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지헌 근
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 7 pp , ISSN / eissn 이용우 1, 김장훈 1, 권종호 2* 1 에스톡컨설팅그룹, 2 신한대학교자동차공학과 Back-pressure cold forging analysis to minimize non-forming area of gear teeth Yongwoo Lee 1, Janghoon Kim 1, Jongho Kwon 2* 1 ESTOC Consulting Group, 2 Department of Automotive Engineering, Shinhan University 요약본연구에서는자동차자동변속기의핵심부품인아웃풋허브및리액션허브의치형미성형구간의최소화를위한배압냉간단조성형공법에대한유한요소해석을수행하였다. 변위제어해석으로펀치하중및슬리브배압력을도출하였고, 도출된하중및배압력을이용한하중제어해석을수행하여상호검증을하였다. 변위제어해석과하중제어해석이유사한경향을보였으며, 아웃풋허브와리액션허브의미성형구간을기준이하로만족시키기위한펀치하중과슬리브배압력을구하였다. 리액션허브의펀치하중이아웃풋허브보다큰이유는상부치형가공시리액션허브의단면감소율이아웃풋허브보다크기때문인것으로판단되며, 슬리브배압력이아웃풋허브와리액션허브에서차이가나는것또한슬리브단면적의차이에기인한것으로판단된다. 본연구에서제시한배압냉간단조성형해석과정과결과를적용한실제치형가공의미성형구간결과와비교하여검증평가하였으며, 치형제품의품질개선및생산성향상을위해요구되는성형가공조건을도출하는데유용하게활용될수있을것이다. Abstract This study performed the back-pressure cold forging analysis to minimize the non-forming area of gear teeth for the output hub and reaction hub in automatic transmission. Two important factors of the back-pressure cold forging process, the load of the punch and the backup force applied to the sleeve, were determined through displacement analysis. The non-forming area of the gear teeth was compared with both cases of the displacement analysis and load analysis, and their solution is similar to the measuring result of a real workpiece. The results show that the load of the punch is dependent on the reduction area of the workpiece, and the backup force applied to the sleeve is determined with regard to the cross-section-area of sleeve. This analysis procedure can be useful and effective in determining the manufacturing condition of the back-pressure cold forging process to minimize the non-forming area. Keywords : Back-pressure cold forging, Non-forming area, Gear teeth, Displacement analysis, Load analysis 1. 서론 자동변속기에사용되는주요부품인아웃풋허브 (output hub), 리액션허브 (reaction hub), 허브클러치 (hub clutch) 등의치형제품들은대부분쉐이빙 (shaving), 호빙 (hobbing) 과같은절삭가공과전조 (threading), 단조 (forging) 등의소성가공을병행하여제조되고있다. 절삭가공치형의경우제품의단류선파괴로인한강도저 본논문은중소기업기술개발지원사업위탁연구과제로수행되었음. * Corresponding Author : Jongho Kwon (Shinhan Univ.) Tel: jkwon@shinhan.ac.kr Received April 11, 2016 Accepted July 7, 2016 Revised May 25, 2016 Published July 31,

