KR20230006308A - Sysyem and methods for mold life prediction - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금형수명 예측 시스템 및 예측 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a mold life prediction system and prediction method.
산업 전반에서 널리 사용되는 냉간단조 공정은 상온에서 공구를 이용하여 재료를 압축 변형시켜 성형하는 방법으로, 고강도 및 높은 형상 정밀도를 확보할 수 있다. 이 때, 밀폐 공간에서 소재변형을 유도하여 매우 높은 성형하중이 발생하게 되므로 다단으로 성형을 하게 된다. The cold forging process, which is widely used throughout the industry, is a method of forming by compressing and deforming a material using a tool at room temperature, and can secure high strength and high shape precision. At this time, since material deformation is induced in the closed space and a very high molding load is generated, molding is performed in multiple stages.
따라서, 냉간 단조품의 성형공정은 최종 형상에 따라 3~7단으로 설계되며, 이에 사용되는 금형비용은 제조원가의 약 30%에 해당할 정도로 제품생산에 큰 비중을 차지한다. Therefore, the forming process of cold forged products is designed in 3 to 7 steps depending on the final shape, and the mold cost used for this takes up a large portion of product production, equivalent to about 30% of the manufacturing cost.
특히, 단조금형은 높은 압축하중이 반복적으로 작용하여 금형의 피로에 의한 파손이 일어나 생산성 감소, 불량률 상승 등 공정비용의 상승으로 연결된다. In particular, the forging mold is repeatedly subjected to a high compressive load, resulting in damage due to fatigue of the mold, leading to a decrease in productivity and an increase in defect rate.
실제 제조현장에서는 작업자의 경험에 의해 금형수명을 관리하고 있으나, 작업환경에 따른 변수가 많아 금형의 한계수명이 예측하기 어려운 문제점이 있다. 반면, 금형수명을 보수적으로 관리하게 되면 금형수명을 한계치까지 사용하지 못하여 더 많은 금형을 사용하게 되어 생산비 증가를 막을 수 없게 된다. In actual manufacturing sites, mold life is managed by the experience of the operator, but there are many variables depending on the working environment, so it is difficult to predict the limit life of the mold. On the other hand, if the mold life span is managed conservatively, the mold life span cannot be used up to the limit, and more molds are used, which makes it impossible to prevent an increase in production cost.
금형의 한계수명이 예측가능해지면 금형이 파손되기 전까지 사용한 후 교체할 수 있으므로, 공정비용을 절약할 수 있고, 제품의 불량 발생을 줄일 수 있다.If the lifespan of the mold is predictable, the mold can be used until it is damaged and then replaced, so the process cost can be saved and the occurrence of product defects can be reduced.
이를 위해 유한요소해석을 통해 공정별 성형하중을 예측하고 특정 공정에 하중이 집중되지 않도록 성형하중 분산설계를 적용하고 있으며, 피로이론에 근거하여 금형수명을 정량적으로 예측하여 제조원가 절감을 실현하고 있다.To this end, finite element analysis is used to predict the molding load for each process, apply a molding load distribution design so that the load is not concentrated in a specific process, and reduce manufacturing costs by quantitatively predicting mold life based on fatigue theory.
종래에는 금형수명의 정량적 예측 과정에서 금형에 작용하는 최대 주응력을 이상적인 값으로 가정해왔다. 그러나, 실제 작업환경에서는 금형의 정렬, 소재물성의 산포, 마찰조건의 변화 등으로 인해 성형하중이 유동적으로 변할 수 있다. 이러한 작업환경의 변수가 금형수명 예측 과정에서 고려되지 못하여 실제 금형수명과 예측된 금형수명의 오차가 크다는 문제점이 있다. Conventionally, the maximum principal stress acting on the mold has been assumed as an ideal value in the process of quantitatively predicting mold life. However, in an actual working environment, the molding load may change flexibly due to alignment of molds, dispersion of material properties, and changes in friction conditions. There is a problem that the error between the actual mold life and the predicted mold life is large because the variables of the working environment are not considered in the mold life prediction process.
또한, 금형수명의 예측은 성형공정의 해석이 수행되므로 비전문가의 활용이 어려워 실제 현장에 적용이 어려운 문제점이 있다.In addition, since the mold life prediction is performed through the analysis of the molding process, it is difficult for non-experts to apply it to the actual field.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 실제 금형수명과 예측된 금형수명의 오차를 줄여 보다 정확한 금형수명 예측 결과를 제공하기 위해 실제 작업환경의 변수를 고려할 수 있는 금형수명 예측 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.The present invention was devised in view of the above points, and a mold life prediction system that can consider variables in the actual working environment in order to provide more accurate mold life prediction results by reducing the error between actual mold life and predicted mold life, and We want to provide a way.
또한, 본 발명은 다단 냉간단조 공정에 이용되는 복수의 금형들의 한계수명을 개별적으로 관리할 수 있는 금형수명 예측 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a mold life prediction system and method capable of individually managing the limit life of a plurality of molds used in the multi-stage cold forging process.
또한, 본 발명은 비전문가도 활용할 수 있는 금형수명 예측 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a mold life prediction system and method that can be utilized even by non-experts.
본 발명의 일 측면에 따르면, 냉간단조 공정에 사용되는 금형의 한계수명을 예측하기 위한 시스템으로서, 상기 금형에 설치되어 상기 금형에 가해지는 성형하중을 감지하는 제 1 감지부; 및 상기 제 1 감지부에 의해 감지된 상기 성형하중에 관한 데이터를 수집하여 상기 금형의 공정횟수와 상기 성형하중에 관한 제 1 데이터를 생성하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제 1 데이터를 이용하여 상기 금형의 응력을 해석함으로써 상기 금형의 공정횟수와 상기 금형의 최대 주응력에 관한 제 2 데이터를 산출하고, 상기 제 2 데이터와 상기 금형의 재료에 대응되는 피로선도를 이용하여 상기 금형의 공정횟수와 금형수명에 관한 제 3 데이터을 산출하고, 상기 제 3 데이터를 이용하여 상기 금형의 한계수명을 예측하는, 금형수명 예측 시스템이 제공된다.According to one aspect of the present invention, a system for predicting the limit life of a mold used in a cold forging process, a first sensing unit installed in the mold to detect a molding load applied to the mold; and a control unit configured to collect data on the molding load detected by the first sensing unit and generate first data on the number of processes of the mold and the molding load, wherein the control unit determines the first data Second data on the number of processes of the mold and the maximum principal stress of the mold are calculated by analyzing the stress of the mold using the second data and the fatigue diagram corresponding to the material of the mold to calculate the process of the mold A mold life prediction system is provided that calculates third data regarding the number of times and mold life, and predicts the limit life of the mold using the third data.
이 때, 상기 제 2 데이터는 최대 주응력 예측 모델을 이용하여 산출될 수 있다. In this case, the second data may be calculated using a maximum principal stress prediction model.
