튜브 벤딩시 스프링백 보정각 추세선 도출에 관한 연구

A Study on the Derivation of Springback Compensation Angle Trend Line in Tube Bending

Abstract

Piping work of large ships or offshore plants is often done in a narrow and confined space, requiring precise bending and safety. In order to realize an accurate bending angle, it is very important to predict and correct a deformation that may be caused by elasticity in the bending process, that is, an angular deviation due to springback. Therefore, by using CAE analysis to develop a correction angle model for springback based on multiple tube bending angles and using trend line data derived from this correction angle model, at bending the tube as the diameter of the base former and the tube outer diameter change, the springback compensation angle at any angle can be obtained. In this study, the bending mechanism was analyzed to increase the bending precision, and a correction angle model was developed and a trend line was derived in consideration of springback occurring in the bending process. In order to derive a more accurate and reliable trend line, a tube tensile test was performed, and the reliability of the corrected angle trend line was verified by comparing the bending angle measurement and analysis results with a 3D scanner.

1. 서론

대형 선박 및 해양 플랜트의 배관 작업은 협소하고 좁은 공간에서 작업이 이루어지는 경우가 많아 특히 정밀한 벤딩과 안전성이 요구된다. 이에 사용하는 튜브 벤더(tube bender)에는 다양한 종류가 있으나 최근 들어 생산성 향상 등을 위하여 전동 튜브 벤더가 개발, 적용되고 있다. 본 연구에서 고려하는 전동 튜브 벤더는 튜브 외경이 접촉하는 기저 포머(base former)를 중심으로 구동 모터에 의해 회전하여 벤딩 작업을 수행하는 회전 포머(rotary former), 튜브를 지지하는 지지 포머(support former)로 구성된다.

이 방식은 고감속 활용 장점과 회전 포머의 회전력[1]을 이상적으로 전달할 수 있는 장점도 있다. 

일반적으로 튜브 벤딩 과정에서 중요한 공정변수는 벤딩 각도인데[2], 벤딩 각도는 소성 후 탄성변형 과정에서 피할 수 없는 스프링백의 영향[3-6]이 가장 크다고 알려져 있다. 그러므로, 전동 튜브 벤더로 정확한 벤딩 각도를 실현하기 위해서는 벤딩 엑츄에이터의 기구 조립체에 존재하는 백래시[7] 양뿐만 아니라 벤딩 과정에서 탄성에 의해 발생될 수 있는 변형, 즉 스프링백에 의한 각도 편차량을 예측하여 보정하는 것도 매우 중요하다. 벤딩 시 스프링백에의한 보정각을 구함에 있어 모든 벤딩 각도에서의 보정각을 실험을 통해 확보하기에는 어려움이 많다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 CAE 해석으로 튜브가 기술적으로 원하는 형태와 각도로 정확하게 굽혀지도록 벤딩 메커니즘을 분석하여 스프링백 발생량을 예측하고 보정각을 결정하며, 이를 적용한 벤딩 튜브의 측정 결과를 비교, 분석하여 CAE 해석의 유용성 확인은 의미가 있을 것이다.

본 연구에서는 벤딩 과정에서 발생하는 스프링백복원량을 정량화하여 벤딩 각도를 정밀하게 제어할 수 있게 함으로써, 선박 내 배관작업의 획기적 품질 개선 및 생산성 향상이 가능한 기술을 개발하고자 한다. 이를 위해 하나의 대표 튜브를 선정해 CAE 해석과 실제 벤딩 제품의 측정 결과를 비교, 분석하고 튜브 벤딩 각도를 기반으로 스프링백에 대한 보정각 모델을 개발하였다. 이 보정각 모델을 통해 도출된 추세선 데이터를 활용하면 기저 포머의 지름과 튜브 외경이 변함에 따른 튜브 벤딩 시, 임의 각도에서의 스프링백 보정각을 구할 수 있을 것이다. 그리고 스프링백 예측 및 보정각을 구하기 위해 고려한 해석 사례는 최근 사용되고 있는 D사의 파이프 현황 자료 및 개발 요청에 의해 12 가지를 선정하였다. 보다 정밀하고 신뢰성 있는 추세선 도출을 위해 판재 물성치를 사용하지 않고, 실제 사용되는 튜브 인장시험으로부터 얻은 물성치로 해석하여 결과를 비교 분석하였다. 또한, 해석을 통해 관성 효과가 발생하지 않는 공정조건, 성형 조건, 튜브의 메쉬 조건 등을 도출하였다. 아울러 보정각을 반영하여 벤딩한 튜브를 3D 스캐너로 벤딩각을 측정하여 해석 결과와 비교함으로써 도출한 보정각 추세선에 대한 신뢰성을 검증하였다.

