1. 서 론

단조공정은 대표적인 소성가공공정중의 하나로서 품질과 생산성이 우수하고 경제적인 가공법으로 알 려져 있다^[1]. 특히 자동차를 비롯한 다양한 기계공 업분야에서 대량생산의 요구에 따라 단조공법을 주 로 사용하고 있으며 대표적인 예로 볼트, 너트와 같은 다양한 체결요소들이 있다. 그 중에서 6각볼 의 경우 냉간단조성형을 통하여 6각단면형상의 헤 드부와 섕크부를 성형한 후 절삭 또는 전조공정을 거쳐 성형한다. 이와 같은 정6각단면구조를 가진 부품을 단조성형 할 경우 동일한 형상을 가진 단조 금형으로 성형하는 것이 일반적이다. 단조금형의 설계에 있어서 우선 고려되어야 할 사항은 금형이 접촉압력을 충분히 견딜 수 있도록 설계되어야 한 다. 이를 위해서는 단조과정에서 소재가 금형에 작 용하는 힘으로 인해 발생되는 금형응력 및 변형을 예측하여 금형파손을 방지할 수 있는 적절한 금형 분할설계가 필요하다. 또한 금형수명을 향상시키기 위하여 보강링의 사용이 필수적이며 단조과정에서 금형 열박음으로 인한 금형간의 접촉압력에 대한 예측이 필요하다^[2]. 특히 정6각단면과 같은 비축대 칭금형인 경우 금형의 분할방법이 금형수명에 직접 적인 영향을 줄 수 있다.

본 논문에서는 정6각단면을 가진 단조금형의 분 할방법에 대하여 수식화 및 유한요소해석을 통하여 최적의 금형분할방법에 대하여 연구하고자 하였다. 또한 다양한 금형분할법을 통하여 금형수명을 향상 시킬 수 있음을 확인하고자 하였다.

2. 단조공정 시뮬레이션

Fig. 1에서와 같이 정6각단면형상의 헤드를 가진 TERMINAL NUT부품의 단조공정을 예로 들 경우 일체형금형으로도 단조금형을 설계할 수 있다. 또 한 단조실험에서 금형에는 파손이 발생하지 않았 다. 그러나 일정한 시간 사용 후 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 금형내벽의 모서리 부분에서부터 크랙이 발생한다. 이는 금형내벽에 작용되는 성형압력으로 인하여 금형에 인장응력이 발생하며, 인장에 약한 초경금형재료의 특성으로 인해 파손되었을 것으로 판단된다.

2.1 단조 및 금형응력 해석

파손원인을 분석하기 위해 3차원 설계 프로그램 인 CATIA로 금형을 모델링을 하였고 상용 유한요 소해석 프로그램인 DEFORM-3D를 이용하여 단조 성형 및 금형응력해석을 하였다. 해석 경계조건에 서 냉간 공정이므로 금형과 빌렛의 온도는 상온인 20°C를 적용하였고 소성변형 과정에서의 발열과 금 형과의 열전달은 무시하였다. 빌렛의 요소 개수는 50,000개로 설정하였다. 금형과 소재의 마찰상수는 일반적으로 냉간가공에서 사용되는 0.08을 적용하 였으며 단조금형에서 펀치의 속도는 200 mm/s로 설정하였다. 소재의 기계적 물성은 DEFORM에서 제공한 동합금인 C2600을 적용하였다.

Fig. 3(a)에 나타낸 단조해석결과에서 TERMINAL NUT의 형상은 단조실험결과와 일치하게 나왔으며 Fig. 3(b)에 표시된 바와 같이 단조금형펀치와 핀에 는 각각 36,400N과 70,500N의 수직하중이 작용되었 음으로 성형하중은 약 106,900N 으로 예측된다. 또 한 금형응력을 예측하기 위하여 금형응력해석을 하 였다. 금형재료에서 보강링은 STD61, 내부의 초경 은 WC소재를 적용하였으며 탄성체로 설정하여 해 석하였으며 기계적 물성은 Table 1에 표시한 바와 같다.

