한국산학기술학회논문지 Vol. 10, No. 7, pp. 1453-1458, 2009 중공박판의기계적프레스결합에관한해석 이세정 1, 김민웅 2, 이재원 3, 이상욱 4* 1 한양대학교기계공학과, 2 ( 주 ) 에이스테크놀로지, 3 ( 주 ) 성안기계, 4* 순천향대학교기계공학과 Numerical Analysis on the Mechanical Press Joining for the Sheet Metal with a Circular Hole Se-Jung Lee 1, Min-Woong Kim 2, Jae-Won Lee 3 and Sang-Wook Lee 4* 1 Dept. of Mech. Eng., Hanyang Univ., 2 RF R&D Center, Acetechnologies Co., 3 R&D Center, Sung An Machinary Co., 4 Dept. of Mech. Eng., Soonchunhyang Univ. 요약본논문은중공을가진판재두매를결합하기위하여중공주위를따라기존레이저용접법대신기계적프레스결합법을적용하는것에관한연구이다. 이를통해레이저용접을적용했을때불가피하게발생하는열변형을효과적으로없앨수있다. 유한요소해석을통하여중공형판재를기계적으로결합시킬수있는금형설계방법을제안하였다. 기계적결합력을최대화시키는데관련있는다섯가지설계인자를선택하여다꾸치실험법을적용한결과성형깊이와펀치모서리반경이가장크게영향을미치는인자로나타났다. Abstract This study is to apply the mechanical press joining method to join two kinds of sheet metals with circular holes by mechanical pressing instead of laser beam. Usage of the mechanical pressing avoids the thermal deformation of sheet metals which occurs inevitably in laser joining. A die design has been proposed to make the mechanical press joining applicable with finite element analysis. Five design factors related to the joining force have been selected and applied to the Taguchi method for optimization. Among five factors, 'Forming Depth' and 'Punch Corner Radius' have been revealed to be the most influential ones. Key Words : Mechanical Press Joining, Taguchi Method, MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) 1. 서론 차세대에너지원으로각광받고있는용융탄산염연료전지 (MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell) 의주요부품중하나인스테인리스분리판의전개도를그림 1에보였다 [1]. 현재분리판구성품간의결합에는레이저용접이사용되고있다. 레이저용접은겹쳐진박판의일부에레이저빔을조사하여재료표면의온도를급격히상승시켜표면을용융시킴으로써가공이이루어지는방법으로열과이에따른열변형이동반된다. 이와는다르게부가적인열원을필요로하지않는기계적결합이있다. 기계적결합에는나사, 리벳, 볼트등부가적인재료를이용하여결합하는방법과, 결합될소재를소성변형시켜기하학적구속을발생시키는방법이 있다 [2-4]. 본논문에서기계적프레스결합이라는용어는후자와관련되어있다. 분리판은여러층으로적층되어사용되기때문에무엇보다각분리판의편평도가매우중요하다. 레이저용접에의한결합은원치않게열변형이동반되므로편평도를떨어뜨리는요인이된다. 이를근본적으로해결하기위한방법으로기계적프레스결합법을사용하여분리판의구성품을결합하는방법을본연구에서제안하고자한다. 그림 1에서볼수있듯이분리판에는많은구멍이존재한다. 구멍주위에프레스결합을적용하기위하여본연구에서는구멍을가진박판에서구멍주위를따라선형태의프레스결합을만들어내는방법의연구에초점을맞추고자한다. 또한기계적프레스결합의결합력을최대화하기위한금형설계인자를파악하기위하여다구 * 교신저자 : 이상욱 (swlee@sch.ac.kr) 접수일 09 년 03 월 11 일수정일 09 년 07 월 06 일게재확정일 09 년 07 월 22 일 1453