이 때, 상기 최대 주응력 예측 모델은 수학식 1을 포함하되, 상기 수학식 1의 제 1 상수() 및 제 2 상수()는 상기 냉간단조 공정 및 상기 금형의 특성에 따라 결정되고, 상기 최대 주응력()은 상기 제 1 상수, 상기 제 2 상수 및 상기 성형하중()에 관한 상기 수학식 1에 의해 정의될 수 있다.At this time, the maximum principal stress prediction model includes
[수학식 1][Equation 1]
이 때, 상기 금형의 한계수명은 수학식 2 및 3을 이용하여 예측되고, 손상계수()는 공정횟수() 및 상기 최대 주응력과 상기 피로선도에 의해 결정되는 금형수명()에 관한 상기 수학식 2에 의해 정의되고, 상기 금형의 한계수명은 누적손상계수()가 1이 되는 공정횟수로 정의될 수 있다.At this time, the limit life of the mold is predicted using Equations 2 and 3, and the damage coefficient ( ) is the number of processes ( ) and the mold life determined by the maximum principal stress and the fatigue diagram ( ) is defined by Equation 2 above, and the limit life of the mold is the cumulative damage coefficient ( ) can be defined as the number of processes that become 1.
[수학식 2][Equation 2]
[수학식 3][Equation 3]
이 때, 상기 제 1 감지부는 피에조 센서를 포함할 수 있다.In this case, the first sensing unit may include a piezo sensor.
이 때, 상기 제어부는 상기 금형 또는 상기 제 1 감지부의 특성을 고려하여 산출되는 오차를 보정한 상기 제 1 데이터를 이용할 수 있다.At this time, the control unit may use the first data obtained by correcting an error calculated in consideration of characteristics of the mold or the first sensing unit.
이 때, 상기 금형에 설치되어 상기 금형에 가해지는 성형하중을 감지하는 제 2 감지부를 포함하고, 상기 보정은 상기 제 1 감지부에 의해 감지된 성형하중과 상기 제 2 감지부에 의해 감지된 성형하중의 차이가 최소가 되도록 교정하여 이루어질 수 있다.At this time, a second sensor is installed on the mold to detect a molding load applied to the mold, and the correction is performed by the molding load sensed by the first detector and the molding load sensed by the second detector. This can be done by calibrating so that the difference in load is minimal.
이 때, 상기 제 2 감지부는 교정 로드셀을 포함할 수 있다.In this case, the second sensing unit may include a calibrated load cell.
이 때, 상기 냉간단조 공정은 복수의 금형을 포함하는 다단 공정으로 이루어지고, 상기 제 1 감지부는 상기 복수의 금형마다 각각 개별적으로 설치되며, 상기 제어부는 상기 복수의 금형마다 각각 개별적으로 상기 한계수명을 예측할 수 있다.At this time, the cold forging process is made of a multi-stage process including a plurality of molds, the first sensing unit is individually installed for each of the plurality of molds, and the control unit is individually installed for each of the plurality of molds. can predict
이 때, 상기 제 2 데이터는 상기 복수의 금형마다 각각 개별적으로 최대 주응력 예측 모델을 이용하여 산출될 수 있다.In this case, the second data may be individually calculated using a maximum principal stress prediction model for each of the plurality of molds.
이 때, 상기 한계수명의 예측결과를 사용자에게 출력하는 디스플레이부를 포함할 수 있다.At this time, it may include a display unit for outputting the prediction result of the limit life to the user.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 냉간단조 공정에 이용되는 금형의 한계수명을 예측하는 방법으로서, 상기 금형에 가해지는 성형하중에 관한 데이터를 수집하는 단계; 상기 금형의 사용횟수와 상기 성형하중에 관한 제 1 데이터를 생성하는 단계; 상기 제 1 데이터를 이용하여 상기 금형의 사용횟수와 상기 금형의 최대 주응력에 관한 제 2 데이터를 산출하는 단계; 상기 제 2 데이터와 상기 금형의 재료에 대응되는 피로선도를 이용하여 상기 금형의 사용횟수와 금형수명에 관한 제 3 데이터을 산출하는 단계; 및 상기 제 3 데이터를 이용하여 상기 금형의 한계수명을 예측하는 단계를 포함하는, 금형수명 예측 방법이 제공된다.On the other hand, according to another aspect of the present invention, as a method of predicting the life limit of the mold used in the cold forging process, collecting data on the molding load applied to the mold; generating first data about the number of uses of the mold and the molding load; Calculating second data about the number of uses of the mold and the maximum principal stress of the mold using the first data; Calculating third data about the number of times of use of the mold and the lifespan of the mold using the second data and a fatigue curve corresponding to the material of the mold; and estimating a limit lifespan of the mold using the third data.
이 때, 상기 제 2 데이터는 최대 주응력 예측 모델을 이용하여 산출될 수 있다.In this case, the second data may be calculated using a maximum principal stress prediction model.
이 때, 상기 최대 주응력 예측 모델은 수학식 1을 포함하되, 상기 수학식 1의 제 1 상수() 및 제 2 상수()는 상기 냉간단조 공정 및 금형의 특성에 따라 결정되고, 상기 최대 주응력()은 상기 제 1 상수, 상기 제 2 상수 및 상기 성형하중()에 관한 상기 수학식 1에 의해 정의될 수 있다.At this time, the maximum principal stress prediction model includes
[수학식 1][Equation 1]
이 때, 상기 금형의 한계수명은 수학식 2 및 3을 이용하여 예측되고, 손상계수()는 공정횟수() 및 상기 최대 주응력과 상기 피로선도에 의해 결정되는 금형수명()에 관한 상기 수학식 2에 의해 정의되고, 상기 금형의 한계수명은 누적손상계수()가 1이 되는 공정횟수로 정의될 수 있다.At this time, the limit life of the mold is predicted using Equations 2 and 3, and the damage coefficient ( ) is the number of processes ( ) and the mold life determined by the maximum principal stress and the fatigue diagram ( ) is defined by Equation 2 above, and the limit life of the mold is the cumulative damage coefficient ( ) can be defined as the number of processes that become 1.
[수학식 2][Equation 2]
[수학식 3][Equation 3]
이 때, 상기 냉간단조 공정은 복수의 금형을 포함하는 다단 공정으로 이루어지고, 상기 제 1 데이터를 생성하는 단계에서는, 상기 복수의 금형마다 각각 개별적으로 상기 제 1 데이터를 생성하며, 상기 한계수명을 예측하는 단계에서는, 상기 복수의 금형마다 각각 개별적으로 상기 한계수명을 예측할 수 있다.At this time, the cold forging process is made of a multi-stage process including a plurality of molds, and in the step of generating the first data, the first data is individually generated for each of the plurality of molds, and the limit life In the predicting step, the limit life may be predicted individually for each of the plurality of molds.
이 때, 상기 한계수명의 예측결과를 사용자에게 디스플레이하는 단계를 포함할 수 있다.At this time, the step of displaying the predicted result of the limit life to the user may be included.
