실제 기반의 스마트 냉간단조 금형 수명주기 관리 시스템 개발

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13297(2022) 이 기사 인용

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냉간 단조 금형은 높은 압력 하중을 견디기 위해 열박음 공정을 거쳐 제작되지만, 반복되는 압축 응력으로 인해 결국 피로 파괴가 발생합니다. 피로파괴까지의 수명주기를 한계수명으로 정의하고, 유한요소법을 기반으로 금형수명을 예측하려는 시도가 이루어졌다. 그러나 통제할 수 없는 환경변수로 인해 정확한 예측은 불가능했다. 결과적으로, 금형 교체주기를 명확하게 결정할 수 없으며, 이는 품질 저하, 생산 지연, 비용 증가 등의 부정적인 결과를 초래합니다. 금형수명예측에 영향을 미치는 다양한 환경요인은 금형수명을 결정하는 중요한 변수인 성형하중의 증감을 초래한다. 본 연구에서는 피에조 센서를 기반으로 단조설비에서 발생하는 하중 데이터를 모니터링하는 시스템을 개발하였다. 또한, 실시간 측정된 성형하중 데이터를 이용하여 금형 수명주기를 보다 정확하게 예측하고, 금형 교체 주기를 판단할 수 있는 금형 수명 관리 시스템을 자동차 조향부품 생산라인에 적용하였다.

현대사회의 제조업은 재료비, 인건비 등 제조원가의 과도한 증가, 급격한 수요변동, 과도한 설비투자, 생산자원의 과잉1으로 인해 다양한 문제에 직면하고 있습니다. 특히, 탄소 배출 규제가 강화됨에 따라2, 최종 제품에 요구되는 사양은 제조 공정3의 개선 및 혁신과 함께 다양하게 변화하고 있습니다. 자동차의 연비를 향상시키기 위해서는 모든 부품의 경량화가 필요합니다4. 동시에, 제조 공정에서 비환경적 요인을 배제해야 합니다. 이에 따라 제조업은 친환경성과 고품질, 저비용을 동시에 달성해야 하는 과제에 직면하게 되었습니다. 이러한 상황을 극복하기 위해 저비용 생산구조 구축, 자동화 공정 확대 등 다양한 시도를 통해 제조공정의 효율성을 높이려는 노력이 이루어지고 있다. 이러한 흐름은 독일에서 시작된 4차 산업혁명의 물결로 이어지며, 제조업의 패러다임 전환을 가속화하고 있습니다. 제조업 부문의 혁신은 공정 데이터를 중심으로 한 초연결을 말하며, 빅데이터 분석 및 활용, 사물인터넷(IoT), 중독성 제조, 시뮬레이션, 수평 및 수직 통합 시스템6을 포함합니다.

본 연구에서는 제조혁신을 위한 패러다임 전환의 일환으로 자동차 조향부품 제조과정의 데이터를 수집하였다. 이를 바탕으로 단조금형의 수명을 보다 정확하게 예측하였다. 또한, 작업자가 금형 교체 주기를 모니터링하여 제조 공정의 효율성을 극대화하고자 했습니다. 그림 1의 볼 스터드는 자동차의 조향 장치 중 하나인 아우터 볼 조인트(OBJ)에 연결되어 다양한 방향으로의 이동성을 확보하는 역할을 한다.

스티어링 시스템의 볼 스터드 부품7,8,9,10.

볼 스터드는 다단계 냉간 단조 공정을 통해 제조되며, 이 공정에서는 벌크 재료를 밀폐된 공간에서 여러 번 압축하여 최종 제품을 형성합니다. 단조 작업은 펀치와 다이 사이에서 압축된 원료의 소성 변형을 통해 부품을 형성하는 작업으로 구성됩니다11. 특히 냉간단조 공정은 상온에서 소재를 변형시켜 고강도와 높은 형상 정밀도를 확보할 수 있다12. 이 과정에서 다이는 반복적으로 높은 압축 하중을 받고 다이 재료는 피로 한계에 도달하여 손상됩니다13. 이는 생산성 감소, 다이 파손 및 교체로 인한 불량률 증가 등 공정 비용 증가14를 초래합니다. 냉간단조 금형의 수명을 예측하고 공정비용을 절감하기 위한 연구가 진행되어 왔다. 냉간 단조 금형의 수명을 예측하는 가장 일반적인 방법은 FEM을 사용하는 것입니다. 그러나 이러한 방법은 한계 수명을 정량적으로 예측하지 못하며 정성적 분석에 머물러 있습니다13,15. 한편, 단조금형의 파손은 피로균열에 의한 것이라는 관점에서 수행된 연구도 있다14,16,17. Tanrıkulu는 냉간 단조 금형 재료의 피로 한계를 계산하고 수치 시뮬레이션을 통해 금형에 작용하는 응력 값을 기반으로 금형의 한계 수명을 예측하는 경험식을 제시했습니다. 또한, 냉간단조 금형의 수명을 예측하기 위한 유사한 연구가 계속되고 있다19,20,21,22,23.