Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.16 No.4 pp.53-61
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2017.16.4.053

Net Shaping Process to Minimize Cutting amount of Turbocharger Control Plate

Pil-Hwan Yoon*, Seon-Bong Lee**#
*Department of Mechanical Engineering, Keimyung University
**Department of Automotive and Mechanical Engineering, Keimyung University
Corresponding Author : seonbong@kmu.ac.kr+82-53-580-5476
20170522 20170615 20170619

Abstract

Turbocharger is a device for increasing the power of a vehicle engine. The control plate is the main component for fixing the vane of the turbocharger. Now, the control plate is made of austenite steel cutting after the casting process. It has excellent corrosion, heat resistance and mechanical characteristics of material. However, present the process is made by cutting after casting. when cutting is processed after casting, so materials, processing time, and processing energy are lost. Therefore, this study proposes a process to powder compact use of stainless steel Deklak2 and to minimize amount of cutting through net shape process. The mechanical properties of Deklak2 were verified by tensile test, hardness test and relative density measurement, and the governed equation was defined. Also, the curvature radius 1, 2 and the density, affects the shape, were selected as the design parameters, and the best process conditions was proposed through the Taguchi method and the evaluation of SN ratio. And then prototype molds were fabricated and compared with the results of the finite element analysis for the verification, and it was found that the tendency of relative density and dimension was coincided. Therefore, it was found that the amount of cutting can be minimized by only the net shape process after the sintering process and it can be applied to mass production.


터보차저 컨트롤 플레이트의 절삭량 최소화를 위한 정형공정

윤 필환*, 이 선봉**#
*계명대학교 기계공학과
**계명대학교 기계자동차공학과

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    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.

    1.서 론

    터보차저(turbocharger)는 내연기관에서 발생하는 엔진의 배출가스 압력을 이용해 터빈을 돌린 후, 터빈의 회전력을 이용해 흡입하는 공기를 대기압 보다 강한 압력으로 밀어 넣어 출력을 높이는데 사용된다. 터빈은 배기통로에 연결되는데, 회전력 을 변화시키기 위하여 배기가스의 에너지를 이용 하여 혼합 가스의 충전효율을 높이고 연비를 향상 시킨다.[1]

    이에 따라, 과급유량을 조절하는 터보차저의 핵 심부품 중 하나인 컨트롤 플레이트(control plate)는 스테인리스강을 이용하여 분말 야금법(neo powder metallirgy)으로 제작한 후 절삭가공을 통해 치수정 밀도를 향상시킨다.

    스테인리스강의 분말야금 제작 후 절삭가공으로 치수 정밀도를 향상시키는 것은 재료의 손실, 가공 에너지 증가 등의 문제점들이 있어 절삭가공을 최 소화하는 연구가 진행되고 있다.

    스테인리스 강으로 제작된 컨트롤 플레이트는 내식성, 내열성, 기계적 성질 등이 우수하여 일반 기계부품, 일상생활용품 등 많은 산업에서 사용되 고 있다. 하지만 절삭성이 좋지 않아 절삭가공에 어려운 점이 많다. 그러므로 최근에는 복잡한 형상 의 제품을 단시간에 다량으로 생산하고, 치수의 정 밀도를 높일 수 있는 분말야금법이 스테인리스강 제품 생산에 많이 이용된다.[2-4]

    Kim 등은 배터리 클램프 생산을 위한 냉간 단조 금형설계 및 금형응력해석, 제품유동해석 등을 진 행하였다.[5] Lee 등은 오스테나이트 계 316L 스테 인리스강을 소결조건에 따라 재료거동 과 비균질 미시구조에 관한 연구를 진행하였고,[6] Ku 등은 six cross ball의 곡률반경을 2단계로 단차를 주어 성형 하중을 감소시키는 연구를 수행하였다.[7] Jung 등은 냉간 단조를 이용하여 자동차용 기계부품 중 하나 인 피니언 플러그(pinion plug)를 개발하는 과정 중 금형의 재질별 수명에 관련된 연구를 진행하였 고,[8] Joun 등은 단조 시뮬레이션에서 발생한 결함 예제와 문헌에서 발결된 결함 예제의 원인을 체계 적으로 분석함으로써 단조 시뮬레이션의 정확성에 영향을 미치는 주요 인자에 대하여 연구를 진행하 였다.[9] Kim 등은 자동차용 단조 플랜지의 최적 값 을 찾기 위해 유한요소해석을 실시하였으며 해석 결과 값 확인을 성형력, 물질유동, 재료내 응력분 포, 금형부하로 검증하였다.[10] 그러나, 강도가 높은 스테인리스강을 활용한 제품의 최종형상을 제작하 기 위하여 정형공정을 통해 절삭량을 줄이는 성형 방법에 대한 연구와 프레스 성형 공정 변수인 곡 률반경에 대한 연구는 부족한 실정이다.

