한국정밀공학회지제 8 권 3 호 pp. 31-37 Journal of the Korean Society for Precision Engineering Vol. 8, No. 3, pp. 31-37 March 11 / 31 냉간단조에서금형열박음영향의정량적분석 Quantitative Analysis of Effect of Shrink Fit in Cold Forging 이추실 1, 김민철, 정동찬 3, 손요헌 4, 전만수 1, QiuShi Li 1, MinCheol Kim, DongChan Jung 3, YoHun Son 4 and ManSoo Joun 1, 1 경상대학교기계항공공학부 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National Univ.) 경상대학교대학원기계항공공학부 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Graduate School, Gyeongsang National Univ.) 3 태양금속공업 (Taeyang Metal Industrial Co.) 4 영신금속공업 (Youngsin Metal Industrial Co.) Corresponding author: msjoun@gnu.ac.kr, Tel: 55-751-5316 Manuscript received: 1.4.15 / Revised: 1.7.31,1.1 / Accepted: 1.1.9 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, magnitude of shrink fit, dimension of shrink ring, number of shrink rings, partition of die insert and clamping force on effective stress and circumferential stress are analyzed. It has shown that the number of shrink rings, magnitude of shrink fit, and Young s modulus of die insert material have strong influence on compressive circumferential stress in die insert but that the influence of the other design parameters is relatively weak. Key Words: Die Structural Analysis ( 금형구조해석 ), Shrink Ring ( 보강링 ), Shrink Fit ( 열박음 ), Die Design Parameters ( 금형설계변수 ), Multi-Stage Automatic Cold Forging ( 자동다단냉간단조 ) 1. 서론 냉간단조용금형은일반적으로다이인서트 (die insert), 열박음목적의링 (shrink ring), 체결용부품등으로구성된다. 물론금형은다이세트에고정되고, 다이세트는단조기에조립되어작동된다. 냉간단조금형의수명은금형의정도와함께관련제조업의경쟁력을좌우하는주요요소이다. 냉간단조금형의수명은파괴, 마모, 소성변형등에의하여좌우된다. 1 단조중금형의파손은생산성과불량품의양산으로이어짐은물론이고, 인명사고로이어질수있다. 따라서관련기업체에서이문제는매우중요하게취급되고있다. 대량생산목적의금형의경우, 금형의파괴 및소성변형등을막기위하여다이인서트는초경합금 (HW-V) 등의고강도소재를사용하고열박음용링은주로합금공구강이사용되고있다. 물론초경합금은가공이용이하지않고, 가격이비싸기때문에가능하다면다이인서트도합금공구강으로제작되고있다. 금형재료는경한성질을가지고있고, 압축강도가인장강도에비하여크다. 따라서냉간단조에서금형의예압은필수적이다. 대개의경우.4% 내외의금형예압을실시하는데, 금형재료의열팽창계수가.1 이라고가정하면, 약 33 의열하중을부과하는것과맞먹는다. 다이인서트를예압하지않을경우, 재료를통하여전달된금형의면압에의하여원주방향응
8..1.15 한국정밀공학회지제 8 권 3 호 pp. 31-37 March 11 / 3 력성분 (circumferential stress component 또는 hoop stress) 이인장상태가되고, 이는금형의파괴로직결될수있다. 이를방지하기위하여다이인서트외곽을에워싸는열박음용링을통하여예압을가하여미리원주방향으로압축응력성분이작용하도록하고있다. 금형의열박음은매우중요하지만, 다물체접촉문제를포함하고역학적으로복잡하기때문에 이에관한적용성이높은연구결과는매우제한적이다. 물론열박음된금형구조해석기술은다방면으로개발되어있다. 그럼에도불구하고금형의열박음또는예압에관한실용적연구는흔하지않다. 전술한바와같이역학적으로매우복잡할뿐만아니라금형의형태가다양하여응용연구를체계화하는데한계가있기때문이다. 