[논문]디젤 차량 플런저 부품의 금형설계 및 금형제작에 관한 연구

최계광; 조윤호; 이동천

디젤 차량 플런저 부품의 금형설계 및 금형제작에 관한 연구
A Study on the Die design and Manufacturing in the plunger parts of diesel vehicles 원문보기

최계광 (공주대학교 기계자동차공학부) , 조윤호 ((주)상진 미크론) , 이동천 (한국씨마트론 기술(주))

플런저(Plunger)의 부품 용도는 점화 플러그와 조립 되는 부품으로 연료 분사장치에 적용하여 연료 효율이 약 15~20% 개선됨이 일본에서 검증되어 일본은 상용화 되었다. 국내에서는 개발단계로 처음에 냉간단조로 개발하였다가 원가 및 생산성 문제로 프로그레시브금형(Progressive Die)로 개발 하려는 단계이다. 이에 본 논문에서는 디젤 차량에 장착되는 플런저를 냉간단조방식이 아닌 원가 및 생산성을 확보할 수 있는 프로그레시브 금형에 적용하여 양산할 수 있는 스트립 레이아웃을 개발한 결과를 바탕으로 금형설계 및 제작을 하고, 프레스에 장착하여 트라이얼 하였고 이를 통하여 기존 설비 대비 1/20의 금액투자로 플런저 생산원가를 확보할 수 있었다.

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문제 정의

이에 (주) 상진 미크론에서는 기존의 냉간단조 방식을 탈피하고 프로그레시브금형설계 및 제작방식으로 변경하여 기존설비대비 1/20로 투자자금을 낮추고, 요구하는 정밀도와 가격대비 경쟁력을 갖추기 위해 플런저를 국산개발을 하고자 한다.[1]

제안 방법

그림 3에서 보는 바와 같이 원형피어싱, 노칭, 랜싱부를 첫 번째 다이블록으로 분할하였다. 2번째는 드로잉과 아이들부를 기준으로 분할하였다. 그 이유로는 앞 공정에서보다 드로잉을 하면서 재료의 유입에 따른 블랭크 홀딩력을 높이려는 의도 때문이다.
05mm 이상 커지는 현상이 발생이 되었다. 그래서 마지막 공정의 펀치와 다이를 수정하였다. 2차 스탬핑시 제품 외측 바닥면 부의 버가 발생이 되어 내경 Φ6 피어싱 이후 공정에 챔버 공정을 삽입하여수정을 완료하고 스탬핑한 결과 양산한 제품이 검사에 합격하여 트라이얼을 종료하였다.
이와 같이 결정한 다이플레이트의 크기는 1,350 x 410mm로 결정하였다. 그러나 소재이송방향의 다이 플레이트의 크기가 너무 크므로 4개로 분할하기로 하였다. 1차 다이플레이트 크기는 320mm, 2차는 310mm, 3차는 335mm, 4차는 270mm로 하였다.
디젤 플런저의 금형설계시 최종 스트립레이아웃설계를 한후에 절단윤곽선의 형상에 따라 다이 플레이트 두께에 가중치를 가산하여 다이플레이트의 크기를 결정한다. 이와 같이 결정한 다이플레이트의 크기는 1,350 x 410mm로 결정하였다.
본 논문에서는 이와 같이 중요한 플런저 부품을 생산하는 금형을 블랭크전개, 블랭크 레이아웃을 거쳐 스트립 레이아웃 설계를 바탕으로 금형설계 및 제작을 하고, 프레스에 장착하여 트라이얼 하였고 이를 통하여 기존 설비 대비 1/20의 금액투자로 플런저 생산원가를 확보할 수 있었다.
블랭크 레이아웃 설계를 완료한 이후에 Cimatron E Die Design을 이용하여 역설계를 하여 1차로 결정한 스트립 레이아웃은 24공정으로 아워그래스 타입으로 하였다. 그림 1은 각 공정별 배열한 1차 스트립 레이아웃도이다.
1차 다이플레이트 크기는 320mm, 2차는 310mm, 3차는 335mm, 4차는 270mm로 하였다. 이와 같은 비율은 펀치플레이트, 스트리퍼플레이트, 펀치배킹플레이트, 다이배킹플레이트는 각 플레이트의 특성에 따라 다르게 분할하게 하였다. Cimatron E Die Design을 이용하여 3D로 금형설계한 플레이트는 그림 3~5에 나타내었다.

대상 데이터

그러나 소재이송방향의 다이 플레이트의 크기가 너무 크므로 4개로 분할하기로 하였다. 1차 다이플레이트 크기는 320mm, 2차는 310mm, 3차는 335mm, 4차는 270mm로 하였다. 이와 같은 비율은 펀치플레이트, 스트리퍼플레이트, 펀치배킹플레이트, 다이배킹플레이트는 각 플레이트의 특성에 따라 다르게 분할하게 하였다.
독일의 아돌프 디젤이 발명한 디젤 엔진은 내연기관의 하나로서 공기의 압축열에 의해 연료에 착화해서 연소되어 동력을 얻는 원리이다. 주요부품은 본질적으로 가솔린 엔진과 같이 실린더, 피스톤, 크랭크 샤프트 등의 각 부분으로 구성되어있다. 하지만 점화 방식의 차이로 가솔린 엔진에서 쓰여지는 점화 장치가 필요 없는 반면 디젤엔진에서는 연료분사장치(플런저)가 필요하다.

성능/효과

1) 미국 및 유럽 등 앞으로 많은 CAFE 규정을 맞추기 위해 고효율, 고연비의 자동차 시장이 조기 활성화될 것으로 예상된다.
2) 국산 디젤 플런저 부품개발에 따른 기대효과로는 기존의 냉간단조 방식을 탈피하여 프로그레시브 금형제작 방식으로 변경함으로서 요구하는 정밀도와 가격대비 경쟁력을 강화할 수 있다.
3) 기존설비 대비 1/20의 금액투자로 플런저 생산원가를 확보할 수 있고, 기존의 엔진차량보다 연비를 15~20% 이상 크게 향상시킴은 물론이고 이산화탄소 배출량도 크게 감소할 수 있다.
트라이얼에 사용한 프레스는 쌍용프레스(CD-250) 250톤에 금형을 설치하여 1차 스탬핑을 해서 확인해본 결과 마지막 공정에서 핀치 트리밍후에 제품도의 치수 18.5보다 편측 0.05mm 이상 커지는 현상이 발생이 되었다. 그래서 마지막 공정의 펀치와 다이를 수정하였다.

후속연구

4) 친환경 자동차보급 확대에 기여할 것이며 스마트 그리드 사업과 연계 산업에 시너지 효과 및 다양한 자동차기술 관련 산업에 기여할 것이다.

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