고속 압연방식을 이용한 Weather strip 용 Insert metal 공정설계
Process Planning for Insert Metal of Weather Strip Using High Speed Rolling-Type
박지수
1
, 이현우1
, 정성윤2
, 배준호3
, 김화영2
, 김철2,
Ji Su Park
1
, Hyun Woo Lee1
, Sung Yuen Jung2
, Jun Ho Bae3
, Hwa Young Kim2
and Chul Kim2,
1 부산대학교 창의공학시스템학과 (Department of creative Engineering, Pusan National Univ.) 2 부산대학교 기계기술연구원 (Research Institute of Mechanical Technology, Pusan National Univ.) 3 부산대학교 기계공학부 (School of Mechanical Engineering, Pusan National Univ.)
Corresponding author: [email protected], Tel: 051-510-2489
Manuscript received: 2011.5.4 / Revised: 2011.8.3 / Accepted: 2011.8.24Weather strip is a functional component of a car body and doors for leaking protection, isolating outside noise and vibration reduction. Insert metal inserted to the weather strip plays a key role to keep the shape of the weather strip and increase its strength. Insert metal is mainly produced by a press process, which has low productivity and 40% material loss due to the scraps. To solve the problems, a high-speed rolling process for manufacturing the insert metal of weather strip is being attempted. In this study, the insert metal is manufactured by a high-speed rolling process, and its process variables: reduction, relative velocity of rollers and the number of passes, are optimized by using the FEA and the actual tests. The prototype was manufactured by the optimal process.
Key Words: Weather Strip (웨더스트립), Insert Metal (인서트메탈), Reaction Force (반력), Friction Force (마찰력), Reduction (압하량), FEA (유한요소해석)
1. 서론
웨더스트립(Weather strip)은 자동차의 차체 (body) 와 도어(door) 등에 장착되어 차체 내외부의 누수방지 및 외부소음으로부터 실링(sealing)성을 부여하고, 차체의 진동에 대하여 완충작용을 하여 쾌적성과 안락성을 부여하는 자동차의 기능성 부 품이다. 이는 도어와 차체 사이를 충분히 밀폐시 켜 외부로부터의 소음을 최소화할 수 있어야 한다.
도어 실의 경우 그 반력을 작게 하면 실의 성능이 나빠지고, 높게 설정하면 도어 닫힘 성능을 저해 하는 특성을 가지고 있다. 1-5 이러한 웨더스트립에 삽입되는 인서트메탈(Insert metal) 은 웨더스트립의 형상을 유지하고 강도를 높이기 위한 핵심부품이 다. 인서트메탈을 생산하는 현장에서는 프레스 공
정을 이용하고 있으나 생산속도가 느리고 피어싱 공정(piercing process)으로 인한 원소재의 40%가 스 크랩으로 낭비되는 단점을 가지고 있기 때문에 생 산속도가 빠르고 스크랩이 발생하지 않는 고속압 연방식을 이용한 제조가 시도되고 있다.
Moon 1 은 대변형이 있는 웨더스트립과 같은 비 선형 재질에 대한 유한요소 해석 방법을 제시하였 고, Han 6 은 웨더스트립의 재료가 되는 EPDM 과 TPE 소재에 대한 유한요소해석을 수행하여 특성 을 예측하는 연구를 하였다. Lee 7 는 압출성형 공정 에서 압출기 내부소재의 열 유동 특성분석에 관한 연구를 하였으며, Lee 8 는 압연 시 발생하는 판의 형상 제어 및 압연 롤의 변형해석을 수행하였다.
Kim 9 은 연속 냉간압연 시스템에서의 두께 제어
기법을 연구하였다.
본 연구에서는 Fig. 1 과 같이 기존 프레스 방식 의 단점을 개선하기 위하여 1 차 컷팅 공정과 2 차 고속 압연 공정에 의한 웨더스트립 용 인서트메탈 을 제조하였다. 컷팅 단면 형상이 다이아몬드 형 상으로 분리 될 때 요구되는 인장력은 유한요소해 석을 이용하여 구하였고, 이러한 인장력을 만족시 키는 롤러의 압하력과 마찰계수에 의한 마찰력을 분석하였다. 또한, 소재의 두께방향에 대한 소성변 형 방지 및 적정 변곡도 유지를 위한 압하량과 컷 팅 된 소재를 원하는 분리 폭으로 신장하되 미끄 럼을 발생시키지 않는 롤러 간의 상대 속도 차이, 이에 따른 압연공정 횟수를 공정변수로 한 고속 압연 공정에 대한 성형해석을 수행하여 최적의 변 수 값을 결정하였고 이를 실험결과와 비교∙고찰하 였다.
