한국정밀공학회지제 33 권제 8 호 pp. 635-640 J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 33, No. 8, pp. 635-640 ISSN 1225-9071(Print), ISSN 2287-8769(Online) August 2016 / 635 http://dx.doi.org/10.7736/kspe.2016.33.8.635 특집 직선 회전모터구동이송 회전체연구 XIII 압축기용쉘바디의성형공정개발에관한연구 A Study on the Development of Forming Process for a Compressor Shell Body 김민정 1, 오원정 2, 신동초 3, 이춘만 2, Min-Jeong Kim 1, Won-Jung Oh 2, Dong-Cho Shin 3, and Choon-Man Lee 2, 1 창원대학교클러스터사업단 (R&D Cluster Agency, Changwon National University) 2 창원대학교기계공학부 (School of Mechanical Engineering, Changwon National University) 3 주식회사동구기업금형기술연구소장 (Dietech Center, Dong-Gu Co., Ltd.) Corresponding author: cmlee@changwon.ac.kr, Tel: +82-55-213-3622 Manuscript received: 2016.6.28. / Revised: 2016.7.19. / Accepted: 2016.7.22. The shell body is the main exterior part of a compressor, and production of shell bodies has increased along with a growing demand for air conditioners, refrigerators, air compressors, and so on. Cracks frequently occur in the process of welding a shell body. In this study, a deep drawing process for creating a shell body from a blank is developed. The technique consists of a four-step deep drawing and a two-step trimming process. Analysis is performed by DEFORM software to examine the safety of the deep drawing and trimming processes. The deep drawing process for the shell body developed in this study would have wide application in many industrial fields. KEYWORDS: Deep drawing ( 딥드로잉 ), Shell body ( 쉘바디 ), Forming process ( 성형공정 ) 기호설명 d n = Diameter of Punch for N process (mm) m = Limit drawing rate d n-1 = Diameter of Punch for N process (mm) t = Thickness of material (mm) h = Height of neutral plane (mm) H = External height (mm) r = Radius of curvature of neutral plane (mm) R = Internal radius of curvature (mm) A' = Area of blank (mm 2 ) A = Surface area of product (mm 2 ) D 0 = Diameter of blank (mm) d = Diameter of neutral plane d i = Inner diameter of neutral plane F a = Spring load of random stroke (kgf) F = Rate of load increase (kgf) F f = Load of final process (kgf) ε = Effective strain (mm/mm) n = Number of process F n = Maximum load of process (N) F press = Safe working load of press (N) Copyright C The Korean Society for Precision Engineering This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
한국정밀공학회지제 33 권제 8 호 pp. 635-640 August 2016 / 636 1. 서론 오늘날압축기는에어컨, 냉장고등냉각 응축제품에적용되는핵심부품중하나로서세계적인기업들에서생산, 판매하고있다. 압축기는고효율화, 토출유량의대용량화그리고유지및보수의편리성을중시하는방향으로발전하였고, 이를개선하기위한연구또한활발히진행되고있다. 1-5 이러한압축기의구조에서핵심부품인스크롤 (Scroll) 을고정하고내부에서회전하는모터의고정자 (Stator) 와회전자 (Rotor) 축을지지하는메인프레임을고정하는역할을쉘바디 (Shell Body) 라는외관부품이담당하고있다. 6 현재쉘바디는사각의철판을 R-포밍 (Roll Forming) 한후접합면을용접하여제작하고있으나제품의품질향상을위하여딥드로잉 (Deep Drawing) 공정으로제작하고자한다. 본연구에서는원형블랭크 (Blank) 로부터다단딥드로잉공정으로쉘바디를성형하는공정을개발하여시제품을제작한후실험을통해공정설계및해석의신뢰성을검증하고자한다. 2. 성형공정개발 드로잉성형으로개발하고자하는제품의높이가절단여유 20 mm 를더한 270 mm 이다. 이는드로잉비 (Drawing Rate) 가 4.25 에이르는고난도딥드로잉성형이필요하며적정드로잉률, 재드로잉률값을적용하여성형가능공정수를계산하였다. 