    따라서 본 연구는 오스테나이트 계 스테인리스 강인 Deklak2를 이용하여 터보차저 유량을 조절하 는 주요 구성요소 부품인 컨트롤 플레이트 생산의 정형공정에 대한 연구를 실시하였다. 공정 변수는 두 곳의 하부 곡률반경(R1), 상부 곡률반경(R2), 밀 도(δ)로 선정하였으며, 실험계획법을 이용하여 소 결체로 컨트롤 플레이트의 절삭량을 최소화 하도 록 유한요소해석을 통하여 해석하였고, SN비를 활 용하여 최적의 성형조건을 연구하고자 한다.

    2.유한요소 해석

    2.1.컨트롤 플레이트 구조

    Fig. 1은 스테인리스강인 Delkak2 분말 소재의 컨 트롤 플레이트를 나타내었다.

    터보차저의 과급유량을 조절하는 핵심 부품 중 하 나인 컨트롤 플레이트는 터보차저에서 베인(Vane)을 고정해주는 역할을 한다. 약 900℃의 고온에서 사용 되기 때문에 내열성과 내식성이 우수하다. 직경은 76.9mm이며 높이는 10.5mm의 성형품을 이용하여 소 결, 정형공정 및 절삭공정을 거쳐 최종제품의 형상 을 가진다.

    2.2.컨트롤 플레이트의 기계적 특성

    컨트롤 플레이트는 정형공정에서 내부 국부 응력 발생으로 인해 형상 변형이 발생하며, 성형해석을 통해 이를 예측하기 위해 먼저, Deklak2 소재의 인장 시험과 경도시험을 실시하였으며, 그 결과를 Table 1, Table 2에 나타내었다.

    컨트롤 플레이트는 Deklak2의 분말을 이용하여 소 결공정을 거친 제품이므로 상대밀도가 중요하다. 일 반적으로 소결단조품은 압축금형에서 발생하는 불균 일한 밀도분포와 단조시 금형의 형상과 마찰에 의해 최종제품은 뷸균일한 밀도를 나타낸다.[11-13]

    분말제품의 평균밀도 측정은 비중법을 이용하였으 며, Table 3에 측정결과를 나타내었다. 해석은 실제 공정과 동일하게 하부 금형은 고정이며, 상부 금형 이송에 의해 이루어진다.

    2.3.유한요소해석 모델

    Fig. 2에 유한요소해석 모델을 나타내었다.

    컨트롤 플레이트의 소재는 Deklak2를 사용하였으며, 윤활유 미함유, 소결온도 1220℃, 소결분위기는 아르 곤가스분위기 등의 양산조건을 적용한다. 소결 후 절삭공정을 최소화하기 위해 정형공정을 제안하고 유한요소해석 S/W인 DEFORM-3D를 이용하여 성형 해석을 수행하였다. 또한 본 연구에서는 정형공정의 최적 해석조건을 선정하기 위하여 실험계획법의 다 구치 기법을 사용하였다.[14]

    2.4.실험인자 및 직교배열표 작성

    정형공정의 설계 변수는 펀치의 하부 곡률반경, 상부 곡률반경, 밀도로 선정하였는데, 이유는 일반적 으로 펀치의 곡률반경이 크면 클수록 펀치가 소재를 누르는 접촉면이 커지면서, 소재에 많은 응력이 발 생하게 된다. 그러나 곡률반경이 너무 커지게 되면 곡률반경이 없을 때와 효과가 동일하게 나타나게 되 므로 적절한 곡률반경이 필요하기 때문이다.[15]

    이러한 공정변수의 최적 조건을 찾기 위해 실험계 획법을 적용하였으며[16], Table 4의 수준과 값들을 설 계변수로 적용하였고, 그 결과는 Table 5와 같다. 그 리고 Fig. 3에 곡률반경의 위치를 나타내었다.

    3.유한요소해석 결과

    3.1.실험계획법을 통한 성형해석 결과

    Table 6에 실험계획법을 적용하여 진행한 수준별 결과값을 나타내었다.

    유효응력, 유효변형률, 밀도, 정수압에 따른 제품 형상을 Fig. 4, 5, 6, 7에 나타내었으며, 해석결과 모든 경우에서 소결체의 성형은 잘 진행되었으나, 소결체의 절점에 작용하는 최대 응력 값은 차이가 나타났다. 이는 제품 제작 공정상에서 금형의 수명 을 단축시킬 수 있다. 그래서 유효응력 1160MPa, 유효변형률 0.54mm/mm, 정수압 526으로 가장 최적 의 조건인 Case 3의 곡률반경 1.5mm, 곡률반경 0.5mm, 밀도 0.98의 설계변수를 선정하였다.