열박음현상규명은금형구조해석과불과분의관계에있으며, 열박음을고려한금형구조해석에관한다수의연구가이루어졌다. -14 198 년대후반부터대부분의연구는유한요소법또는경계요소법을이용하였으며, 일부의연구는단조시뮬레이터와연계한수치적연구, 특히응용연구에초점이맞추어졌다. 기존연구들을조사해보면, 기본적으로매우유사한수식을사용하지만, 접근방법에기인하는결과의정확도와사용의편리성은다소의차이를보이는것으로판단된다. 그리고단층금형을대상으로구조해석을실시한연구가대부분이다. 실제자동다단냉간단조 (multi-stage automatic cold forging) 의금형은대부분다층구조로되어있다. 9 단조금형의구조해석을위하여 Joun 9 등이제안한가변벌칙기법 (varying penalty method) 은수치적안정성이확보되어있으며, 그결과선행연구에서밝힌바와같이수치해가이론해와공학적으로일치하며, Coulomb 마찰법칙으로수식화된금형부품간의접촉경계에작용하는응력벡터가뉴톤의제 3 법칙을만족하는결과를보였다. 본논문에서는가변벌칙기법에근거한유한요 소법을이용하여다단자동냉간단조에서금형의 열박음의영향을다양한설계변수와연계하여규 명하고자한다.. 시험대상금형 일반적으로자동다단냉간단조는양질의제품 의경제적생산을목적으로한다. 따라서자동다단냉간단조에서공정및금형설계시에금형수명이경쟁력을좌우하는가장중요한요소로취급된다. 금형의수명은여러요소에의하여결정되며, 특히금형설계변수의결정이매우어려운문제이다. 실제대부분의금형구조설계는경험에의하여이루어지고있으며, 일반화된부품또는규격품의생산을위한냉간단조금형은오랜경험 에의하여최적의설계에근접해있다고해도과언은아니다. 그러나새로운제품의개발및생산을위한신단조금형의설계시에는수차례의시행착오를범하는경우가빈번하다. 냉간단조금형설계의규격화는용이하지않다. 그만큼금형의설계변수들이금형의성능에미치는영향을일반화시켜서분석하는것이쉬운일이아니다. 본논문에서는비교적생산량이많아널리알려져있으며금형설계측면에서다소까다로운볼스타드냉간단조공정을시험공정으로선택하였다. Fig. 1 은본논문에서적용대상으로선정한볼스타드단조공정중에서맨마지막단계의하금형의설계도이다. 금형은 3 층으로분리되어있고, 이것들은엔빌 (anvil) 위에놓여서외곽의체결용실린더에의하여체결된다. 각층의금형은다이인서트와두개의열박음용링으로구성되어 1 st floor 18.14 nd floor 3 rd floor 3.68 6.4 1 1 1 3 5 6 7 8 9 1 4 Fig. 1 Lower die design of the last stage in ball-stud cold forging
한국정밀공학회지제 8 권 3 호 pp. 31-37 March 11 / 33 측결과는뉴톤의제 3 법칙을만족하고있음을알수있다. 즉, 마주보는절점에작용하는면압의크기는같고, 그방향이반대이다. Fig. Finite element analysis model of lower die at last stage 있다. Fig. 1 에본논문에서분석대상으로삼은설계변수들을표시하였으며, 해석결과는,, 으로표시된점 A, B, C 에서유효응력 과원주방향의응력성분 을중심으로분석하였다. 본논문에서사용한유한요소해석모델을 Fig. 에나타내었다. 접촉면에서마찰계수를.1 로가정하였다. 3. 금형구조해석및열박음영향분석 금형의열박음의영향을분석할목적으로 Table 1 에서보는바와같은다양한조건하에서금형의구조해석을실시하였다. 열박음과관련된설계변수의영향을분석하기위해서는설계의기준이필요한데, Table 1 의 Case 4 를기준으로삼았다. 이경우는내측링과외측링에.4% 의예압을가하고, 체결력을.3% 의예압을가한것으로간주한것이다. Case 4 에대한해석결과를 Fig. 3 과 Fig. 4 에요약하였다. Fig. 3 에서좌편은유효응력을의미하고, 우편은금형부품의 접촉면에작용하는응력벡터, 즉응력의접선성분과법선성분을벡터로표시한것이다. Fig. 3 의결과로부터금형부품간접촉면에서응력벡터의예 Case Young s modulus of die insert [GPa] Table 1 Cases investigated Inner ring [%] Shrink fit Outer ring [%] Clamping ring [%] 1 7.1.1.3 7...3 3 7.3.3.3 4 7.4.4.3 5 7.5.5.3 6 7.4..3 7 5.4.4.3 8 1.4.4.3 9 7.4.4.3 Slope angle Partition* 1 =3 =3 1(3),(3), 3(3) 1 =3 = 1 7.4.4.3 1 = 1(3),(3) 11 7.4.4.3 1 7.4.4.1~.5 1 =3 =3 1(3),(), 3(3) 1(3),(3), 3(3) * N(M) means that the N-th floor is assembled by one die insert and (M-1) rings (a) Effective stress (b) Interfacial stress Fig. 3 Effective and interfacial stresses of Case 4
