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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.18 No.6 pp.106-112
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.6.106

A Study on Rotary Swaging Process Simulation using DEFORM

Dong-jae Lim*, Won-Jee Chung*#, Sang-Suk Sul*, Dae-Young Kim*, Kyung-Shin Choi*, Tae-Hyung Cha*
*Changwon National University
Corresponding Author : wjchung@chanwon.ac.kr Tel: +82-55-213-3624, Fax: +82-55-263-5221
19/04/2019 25/04/2019 24/05/2019

Abstract


Rotary swaging is a method of forging automotive drive shafts. In this paper, we propose a new two-hammer forging technique by applying the problem-solving approach TRIZ to improve the efficiency and productivity of the rotary swaging automation process. We will simplify the materials and hammers via the 3D modeling tool SolidWorks for high accuracy of a comparative analysis of existing and proposed methods under the same boundary conditions. In addition, we will compare the stress trends of the proposed model using ANSYS Workbench and verify the feasibility through a comparison of the simulation results using DEFORM. Relative to the existing method, the proposed method can decrease production costs and improve efficiency of the automation process by reducing the power source.



DEFORM을이용한 로터리 스웨이징 공정의 시뮬레이션에 대한 연구

임 동재*, 정 원지*#, 설 상석*, 김 대영*, 최 경신*, 차 태형*
*창원대학교

초록


    Changwon National University

    © 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

    자동차 부품 중 동력 전달 축인 Monoblock Tubular Sharft(MTS)는 엔진에서 발생된 토크를 바 퀴로 전달시키고, 현가장치의 완충에 따라 상하운 동을 하며, 조향장치의 작동에 따라 각도변환이 가 능한 차체 이음부분을 수반하는 자동차 축류 부품 이다. 이러한 중공 샤프트는 트랜스미션과 차동 기 어박스 사이에 장착되어 동력을 전달하며, 전륜구 동과 후륜구동 및 4륜구동 시스템에 폭넓게 적용되 고 있다.[1]

    최근까지의 자동차 샤프트의 성형방법은 대부분 중실 샤프트의 사용 또는 튜브형 샤프트의 마찰용 접방식, 튜브 인발가공 방식이 주를 이루고 있다. 중실샤프트의 경우 연비개선을 위한 경량화 측면에 서의 경쟁력을 점할 수 없으며, 마찰용접방식은 진 동 및 충격으로 인한 마찰용접부의 크랙 발생의 가 능성으로 안전성 측면에서의 문제점이 발생한다. 또한 인발이나 압출 성형 방식을 사용한 샤프트의 성형으로는 가공 전 후 샤프트 두께의 변화가 소재 체적에 비례한 증가량만큼의 제한이 있다. [ 2 ]

    로터리 스웨이징 기술은 중공 소재를 이용하여 경량화에서의 이점을 얻을 수 있으며 이음매가 없는 점진적 가공 방법을 통해 마찰 용접방식의 이음부 에서 발생하는 크랙의 발생을 방지하고 안전성도 증대된다. 또한 Steel 소재의 타격으로 인한 소성 성형 시, 단순한 체적변화량에 따른 두께변화 이상 의 단면 두께를 확보할 수 있으며 이는 곧 강성의 증대 및 안전성의 증대를 의미한다.[3],[4]

    본 연구에서는 6SC(6단계 창의성 이론)를 적용한 실용 TRIZ기법을 이용하여 자동차 드라이브 샤프 트의 가공 공정인 타발식 로터리 스웨이징 공정에 서의 효율 개선 방안을 도출할 것이다. 그 후 SolidWorks를 이용한 소재 및 장비의 모델링을 기 반으로, 구조해석 Tool을 이용한 응력경향의 비교 와, 소성해석 Tool을 이용한 단조 시뮬레이션을 통 해 기존의 방법과 제안된 방법을 비교하며 개선된 안의 기술성을 검증할 것이다. Fig. 1

    2. 로터리스웨이징 장비의 자동화 공정

    로터리 스웨이징 성형은 기본적으로 해머의 왕복 운동에 의한 소재의 타격으로 이루어 진다. 해머의 타격방식으로는 캠을 이용한 방식, 유압을 이용한 방식, 볼스크류를 이용한 방식 등 다양한 방식이 존재한다. 본 연구에 사용된 모델은 제품의 품질과 직결되는 진원도를 보장하기 위해 여러 방향의 정 밀한 동시타격에 유리한 볼스크류 방식의 해머 타 격방식의 모델이다.[5]