    3.2.SN비를 통한 최적 값 도출

    앞에서 선정한 최적조건의 Case 3에 대한 성형 성을 평가하기 위한 기준을 정수압으로 선정하고, 망소특성의 손실함수를 적용, SN(Signal-to-Noise)비 로 비교하고 가장 좋은 수준을 예측하였다.

    S N = 10 log ( 1 n i = 1 n y i 2 )
    식(1)

    식(1)의 y는 해석 결과 값, n은 해석횟수를 나타 낸다.

    유효응력, 유효변형률, 정수압은 결과 값이 작을 수록 제품에 가해지는 영향이 줄어 성형력과 품질이 상승한다. Fig. 8에 SN비를 활용하여 정수압에 미 치는 수준별 요인 효과도를 나타내었다.

    정수압에 대해 설계 변수가 해석에 미치는 영향 의 순서는 상부 곡률반경, 하부 곡률반경, 밀도 순 으로 나타났다. 또한, 정수압에 대해 SN비가 최대 인 공정조건은 하부 곡률반경 1.5mm, 상부 곡률반 경 0.5mm, 밀도 0.98로 나타났다. 따라서 실험계획 법을 사용하여 나타낸 9가지 Case중 Case 3과 동일 함을 확인하고, Case 3이 최적의 성형해석 결과라 고 평가하였다.

    3.3.정형공정을 통한 절삭량 감소

    현재 생산중인 컨트롤 플레이트는 Fig. 9 (a)와 같다. 본 연구에서는 Fig. 9 (b)의 형상과 같이 압 분체 제조 후 정형공정 과정을 거쳐 절삭량을 줄 이는 것이 목표이다. 소결체를 제안한 것과 같이 제작할 경우 질량은 3.81g(약 2%) 줄일 수 있고, 가공시간과 가공에너지 절감도 있을 것이라 판단 된다. 또한 소결체의 높이기준 10.5mm에서 양산공 차를 고려하여 ±0.1mm단위로 선정하고 성형력, 응 력분포 등의 유한요소해석을 진행하고 결과를 Fig. 10에 나타내었으며, 기준치 이하로 양산성도 문제 가 없는 것으로 판단된다.Table 7Table 8

    정형공정의 금형재질은 양산재질과 같은 SKH51 종으로 제작되었으며, 금형에 걸리는 응력, 주응력 을 해석한 결과를 Fig. 11과 Table 9에 정리하였다. 금형의 상, 하판에 걸리는 주응력이 2400MPa 이하 로 SKH51종의 항복조건에 미치지 않는 수준으로 안전한 것으로 판단된다.[17]

    4.유한요소해석 결과 검증

    4.1.프로토 금형 성형 해석 결과

    유한요소해석을 통해 얻은 유효응력, 유효변형률, 상대밀도 등의 값과 치수 및 형상도 확인을 위해 프 로토 금형(proto mold)을 제작하여 비교 검증을 진행 하였다. 프로토 금형으로 해석 검증을 진행한 이유 는, 양산금형을 새로 제작하거나, 변경할 경우 시간 이나 비용적 측면에서 과다해지기 때문에 프로토 금 형으로 설계변수가 미치는 영향과 해석의 경향성을 파악하고 양산금형에 적용하기 위함이다.

    타당성 검증을 위하여, Fig. 12와 같이 프로토 금 형을 제작 하고, 하부 곡률반경 1.5mm, 상부 곡률 반경 0.5mm, 상대밀도 0.98의 조건에서 0.2배 비율 로 축소 제작한 모델을 Fig. 13에 나타내었다. 이에 따라 축소 모델의 유한요소해석을 실시하여 Fig. 14 에 나타내었고, Fig. 15에는 제작된 시험품의 형상을 나타내었다. 또한 결과 값은 Table 10에 정리하여 나 타내었다.

    4.2.치수를 통한 유한요소해석 검증

    0.2배 비율로 축소한 컨트롤 플레이트의 규격과 유한요소해석 결과와 최종제품의 치수는 Table 11 에 나태내었다. 도면의 치수와 형상을 비교한 결과 98.5%이상 일치함을 알 수 있었다.[18]

    따라서 컨트롤 플레이트 제작에 절삭 공정을 거 치지 않은 정형공정만으로 성형성을 향상시킬 수 있다는 경향성을 확인할 수 있었다.

