타원형 다단 딥 드로잉 제품의 성형성 향상을 위한 초기 소재 형상 최적 설계

Abstract

다단계 딥 드로잉(multi-stage deep drawing)은 산업현장에서 대형의 금속 제품 뿐만 아니라 소형의 제품에 까지 많은 제품으로 확대되고 있는 제조 공정 중 하나이다. 예를 들어, 스마트 폰에 사용되는 USB-C형 소켓은 매우 작고, 정밀하며 세장비가 큰 부품이며, 이 제품은 타원형 다단계 딥드로잉 방법으로 제조된다. 다단계 딥 드로잉에 최종 제품의 두께 분포를 보장하기 위해서 다단계 딥드로잉 전체 공정에서 제품의 두께 분포가 균일하게 유지되어야 한다. 따라서 첫 번째 드로잉 작업 후에 타원형 제품의 장변과 단변쪽 측벽의 높이 차를 최소화하는 것은 최종 제품의 균일한 두께를 보장하는 가장 중요한 공정 설계 인자이다. 본 연구에서는 첫 번째 드로잉 공정 후 소재가 균일한 높이를 지속적으로 유지될 수 있도록 하기 위해서 유한요소해석을 기반으로 초기의 타원형 소재 형상 결정에 대한 최적 설계를 수행하였다. 최적 설계된 초기 블랭크 형상으로 성형된 제품의 경우 전체 균일한 두께 분포를 가질 뿐만 아니라 드로잉 후 제품의 장변과 단변의 높이 단차가 최소화 되었다. 최종적으로 최적 설계로 예측된 초기 소재 형상은 실제 실험 결과와 비교하여 검증되었고, 매우 양호한 결과의 일치를 보여주었다. Multi-stage deep drawing is a widely used industrial manufacturing process, and its applications are gradually expanding to both small products and large metallic products. The USB C-type socket used in smart phones, for example, is manufactured using oval multi-stage deep drawing. The socket is very small and slender and it requires precise manufacturing. The thickness distribution of the final product is guaranteed only if it is uniform throughout the overall process. Therefore, minimizing the height difference between long and short sidewalls after the first operation is important for this goal. An initial blank optimization was performed for an oval-type drawing process based on finite element simulations. The goal was to determine an initial blank geometry that can maintain uniform height and thickness after the first draw operation. The initial blank shape of the sheet metal was optimized, and the results show that it satisfied the conditions of minimal thickness reduction and even thickness distribution. The geometry from the optimized simulation was compared with experimental results, which showed good agreement.