1. 서 론

등속조인트(CV Joint, Constant-Velocity Joint)는 엔 진과 자동차 바퀴의 회전축을 연결하는 부품이다. 등속조인트는 바퀴의 회전축은 조향 방향에 따라 변하지만 엔진 회전축은 고정되어 있음으로 회전축 의 각도가 변하여도 동일한 회전속도를 전달하는 기능을 한다^[1]. 이러한 기능을 위해서 Fig. 1(a)와 같이 각도의 변화가 가능한 연결 구조를 가져야 한 다. 통상 이너레이스(Inner race), 볼 그리고 아우트 레이스(Outer race)를 조립한 형태인 볼조인트(Ball Joint)와 스파이더(Spider), 롤러(Roller) 그리고 트리 포드 하우징(Tripod Housing)으로 이루어진 트리포 드 조인트(Tripod Joint)로 구성된다^[2]. 등속조인트의 양쪽 끝단에 조립되는 볼조인트와 트리포드 조인트 의 형상을 Fig. 1(b), Fig. 1(c)에 각각 나타내었다.

과거 등속조인트용 부품은 형상의 복잡성으로 인 해 열간단조 공정으로 생산된 후 치수정밀도를 위 하여 적절한 가공과 열처리를 거쳐 조립되었다. 하 지만 열간단조는 치수정밀도, 금형수명 및 생산수 량이 낮아 원가경쟁력에 문제가 있다. 생산성 향상 을 위해 이너레이스와 스파이더와 같은 소형 단조 품은 냉간단조로, 상대적으로 크기가 큰 하우징은 온간단조로 대체되었다.^[3]

최근 트리포드 조인트용 스파이더의 형상이 등속 조인트 기능향상을 위하여 Table 1과 같이 복잡하 게 변화하여 냉간 측방압출(Lateral Extrusion) 공법 으로 생산이 불가능한 제품이 나타났다. 1세대(1G) 는 열간단조 공법으로 생산되었으며, 2세대(2G)는 냉간 밀폐기술이 적용되어 생산성이 높은 냉간단조 공법으로 생산이 이루어졌으며, 3세대(3G)는 발 (Pod)의 형상이 목(Neck) 형상보다 커서 단순측방 압출로는 생산이 불가하다. 발의 체적을 충진시키 기 위하여 압출된 소재가 금형과 접한 후 직경이 증가될 수 있도록 지속적 측방압출이 진행되어야 한다. 이 공정은 성형초기는 단순 밀폐공정으로 측 방압출이 이루어진 다음 압출된 소재가 금형에 접 촉한 후 팽창되어야 함으로 금형에 매우 높은 응력 이 작용하여 금형수명을 현저히 떨어뜨릴 가능성이 높다. 따라서 성형성을 높이기 위하여 700℃까지 소재를 가열한 후 성형하는 온간단조공법이 도입되 었다.^[4,5]

냉간 또는 온간단조공정에서 금형에 높은 면압이 발생할 경우 금형 파손이 발생하게 된다. 이러한 금형 파손을 방지하기 위하여 금형에 작용하는 인 장응력을 줄이기 위한 금형 박음(Shrinkage Fitting) 에 대한 연구가 진행되었다.^[6,7] 최근에서는 금형수 명을 증대시키기 위해 분할경와 박음량을 최적화시 키는 연구까지 이루어지고 있다.^[8~10] 본 연구에서는 Morgan 수식에 의해 선정된 분할경에 박음량을 유 한요소해석을 통하여 계산하여 금형수명을 증대하 고자 하였다. 또한 Table 1에서와 같이 측방압출로 형성된 발(Pod)의 체적을 증가시키기 위하여 스파 이더 몸체부에 높은 압력이 작용하게 됨으로 소재 흐름이 저하되어 겹침(Folding) 및 미충진 (Underfilling) 현상이 발생될 가능성이 높다.^[11] 단조 공정에서 겹침 불량은 유한요소해석 프로그램에서 예측이 가능하지만 금형과 소재사이에 공기의 갖힘 (Air Trap) 현상에 의한 미충진의 경우 최근에서야 연구가 진행되었다.^[12,13]

본 연구에서는 등속조인트용 3세대 스파이더에 나 타난 표면결함의 원인을 유한요소해석을 통하여 분 석하고 개선하였다.