    4.3.상대밀도를 통한 유한요소해석 검증

    소결 후의 상대밀도는 앞선 Table 3에서 파악한 것과 같이 실제 양산제품과 동일하게 적용되도록 하였다. 정형가공후의 하부 곡률반경, 상부 곡률반 경, 밀도 0.98의 조건으로 유한요소해석을 통하여 구하였으며, Table 12에 이론밀도와 제품의 밀도를 측정하여 비교하여 결과를 도출하였다. 위 조건으 로 구한 상대밀도는 +0.001%이내로 일치한다고 판 단할 수 있다.

    또한 유한요소해석 결과의 밀도 값과 본 연구에 서 제안한 소결 제품과 비교하였고, 실제제품과 해 석결과의 밀도는 99%이상 동일하여 경향성 파악에 신뢰성을 확보하였다.

    5.결 론

    본 연구에서는 컨트롤 플레이트의 기존 양산공 정인 주조 후 절삭가공 실시하던 것을, 소결처리 후 정형가공 공정으로 변경하여 절삭량을 최소화 할 수 있도록 제안하였다. 이의 검증을 위해 성형 해석을 통해 결과를 예측하고 프로토 금형을 제작 하여 실험 검증하였다. 검증방법으로 제작된 소결 체는 직경 16.58mm, 높이 2.63mm이다. 하지만 프 로토 금형으로 제작된 압분체의 경우 두께가 얇으 면 소결 시 뒤틀림 현상이 미량 발생하였다. 그러 나 정형공정에서 압력이 가해지면, 소결체의 뒤틀 림 현상이 바로 잡히고 재료내 응력분포가 고르게 되는 것을 확인할 수 있었다.

    성형해석은 Deform-3D를 이용하였고 실험계획법 을 적용, 선정한 수준별로 유한요소해석을 수행하 고 최적의 수준을 선정, 망소특성의 SN비 평가를 통해 선정하였다. 또한 설계변수는 하부 곡률반경, 상부 곡률반경, 밀도이며 재질은 스테인리스강 Deklak2이다.

    본 연구를 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.

    • 1. 컨트롤 플레이트의 소재인 Deklak2의 기계적 물 성을 얻기 위해 인장시험과 경도시험 및 상대 밀도를 측정하였다.

    • 2. 실험계획법의 수준별 유한요소해석을 수행하여 SN비의 설계변서 영향도를 평가하였고, 분석결 과 상부 곡률반경 0.5mm, 하부 곡률반경 1.5mm, 밀도 0.98인 Case 3이 가장 우사하다고 판단되었다.

    • 3. 유한요소해석으로 곡률반경에 따른 재료내 응력 분포를 알 수 있었고, 하부 곡률반경 1.5mm, 상 부 곡률반경 0.5mm의 해석결과가 가장 좋은 응 력분포를 가지며, 해석의 신뢰성을 확보하기 위 해 제품의 치수와 상대밀도를 비교한 결과 치 수는 98.5%, 밀도는 100.1% 동일하다는 것을 확 인하였다.

    • 4. 설계변수와 치수의 영향도 평가를 위해 0.2배의 축소모형으로 프로토 금형을 제작하고 검증한 결과 치수정밀도는 기존제품대비 98.5%, 상대밀 도는 100.1%로 나타나 양산제품의 해석결과에 대한 신뢰도를 검증하였다.

    이상의 결과로부터 본 연구에서 제안한 컨트롤 플레이트의 소결후 정형공정 가공만으로도 절삭량 이 약 2%(3.81g) 절감되고 연간 생산량 30만대 기 준시 1,143kg이 절감 될 수 있다는 것을 알 수 있 다. 따라서 향후 양산금형에 적용하는 추가 연구를 통해 양산적용 가능할 것으로 사료된다.

    후 기

    “본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진 흥원이 지원하는 경제협력권산업 육성사업으로 수 행된 연구결과입니다.”

    Figure

    KSMPE-16-53_F1.gif
    3D modeling shape of control plate
    KSMPE-16-53_F2.gif
    Modeling of Shaping process
    KSMPE-16-53_F3.gif
    position of radius
    KSMPE-16-53_F4.gif
    Each case stress distribution by finite element analysis results
    KSMPE-16-53_F5.gif
    Each case strain distribution by finite element analysis results
    KSMPE-16-53_F6.gif
    Each case relative density distribution by finite element analysis results
    KSMPE-16-53_F7.gif
    Each case hydrostatic pressure distribution by finite element analysis results
    KSMPE-16-53_F8.gif
    The SN ratios for variables
    KSMPE-16-53_F9.gif
    Shape comparison
    KSMPE-16-53_F10.gif
    Finite element analysis of sintered with tolerance
    KSMPE-16-53_F11.gif
    Finite element analysis of mold with tolerance
    KSMPE-16-53_F12.gif
    Prototype net shape mold
    KSMPE-16-53_F13.gif
    Name of part of protype sintered
    KSMPE-16-53_F14.gif
    Finite element analysis result of prototype sintered
    KSMPE-16-53_F15.gif
    3D 0.2 ratio modeling shape of protype sintered

