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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.19 No.6 pp.29-35
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.06.029

A Study on Variable Mold for Improving the Forging Process of Transition Nozzle using TRIZ and DEFORM

Hui-Geon Hwang*, Won-Jee Chung*#, Sang-Suk Sul*, Dae-Young Kim*
*Changwon National University
Corresponding Author : wjchung@changwon.ac.kr Tel: +82-55-213-3624, Fax: +82-55-263-5221
23/03/2020 23/04/2020 28/04/2020

Abstract


Transition Nozzles are used in industrial air-cooled heat exchangers and widely used in industrial sites as an important component in the heat energy transfer between a heat source and an actuating fluid. There is a worldwide demand for transition nozzles with various materials and shapes, depending on the use environment. This paper aims to improve the transition nozzle forging process suitable for the production of many varieties using Steps 1 to 6 of the TRIZ Methodology for Problem Solving. By utilizing the TRIZ Methodology, this study derives a method to design a variable mold, which is more efficient and can reduce costs compared with having to use several molds. To verify the suitability of the methods derived using the TRIZ technique, a forging analysis is performed on a transition nozzle using DEFORM, a commercial program for plasticity analysis, and the nozzle material is evaluated for damage as a result of deformation of the transition nozzle thickness. The derived methods can be applied to transition nozzle formation equipment to improve the efficiency of the formation process.



TRIZ와 DEFORM을 활용한 트랜지션 노즐의 성형 공정 개선을 위한 가변 금형에 대한 연구

황 희건*, 정 원지*#, 설 상석*, 김 대영*
*창원대학교

초록


    © 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

    산업용 열교환기는 열원과 작동 유체 사이의 열 에너지를 전달하는 역할을 하기 때문에 플랜트 공 정 효율에 큰 영향을 미치는 핵심 장치이다. 산업 용 튜브 번들 모듈은 Fig. 1와 같이 핀 튜브, 트랜 지션 노즐, 튜브 지지물, 사이드 프레임으로 구성되 어 있다. 여기서 트랜지션 노즐의 역할은 유체가 유입되는 파이프와 폭이 좁은 헤드를 연결해 주는 역할을 한다. 설치 공간의 최소화를 위해 헤드의 폭이 파이프의 직경보다 좁게 설계되며, 노즐의 형 상은 Fig. 2와 같다[1].

    점차 산업은 사용 환경에 따라 다양한 형상을 가진 노즐을 요구하고 있으며, 다품종 소량생산을 원하 고 있다. 하지만 현재는 트랜지션 노즐을 성형하기 위한 금형이 각각의 노즐 별로 제작되어 사용되고 있다. 이로 인해 복합한 형상의 금형을 각각에 맞 게 생산하여야 하므로 금형 제작에 대한 비용이 크 며, 비효율적이다[2].

    본 연구에서는 6SC(6단계 창의성 이론)를 적용한 실용 TRIZ 기법을 이용하여 트랜지션 노즐의 성형 에 대한 공정을 줄이고, 여러 개의 금형을 대신하 는 효율적인 개선 방안을 도출할 것이다. 또한 개 선된 방안을 검증하기 위해서 DEFORM을 이용한 소성 해석을 통해 트랜지션 노즐의 8inch에 대한 SCH100, SCH120, SCH140에 대하여 두께 변형률를 확인하여 성형성을 판단할 것이다.

    2. 트랜지션 노즐 성형 공정

    트랜지션 노즐의 성형은 기본적으로 금형을 사용 하여 파이프를 프레스로 눌러 일정한 반경과 직선 을 가진 slot 형상을 가지도록 한다. 그러나 시장은 단품에 대한 대량 생산이 아니라 여러 규격에 대한 소량 생산을 요구하고 있기 때문에 각각에 맞는 금 형을 제작하여야 한다. 또한 노즐을 생산하는 과정 에서 작업자가 무거운 금형을 성형 장비로부터 자 주 교체해야 하는 공정이 생기기 때문에 비효율적 인 생산이 이루어 지고 있다. 본 연구에 사용된 제 품은 트랜지션 노즐의 8inch에 대한 SCH100, SCH120, SCH140에 해당한다. Fig. 3에 금형에 대한 파이프의 성형 공정에 대하여 나타내었으며, Fig. 4 에는 트랜지션 노즐 성형 공정 실험 장비의 모습을 모델링하여 나타내었다. Fig. 4와 같이 성형의 준비 과정으로 Forging space에서 제작하고자 하는 노즐 에 맞는 금형을 위치시킨 후 Cylinder와 연결된 slide부가 내려오면서 파이프를 성형한다.

    3. TRIZ 기법을 통한 개선안 도출

    공정의 효율 개선에 대하여 6SC 표준 양식에 맞 춘 6단계(A~F)에 걸쳐 문제의 해결책을 도출 할 것 이다[3-4].

