유한요소해석을 통한 박판 롤 포밍 공정 최적화에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 종래의 롤 포밍 공정이라는 공정법을 통해 수십 마이크로 미터 두께 단위의 얇은 금속 판재를 가공하는 방법에 대해 연구합니다. 해당 공정을 유한 요소 해석을 통해 사전 검증하고 최적의 공정 조건을 결정하는 것에 초점을 맞추었습니다. 롤 포밍 공정은 금속 판재의 성형 방법 중의 하나입니다. 특히나 가공 중에 재료의 두께나 경도 등이 변하여 해석 결과에 큰 영향을 미치기 때문에 해석을 통해 분석하는 것은 많은 오차가 발생하여 어려운 부분 중 하나입니다. 이러한 이유들로 초기에 공정조건을 세팅하는데 많은 시행착오를 겪고 있습니다. 현재에도 정량적인 분석이 아닌 작업자들의 시행착오를 통해 현장에서는 주먹구구식의 시도가 이루어지고 있습니다. 이러한 어려움에도 롤포밍공정은 제조원가를 절감할 수 있고 한번 세팅만 되면 제조 시간과 작업자 비용 절감, 수준 높은 치수 정밀도 등 다양한 장점이 존재하기에 산업 현장에서는 계속 그 효율적 적용을 위해 분석되고 있습니다. 본 연구에서는 롤 포밍 공정에서 절곡부에 기하학적 형상을 가진 얇은 박판 금속의 절곡을 유한요소해석 시뮬레이션을 통해 적절히 예측하고 공정조건 별로 실험계획법을 구성하여 최적의 공정 조건을 찾고 각 인자들의 영향도를 파악하는데 그 목적이 있습니다. 완전요인배치법을 활용하여 주효과도와 교호작용을 분석하였습니다. 원주방향의 롤간거리와 축방향의 롤간거리 그리고 롤러의 형상의 각도를 인자로 선정하였습니다. 3개의 요인을 바탕으로 각 2수준의 수준을 선정하여 최대 절곡각도와 어떤 영향이 있는지 시뮬레이션을 통해 분석하였습니다. 절곡각도의 정확도를 위해 계산방법은 Implicit 적분방식을 적용하였습니다. 그리고 절곡각도를 정량적으로 정확히 측정하기 위해 Abaqus Python Script를 통해 두 점을 입력하여 직선의 방정식의 기울기를 도출하는 코드를 적용하여 결과 분석 시간을 줄이고 정량적 측정을 가능하게 자동화 하였습니다.

본 연구를 통해 유사 기하학적 형태의 박판 금속 판재에서 롤 포밍 공정 해석으로 인한 문제들은 무엇이 있으며 다양한 형상의 판재에 응용하여 절곡 각도를 예측하는 활동들이 어떻게 진행되어야 하는지에 대해 참고 자료가 될 수 있을 것으로 기대합니다.본 논문에서는 종래의 롤 포밍 공정이라는 공정법을 통해 수십 마이크로 미터 두께 단위의 얇은 금속 판재를 가공하는 방법에 대해 연구합니다. 해당 공정을 유한 요소 해석을 통해 사전 검증하고 최적의 공정 조건을 결정하는 것에 초점을 맞추었습니다. 롤 포밍 공정은 금속 판재의 성형 방법 중의 하나입니다. 특히나 가공 중에 재료의 두께나 경도 등이 변하여 해석 결과에 큰 영향을 미치기 때문에 해석을 통해 분석하는 것은 많은 오차가 발생하여 어려운 부분 중 하나입니다. 이러한 이유들로 초기에 공정조건을 세팅하는데 많은 시행착오를 겪고 있습니다. 현재에도 정량적인 분석이 아닌 작업자들의 시행착오를 통해 현장에서는 주먹구구식의 시도가 이루어지고 있습니다. 이러한 어려움에도 롤포밍공정은 제조원가를 절감할 수 있고 한번 세팅만 되면 제조 시간과 작업자 비용 절감, 수준 높은 치수 정밀도 등 다양한 장점이 존재하기에 산업 현장에서는 계속 그 효율적 적용을 위해 분석되고 있습니다. 본 연구에서는 롤 포밍 공정에서 절곡부에 기하학적 형상을 가진 얇은 박판 금속의 절곡을 유한요소해석 시뮬레이션을 통해 적절히 예측하고 공정조건 별로 실험계획법을 구성하여 최적의 공정 조건을 찾고 각 인자들의 영향도를 파악하는데 그 목적이 있습니다. 완전요인배치법을 활용하여 주효과도와 교호작용을 분석하였습니다. 원주방향의 롤간거리와 축방향의 롤간거리 그리고 롤러의 형상의 각도를 인자로 선정하였습니다. 3개의 요인을 바탕으로 각 2수준의 수준을 선정하여 최대 절곡각도와 어떤 영향이 있는지 시뮬레이션을 통해 분석하였습니다. 절곡각도의 정확도를 위해 계산방법은 Implicit 적분방식을 적용하였습니다. 그리고 절곡각도를 정량적으로 정확히 측정하기 위해 Abaqus Python Script를 통해 두 점을 입력하여 직선의 방정식의 기울기를 도출하는 코드를 적용하여 결과 분석 시간을 줄이고 정량적 측정을 가능하게 자동화 하였습니다.

본 연구를 통해 유사 기하학적 형태의 박판 금속 판재에서 롤 포밍 공정 해석으로 인한 문제들은 무엇이 있으며 다양한 형상의 판재에 응용하여 절곡 각도를 예측하는 활동들이 어떻게 진행되어야 하는지에 대해 참고 자료가 될 수 있을 것으로 기대합니다.