    Table

    Tensile properties of Deklak2
    Hardness test results of Deklak2
    Relative density of Deklak2
    Design variables and levels
    Lg(34) orthogonal array
    Finite element analysis results of Lg(34) orthogonal array
    Weight comparison
    Finite element analysis results of sintered subjected to tolerance
    Finite element analysis of mold with tolerance
    Element analysis results of prototype sintered
    Results of compared simulation and the actual product
    Various density of molding process

    Reference

    1. (2010) “Turbocharger” , Retired 14, Jun., 2010, from www.wikipedia.org/wiki/turbocharger,
    2. Kim H Y , Park C W , Kim H I , Park K S , Kim Y H , Joe H S (2010) “A study of the FEM Forming Analysis of the Al Power Forging Piston” , Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol.34 (10) ; pp.1543-1548
    3. Lee B S , Kim K H , Lee D J , Choi D C (1986) “A Study on Some Properties of Sintered Stainless Steel Powder Compacts with Sintering Conditions” , Journal of the Korean Institute of Metals, Vol.24 (6) ; pp.669-680
    4. Ambs H D , Stosuy A (1977) “Handbook of Stainless Steel”, McGraw-Hill, ; pp.29-32
    5. Kum H M , Lee H J , Kim T B , Sin K S , Park Y B (2011) “Precision Cold Forging of Battery Clamp Using Finite Element Analysis” , J of The Korean Society Of Automotive Engineers, ; pp.95-98
    6. Lee J E (2014) “A Study of the heterogeneous microstructures and material behaviors of austenitic 316L stainless steel by sintering condition”, A Thesis for a Master, hanyang university,
    7. Ku T W , Kang B S (2014) “Tool Design for Inner Race Cold Forging with Skew-type Cross Ball Grooves” , Journal of Materials Processing Technology, Vol.214 (8) ; pp.1482-1502
    8. Jung T W , Kim Y S , Lee Y S , Hoon M Y , Nam J H (2010) “A Study on the Split Die to Prevent Stress Concentration under Cold Former Forging Process” , Proceedings of Korean Society of Precision Engineering Conference, ; pp.249-250
    9. Joun M S (2011) “Case Study on Major Defects in Cold Forging by Finite Element Method” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, ; pp.223-227
    10. Kim S Y (2015) “Development of Creative Cold Forging Process Using High-performance Servo Press and Numerical Analysis Technology” , Forging Symposium, ; pp.21-32
    11. Park J J (1998) “Relationship between hardness and Relative Density in Sintered Metal Powder Compacts” , Journal of Korean Society for Technology of Plasticity, ; pp.168-174
    12. Kim J Y , Park J J (1997) “Prediction of Relative Density by Hardness in compressed Sintered-Metal Powder” , Journal of Korean Society for Technology of Plasticity, Vol.6 (6) ; pp.508-516
    13. Kuhn H A , Downey C L (1971) “Deformation Characteristics and Plasticity Theory of Sintered Powder Materials” , International Journal of Powder Metallurgy, Vol.7 ; pp.15-25
    14. Kim B J , Lee S B (2017) “Study on the Shaping Process of Turbocharger Nozzle Slide Joint” , Journal of KASIO, Vol.18 (1) ; pp.107-114
    15. Suh C H , Jung Y C , Lim Y J , Yum H Y , Lee K H (2012) “The Effects of Process Parameters of Multi-Stage Forming On Springback for a U-Channel made of Ultra-High-Strength Steel” , Journal of Korean Society of Mechanical Engineers, Vol.36 (3) ; pp.283-288
    16. Kim K M “Optimization of Sheet Metal Forming Process Using Mahalanobis Taguchi system” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers,
    17. Kang B S , Ku T W (2014) “Process Modification and Numerical Simulation for anOuter Race of a CV Joint using Multi-Stage Cold Forging” , Journal of Korean Society for Technology of Plasticity, Vol.23 (4) ; pp.211-220
    18. Choi S Y , Kwon D G , Park I S , Wang D H (2016) “A study on the optimal conditions for machining accuracy when endmill fillet cutting at the corner” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.15 (4) ; pp.101-108