    Fig. 2에 로터리 스웨이징 성형 공정 실험장치의 모습을 나타내었으며, Fig. 3에 로터리 스웨이징 자 동화 공정의 점진적 성형 순서를 나타내었다. 성형 의 준비과정으로 Material feeding device가 소재를 장비의 중심에 위치시킨다. 그 후 3개로 구성된 Forming Hammer가 소재의 축 중심방향으로 동시에 일정한 타격을 실시한다. 이에 맞춰 Material feeding device가 일정한 각도의 회전과 일정한 투입 속도로 소재를 밀어 넣음으로써 소재의 모든 면이 점진적 으로 성형되게 된다. 자동화 공정의 구성에 있어 일정한 회전과 절입량, 그리고 3개의 해머에 의한 동시 타격은 제품의 진원도와 품질과 직결 될 수 있다.

    3. TRIZ 기법을 이용한 자동화 공정의 효율 개선점 도출

    실용 트리즈란 기존의 트리즈(창의적으로 문제를 해결하는 방법론)에서 어렵거나 활용도가 낮은 부 분을 과감히 제거하거나 수정하고 새로운 방법론을 추가한 ‘6단계 창의성(6SC : 6 Step Creativity)’을 적 용한 실용적인 트리즈이다. 자동화 공정의 효율 개 선에 대하여 6SC 표준양식에 맞춘 6단계(A~F)에 걸쳐 문제의 해결책을 도출 할 것이다.[6]

    3.1 문제를 그림으로 표현

    타발식 로터리 스웨이징 장비의 기본 구성을 Fig. 4와 Fig. 5에 나타내었다. 스웨이징 장비는 Fig. 4에 서 보는 바와 같이 장비 전체를 받쳐주는 Bed, 소 재를 일정하게 이송 및 회전시키는 역할을 수행하 는 Material feeding device, 120°의 간격으로 배치되 며 수직방향으로 왕복 타격운동을 실시하는 Forming 해머로 구성된다. Fig. 5는 직접 소재의 성 형이 이루어 지는 소재와 해머부만 간략화 하여 나 타내었으며 빨간색으로 표시된 화살표는 타격 해머 의 수직방향 왕복운동을, 파란색으로 표시된 화살 표는 Material feeding device의 소재 이송, 회전운동 을 나타낸다.

    3.2 시스템 기능분석

    시스템 기능분석은 기술시스템 및 목표대상, 환 경요소로 구성되어 있다. 모든 기술시스템은 사각 형으로, 목표대상은 둥근형, 환경요소는 육각형으로 표현된다.[7] Fig. 6에 로터리 스웨이징 공정의 시스 템을 나타내었다. Forming Hammer와 Feeding Device, Bed, Motor를 기술시스템으로 설정하였고, 목표대상을 가공 대상인 Tube로 설정하였다.

    3.3 이상 해결책 (IFR) 가정

    이상해결책(IFR : Ideal Final Result)은 아이디어 도출과정에서 방향성을 제시하며, 방향성있는 연구 는 직관을 촉진 시키는 역할을 한다.[6]

    Fig. 6의 시스템 분석으로 살펴보았을 때 공정의 생산성과 효율성을 높일 수 있는 이상해결책을 아 래의 2가지로 가정해 보았다.

    • (1) 성형에 사용되는 해머의 수가 많으면 소재의 생산속도를 올릴 수 있다.

    • (2) 사용되는 동력을 최소화 하여 생산에 필요한 비용을 줄인다.

    3.4 모순

    트리즈에서 모순은 중요한 개념 중의 하나로 꼽 히며, 목표로 하는 시스템에서 어느 한 특성을 개 선하고자 하면 그 시스템의 다른 특성이 약화되는 상황을 말한다. 모순은 기술적 모순과 물리적 모순 이 있다.[8] 기술적 모순은 서로 다른 Parameter들이 충돌하는 것인 반면 물리적 모순은 어떤 하나의 기 술적인 변수가 서로 다른 값을 가져야 하는 경우이 다.[6] 로터리 스웨이징 시스템에서는 성형해머의 수 가 많아야 한번에 가공하는 면적이 넓기 때문에 샤 프트 성형 공정의 시간이 줄어들어 생산성이 향상 되는 반면, 그와 동시에 성형에 사용되는 해머의 수 가 많으면 해머를 움직이는데 필요한 동력원의 개 수가 많아져 성형 공정에 들어가는 생산원가가 늘 어나게 되는 기술적 모순이 발생하게 된다.

