Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 9 pp. 5789-5794, 2015 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2015.16.9.5789 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 사각형판재성형시벽두께증육을위한금형및공정설계 김진호 1, 홍석무 2* 1 삼성전자첨단기술연수소, 2 공주대학교금형설계공학과 Process and Die Design of Square Cup Drawing for Wall Thickening Jinho Kim 1, Seokmoo Hong 2* 1 Samsung Advanced Technology Training Institute, Samsung Electronics, 2 Department of Metal Mold Design Engineering, Kongju National University 요약최근스마트폰, 모바일 PC 제품의외관에필요한가벼운금속제품으로제조를하기위하여알루미늄압출공정과 CNC 가공기법을적용한생산방식이널리사용되고있다. 하지만, 알루미늄압출법은외관디자인의제약이있으며, 특히 CNC 가공프로세스가상대적으로높은생산비용및낮은생산성으로생산단가가많이높은단점이있다. 본연구에서, 새로운처리방법을순서재료비를대폭감소시키고, 제조속도를향상시키기위해판재성형과부피성형의두가지공정을섞어새로운판단조공정을개발하였다. 새로운판단조공법 (hybrid plate forging) 이란우선일반적인딥드로잉으로중간모양을만든후원하는벽부위만증육을하는방법을의미한다. 이러한판단조공법을활용하여재료의낭비와제조시간을최소화하는것이가능하게된다. 본연구에서는상용유한요소프로그램 AFDEX-2D를통해판단조공정을설계하였고최적의사용가능한소재의두께와초기폭을설계하였다. 최종적으로실제노트북케이스금형을제작하여제안한방법의타당성을검증하였다. Abstract Recently, thin and light-weight production technologies are needed in IT industry in accordance with increase of the smart phones and mobile PC products. In order to make light and high rigidity products, engineering plastic and aluminum materials are frequently used in products appearance and frame hat support structure. Especially aluminum extrusion and CNC Brick processes are widely used for high strength and high rigidity technology. But extrusion method has constraints to apply exterior design and CNC Brick process has relatively high production cost and low speed of manufacturing. In this research, a new process method is introduced in order to reduce material cost and to improve manufacturing speed dramatically. Plate forging process means basically that thickening of local wall area thickness after deform exterior shape by deep drawing and bending process. Therefore, it is possible to minimize the waste of material and the manufacturing time. In this study the process of plate forging is designed using finite element program AFDEX-2D and the thickness and the width of initial deformed blank. And it is verified as a sample which is a part of laptop developed through the proposed plate forging method. Keywords : CNC Machining, Plate Forging, Finite element method, Optimum design, Preform design 1. Introduction 전통적인금속성형공정으로알려진프레스기법으로모바일제품의케이스를만들었을때몇개의부품을조립해야하고각부품들의용접또는접합에의한강도 가저하되는단점이있다. 이에애플사는 2008년 Macbook Pro의새로운제품생산에 Brick 공법을사용하였다. 브릭공법이란알루미늄블록을 CNC 가공을통해깎은후레이저로마감처리함을의미한다. 브릭공정은비록단일부품이기때문에복잡한내부구조를갖는 * Corresponding Author: Seokmoo Hong(Kongju National University) Tel: +82-41-521-9268 email: smhong@kongju.ac.kr Received June 17, 2015 Accepted September 11, 2015 Revised August 21, 2015 Published September 30, 2015 5789
