한국소성가공학회 9 년도추계학술대회논문집 pp. 9~ 냉간단조에서금형열박음영향의정량적분석 이추실 이민철 정동찬 손요헌 4 전만수 # Quantitative analysis of effect of shrink fit in cold forging Q. S. Li, M. C. Lee, D. C. Jung, Y. H. Son, M. S. Joun Abstract In this paper, effects of major design parameters of cold forging dies on die mechanics are quantitatively investigated with emphasis on shrink fit using a thermoelastic finite element method. A ball-stud cold forging process found in a cold forging company is selected as a test process and the effects of die insert material, shrink fit, dimension of ring, partition of die inert and clamping force on effective stress and circumferential stress are analyzed. Key Words : 금형구조해석 (Die Structural Analysis), 보강링 (Shrink Ring), 열박음 (Shrink fit). 서론 냉간금형은다이인서트 (die insert) 와열박음목적의링 (shrink ring) 과체결장치로구성되어있다. 물론냉간금형은다이세트에고정되고, 다이세트는단조기에고정되어작동된다. 냉간단조의경쟁력을좌우하는주요요소가금형의수명이다. 냉간금형의수명은파괴, 마모, 소성변형등에의하여좌우된다 []. 그중에서도파괴에의하여금형이수명을다하는사례가가장많다. 단조중금형의파손은생산성과불량품의양산으로이어짐은물론이고, 인명사고로이어질수있다는점에서기업체에서는이문제를매우중시하고있다. 대량생산목적의금형의경우, 금형의파괴, 마모, 소성변형등을막기위하여다이인서트는초경합금등의고강도소재로하고열박음용링은주로합금공구강이사용되고있다. 물론초경합금은가공이용이하지않고, 가격이비싸기때문에가능하다면, 다이인서트도합금공구강으로제작되고있다. 금형재료는경한성질을가지고있고, 압축강도가인장강도에비하여크다. 따라서냉간단조에서금형의예압은필수적이다. 대개의경우.4% 내외의금형예압을실시하는데, 금형재료의열팽창계수가. 이라고가정하. 경상대학교기계공학과대학원. 경상대학교공학연구원. 태양금속공업 ( 주 ) 4. 영신금속공업 ( 주 ) #. 경상대학교기계항공공학부 / 항공기부품기술연구소 E-mail : msjoun@gnu.ac.kr 면, 약 6 의열하중을부과하는것과맞먹는다. 다이인서트를예압하지않을경우, 재료를통하여전달된금형의면압에의하여원주방향응력성분이인장상태가되고, 이는금형의파괴로직결될수있다. 이를방지하기위하여다이인서트외곽을에워싸는열박음용링을통하여예압을가하여미리원주방향으로압축응력성분이작용하도록함으로써금형의파괴를방지하고있다. 금형의열박음은매우중요하지만, 역학적복잡성으로인하여이에관한응용연구가매우미흡하다. 물론열박음된금형구조해석기술은다방면으로개발되어있다. 그럼에도불구하고금형의열박음또는예압에관한실용적연구는흔하지않다. 전술한바와같이역학적으로매우복잡할뿐만아니라금형의형태가다양하여응용연구를체계화하는데한계가있기때문이다. 열박음현상규명은금형구조해석과불과분의관계에있으며, 열박음을고려한금형구조해석에관한많은연구 [-4] 가이루어졌다. 98 년대후반대부분의연구는유한요소법을이용하였으며, 연구는단조시뮬레이터를연계한수치적연구, 특히응용연구가주류를형성하고있다. 기존연구들을조사해보면, 기본적으로매우유사한수식을사용하지만, 접근방법에기인하는결과의정확도와사 - 9 -