    3.1 문제 도식

    Fig. 3의 성형 공간에서 작업자는 다른 스케줄에 대하여 성형할 때 계속해서 무거운 금형을 교체하 여야 하는 불편한 공정의 문제가 존재한다. 또한 Fig. 5와 같이 8inch에 대하여 SCH 100, SCH 120, SCH 140에 대하여 주요 치수를 그림으로 표현하였 고, 스케줄 별로 노즐의 치수가 달라지는 것을 확 인할 수 있다. 여기서 슬롯 형상의 직선 길이와 노 즐의 경사 각도가 성형 공정에서의 주요 변수라고 볼 수 있다.

    3.2 시스템 기능 분석

    시스템 기능 분석은 기술 시스템 및 목표 대상, 환경 요소로 구성되어 있다. 모든 시스템은 사각형 으로, 목표 대상은 원형으로 표현된다. Fig. 6에 트 랜지션 노즐 성형 공정의 시스템을 나타내었다[3-5].

    모터, 메인 실린더, 슬라이더, 타이 로드를 기술 시스템으로 설정하였고, 목표 대상을 가공에 직접 적으로 관여되는 금형과 가공 대상인 파이프로 설 정하였다. 모터에서 메인 실린더로 에너지를 공급 하고, 이에 대한 하중을 슬라이더를 통해 금형으로 전달한다. 이때 타이 로드에서 하중에 대한 지지 역할을 하고, 전달 받은 힘을 금형이 파이프를 성 형하는데 사용한다.

    3.3 이상 해결책(IFR)에 대한 가정

    이상해결책의 개념은 이상적으로 문제를 해결하 는 목표치에 대한 의미보다는 연구의 기초 방향을 알려주는 나침반과 같은 역할이라고 볼 수 있다[3-4].

    시스템 기능 분석을 통해 공정의 생산성과 효율성 을 높일 수 있는 이상해결책을 2가지로 정리하였다.

    1. 메인 실린더의 하중 부여 속도를 증가시켜 성형 속도를 올린다.

    2. 여러 개의 금형 하나로 성형할 수 있게 설계하 여 작업자의 교체 시간과 금형 제작 비용을 줄 일 수 있다.

    3.4 모순

    트랜지션 노즐 성형 시스템에서는 파이프를 노즐 로 성형하기 위해서 금형을 사용하여 프레스한다. 이 때 프레스의 속도를 증가시키면 성형 시간이 줄 어들어 생산성이 향상되는 반면, 그와 동시에 증가 된 속도에 대한 메인 실린더의 고성능이 요구되기 때문에 비용이 증가하며, 성형의 정확성도 낮아지 는 기술적 모순이 발생하게 된다[3-4].

    3.5 요소의 상호작용 분석

    Fig. 7은 트랜지션 노즐 성형 시스템의 핵심 요소 인 메인 실린더, 금형와 공정 효율에 대한 요소의 상호작용에 대한 그림이다. 노즐의 생산 효율과 비 용에 영향을 미치는 각 요소에 대한 변수들을 나열 하였다. 따라서 본 연구의 목표인 트랜지션 노즐 성형 장비의 생산성과 비용 절감에 영향을 주는 변 수가 메인 실린더의 속력과 금형의 개수 등이 있는 것을 확인하였다.

    3.6 해결 및 평가

    도출된 문제에 대한 여러 가지 해결책과 변수를 최종적으로 선택하고 평가하는 단계이다[3-4]. 노즐의 성형 공정 효율을 향상시키는 변수를 선정하기 위 하여 고려해야 할 사항은 성형 속도 뿐만 아니라 장비의 제작 비용 측면도 고려해야 한다. 메인 실 린더의 성형 속도를 늘리는 방안은 가장 효율적으 로 성형 속도를 증가시킬 수 있지만, 그 만큼의 제 작 비용이 발생하며 성형이 불안정해지기 때문에 후처리 비용이 추가 발생할 가능성이 있다. 하지만 성형 속도를 증가시키기 보다는 금형의 교체 시간 감소와 금형 제작 비용 감소를 이룰 수 있도록 금 형을 설계하는 방안을 고안한다면 성형 시스템의 효율을 개선할 수 있다. 이에 따라 다음과 같은 해 결 방안을 고안하였고, Fig. 8과 같다.

    1. 성형 속력은 증가시키지 않는다.

    2. 하나의 금형을 교체하지 않고 길이와 각도를 가 변시켜 트랜지션 노즐을 제작한다면 교체 시간 감소와 제작 비용 감소의 효과를 기대할 수 있 다.

    4. 금형에 대한 소성 해석

    기존의 성형 방법과 도출된 가변 금형을 사용한 해석을 통하여 비교 검증하였다. 해석에 적용된 변 수들을 Table 1에 나타내었다.

    Fig. 9에 SCH 100, SCH 120, SCH 140에 대한 기 존의 성형 방식으로 서로 다른 3개의 금형에 대하 여 도식하였다.

    Fig. 10 ~ 12에 SCH 100, SCH 120, SCH 140의 기존 성형 방식에 대한 소성 해석 결과의 정면도와 두께 변화율을 나타내었다. 두께 변형은 금형에 의 해 벌어지는 부분에서 크게 나타났지만, SCH 100 는 0.324mm/mm, SCH 120는 0.304mm/mm, SCH140 는 0.358mm/mm으로 모든 두께 변형률은 0.5mm/mm 이내로 나타났다.