금형응력해석결과는 Fig. 4에서 나타내었다. 금형 내벽의 6각형 모서리부근에서의 주응력은 약 800MPa 이상인 인장응력이 나타난 것을 확인할 수 있다. 이러한 인장응력의 분포는 단조실험에서 금 형의 파손방향과 일치하였다. 따라서 해석결과를 바탕으로 정6각형모양의 금형에 대한 분할설계가 필요하다.

3. 금형 설계

정6각형모양의 금형의 분할에서 가장 일반적인 방법으로는 파손방향에 따라 Fig. 5(a)와 같이 대각 선 방향으로 균일하게 분할하여 설계하는 방법이 있다. 그 외에도 다양한 설계방법들 중에서 Fig. 5(b)에서와 같이 내부 초경금형형상을 6개의 균일한 사다리꼴단면으로 분할하는 독특한 분할방법이 일 부 금형설계업체에서 제안된 바가 있다.

3.1 분할금형 형상설계

단조성형과정에서 분할금형에 작용하는 힘에 대 하여 Fig. 6 에 나타내었다. 금형의 단면에서 직접 소재와 닫는 금형의 내면을 AB로 하고 보강링으로 부터 외압을 받는 면을 CD로 정한다. 또한 열박음 하여 발생되는 외압(p_o)은 평면상태에서 외부원형- 내부6각인 경우와 외부6각-내부6각인 경우를 비교 하기 위하여 각 분할금형의 단면을 그림으로 나타 내었다. 사다리꼴 형상인 경우 외압으로부터 중심 부로 향하는 합성력은 동일하다고 가정한다. 또한 중심부에서의 각도는 60°, 중심축에서부터 금형내벽 의 6각형의 대각거리를 r₁ 금형끝단까지의 거리 r₂ 가 같다고 설정하고, 외압 □ p □ o □ 에 의해 걸리는 힘 은 Fig. 7에 나타낸 바와 같다. 분할금형의 외벽을 원통형으로 설계할 경우 외압으로부터 금형에 작용 하는 힘 F_C는 다음과 같다. 단면형상의 대칭축으로 부터 AC와 BD로 멀어짐에 따라 발생되는 각도를 θ라고 한다. 이 각도에 따라 금형에는 내벽과 수 직되는 작용력과 일정한 각도를 가진 분력으로 나 눌 수 있다. 따라서 Fig. 7(a)에서 발생되는 분할면 의 접촉압력은 Fig. 7(b)인 경우 보다 크게 발생한 다.

원통형 분할금형인 경우와 6각형 분할금형인 경 우 식 (1)에서와 같이 외압으로 인하여 중심부로 향 하는 합성력은 동일하다.

그러나 동일한 크기의 외압 □ p o □ 로인하여 각 분 할면에서 발생되는 접촉력은 서로 다르게 발생한 다. θ각의 변화에 따라 :

각도 θ에 따라 접촉압력 σ_c 는

이다.

사다리꼴 형상으로 분할한 경우 외압 p_o에 의해 걸리는 힘 F_s는

이고 따라서 접촉압력σ_s는 식(5)와 같다.

두 형상으로부터 발생되는 접촉압력을 비교하여 볼 때

즉 형상의 차이에 따라 식(6)에 나타낸 바와 같이 이론적으로 최대 약 1.86배의 차이가 발생하는 것 을 알 수 있다. 따라서 분할금형을 사다리꼴로 분 할한 경우 분할된 금형과 보강링간의 접촉합력은 원통형인 경우보다 크게 작용한다. 또한 Fig. 8 에 서와 같이 금형간의 압축력 F_N을 비교하여 볼 경우 다음과 같다.

식 (7)과 (8)의 결과에 따라 압축력 σ s □ 가 σ c □ 보 다 크다는 것을 알 수 있다. 즉 내압(동일한 크기의 p_i□)이 걸리는 경우 금형간의 압축력이 더 큼으로 성형과정에서 발생하는 인장응력을 상쇄시킬 수 있 으며 이에 따라 금형의 수명도 증가될 것으로 생각 된다.

3.2 금형응력해석

분할방법에 따라 금형을 비교분석하기 위하여 동 일한 조건으로 분할된 금형에 대한 금형응력해석을 하였다. 금형분할방법에 따른 해석결과는 Fig. 9에 나타낸 바와 같다.

