A Study on Urethane Pad Blanking Process of Bellows Diaphragm for Hydrogen Compressor

수소압축기용 벨로우즈 다이아프램의 우레탄 금형 전단공정 연구

Abstract

The development of a next-generation hydrogen compressor, a key component in the expansion of hydrogen charging infrastructure, is in progress. In order to improve compression efficiency and durability, it is important to optimize the precision forming and shearing processes of the diaphragm, which is the bellows unit cell, as well as the optimization of diaphragm shape itself. In this study, we aim to show that die and process design technology that can synchronize the inner and outer shearing points of the diaphragm for the precision forming of product can be constructed based on a numerical simulation. First, the damage model that can predict the fracture points will be determined using the shear load and shear zone measurements obtained by performing a blanking test of AISI-633 stainless steel. Next, we will explain the overall procedure based on numerical analysis model how to determine the shearing points according to the deformation pattern of urethane die for various shearing die design.

1. 서론

최근 탄소중립의 일환인 수소경제 활성화 및 이의 조기 실현을 위한 수소충전 인프라의 확충이 요구되고 있으며 수소충전 인프라 중에서도 수소압축기는 수소 충전 인프라의 충전 효율과 내구성능을 좌우하는 가장 핵심적인 장비로 여겨지고 있다. 현재 운영 중인 국산 및 외산 수소압축기들은 높지 않은 압축효율과 구성부품의 내구성 부족으로 인한 잦은 고장으로 수소충전소의 원활한 운용에 장애가 되고 있어 개선이 시급한 실정이다.

현재 기존의 수소압축기의 주류를 이루고 있는 피스톤 및 다이아프램 방식 압축기의 단점들을 획기적으로 개선하기 위해 기존 두 가지 형식의 압축기들의 장점을 극대화한 차세대 압축기의 개발이 진행되고 있다.

개발 중인 압축기는 용접 벨로우즈의 압축과 팽창을 활용하여 수소를 압축하는 원리로 작동하는데 벨로우즈의 효율과 내구수명은 내부와 외부의 다이아프램 형상과 이들의 용접 완성도에 좌우되며 이를 위해 정밀성형과 전단 공정을 통해 최적화 설계된 다이아프램(diaphragm)의 형상 구현이 요구된다.

본 연구에서는 개발 중인 수소압축기의 핵심 구성품인 용접 벨로우즈의 단위셀인 박판 다이아프램의 우레탄패드 전단성형에 관해 기술하고자 한다.

Fig. 1 Schematic of bellows(Koken Co.) and welded diaphragm

2. 전단시험 및 임계 데미지값 결정

2.1 벨로우즈 단위셀 전단공정

용접형 금속 벨로우즈는 일정한 패턴을 갖는 단위셀(diaphragm)의 내외경을 연속적으로 용접하여 만든 주름관 형태의 정밀 기계부품이다[1, 2]. 벨로우즈를 이루는 단위셀인 다이어프램은 금속박판을 스탬핑(stamping) 가공과 전단(shearing) 가공을 동시에 수행하여 제작하게 되는데, 우레탄 금형의 적용은 몇가지 장점을 지니게 된다. 판재 성형시 우레탄 금형은 일반 금형에 비해 금형이 한쪽만 필요하여 금형 제작 비용을 줄일 수 있고, 제품 표면에 공구 흔적이 생기지 않고 우수한 표면상태를 유지할 수 있다[3]. 우레탄 금형을 이용한 단위셀 제작에서는 우레탄 패드와 판재, 금형이 완전 밀착되어 성형이 완료된 후에 전단이 일어나야 하는 것과 단위셀의 내경부와 외경부에서의 전단이 동시에 일어나 성형품의 변형이 없도록 하는 것이 중요하다. 이러한 공정상의 요구조건을 만족하기 위해서는 수치해석적 접근이 필요하며, 우레탄 금형을 이용한 전단 공정을 수치적으로 모사하기 위해서는 우레탄 패드의 변형특성에 대한 이해가 중요하고, 판재는 파단을 예측하기 위한 데미지(damage) 모델의 결정이 중요하다.