2. 유한요소해석

2.1 성형공정해석

본 연구의 대상이 되는 3세대 스파이더의 형상을 Fig. 2에 나타내었다. 서론에서 설명한 바와 같이 3 개의 발의 형상이 목부를 지나 더 커지는 형상이며 상하의 두께보다 좌우의 두께가 더 큰 특징을 가지 고 있다. 본 제품은 원소재를 그라파이트 윤활을 실시한 이후 700℃로 가열한 후 유압식 밀폐금형을 이용하여 성형하게 된다.

스파이더는 상, 하의 모양이 대칭을 이루고 있어 측방압출로 성형되어야 한다. 따라서 소재가 측방 압출 될 때 상형과 하형이 분리되지 않기 위하여 스프링이나 유압장치를 이용하여 상형과 하형을 밀 폐시켜야 한다. 또한 측방압출이 상형과 하형의 수 평방향 중심에서 발생하기 위해서는 성형 펀치의 속도에 1/2의 속도로 금형이 움직이도록 제어되어 야 한다. 금형형상과 움직임에 대하여 Fig. 3에 나 타내었다.

스파이더 소재는 AISI5120소재이며 700℃로 가열 하여 성형된다. 3개의 발이 대칭형으로 위치해 있 어 1/6 Model로 해석을 진행하였다. 금형의 온도는 300℃로 가정하였고, 금형과 소재의 마찰계수는 그 라파이트 윤활을 고려하여 일정전단마찰계수 0.2를 입력하였다.^[14] 단조공정을 위한 유한요소해석의 경 계조건을 Table 2에 정리하였다.^[15]

스파이더의 성형은 700℃로 가열된 소재를 Fig. 3 에 도시한 유압밀폐금형(Hydraulic closed die)에 삽 입한 후 성형하게 된다. 성형해석은 상용 S/W인 Deform 3D를 이용하였으며, 원소재의 물성치는 Deform 소프트웨어에서 제공하는 유동응력을 사용 하였다. 성형해석에서 측방압출이 시작되는 시점 (50%), 압출되어 발(Pod)이 금형 외측에 접하는 시 점(80%) 및 측방압출이 계속 진행되어 발의 체적이 팽창하여 금형을 꽉 채운 시점의 성형형상(100%), 금형과 소재의 접촉형상, 소재의 온도변화, 유효변 형율 및 Cockcroft Latham이론의 손상값(Damage) 등의 해석결과를 Fig. 4에 나타냈었다.

성형에 따른 유효변형율은 상, 하 센타펀치 (Center Punch)가 변형초기부터 소재를 지속적으로 변형시키는 곡률부와 중심부 및 발이 팽하는 부위 에서 2.8이상의 큰 변형이 나타나고 소재가 압출되 는 발부위에 상대적으로 큰 변형인 1.5 수준의 유 효변형율이 관찰된다. 소성일에 의한 열발생으로 소재의 중심부위에서 770℃, 측방압출후 팽창된 발 부위에서 최대 온도인 785℃, 측방압출된 발부위는 750℃가 관찰되어 유효변형율과 유사한 분포를 나 타내고 있다. 소성변형에 의해 크랙 가능성을 평가 하는 손상값은 발이 팽창된 부위에서 0.46으로 크 랙의 위험성은 크지 않는 것으로 판단되었다. 성형 공정에 따라 필요한 성형하중을 Fig. 5에 도시하였 다.