한국산학기술학회논문지제 10 권제 7 호, 2009 찌실험법을통해영향있는주요인자들중가장큰영향을주는설계인자를선정하고자한다. Cathode Mask Plate 이러한목표를달성하기위해기계적프레스결합공정과관련된적절한설계인자를다수선정하여다구찌실험법과유한요소해석을통해최적의설계안을제시하고자한다. Shielded Slot Plate Center Plate Shielded Slot Plate Anode Mask Plate [ 그림 1] MCFC 용분리판의전개도 2. 본론 기존의기계적프레스결합방식은모두점형태의한가지모양에국한되고있다. 그림 2의오른쪽이그러한공정의전형적인형태인 TOX 결합 [5] 을보여주고있다. 점형태의결합법으로는중공박판을연속적으로결합할수없으므로그림 2의왼쪽에보인바처럼중공부분의외곽을따라서기계적프레스결합을실시하고자한다. 이를통해연료전지분리판에대해새로운기계적결합방법을제안하고자하는것이다. [ 그림 2] 중공프레스결합 ( 좌 ) 과 TOX 결합의비교두개의박판이소성변형을통해서로결합하는원리는그림 3에보였다. 두개의박판을겹친후펀치로밀어다이의끝부분에위치한오목한부분에재료를밀어넣으면자연스럽게두개의재료가서로중첩되는부분 (T G) 이나타난다. 이 T G 가클수록결합력이강하다. 본연구에서정한설계목표는첫째, 중공-진원형결합, 둘째, 실용가능한성형하중, 셋째, 일정수준이상의결합력등이다. [ 그림 3] 소성변형으로두판재가결합되는원리와그결합력을결정하는파라미터인 T G 2.1 특성파라미터선정 기계적결합공정에서요구되는가장중요한평가특성은결합강도로서여기에직접적으로영향을주는인자는기하학적구속의크기이다. 따라서기계적프레스결합공정의특성파라미터로서그림 3의상판과하판이중첩된기하학적구속의크기 (T G) 를선택하였다. 2.2 설계인자의선정및직교배열 2.2.1 설계인자의선정 기계적프레스결합공정에서설계인자로고려될수있는것들은크게금형설계치수와성형공정조건으로나뉠수있다. 금형설계시설계인자로생각할수있는것은다이오목부의깊이, 다이와펀치의폭및코너반경, 펀치의경사각, 결합되어접합하는부분의길이, 성형깊이등이있으며성형조건에대한설계변수로는펀치의압하량, 분리판사이의마찰계수등을들수있다.[6-8] 그러나앞에서거론된설계인자모두를고려하는것은비효율적이다. 따라서결합강도에밀접한영향을주는인자를선별하는것이중요하다. 선정된인자를그림 4에표시하였다. 또한각인자별수준을표 1에나타내었다. 인자별각수준은예비해석을통해서실제성형이가능한범위를찾아낸후이를통해선정되었다. 1454
중공박판의기계적프레스결합에관한해석 [ 표 2] 판재의물성치및공정변수값 응력 - 변형율식 [ 그림 4] 다섯가지설계인자의위치 [ 표 1] 다섯가지설계인자의명칭과그수준 인자 수준 1 2 3 A 오목부중심옵셋거리 0.1 0.12 0.14 B 성형깊이 1.7 1.8 1.9 C 펀치바닥부경사각 0.2 0.3 0.4 D 다이부반경 0.22 0.25 0.28 E 펀치모서리반경 0.2 0.3 0.4 영율 182,168.3 MPa 프와송비 0.3 마찰계수 0.15 펀치속도 1.0 m/s 다이 / 펀치모델 강체 (rigid body) (a) Initial 각인자별의미는다음과같다. 1) 오목부중심옵셋거리 (A): 결합형상의완만함을결정함. 2) 성형깊이 (B): 기하학적형상을최종결정하는데기여함. 3) 펀치바닥부경사각 (C): 성형중중공형방향으로재료의유동을조절하는역할을함. 4) 다이부반경 (D): 오목부부분에서원활한형상이나올수있도록함. 5) 펀치모서리반경 (E): 위쪽판재의접촉면에서원활한형상이나올수있도록함. (b) Drawing 2.2.2 직교배열표 선정된다섯가지인자를직교배열표 L 18(2 1 ⅹ3 7 ) 에배치하여 18가지설계조합을설정하였다. L 18(2 1 ⅹ3 7 ) 직교배열표는 2수준을가지는 1개의변수와 3수준을가지는 7개의변수들을 18가지경우의직교배열로조합한것을의미한다 [9-11]. 각인자별수준에따른평가특성치를구하고요인에대한효과분석을위해유한요소해석을수행하였다. 유한요소해석을위한판재의물성치조건은표 2와같다. (c) Squeezing [ 그림 5] 해석결과의예 ( 좌측기준축대칭모델 ) 그림 5는유한요소해석의한가지결과를보여주고있다. 판재는축대칭요소를사용하였고, 다이및펀치는요소가필요없는강체로모델링하였다. 전체요소수는 744 개, 절점수는 819개이다. 하부다이가고정된가운데상부펀치를성형이완료되는깊이까지진입시키는방법으로해석을수행하였다. 그림 5에서 (a) 는펀치와다이사이에판재가놓여있는상태이다. (b) 는펀치의하강력에 1455
