단조기술/ 형단조품에 3차원 CAD/CAM시스템의 적용
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
형단조품에 3차원 CAD/CAM시스템의 적용
1.서언
형단조품은 금속의 단련효과에 따른 높은 강도신뢰성에 의해, 자동차산업을 비롯해 폭넓게 기계부품의 소재로서 사용되고 있다. 크랭크샤프트, 코넥팅로드 등은 그 대표적인 것이다.
형단조는 통상고온고압하에서의 열간소성변형에 의한 것으로, 거기에 사용되는 금형은, 제품 의 품질, 생산활동, 제조코스트를 크게 좌우한다.

이들 금형의 설계에서는, 제품형상을 기초로 소재의 형내에서 충만을 용이하게 하고, 또한 형마모, 형크랭크의 발생을 방지하여, 금형수명을 충분히 확보한다는 등의 목적에서, 금형형 조면에는 곡면에 많이 사용되고 있다.

또 면과 면의 이음부등도 형상변화의 매끄러움이 요 구되어, 실제로는 3차원곡면의 집합체로 되어있어, 지금까지는 경험적, 감각적으로 형상이 정해지고 있었다. 한편, 금형가공에 있어서도, 수작업한 모델을 모방하는 가공방식이 주류를 차지해오고 있었다.

그러나 근년에 와서, 품질향상, 납기단축, 코스트다운등 강한 니이드에 응하기위해, 또 내부 사정으로 숙련자의 만성적인 부족해소를 꾀할 목적으로, 3차원 CAD/CAM시스템을 도입한 설계작업 및 금형가공의 합리화가 도모되고 있다.

2.CAD/CAM화의 목적
CAD/CAM시스템도입의 목적은 제1표에 나타나듯이
①설계계산업무의 효율화
②제도작업에서의 반복, 단순작업으로부터의 해방
③제도작업속도 및 작도정도의 한계타파
④형조가공작업에 있어서 NC 가공화
그것에 따른 가공정도향상, 공정생략에 따른 리드타임단축 등이고, 또 표준화촉진 등의 정성적 효과도 크게 기대한 것이다.
CAD: Computer Aided Design
컴퓨터지원에 의한 설계제도 업무
CAM: Computer Aided Manufacturing
컴퓨터지원에 의한 NC가공용데이터작성업무(본래는, 컴퓨터지원생산(기계가공)



3.CAD/CAM시스템의 개요
시스템의 개요 및 하드웨어구성을 제1그림에 나타낸다. 어플리케이션스프트에는, 형타, 거입, 착출, 핫포마등의 각종단조성형방식별로 제품도. 금형도의 파라메트릭자동작도용, 공정형상. 소재설계용, 체적. 중량계산용, 중심해석용, 단면석도작도용(제품의 길이방향에 있어서 볼륨 변화의 도시)의 각 프로그램을 포함하고 있다.

또 금형의 응력해석, 열전도해석등의 기술해석용 소프트도 탑재하여, 설계정도레벨업을 꾀하 고 있다.
어플리케이션 소프트의 개발에는, 컴퓨터프로그램 작성경험이 적은, 설계자라도 용 이하게 프로그램을 작성할 수 있도록, 전용의 간이언어를 이용하고 있다. (제2그림)

4.형단조품 및 금형의 설계, 제작에 있어서 CAD/CAM화 상황
설계 및 금형제작에 있어서의 CAD/CAM시스템의 적용에 대하여, 그 개요를 제3그림에 나 타낸다. 형단조품은 다수의 곡면으로 구성되어있고, 그 형상의 도면표시는 추상적인 언어에 의존하는 경우가 많다.

예를들면 [이 사이에서 어떤 R로 매끄럽게 변화시킬 것], [굴국부 는 매끄럽게 처리할것]등. 이같은 도형정보를 컴퓨터로 취급하는 경우, 정량적인 수치로 바 꿔놓을 필요가 있다. 또, 컴퓨터에의, 이 종류형상의 정보입력업무는 대단히 시간이 걸리는 것으로, 형단조에 있어서 CAD/CAM화가 늦어진 이유이다.