    3.5 요소-상호작용 분석

    Fig. 7은 로터리 스웨이징 시스템의 핵심 요소인 Forming Hammer, Feeding Device와 공정 효율의 요 소-상호작용에 대한 그림이다. 제품의 생산 효율에 영향을 미치는 각 요소의 변수들을 그림에 나열하 였고, 본 논문의 목표인 로터리 스웨이징 장비 자 동화 공정 효율 향상에 영향을 주는 변수로 Forming Hammer의 수와 Feeding Device의 소재 회 전 각도 등이 있는 것으로 분석되었다.

    3.6 해결책과 평가

    6SC의 5단계를 통하여 도출된 문제에 대한 여러 가지 해결책과 변수를 최종적으로 선택하고 평가하 는 것은 아주 중요하다.[8] 성형 공정 효율을 향상시 키는 변수의 선정에 있어서 고려해야 할 사항은 단 순한 성형속도의 향상 뿐만 아니라 성형속도의 향 상에 필요한 경제적인 측면도 고려해야 한다. 성형 해머의 수가 많으면 한번에 성형 할 수 있는 면적 이 늘어나서 생산성이 올라가지만, 해머를 움직이 기 위해 많은 동력원을 필요로 하게 된다. 동일한 생산속도를 가진 자동화 시스템상에서 필요한 동력 원을 줄일 수 있다면 자동화 시스템의 효율을 개선 할 수 있을 것이다. 이에 따라 아래와 같은 해결책 을 제시하고 해석 Tool을 이용하여 검증하고자 한 다.

    (1) 단조에 이용하는 해머의 수는 3개로 유지한 다. 하지만 3개의 해머 중 하부에 위치한 1개의 해 머를 고정시키고, 상부 2개의 해머로 타격하는 경 우에도 제품의 품질에 변화가 없다면 필요한 동력 원의 개수를 줄일 수 있다.

    4. 구조해석을 통한 응력 경향 비교

    6SC를 적용한 TRIZ 기법을 통하여 도출한 하부 해머 한 개를 고정시키는 방안과 기존의 안을 Fig. 8에 나타내었다. 도출된 방안에 대해 검증하기 위 하여, 먼저 3개의 해머가 직선왕복운동을 하며 소 재를 타격하는 기존의 성형 방식에 대한 해석을 진 행하였다. 해석에 적용된 변수들을 Table. 1에 나타 내었다.

    Fig. 9는 ANSYS Workbench를 이용한 3-Hammer 타격 방식 응력 해석 결과의 측면을 나타낸 것이 다. 응력은 모든 방향에서 균일하고, 일정한 변형을 가진다. Fig. 10은 3-Hammer 타격 방식 결과의 정면 과, 그 단면을 나타낸다. 중심 축을 기준으로 균일 한 응력 분포를 가진다.

    Fig. 11은 2-Hammer 타격 방식 결과의 측면을 나 타낸 것이다. 3-Hammer 방식과 마찬가지로 응력은 모든 방향에서 균일하고, 일정한 변형을 가진다. Fi g. 12는 2-Hammer 타격 방식 결과의 정면과, 그 단 면을 나타낸다. 3-Hammer 타격 방식과 값이 큰차이 가 없고, 중심 축을 기준으로 균일한 응력 분포를 가진다.

    5. 소성해석을 이용한 기존안과 개선안의 시뮬레이션

    앞에서 진행한 ANSYS Workbench를 활용한 해 석은 순차적인 동작에 대한 동적인 분석 진행 시 해석 시간이 매우 오래 걸릴 뿐만 아니라, 값의 수 렴이 어려워 소성변형에 대한 정확한 값을 기대하 기 어렵다. 본 장에서는 소성해석 전용 Tool인 DEFORM을 이용하여 기존의 3-Hammer 방식과 제 안하는 2-Hammer 방식의 해석을 진행 하여 비교하 였다. 해석에 사용한 변수는 Table 1에 나타내었다. 성형공정은 28mm의 성형 후 직경을 가지는 구간이 10mm가 되는 140mm 절입시까지 진행하였다.