본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템 및 방법은 공정횟수에 따라 실시간으로 금형에 가해지는 성형하중에 관한 데이터를 수집 및 이용하여 금형의 응력을 해석하고, 그 결과에 따라 산출되는 데이터를 이용함으로써, 금형이 사용되는 실제 작업환경의 변수가 고려된 보다 정확한 금형수명을 예측할 수 있다.The mold life prediction system and method according to an embodiment of the present invention analyzes the stress of the mold by collecting and using data on the molding load applied to the mold in real time according to the number of processes, and the data calculated according to the result By using it, it is possible to more accurately predict the mold lifespan considering the variables of the actual working environment in which the mold is used.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템 및 방법은 다단 냉간단조 공정에 이용되는 복수의 금형마다 각각 개별적으로 성형하중을 감지하고, 복수의 금형마다 개별적으로 한계수명을 예측하여, 복수의 금형들의 한계수명을 개별적으로 관리할 수 있다.In addition, the mold life prediction system and method according to an embodiment of the present invention individually detects the molding load for each of a plurality of molds used in the multi-stage cold forging process, predicts the limit life individually for each of the plurality of molds, and The lifespan of the molds can be individually managed.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템 및 방법은 금형수명의 예측 과정을 알고리즘화하여 자동으로 금형수명 예측함으로써, 비전문가도 활용할 수 있는 금형수명 예측 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.In addition, the mold life prediction system and method according to an embodiment of the present invention can provide a mold life prediction system and method that can be utilized even by non-experts by automatically predicting mold life by algorithmizing the mold life prediction process.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 모니터링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 모니터링 시스템의 각 구성을 블록 형태로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템의 제어부가 제 1 감지부에 의해 감지된 성형하중에 관한 데이터를 수집하여 생성한 금형의 공정횟수와 금형의 성형하중에 관한 데이터를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템의 제어부가 이용하는 최대 주응력 예측 모델의 제 1 상수 및 제 2 상수를 도출하는데 이용되는 데이터를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템의 제어부가 금형의 공정횟수와 금형의 성형하중에 관한 데이터를 이용하여 금형의 응력을 해석함으로써 산출한 금형의 공정횟수와 금형의 최대 주응력에 관한 데이터를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템의 제어부가 금형의 공정횟수와 금형의 최대 주응력에 관한 데이터와 금형의 재료에 대응되는 피로선도를 이용하여 산출한 금형의 공정횟수와 금형수명에 관한 데이터를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부가 금형의 공정횟수와 금형수명에 관한 데이터를 이용하여 금형의 한계수명을 예측한 결과를 나타낸다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.1 is a diagram schematically showing a mold life monitoring system according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram showing each component of a mold life monitoring system according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the number of processes of the mold and data on the molding load of the mold generated by the control unit of the mold life prediction system according to an embodiment of the present invention by collecting data on the molding load detected by the first sensing unit. .
4 shows data used to derive a first constant and a second constant of a maximum principal stress prediction model used by a control unit of a mold life prediction system according to an embodiment of the present invention.
5 is the number of processes of the mold and the maximum principal stress of the mold calculated by the control unit of the mold life prediction system according to an embodiment of the present invention by analyzing the stress of the mold using the number of processes of the mold and data related to the molding load of the mold represents data about
6 is the number of mold processes and the mold calculated by the control unit of the mold life prediction system according to an embodiment of the present invention using the data on the number of mold processes and the maximum principal stress of the mold and the fatigue diagram corresponding to the material of the mold Indicates data about life.
7 shows a result of predicting the limit lifespan of a mold by a control unit according to an embodiment of the present invention using data on the number of processes and mold lifespan of the mold.
8 is a flowchart illustrating each step of a mold life prediction method according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다. 또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. This invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are added to the same or similar components throughout the specification. In addition, the size or shape of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this specification, terms such as "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
본 개시의 일부 실시예는 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들의 일부 또는 전부는, 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 기능 블록들은 하나 이상의 마이크로프로세서들에 의해 구현되거나, 소정의 기능을 위한 회로 구성들에 의해 구현될 수 있다. 또한, 예를 들어, 본 개시의 기능 블록들은 다양한 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능 블록들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 개시는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단” 및 “구성”등과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다.Some embodiments of the present disclosure may be represented as functional block structures and various processing steps. Some or all of these functional blocks may be implemented as a varying number of hardware and/or software components that perform specific functions. For example, functional blocks of the present disclosure may be implemented by one or more microprocessors or circuit configurations for a predetermined function. Also, for example, the functional blocks of this disclosure may be implemented in various programming or scripting languages. Functional blocks may be implemented as an algorithm running on one or more processors. In addition, the present disclosure may employ prior art for electronic environment setting, signal processing, and/or data processing. Terms such as “mechanism”, “element”, “means” and “composition” may be used broadly and are not limited to mechanical and physical components.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)의 각 구성을 블록 형태로 도시한 도면이다. 1 is a diagram schematically showing a mold
본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)은 전문가에 의하지 않으면서도, 실제 작업 환경에서 금형(20)의 한계수명에 영향을 미칠 수 있는 다양한 변수들이 고려된 금형(20)의 한계수명을 예측할 수 있는 시스템으로서, 예를 들어 소프트웨어 모듈, 하드웨어 모듈, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. The mold
본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)은 냉간단조 공정에 적용될 수 있다. 여기서 냉간단조 공정이란 상온에서 재료를 금형(20) 사이에 두고 압축함으로써 재료에 소성변형을 발생시켜 성형하는 가공법을 의미할 수 있다. 이 때, 가공되는 재료가 금속일 경우에는 재료가 되는 금속의 재결정 온도 이하에서 전술한 가공이 이루어지는 공정을 의미할 수 있다. The mold