Fig. 1 Two-step process for manufacturing insert metal of the weather strip using high speed rolling-type
2. 고속 압연 제조 공정 분석컷팅된 소재를 분리 폭으로 신장시키는 인장력 은 롤러와 소재 사이의 마찰계수와 롤러 압하력에 의한 마찰력과 같다. 이때 과도한 압하량에 의한 압하력은 소재의 두께방향으로 소성변형을 발생시 키며 이로 인하여 Fig. 2(a)와 같이 소재 두께방향 의 소성변형인 롤러 자국과 Fig. 2(b)처럼 균일 신 장이 되지 않는 분리 폭 불균일이 발생한다. 또한 Fig. 2(c) 와 같이 압연 직각 방향의 변형으로 인하 여 변곡도 불량이 발생하게 된다. 이러한 결점을 갖는 인서트 메탈은 후 공정인 고무압출공정에서 고무가 제대로 채워지지 않아 고무 속에서 인서트 메탈이 고정되지 않고 움직이게 되므로 웨더스트 립의 고유기능을 하지 못한다.
그러므로, 압하력은 소재의 탄성범위 내에서 미끄럼이 발생하지 않도록 충분한 마찰력을 발생 시킬 수 있어야 한다. 롤러의 압하력에 따른 인장 력(마찰력)이 최대 정지 마찰력보다 클 경우에는
미끄럼이 발생한다. 소재는 롤러의 압하력에 의한 마찰력과 롤러 간의 속도 차에 의하여 신장되며 인서트메탈의 생산속도는 최종 롤러의 선 속도와 같다고 가정하였다. Fig. 3 에서 롤러에 의한 신장량 과 롤러간의 속도 비는 식(1)로 유도된다.
(a) Defect of roller spot
(b) Non-uniformity of width
(c) Defect of variable curvature
Fig. 2 Defects of insert metal of weather strip using high speed rolling type by over reduction
Fig. 3 Model and boundary for calculating the amount of
elongation
2 1 : : L V V L
L − ∆ = (1)
여기서 출구 롤러의 속도가 V₂일 때 소재의 이동 거리는 L 이며, 입∙출구 롤러의 속도가 V₁< V₂ 일 때 소재의 이동 거리는 L-△L 이다. 식(1)에 의 하여 롤러 속도 차에 의한 총 신장량 ΔL 은 식(2) 와 같다.
−
=
∆ 2
1 1
V L V
L (2)
전체 소재는 여러 개의 다이아몬드 형상으로 이루어진 파트로 구성되어 있기 때문에 하나의 파 트당 분리 폭의 신장량 ΔL p 는 식(3)과 같다. 여기 서 N 은 롤러간격 사이에서의 총 파트의 수이다.
N V L V
L p 1 1
2 1 ×
−
=
∆ (3)
3. 유한요소해석에 의한 고속압연공정 변수 값 결정
10
본 연구에서 고속 압연방식을 이용하여 생산하 고자 하는 다이아몬드형 웨더스트립 인서트메탈의 형상 및 공정설계 시 고려되어야 할 주요 치수정 밀도는 Fig. 4 와 같다. 컷팅(cutting)된 소재의 분리 폭 (A)는 0.6mm(±0.1mm)로 균일 신장해야 하고 소재의 직선길이 3m 를 기준으로 변곡도 (B)는 5mm 이내 이어야 하며 두께 0.5mm 에 대한 허용 공차(C) ±0.03mm 를 충족해야 한다.
Fig. 4 Dimensions of the insert metal of weather strip
웨더스트립 인서트 메탈을 제조하기 위하여 고 속 압연 제조 공정에서 결정되어야 하는 공정변수 는 압하량, 상대롤러속도, 압연공정패스이며 Fig. 5 의 절차를 통하여 결정하였다.
Fig. 5 Procedure of finding design parameters by FEM
3.1 균일 분리 폭을 위한 인장력압연공정 해석을 위한 유한요소모델은 소재의 두께 0.5mm, 폭 36mm, 길이 300mm 와 컷팅부는 컷팅날의 두께인 0.05mm 로 하여 Fig. 6 에 나타내 었고, 인서트 메탈 소재는 냉연강판(SPCC)이며 물 성치는 Table 1 과 같다.