2.2 금형해석

형단조는 원소재의 형상을 변화시키기 위해 큰 에너지가 소재에 부여되고, 금형의 형상을 따라 제 품이 성형된다. 따라서 소재의 형상을 결정하는 금 형에 매우 큰 하중이 반복적으로 작용하여 금형의 파손, 마모, 피로파괴 등을 일으킨다. 금형에 하중 이 가해지면 금형이 인장응력상태에 놓이게 되어 금형이 쉽게 파괴될 수 있다. 이러한 현상을 방지 하기 위하여 금형을 인서트(Insert)와 보강링 (Compressive Ring)으로 분할하여 압축응력을 부과 하는 금형박음(Shrink Fitting) 처리를 하게 된다. 금 형의 분할과 박음량은 금형응력상태에 직접적인 영 향을 주는 인자로서 소재의 성형 형상에 따라 결정 되어야 하지만 현업에서는 경험에 따라 부여하는 경우가 많다. 특히 본 연구와 같이 소재의 성형이 완료되는 순간 금형내부에 소재가 100% 충진이 되 는 경우 단면감소율이 무한대로 도달하게 되어 매 우 높은 응력이 발생하게 되어 금형파손이 발생되 기 쉽다. 본 연구의 대상이 되는 온간 스파이더 의 금형파손 유형을 나타내면 Fig. 6과 같다.

본 연구에서 금형분할 직경은 Fig. 7과 같이 Morgan의 수식을 적용하고 있는 기존 금형설계 값 을 그대로 적용하였으며, 인서트(Insert)와 1차보강 링 사이의 박음량을 0.3%, 0.5%, 0.7%로 설정하고, 1차보강링과 2차보강링 사이의 박음량을 0.3%, 0.5%로 선정하여 총 6가지 조건에 대하여 금형의 인장응력을 최소화하기 위한 방안을 해석적으로 검 토하였다.^[16]

박음해석에서 인서트와 1차 보강링을 소정의 박 음량(Interference gap)으로 박음해석(Shrink Fitting Analysis)을 수행하면 인서트의 내경은 줄어들고 1 차 보강링의 외경은 증가한다. 이를 그대로 2차 박 음해석을 실시하면 과도한 간섭량이 입력되어 정확 한 응력값을 얻을 수 없다. 따라서 1차 박음해석 후 1차 보강링의 외경방향 변형량을 측정한 후 2차 보강링의 내경 치수를 1차 보강링의 증가분만큼 증 분시켜 모델링한 후 2차 박음해석을 진행하였다.

금형박음 해석이 완료되면 성형해석에서 가장 큰 하중이 나타난 마지막 스탭의 소재의 면압을 금형 에 입력하여 금형의 응력변화를 해석하였다.

금형의 인서트는 초경재질, 1차 보강링은 SKD61 금형강을, 2차 보강링은 SCM440소재가 사용된다. 금형탄성해석을 위한 각 재료의 물성치를 정리하면 Table 3과 같다.^[14] Table 3의 인서트 파단강도는 700℃로 가열된 소재를 성형하는 금형임으로 300℃ 의 파단강도를 참조하였다.

금형 박음으로 발생한 인서트와 1차 보강링, 2차 보강링의 응력과 스파이더 성형에 따른 금형의 최 대주응력(Maximum principle Stress) 변화를 응력분 포와 응력값으로 각각 나타내면 Fig. 8과 Table 4와 같다.

총 6개의 하중조건에 대하여 인서트, 1차 보강링, 2차 보강링에 나타난 최대주응력의 변화를 Fig. 9에 그래프 형태로 나타내었다. Case 1, Case 4와 같이 1차 박음량이 0.3%일 경우 인서트에 2000MPa, 1790MPa의 높은 응력이 작용한다. 나머지 1차 박음 량이 0.5%, 0.7%일 경우 1210MPa 이하의 안정적인 응력상태를 나타낸다. 하지만 1차 보강비가 0.7%일 경우 1차 보강링에 1200MPa 가까운 높은 응력이 발생한다.