냉간단조 공정은 금형(20) 사이에 재료를 두고 하중을 가하여 변형하는 과정이 반복적으로 수행되므로, 금형(20)에는 성형하중이 반복적으로 가해질 수 있다. 이 때, 금형(20)에 가해지는 성형하중에 의해 작용하는 응력이 항복응력(Yield Stress)보다 작더라도, 금형(20)에 피로파괴(Fatigue fracture)가 발생할 수 있다. In the cold forging process, since a process of placing a material between the
여기서, 항복응력이란 금형(20)에 소성변형이 발생하는 응력을 의미하며, 피로파괴란 금형(20)에 항복응력보다 작은 응력이 반복적으로 받아 파괴되는 것을 의미한다.Here, the yield stress means stress that plastic deformation occurs in the
따라서, 냉간단조 공정에서 금형(20)의 한계수명은 금형(20)에 피로파괴가 발생할 때까지 성형하중이 가해진 횟수(또는 cycle 수)를 의미할 수 있다.Therefore, the limit life of the
그러나, 본 발명은 금형(20)에 가해지는 하중에 따른 금형(20)의 한계수명을 예측하기 위하여 금형(20)이 사용되는 다양한 공정에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 냉간단조 이외의 단조공정에서 사용되는 금형(20)의 수명을 예측하기 적용될 수 있다. However, the present invention can be applied to various processes in which the
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)은 제 1 감지부(30) 및 제어부(50)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a mold
본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)에서, 제 1 감지부(30)는 금형(20)에 설치되어 금형(20)에 가해지는 성형하중을 감지할 수 있다. 구체적으로, 피로파괴와 관련된 금형(20)의 한계수명을 예측하기 위해서는 금형(20)에 작용하는 응력을 해석하는 것이 필요한데, 이와 관련하여 제 1 감지부(30)는 전술한 응력을 해석하기 위해 필요한 기초자료인 성형하중을 감지할 수 있다.In the mold
여기서, 성형하중을 감지한다는 것은 금형(20)에 작용하는 외력의 형태나 크기를 파악하는데 이용될 수 있는 정보(이하, ‘성형하중 데이터’라 한다)를 수집하는 것을 의미할 수 있다. Here, detecting the molding load may mean collecting information (hereinafter referred to as 'forming load data') that can be used to determine the shape or size of the external force acting on the
이 때, 제 1 감지부(30)는 상술한 외력에 비례하는 출력 신호를 생성하고 이를 데이터화 하여 수집할 수 있다. 나아가 제 1 감지부(30)는 성형하중 데이터를 저장할 수 있는 소프트웨어 또는 하드웨어 모듈을 포함할 수도 있음은 물론이다. At this time, the
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 감지부(30)는 피에조 센서(piezoelectric pressure sensor)를 포함할 수 있다. 여기서 피에조 센서란, 압력에 의하여 탄성체에 발생한 변위나 변형을 압전 소자에 가하여 응력에 의해서 발생한 전압을 검출하는 동적 과정에 적합한 공지의 센서를 의미할 수 있다. 이에 의해, 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)의 제 1 감지부(30)는 측정 범위가 넓되 소형이면서도 내구성, 고감도 및 고속의 응답 성능을 확보할 수 있다.The
다만, 제 1 감지부(30)는 금형(20)에 가해지는 성형하중을 감지하기 위해, 하중에 관한 정보를 수집할 수 있는 다양한 센서를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제 1 감지부(30)는 정전용량식 압력센서(Differential Capacitive Pressure Sensor), 전위차계식 압력센서(Potentiometric Pressure Sensor) 또는 LVDT 압력센서(Linear Variable Differential Transformer) 등을 포함할 수 있다. However, in order to detect the molding load applied to the
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 감지부(30)는 금형(20)의 일측에 설치될 수 있다. 이 때, 제 1 감지부(30)는 단조공정 과정 중에 가해지는 성형하중에 의하여 손상되지 않되, 효과적으로 성형하중을 감지할 수 있는 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제 1 감지부(30)는 펀치 블록 내 웨지와 백플레이트 사이에 설치될 수 있다. Referring to FIG. 1 , the
단조공정이 이루어지는 실제 작업 환경에서는 금형정렬, 소재물성의 산포, 마찰조건의 변화 등으로 인해 금형(20)에 가해지는 성형하중이 일정하지 않으므로, 성형하중에 의해 금형(20)에 작용하는 응력은 유동적으로 변화할 수 있다. In the actual working environment where the forging process takes place, the molding load applied to the
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제 1 감지부(30)는 실제 작업 환경 하에서 금형(20)에 가해지는 성형하중을 감지할 수 있고, 후술하는 제어부(50)는 제 1 감지부(30)에 의하여 획득된 성형하중 데이터를 기반으로 응력 해석을 시행하므로, 실제 작업환경의 변수를 고려할 수 있어 보다 정확하게 금형수명을 예측할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the
이 때, 제 1 감지부(30)는 직접 하중의 영향이 작용하는 위치에 설치되는 것이 아니므로(제 1 감지부(30)가 간접적으로 성형하중을 감지하므로) 계측된 성형하중 데이터가 실제 성형하중 데이터보다 과소하게 계측될 수 있다. 이를 해소하고자, 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)은 오차가 보정된 성형하중 데이터를 이용할 수 있다. At this time, since the
오차란 금형(20) 또는 제 1 감지부(30)의 특성을 고려하여 산출될 수 있는 것으로서, 일례로, 이미 전술한 바와 같이 제 1 감지부(30)를 가압 부위가 아닌 금형(20)의 외측에 부착하여 간접적으로 성형하중 데이터를 획득함으로써 발생되는 오차 또는 금형(20)의 형상적 특성 등에 기인하여 발생될 수 있는 오차를 의미한다. 이러한 오차는 사전 실험을 통해서 미리 계측된 후, 제어부(50)에 저장되어 반영될 수 있다.The error can be calculated in consideration of the characteristics of the
보다 상세히, 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)은 금형(20)에 가해지는 하중을 2차로 감지하는 제 2 감지부(40)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 오차의 보정은 제 1 감지부(30)에 의해 감지된 성형하중과 제 2 감지부(40)에 의해 2차로 감지된 성형하중의 오차가 최소가 되도록 교정하는 과정에 의하여 이루어질 수 있다. More specifically, the mold
보다 상세히, 제 2 감지부(40)는 교정 로드셀을 포함할 수 있다. 이 때, 보정은 제 1 감지부(30)에 의해 감지된 성형하중에 관한 신호와 금형(20)에 교정 로드셀을 장착한 후 계측된 실제 하중값의 차이가 최소가 되도록 교정(calibration)하는 과정에 의하여 이루어질 수 있다. 이러한 교정은 제 1 감지부(30)에 의해 감지된 성형하중에 제어부(50)에 저장된 상기 오차를 반영하고, 이를 다시 교정 로드셀로부터 획득된 실제 하중값과 비교하여 보정하는 작업을 반복 수행함으로써 이루어질 수 있다.More specifically, the
한편, 일반적으로 냉간단조 공정은 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 금형(20 내지 26)을 포함하는 다단 공정(일 실시예의 경우, 6단 공정으로 도시됨)으로 이루어질 수 있다. 이를 고려하여, 제 1 감지부(30 내지 36) 및 제 2 감지부(40 내지 46)는 금형(20)을 구성하는 개별 금형(20 내지 26)마다 각각 개별적으로 설치될 수 있다. 이것은 각 개별 금형(20 내지 26)에 작용하는 하중이 서로 상이할 수 있으므로, 각각의 개별 금형(20 내지 26) 마다 별도로 한계수명을 예측하기 위함이다. On the other hand, in general, the cold forging process may be made of a multi-stage process (in one embodiment, shown as a 6-stage process) including a plurality of molds (20 to 26) as shown in FIG. In consideration of this, the
이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)은 각각의 금형(20 내지 26) 요소들의 한계수명을 보다 세부적으로 관리할 수 있는 장점이 있다.Through this, the mold
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)의 각 구성을 블록 형태로 도시한 도면이다. 2 is a block diagram showing each component of the mold
본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)은 제어부(50)를 포함할 수 있다. 이 때, 제어부(50)는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수 있고, 범용적인 마이크로 프로세서와 마이크로 프로세서에서 실행될 수 있는 프로그램이 저장된 메모리의 조합으로 구현될 수도 있다.The mold
제어부(50)의 입력 유닛(52)은 제 1 감지부(30)로부터 성형하중 데이터를 수신할 수 있다. 그 후, 성형하중 데이터는 입력 유닛(52)으로부터 저장 유닛(54)으로 이동되어 저장될 수 있다.The
제어부(50)의 저장 유닛(54)은 제 1 감지부(30)에 의해 감지된 성형하중에 관한 데이터를 수집하여 금형(20)의 공정횟수와 금형(20)의 성형하중에 관한 데이터(이하‘제 1 데이터’라 한다)를 생성할 수 있다. 물론, 이러한 제 1 데이터의 생성은 입력 유닛(52) 또는 연산 유닛(58)에 의해서 이루어진 후 저장 유닛(54)에 저장될 수 있음은 물론이다.The
이 때, 금형(20)의 공정횟수는 금형(20)에 성형하중이 가해진 횟수로 정의될 수 있다. 즉, 금형(20)의 공정횟수는 금형(20)의 사용횟수, 하중의 가압 횟수 또는 제조공정의 cycle수를 의미할 수 있다. At this time, the number of processes of the
다만, 금형(20)의 공정횟수는 단조공정의 특성에 따라 정의될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 제품의 성형을 위해 금형(20)에 2회의 성형하중이 연속적으로 가해지는 경우, 공정횟수 1은 2회의 연속적인 성형하중이 가해지는 것으로 정의될 수 있다. However, it goes without saying that the number of processes of the
제어부(50)의 연산 유닛(58)은 저장 유닛(54) 또는 입력 유닛(52)으로부터 제 1 데이터를 수신하고 이를 기초로 금형(20)의 응력을 해석함으로써, 금형(20)의 공정횟수와 금형(20)의 최대 주응력에 관한 데이터(이하 ‘제 2 데이터’라 한다)를 산출할 수 있다. 또한, 연산 유닛(58)에서 제 1 데이터가 생성된 경우에는 제 2 데이터의 산출을 위하여 제 1 데이터를 곧바로 이용할 수 있다. The
여기서, 응력을 해석한다는 것은 성형하중 데이터를 바탕으로 외력이 작용하는 금형(20)의 각 부분에 발생하는 응력(및 응력도)을 수학적 계산에 의해 구하는 것을 의미할 수 있다. 이러한 해석 과정은 공지의 금형(20) 응력해석 솔버(solver)을 이용하여 이루어질 수 있다. Here, analyzing the stress may mean obtaining the stress (and stress degree) generated in each part of the
또한, 이러한 응력의 해석은 최대 주응력 예측 모델 또는 실험에 의하여 확인되는 실험식을 이용하여 이루어질 수 있다. In addition, the analysis of such stress may be performed using a maximum principal stress prediction model or an empirical formula confirmed by an experiment.
