초소형 나사 단조공정 및 전조공정의 유한요소해석 :Finite element analysis for the forging and thread rolling processes of subminiature screws

이지은

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이지은 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 박근

발행연도: 2015

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (6)

2016

나사산 형상에 따른 초소형 나사 전조공정의 성형특성 고찰

이지은 , 김종봉 , 박근 외 1명 대한기계학회 논문집 A권 2016.11 학술저널

2015

초소형 비대칭 나사 전조공정의 유한요소해석

이지은 , 박근 , 나승우 미세가공 심포지엄 2015.11 학술대회자료

유한요소해석을 사용한 나사산 전조공정의 성형성 연구

이지은 , 박근 , 김종봉 외 1명 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2015.05 학술대회자료

초소형 나사 단조공정 및 전조공정의 유한요소해석

이지은 기계설계로봇공학과 2015.01 학위논문

2014

초소형 나사 단조공정의 유한요소해석

이지은 , 김종봉 , 박근 외 1명 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2014.10 학술대회자료

2013

초소형 나사 전조성형 공정의 유한요소해석

이지은 , 박근 , 나승우 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2013.10 학술대회자료

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체결부품의 한 부분인 나사는 제품을 조립할 때 사용되는 것으로 다양한 분야에 사용되기 때문에 적용산업이 매우 광범위하다. 그 예로 정보통신, 차세대 디스플레이, 컴퓨터 산업, 반도체, 로봇 및 첨단 의료기기 분야 등에서 사용된다. 최근 IT 전자제품 분야가 발전함에 따라, 제품의 소형화, 경량화 및 슬림화가 요구되는 추세이다. 이에 따른 추세로 현재 스마트폰과 스마트워치 같은 경우 두께가 초기 생산보다 50% 감소하면서 체결부품인 나사의 크기와 개수를 줄여야 하는 상황에 직면하였다. 초소형 나사를 제조할 경우 제품에 대한 불량을 최소화하여 재료소비 및 비용을 절감해야 한다. 나사를 제조하는 방법으로는 단조공정을 통해 나사 머리부를 성형하고, 나사산을 제조하는 방법으로는 머시닝을 이용한 절삭공법과 소성변형을 이용한 전조공법이 있다. 초소형 나사의 경우 매우 작으므로 소성변형을 이용한 단조공정 및 전조공정을 적용하여 나사를 제조해야 한다. 초소형이기 때문에 불량을 줄일 수 있고 생산성을 향상시킬 수 있는 기술개발 연구가 필요하다.
본 연구에서는 초소형으로 나사로 분류되는 M1.0급 나사를 대상으로 연구를 진행하였다. 나사의 머리부를 성형하는 단조공정은 다단공정으로 업세팅 후 비트를 성형하는 해딩단조로 진행되지만, 초소형 나사의 경우 업세팅 공정을 제외하고 바로 비트부와 머리를 성형하는 해딩단조로 단일공정을 적용하여 유한요소해석을 진행하였다. 펀치설계를 위한 비트부의 반경과 각도변경에 따른 나사 머리부의 형상을 비교하여 최적화된 설계변수를 도출하였다. 나사산을 제조하는 전조공정은 금형간격을 적용하여 유한요소해석을 수행하였으며, 금형간격에 따른 성형성을 분석하여 KS규격에 명시된 나사 외경범위에 만족하면서, 생산성을 향상할 수 있는 전조공정을 제시하였다. 또한, 체결력에서 우수한 평가를 받은 비대칭 나사의 전조공정에 대한 유한요소해석을 수행하여 성형시 불량발생을 방지할 수 있는 금형배치를 제시하였고, KS규격에는 아직 명시되어 있지 않지만 대칭나사와 비슷한 외경범위를 만족할 수 있는 공정설계를 제시하였다.

Recent trends to reduce the size of mobile electronics products have driven miniaturization of various components, including screw parts for assembling components. The size reduction of screws causes degeneration of their joining capabilities as well as requires severe processing conditions in their manufacturing processes. This study concerns manufacturing of a subminiature screw of which outer diameter and thread pitch are 1.0 and 0.25 mm, respectively. The initial billet is prepared as a thin wire of which diameter is 0.82 mm, and is manufactured into the screw shape through a series of forming processes: (i) head forging and (ii) thread rolling.
In the head forging process, the screw head has to be formed into 1.7 mm diameter and 0.5 mm thickness, which corresponds to high forging ratio considering that the initial billet diameter is only 0.82 mm, less than half of the final diameter. Due to this severe forming condition, folding defects were observed both in the inner bit region and outer circumferential surface. Finite element (FE) analysis was performed to simulate the forging process of the subminiature screw, from which it could be found that this severe forging condition leaded to a generation of folding defects. FE analyses were further performed to find appropriate punch design parameters that minimize the amount of folding defects.
In the thread rolling process, a set of rolling dies were fabricated by micro-grooving machining, to contain a number of inclined threads on their surfaces. FE analyses were also performed for the thread rolling process, and the effects of various design parameters, such as dies gap, their relative position, and rolling stroke, were investigated in terms of the forming characteristics. This FE analysis for the thread rolling process was further extended to the rolling of asymmetric screw threads, from which an appropriate die design could be suggested to avoid mismatching defects in screw threads.
Based on the proposed applications of FE analyses to the head forming and thread rolling process, the corresponding design parameters and forming conditions could be determined. These results could be successfully reflected on the industrial forming processes, from which M1.0xP0.25 subminiature screws could be manufactured without any forming defects.

I. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 연구 현황 3
3. 연구 목적 및 내용 6
II. 초소형 나사 단조공정 7
1. 초소형 나사 단조공정 개요 7
2. 단조공정의 유한요소해석 10
3. 성형불량 개선을 위한 설계변경 12
1) 펀치금형 비트부 각도(θ)에 따른 성형특성 12
2) 펀치금형 반경(r)에 따른 성형특성 13
3) 결함의 정량적 고찰 15
4. 결함을 개선하기위한 펀치설계 최적화 17
5. 최적조건결과 20
III. 초소형 나사의 전조공정 23
1. 초소형 나사 전조공정 개요 23
2. M1.0 나사 전조공정의 유한요소해석 28
1) 금형간격에 따른 성형특성 28
3. 최적조건결과 34
IV. 초소형 비대칭나사의 전조공정 36
1. 비대칭나사 개요 36
2. M1.0 비대칭나사 전조공정의 유한요소해석 37
1) 이동부 고정부 금형배치에 따른 성형특성 37
2) 금형간격에 따른 성형특성 40
V. 결 론 47
참고문헌 49
영문초록(Abstract) 52
감사의 글 54
연구실적 56

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