용의편리성은다소의차이를보이는것으로판단된다. 그리고금형단층을대상으로실시한연구가대부분이다. 실제자동다단냉간단조의금형은대부분다층구조 [9] 로되어있다. 단조금형의구조해석을위하여 Joun 등 [9] 이제안한가변벌칙기법 (varying penalty method) 은수치적안정성이확보되어있으며, 그결과선행연구에서밝힌바와같이이론해와일치하며금형부품의접촉경계에서작용하는하중이뉴톤의제 법칙을정확하게만족하는결과를보였다. 본연구에서는볼스타드 (ballstud) 냉간단조공정중에서맨마지막냉간단조공정을대상으로열박음의영향을유한요소해석기법을이용하여분석한다.. 시험대상금형 일반적으로자동다단냉간단조는대량생산을목적으로한다. 따라서공정및금형설계시에금형수명이경쟁력을좌우하는가장중요한요소로취급된다. 금형의수명향상을위하여흔히예압을실시하고있으며, 응력이집중될수있는부분은분할을실시한다. 금형의수명은여러요소에의하여결정되며, 특히금형설계변수의결정이매우어려운문제이다. 실제대부분의금형구조설계는경험에의하여이루어지고있으며, 규격품의생산을위한냉간금형은오랜경험에의하여최적의설계에근접해있다. 그러나새로운제품의개발및생산을위한신단조금형의설계시에는수차례의시행착오를범하는경우가빈번하다. 냉간단조금형설계의규격화는용이하지않다. 그만큼금형의설계변수들이금형의성능에미치는영향을일반화시켜서분석하는것이어렵다. 본연구에서는비교적생산량이많아널리알려져있으면서금형설계측면에서다소까다로운볼스타드냉간단조공정을시험공정으로선택하였다. Fig. 은본연구에서적용대상으로선정된볼스타드단조공정중에서맨마지막단계의하금형의설계도이다. 금형은 층으로분리되어있고, 이것들은엔빌 (anvil) 위에놓여서외곽의체결용실린더에의하여체결된다. 각층의금형은다이인서트와두개의열박음용링으로구성되어있다. 그림에본논문에서분석한설계변수들을표시해두었으며, 해석결과는,, 으로표시된점 A, B, C 에서유효응력 σ 와원주방향의응력성분 σ θ 을중심으로분석되었다. 본연구에서사용한유한요소해석모델을 Fig. 에나타내었다. 유한요소해석목적으로사용된금형에관한소재정보는 Table [5, 6] 과같다. 압축링의소재는모두 SKD6 이다. 접촉면에서마찰계수를. 로가정하였다. Table Elastic property of die materials Material Young s modulus (GPa) Poisson s ratio WC 696.4 SKD. SKD6.8. 금형구조해석및열박음영향분석 금형의열박음의영향을분석할목적으로 Table 에서보는바와같은다양한조건하에서금형의구조해석을실시하였다. 열박음과관련된설계변수의영향을분석하기위해서는설계의기준이필요한데, Table 에서 Case 4 를기준으로삼았다. 이경우는내측링과외측링에.4% 의예압을가하고, 체결력을.% 의예압을가한것으로간주한것이다. Case 4 에대한해석결과를 Fig. 과 Fig. 4 에요약하였다. Fig. 에서좌편은유효응력을의미하고, 우편은금형부품의접촉면에작용하는응력벡터, 즉응력의접선성 st floor nd floor rd floor 5 6 7 8 9 Fig. Lower die design of the last process in ball-stud cold forging Fig. Typical finite element analysis model used in this paper 4 - -
분과법선성분을벡터로표시한것이다. 이결과로부터해석결과는뉴톤의제 법칙을정확하게만족하고있음을알수있다. Fig. 4 에서좌편은대칭면에작용하는주응력성분을나타내고있고, 우편은원주방향의응력성분을나타내고있다. Fig. 4 에서보는바와같이예압에의하여원주방향으로압축력이작용하게된다. 이점이열박음의근본적인목적이다.. 금형의예압량의영향 Fig. 5 에 Table 의 Case ~5 에대한해석결과, 즉예압량에따른 Fig. 에서 A, B, C 점의유효응력과원주방향의응력성분의변화를나타내었다. 그림에서보는바와같이예압량에따라원주방향의응력성분과유효응력이비슷한패턴의변화을보이고있다. 특히두응력값의절대치가거의같으며, 이는원주방향의응력성분의절대치가다른두개의주응력에비하여매우크기때문이다. 예를들면,.4% 의압축시에점 A 에서주응력은 -MPa, -MPa, -95MPa( 원주방향의응력 ) 이며, 이주응력의유효응력은 4MPa 이다. 한편, Case 6 은외측링과내측링이상온상태에서단순접촉이발생하도록한경우이며, 이에대한해석을실시하여 Case 4 와비교하였다. 해석결과로유효응력의분포와원주방향의응력성분을 Fig. 6 에나타내었다. 그림에서보는바와같이내측링과외측링사이의응력불연속이거의발생하지않았다. 이결과와 Case 4 의결과를비교해보면, 압축링을분리하여별도로예압을가함으로써 Fig. 