제어부(50)의 연산 유닛(58)은 제 2 데이터와 금형(20)의 재료에 대응되는 피로선도를 이용하여 금형(20)의 공정횟수와 금형수명에 관한 데이터(이하 ‘제 3 데이터’라 한다)를 산출할 수 있다. The
구체적인 일례로서, 연산 유닛(58)은 제 2 데이터로부터 금형(20)의 최대 주응력값을 도출하고, 이를 금형(20)의 재료적 특성에 기반하여 도출되는 피로선도에 적용하여 금형(20)의 공정횟수에 따른 금형수명에 관한 데이터를 산출할 수 있다.As a specific example, the
이 때, 피로선도란 피로 하중에 의한 응력과 반복 횟수의 관계를 나타낸 선도를 의미한다. 이 때, 피로선도는 금형(20)의 형상, 용접 형상, 사용환경 및 응력 진폭의 종류(norminal, hot spot, notch stress) 등에 따라 달리 적용될 수 있으며, 이러한 피로선도에 관한 정보는 사용자에 의해 사전에 제어부(50)에 제공될 수 있다. At this time, the fatigue diagram means a diagram showing the relationship between the stress caused by the fatigue load and the number of repetitions. At this time, the fatigue map may be applied differently depending on the shape of the
그 후, 제어부(50)의 연산 유닛(58)은 제 3 데이터를 이용하여 금형(20)의 한계수명을 예측할 수 있다. After that, the
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 복수의 금형(20)을 포함하는 다단 냉간단조 공정의 경우, 제어부(50)는 각 개별 금형(20 내지 26) 마다 개별적으로 한계수명을 예측할 수 있다. 이것은 앞서 살펴본 바와 같이 개별 금형(20 내지 26) 마다 개별적으로 제 1 감지부(30)가 설치됨으로써 개별 금형(20 내지 26)의 성형하중 데이터가 획득될 수 있기 때문이다. In addition, according to one embodiment of the present invention, in the case of a multi-stage cold forging process including a plurality of
이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)은 복수의 금형(20 내지 26)의 교체 시점을 일괄적으로 관리하는 것이 아니라, 각 금형(20 내지 26) 마다 발생되는 하중의 차이를 고려하여 금형수명을 예측함으로써, 금형(20 내지 26)을 세부적이고 정확하게 관리할 수 있다.Through this, the mold
이하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)을 자동차 조향 장치의 부품인 볼 스터드를 제조하는 냉간단조 공정에 적용하여 상술한 제 1 데이터, 제 2 데이터 및 제 3 데이터를 이용하여 금형수명을 예측하는 방법을 보다 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 도 3 내지 도7의 데이터들은 전술한 냉간단조 공정에 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)을 적용한 결과값을 나타낼 뿐임을 미리 밝혀 둔다.Hereinafter, the mold
또한, 후술하는 금형수명 예측 시스템(10)이 한계수명을 예측하는 방법은 일 예시에 불과하며, 이 외에도 성형하중, 최대 주응력 및 금형수명에 관한 데이터들과 냉간단조 공정 및 금형(20)의 특성을 고려하여 금형(20)의 한계수명을 예측하는 다양한 방법이 이용될 수 있음을 밝혀 둔다.In addition, the method for predicting the limit life by the mold
본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)이 적용된 볼 스터드 냉간단조 제조 공정은 도 1에 도시된 바와 같이 총 6단 공정으로 이루어지며, 적용소재인 SCM435의 성형물성을 이용하여 공정해석을 수행하였다. 인장시험편 규격은 ASTM E8(sub size)에 의거하여 가공하였으며, 2mm/min의 속도로 시험을 수행하였다. 또한 압축물성 값을 얻기 위하여 높이 15mm, 직경 10mm의 시험편을 가공하여 2mm/min의 속도로 압축시험을 수행하였다.The ball stud cold forging manufacturing process to which the mold
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)의 제어부(50)가 제 1 감지부(30)에 의해 감지된 성형하중에 관한 데이터를 수집하여 생성한 금형(20)의 공정횟수와 금형(20)의 성형하중에 관한 데이터를 나타낸다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)의 제어부(50)가 이용하는 최대 주응력 예측 모델의 제 1 상수 및 제 2 상수를 도출하는데 이용되는 데이터를 나타낸다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)의 제어부(50)가 금형(20)의 공정횟수와 금형(20)의 성형하중에 관한 데이터를 이용하여 금형(20)의 응력을 해석함으로써 산출한 금형(20)의 공정횟수와 금형(20)의 최대 주응력에 관한 데이터를 나타낸다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)의 제어부(50)가 금형(20)의 공정횟수와 금형(20)의 최대 주응력에 관한 데이터와 금형(20)의 재료에 대응되는 피로선도를 이용하여 산출한 금형(20)의 공정횟수와 금형수명에 관한 데이터를 나타낸다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(50)가 금형(20)의 공정횟수와 금형수명에 관한 데이터를 이용하여 금형(20)의 한계수명을 예측한 결과를 나타낸다. 3 is a view of the
본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)의 제어부(50)는 각 공정별로 제 1 데이터를 생성할 수 있다.The
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)의 제 1 데이터는 볼 스터드 제조 냉간단조 공정의 1단계 공정과 관련하여, 수평축에 제조공정의 사이클수(Manufacturing cycle)를 나타내고, 수직축에 성형하중(Forming load)을 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 3, the first data of the mold
보다 상세히, 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 데이터에 의하여, 금형(20)에 가해진 80,000 번째의 성형하중을 제 1 감지부(30)가 감지한 결과값이 약 392kN인 것을 확인할 수 있다.More specifically, based on the first data according to an embodiment of the present invention, it can be confirmed that the result value detected by the
본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)은 각 공정별로 제 1 데이터와 하기된 수학식 1을 포함한 최대 주응력 예측 모델을 이용하여 금형(20)의 응력을 해석함으로써, 각 공정별로 금형(20)의 최대 주응력에 관한 제 2 데이터를 산출할 수 있다. The mold
[수학식 1] [Equation 1]
이 때, 수학식 1의 제 1 상수() 및 제 2 상수()는 냉간단조 공정 및 금형(20)의 특성에 따라 결정되고, 최대 주응력()은 상기 제 1 상수, 상기 제 2 상수 및 상기 성형하중()에 관한 상기 수학식 1에 의해 정의될 수 있다.At this time, the first constant of Equation 1 ( ) and the second constant ( ) is determined according to the cold forging process and the characteristics of the
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제 1 상수 및 제 2 상수는 각 공정의 제 1 데이터를 기반으로 공정해석을 수행하여 금형(20)의 최대 주응력 발생 지점의 응력 이력을 도시함으로써 결정될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the first constant and the second constant can be determined by performing process analysis based on the first data of each process and showing the stress history of the point where the maximum principal stress of the
도시된 응력 이력을 해석하면, 최대 주응력은 성형하중에 선형적으로 비례함을 확인할 수 있고, 이러한 비례 상수를 제 2 상수로 결정할 수 있다. 즉, 도 4를 참조하면, 제 2 상수는 도 4에서 최대 주응력이 0보다 큰 구간(즉, 인 구간)의 기울기를 의미할 수 있다.Analyzing the illustrated stress history, it can be confirmed that the maximum principal stress is linearly proportional to the molding load, and this proportional constant can be determined as the second constant. That is, referring to FIG. 4, the second constant is the interval in which the maximum principal stress is greater than 0 in FIG. 4 (ie, interval) may mean the slope.