따라서, 이들업무의 효유로하를 도모하기위한 어플리케이션 소프트의 개발이 필요하다.
CAD/CAM화가 설계, 가공의 표준화촉진으로 이어지기도 한다. 아래에 어플리케이션소프트 의 내용과 CAD/CAM이용상황에 대하여, 공정순으로 설명해둔다.

[1]단조제품설계
고객가공도를 기초로 기계가공대를 기여함과 동시에, 형단조의 용이함을 배려한 발구배, 둥 근면과 곡면과의 교선으로 작도형상선이 정해지기 때문에, 3차원을 취급할 수 있는 CAD소 프트가 필수이다.
형단품의 형상은 다종다양하여, 일률적인 자동화프로그램은, 그 개발에 팽대한 공수를 요한 다.

당사에서는 형상을 요소분할하고, 요소형상마다 미니프로그램을 작성하여, 그것들을 편 성해서 한제품의 형상을 설계하는 방식을 채용하고 있다. 이들 프로그램은 전부 파라메트릭 프로그램(치수치입력만으로 크기가 가변한다)이다. 주기문, 특수기호등 공통의 것이 패턴화 하고 있다.

이들의 프로그램, 패턴은, 설계용 터브렛보드에 짜넣어 용이하게 이용할 수 있도록 하고 있 다. 형상설계, 제도용이외에도 중량계산, 소재설계, 예비성형형상설계용의 프로그램이 개발되 고 있다.


[2]마무리금형설계
형할선에서 분할된 상형, 하형단위에 오그라듦대, 변형대 등을 고려한 금형형조형상을 제품 도형상의 데이터를 이용해서 설계한다. 제품도의 경우와 같이, 3차원 CAD기능이 큰 전력이 되고 있다.

[3]각종해석
앞의 제품. 금형설계에서는 형성선만으로 괜찮지만, 체적. 중심해석, 동. 정바란스해석, 금형 온도해석, 응력해석 등에는, 입체형상이 필요하다.(제4그림)
입체형상은 면모델(주1)로 작성한다. 이 면모델은, 형상에 구멍뚫림(미소미작성면), 피렛면 (면과 면을 잇는 등, 둥그스름한 면)작성후 여분면(주2), 혹은 면과 면의 겹침부분이 있어서 는 안된다.
크랭크샤프트의 동. 정바람스해석결과는, 단조품형상의 양부판단에 이용된다. 이 시뮬레이션 에 의해, 크랭크샤프트의 단조품형상의 설계품질이 레벨업해 간다.

[4]예비성형금형설계
예비성형형상의 결정은, 현상에서는 이론적으로 이끄는 방식의 것으로 실용적인 것은 없고, 경험적으로 형상을 정하고 있는 것이 실정이다.
당사에서는, 그 형상검토를 용이하게 하는 도구로서의 프로그램(단면선도 작성프로그램 등) 을 개발하여 사용하고 있다.
이상의 공정을 거쳐, CAM업무에 들어간다.


[5]NC가공용 데이터 작성준비
NC가공용 데이터의 작성에는, 금형가공용의 면모델이 필요하다. 여기서의 면모델작성은, 사 용하는 공구의 형상을 가공면에 살린다든가, 동일형상부는 기작성도를 복사함에 따라, 작성 작업을 생략, 간략화하고 있다.
또, 전술제품모델작성작업에서의 불용면제거, 면겹침해소라는 작업은 하지않아도 된다. 그래도 CAM업무중에서는, 가장 시간이 걸리는 작업이다.