한국산학기술학회논문지제 16 권제 9 호, 2015 이음새가없는하나의알루미늄덩어리로만들어진다. 따라서무게와강도측면에서상당한강점을지닌다. 또한디자인적인측면에서이음새가없는디자인 (seamless design) 을구현할수있어외관차별화에성공한대표적인사례이다. 이후각 mobile 제품을생산하는 HP, Dell, Samsung, LG 등은알루미늄가공제품을경쟁적으로만들고있다. 브릭성형공법의단점으로는생산공정에반드시표면가공이수반되어야하고, 대량의 CNC 장비의투자가필요하다. 따라서상대적으로생산단가가높고, 생산속도가느린반면조립과정이줄어들고, 금형제작이불필요하므로생산공정전체를보면장점과단점이혼재한다. 본연구에서는브릭성형공법의단점인 C/T의개선과소재비용의낭비적인측면을획기적으로감소시키기위해서, 전통적인박판성형프레스공법과브릭성형공법을조화시킨판단조공법을제안하고자한다. 판단조공법 (plate forging) 은기본적으로 deep drawing, bending 을통해외관제품을만든이후, 원하는부위만단조성형을가해두께를증가시키는방법을의미한다. 따라서초기소재는일반적인금속판재를사용하기때문에 Brick공법에비해소재사용률을극대화할수있으며, 가공시간을최대 50배이상단축시킬수있는장점을갖는다. 최근에연구로는링기어플레이트등에유한요소해석을통해두께증육관련해서조종두등이해석을수행하여성형속도및하중과의관계등을정의하였다. Kim 등은다단프로그레시브금형을통해두께에변화를주는연구를수행하였다 [1]. Han 등은모바일폰소형부품에국부형상증육에대한연구를수행하였다 [2]. Joen 등은판단조성형기법에대한연구를수행하였다 [3]. 또한, You, Park 등은유한요소해석을이용한단조제품의프리폼설계에대한연구를수행하였다 [4,5]. 판단조공정에서는 Mori 와 Wang 등이유한요소해석을통해판단조공정설계를최적화하였다 [6-10]. Fig. 2 에서는브릭가공과판단조성형의 schematic diagram을잘보여주고있다. 하지만, 얇은박판의 wall 의두께를증가시킬때는, 세장비 (aspect ratio) 에따른버클링 (bucking) 이발생할수있으며, 또한 crack, folding 등의 failure도발생하기쉽기때문에, 이를 trial-and-error를통해개발하기는쉽지않다. 본연구에서는 2차원단조해석을통해위에서언급한결함이발생 하지않는성형성평가판단기준을만들고, 최적화기법을사용해원소재판재두께기준최대로벽두께증육이가능한범위를결정한다. 본연구의결과로는이러한프로세스를거쳐원하는초기소재두께대비원하는 geometry가결정되면최대두께를결정할수있는가이드를제공하게된다. 본연구를통해가능한제품으로는 mobile products의 metal housing이며, 해석을노트북케이스실제금형제작을하여제안한방법의타당성검증을완료하였다. Fig. 1. Brick method of Apple's Macbook Pro (CNC machining and laser finishing) Fig. 2. Comparison between Brick CNC and plate forging 2. Optimal conditions of FE simulation 2.1 Materials and FE model 본연구를통해서얻고자하는제품은노트북케이스또는노트북의 key board cover 등으로박형의디자인제품이지만, 고강성이필요한모바일제품의케이스를목표로한다. 일반적으로제품의강성을높이기위해서는전체두께를증가시키거나, 사용금속판재의탄성계수또는단면계수를증가시키는방법을사용할수있다. 전체두께를증가시키는경우, 재료비상승및 CNC 가공시간에의해생산성저하의원인이된다. 제품의강성을높이기위해탄성계수가높은금속을사용했을경우, 상대적밀도가증가하여모바일제품의무게가증가하여부적합할수있다. 때문에사용하는금속소재는강성및성형성그리고가격을고려하여, 알루미늄 5052 소재를선택하였다. 본연구를통해제품의벽두께를증가시 5790
사각형판재성형시벽두께증육을위한금형및공정설계 키는경우, 단면계수를증가, 예를들어전체 1.5t 두께의강성에서최외곽의벽부분의두께를 3.0t으로증가시단면계수가증가되어뒤틀림 (twist) 강성이증가된다. 즉, 전체시스템의두께는감소시키면서도, 좌우 twist에대한저항을향상시켜강성증가의효과를가져올수있다. 이는두께감소를통해모바일제품의휴대성을증가시키면서도, 기존신뢰성을보장할수있음을의미한다. 본연구에서제안된방법은형상을만들어내기위한드로잉공정과벽면의두께를부가하기위한단조사이징공정으로구분된다. 기본적으로판재성형 (sheet metal forming) 과단조성형 (forging) 공정의조합으로이루어지며, 이러한공법을판단조 (plate forging) 공정이라한다. 판단조의공정설계를위해판재성형드로잉 (drawing) 해석을이용하여두께결정을하였고, 단조해석을통해판단조공정설계및사이징금형의설계기초로삼았다. 드로잉및단조해석의전체공정도는 Fig. 3 에나타내었다. 여기서이차원두께결정의경우, 단조공정중소재의결함중접힘 (Folding) 이최소화되는두께설계변수로최적화하였다. 