본 연구에서는 벨로우즈 내외부 전단시점을 동기화할 수 있는 금형 및 공정설계기술을 수치모델기반으로 구축 가능함을 보이고자 한다. 우선 판재의 블랭킹 시험을 수행하여 구한 전단하중과 전단면 측정 결과를 이용하여 파단시점을 예측할 수 있는 데미지 모델을 결정하고, 전단금형 설계안에 따른 우레탄 금형의 변형양상과 그에 따른 벨로우즈 단위셀의 전단시점을 예측하는 일련의 해석 과정을 설명하고자 한다.

Fig. 2 Blanking test for measuring shear zone

Fig. 3 Shear zone in blanking test

2.2 전단시험

판재의 전단 특성의 기초 데이터를 확보하기 위해서 판재 블랭킹(blanking) 시험을 진행하였다. 판재의 재질은 고강도 스테인리스 계열인 AISI-633 (ULBRICH of California 사, Alloy350^TM)이고, 시험 판재는 60 x 60 mm, 두께는 150 ㎛이다. 펀치 직경은 10 mm, 펀치와 다이의 간극(clearance)는 편측 12 ㎛로 두께대비 8 % 수준이고, 홀더하중은 300 kgf 이상 부여하였다. 블랭킹 시험은 Instron 68FM-100 장비에 금형을 안착시켜 수행하였고, 전단면 측정은 금속현미경(Axio Observer. D1m)을 이용하여 측정하였다.

블랭킹 시험 결과, 최대 전단하중은 383~402 kgf로 계측되었으며, 전단면 측정 결과는 롤 오버(roll over) 22 ㎛, 전단면(shear zone) 72 ㎛, 파단면(rupture zone) 56 ㎛로 측정되었다.

Table 1 Max. blanking force in the test

2.3 임계 데미지값 결정

소재의 전단시점 예측을 위한 데미지 모델은 소성변형일이 임계 데미지 값(critical damage value, Dcr)에 도달하면 파괴가 발생된다고 가정하는, 단순하면서도 널리 활용되는 연성파괴 모델중 하나인 Normalized Cockcroft-Latham모델을 선정하였다[4-6].

\(\begin{align}D=\int_{0}^{\varepsilon_{f}}\left(\frac{\sigma^{*}}{\bar{\sigma}}\right) d \bar{\varepsilon}\end{align}\)       (1)

여기서, σ*는 최대 주응력, \(\begin{align}\bar{\sigma}\end{align}\)는 유효 응력, \(\begin{align}\bar{\varepsilon}\end{align}\)는 유효 변형률, ε_f은 파단시 유효 변형률이며, D는 데미지 값으로서, 인장응력에 의해 발생한 변형률의 누적을 나타낸다.

본 연구에서는 블랭킹 시험을 통한 소재의 전단면과 임계 데미지 값을 변수로 수행한 전단 해석의 전단면을 비교하여, AISI-633의 임계 데미지 값을 도출하였다. 전단 해석은 소성가공 전용 해석 프로그램인 DEFORM^TM을 사용하였다. 전단시험 해석모델은 Fig. 4와 같으며, 시험에서는 사각형 판재를 사용했지만 전단이 국부영역에만 일어남에 따라 2차원 축대칭 해석 모델을 구성하였다.

Fig. 4 FE analysis model for predicting critical value

펀치와 다이사이에서는 큰 변형이 집중되는 전단 밴드가 형성될 것이므로, 해당 부위에는 상대적으로 작은 2 μm 수준의 격자를 구성하였다. 판재(blank)는 탄소성체, 금형은 강체로 정의하였고, 마찰계수는 쿨롱 마찰계수 0.1을 부여하였다[4]. 금형 크기 및 다이 간극은 블랭킹 시험 조건와 동일하게 모델링하였다. 한편, 전단 공정중 요소에서의 데미지가 임계 데미지 값에 도달하면 파괴가 일어난 것으로 간주하여 요소를 삭제하도록 처리하였다.

2.4 전단시험 비교용 해석 결과

전단해석에 사용된 AISI-633 판재의 물성은 인장시험에서 얻어진 유동응력 선도를 이용하였다. AISI-633의 조성은 Table 2에 나타내었다. 인장시험에 사용된 시편은 판재의 두께가 얇아 ASTM 규격의 적용이 불가하여 Fig. 5와 같이 사용하였고, 시험은 상온에서 인장속도 5 mm/min.으로 수행하였다.