[6]NC가공용데이터작성
NC가공용데이터는, 면모델의 정보를 기초로해서 가공공구에의 궤적(공구선단부, 또는 선단 R중심)이 CL데이터(커터로케이션)로서 작성된다.(제6그림). 이 CL데이터에, 각도, 속도, 경로 등의 공구진입, 탈출 조검 및 회전수, 송출속도 등의 절삭조건을 부여하는 편집작업을 행하 는 NC데이터가 만들어진다.
NC데이터의 NC가공기에의 입력은, 현상에서는 대상NC기대수 를고려하여, DNC(CAM과 가공기를 회선으로 직접 연결해서 행하는 다이렉트 NC가공방법) 가 아닌, 프로피디스크를 끼워 실행하고 있다.

(주1)입체형상의 표현방법에는, 와이어모델, 서페스모델, 소리드모델의 3방법이 있다. 예를들 면 제등을 이메지해서 설명하면, 제등을 대오리로 표현한 것이 와이어모델이고, 그것에 종이 를 바른 형태가 서페스모델, 그 속이 찬 형태가 소리드모델이라 할 수 있다.
실제가공에서는 소재는 블록이고, 상기 NC데이터외에 황가공용의 NC데이터가 필요하다. 일 반적으로는, 황가공용 NC데이터작성에는 황가공면이라는 것이 필요하다. 황가공에서는 공구 의 간섭(오버컷, 치수의 금형에의 접촉등)의 회피확인도 중요한 업무가 된다.
당사에서는, 특별한 방식을 개발하여, 황가공용입체 형상을 만드는 일 없이, 또한 공구간섭 이 발생하지않는 황가공데이터의 효율좋은 작성에 이용하고 있다.

5.CAD/CAM화의 메리트
지금까지 CAD/CAM의 이용상황에 대하여 설명해왔는데, 그 메리트에 대해 정리하면 아래 와 같다.
5.1 금형가공업무의 개선... NC, 모델레스가공의 실현
(1)방가공용 모델제작(함판게이지작성)의 폐지
(2)금형가공정도, 재현정도의 향상 등에 의해, 금형제작리드타임은 약2/3로, 또 금형총소요공 수도 2/3이 되었다. 가공작업에 있어서는, 숙련작업자에의 의존도경감과도 관계가 있다. 5.2 설계업무의 개선.. 효율화, 레벨업
제품설계, 금형설계에 있어서 표준을 집어넣은 프로그램군의 활용, 해석업무의 컴퓨터화등에 의해 설계공수는, 30~70%의 삭감이 가능해졌다.

5.3 그밖의 메리트
각종도면은 형상지시의 애매함이 제거되고, 또한 프롯터화되어 이해하기 쉬운 것으로 되어, 오독방지, 내용 문의에 감소에 도움을 주고 있다.

6. 앞으로의 과제
CAD/CAM화의 메리트에 대해서는 전술한바와 같지만, CAD/CAM은, 아직은 큰 가능성을 감춘 존재이다. 아래에 그 충실해야할 내용에 대하여 서술한다.
[1]CAD/CAM기능의 고레벨화, 조작용이화
(1)프로그램개발의 용이화
(2)CAD기능
면모델작성-곡면트리밍, 브랜드면작성
(3)CAM기능
공구간섭자동체크(가우지체크)와, 그 자동보정 복수면일괄가공 형조 NC데이터 요. 철반전기 능

[2]설계노하우의 정량화, 레벨업
(1)설계노하우의 정량화
(2)CAE기법활용
3차원소성변형시뮬레이션
(3)Al 엑스퍼트기법이용
정량화하기 어려운 노하우를 대상으로, 숙련자의 노하우를 컴퓨터내에 축적하여, 미숙련자라 도 술력자못지않은 설계, 판단이 가능하다고 한다.

[3]이 시스템간의 기술정보전달
(1)도형형상으로서, 3차원까지 가능하게 한다. 리드타임 단축, 설계문의 등의 로스감소.

[4]그외
(1)하드웨어시스템
고속화, 저렴화
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