Table 1 Material properties KS D 3512 SPCC
Young’s Modulus (GPa) 200 Yield Strength (MPa) 465.8 Tensile Strength (MPa) 473.7 Possion’s Ratio 0.29
컷팅된 소재는 동일한 패턴의 파트가 반복되므
로 하나의 파트를 모델링하여 전체를 구현하였으
며 Fig. 7 에 컷팅부 형상을 모델링하였다.
Fig. 6 Model and boundary for analysis of a rolling-type process
1
X Y Z
ROLLING PROCESS SIMULATION_SHELL163 TYPE ELEMENTS
Fig. 7 Modeling for cutting part of the insert metal 균일한 분리 폭을 갖는 인장력을 얻기 위하여 Fig. 6 의 A 부분에 모든 방향으로 변위구속을 주 었고, B 부분에는 소재의 분리 폭이 0.6mm 신장될 때까지 0.1mm 씩 변위를 늘리며 반력을 측정하여, 결과를 Fig. 8 과 Table 2 에 나타내었다. 이에 의하 면 소재의 분리 폭을 0.6mm 신장시킬 때 인장력 은 818N 보다 큰 값이 요구됨을 알 수 있다.
Fig. 8 The FEA results of tensile stress according to the displacement
Table 2 Reaction force according to the displacement Reaction
force (N)
Displacement (mm)
723 0.1 745 0.2 764 0.3 782 0.4 800 0.5 818 0.6
3.2 롤러 압하량인서트메탈의 경우, Explicit 코드에서 사용하는 요소 SHELL163 을 사용하였다. 두께 방향 요소의 수는 2 개, 요소의 크기는 0.25e-003m 이며, 총 요 소의 수는 약 60,000 이다. 롤러의 크기는 Table 3 과 같이 실제 공정에 쓰이는 롤러와 동일한 치수 와 물성치를 가지도록 모델링 하였다.
그러나, 0.5mm 두께를 가지는 냉연강판 (SPCC) 의 경우 얇은 판재이므로 두께 방향으로 압축하여 소성변형을 시키려면 본래 소재가 가지고 있는 항 복강도보다 훨씬 큰 하중이 필요하며, 공정 후 탄 성복원력에 의한 스프링백 현상이 발생한다. 이는 FEA 로 예측하기 어렵고 결과의 신뢰성 역시 떨어 지므로 11 실제 압하 실험 후 두께측정을 통하여 최적의 롤러 압하량을 결정하였다. 두께 0.5mm 냉 연강판에 적용되는 롤러 압하량의 경우, 두께 방 향의 변형 정도가 0.03mm(허용범위)보다 작아야 하며, 인장력에 의한 소재와 롤러 사이의 미끄럼 을 방지할 수 있는 최대의 마찰력을 가지는 것이 최적의 압하량이다. 이에 Fig. 9 와 같이 현장에서 압하량을 달리하여 냉연강판을 압하시킨 후 두께 변화를 측정하였으며 그 결과를 Table 4 에 나타내 었다.
측정 결과, 롤러를 0.05mm 압하하였을 때 두께
변화는 0.015mm 이며, 압하량이 0.06mm 이상이면
두께방향 변형의 허용범위인 0.03mm 보다 큰 변
형(0.035mm)을 나타내었다. 따라서, 두께 방향의
변형 정도가 0.03mm 보다 작으며, 인장력에 의한
소재와 롤러 사이의 미끄럼을 방지할 수 있는 최
대의 마찰력을 가지는 0.05mm 를 최적의 롤러 압
하량으로 결정하였다.
Table 3 Specification of rollers for FEA Diameter Height Young’s
modulus
Yield strength 147mm 40mm 200GPa 1900MPa
Fig. 9 Rolling process according to reduction
Table 4 Thicknesses after the rolling process according to the reductions
Reduction (mm)
Thickness after rolling process(mm)
Deformation of thickness(mm)
0.03 0.500 0.0
0.04 0.497 0.003 0.05 0.485 0.015 0.06 0.465 0.035
3.3 미끄럼이 발생하지 않는 상대 롤러속도롤러속도가 분리 폭에 미치는 영향을 파악하기 위하여 유한요소모델링 및 경계조건을 Fig. 10 에 나타내었다. 소재와 롤러 사이의 마찰계수는 0.2 이며 7 상부롤러는 0.05mm 의 압하량을 적용하였다.