2 하가일어나는반면에, 단조성형된치형은소재가연속적으로형성되기때문에강도적인측면에서절삭가공보다장점이있다. 또한판재를이용하는 Roll(Flow) Forming 방법은일체형으로가공하기가어려워서제조원가가상승하게된다. 이와같은이유로인해제품의정밀성과대량생산화를지향하는추세에따라소성가공에의한새로운성형방법개발과함께성형공정의단점에대한문제를해석적인방법으로해결하려는연구가활발하게진행되고있다. Wang 등 [1] 은중공축내접스플라인을성형하기위한냉간압출공정에서금형과소재와의접촉부분의길이를다르게하는두가지공정을제시하여성형하중및최종형상을비교하였으며, Cho 등 [2] 은비축대칭와셔캠볼트제작을위하여다단계의예비형상을거치게하는 4단냉간단조공정을 Deform-3D로해석하여실험결과와비교하였다. 또한 Lee 등 [3] 은냉간단조에의한스피어기어단조시금형의치수정밀도를변화시킨실험을수행하여단조기어의정밀도와금형의치수정밀도와의상관관계를규명하고자하였다. 이외에도단조품의성형성및치수정밀도를향상시키기위한연구 [4,5] 가이루어지고있으나, 배압을이용하여치형제품의성형정밀도를향상시키려는연구는아직까지활발하게보고되지않고있다. 변속기치형부품을제작할때열간단조로제품을성형한후냉간단조로치형을생성하는과정에서소재의흐름이일정하지않기때문에소재의미충진문제가자주나타나게된다. 이로인해발생하는미성형구간 (non-forming area) 이많은경우, 가공공정에서단속가공이추가로필요하게되어생산성과제품정밀도가떨어지게된다. 본연구에서는변속기용허브단조품을생산하기위한배압냉간단조 (back-pressure cold forging) 성형기법에대한연구를수행하였다. Deform-3D를이용한냉간단조성형유한요소해석을통해 1.0mm 이하의미성형구간제품을성형하기위한 Punch 하중과 Sleeve 배압력조건을설정하는방법을도출하고실제적용결과와비교평가하여, 본연구의해석결과가치형제품의품질개선및생산성향상에유용하게활용될수있음을검증하였다. 2. 변속기용허브공정해석 2.1 배압냉간단조원리 Fig. 1은배압냉간단조기술의원리를나타낸것으로상부치형의성형시하부로부터배압력을가하여화살표부분의금형이아래쪽으로밀리지않을정도의힘을발생시켜서성형초기에발생하는미충진을최소화시키고, 하부치형성형시미성형구간을최소화시키기위한방법이다. Fig. 1. Back-pressure cold forging 2.2 Output Hub 및 Reaction Hub Fig. 2와 Fig. 3은자동변속기의핵심부품인 Output Hub와 Reaction Hub를나타낸것이며, Input Shaft의동력을각각 Clutch Assembly와 Drive Transfer Gear로전달하는중요한역할을한다. 이러한치형제품들은차량의소음및진동에직접적인영향을미치기때문에공차최소화및균일한제품생산을통한진동의저감이매우중요한품질개선요소이다. Fig. 2. Output hub of automatic transmission Fig. 3. Reaction hub of automatic transmission 257

한국산학기술학회논문지제 17 권제 7 호, 2016 2.3 배압냉간단조공정 Fig. 4는배압냉간단조공정을나타낸것이다. 성형개시전 Sleeve는 Die의치형끝단부까지상승하고, 이 Sleeve를배압장치가유압을이용하여설정된일정한배압력으로지지하게된다.

Material properties [7] Material Yield Strength Density Poisson`s Rate SCM430 435 MPa 7.85 g/cm 3 0.29 SKD11 1,200 MPa 7.70 g/cm 3 0.30 Fig. 5. Finite element model Table 2.

3 한국산학기술학회논문지제 17 권제 7 호, 배압냉간단조공정 Fig. 4는배압냉간단조공정을나타낸것이다. 성형개시전 Sleeve는 Die의치형끝단부까지상승하고, 이 Sleeve를배압장치가유압을이용하여설정된일정한배압력으로지지하게된다. 성형이시작되면 Punch가아래쪽으로내려오면서 Punch 내측에있는상부치형이먼저성형되고, Punch는소재표면과닿을때까지하강한다. 소재가 Sleeve와닿게되면치형이성형되지않은모서리부위로소재가채워지게되고, 이과정이치형의미성형구간을최소화시키는핵심구간이다. 설정된압력에이르면 Sleeve의배압력이해제되고 Punch와소재가하강하면서하부치형성형이진행된다. Table 1. Material properties [7] Material Yield Strength Density Poisson`s Rate SCM MPa 7.85 g/cm SKD11 1,200 MPa 7.70 g/cm Fig. 5. Finite element model Table 2. Forging conditions for finite element analysis Output Hub Reaction Hub Number of element 142, ,865 Friction coefficient Stroke/sec Total stroke (mm) 유한요소해석을통해 Punch 의하중 (Surge압력) 과 Sleeve 배압력의적정수치를구하기위해강제적으로변위조건을부여하는정역학적해석을수행하였다. 정역학적해석은기본적으로내부힘의평형 (Static equilibrium) Fig. 4. Process of back-pressure cold forging 2.4 배압냉간단조유한요소해석단조품의소재는상온 (20 C) 의 SCM430을사용하였고, 금형은 SKD11이며재료의물성은 Table 1에나타나있다. Fig. 5에는 CATIA V5를사용하여모델링한 Die, Punch 및소재 (workpiece) 를나타내었으며, 대칭성을고려하여해석시간단축을위해 1/12 모델을적용하였고 Deform-3D로단조해석을수행하였다 [6]. Table 2에나타낸바와같이정확한해석결과를얻기위하여 10만개이상의요소를사용하였고, 냉간단조공정에서 Steel Die는 0.12의마찰계수를설정하였으며, 속도 0.67stroke/sec, 최대스트로크 220mm를사용하였다. 을기본법칙으로하기때문에, Punch의변위를제어하는정적해석에서도출된 Punch와 Sleeve의반력을각각하중과배압력으로설정하였다. 이러한하중과배압력조건을이용하여변위제어해석과같은공정으로하중제어해석을수행하여결과를비교하였다. 2.5 Output Hub 해석결과 Output Hub의치형미성형구간의해석을위하여 Punch에 1mm/s의강제변위를주는변위제어해석을통해 Punch와 Sleeve에걸리는반력을 Fig. 6과같이도출하였다. 치형이성형될때미성형구간의길이는소재의충진정도에영향을받고, 충진정도에따라 Punch 와 Sleeve 에걸리는반력의거동이달라지므로, Fig. 6에나타나는변곡점을충진시소재거동이달라지는특이점 (singularity) 으로가정할수있다. 258