7 2.1 공정수예측및검증한계드로잉률 0.55(1 공정 ) 과한계리드로잉율 0.75(2 공정이후 ) 을적용하여각최종제품의내경 (Inner Diameter) 에다다르는공정수를파악하여식 (1) 에서보는바와같이최소공정수를계산했다. n Process : d = m d n n 1 n = 1~ 4 d = Diameter of Blank 0 SPCC 1 종강판을이용하여최종형상을성형하기위해서는최소 4 공정이이루어져야하며이를공정별로보면 Fig. 1 과같다. (1) Fig. 1 A design of 4 step deep drawing processes Fig. 2 Blank and the final shape of the neutral plane 2.2 블랭크치수예측및검증블랭크의중간면 (Neutral Plane) 의위치 ( 내측에서 40%, 외측에서 60%) 를고려하고성형전, 후의체적이같다는조건을이용하여블랭크치수를계산하였다. 식 (2) 에전체도면치수에서중간면을계산하기식을나타내었다. d = d + 2 0.4 t i h= H - t 0.6 (2) r = R+ t 0.4 d/r = 10-15 일경우굽힌반경을고려하는데이경우 d/r 값이 14.27 이므로식 (3) 을이용하였다. d = m d + dh+ r (3) 2 4 0.5 0 이식에서계산된블랭크지름에서트리밍 (Trimming) 여유로 1.5-2t 를고려하여적절한블랭크지름의치수를계산해낼수있다. 8 2.3 가스스프링강성선정성형중발생하는제품의주름을방지하기위한블랭크홀더와패드는가스스프링으로작동되며블랭크홀더력은식 (4) 와같이가스스프링의행정 (Stroke) 에따라변하게된다. 하지만블랭크홀더가블랭크에접촉하게되면이후의행정변화는미미하므로, 본해석에서는블랭크와접촉하는순간의블랭크홀더의실제행정 (Active Stroke) 를계
한국정밀공학회지제 33 권제 8 호 pp. 635-640 August 2016 / 637 Table 1 Condition of Forming Analysis Material SPCC - 1 Yield strength 132.44 mm/s Tensile strength 0.1 Young s modules 0.05 Elongation 0.4 mm 산하여식 (4) 에적용하여일정한힘을적용하였다. 패드에적용되는가스스프링의행정은펀치의행정과반비례하므로블랭크에가해지는힘은점점감소하게된다. 이러한패드력 F 는식 (4) 에의해계산하였다. F = F +ΔF a i ( Ff - Fi) (4) Δ F = LA L M (a) Result of 1st Drawing 여기서 F i 는초기가스스프링힘이고, F a 는작용위치의가스스프링힘이며 L M 은최대행정이고 L A 는실제행정이다. 3. 공정별성형해석 성형해석에는소성유한요소해석프로그램인 DEFORM 11.0 verion 을사용하였고해석조건은 Table 1 과같다. 드로잉비가높은다단딥드로잉으로총스트로크가높기때문에축대칭 (Axisymmetric) 을적용하여해석하였고총 2,253 step 으로해석되었다. 1 공정 (First Drawing) 의성형해석은 1-360 step, 2 공정 (Second Drawing) 의성형해석은 361-879 step, 3 공정 (Third Drawing) 의성형해석은 880-1,504 step, 트리밍은형상수정후이전 step 인 1,054 step 의피가공물데이터를보간하여 1 step 으로해석하였으며, 4 공정 (Forth Drawing) 은 1,055-2,252 step 으로해석하였다. Piercing 또한마찬가지로형상을수정한후 2,252 step 의데이터를보간하여 1 step 으로해석하였다. 본해석에서는각공정별소재유효변형률 (Effective Strain) 을통해소재의파단여부및변형경향을파악하였다. 여기서유효변형률은각스텝에서의변형률속도로부터계산되고, 스텝별로축적된다. 따라서인장, 압축에대해상쇄효과가없다. 최대응력발생부위의최대유효변형률이소재의연신율 (Elongation Percentage) 를초과한다면실제성형에서파단이일어나거나찢 (b) Result of 2nd Drawing (c) Result of 3rd Drawing
한국정밀공학회지제 33 권제 8 호 pp. 635-640 August 2016 / 638 Fig. 4 Punch loads for each processes (d) Trimming and Result of 4th Drawing Fig. 3 Analysis result of deep drawing for shell body 어지는등의현상이발생할것으로판단할수있으므로, 소재의연신율은중요한설계기준이된다. Table 2 Maximum load for each processe kn ton 1st Drawing 725.31 74.01 2nd Drawing 685.94 69.99 3rd Drawing 622.26 63.50 4th Drawing 382.81 39.06 Sum 2,416.32 246.56 3.1 성형력 ( 성형하중 ) 펀치에가해지는각공정별최대하중을 Fig. 4 와 Table 2 에나타내었다. Table 2 에나타난성형력 ( 성형하중 ) 은각공정중발생한수직하중의최대값이다. 3.2 블랭크의두께변화율두께가가장얇아진부분은제품의최상단부위이며, 이부위의두께는약 3.095 mm 로도출되었다. 반면, 두께가가장두꺼운부분은제품의최하단부위이며, 이부위의두께는약 3.191 mm 로계산되었다. 3.3 해석결과 Fig. 3 에서유효변형률은최소 0.74 에서최대 2.20 으로계산되었고, 본소재의연신율은 42-48% 이므로설계된성형공정은파단, 찢어짐현상에서부터안전한것으로판단된다. 또한 4 공정을수행하기위한성형력 ( 성형하중 ) 은 246.56 ton 으로나타났다. 따라서 4 공정의펀치의동력은한프레스에서전달되므로프레스는정격용량 246.56 ton 이상의프레스를사용해야한다는것을알수있다. 4. 실험 Fig. 5 Thickness of final process 유한요소해석결과값을기반으로시제품을제작한후, 공정설계및해석의신뢰성을검증하기위하여시제품을상부로부터등간격으로 12 군데를선정하여절단후시편을채취하고시험항목에대하여시험측정을하였다. 9 4.1 실험장비및방법측정항목은드로잉비, 내경, 진원도 (Roundness), 두께변화율 (Thickness Variation), 그리고높이 (Height)