2차 보강링은 1차 박음량 0.5%, 0.7%와 2차 박음 량 0.5%이상에서 872MPa 이상의 응력이 발생하게 된다. 본 연구에서 금형에 작용하는 응력의 한계를 판단하는 기준을 Table 3의 파단강도의 70%인 1540MPa, 1155MPa, 623MPa로 설정하였다. 소재별 한계강도와 Table 4의 응력을 통해 1차 박음량을 0.5%와 2차 박음량을 0.3% 수준이 적절할 것으로 판단하였다.

2.3 Air Trap에 따른 표면결함 해석

온간 스파이더 생산에 있어 금형파손 외에 Fig. 10과 같이 단조품 성형 후 표면결함이 발생하였다. 단조품 상태에서는 육안으로 판별되지 않고 열처리 후 쇼트처리를 한 제품에서 관찰되었다. 미충진이 발생한 원인을 파악하기 위하여 유한요소해석을 통 하여 미충진에 영향을 미치는 변수에 대한 조사를 진행하였다.

Fig. 10의 표면결함은 기타 온간 스파이더에서는 발생되지 않는 결함이기 때문에 스파이더 설계형상 에 기인한 것으로 추측하였다. 결함형상을 토대로 Air Trap에 의한 겹침을 의심하여, 성형공정 중 소 재가 금형에서 떨어지는 경우를 분석하였다.

유한요소해석에서 측방압출이 시작되기 전 Fig. 11(a)와 같이 미충진 띠(Band)가 형성되었다. 미충 진 띠에 노드를 추가하여 성형 후 위치를 추적하면 Fig. 11(b)와 같이 나타나 성형공정 중 나타난 금형 과 소재에 나타난 함몰부위에 공기가 갖히게 되어 최종형상에 띠를 형성시키는 것이 단조품에 나타난 결함과 동일한 형상임이 확인되었다.

단조결함을 제거하는 방법은 성형 중 나타난 미 충진 띠를 제거하거나 줄이는 것이다. 가장 효율적 인 방법은 미충진이 생기는 부위의 곡률을 조정하 는 것이며 R1.0, R2,0, R3.0에 대하여 각각 유한요 소해석을 수행하여 미충진 크기를 비교하였다. 성 형 R의 크기에 따라 금형과 소재와의 미충진 깊이 를 측정한 결과 0.045mm, 0.036mm, 0.02mm로 곡률 이 커질수록 미충진 현상이 줄어드는 것을 알 수 있었다. 곡률 크기에 다른 금형과의 충진도를 비교 하여 Fig. 12에 나타내었다.

3. 시제품제작

유한요소해석을 통해 계산된 1차 박음량 0.5%, 2차 박음량 0.3%로 금형을 제작하였다. Fig. 12의 조건에서 R2.0과 R3.0에 대하여 금형을 제작한 후 시제품을 생산하였다. R2.0과 R3.0로 제작된 금형 의 치수를 공구측정기를 이용하여 곡률을 측정한 결과 각각 R2.05와 R2.97로 측정되었다. 제작된 금형을 이용하여 성형 후 표면을 비교하면 Fig. 13과 같이 R2.05일 때는 열처리후 표면결함이 관 찰되었으나 곡률 크기를 R3.0으로 증가시킬 경우 육안으로 구분되는 결함 띠는 관찰되지 않았다.

또한 금형의 양산성 시험에서 인서트의 응력을 줄인 0.5%-0.3%의 금형박음량을 적용할 경우 기존 0.35%-0.3%의 금형박음량에 비해 금형의 파손 및 박리 현상이 발생되지 않음을 확인하였다.

4. 결 론

온간단조로 생산되는 3세대 스파이더(트리포드)의 성형해석, 금형해석을 통하여 다음의 결론을 얻었 다.