Fig. 6. Load-stroke curve of output hub 수록치형가공시미성형구간의길이가줄어드는것을확인할수있다. 변위제어해석결과를토대로하여변곡점에서의하중및배압력을부여하여하중제어해석을수행하였으며, Fig. 8에나타낸바와같이변위제어해석결과와마찬가지로하중과배압력이증가할수록미성형구간의길이가감소하였다.

정리한바와같이변위제어해석과하중제어해석결과는약 0.1mm 정도의차이로유사한경향을가짐을확인할수있다. Table 3. Non-forming size of output hub Case Reaction force (kn) Punch Sleeve Non-forming area (mm) Displacement Load A 343 121 1.54 1.

4 Fig. 6. Load-stroke curve of output hub 수록치형가공시미성형구간의길이가줄어드는것을확인할수있다. 변위제어해석결과를토대로하여변곡점에서의하중및배압력을부여하여하중제어해석을수행하였으며, Fig. 8에나타낸바와같이변위제어해석결과와마찬가지로하중과배압력이증가할수록미성형구간의길이가감소하였다. 본연구의대상인 Output Hub는 30 Symmetric model로치형이약 5개정도포함되어있기때문에인접해있는 5개치형표본의미성형구간길이의평균값을측정하였으며, Table 3에정리한바와같이변위제어해석과하중제어해석결과는약 0.1mm 정도의차이로유사한경향을가짐을확인할수있다. Table 3. Non-forming size of output hub Case Reaction force (kn) Punch Sleeve Non-forming area (mm) Displacement Load A B C 1, D 1, Fig. 7. Displacement analysis of output hub Fig. 9에나타난치형성형해석결과의경향을분석한결과 Output Hub의미성형구간을 1.0mm 이하로만족시키기위해서 Punch의하중은 699kN 이상, Sleeve 배압력은 163kN 이상을부여해야만하는것을알수있다. Fig. 8. Load analysis of output hub Fig. 7 은 4 개변곡점에서의변위제어해석결과이며, 하중과배압력이증가하여모서리의충진정도가많아질 Fig. 9. Non-forming area vs. reaction force of output hub 259

한국산학기술학회논문지제 17 권제 7 호, 2016 2.6 Reaction Hub 해석결과 Output Hub와마찬가지로 Reaction Hub의치형미성형구간의해석을위하여 Punch에 1mm/s의강제변위를주는변위제어해석을통해 Punch와 Sleeve에걸리는반력을 Fig. 10과같이도출하였다.

Output Hub의경우와마찬가지로하중과배압이증가할수록미성형구간의길이가감소하였고, 반력이증가할수록변위제어해석과하중제어해석의미성형구간의길이차이가줄어들어거의유사한수치를나타내었다. Fig. 10. Load-stroke curve of reaction hub Table 4.