결함이최소화되며최고 Initial deformed blank by sheet forming Wall thickening by forging 의두께를결정한후, 결정된두두께에대해서최고로두꺼운벽을만들수있도록제품을설계하였다. 노트북케이스의단면에서장변의길이가충분히단변이길이보다길기때문에, 평면변형모드 (Plane strain mode) 로가정하고, 2차원으로모델링및해석을수행하였다. 드로잉공정에서는곡률부분에파단이되지않을정도의굽힘부 R을결정하였고, 이는최적화의목적함수 (Object function) 으로설정되었다. Fig. 4는 2단계두께결정을위한단조개략도이며소재는알루미늄 (Al5052) 판재를사용하였다. 원하는베젤의사이즈는 2.0~3.0mm이며, 높이는 8mm ( 노트북케이스의높이를고려 ) 로결정하였다. 2.2 Determination of thickness 얇은박판의 wall의두께를증가시킬때는, 세장비 (Aspect ratio) 에따른버클링 (Bucking) 이생기지않도록설계하고, crack, folding 등의결함예측 (Failure prediction) 을위해단조전용상용소프트웨어인 AFDEX-2D(MFRC, Korea) 를이용하였다 [11]. 해석에사용된재질은 table 1 에나타내었으며, 인장시험을통해해석에필요한재료상수 (Material properties) 및유동응력 (Flow stress) 을결정하였다. 유동응력은식 (1) 과같이 Hollmon 모델에따라그계수를실험으로결정하였다. Wall thicken analysis (2D forging simulation) (1) No No failure? (crack, folding) Yes Determination of forging process and optimized wall thickness 여기서, 는유동응력, K는강도계수, 는유효변형률, n은가공경화지수이다. Table 1. Material properties of Al 5052 from tensile test. Fig. 3. Flow chart of the finite element analysis for plate forging process ρ [g/cm3] E [GPa] ν [-] Yield strength [MPa] Tensile strength [MPa] K [MPa] n [-] 2.6 69 0.3 185.29 235.83 210 0.13 Fig. 4. (a) 3D view and (b) 2D section view of target product Fig. 5에서는드로잉된균일두께의사각소재를벽부분만증육하는단조개략도를보여주고있다. 본공정을수행하기위해서사이징펀치 (Sizing punch), 다이 (Die), 홀더 (Holder) 로구성된다이세트가구성되었고, 소재는사전에해석이수행된드로잉된변형소재 (Deformed 5791
한국산학기술학회논문지제 16 권제 9 호, 2015 blank) 이다. 설계모델은길이방향의긴단면을가지며좌우대칭형상을가지고있기때문에평면변형 (plain strain) 조건을사용하였으며, 1/2 대칭 (symmetry) 조건을사용하여유한요소해석을수행하였다. 버클링및결함의정확한예측을위해초기요소망은초기요소망은 0.2mm 균일한격자크기를가지는 2차원 4절점요소망을사용하였으며, 초기에 5000개의요소망이사용되었다. 금형과접촉되는면적또는과도변형이발생되는부위는리메싱 (remeshing) 이되여촘촘한밀도의요소망이사용되었으며, 리메싱후사용된최소요소망의크기는대략 0.05mm 정도이다. 150% 이다. 최종적으로 Fig. 8에서보여지는바와같이단조공정중접힘및균열이발생하지않는두께에대하여유한요소해석을통해각두께와폭에대한비율별로설계가이드를제시하였다. Sizing punch Fig. 6. Folding defect during forging simulation Holder Drawed Blank Die Deformed blank Fig. 5. 2D forging process to determine blank thickness (1/2 symmetric model) 본공정을통하여세장비에의해서생기는좌굴 (Buckling) 로인해서 Fig. 6처럼접힘결함이발생되어질수있다. 이러한결함은외관상문제를발생하기때문에이와같은접힘결함이발생하지않는범위내에서가능한최대벽두께가얼마인지를 CAE해석을수행하였다. Fig. 7은초기소재의두께와벽증육간의관계를그래프로나타내었다. 그래프에서보이는바와같이초기판재두께가두꺼울수록벽두께증육도쉬워지지만, 일정한범위에서선형적인증가를보이다가접힘결함으로더이상소재두께와벽증육이비례하지않는구간이생기는것을알수있었다. Fig. 8 에서는알루미늄케이스단면에서두께별벽두께증가가능정도를결정할수있는가이드라인을제시하였다. 즉, 알루미늄소재두께 1.5t의경우최대 2.1mm까지는두께증가가가능하며, 그이상의두께증가에서는소재접힘 (folding) 이나플래시 (flash) 등결함이발생함을의미한다. 원하는벽두께 3mm를위해서는최소의초기소재의두께는 2mm 가필요하다. 따라서제시한하이브리드판단조기법을이용하여구할수있는초기소재대비벽두께비율은 Fig. 7. Relationship between sheet thickness and ability of wall thickening Thickness [mm] Width[mm] 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.0 O 2.1 O 2.2 X O 2.3 X O 2.4 X O 2.5 X O 2.6 X O 2.7 X X O 2.8 X X O 2.9 X X O O 3.0 X X X O O Fig. 8. A guide for determination of thickness by forging process considering failure criterion 5792