한국정밀공학회지제 33 권제 8 호 pp. 635-640 August 2016 / 639 이다. 측정시반복정밀도를확보하기위하여 12 개의시편에대하여 3 번반복측정하였다. 측정장비는 Carl Zeiss 의 3 차원측정기로장비의측정범위는 X 축, Y 축으로 600 mm, Z 축 300 mm 이며분해능은 0.1 μm이다. 드로잉비는블랭크지름과제품지름을측정하여계산하였고, 진원도는제품내경의진원도를측정하였다. 시편을구간별두께를측정하여소재두께와비교하였으며 3 차원측정기로내경을가로, 세로구간별로나누어측정하였고높이또한이장비로측정하였다. 4.2 실험결과드로잉비 4.25 에이르는고난도딥드로잉성형을위하여공정별성형해석을통하여필요최소공정수, 성형력 ( 성형하중 ) 값들을통하여시편을제작하였다. 그리고측정값과개발목표값을공정설계및해석의신뢰성을검증하기위하여 3 차원측정기를통하여 Table 3 의측정값들을얻을수있었고이를통해공정설계및해석이적절했음을알수있다. 5. 결론 Fig. 6 Measurement of the workpiece Table 3 Results of the measurement Measurement items unit Goal Data Drawing ratio mm/mm 3.0 3.23-3.24 Roundness mm 0.2 0.06-0.17 The thickness variation % 10 0.02-3.41 Inner diameter mm 111.75 ± 0.2 111.73-111.87 Height mm 250 277.97-284.61 본논문에서는압축기용쉘바디를성형하기위한공정설계를하였다. 이를위해소성유한요소 해석프로그램인 DEFORM 11.0 version 을이용하였고해석결과를통해최종공정설계를하였다. 이러한공정설계의신뢰성을검증하기위하여시제품을제작하고시편을채취, 3 차원측정기로측정하여해석값과실험값을비교하여다음과같은결론을얻었다. (1) 유한요소해석을이용하여압축기용쉘바디를성형하기위한공정을제시하였고, 그결과로시제품을제작하였다. 실험을통한해석결과의검증으로공정설계및해석데이터의정당성을확인하였다. (2) 드로잉공정설계시필요한블랭크치수는트리밍여유를고려하여 382 mm 가적당하며, 드로잉률을고려한최소공정수는 4 공정으로예측되었다. (3) 본논문에서제시한딥드로잉성형공정은원통모양의제품들에대해기술의확대적용이가능할것이다. 후기 이논문은산업통상자원부와한국산업기술진흥원에서지원하는 2015 년도지역특화산업육성사업 (No.1415141248) 의연구수행으로인한결과임. REFERENCES 1. Gloeckl, H. and Lange, K., Computer Aided Designing of Blanks for Deep Drawing Irregular Shaped Components, Proc. of NAMRC, Vol. 11, pp. 243-252, 1983. 2. Kampuš, Z. and Kuzman, K., Experimental and Numerical (FEM) Analysis of Deep Drawing of Relatively Thick Sheet Metal, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 34, No. 1, pp. 133-140, 1992. 3. Kim, T. J., Dynamic Behavior Analysis of a Reciprocating Compressor Body with Variable Rotating Speed, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 11, No. 8, pp. 374-383, 2001. 4. Lee, U. S., Trend of Compressor Technology for Air Conditioners, Journal of the Korea Society for Power System Engineering, Vol. 3, No. 2, pp. 5-12, 1999. 5. Lee, K. S., Chung, W. J., and Kim, J. H., Formability
한국정밀공학회지제 33 권제 8 호 pp. 635-640 August 2016 / 640 and Dimensional Characteristics of Stretch-Drawn Beryllium-Copper Sheet Products, Transactions of Materials Processing, Vol. 20, No. 5, pp. 357-361, 2011. 6. Seol, S. S., Lee, C. M., Choi, C. H., Oh, W. J., and Shin, D. C., Analytical Study of a Multi-Stage Deep Drawing for Forming of Compress Shell Body, Proc. of KSPE Autumn Conference, p. 266, 2015. 7. Yoh, E. G., Jo, S. H., and Lee, Y. S., A Study on the Formability Factors of Axisymmetric Multi-Stage Deep Drawing Process, Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 11, No. 4, pp. 6-11, 2002. 8. Park, S. Y., Press Mold Design, Seon-Hak, p. 131, 2002. 9. Park, S. B., Choi, Y., Kim, B. M., and Choi, J. C., A CAD/CAM System for Deep Drawing Dies in a Simple-Action Press, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 87, No. 1, pp. 258-265, 1999.