5 한국산학기술학회논문지제 17 권제 7 호, Reaction Hub 해석결과 Output Hub와마찬가지로 Reaction Hub의치형미성형구간의해석을위하여 Punch에 1mm/s의강제변위를주는변위제어해석을통해 Punch와 Sleeve에걸리는반력을 Fig. 10과같이도출하였다. Reaction Hub에대한변위제어해석과하중제어해석의결과를 Fig. 11과 Fig. 12에각각나타내었으며, 본연구의대상인 Reaction Hub의 30 Symmetric model은치형이 2개가포함되어있기때문에인접해있는 2개치형표본의미성형구간의길이의평균값을 Table 4와같이측정하였다. Output Hub의경우와마찬가지로하중과배압이증가할수록미성형구간의길이가감소하였고, 반력이증가할수록변위제어해석과하중제어해석의미성형구간의길이차이가줄어들어거의유사한수치를나타내었다. Fig. 10. Load-stroke curve of reaction hub Table 4. Non-forming size of reaction hub Case Reaction force (kn) Punch Sleeve Non-forming size (mm) Displacement Load A B C 1, D 2, Fig. 13에나타낸바와같이 Reaction Hub의미성형구간을 1.0mm 이하로만족시키기위해서 Punch의하중은 1,030kN 이상, Sleeve 배압력은 152kN 이상을부여해야만하는것을알수있다. Fig. 11. Displacement analysis of reaction hub Fig. 13. Non-forming area vs. reaction force of reaction hub Fig. 12. Load analysis of reaction hub 2.7 해석결과분석변위제어해석과하중제어해석결과를살펴보면, 상부치형가공에필요한 Reaction Hub의 Punch 하중 (1,080kN) 이 Output Hub의 Punch 하중 (699kN) 보다크게나타났으며, 이는치형가공에따른변형경화에의한 260

것으로판단된다. Fig. 14는치형가공후의면압 (Normal Pressure) 을나타내고있으며, 변형경화에의해 Reaction Hub의면압이 Output Hub에비하여상대적으로높게분포하고있음을볼수있다. 변형경화는소성변형량이많을수록높게나타나며, 이는단면감소율이높을수록 Punch 하중이크게나타나는원인이된다. Fig. 14. Normal pressure of output hub & reaction hub Fig.

0mm 이하로만족하기위한 Sleeve의배압력은 Output Hub와 Reaction Hub가각각 163kN, 152kN로차이가나는것역시 Sleeve의단면적차이에의한영향때문이며, Output Hub의상형을위한 Sleeve 단면적 (2,060mm 2 ) 이 Reaction Hub의 Sleeve 단면적 (1,735mm 2 )

6 것으로판단된다. Fig. 14는치형가공후의면압 (Normal Pressure) 을나타내고있으며, 변형경화에의해 Reaction Hub의면압이 Output Hub에비하여상대적으로높게분포하고있음을볼수있다. 변형경화는소성변형량이많을수록높게나타나며, 이는단면감소율이높을수록 Punch 하중이크게나타나는원인이된다. Fig. 14. Normal pressure of output hub & reaction hub Fig. 15에서치형가공전후의단면적을, 으로하여단면감소율을계산한결과, Output Hub의경우는 0.12, Reaction Hub는 0.19로결정됨에따라 Reaction Hub의 Punch 하중이상대적으로크게나타남을알수있다. 이러한경향은 Lee[8] 의중공축을이용한전후방가공공정에의한변형특성연구에서도유사한결과를확인할수있다. 또한, 미성형구간을 1.0mm 이하로만족하기위한 Sleeve의배압력은 Output Hub와 Reaction Hub가각각 163kN, 152kN로차이가나는것역시 Sleeve의단면적차이에의한영향때문이며, Output Hub의상형을위한 Sleeve 단면적 (2,060mm 2 ) 이 Reaction Hub의 Sleeve 단면적 (1,735mm 2 ) 보다크기때문에배압력또한크게나타남을볼수있다. 본연구에서얻은하중및배압력조건을이용하여 Fig. 16에나타낸것과같이 Output Hub와 Reaction Hub를가공한후미성형구간길이의최대값을측정한결과, Output Hub의경우는 1.16mm, Reaction Hub의경우는 1.04mm로측정되어서본연구의해석결과가유용하게활용될수있음을검증하였다. Fig. 16. Measurement of non-forming area 3. 결론 Fig. 15. Reduction area of output hub and reaction hub 본연구에서는자동차자동변속기의핵심부품인 Output Hub 및 Reaction Hub의치형미성형구간의최소화를위한배압냉간단조성형공법에대한유한요소해석을수행하여다음의결론을도출하였다. (1) Sleeve 배압력설정 상부치형성형 소재하부모서리충진 하부치형성형의 4 공정으로해석을수행하였다. 261

한국산학기술학회논문지제 17 권제 7 호, 2016 (2) 변위제어해석으로 Punch 하중및 Sleeve 배압력을도출하였고, 도출된하중및배압력을이용한하중제어해석을수행하여상호검증을하였다. (3) 변위제어해석과하중제어해석이유사한경향을보였으며, Output Hub와 Reaction Hub의미성형구간을 1.