2. 벤딩 보정각 모델 개발 및 추세선 도출

2.1 전동 튜브 벤더의 각도 보정 프로세스 분석

본 논문에서 고려한 전동 튜브 벤더의 핵심 기술은 백래시 및 스프링백에 의한 각도 오차를 보정하는 것으로, 보정 변수는 Fig. 1과 같다. 벤딩 기구에 의해 결정되는 1차 복원각과 2차 복원각, 관성 회전각 등을 구하기 위해 벤딩 특성 분석시험을 수행하였다. 1차 복원각은 벤딩 모터 정지 시 탄성 복원각을, 2차 복원각은 벤딩 모터 복귀 시 탄성 복원각을, 관성 회전각은 구동부의 회전 관성력에 의한 추가 벤딩각을 나타낸다. 벤딩 엑츄에이터의 주요 벤딩 메커니즘은 모터의 동력을 받아 튜브를 벤딩하는 것으로, 벤딩 튜브의 선회각도를 감지하는 벤딩 각도 감지부에 로터리 엔코더 (rotary encoder)를 설치하여 벤딩 각도를 감지할 수 있도록 하였고, 토크 감지 센서와 모터 전류 센서를 통해 벤딩 토크와 벤딩 부하전류를 측정하고 벤딩 각도와 비교하여 벤딩 특성값을 산출하도록 구성하였다.

Fig. 1 Bending process by electronic tube bender

Fig. 2에서 보는 바와 같이 벤딩 각도 등이 입력되면 제어부는 모터부를 구동하여 벤딩 공정이 시작되고, 구동 시부터 모터의 부하 전류값을 측정하여 설정된 벤딩 시작전류에 도달하였는지를 비교 연산한다.

Fig. 2 Flowchart for bending angle compensation

제어장치에서 모터의 전류가 설정된 벤딩 시작전류에 도달하면, 이 때부터 벤딩 각도 감지부가 감지한 값을 벤딩한 각도로 인식하여 지령값과 비교하여 벤딩 동작을 수행한다.

2.2 초기 벤딩각도 영점 조정 및 보정각 모델 개발

튜브 벤딩 과정의 초기 벤딩 각도 영점 조정과 스프링백 보정각(C) 결정을 위해 벤딩 공정 및 스프링백 해석을 수행하였으며, 벤딩 공정 해석을 위한 툴의 구성은 Fig. 3과 같다. 해석을 위해 판재성형해석 프로그램인 PamStamp 2G를 사용하였으며, 적분점을 5개 가진 쉘(Shell) 요소를 사용하였다. 재질은 SUS316L 1.5t, 튜브의 외경은 Φ15, 길이 400mm, 벤딩 툴의 회전 각속도는 해석상에서 관성효과[8]가 발생하지 않는 0.05rad/sec, 기저 포머의 지름은 Φ100, 초기 튜브의 메쉬 사이즈는 길이방향 4mm, 튜브의 원주방향 0.8mm로 균일한 메쉬를 사용하였다. 벤딩 각도에 따라 15°~ 180°까지 15°간격으로 해석을 수행하였으며, 지지 포머가 잡고 있는 상태에서 회전 포머가 기저 포머의 중심을 기준으로 회전하면서 벤딩이 이루어진다. Fig. 4에서 해석에 사용된 SUS316L 판재 소재의 응력 변형률 곡선을 나타내었다. 초기 벤딩 각도 영점 조정을 위해 90˚ 벤딩 성형을 하였는데, 이 때 실제 성형 벤딩각은 71.88˚로,이는 지지 포머에 힘이 걸리는 순간부터 벤딩 회전각을 부여함이 타당하므로 Fig. 5와 같이 영점 조정보정각도를 18.12˚로 결정하였다. 튜브 외경이 달라질 경우 튜브와 툴들의 Gap을 일정하게 모델링하여 해석함으로써 영점 조정 각도를 동일하게 적용할 수 있다.

Fig. 3 Tool composition for bending process analysis

Fig. 4 Stress Strain Curve of SUS316L

Fig. 5 Determination of the initial compensation angle

정확한 각도의 벤딩을 수행하기 위해 영점 조정 각도 18.12˚를 적용한 후, 스프링백 발생량을 예측하였다. 스프링백 해석을 위한 경계조건은 자동 강체 제거(Automatic rigid body removal) 조건을 사용하였다. 해석 결과의 대표 사례로 90˚ 벤딩 후, 스프링백 전과 후의 변형량을 Fig. 6에 나타내었다.

