모니터링분석 1 시뮬레이션기술을활용한 자동차단조부품의개발현황과과제 한국과학기술정보연구원전문연구위원정현갑 (99102@reseat.re.kr) 1. 서론 최근에단조금형설계의문제해결을위하여 CAE(Computer Aided Engineering) 에대한관심이점차높아지고있다. 1970년대에강소성 ( 剛塑性 ) 유한요소이론이제안된이후 CAE는단조공정해석에적용되기시작하였고, 더욱복잡한 3차원해석을위해계산효율의향상과공구수명이나변형금속조직의사전예측등보다고도의기능개선이요구되고있어자동차부품설계의 CAE 적용사례와 CAE 적용기술의현황에대하여기술한다. 2. CAE 에의한자동차단조부품의금형설계지원 종래의금형설계및제작은시험제작후타당성이확인되어야비로소완료되었으나, 최근에는 CAE를활용하여사전검토나불합리한점에대한대책을시뮬레이션을통하여문제의발견이나대책안을검증하고있다. 단조공정에 CAE를활용함으로써시험횟수가줄어인건비절감, 불필요한시험시간을줄여개발리드타임이단축된다. 설계초기단계에서초보적인문제점을제거하고, 문제에대한대책을미리실시해볼수있는장점이있다. 또실제에서는볼수없는성형중재료유동의확인이나가상실험용수단으로서설계자에대한교육도가능하다. 3. 베벨기어의냉간폐쇄단조사례 단조할형상이복잡하면사용되는블랭크 ( 반제품 ) 형상에영향을주며,
모니터링분석 2 시뮬레이션에서의재현성에도모델링파라미터의상세한세부조정이필요하다. 그래서베벨기어를대상으로블랭크형상을검토하고시험제작한결과를피드백하는과정을소개한다. 초기블랭크형상을원주형, 모따기형상, 업세팅 (upsetting) 형상의세가지형상을사용하여베벨기어성형시뮬레이션을하였다. 시뮬레이션결과원주형상은모서리부가먼저충전되어다른부분과충전시간에차이가있으며, 모따기형상에서는충전시간이균일하고이빨끝부분의접혀들어감도없었다. 업세팅형상은성형스트로크가짧아이빨끝부분에의충전이동시에일어나접혀들어갈염려가있었다. 세가지블랭크형상중모따기형상이베벨기어성형초기블랭크형상으로적합함을알게되었다. 단조품의정밀도를높이는데는고성능인형상측정기와측정결과를보정하는기술이뒷받침되어야하고, 측정결과의피드백기구를시뮬레이션에도적용함으로써시뮬레이션정밀도향상에도움이되고있다. 피드백에의한정밀도검증의반복으로시뮬레이션에필요한모델링파라미터의최적화가이루어져고정밀모델예측이가능하다. 베벨기어성형중금형의균열이이빨면바닥에서부터이빨면을따라발생하여금형이파손되었다. 그래서성형해석을한결과균열이발생한부에서는가장높은인장응력이작용하는응력집중으로위험부위가정확하게예측되었다. 시뮬레이션으로위험부위의응력저감을위해중심부의중공직경을증가시킴으로써위험부위의인장응력이감소하는것이확인되었다. 이와같이해석결과를바탕으로대책수립이가능하게되어금형수명이종래의약 10배로개선되었다. 4. 금형의소착 ( 燒着 ) 결함예측 기어부품냉간단조에서소착현상은금형수명을좌우하는큰결함중하나이다. CAE를사용한축대칭형상의압출성형소착에관한평가가일부이루어지고있지만, 자동차용기어부품의냉간단조에서 3차원 CAE를사용한소착예측사례는없어시뮬레이션결과를소개한다.