한국산학기술학회논문지제 10 권제 7 호, 2009 의해판재에변형이이루어지고있는상태이다. (c) 는두판재가다이오목부사이에충분히들어가판재간의결합이이루어진상태이다. 직교배열표의 18가지조합에대하여해석된기하학적구속의크기를표 3에나타내었다. [ 표 3] 18 가지조합에따른기하학적구속의크기 No. A B C D E 구속의크기 1 0.10 1.7 0.42 0.22 0.2 0.11800 2 0.10 1.8 0.64 0.25 0.3 0.09968 3 0.10 1.9 0.85 0.28 0.4 0.12582 4 0.12 1.7 0.42 0.25 0.3 0.08733 5 0.12 1.8 0.64 0.28 0.4 0.08412 6 0.12 1.9 0.85 0.22 0.2 0.13359 7 0.14 1.7 0.64 0.22 0.4 0.09351 8 0.14 1.8 0.85 0.25 0.2 0.11272 9 0.14 1.9 0.42 0.28 0.3 0.11683 10 0.10 1.7 0.85 0.28 0.3 0.09004 11 0.10 1.8 0.42 0.22 0.4 0.10254 12 0.10 1.9 0.64 0.25 0.2 0.12604 13 0.12 1.7 0.64 0.28 0.2 0.13043 14 0.12 1.8 0.85 0.22 0.3 0.10554 15 0.12 1.9 0.42 0.25 0.4 0.10710 16 0.14 1.7 0.85 0.25 0.4 0.07695 17 0.14 1.8 0.42 0.28 0.2 0.09445 18 0.14 1.9 0.64 0.22 0.3 0.10838 평균 ( ) 0.10629 18가지경우에대하여기하학적구속값을결정할때펀치력의최대치를 2,200 kn으로제한하였다. 이는실제적용가능한범위내에서기계적프레스결합을달성하는것이매우중요하다고판단하였기때문이다. 2.3 분산분석 교호작용 ( 인자간간섭효과 ) 이없는 L 18(2 1 ⅹ3 7 ) 형직교배열표의각요인과유한요소해석후얻은결과값 ( 표 3) 을반영하여영향도가가장큰인자를알아보기위하여 SPSS를이용한분산분석을실시하였다. 분산분석의결과를표 4에나타내었다. 분산분석을통하여기하학적구속의크기는성형깊이 (B) > 펀치모서리반경 (E) > 오목부중심옵셋거리 (A) > 다이부반경 (D) > 펀치바닥부경사각 (C) 의순서로영 향을받는다는것을확인하였다. 특히성형깊이 (B) 와펀치모서리반경 (E) 은상대적으로결합력에매우큰영향을주는인자임을표 4에서알수있다. 소스 제 Ш 유형제곱합 [ 표 4] 분산분석결과 자유도 평균제곱 F 유의확률 수정모형 0.004 10 0.000 2.552 0.113 절편 0.203 1 0.203 1397.203 0.000 A 0.000 2 0.000 1.099 0.384 B 0.002 2 0.001 5.509 0.037 C 3.3x10-5 2 1.7x10-5 0.114 0.894 D 0.000 2 0.000 0.780 0.494 E 0.002 2 0.001 5.225 0.040 오차 0.001 7 0.000 합계 0.208 18 수정합계 0.005 17 2.4 평균치분석 분산분석을통해주요인자로결정된설계인자가합리적으로실제성형공정에적용될수있는지의여부를확인하기위하여평균치분석을통한확인실험을실시하였다. 평균치분석은인자들중영향도가가장큰요인들만을고려하여얻은추정치로써합리적인인자인지를가늠할수있는기준이된다. 그림 6과같이각인자의각수준별기하학적구속의크기에대한평균값의변화를살펴보면역시성형깊이 (B) 와펀치모서리반경 (E) 이가장크게나타났다. 표 5 에두인자의평균치분석결과를자세하게나타내었다. 표 5에음영처리된조건즉, 성형깊이 1.9mm, 펀치모서리반경이 0.2mm인경우가 18가지유한요소해석의경우에서 6번과 12번에해당되므로이로부터계산되는평균값과확인실험으로부터계산되는추정치를서로비교해봄으로써이들이합리적인자인지를추가로판단할수있다. 1456
