다구찌법을 활용한 헤딩공정설계 최적화 연구

A study on the cold heading process design optimization by taguchi method

본 연구에서는 냉간 헤딩 공정에서 성형하중과 펀치 금형의 마모 감소를 통한 펀치 수명 증대를 위해 헤딩용 펀치 형상 최적설계를 수행하였다. 기존 생산에 사용되는 냉간 헤딩 펀치와 성형공정에 대한 유한요소해석 시뮬레이션을 통해 성형하중과 유동 특성 분석, 펀치금형에 집중되는 유효응력 및 마모량에 대하여 분석하였으며, 이를 통해 금형 마모와 밀접한 주요 설계인자를 확인하였다. 펀치금형의 최적설계 변수로서는 펀치 금형 포인트각(Point angle), 에지 반경값(Corner radius), 펀치소재재종(die material type), 마찰계수(friction coefficient) 등의 4가지 변수를 대상으로 4인자 3수준 인자 및 변수 수준을 설정하고, 성형해석 시뮬레이션과 다구찌법을 활용하여 설계인자별 영향도를 분석하여 최적의 최적설계 인자를 결정하였다. 본 연구를 통해 얻어진 최적설계변수를 적용하여 냉간 헤딩용 펀치 최적설계 시뮬레이션 결과, 각 펀치에 발생하는 최대유효응력은 최대 8.9 % 감소 효과를, 최대 펀치 마모 깊이는 37 % 감소 효과를, 성형하중은 평균 20% 수준 의 감소효과를 얻을 수 있었다. 현재, 소성 성형제품군이 적용되는 자동차, 건설 플랜트사에서 요구되는 고품질에 대응하면서도 적정 제조원가 절감을 위한 성형성 개선을 위한 성형공정개발 및 금형설계의 최적화가 지속적으로 필요하며, 향후 연구 결과를 현업에 적용하여 제품 성형성 개선 및 금형수명 증대 관리를 위한 기술자료로 활용하고자 한다.

This paper describes the finite element analysis and die design change of cold heading punching process to increase the cold forging tool life and reduce the tool wear and stress concentration. Through this study, the optimization of punch tool design has been studied by an analysis of tool stress and wear distribution to improve the tool life. Plastic deformation analysis was carried out in order to understand the cold heading process between tool and workpiece stress distribution. Cold heading punch die design was set up to each process with different four types analysis progressing, the cold heading punch dies shapes with combination of point angle and punch edge corner radius shapes of cold forging dies, punch die material properties and frictional coefficient. The design parameters of point angle and corner radius of punch die geometry, die material properties and frictional coefficient were selected to apply optimization with the DoE (design of experiment) and Taguchi method. DoE and Taguchi method was performed to optimize the cold heading punch die design parameters optimization for bolt head cold forging process, it was possible to expect an reduce the cold heading punch die wear to the 37 % compared with current using cold heading punch in the shop floor.