의점 B 에서의유효응력과원주방향의압축응력이모두약 77% 증가하였다. 이것은이중링을사용한효과를말해주고있다.. 다이인서트의재료의영향다이인서트의재료로주로합금공구강인 SKD 또는 SKH5 과초경합금인 WC 가사용되고있다. 이두재료는근본적으로강도와탄성계수등에서매우큰차이가있다. 따라서두재료간의역학적차이를규명할필요가있다. 이를위하여 Case 4 와 Case 7 를비교조사하였으며, 해석결과를 Fig. 7 에정리하였다. 점 B 에서 Case 7 의유효응력과원주방향의압축응력은 Case 4 의약 7% 이다. 이결과는다이인서트의탄성계수가예압과매우밀접함을말해주고있다.. 링의기울기의영향 Fig. 에서보는바와같이금형이 과 만큼기울어져있다. 은체결력의전달목적으로불가피하지만, 는역학적으로필수적인경사가아 니다. 따라서 의경사가어떤영향을미치는지를조사하기위하여, Case 4 의결과와 Case 8 의결과를비교하였다. 그결과, 경사각 가금형의응력에크게영향을미치지않음을확인하였다..4 분리의영향금형의분리의영향을조사하기위하여 Case 4 에서 층과 층을일체화시킨 Case 9 의금형설계에대하여금형구조해석을실시하였으며, 그결과를 Case 4 의결과와비교하였다. 해석결과는 Fig. 8 에서보는바와같다. Fig. 8 의해석결과와 Fig. 과 Fig. 4 의 Case 4 의해석결과를비교해보면, 금형의유효응력분포가비숫하다는것을알수있다..5 압축링의두께의영향압축링의두께영향을분석하기위하여 층의외측링, 즉 Fig. 에서부품 7 을없애는대신내측링, 즉 Fig. 에서부품 6 의두께에따른구조해석결과를비교하였다. 이목적으로 Case 의공정설계에대한구조해석을실시하였다. Fig. 9 의결과에서보는바와같이압축링의외경이커짐에따라점 A 와점 C 의응력변화가거의없으며, 점 B 에서응력의크기는외경의증가에따라증가하지만그영향이감소되는경향을보이고있다. Table Cases investigated Material Inner Outer Clamping Case of Slope ring ring force angle Partition * die insert WC.%.%.% WC.%.%.% WC.%.%.% 4 WC.4%.4%.% 5 WC.5%.5%.% 6 WC.4%.%.% 7 SKD.4%.4%.% 8 WC.4%.4%.% = = 9 WC.4%.4%.% (),(), () = = = (),() (),(), WC.4%.4%.% = () WC.4%.4%.% = (),(), ~.5% () * N(M) 은 N-층의금형이다인서트와 M- 개의압축링으로구성되어있음을의미함. - -
Fig. Effective and interfacial stresses of Case 4 Fig. 6 Effective and circumferential stresses of Case 6 5 Circumferential stress Effective stress -5 (a) σ, σ (b) σ = σθ Fig. 4 Principal stresses of Case 4-5 45 6 75 Young, s modulus (GPa) Fig. 7 Effect of Young s modulus of Case 7 5 Circumferential stress Effective stress -5 -....4.5.6 Radial interference (%) Fig. 5 Effect of the amount of shrink fit on die stress.6 체결력의영향체결력의영향을조사하기위하여 Fig. 의외곽실린더 (Fig. 에서의 4 번금형부품 ) 의예압량, 즉체결력의영향을조사하였다. 체결력은열수축량으 Fig. 8 Effective and circumferential stresses of Case 9 로표현하였다. 체결력의영향조사를위하여 Case 에대한금형구조해석을실시하였다. Fig. 에서보는바와같이.% 의체결량까지체결량의증가에따라체결력이선형적으로증가하고 - -