롤러 속도 차에 따른 분리 폭 신장량 식(3)을 검증 하기 위하여 분리 폭의 절반 정도인 0.3mm 인 경 우에 대하여 해석을 수행하였다. 출구 롤러속도는 현장에서 요구되는 생산속도 및 장비 성능을 고려 하여 980mm/s 로 하였으며 분리 폭 신장량 식(3) 을 이용하여 입구 롤러속도 (814mm/s)를 계산하였 다. Fig. 11 로부터 롤러 속도 차에 의하여 롤러 사 이의 소재가 인장력을 받는 것을 확인할 수 있었 으며 해석결과에 의한 소재의 분리 폭은 0.32mm 로써 식(3)에 의한 0.3mm 와 약 6%의 오차를 나타 내었다.
Fig. 10 Model and boundary for obtaining the amount of elongation by velocity difference at the entrance and exit
(a) Stress distribution of material
(b) Amount of elongation of material Fig. 11 The FEA results of rolling-type process 식(3)에서 L (롤러 중심과 롤러 중심 사이의 거 리)은 300mm 이고, 1 파트의 폭은 Fig. 4 에서 나타 내었듯이 4mm 이며, 총 파트의 수 N 은 75 개 이다.
식(3)에 의해 출구 롤러속도가 980mm/s 일 때 소재
의 분리 폭을 0.6mm 신장시키기 위해서는 입구 롤 러속도는 675mm/s 이어야 함을 알 수 있다. 그러나 입∙출구 속도 차가 너무 크면 롤러와 소재 사이에 미끄럼이 발생하게 된다. 따라서 롤러 속도 차에 따른 미끄럼 발생유무를 확인하기 위해 출구롤러 의 속도(980mm/s, 814mm/s)에 대하여 Table 5 와 같 이 입구롤러의 속도를 달리하여 변화된 신장량에 대한 유한요소해석을 수행하였다.
Table 5 Velocities of the rollers according to the amount of elongation in rolling direction
Case
Exit Roller Velocity
(mm/s)
Entrance Roller Velocity
(mm/s)
Elongation (mm)
1 980 814 0.30
2 980 747 0.42
3 814 675 0.30
4 814 611 0.44
(a) Case 2
(b) Case 4
Fig. 12 Check of sliding phenomenon in the case of 2 and 4
출구롤러와 소재가 접하고 있는 영역에서 X 방 향(소재 이동방향)으로의 속도를 Fig. 12 과 같이 나타내었고, 이에 의하면, 신장량이 0.42mm 이상 발생하는 속도 차를 가지는 Case 2 와 Case 4 에서 미끄럼이 발생하였기 때문에 한 번의 압연 공정이 아닌 두 번 이상의 압연 공정으로 총 0.6mm 를 신 장시켜야 한다는 것을 알 수 있다.
3.4 압연공정 패스 수
한 번의 압연공정에 의해 원하는 분리 폭으로 신장시키기 위해서는 롤러간의 속도 차를 주어야 한다. 그러나 속도 차가 너무 클 경우 미끄럼이 발생하여 원하는 분리 폭으로 신장시킬 수 없으므 로 압연공정 횟수를 늘려야 한다. 본 연구에서는 분리 폭 0.6mm 를 신장시키기 위해 두 번의 압연 공정을 적용하였으며, 롤러는 해석시간 단축을 위 하여 강체로 가정하였다.
Fig. 13 Model for two-pass rolling process analysis 소재길이는 1200mm 이며 입구롤러의 소재가 출구롤러를 빠져 나가더라도 입구롤러 부분에 소 재가 물려 있도록 하여 지속적인 인장상태를 유지 하였다. 각각의 롤러는 0.05mm 의 압하량을 적용 하였고, Fig. 12 의 결과를 토대로 미끄럼이 발생하 지 않는 Case 1 과 Case 3 을 적용하여 Fig. 13 와 같 이 출구 롤러속도는 980mm/s, 중간 롤러속도는 814mm/s, 입구 롤러속도는 675mm/s 로 하였다. 롤 러의 속도가 정상상태에 도달한 연속 공정 상태에 서의 롤러 속도 차에 따른 소재 신장량을 보기 위 하여 보조롤러를 적용하였으며, 입구롤러의 속도 와 동일한 675mm/s 를 적용하였다.
해석 결과, Fig. 14 와 같이 입구 롤러부분의 소
재가 출구롤러를 빠져 나왔을 때의 분리 폭을 측
정한 결과 0.62mm 를 나타내었다. 이는 최종 제품
사양인 0.6mm 와 3.3%의 오차를 보여 2 패스 공정 의 유효성을 검증하였다.
