Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 12 pp. 6967-6972, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.12.6967 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 PCB 판에대한핀의이동공정에따른압입파괴평가 김영춘 1, 김춘식 2, 이희성 2, 조재웅 1* 1 공주대학교기계자동차공학부, 2 태성전장주식회사 Estimation of Indent Fracture due to the Moving Process of a Pin on PCB Plate Young-Choon Kim 1, Choon-Sik Kim 2, Hee-Sung Lee 2, Jae-Ung Cho 1* 1 Division of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju University 2 Taesung Electro-Cricuit Systems 요약기계적체결방식으로볼트와너트를이용한결합방식과리벳이나핀이널리사용되고있다. 압입방식은다른생산방법에비하여쉽게가공가능하며재료의인성이우수하다. 하지만실제적으로압입방식으로생산하는과정에서균열이발생될수있는경우가많다. 따라서본연구에서는 CATIA 프로그램을이용하여핀이 PCB 판으로들어가고나가는두가지경우의모델을만들고 ANSYS 프로그램을이용하여유한요소해석을수행하였다. Case 1 및 2의경우에핀이 PCB판에들어갈때, PCB판에서작용되는최대하중은각각 79.708N과 90.277N이다. 그리고 Case 1 및 2의경우에, PCB판이 Pin에서빠져나올때의최대하중은각각 63.783N과 33. 75N으로각각나타났다. 본연구의결과를실제압입공정의설계에응용한다면그파손방지및내구성을평가하는데에활용이클것으로사료된다. Abstract Assembly using a bolt and nut, and rivet or pin have been used widely for forming mechanical joints. The indent method is an easier process than other manufacturing techniques and the toughness of the material is excellent. On the other hand, there are many cases in which the cracks occur on the manufacturing process as the indent method. Therefore, two kinds of models, in which a pin goes into and out PCB plate in this study were developed using the CATIA program and finite element methods were performed using the ANSYS program. When a pin was passed through a PCB plate in cases 1 and 2, the maximum loads applied to the PCB plate were 79.708N and 90.277N, respectively. When the PCB plate came out of the pin in cases 1 and 2, the maximum loads were 63.783N and 33.75N, respectively. The damage prevention and durability can be improved by applying the study results to the design of real indentation. Key Words : Joint method, Indent, Load, Pin, PCB plate 1. 서론 사용될전망이크다. 본연구에서는핀이 PCB 판으로들 어가고나가는이동공정으로서두가지경우로해석하 기계적체결방식으로는볼트와너트를이용한결합 였다. CATIA 프로그램을이용하여 3D 모델링하였으며, 방식, 리벳이나핀을이용한결합방식등많은방식들이 ANSYS 프로그램을이용하여유한요소해석을수행하 있다. 압입방식의장점은다른생산방법에비하여쉽게 였다. 이를통해서, 압입접촉된평면에서손상평가를하 가공가능하며재료의인성이우수하고, 경량화된강한 였다 [4,5]. 본연구의결과를종합하여실제압입공정의 부품을매우균질한정밀도로생산하는것또한가능하 설계에응용한다면그파손방지및내구성을검토, 예측 다 [1-3]. 이러한프레스의기술진보는미래에주력으로 하는데활용이클것으로사료된다. * Corresponding Author : Jae-Ung Cho(Kongju Univ.) Tel: +82-41-521-9271 email: jucho@kongju.ac.kr Received August 21, 2014 Revised October 20, 2014 Accepted December 11, 2014 6967
한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 2. 연구모델및경계조건 2.1 연구모델본연구에 3D 설계된모델은 Fig. 1에서와같으며, 이모델에대한각부품들을도시하였다. Fig. 1에서보면본연구의모델링은핀 (3개), Hole Pad(3개 ), PCB판 (1개) 으로조립되어있다. 또한 Hole pad는 PCB판과붙어있으며, 핀과 Hole Pad는떨어져있는상태이다. 본연구의 Case 1의해석상절점및요소수는각각 277060개와 178529개이며, Case 2의해석상절점및요소수는각각 268846개와 174486개이다. 또한 Case 1과 Case 2의 Pin 들의크기는 Table 1에나타내었다. Hole pad와핀은순동으로구성되고, PCB판은 fr-4로구성되어있다. 또한, 순동과 fr-4의물성치들은 Table 1에나타내었다. 2.2 경계조건실제적으로똑같이시뮬레이션에서구현하기위해서 Fig. 2에서와같이경계조건을주었다. Fig. 2에서보면 Case 1과 Case 2는모두같은경계조건을주여 Pin의받침을고정시키고, PCB판면에서붉은색으로표시된영역에변위를가하였다. 