Stress (MPa) 한국정밀공학회지제 8 권 3 호 pp. 31-37 March 11 / 34 불연속이거의발생하지않았다. 이결과와 Case 4 의결과를비교해보면, 압축링을분리하여별도로예압을가함으로써 Fig. 1 의점 B 에서의유효응력과원주방향의압축응력이약 77% 증가하였다. 이결과는이중링을사용한효과를말해주고있으며, 동일한조건에서는다층링에예압을부과하는것이효과적이라는사실을암시하고있다. 3 Case 1 Case Case 3 Case 4 Case 5 15 (a) 1, (b) 3 Fig. 4 Principal stresses of Case 4 Circumferential stress Point A Point B Point C Effective stress Fig. 4 에서좌편은대칭면에작용하는주응력성분을나타내고있고, 우편은원주방향의응력성분을나타내고있다. Fig. 4 에서보는바와같이예압에의하여원주방향으로압축력 ( 즉, 가음수 ) 이작용하게된다. 이점이열박음의근본적인목적이다. 3.1 금형의예압량의영향 Fig. 5 에 Table 1 의 Case 1~5 에대한금형구조 해석결과, 즉예압량의변화에따른 Fig. 1 의점 A, B, C 에서의유효응력과원주방향의응력성분 의변화를나타내었다. Fig. 5 에서보는바와같이 예압량에따라원주방향의응력성분과유효응력 이비슷한변화경향을보이고있다. 특히두응 력값의절대치가거의같으며, 이는하나의주응 력인원주방향응력성분의절대치가다른두개의 주응력에비하여매우큰것에연유한다. 예를들 면,.4% 의압축시에점 A 에서세개의주응력은 -1 MPa, -133 MPa, -95 MPa( 원주방향의응력 ) 이며, 이주응력에상응하는유효응력은 4 MPa 이다. 한편, Case 6 은외측링과내측링이상온상태에서단순접촉이발생하도록한경우이며, 이에대한구조해석을실시하여 Case 4 와그결과를비교하였다. 해석결과로유효응력의분포와원주방향의응력성분을 Fig. 6 에나타내었다. Fig. 6 에서보는바와같이내측링과외측링사이의응력 -15-3.1..3.4.5.6 Radial interference (%) Fig. 5 Effect of the amount of shrink fit on die stress CL (a) Effective stress (b) Circumferential stress Fig. 6 Effective and circumferential stresses of Case 6 3. 다이인서트의재료의영향다이인서트의재료로주로합금공구강인 STD11 또는 SKH51 과초경합금인 HW-V 이사용되고있다. 이두재료는근본적으로강도와탄
Stress (MPa) Stress (MPa) 한국정밀공학회지제 8 권 3 호 pp. 31-37 March 11 / 35 3 Case 8 Case 7 Case 4 CL 15 Circumferential stress Point A Point B Point C Effective stress -15-3 15 3 45 6 75 Young, s modulus (GPa) Fig. 7 Effect of Young s modulus on die stress 성계수등에서매우큰차이가있다. 따라서금형재료의탄성계수간의역학적차이를규명할필요가있다. 이를위하여다이인서트재료의탄성계수 (GPa 에서 7GPa 까지 ) 가예압에미치는영향을조사하였으며, 그결과를 Fig. 7 에정리하였다. Fig. 1 의점 B 에서 Case 8 의유효응력과원주방향의응력성분은 Case 4 의약 7% 이다. 이결과는강성이큰다이인서트소재일수록예압효과가크다는점과다이인서트의탄성계수가예압과매우밀접하다는점을말해준다. 3.3 링의기울기의영향 Fig. 1 에서보는바와같이금형이 1 과 만큼기울어져있다. 1 은체결력의전달목적으로불가피하지만, 는역학적으로필수적인경사가아니다. 따라서 의경사가어떤영향을미치는지를조사하기위하여, Case 4 의결과와 Case 9 의결과를비교하였다. 그결과, 경사각 가금형의응력에크게영향을미치지않음을확인하였다. 3.4 금형분리의영향금형분리의영향을조사하기위하여 Case 4 에서 1 층과 층을일체화시킨 Case 1 의금형설계에대하여금형구조해석을실시하였으며, 그결과를 Case 4 의결과와비교하였다. 해석결과는 Fig. 8 에서보는바와같다. Fig. 8(a) 의해석결과와 Fig. 3(a) 의해석결과를비교해보면, 금형의유효응력 (a) Effective stress (b) Circumferential stress Fig. 8 Effective and circumferential stresses of Case 1 분포가비숫하다는것을알수있다. 이결과는금형의외곽형상변화가크지않아응력집중이발생할가능성이없는부위를상하로분할할경우금형의열박음효과의변화는거의없다는점을말해준다. 3.5 압축링의두께의영향압축링의두께영향을분석하기위하여 층의외측링, 즉 Fig. 1 에서부품 7 을제거하는대신내측링, 즉 Fig. 1 에서부품 6 의두께를변화시켜금형구조해석을실시하여그결과를조사하였다. 이목적으로 Case 11 의공정설계에대한구조해석을실시하였다. Fig. 9 의결과에서보는바와같이압축링의외경이커짐에따라 Fig. 1 의점 A 5 15-15 Circumferential stress Effective stress Point A Point B Point C -5 5 1 15 5 3 35 4 Thickness of shrink ring (mm) Fig. 9 Effect of shrink ring diameter on die stress