Table 2 Chemical composition of AISI-633(Wt. %)

Fig. 5 Dimension of specimen for tensile test

전단시험에서 최대 전단하중은 383~402 kgf 수준을 보이나, 인장시험 물성을 적용한 전단해석에서는 최대 전단하중이 약 339 kgf로, 14 % 낮은 것으로 예측되었다. 그에 따라 마찰계수에 따른 영향을 분석해본 결과, 마찰계수가 증가함에 따라 최대 전단하중이 증가하고 전단면의 측정치가 동시에 변화하는 것으로 예측되었고, 특히 마찰계수에 따라 가장 큰 영향을 미치는 전단면 측정치는 롤 오버이며 마찰 계수 0.1 일 때 시험치와 가장 근접한 수치를 예측할 수 있었다. 따라서 마찰계수는 0.1로 고정하고, 낮은 전단하중을 보완하기 위해 유동응력 선도를 보정하는 것으로 결정하였다. 진응력은 단면 변화가 일정한 것으로 가정하기 때문에 보통 네킹이후의 진응력은 보정이 필요하므로 네킹이후의 가공경화 기울기를 수정하는 방법을 사용하였고, Fig. 6와 같이 기존 진응력 수준 대비 약 5 % 증가되도록 기울기를 보정했을 때 시험결과와 유사한 수준의 전단하중을 예측할 수 있었다.

Table 3 Mechanical properties of AISI-633

Fig. 6 Flow Stress-Stran curve of AISI-633

마찰계수 및 물성이 보정된 전단시험 비교용 해석 모델을 이용하여 임계 데미지값에 따른 전단해석을 수행한 결과, 임계 데미지값이 변화했을 때 최대 전단하중의 변화없이 전단면의 측정치가 변화하는 것으로 예측되어 시험결과와 일치하는 임계데미지값을 결정할 수 있었다.

임계 데미지 값이 3.5일 때 전단이 완료된 후 데미지 분포를 Fig. 7에 나타내었다. 임계 데미지값에 도달한 요소들이 삭제되어 파괴가 일어남을 보여주고 있고, 요소들의 파괴 진행을 보면 하부 다이 코너에서 가장 먼저 요소가 제거되어 펀치의 코너부쪽으로 이동되는 것을 알 수 있다.

Fig. 7 Results of blanking simulation at Dcr=3.5

임계 데미지 값을 변수로 수행한 전단 해석의 전단면은 하부 다이 코너에 있는 요소가 임계 데미지 값에 도달하면 파괴가 시작되는 것으로 간주하여 해당 시점에서의 롤 오버, 전단면, 파단면 길이를 측정하였다(Fig. 8). 임계 데미지 값에 따른 해석결과를 Table 4에 나타내었으며, 임계 데미지 값이 3.5 일 때, 롤 오버 22.4 ㎛, 전단면 73 ㎛, 파단면 54.6 ㎛로 블랭킹 시험과 가장 유사한 결과를 보여 주었다.

Fig. 8 Measuring the shear zone when damage reaches critical value(Dcr)

Table 4 Results of blanking simulation according to the critical damage value

3. 우레탄 금형 적용 전단해석

3.1 해석 모델

우레탄 금형을 적용한 전단해석 모델은 2차원 축대칭으로 가정하였다. 우레탄 금형의 형태는 Fig. 9과 같이 우레탄이 홀더 금형에 의해 구속되어 판재의 상면에 위치해 있고, 홀더를 하강시켜 판재의 하부에 위치한 금형에 의해서 성형이 이루어지도록 구성되어 있다. 전단금형은 쐐기형의 홈을 가진 금형으로 구성되어 있고, 설계 변수인 금형 사이거리(Gap Distance)에 따른 전단 특성을 분석하였다. 금형 사이거리는 1.5 ~ 2.5 mm 범위에서 변화를 주었다.

Fig. 9 Shearing analysis model with urethane die

우레탄은 C.U.E사의 쇼어 경도 94A인 PO-652 제품이며, 물성은 시험규격 ISO 527-5A에 의한 인장시험을 수행하였고, 해석에 사용된 유동응력 선도와 물성치를 Fig. 10, Table 5에 나타내었다. 일반적으로 우레탄 거동을 모사하기 위하여 초탄성 모델인 Mooney-Rivlin 등을 사용하고 있으나, 전단공정에서 우레탄 금형은 변형상태가 지속되면서 고 하중으로 판재를 전단변형 시켜야함으로 해석 모델에서 우레탄 금형은 탄소성체로 정의하였으며, 비압축성 거동을 표현하기 위해 포아송비(Poisson’s ratio)를 0.4997[8]로 0.5에 가깝게 가정하였다. AISI-633 판재는 전단시험 비교용 해석과 동일한 물성을 사용하였으며, 임계 데미지 값은 3.5로 정의하였고 임계값에 도달한 요소는 삭제하도록 설정하였다. 우레탄 금형과 판재의 마찰계수는 0.2를, 판재와 금형의 마찰계수는 0.1을 부여하였다[7].

