으로 인하여 발생하는 계산 효율의 문제를 안고 있다. 이러한 문제는 컴퓨터 하드웨어 발전과 더불어 다소 개선이 되었고, 앞으로도 지속적인 개선이 이루어질 것이다. 나사 전조 공정의 특징은 형상이 규칙적으로 변하지만 공정 중 형상은 매우 복잡하여 이를 효율적으로 표현하는데 한계가 있으며 전체 모델을 대상으로 해석을 실시할 경우 계산시간 측면에서 문제가 매우 많다는 점이다.

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