금형(20)의 파손은 인장 응력이 작용하여 발생하므로, 금형수명 예측에 있어서, 압축 응력은 고려하지 않는 것이 바람직하다. 이 때, 응력 부호 규약(Sign Convention)에 의해 압축 응력은 음의 값으로 표현될 수 있고, 인장 응력은 양의 값으로 표현될 수 있다. 따라서, 최대 주응력이 0보다 작은 구간(즉, 인 구간)은 고려하지 않는 것이 바람직하다. Since breakage of the
본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템은 최대 주응력 예측 모델을 알고리즘화 하면서도 최대 주응력이 0보다 작은 구간을 고려하지 않기 위하여, 최대 주응력 예측 모델에 제 1 상수를 도입하였다. In the mold life prediction system according to an embodiment of the present invention, a first constant is introduced into the maximum principal stress prediction model in order to not consider a section in which the maximum principal stress is less than 0 while algorithmizing the maximum principal stress prediction model.
즉, 제 1 상수는 최대 주응력 발생 지점의 응력 이력에 있어서, 최대 주응력이 0보다 작은 구간(즉, 인 구간)의 결과값을 0으로 만드는 특정한 상수로 결정될 수 있다.That is, the first constant is the section where the maximum principal stress is less than 0 (ie, in the stress history at the point where the maximum principal stress occurs). interval) may be determined as a specific constant that makes the
도 4를 참조하면, 볼 스터드 제조 냉간단조 공정의 1단계 공정에서, 최대 주응력 발생 지점의 응력이 일정 성형하중 이내의 범위에서는 일정한 값을 가지고, 그 이상의 성형하중 범위에서는 성형하중에 선형적으로 비례하여 증가함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4, in the first step of the ball stud manufacturing cold forging process, the stress at the point where the maximum principal stress occurs has a constant value within a certain range of the forming load, and is linearly proportional to the forming load in the range of the forming load beyond that. It can be seen that the increase
이를 기초로, 각 공정마다 각 금형(20)의 최대 주응력 발생 지점의 응력 이력을 도시함으로써 하기의 표 1와 같은 제 1 상수 및 제 2 상수에 관한 데이터를 얻을 수 있다. 이 때, 6단계 공정은 제 2 상수를 0으로 하여, 최대 주응력을 제 1 상수로 고정하였다.Based on this, data on the first constant and the second constant as shown in Table 1 below can be obtained by showing the stress history of the point where the maximum principal stress of each
[표 1] [Table 1]
도 5를 참조하면, 상술한 최대 주응력 예측 모델을 볼 스터드 제조 냉간단조 공정의 1단계 공정의 제 1 데이터, 제 1 상수 및 제 2 상수를 적용함으로써 산출한 제 2 데이터를 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5 , the second data calculated by applying the first data, the first constant, and the second constant of the first step of the ball stud manufacturing cold forging process to the above-described maximum principal stress prediction model can be confirmed.
전술한 최대 주응력 예측 모델은 간단한 수학적 모델로 이루어져 있으므로, 이를 이용하여 제 2 데이터를 산출할 경우에는 응력해석 과정이 알고리즘 형태로 시스템에 내재될 수 있어 실제 현장에 범용적으로 적용될 수 있고, 연산이 간단하여 응력해석 과정을 고속으로 처리할 수 있다.Since the above-mentioned maximum principal stress prediction model consists of a simple mathematical model, when calculating the second data using this, the stress analysis process can be inherent in the system in the form of an algorithm, so it can be universally applied to actual sites, and the calculation It is simple and the stress analysis process can be processed at high speed.
본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)은 제 2 데이터와 금형(20)의 재료에 대응되는 피로선도를 이용하여 금형수명에 관한 제 3 데이터를 산출할 수 있다. The mold
이 때, 금형(20)의 재료에 대응되는 피로선도를 이용한다는 것은, 제 2 데이터의 최대 주응력에 의해 금형(20)의 재료가 피로파괴가 일어나는 금형수명을 피로선도를 통하여 판단하는 것을 의미할 수 있다. At this time, using the fatigue diagram corresponding to the material of the
또한, 제 3 데이터를 산출한다는 것은 피로선도를 통해 판단된 금형수명과 공정횟수를 대응시킨 데이터를 생성하는 것을 의미할 수 있다.In addition, calculating the third data may mean generating data in which the life of a mold determined through a fatigue diagram corresponds to the number of processes.