두 가지의 분할설계 금형의 응력해석 결과에서 소재로부터 발생되는 금형응력의 최대치는 큰 차이 가 없음을 알 수 있다. 따라서 성형과정에서 금형 에 작용하는 내압은 동일한 것으로 판단된다. 그러 나 응력의 분포를 비교하여 볼 경우 사다리꼴로 분 할한 금형에서 응력집중이 완화된 것을 확인할 수 있다. Fig. 9(a)에서 원통형상으로 인하여 금형내벽 의 모서리에 응력이 집중되어 있는 것을 볼 수 있 다. 즉 내압에 의한 굽힙으로 인하여 응력이 집중 되어 있는 것으로 알 수 있다. 반면에 Fig. 9(b)에서 분할금형은 사다리꼴 형상으로 설계되어 있어 응력 분포가 상대적으로 균일한 것을 확인할 수 있다. 즉 내압으로부터 발생되는 힘을 보강링으로 균일하 게 전달함을 알 수 있다.

이를 역으로 증명하기 위하여 동일한 형상으로 분할금형에 동일한 열박음예압을 주어 금형응력해 석을 하였다. 열박음량은 동일하게 0.05 mm를 적용 하였으며 그 해석결과는 Fig. 10에 나타낸 바와 같 다.

Fig. 10(a)와 Fig. 10(b)를 비교하여 볼 경우 최대 주응력은 각각 4700 MPa과 2960MPa로 나타났으며 약 1.59배의 차이가 발생하였다. 또한 Fig. 9(a)에서 와 마찬가지로 모서리 부분에 금형응력이 집중된 것을 확인할 수 있다. 반면에 Fig. 10(b)에서 나타낸 해석결과에서는 분할금형전체에 금형응력이 비교적 균일하게 분포되어 있으며 이에 따라 내압에 의한 금형변형도 작을 것으로 판단된다.

이러한 결과를 종합하여 비교하여 볼 때 분할금 형간의 벌어짐 또는 자체의 변형을 최소화하기 위 하여 금형의 외벽도 6각형으로 설계하고 분할하는 것이 바람직하다. 또한 금형내벽에서 분할금형간의 과도한 접촉압력으로 인한 금형파손방지에도 유리 할 것으로 판단된다. 따라서 정6각형상의 단면형상 을 가진 제품의 단조금형설계에서는 분할금형으로 설계하는 것이 유리하며 그 형상은 내벽과 외벽 모 두 정6각형인 분할금형으로 설계하는 것이 바람직 하다고 생각된다.

4. 금형 가공

단조금형의 가공에 있어 분할방법에 따라 금형 의 정밀도에 일정한 영향을 줄 수 있다. 예를 들 어 Fig. 11(a)에서와 같이 C₀D₀A₀B₀를 절단 후 A₀B₀F₀E₀ 면, C₀A₀E₀H₀면 ,D₀B₀G₀F₀을 각각 절단하 여 가공할 경우 원주면의 정확한 길이를 맞추기가 어렵다. 특히 열박음을 할 경우 원주면의 직경이 변화함에 따라 열박음효과가 균일하지 않을 수 있 다. 반면에Fig. 11(b)에서와 같은 형상인 경우 A₁B₁C₁D₁면에서 부터 A₁B₁ F₁E₁면, D₁B₁F₁G₁ 면, A₁C₁H₁E₁면 모두 연마하여도 각 길이는 정확히 맞 출 수 있다. 따라서 조립 후 내외면이 모두 정6각 형임으로 상대적으로 금형의 정밀도가 향상될 것 으로 판단된다.

이러한 방법으로 설계 제작한 금형은 Fig. 12에 나타낸 바와 같으며 단조성형결과에 대한 조사에 서 금형수명은 기존 약 5,000회의 평균수명에서 20,000회 이상으로 향상되었다.

5. 결 론

본 연구에서는 정6각형구조를 가진 부품의 단조 금형수명향상을 위하여 금형분할방법을 설계하고 비교분석을 하였다. 일반적인 원형분할법과 정6각 형분할법에 대한 유한요소해석 및 수식적 접근을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.