모니터링분석 3 냉간단조스플라인성형에서기어도입부형상의차이에따라소착발생을경험적으로평가하는것을소착원인을면압, 슬립속도, 기어성형부위에서의재료표면확대율로평가항목을정하고시뮬레이션을통하여소착평가를하였다. 피막처리된단조소재의경우표면의늘림양이어떤한계치를넘으면, 피막이파손되어신생면이생겨윤활성이악화되기때문에표면이늘어나는양을정량적으로평가하는파라미터로표면확대율을활용한다. 3차원형상의표면확대율계산은초기소재표면일부에사각네트형상의점군 ( 点群 ) 을배열하고, 해석결과에서얻어진소재흐름을바탕으로최종형상점군위치를추적, 점군데이터로부터인접한 3개의점으로구성되는삼각형의면적을계산함으로써초기점군데이터와최종점군데이터로구한삼각형면적변화비를사용하여표면확대율을구한다. 자동차용스플라인기어성형품의소착예측시뮬레이션을한결과, 기어도입부형상에서의면압과미끄럼속도는기어도입부형상의영향을그다지받지않지만, 표면확대율은기어도입부형상에따라민감하게변한다. 이와같이면압, 미끄럼속도, 표면확대율을종합적으로고려한평가계수로기어도입형상의차이에따른소착정도를정량적으로평가한결과기어도입형상이원추형일경우가소착이가장적은것으로나타났다. 5. 열처리해석에의한단조품의변형예측 CAE 시뮬레이션의열처리해석으로냉간압출후담금질한헬리컬기어의치수변화를예측하였다. 헬리컬기어는비틀림각 22, 치수 6개를갖는피니온기어로성형성및단조형상을성형해석으로평가하고, 기름담금 (80 ) 조건으로열처리해석을하여단조품치수변화의경향을검증하였다. 성형해석에서금형은강체, 소재를강소성체 (S45C, 뜨임처리재 ) 로하고, 열처리해석에는성형해석에서구한소재모델을그대로사용하였고탄소성체로계산하였다. 기름담금질해석의소재와기름사이의열전달계
모니터링분석 4 수는간이형상의시험편을이용한실험으로구했다. 해석모델과실단조품이기어도입부형상이나선단부분에서잘재현되고있어성형해석으로단조품형상만이아니라변형인, 응력, 면압, 절점속도분포등을구할수있다. 냉간단조후치수 ( 담금질전치수 ) 와담금질후의치수변화를비교한결과기어의양선단부가마르텐사이트조직이확인되어이부분의경도가높은것이확인되었고, 냉간단조후의치수에비해담금질후의치수가증가하는것은재료가마르텐사이트조직으로변화하면서약 3% 정도의길이변화가생기기때문으로판단된다. 6. 결론 제품형상의복잡화에따른단조정밀도향상요구, 신재료에의대응, 다품종소량생산에있어서비용과리드타임의절감등, 최근의제조업이직면한환경은급변하고있다. 급격한환경변화대응에시행착오와경험에의한기존의설계방법으로는한계가있기때문에 CAE는이의한계를극복할수있는돌파구로서가장기대되는기술이라생각되어단조공정설계에관련한 CAE를활용한성형성의확인, 금형수명예측및개선, 열처리공정후의형상변화예측등에대한사례를소개하였다. 앞으로 CAE의적용분야는더욱확대될것으로생각된다. 출처 : 金秀英, シミュレーション技術を活用した鍛造自動車部品の開發の現狀と課題, 塑性と加工 ( 日本 ), 51(589), 2010, pp.106~110
모니터링분석 5 전문가제언 새롭게개발되는기계구조나부품등의설계는산업미학적형상설계후에각종역학의도움으로재료를선택하고, 결합체의상대운동을고려한기구학적인메커니즘의검토로설계는이루어진다. 이러한일련의과정을검증하는것을엔지니어링이라하며전산기원용에의한엔지니어링하는것을 CAE(Computer Aided Engineering) 라부른다. 사출및다이캐스팅성형용금형설계에서합성수지나비철금속이금형내에서유동이잘이루어져충전이잘되고있는지를사전에검토할수있는것도 CAE이다. 솔리드모델링에활용되는소프트웨어는 CATIA, Solid Works, Pro-E 등이있으며, 이들로부터얻어진시뮬레이션데이터를활용 CAE 검증으로형상설계를하게된다. 그밖에재료의역학적검증에는탄성변형해석에안시스 (Ansys), 소성변형해석에 DEFORM 등의시스템을이용하여자동차, 항공기, 선박등의부품에대한냉간단조, 온간단조, 분말단조및금형이나가공체의금속미세조직을예측하고이들데이터를이용한 CAE 시뮬레이션도가능하다. 소개된소프트웨어는시판품이며데스크탑컴퓨터는물론노트북에서도운용이가능하여다양한제품설계에사용되고있어급변하는설계환경에신속히대응할수있는툴로서그의활약상은대단하다고평가할수있다. 앞으로이들을응용한엔지니어링은무한히발전해갈것으로전망된다.