제 3 데이터를 산출하는 과정의 일 예로서, 도 5를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(50)의 연산 유닛(58)은 제 2 데이터로부터 공정횟수 1에서 최대 주응력이 1150Mpa임을 파악한 후, 피로선도 상에서 응력1150Mpa이 가해질 때의 금형수명을 판단한다. 판단된 금형수명은 약 62,000 cycle이므로, 연산 유닛(58)은 공정횟수 1을 금형수명 62,000 cycle에 대응시킨다. 이러한 판단 과정을 공정횟수 1 부터 현재 시행되고 있는 공정횟수(도 5의 경우에는 약 공정횟수 90,000)까지 반복적으로 수행함으로써, 연산 유닛(58)은 공정횟수에 따른 금형수명을 나타내는 제 3 데이터를 산출할 수 있다. As an example of the process of calculating the third data, referring to FIG. 5, the
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(50)의 연산 유닛(58)이 볼 스터드 단조공정의 1단계 공정의 제 2 데이터 및 피로선도를 이용하여 산출한 제 3 데이터를 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6, the
본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)은 금형(20)의 한계수명을 하기의 수학식 2 및 3을 이용하여 예측할 수 있다.The mold
[수학식 2] [Equation 2]
[수학식 3] [Equation 3]
이 때, 손상계수()는 공정횟수() 및 상기 최대 주응력과 상기 피로선도에 의해 결정되는 금형수명()에 관한 상기 수학식 2에 의해 정의될 수 있고, 상기 금형(20)의 한계수명은 누적손상계수()가 1이 되는 공정횟수로 정의될 수 있다. At this time, the damage coefficient ( ) is the number of processes ( ) and the mold life determined by the maximum principal stress and the fatigue diagram ( ), and the limit life of the
보다 구체적으로, 공정횟수 1()에 대응되는 금형수명()은 약 62,000 cycle이므로, 공정횟수 1에 관한 손상계수()는 1/62,000 이 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)의 연산 유닛(58)은 제 3 데이터를 기반으로 공정횟수에 대응되는 금형수명의 역수()를 공정횟수 1 부터 현재 시행되고 있는 공정횟수까지 합산하여, 누적손상계수를 계산할 수 있다.More specifically, the number of processes 1 ( ) corresponding to the mold life ( ) is about 62,000 cycles, so the damage coefficient for the number of processes 1 ( ) becomes 1/62,000. The
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)이 수학식 2 및 수학식 3을 이용하여 누적손상계수를 계산한 결과를 나타낸 데이터를 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7 , the mold
본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)을 볼 스터드 냉간단조 공정의 1단계 공정에 적용하여 누적손상계수가 '1'이 되는 공정횟수를 계산한 결과 86,269 cycle임을 확인할 수 있다. It can be confirmed that the mold
이에 따라, 본 발명에 의해 예측된 볼 스터드 냉간단조 공정의 1단계 공정에 사용되는 금형(20)의 한계수명은 86,269 cylce임을 확인할 수 있다.Accordingly, it can be confirmed that the limit life of the
전술한 금형수명 예측 시스템(10)을 볼 스터드 냉간단조 공정의 각 공정에 적용하고, 실제 금형수명을 계측하여 하기의 표 2에 나타난 데이터를 얻을 수 있다.The data shown in Table 2 below can be obtained by applying the above-described mold
[표 2][Table 2]
본 발명이 적용된 볼 스터드 냉간단조 공정과 동일한 공정에 대해서, 금형(20)에 작용하는 최대 주응력을 이상적인 값으로 고정한 후 금형수명을 예측하여 하기의 표 3에 나타난 데이터를 얻을 수 있었다.For the same process as the ball stud cold forging process to which the present invention was applied, the data shown in Table 3 below could be obtained by predicting the life of the mold after fixing the maximum principal stress acting on the
[표 3][Table 3]
표 2와 표 3을 대비하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)에 의하여 예측된 금형수명의 정확도가 월등히 높음을 확인할 수 있다. Comparing Tables 2 and 3, it can be confirmed that the accuracy of the mold life predicted by the mold
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 시스템(10)은 도출된 한계수명의 예측결과를 제어부(50)의 출력 유닛(56)으로부터 수신하여 작업자에게 출력하는 디스플레이부(60)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 디스플레이부(60)는 냉간단조 공정이 이루어지는 현장 내에 배치되는 독립된 모니터 등의 별도의 디스플레이 장치일 수 있으며, 또는 작업자의 개인용 휴대 단말기일 수도 있다. 이 때, 개인용 휴대 단말기는 제어부(50)로부터 무선통신을 통해 한계수명에 관한 정보를 전달받을 수 있다. 이처럼 작업 현장에 인접하여 배치되는 디스플레이부(60)를 통해 작업자는 금형(20)의 한계수명에 관한 정보를 전달받을 수 있으므로, 금형(20)이 파괴되기 전에 즉각적으로 대응할 수 있다.Referring back to FIG. 1, the mold
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.8 is a flowchart illustrating each step of a mold life prediction method according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 냉간단조 공정에 이용되는 금형(20)의 한계수명을 예측하는 방법에 대해서 설명한다.Hereinafter, a method of predicting the life limit of the
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 방법에서는 먼저 금형(20)에 가해지는 성형하중에 관한 데이터를 수집한다.(S10) 이 때, 냉간단조 공정이 다단으로 형성될 경우, 복수의 금형(20)마다 개별적으로 금형(20)의 성형하중 데이터를 수집할 수 있다.8, in the mold life prediction method according to an embodiment of the present invention, data on the molding load applied to the
그 후, 금형(20)의 공정횟수와 상기 성형하중에 관한 데이터(이하 ‘제 1 데이터’라 한다)를 생성한다(S20). 이 때, 금형(20)의 공정횟수는 상술한 바와 같이 정의될 수 있다. After that, data on the number of processes of the
그 후, 제 1 데이터를 이용하여 응력을 해석한다.(S30) 이 때, 응력의 해석은 상술한 바와 같이, 공지의 금형(20) 응력해석 솔버(solver), 최대 주응력 예측 모델 또는 실험에 의해 확인된 실험식을 이용하여 이루어질 수 있다.Then, the stress is analyzed using the first data. (S30) At this time, as described above, the stress is analyzed by a known
이 때, 최대 주응력 예측 모델은 전술한 수학식 1을 포함할 수 있으며, 수학식 1의 제 1 상수() 및 제 2 상수()는 상술한 바와 같이 상기 냉간단조 공정 및 금형의 특성에 따라 결정될 수 있고, 상기 최대 주응력()은 제 1 상수, 제 2 상수 및 성형하중() 관한 상기 수학식 1에 의해 정의될 수 있다.At this time, the maximum principal stress prediction model may include the above-described
그 후, 금형(20)의 공정횟수와 금형(20)의 최대 주응력에 관한 데이터(이하 ‘제 2 데이터’라 한다)를 산출한다.(S40)After that, data on the number of processes of the
이 때, 금형(20)의 최대 주응력을 금형(20)의 재료에 대응되는 피로선도(SN선도)에 적용하면, 금형(20)의 재료에 최대 주응력이 가해질 경우의 한계수명을 판단할 수 있다.(S50) At this time, if the maximum principal stress of the
그 후, 제 2 데이터와 금형(20)의 재료에 대응되는 피로선도를 이용하여 공정횟수와 금형수명에 관한 데이터(이하 ‘제 3 데이터’라 한다)를 산출한다.(S60)Then, data on the number of processes and mold life (hereinafter referred to as 'third data') is calculated using the second data and the fatigue diagram corresponding to the material of the mold 20 (S60).