    Fig. 13에 3-Hammer 방식의 성형결과 측면뷰를 나타내었다. 응력은 모든 면에서 균일하게 가해지 는 것을 확인했다. Fig. 14에 2-Hammer 방식의 성형 결과 측면뷰를 나타내었다. 3-Hammer 방식과 같이 모든 면에서 균일한 응력과 변형이 발생하였다. Fig. 15에 3-Hammer 방식과 2-Hammer 방식 성형 결과의 단면을 나타내었다. 단면상의 지름 8개 포 인트 측정결과 3-Hammer 방식의 평균값은 26.96mm, 2-Hammer 방식의 평균값은 27.27mm로 목표 값인 28mm±1.5mm를 만족한다. 2-Hammer 방 식과 3-Hammer 방식의 결과값 모두 목표를 만족하 며, 큰 차이가 없으므로 2-Hammer 방식의 적용가능 성을 확인하였다.

    5. 결 론

    본 논문에서는 로터리 스웨이징 장비의 개발에 있어서 장비의 효율을 높이는 방안에 대한 연구를 진행하였다. 트리즈 기법을 이용하여 로타리 스웨 이징 장비의 구성요소에 대한 초점을 맞춰 효율성 개선 방안을 연구하였다. 해머의 개수가 늘어나면 한번에 성형하는 면적이 넓어서, 성형에 필요한 시 간이 줄어든다. 그에 따라 해머의 직선 왕복타격운 동을 위한 동력원의 개수가 늘어나 생산원가 역시 늘어나게 된다. 이러한 모순을 해결하기 위해 소재 의 타격면적과 직결되는 해머의 수는 3개로 유지하 여 제품의 생산속도는 유지하되, 하나의 해머는 고 정시키므로서 동력원의 개수를 줄여 생산원가를 줄 이는 방안을 제안하였다.

    비교분석에 앞서서, 해석 시간과 정확도를 늘리 기 위해 간략하게 해머와 튜브를 모델링 하였다. 구조해석 Tool인 ANSYS를 이용하여 응력의 경향 을 비교하였고, 타격점 기준 10MPa 이내의 응력 차 이가 있었다. 해석 정밀도를 검증하기 위하여 소성 전용 프로그램인 Deform을 이용한 해석을 수행하고 결과를 비교하고자 하였다. 결과로 보여졌듯이, 단 면상의 8개 지점 지름 측정결과, 3-hammer 방식은 평균 26.96mm, 2-hammer 방식은 평균 27.27mm가 측정되었다. 이는 목표 값인 28mm±1.5mm를 만족하 였다. 이를 통해 1개의 동력원을 줄이는, 즉 자동화 공정의 생산원가를 줄여 장비의 효율을 높이는 방 안을 검증하였다.

    후 기

    “이 논문은 2019년도 창원대학교 산학협력단 연구 비 지원에 의하여 연구되었음.”

    Figure

    KSMPE-18-6-106_F1.gif
    Methods of forming an automobile shaft
    KSMPE-18-6-106_F2.gif
    Conventional apparatus of rotary swaging forging process[2]
    KSMPE-18-6-106_F3.gif
    Progressvie foring prosses
    KSMPE-18-6-106_F4.gif
    Simplified rotary swaging equipment
    KSMPE-18-6-106_F5.gif
    Simplified forging method
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    A system functional ansysis of the rotary swaging system
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    Element-Interaction of Rotary Swaging System
    KSMPE-18-6-106_F8.gif
    Suggested Solution
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    Side view of equivalent stress in 3-hammer forging method
    KSMPE-18-6-106_F10.gif
    Front view and cross-sectional view of equivalent stress in 3-hammer forging
    KSMPE-18-6-106_F11.gif
    Side view of equivalent stress in 2-hammer forging method
    KSMPE-18-6-106_F13.gif
    Side view of equivalent stress in 3-hammer forging method
    KSMPE-18-6-106_F14.gif
    Side view of equivalent stress in 2-hammer forging method
    KSMPE-18-6-106_F15.gif
    Cross-sectional comparison between 3-hammer method and 2-hammer method

    Table

    Simulation Condition

    Reference

    1. Lim, S. J., Lee, N. K. and Oh, T. W. and Lee, J. H., “Forging Process of the Automotive TDS (Tube Drive Shaft) by the Rotary Swaging Process”, The Korean Society For Technology of Plasticty, Vol. 12, no. 6, pp 558-565, 2003.
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    8. Chung, W. J., Kim, J. M., Park, K. B., Ju, J. H., Sin, O. C., “A Study on design of polishing film transfer guide by using TRIZ”, Korean Society Of Precision Engineering, 2006.