Clamping force (1 4 N) 한국정밀공학회지제 8 권 3 호 pp. 31-37 March 11 / 36 와점 C 의응력변화가거의없으며, 점 B 에서응력의크기는외경의증가에따라증가하지만일정이상의두께를초과하면그영향이급격히감소하는경향을보이고있다. 3.6 체결력의영향체결력의영향을조사하기위하여 Fig. 1 의외곽실린더 (Fig. 1 에서의 4 번금형부품 ) 의예압량, 즉체결력의영향을조사하였다. 체결력은열수축량으로표현하였다. 체결력의영향조사를위하여 Case 1 에대한금형구조해석을실시하였다. Fig. 1 에서보는바와같이.3% 의체결량까지체결량의증가에따라체결력이선형적으로증가하는경향이있다. 반면,.3% 부터.5% 까지완만하게증가하고있으며, 이것은.3% 의체결량이후에발생하는열박음링과다이인서트및외측링과내측링사이의미끄러짐에기인한다. Fig. 11 은.1% 와.5% 의체결량에대한원주방향의응력성분을비교하고있다. 이두체결량에대한점 B 의원주방향응력성분은각각 -18MPa 과 -17MPa 으로나타났으며,.1% 의체결량을적용한경우의원주방향응력성분의분포가.5% 의체결량에비하여상대적으로균일하게나타났다. 반면,.5% 의체결량의경우는원주방향응력성분값의크기변화가크게나타났다. 금형의파괴관점에서보았을때, 금형예압의균일성은매우중요하므로 Fig. 11 의결과는최적의체결조건이존재함을암시하는것이다. 8 6 4.1..3.4.5.6 Longitudinal shrink of part 4 (%) Fig. 1 Effect of longitudinal shrink on clamping force 1-1 -15-18 -1 3-1 -9-14 -17-1 -6-9 (a) Shrink fit of.1% (b) Shrink fit of.5% Fig. 11 Circumferential stresses of Case 1 4. 결론 본논문에서는열탄성유한요소법과가변벌칙기법에바탕을둔금형구조해석기술을이용하여자동다단냉간단조공정에서금형열박음및이와관련된주요설계변수의영향을정량적으로분석하였다. 금형의예압량, 다이인서트의재료, 링의기울기, 금형의상하좌우분리, 압축링의두께, 체결력등이유효응력과원주방향의응력성분에미치는영향을상세하게분석하였다. 주요결과를요약하면, 다음과같다. 열박음의세기에따라서원주방향의압축응력은선형적으로증가하는경향을보였으며, 이에따라유효응력도선형적으로증가하는경향을보였다. 그리고다이인서트의탄성계수가클수록예압효과는증가하였고, 링의층의수가증가할수록더큰예압량을부가할수있다는점을확인하였다. 반면, 링의두께가증가할수록예압량이증가하는경향을보이지만, 일정이상의두께에이를경우두께의증가에따른예압량의변화율은크게완화되는경향을보였다. 또한힘의전달통로가아닌곳에서의압축링의기울기는예압량에큰영향을미치지못한다는사실을확인하였다. 체결력의변화는평균적으로는예압량의변화에큰영향을미치지않지만, 체결력의증가에의하여균일성이저하되기때문에국부적으로는비교적큰영향을미치는것으로나타났다. 제시한결과들은냉간단조금형기술자들에게금형역학에관한직관을갖도록하고금형설계
한국정밀공학회지제 8 권 3 호 pp. 31-37 March 11 / 37 의최적화및문제해결능력을함양하는데도움이될것으로사료된다. 후기 이논문은지식경제부의청정기반전략기술개발사업및 9 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국학술진흥재단의지원을받아수행된연구 임 (No. 9-6659). 참고문헌 1. Lange, K., Cser, L., Geiger, M. and Kals, J. A. G., Tool life and tool quality in bulk metal forming, Annals of the CIRP, Vol. 41, No., pp. 667-676, 199.. Matsubara, S. and Kudo, H., An analysis of stress and strain induced in some die and punch assemblies for cold forging by the finite element method, 7th Int. Congress on Cold Forging, pp. 63-69, 1995. 3. Frater, J. L. and Zinolabedini, R., Stress analysis of dies having multiple shrink rings, J. Mat. Shaping Tech., Vol. 7, No., pp. 67-8, 1989. 