5 5-5 Circumferential stress Effective stress 된주요설계변수의영향을정량적으로분석하였다. 금형의예압량, 다이인서트의재료, 링의기울기, 금형의상하좌우분리, 압축링의두께, 체결력의등이유효응력과원주방향의응력성분에미치는영향을상세하게분석하였다. 제시한결과들은냉간단조금형기술자들에게금형역학에관한직관을갖도록하고금형설계의최적화및문제해결능력을함양하는데도움이될것으로사료된다. 후기 -5 5 5 4 45 5 Radius (mm) Fig. 9 Effect of ring diameter on die stress 8 본연구는지식경제부의청정기반전략기술개발사업및 9 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국학술진흥재단의지원을받아수행된연구임 (No. 9-6659). 참고문헌 Clamping force ( 4 N) 6 4....4.5.6 Longitudinal shrink of part 4 (%) Fig. Effect of longitudinal shrink on clamping force.% 부터.5% 까지완만하게증가하고있음을알수있다. 이것은.% 의체결량이후에발생하는열박음링과다이인서트및외측링과내측링사이의미끄러짐에기인한다. 체결력에따른점 B 의유효응력과원주방향응력은각각 7MPa~55MPa 와 -84MPa ~ -745MPa 사이에존재했으며, 체결력의증가에따라서이들의절대값이선형적으로줄어드는경향을보였다. 체결력이약 % 증가했음에도응력의변화는약 % 내외의변화가발생하였으므로체결력의영향은미미하다고사료된다. 4. 결론 본논문에서는열탄성유한요소법과가변벌칙기법에바탕을둔금형구조해석기술을이용하여냉간자동단조공정에서금형열박음및이와관련 [] K. Lange, L. Cser, M. Geiger, J. A. G. Kals, 99, CIRP, Vol. 4, No., pp. 667 676. [] S. Matsubara, H. Kudo, 995, 7th Int. Congress on Cold Forging, University of Birmingham, pp. 6 69. [] J. L. Frater, R. Zinolabedini, 989, J. Mater. Shaping Technol., Vol. 7, No., pp. 67~8. [4] U. Engel, M. Hänsel, 99, Adv. Tech. Plast., Vol., pp. 55 6. [5] Y. Nagao, M. Knoerr, T. Altan, 994, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 46, No. -, pp. 7~85. [6] K. F. Hoffmann, K. Lange, 989, Trans. NAMRI of SME, Vol. 7, pp. 7~78. [7] S. Takahashi, C. A. Brebbia, 99, Adv. Tech. Plast., Vol., pp. ~. [8] M. Fu, B. Shang, 995, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 5, No. -4, pp. 5~5. [9] M. S. Joun, M. C. Lee, J. M. Park,, Int. J. mach. Tools Manuf., Vol. 4, No., pp.. [] Y. Lee, J. Lee, Y. Kwon, T. Ishikawa, 4, J. Mater. Proc. Technol., Vol. 47, No., pp.. [] J. H. Kang, K. O. Lee, J. S. Je, S. S. Kang, 7, J. Mater. Proc. technol., Vol. 87-88, No., pp. 4 8. [] O. Eyercioglu, M. A. Kutuk, N. F. Yilmaz, 9, J. Mater. Proc. Technol., Vol. 9, No. 4, pp. 86 94. [] H. C. Lee, M. A. Saroosh, J. H. Song, Y. T. Im, 9, J. Mater. Proc. Technol., Vol. 9, No. 8, pp. 766 775. [4] M. S. Joun, J. G. Eom, M. C. Lee, 8, Mechanics of Materials, Vol. 4, No. 7, pp. 586~59. [5] http://www.matweb.com [6] 김성헌, 최환, 이종찬, 한국기계공학회지, 제 권, 제 호, pp. 55~6. - -