(4) Reaction Hub의 Punch 하중이 Output Hub 보다큰이유는상부치형가공시 Reaction Hub의단면감소율이 Output Hub 보다크기때문인것으로판단되며, Sleeve 배압력이 Output Hub와 Reaction Hub 에서차이가나는것또한 Sleeve 단면적의차이에기인한것으로판단된다.

Wang, S. J. Lim and Y. B. Park, "Effect of the design parameter for internal spline forming using the tube", Journal of the Korean Society for Technology of Plasticity, Vol. 15, No. 7, pp. 512-517.

7 한국산학기술학회논문지제 17 권제 7 호, 2016 (2) 변위제어해석으로 Punch 하중및 Sleeve 배압력을도출하였고, 도출된하중및배압력을이용한하중제어해석을수행하여상호검증을하였다. (3) 변위제어해석과하중제어해석이유사한경향을보였으며, Output Hub와 Reaction Hub의미성형구간을 1.0mm 이하로만족시키기위한 Punch 하중과 Sleeve 배압력을구하였다. (4) Reaction Hub의 Punch 하중이 Output Hub 보다큰이유는상부치형가공시 Reaction Hub의단면감소율이 Output Hub 보다크기때문인것으로판단되며, Sleeve 배압력이 Output Hub와 Reaction Hub 에서차이가나는것또한 Sleeve 단면적의차이에기인한것으로판단된다. (5) 본연구에서제시한배압냉간단조성형해석과정과결과를실제적용결과와비교검증하였으며, 치형제품의품질개선및생산성향상을위해요구되는성형가공조건을도출하는데유용하게활용될수있을것이다. References [1] C. B. Wang, S. J. Lim and Y. B. Park, "Effect of the design parameter for internal spline forming using the tube", Journal of the Korean Society for Technology of Plasticity, Vol. 15, No. 7, pp DOI: [2] H. Y. Cho, Y. T. Kim, K. W. Kim and W. J. Kim, "Finite Element Analysis for Multi-stage Forging Process Design of bolt with Non-axisymmetric Washer Cam", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 32, No. 4, pp , DOI: [3] J. H. Lee, Y. S. Lee and J. J. Park, "Dimensional Accuracies of cold-forged spur gear", Journal of the Korean Society for Technology of Plasticity, Vol 5, No. 2, pp , [4] G. J. Kang, J. Kim, B. S. Kang, Numerical and Experimental Evaluation for Elastic Deformation of a Cold Forging Tool and Workpiece for a Sleeve Cam of an Automobile Start Motor, J. Eng. Manuf., Vol. 222, No. 2, pp , DOI: [5] Y. S. Lee, Y. N. Kwon, J. H. Lee, T. Ishikawa, Experimental and Finite Element Analysis to Predict the Dimensional Changes of a Cold-Forged Spur Gear, Proc. IMechE., Vol. 220, pp , DOI: [6] Deform-3D, Deform-3D Tutorial, SFTC Inc., [7] [8] J. H. Lee, A study on the Deformation Characteristics of Forward and Backward Can Extrusion Process Using a Hollow-Shaft, Master`s Thesis, Inha University, Graduate School of Education, Incheon, Republic of Korea, pp , 이용우 (Yongwoo Lee) [ 정회원 ] < 관심분야 > 기계, 자동차, 재료 2005 년 8 월 : 연세대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 2014 년 3 월 ~ 현재 : 연세대학교기계공학과 ( 공학박사수료 ) 2007 년 1 월 ~ 현재 : 에스톡컨설팅그룹기술이사 김장훈 (Janghoon Kim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 기계, 자동차, 재료 2010 년 8 월 : 서울대학교에너지자원공학과 ( 공학사 ) 2013 년 12 월 ~ 현재 : 에스톡컨설팅그룹선임연구원 권종호 (Jongho Kwon) [ 정회원 ] < 관심분야 > 기계, 자동차, 재료 1992 년 8 월 : 연세대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 2001 년 2 월 : 연세대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 1992 년 7 월 ~ 1997 년 11 월 : 기아자동차기술센터선임연구원 2002 년 9 월 ~ 현재 : 신한대학교자동차공학과교수 262

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method