[논문]차량용 에어컨 필터하우징 제작을 위한 냉간단조 공정 유한요소해석

민규영; 정배영; 박성영; 박용복

차량용 에어컨 필터하우징 제작을 위한 냉간단조 공정 유한요소해석
Finite Element Analysis of Cold forming Process for Manufacturing of Automotive Air-Conditioning filter housing 원문보기

민규영 (공주대학교 일반대학원 기계공학과) , 정배영 (공주대학교 기계자동차공학부) , 박성영 (공주대학교 기계자동차공학부) , 박용복 (공주대학교 기계자동차공학부)

본 논문에서는 자동차 공조부품인 리시버드라이어로서 플랜지와 바디로 구성되어 있다. 리시버드라이어는 냉매 중 포함된 습기 및 기타 불순물을 차단하는 부품으로서 사이트글라스가 부착되어 냉매의 흐름의 상태를 알 수 있다. 또한 압력 밸브가 부착되어 있어 냉매 회로의 압력과 온도가 상승하면 녹아서 냉매를 배출하므로 배관이나 부품들의 압력에 의해서 파괴되는 것을 방지 할 수 있다. 최근 경제적 성형에 관심이 많아 대표적 성형공정인 냉간단조를 적용하여 소재 회수율 및 절삭 비용 등을 절감하는데 목적을 두었다. 냉간단조를 적용하여 자동차 공조 부품인 플랜지와 바디를 개발하는데 공정설계, 금형설계, 금형제작 기술을 확보하였다.

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문제 정의

본 연구에서는 냉간단조 공정 시 플랜지와 바디에 발생하는 응력, 변형특성 및 예상하중을 예측하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다.
본 연구에서는 냉간단조 공정에서 플랜지와 바디에 발생하는 응력, 변형특성 및 하중을 예측하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다.

가설 설정

해석에 사용된 프로그램은 소성가공전용 프로그램인 DEFORM-3D를 사용하여 유한요소해석을 진행하였다[2]. 본 연구에 적용된 소재의 물성은 AL6061이고 금형은 강체로 가정하였다.

제안 방법

(2) 복잡한 알루미늄 단조 제품의 생산기술을 확보하였고 각 공정 전에 소둔 작업을 표준화 시켜 경도를 HB35 이하로 관리하였다.
냉간단조 공정에서 실제 공정에서 높은 하중으로 인해서 프레스의 오작동이 발생한다면 생산성 및 효율성이 떨어지기 때문에 상부금형의 예상성형하중을 측정하였다. 플랜지는 400ton 기계식 너클 프레스에 서 성형을 하고 바디는 550ton 유압프레스에서 성형을 한다.
냉간단조 공정으로 각 제품의 실험을 진행함으로써 복잡한 알루미늄 단조 제품의 생산기술을 확보하였고 각 공정 전에 소둔 작업을 표준화 시켜 경도를 HB35 이하로 관리해야 한다. 또한 본데루베 작업과 스테아린산 아연 피막을 통하여 윤활 작업 표준을 확립해야 한다.
플랜지는 비대칭 형상을 가지고 있기 때문에 성형을 예측하기 어렵다. 따라서 한 공정으로 성형을 하기에 무리가 있으므로 예비성형체를 성형한 후에 최종제품을 얻을 수 있도록 공정을 설계하였다.
바디의 최종제품은 플랜지에 비해 길이가 긴 형상을 가지고 있기 때문에 성형에 어려움이 있다. 따라서 한 공정으로 제품을 성형하기에 무리가 있으므로 플랜지와 마찬가지로 예비성형체를 성형한 후에 최종제품을 얻을 수 있도록 공정을 설계하였다.
또한 본데루베 작업과 스테아린산 아연 피막을 통하여 윤활 작업 표준을 확립해야 한다. 이를 통하여 공정설계, 금형설계, 금형제작 기술을 확보하였다.
플랜지 해석 모델은 중심축에 대해 비대칭이므로 1/2에 대해서 해석을 수행하였고 바디 해석 모델은 중심축에 대해 대칭이지만 길이가 긴 형상이어서 격자를 생성하는데 어려움이 있어 플랜지 해석 모델과 마찬가지로 1/2에 대하여 유한요소해석을 수행하였다. 그림.

대상 데이터

자동차 공조시스템의 부품인 리시버드라이어는 플랜지와 바디로 구성되어 있다. 일반적으로 절삭을 통하여 가공이 이루어지는 대표적인 공조부품으로 서, 절삭가공 시 정밀한 성형을 할 수 있는 장점을 가지고 있지만 소재의 회수율 및 절삭 시간 등은 생산 효율을 저하시키는 문제점이 있다.

데이터처리

4는 유한요소해석 시 해석에 적용될 모델을 보여주고 있다. 해석에 사용된 프로그램은 소성가공전용 프로그램인 DEFORM-3D를 사용하여 유한요소해석을 진행하였다[2]. 본 연구에 적용된 소재의 물성은 AL6061이고 금형은 강체로 가정하였다.

성능/효과

(1) 냉간단조 공정을 통하여 제품을 성형함으로써 후 가공을 최소화 시킬 수 있었고 유한요소해석을 통하여 성형된 제품과 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
(3) 본데루베 작업과 스테아린산 아연 피막을 통하여 윤활 작업 표준을 확립하였다. 이를 통하여 공정설계, 금형설계, 금형제작 기술을 확보하였다.
(4) 각 공정에 대한 예상성형하중은 플랜지 1차 공정에서는 433ton, 2차 공정에서는 174ton으로 예측되고 바디 1차 공정에서는 255ton, 2차 공정에서는 236ton으로 예측할 수 있었다.

후속연구

본 연구를 통하여 얻어진 결과로 독자적인 냉간단조 공정 설계 기술을 확보하고 신기술을 연구 개발하는데 기본적인 정보를 제공할 수 있다.

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