Fig. 10 Flow stress-strain curve of urethane

Table 5 Mechanical properties of urethane

3.2 해석 결과

우레탄 금형이 전단금형의 쐐기형 홈으로 밀려나오면서 AISI-633 판재를 변형시켰고, 직각 모서리 부근에서 전단이 이루어지는 것으로 예측되었다. Fig. 11은 금형 사이거리에 따른 수직방향 변위를 나타낸 것으로, 금형 사이거리가 감소함에 따라 변위가 감소하는 것으로 나타났다. Fig. 12는 금형 사이거리가 2.5 mm일 때 홀더 스트로크에 따른 데미지 변화를 나타낸 것으로, 공정 초기에는 판재가 쐐기형 홈으로 변형됨에 따라 굽힘이 일어나 우레탄 금형과 접촉되는 상부 표면에 데미지가 상승하는 것을 볼 수 있다. 홀더 스트로크 0.1 mm 이후부터는 하부 금형 코너부에도 데미지가 집중되기 시작하였으며 임계 데미지 값이 3.5에 도달하는 스트로크 0.113 mm에서는 판재 단면 전체에 전단밴드가 형성됨을 알 수 있다. 금형 사이거리에 따른 홀더의 하중-스트로크 선도를 Fig. 13에 나타내었다. 금형 사이거리가 감소함에 따라 하중은 금형 사이거리 2.5 mm를 기준으로 각각 18 %, 50 % 증가하였고, 스트로크는 각각 16 %, 27 % 감소하는 것으로 나타났다. 결과적으로 금형 사이거리가 감소하면 짧은 스트로크에 파단이 일어남을 알 수 있다.

Fig. 11 Comparison of Z-Displacement according to gap distance

Fig. 12 Variation of damage distribution according to holder stroke

Fig. 13 Comparison of holder load according to gap distance

Fig. 14은 우레탄 금형이 적용된 벨로우즈 단위셀 성형 금형을 나타낸 것으로, 단위셀의 피치(pithch) 만큼 금형이 기울어져 가공됨에 따라 내경부와 외경부의 전단부 변형 시점에 차이가 발생할 수 있음을 보여준다. 이러한 전단시점의 차이는 성형품의 변형을 가져오게 되므로, 내경과 외경에서 전단시점을 동기화하도록 전단 금형의 설계가 이루어져야 하며, 구체적인 설계에 수치해석 모델이 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

Fig. 14 Bellows diaphragm forming die

4. 결론

본 연구에서는 벨로우즈 내외경부 전단시점을 동기화할 수 있는 전단 금형 설계기술을 수치모델기반으로 구축 가능함을 보이고자 하였다. 대상 판재의 블랭킹 시험과 수치해석을 비교하여 파단시점을 예측할 수 있는 임계 데미지 값을 결정하였고, 이를 반영한 우레탄 금형 적용 전단해석에서 전단 금형의 설계변수에 따른 벨로우즈 단위셀의 전단시점 변화 양상을 정량적으로 나타내었다.

(1) 블랭킹 시험을 통한 소재의 전단면과, 임계 데미지 값을 변수로 수행한 전단 해석의 전단면을 비교하여 임계 데미지 값이 3.5일 때 가장 잘 일치하는 결과를 얻었다.

(2) 우레탄 금형 적용 전단해석을 통해, 전단금형 설계변수인 금형 사이거리가 감소함에 따라 짧은 스트로크에서 파단이 일어남을 알 수 있었다. 이러한 결과를 벨로우즈 단위셀 성형공정에 적용하면 내경과 외경에서 전단이 동시에 발생하도록 전단금형 형상의 구체적인 설계에 수치해석 모델을 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

후기

이 논문은 2023년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구입니다. 연구번호 20223030040180, 과제명 :차세대 고압(1,000기압) 수소 압축기 개발