붉은색으로표시된영역은링이며, 안의원의직경은 2.5mm이고밖의원의직경은 3.5mm 이다. 또한모델링에가해진변위는 PCB판은 0.06s안에아랫방향으로 3mm정도내려갔다가다시원래의상태로되돌아간다고사료된다. [Fig. 2] Boundary conditions of model 3.1 하중해석결과 3. 해석및결과 [Fig. 1] Analysis models [Table 1] Sizes of pin and hole pad PCB hole size Pin size_1 Pin size_2 Hole pad thickness Size 1.000mm 0.955*0.640mm 1.015*0.640mm 35um [Fig. 3] Graph of load vs. time of case 1 [Table 2] Material property of model Copper fr-4 Density( kg /mm3) 8.96 10-5 1.9 10-6 Young's Modulus(MPa) 11000 22500 Poisson's Ratio 0.343 0.11 Tensile Yield Strength(MPa) 33.3 300 Tensile Ultimate Strength(MPa) 210 400 [Fig. 4] Graph of load vs. time of case 2 Fig. 3과 Fig. 4에도시된그림들은시간-하중그래프이며, 가로축은시간이고세로축이하중이다. 하중은전 6968
PCB 판에대한핀의이동공정에따른압입파괴평가 체과정에 PCB판에서작용한하중이다. Fig. 3에서보면 Case 1의경우에핀이 PCB판에들어갈때 PCB 판에서작용하는최대하중은약 79.708N인것을확인하였으며, PCB판이 Pin에서빠져나올때의최대하중은약 63.783N으로나타났다. Fig. 4에서보면 Case 2의경우에핀이들어갈때 PCB판에작용하는최대하중은약 90.277N인것을확인하였으며, PCB판이 Pin에서빠져나올때의최대하중은약 33.75N으로나타났다. 이해석결과를통하여, 핀의직경을커짐에따라처음에핀이 PCB판에들어갈때 PCB판에서작용한하중이커지고 PCB판은 Pin에서빠져나올때하중이작아진것을확인하였다. 알수있었다. [Fig. 7] Total deformation of PCB at 0.06s of case 1 3.2 변형량해석결과 [Fig. 8] Total deformation of PCB at 0.06s of case 2 [Fig. 5] Total deformation of Pin 1 at 0.06s of case 1 Fig. 7에서 Case 1의 PCB의최대변형량이나타났으며, 0.00073944mm로나온것을확인하였다. Fig. 8에서 Case 2의 PCB의최대변형량이나타났으며, 0.0014194mm로나온것을확인하였다. 이를통하여 Case 2의 PCB의최대변형량은 Case 1의 PCB의최대변형량보다약 2배로더크다는것을알수있었다. [Fig. 6] Total deformation of Pin 1 at 0.06s of case 2 Case 1의 3개의 Pin들과 3개의 Hole pad들의해석결과는거의동등한양상으로나타났으며, Case 2도같은양상을나타났다. 따라서본연구에서는 Case별로 Pin 1 과 Hole pad 1의해석결과들만비교한다. Fig. 5에서보면 Case 1의 Pin 1의 0.06s에서나온최대변형량이 0.12891mm로나온것을보였다. Fig. 6에서보면 Case 2 의 Pin 1의 0.06s에서나온최대변형량이 0.14593mm로나온것을확인하였다. Case 1과 Case 2의경우는모두 Pin의가운데오른쪽에서최대변형량이발생된것을볼수있으며, Case 2의최대변형량이더크게나온것을 [Fig. 9] Total deformation of Hole pad 1 at 0.06s of case 1 [Fig. 10] Total deformation of Hole pad 1 at 0.06s of case 2 6969
한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 Fig. 9에서는 Case 1의 Hole pad 1의최대변형량이나타났으며, 0.01314mm로나온것을확인하였다. Fig. 10 에서는 Case 2의 Hole pad 1의최대변형량이나타났으며, 0.0098442mm로나온것을확인하였다. Case 1의 Hole pad 1의최대변형량은더크지만대부분부위의변형량은초록색으로표시되어 0.001mm쯤에있는것을알수있다. 또한 Fig. 10에서보면 Case 2의 Hole pad 1의대부분의부위들에서노란색으로표시되어 0.003mm쯤에있는것을알수있다. [Fig. 13] Equivalent stress of PCB at 0.06s of case 1 3.3 등가응력해석결과 [Fig. 14] Equivalent stress of PCB at 0.06s of case 2 [Fig. 11] Equivalent stress of Pin 1 at 0.06s of case 1 [Fig. 15] Equivalent stress of Hole pad 1 at 0.06s of case 1 [Fig. 12] Equivalent stress of Pin 1 at 0.06s of case 2 Fig. 11에서는 Case 1의 Pin 1이최대등가응력을나타냈으며, 291.54MPa 로나오고 Fig. 12에서는 Case 2의 Pin 1이최대등가응력을나타냈으며, 355.85MPa 로나온것을확인하였다. 전체적으로보면 Case 1과 Case 2의 Pin 1의최대등가응력이모두순동의항복응력보다크므로 Pin의표면이파괴된것을알수있다. 또한 Case 2의 Pin 1의최대등가응력이더크고 Pin 1의양쪽으로변형을보이며, Case 1의 Pin 1은오른쪽만이변형을보인다. [Fig. 16] Equivalent stress of Hole pad 1 at 0.06s of case 2 Fig. 13, Fig. 14, Fig. 15, Fig. 16에서보면, Case 1의 PCB의최대등가응력이 114.63MPa 로나오고 Case 2의 PCB의최대등가응력은 120.4MPa 로나오고, Case 1의 Hole pad 1의최대등가응력이 281.62MPa 로나오고 Case 2의 Hole pad 1의최대등가응력은 313.46MPa 로나온것을확인하였다. Fig. 13과 Fig. 14를함께보면 Case 2의 PCB에응력을더받은게보이며, Case 2의 6970