(a) Stress distribution of material
(b) Amount of elongation of material
Fig. 14 The FEA results of two-pass rolling process analysis
4. 실험 및 결과 고찰
실험을 수행하기 위한 롤러는 유한요소해석에 서 성공적으로 수행한 2 패스 공정의 3 단 롤러를 적용하였으며, 각각의 롤러 동력방식은 서브 모터 및 정밀감속기를 사용하였다. 롤러의 소재는 SKD- 11 이며, 치수, 물성치 및 롤러의 속도를 Table 6 에 나타내었다. 동력전달방식은 타이밍 벨트를 사용 하였고 개별 서브 모터의 회전수로 롤러의 속도 (RPM) 를 조정하였으며, 이를 위한 배치도와 실험 장비는 Fig. 15 및 Fig. 16 과 같다.
Fig. 17 의 시제품은 육안으로 검사하였을 때 롤 러 자국이 보이지 않았고, 마이크로미터기로 고속 압연 공정에 따른 웨더스트립 인서트메탈의 두께 를 측정한 결과, 공정 전의 두께는 0.5mm, 공정 후의 두께는 0.485mm 로 나타났으며 이는 공차범
위 0.03mm 이내를 만족한다. Fig. 17(a)와 같이 균 일한 분리 폭 길이 측정을 확인하기 위하여 투영 기로 10 배 확대하여 정밀 측정을 하였다. Fig.
17(b) 와 같이 신장된 소재의 분리 폭을 측정한 결 과 0.64mm 로 이는 유한요소 해석 결과인 0.62mm 와 3%의 오차를 보였으며, 최종 제품 사양 치수인 0.6mm 와는 6.6%의 오차 범위 내에서 비교적 잘 일치하였다. Fig. 17(c)와 같이 최대 변곡도 발생지 점을 측정한 결과 3.81mm 로 공차범위 5mm 이내를 만족하여 제조 공정설계의 유효성을 검증하였다.
Fig. 15 Layout of the test equipment for manufacturing weather strip insert metal
Fig. 16 Test equipment
Table 6 Specification and velocities of rollers Diameter Height Young’s
modulus
Yield
strength Velocity
147mm 40mm 200GPa 1900MPa
980mm/s (exit) 814mm/s
(middle)
675mm/s
(entrance)
(a) Projector for measurement
(b) Measurement of width
(c) Measurement of variable curvature Fig. 17 Prototype of insert metal using high speed rolling-
type
5. 결론본 연구에서는 소재의 두께방향에 대한 소성변 형은 일으키지 않고 마찰력만을 이용하여 신장시 키는 고속압연방식을 이용한 다이아몬드형 웨더스 트립 인서트메탈 제조 공정을 제시하였다. 유한요 소해석을 통하여 중요한 공정변수인 인장력, 압하 량, 롤러속도, 압연공정 수 등을 제시하였고 이를 현장 실험을 통하여 검증하였으며, 그 결과를 요 약하면 다음과 같다.
(1) 압연방식을 이용한 웨더스트립 인서트메탈 제조 공정설계를 통하여 원소재의 40%가 스크랩 으로 낭비되는 문제점을 개선하였으며, 프레스 공
정의 생산속도 10m/min 보다 빠른 60m/min 생산속 도로 생산성을 향상시킬 수 있었다.
(2) 소재의 폭을 0.6mm 이상 신장시키기 위해서는 818N 의 인장력이 필요하며, 현장에서 적용하는 압 하량 중 0.05mm 의 압하량이 이를 만족하면서 소 재의 두께 방향에 소성변형이 발생하지 않는 것을 알 수 있었다.
(3) 소재의 분리 폭 0.6mm 를 신장시키기 위해 서는 출구 롤러속도가 980mm/s 일 때 입구 롤러속 도는 675mm/s 이어야 하지만 입구 롤러속도가 747mm/s 이하에서는 미끄럼이 발생하기 때문에 2 패스 공정으로 속도 차를 분배하여 출구 롤러속도 980mm/s, 중간 롤러속도 814mm/s, 입구 롤러속도 675mm/s 로 성형해야 함을 알 수 있었다.
(4) 성형실험 결과 제품의 분리 폭은 0.64mm 로서 이는 유한요소해석 결과인 0.62mm 와 3.3%의 오차를 보였고, 제품두께 0.6mm 에 대한 허용공차
±0.1mm 이내로 만족하였다. 또한, 변곡도가 압연 방향 3m 기준에 3.81mm 로 허용공차 5 mm 이내로 만족하여 압연방식의 제조 공정설계의 타당성을 검증하였다.
본 연구에서 제안한 고속압연방식은 피어싱 공 정으로 웨더스트립용 인서트메탈을 생산하는 제조 업체에 스크랩에 의한 재료 낭비를 줄이고 생산속 도를 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
참고문헌