    SCH 100, SCH 120, SCH 140에 대한 가변 성형 방식으로 하나의 금형을 가변시켜 사용하였고, 이 에 대하여 Fig. 13에 도식하였다. 설계된 금형의 각 도는 66 degree이고, SCH 100에서는 -0.02 degree, SCH 120에서는 +1.55 degree, SCH 140에서는 +2.56 degree만큼 회전시켰다.

    Fig. 14 ~ 16에 SCH 100, SCH 120, SCH 140의 가변 성형 방식에 대한 소성 해석 결과의 정면도와 두께 변화율을 나타내었다. 두께 변형은 금형에 의 해 벌어지는 부분에서 SCH 100는 0.444mm/mm, SCH 120는 0.411mm/mm, SCH140는 0.396mm/mm으 로 모든 두께 변형률은 0.5mm/mm 이내로 보였다.

    Table 2를 보면 두 방식 모두 두께 변형률이 0.5mm/mm보다 작은 것을 확인할 수 있고, 수치와 노즐의 형상을 비교해 보면 큰 차이가 없음을 확인 하였다. 정확한 수치적인 값보다는 동일 경계 조건 에 대하여 공정이 개선된 방식에 대한 변형 경향 비교에 초점을 두었고, 이를 통해 금형의 가변을 통해 트랜지션 노즐을 성형하는 방식에 대하여 검 증하였고, 이와 같은 공정 개선으로 금형 제작에 필요한 비용 절감과 작업자의 작업 효율 증대의 효 과를 기대할 수 있다.

    5. 결 론

    본 논문에서는 트랜지션 노즐의 성형 장비의 개 선 방안으로 여러 개의 금형을 하나로 줄이는 방안 을 도출하였고, 이를 통해 시간 및 비용적 측면의 효율성을 증대를 기대할 수 있다. 6단계의 실용 TRIZ기법을 통해 트랜지션 노즐 성형 장비의 공정 효율성과 비용에 영향을 미치는 변수를 선정하였 고, 이들 중 계속적으로 교체해야 하는 금형에 초 점을 두었다. 다품종 소량생산을 요구하는 트랜지 션 노즐의 시장성으로 인해 그에 따른 다양한 금형 이 제작되어야 하는 비생산적인 문제를 해결하는 방안으로 트랜지션 노즐의 특정 치수에 부합하도록 길이와 각도를 조절할 수 있는 하나의 금형으로 성 형하는 것을 도출하였다.

    동일한 힘과 경계 조건에 대하여 소성 해석 소프 트웨어인 DEFORM® 을 이용하여 기존 성형 방식과 가변 성형 방식의 시뮬레이션 해석 결과로 두께 변 형률이 미소량의 차이만 발생하였다. 따라서 하나 의 금형을 길이와 각도를 조절하여 여러 개의 금형 을 대신할 수 있는 효율적인 공정 개선 효과를 얻 을 수 있었다. 이에 따라 금형이 제작 비용이 줄어 들고, 작업자가 무거운 금형을 자주 교체해야하는 공정을 개선하여 효율을 증대시킬 수 있다.

    후 기

    “이 논문은 2019~2020년도 자율연구과제 연구비 지 원으로 수행된 연구결과임.”

    Figure

    KSMPE-19-6-29_F1.gif
    Diagrams of tube bundle module and components
    KSMPE-19-6-29_F2.gif
    Transition nozzle shape and dimensions
    KSMPE-19-6-29_F3.gif
    Transition nozzle forging process
    KSMPE-19-6-29_F4.gif
    3D model of transition nozzle forging equipment
    KSMPE-19-6-29_F5.gif
    Dimensions of the transition nozzle(8inch)
    KSMPE-19-6-29_F6.gif
    System functional analysis of the transition nozzle forging system
    KSMPE-19-6-29_F7.gif
    Element-Interaction of the transition nozzle forging system
    KSMPE-19-6-29_F8.gif
    Suggested solution
    KSMPE-19-6-29_F9.gif
    Diagrams of existing forging methods and dimensions
    KSMPE-19-6-29_F10.gif
    Thickness strain of SCH 100 using the existing method
    KSMPE-19-6-29_F11.gif
    Thickness strain of SCH 120 using the existing method
    KSMPE-19-6-29_F12.gif
    Thickness strain of SCH 140 using the existing method
    KSMPE-19-6-29_F13.gif
    Diagrams of flexible forging methods and dimensions
    KSMPE-19-6-29_F14.gif
    Thickness strain of SCH 100 using the variable method
    KSMPE-19-6-29_F15.gif
    Thickness strain of SCH 120 using the variable method
    KSMPE-19-6-29_F16.gif
    Thickness strain of SCH 140 using the variable method

    Table

    Simulation condition
    A comparison of thickness strain results

    Reference

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    2. Ives, K. D., Shoemaker, A. K., McCartny, R. F., "Pipe Deformation During a Running Shear Fracture in Line Pipe", Journal of Engineering Materials and Technology, Vol. 96, No. 4, pp. 309-317, 1974.
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