Fig. 6 Deformation amount before and after springback

벤딩 각도별 보정량 분석 결과를 살펴보면, 15° 벤딩시 1.46°, 30° 벤딩시 1.67°, 45° 벤딩시 1.79°, 60°벤딩시 2.21°, 75° 벤딩시 2.45°, 90° 벤딩시 2.89°,105° 벤딩시 3.2°, 120° 벤딩시 3.43°, 135° 벤딩시 3.92°, 150° 벤딩시 4.1°, 165° 벤딩시 4.56°, 180° 벤딩시 4.6°로 Fig. 7과 같은 분포를 나타냄을 예측할 수 있다. 이로부터 튜브 벤딩 스프링백 보정각 모델은 y = ax + b 형태의 선형으로 나타낼 수 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 7 Analysis of compensation angles for bending

2.3 물성비교를 위한 튜브 인장시험 및 시험물성치 적용 해석 수행, 추세선 도출

보다 정확한 추세선 도출을 위해 SUS316L 1.5t(튜브 외경 Φ15)에 대한 튜브 인장시험을 진행하였다. 인장시험은 KS B 0801의 규격에 따라 11호 시험편을 사용하였으며, 그 결과는 Fig. 8과 같다. 튜브 인장시험 결과 물성치를 이용하여 벤딩 공정 및 스프링백 해석을 수행하였다. 기저 포머의 지름은 Φ100, 벤딩각에 따라 12가지의 경우로 해석을 수행하였으며 초기 보정각 18.12° 적용 후, 벤딩각에 따른 스프링백 보정각은 Fig. 9와 같다.

Fig. 8(a) Tube tensile test for property comparison

Fig. 8(b) Stress Strain Curve of Tube tensile test

Fig. 9 Analysis of compensation angle for bending angles according to tube tensile test results

Fig. 7 해석 결과에서의 추세선 기울기 0.0206과 비교하여 볼 때, 튜브 인장시험 결과를 적용한 보정각 추세선 기울기 0.0205와 매우 유사함을 확인할 수 있다. 이는 벤딩각에 따른 보정각의 증가량이 판재 물성치와 튜브 물성치가 유사함을 의미한다. 그러나 보정각의 y절편 값의 차이는 0.33°로 판재 물성치와 약간의 차이가 있는데 이는 Seamless Pipe 제조시 생긴 물성의 변화로 판단할 수 있으며 이후 해석에서는 튜브 인장시험 결과를 사용하였다.

도출된 추세선으로부터 튜브 벤딩 스프링백 보정각모델은 y = ax + b 형태의 선형으로 나타낼 수 있음을 알 수 있고, 튜브 종류에 대한 벤딩 각도별 스프링백 예측 및 보정각을 구하기 위해 15°, 60°, 90°,120° 등 4개의 벤딩 각도를 선정하였다. 튜브의 종류는 최근 사용되고 있는 D사의 파이프 현황 자료 및 개발 요청에 의해 기저 포머 지름 Φ200에 대한 외경 Φ15, Φ16, Φ19.05, Φ20 등 4종과 기저 포머지름 Φ100에 대한 외경 Φ8, Φ9.5, Φ12, Φ12.7, Φ15, Φ16의 6종이며, 튜브의 재료 두께는 1.5t로 고정하였다. 다음 Fig. 10은 SUS316L 1.5t, 기저 포머 Φ100, 외경 Φ15에 대한 벤딩각과 보정각의 관계인 예측 추세선 그래프이고 Table 1에 튜브 종류에 따른 벤딩각과 보정각의 관계 전체를 정리하였다. 벤딩각과 보정각의 추세선 비교를 통해 튜브의 외경이 커질수록 Fig. 11과 같이 추세선 기울기는 작아짐을 확인할 수 있었다.