사각형판재성형시벽두께증육을위한금형및공정설계 3. Experiment 해석결과를기초로실제테스트를위해 bending 금형및 1차 sizing 금형을제작하였다. 테스트소재인 Al 5052 판재의벽두께증육 (Wall thickening) 을만들기위한 bending 금형 1set, wall sizing을위한 sizing 금형 1set을제작하였으며, 그형상은 Fig. 4에서나타내었다. Bending을위해사용된 Al5052 sheet의초기블랭크사이즈는 50mm 150mm 폭과너비를가지며, 두께는 1.5mm 소재를사용하였다. 양산공정이라면드로잉후트리밍작업을통해벽높이를낮추는공정을하겠지만, 본연구에서는 bending 공정후최적벽높이를고려하여 16mm 높이로와이어가공을커팅하였다. 와이어커팅작업후테스트소재의 wall 두께를 1.5mm에서 2.0mm 로성형하기위한 sizing 공정을수행하였다. Fig. 9에서는벽두께사이징전과후에단면을보여주고있다. 정확한두께측정을위해서단면은 3D 스캐너인 ATOS Tripple(GOM mbh, Germany) 를사용하여스캐닝된데이터에서단면차이를확인하였다. 실제테스트결과에서얻은판단조 sample을 scanning하여얻은 data와모델링상의 sample data를비교분석한결과, 실제 sample의평탄도및치수정밀도는의도한대로두께증육과모서리부분에 90도의직각면을구현할수있음을확인할수있었다. Fig. 9. wall thickened final shape and measurement of dimension 4. Conclusion 본연구를통해전통단조기법이아닌, 박판성형후부분단조를통해모바일제품의 wall thickness 를증가시킬수있는공법이개발되었다. 박판금속소재의경우, 벽부분의두께를증가시킬때, 크랙, 접힘또는버클링등의결함이발생될수있고, 이는 2차원단조해석을이용하여결함을생기지않는범위내최대두께증가를가져올수있는방법을제시하였다. 본연구에사용된초기두께 1.5t의경우 1차단조를통해최대 1.9t, 즉 26% 의벽두께증대가가능하였고, 2차단조공정을통해최대 3.0mm까지벽두께가가능함을해석적으로제시하였다. 해석으로제안된단조공정을실제금형제작을통해검증되었고, Fig. 9에서제작된샘플과측정된결과를보여주고있으며, 해석결과와측정결과는정확히일치함을확인할수있었다. 따라서, 제안한 plate forging 공법을활용하여알루미늄 CNC 절삭가공공정시문제가되는가공비와 C/T의감소가가능할것으로판단되며, plate forging공법을활용하여금속외관제품의가공시원가절감및수율의향상이기대된다. References [1] B. Y. Jun, R. H. Park, M. S. Joun, S. H. Choi, J. Y. Sung, C. C. Kim S. H. Jeong, Development of an Enclosed Die Forging Die Set and its Application to Precision Forging, Trans. Materials Processing, pp. 143~147, 2005. [2] C. D. Cho, Y. J. Kim, Study of forming properties for an edge thickening model using finite element method, Trans. Materials Processing, Vol. 21, No. 4, pp. 234~239, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5228/kstp.2012.21.4.234 [3] M. C. Lee, W. J. Chung, M. S. John, Rigid-plastic finite element analysis of a cold plate forging process using tetrahedral elements, Trans. Materials Processing, Vol. 19, No. 2, pp. 244~247, 2010. [4] H. Y. You, "A Study on the Forming Conditions of a Forging Piston by using the Finite Element Simulation and the Taguchi Method", J. of the KAIS, Vol. 13, No. 5, pp. 1990-1995, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.5.1990 [5] S. Park, "Preform Design of a Forged Punch by 5793
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