PCB 판에대한핀의이동공정에따른압입파괴평가 PCB의최대등가응력이더큰것을알수있었다. 또한 Case 1과 Case 2의경우의 PCB는모두 Hole의표면만파괴되고다른부위에 fr-4의항복응력을초과하지않고파괴가안되는것으로보인다. Fig. 15와 Fig. 16을함께보면 Case 2의 Hole pad 1의최대등가응력이더크게나타났다. 또한 Case 1과 Case 2의 Hole pad 1의대부분부위에서모두순동의항복응력을초과하며, Case 1과 Case 2의 Hole pad 1은모두파괴된다고사료된다. 4. 결론본연구에서는압입공정의 2가지 Case로서핀이 PCB 판으로들어가고나가는경우에대하여유한요소해석을통하여다음과같은결론을도출하였다. 1. Case 1의경우에있어핀이 PCB판에들어갈때 PCB판에서작용하는최대하중은약 79.708N인것을확인하였으며, PCB판이 Pin에서빠져나올때의최대하중은약 63.783N으로나타났다. Case 2의경우에있어핀이들어갈때 PCB판에작용하는최대하중은약 90.277N인것을확인하였으며, PCB 판이 Pin에서빠져나올때의최대하중은약 33.75N으로나타났다. 이결과를통해서핀의직경이커짐에따라처음에핀이 PCB판에들어갈때 PCB판에서작용한하중이커지고 PCB판은 Pin에서빠져나올때하중이작아진것을확인하였다. 2. 구조변형량의해석결과, Case 2경우의 Pin의크기가더크므로 Case 2의모든부품의변형량이 Case 1보다더크다는것을확인하였다. 3. 구조등가응력의해석결과, Case 1과 Case 2의 Pin 1과 PCB는모두표면만파괴가되고, Hole pad 1은파괴가된것을알수있었다. 4. 연구의결과를종합하여실제압입공정의설계에응용한다면그파손방지및내구성을검토, 예측하는데활용이클것으로사료된다. References [1] Sim. Yong-Sub, Lee. Hee-Sang, The Comparison of the In-Situ Thermal Response Tests and CFD Analysis of Vertical-type Geothermal Heat Exchanger, Journal of KAIS, Vol. 14, No. 7, pp. 3146-3169, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.7.3164 [2] Jeon. Sung-Taek, Cho. Jin-Pyo, Effect of pitch angle and blade length on an axial flow fan performance, Journal of KAIS, Vol. 14, No. 7, pp. 3170-3176, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.7.3170 [3] Kang. Gil-Hyun, Kim. Chul-Su, Damping Characterization of the Double-skin Aluminum Extruded Panels for Rolling Stock Carbody, Journal of KAIS, Vol. 14, No. 7, pp. 3197-3202, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.7.3197 [4] H. Y. Kim, J. M. Kim, J. G. Choi, K. T. Lee and D. J. Lee, "Structural Analysis for the Development of Round Recliner", Journal of the Korea Society of Automotive Engineers, Vol. 2, pp. 1361-1366, 2003 [5] Kim. Jin-Dong, Cha. Jong-Ho, A Study on the Regional Resources Facilities Tax, Journal of KAIS, Vol. 14, No. 7, pp. 3223-3231, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.7.3223 김영춘 (Young-Chun Kim) [ 종신회원 ] 1989 년 8 월 : 명지대학교전기공학과 ( 공학석사 ) 1997 년 2 월 : 명지대학교대학원전기공학과 ( 공학박사 ) 2006 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교공과대학기계자동차공학부교수 전기자동차전력변환, 전장제어, 태양광에너지 김춘식 (Choon-sik Kim) [ 정회원 ] 1979 년 2 월 : 인하대학교건축공학과 2006 년 8 월 : 호서대학교대학원정보제어공학과 ( 공학석사 ) 1994 년 6 월 : 경신공업 ( 주 ) 부사장 1985 년 7 월 ~ 현재 : 태성전장주식회사대표이사 철도및자동차부품, 제조, 와이어하네스, 자동차센서 6971
한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 이희성 (Hee-Sung Lee) [ 정회원 ] 2007 년 2 월 : 공주대학교기계설계공학과 ( 공학사 ) 2009 년 2 월 : 공주대학교대학원기계공학과 ( 공학석사 ) 2009 년 1 월 ~ 현재 : 태성전장주식회사연구소입사 / 재직 배터리전류센서, 금형및단조, 자기장해석, 홀센서 조재웅 (Jae-Ung Cho) [ 종신회원 ] 1980 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학사 ) 1982 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 1986 년 8 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 1988 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교기계ㆍ자동차공학부교수 기계및자동차부품설계및내구성평가, 피로또는충돌시동적해석 6972