Fig. 10 Compensation angle trend lines of SUS316L 1.5t, base former Φ100, outer diameter Φ15

Fig. 11 (a) Distribution of trend line slope for base former Φ200

Fig. 11 (b) Distribution of trend line slope for base former Φ100

Table 1 Comparison of trend lines between bending angle and compensation angle

3. 스캐닝을 통한 실제품 벤딩각 측정 비교

해석 결과와 보정각을 적용하여 벤딩한 튜브와의 벤딩각 비교를 위해 실제 시생산한 벤딩 튜브를 스캔하여 벤딩각을 정량적으로 분석하였다. 본 연구에 사용된 3차원 스캐너는 레이저 방식의 LC50 Laser scanning probe이며, 측정정밀도는 10㎛ 이하이다. 가장 많이 사용되는 SUS316L 1.5t, 튜브 외경 Φ15, 기저 포머 지름 Φ100인 튜브를 해석에서 도출한 보정값을 적용하여, 90° 및 180° 벤딩을 수행하였다.그리고 3차원 스캐닝을 통해 실제 벤딩각을 측정하여 해석 결과와 비교하였다. 3차원 스캐닝 작업 및 Noise 제거 후, 역설계 프로그램을 이용하여 영역 분할을 수행하였다. 객관적이고 정확한 벤딩각 측정을 위해 스캐닝한 데이터를 활용하여 실린더를 생성하고 그 중심축을 이용하여 Fig. 12와 같이 벤딩각을 측정하였다. 90° 벤딩인 경우, 추세선에 의한 각도 보정값 2.54°를 적용하면, 벤딩 후 89.81°의 벤딩각을 예측하는데, 실제 벤딩 튜브 벤딩각은 90.16°로 0.35° 차이를 보였다(Fig. 13).

Fig. 12 Scanning and Cylinder creation

Fig. 13 Bending angle measurement after scanning

Table 2를 보면 180° 벤딩인 경우, 추세선에 의한 4.39° 각도 보정을 적용할 때 벤딩각을 179.75°로 예측하며, 실제 벤딩 튜브의 벤딩각은 180.21°로 0.46° 차이를 보여, 그 차이가 적음을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서 도출한 보정각 추세선은 현장에서 유용하게 사용할 수 있을 것이다.

Table 2 Comparison of Bending angle

4. 결론

대형 선박 및 해양 플랜트 배관 작업에서 전동식 튜브 벤더로 SUS316L 튜브를 벤딩할 때 발생하는 스프링백에 의한 각도 편차량을 예측하여 보정하기 위해 벤딩 각도 보정 추세선을 도출하고자 본 연구를 수행하였으며 다음의 결론을 도출하였다.

(1) 벤딩 프로세스 상에서 모터의 전류에 의해 결정되는 벤딩각도 0°를 구현하기 위해 해석상에서 초기 벤딩각도 영점 조정을 수행하였으며, 스프링백 보정각 결정을 위하여 벤딩 공정 및 스프링백 해석을 수행하였고 공정별 성형 조건을 도출하였다.

(2) SUS316L 1.5t, 외경이 Φ15인 튜브를 선정하여 12개의 튜브 벤딩 각도를 기반으로 스프링백에 대한 보정각 모델을 개발하였으며, y = ax + b 형태의 선형으로 나타남을 확인할 수 있었다.

(3) 보다 정밀하고 신뢰성 있는 보정각 추세선 도출을 위해 상용 프로그램에서 제공하는 판재 물성치를 단순 사용하지 않고 실제 현장에서 사용되는 튜브의 물성치를 구하기 위해 튜브 인장시험을 진행하였다. 튜브 인장시험 결과 물성치를 이용하여, 하나의 튜브 조건에서 4개의 벤딩 각도만으로 모든 각도의 보정각 예측이 가능한 추세선을 도출하였다.

(4) 본 연구에서 선택한 튜브 벤더의 기저 포머지름 2가지와 튜브의 외경 10가지, 재료 1.5t는 최근 사용되고 있는 D사의 파이프 현황 자료 및 개발 요청으로 선정되었으며, 튜브 종류에 따른 벤딩각과 보정각의 추세선 비교를 통해 튜브의 외경이 커질수록 추세선 기울기는 작아짐을 확인할 수 있었다.

(5) 보정각 추세선 도출의 신뢰성 검증을 위하여 SUS316L 1.5t, 튜브 외경 Φ15, 기저 포머 지름 Φ100에 대해 해석에서 도출한 보정값을 적용하여 90° 및 180° 튜브 벤딩을 수행하였다. 예측한 벤딩각과 3차원 스캐너를 통해 측정한 실제 튜브의 벤딩각을비교한 결과, 그 차이가 0.46° 이하로 미미함을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 도출한 보정각 추세선을 튜브 벤딩에 적용하면, 스프링백 복원량의 정량화 예측이 가능할 것으로 기대된다.

후기

이 논문은 2018학년도 대구대학교 연구년 결과물로 제출되었습니다.