중공박판의기계적프레스결합에관한해석 0.13 3. 결론 0.125 0.12 0.115 0.11 0.105 0.1 0.095 0.09 A B C D E [ 그림 6] 설계인자의평균치변화 ( 세로축 : 기하학적구속의크기, mm) [ 표 5] 평균치분석결과 성형깊이 (B) 평균 표준오차 95% 신뢰구간하한값상한값 1.7 0.099 0.005 0.088 0.111 1.8 0.100 0.005 0.088 0.111 1.9 0.120 ( ) 0.005 0.108 0.131 펀치모서리 95% 신뢰구간평균표준오차반경 (E) 하한값상한값 0.2 0.119 ( ) 0.005 0.108 0.131 0.3 0.101 0.005 0.090 0.113 0.4 0.098 0.005 0.087 0.001 표 6에 6번, 12번의평균값과성형깊이 (B) 와펀치모서리반경 (E) 두주요인자에의한추정치를서로비교하여나타내었다. 표에서평균값과추정치의크기차이가 0.0029 mm ( 평균값대비 2.2 %) 에불과할정도로매우작음을알수있다. 따라서분산분석을통해얻은결합력에가장많이영향을주는인자로선정된성형깊이와펀치모서리반경이설계에있어서매우중요한인자임을검증할수있었다. [ 표 6] 평균값과확인실험추정치와의비교 구분 기하학적구속의크기 Case 6, 12 의평균값 추정치 * ( ) 0.12982 0.13272 * [10] 오차 0.0029 (2.2 %) 본연구로부터다음과같은결론을도출하였다. (1) 중공을가진두개의판재를기계적프레스결합법으로결합시키는방법을제안하고그가능성을유한요소해석을통해확인하였다. (2) 제안된방법은기존의점형태의결합법과는다르게선형태의기계적결합법에관한것으로많은분야에응용될가능성이크다고판단된다. (3) 제안된방법을최적화하기위해다섯가지의설계인자를정하여다구찌설계법을적용하였고이를통해결합력에가장큰영향을주는인자로서성형깊이와펀치모서리반경인자를선정하였다. (4) 도출된결과는다양한기계적선형결합을위한치구제작과효과적인공정설계에기여할것으로사료된다. 참고문헌 [1] 우동욱, 이상욱, 곡률을가진쉴드슬롯판의편평도향상연구, 한국기계가공학회지, 제5권, 제3호, pp. 23-28, 2006. [2] 이용복, 정진성, 김태윤, 차백순, Clinch Joining의접합강도향상을위한최적화에관한연구, 대한기계학회학술대회논문집, 제2권제1호, pp. 244-249, 1998. [3] V. Hamel, J. M. Roelandt, J. N. Gacel, F. Schmit, Finite element modeling of clinch forming with automatic remeshing, Computers and Structures, Vol. 77, pp. 185-200, 2000. [4] 정창균, 김태정, 양동열, 중첩된박판간의결합을위한접착-성형공정, 한국소성가공학회지, 제13권, 제4 호, pp. 342-349, 2004. [5] http://www.tox.co.kr [6] 오구리후기오, 표준기계설계도표편람제5판, 대광서림, 2005. [7] 김세환, 프레스금형설계공학, 대광서림, 2006. [8] 유시형, 형설계핸드북, 성안당, 2005. [9] 이상복, 알기쉬운다구찌기법, 상조사, 2000. [10] Shin Taguchi, Daewoo Motor Co. 4-day Robust Design Seminar, Daewoo Motor Co., 1995. [11] G. Taguchi and S. Konishi, Orthogonal Arrays and Linear Graphs, ASI Press, 1987. 1457
한국산학기술학회논문지제 10 권제 7 호, 2009 이세정 (Se-Jung Lee) [ 정회원 ] 2007 년 2 월 : 순천향대학교기계공학과 ( 공학사 ) 2009 년 2 월 : 한양대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 이재원 (Jae-Won Lee) [ 정회원 ] 2007 년 2 월 : 순천향대학교기계공학과 ( 공학사 ) 2007 년 3 월 ~ 현재 : 성안기계 ( 주 ) 부설연구소 개념설계, 최적설계등 기계설계등 김민웅 (Min-Woong Kim) [ 정회원 ] 기계설계등 2007 년 2 월 : 순천향대학교기계공학과 ( 공학사 ) 2007 년 3 월 ~ 현재 : ( 주 ) 에이스테크놀로지 RF 연구소 이상욱 (Sang-Wook Lee) [ 정회원 ] 소성가공, 전산역학, 연료전지등 1986 년 2 월 : 서울대학교기계설계학과 ( 공학사 ) 1988 년 2 월 : 한국과학기술원생산공학과 ( 공학석사 ) 1998 년 2 월 : 한국과학기술원기계공학과 ( 공학박사 ) 2000 년 3 월 ~ 현재 : 순천향대학교기계공학과부교수 1458