4. Engel, U. and Hänsel, M., FEM-simulation of fatigue crack growth in cold forging dies, Adv. Tech. Plast., Vol. 1, pp. 355-36, 199. 5. Nagao, Y., Knoerr, M. and Altan, T., Improvement of tool life in cold forging of complex automotive parts, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 46, No. 1-, pp. 73-85, 1994. 6. Hoffmann, K. F. and Lange, K., Computation of the elastic expansion and stresses in cold extrusion dies with non-axisymmetric inner shape, Trans. NAMRI of SME, Vol. 17, pp. 71-78, 1989. 7. Takahashi, S. and Brebbia, C. A., Forging die stress analysis using boundary element method, Adv. Tech. Plast., Vol. 1, pp. 3-1, 199. 8. Fu, M. and Shang, B., Stress analysis of the precision forging die for a bevel gear and its optimal design using the boundary-element method, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 53, No. 3-4, pp. 511-5, 1995. 9. Joun, M. S., Lee, M. C. and Park, J. M., Finite element analysis of prestressed die set in cold forging, Int. J. Mach. Tools Manuf., Vol. 4, No. 11, pp. 113-1,. 1. Lee, Y., Lee, J., Kwon, Y. and Ishikawa, T., Modeling approach to estimate the elastic characteristics of workpiece and shrink-fitted die for cold forging, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 147, No. 1, pp. 1-11, 4. 11. Kang, J. H., Lee, K. O., Je, J. S. and Kang, S. S., Spur gear forging tool manufacturing method considering elastic deformation due to shrink fitting, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 187-188, No. 1, pp. 14-18, 7. 1. Eyercioglu, O., Kutuk, M. A. and Yilmaz, N. F., Shrink fit design for precision gear forging dies, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 9, No. 4, pp. 186-194, 9. 13. Lee, H. C., Saroosh, M. A., Song, J. H. and Im, Y. T., The effect of shrink fitting ratios on tool life in bolt forming processes, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 9, No. 8, pp. 3766-3775, 9. 14. Joun, M. S., Eom, J. G. and Lee, M. C., A new method for acquiring true stress-strain curves over a large range of strains using a tensile test and finite element method, Mechanics of Materials, Vol. 4, No. 7, pp. 586-593, 8. 15. Matweb, http://www.matweb.com 16. Kim, S. H., Choi, H. and Lee, J. C., A Study on the grinding characteristics of titanium alloy, J. Kor. Soc. Manu. Proc., Vol. 1, No. 1, pp. 55-6,.