마지막으로, 제 3 데이터를 이용하여 금형(20)의 한계수명을 예측한다.(S70) Finally, the limit life of the
이 때, 금형(20)의 한계수명은 상술한 바와 같이 하기의 수학식 2 및 3을 이용하여 예측될 수 있고, 손상계수()는 공정횟수() 및 상기 최대 주응력과 상기 피로선도에 의해 결정되는 금형수명()에 관한 상기 수학식 2에 의해 정의될 수 있으며, 상기 금형(20)의 한계수명은 누적손상계수()가 1이 되는 공정횟수로 정의될 수 있다. At this time, the limit life of the
[수학식 2] [Equation 2]
[수학식 3] [Equation 3]
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 방법은 복수의 금형(20)을 포함하는 다단 냉간단조 공정에 적용할 경우, 복수의 금형(20)마다 각각 개별적으로 제 1 데이터를 생성하며, 한계수명을 예측하는 단계에서는 복수의 금형(20)마다 각각 개별적으로 한계수명을 예측할 수 있다. In addition, when the mold life prediction method according to an embodiment of the present invention is applied to a multi-stage cold forging process including a plurality of
이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 금형수명 예측 방법은 복수의 금형(21 내지 26)에 대하여 각각의 금형(21 내지 26) 마다 개별적으로 금형(21 내지 26)의 한계수명을 세부적이고 정확하게 예측할 수 있다. Through this, the mold life prediction method according to an embodiment of the present invention can predict in detail and accurately the limit life of each
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.Although one embodiment of the present invention has been described above, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments presented herein, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention may add elements within the scope of the same spirit. However, other embodiments can be easily proposed by means of changes, deletions, additions, etc., but these will also fall within the scope of the present invention.
10 금형수명 예측 시스템 20 금형
30 제 1 감지부 40 제 2 감지부
50 제어부 52 입력 유닛
54 저장 유닛 56 출력 유닛
58 연산 유닛 60 디스플레이부10 Mold
30
50
54
58
Claims (17)
상기 금형에 설치되어 상기 금형에 가해지는 성형하중을 감지하는 제 1 감지부; 및
상기 제 1 감지부에 의해 감지된 상기 성형하중에 관한 데이터를 수집하여 상기 금형의 공정횟수와 상기 성형하중에 관한 제 1 데이터를 생성하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 제 1 데이터를 이용하여 상기 금형의 응력을 해석함으로써 상기 금형의 공정횟수와 상기 금형의 최대 주응력에 관한 제 2 데이터를 산출하고,
상기 제 2 데이터와 상기 금형의 재료에 대응되는 피로선도를 이용하여 상기 금형의 공정횟수와 금형수명에 관한 제 3 데이터을 산출하고,
상기 제 3 데이터를 이용하여 상기 금형의 한계수명을 예측하는, 금형수명 예측 시스템. As a system for predicting the life limit of the mold used in the cold forging process,
a first sensor installed in the mold to detect a molding load applied to the mold; and
A control unit for collecting data on the molding load sensed by the first detection unit and generating first data on the number of processes of the mold and the molding load,
The control unit,
By analyzing the stress of the mold using the first data, second data related to the number of processes of the mold and the maximum principal stress of the mold are calculated,
Calculating third data on the number of processes and lifespan of the mold using the second data and a fatigue curve corresponding to the material of the mold;
A mold life prediction system for predicting the limit life of the mold using the third data.
상기 제 2 데이터는 최대 주응력 예측 모델을 이용하여 산출되는, 금형수명 예측 시스템. According to claim 1,
The second data is calculated using a maximum principal stress prediction model, the mold life prediction system.
상기 최대 주응력 예측 모델은 수학식 1을 포함하되,
상기 수학식 1의 제 1 상수() 및 제 2 상수()는 상기 냉간단조 공정 및 상기 금형의 특성에 따라 결정되고,
상기 최대 주응력()은 상기 제 1 상수, 상기 제 2 상수 및 상기 성형하중()에 관한 상기 수학식 1에 의해 정의되는, 금형수명 예측 시스템.
[수학식 1]
According to claim 2,
The maximum principal stress prediction model includes Equation 1,
The first constant of Equation 1 ( ) and the second constant ( ) is determined according to the characteristics of the cold forging process and the mold,
The maximum principal stress ( ) is the first constant, the second constant and the molding load ( A mold life prediction system defined by Equation 1 above for ).
[Equation 1]
상기 금형의 한계수명은 수학식 2 및 3을 이용하여 예측되고,
손상계수()는 공정횟수() 및 상기 최대 주응력과 상기 피로선도에 의해 결정되는 금형수명()에 관한 상기 수학식 2에 의해 정의되고,
상기 금형의 한계수명은 누적손상계수()가 1이 되는 공정횟수로 정의되는, 금형수명 예측 시스템.
[수학식 2]
[수학식 3]
According to claim 1,
The limit life of the mold is predicted using Equations 2 and 3,
Damage factor ( ) is the number of processes ( ) and the mold life determined by the maximum principal stress and the fatigue diagram ( ) is defined by Equation 2 above,
The limit life of the mold is the cumulative damage coefficient ( ) is defined as the number of processes that become 1, a mold life prediction system.
[Equation 2]
[Equation 3]
상기 제 1 감지부는 피에조 센서를 포함하는, 금형수명 예측 시스템.According to claim 1,
The first detection unit includes a piezo sensor, the mold life prediction system.
상기 제어부는 상기 금형 또는 상기 제 1 감지부의 특성을 고려하여 산출되는 오차를 보정한 상기 제 1 데이터를 이용하는, 금형수명 예측 시스템.According to claim 1,
The control unit uses the first data obtained by correcting an error calculated in consideration of characteristics of the mold or the first sensing unit, the mold life prediction system.
상기 금형에 설치되어 상기 금형에 가해지는 하중을 감지하는 제 2 감지부를 포함하고,
상기 보정은,
상기 제 1 감지부에 의해 감지된 성형하중과 상기 제 2 감지부에 의해 감지된 성형하중의 차이가 최소가 되도록 교정하여 이루어지는, 금형수명 예측 시스템. According to claim 6,
A second sensor installed in the mold to detect a load applied to the mold,
The correction is
Mold life prediction system made by correcting the difference between the molding load detected by the first sensing unit and the molding load detected by the second sensing unit to be minimized.
상기 제 2 감지부는 교정 로드셀을 포함하는, 금형수명 예측 시스템.According to claim 7,
The second sensing unit includes a calibration load cell, the mold life prediction system.
상기 냉간단조 공정은 복수의 금형을 포함하는 다단 공정으로 이루어지고,
상기 제 1 감지부는 상기 복수의 금형마다 각각 개별적으로 설치되며,
상기 제어부는 상기 복수의 금형마다 각각 개별적으로 상기 한계수명을 예측하는, 금형수명 예측 시스템.According to claim 1,
The cold forging process is made of a multi-stage process including a plurality of molds,
The first sensing unit is individually installed for each of the plurality of molds,
The control unit predicts the limit life individually for each of the plurality of molds, the mold life prediction system.
상기 제 2 데이터는 상기 복수의 금형마다 각각 개별적으로 최대 주응력 예측 모델을 이용하여 산출되는, 금형수명 예측 시스템.According to claim 9,
The second data is calculated using a maximum principal stress prediction model individually for each of the plurality of molds, the mold life prediction system.
상기 한계수명의 예측결과를 사용자에게 출력하는 디스플레이부를 포함하는, 금형수명 예측 시스템.According to claim 1,
A mold life prediction system comprising a display unit for outputting the prediction result of the limit life to a user.
상기 금형에 가해지는 성형하중에 관한 데이터를 수집하는 단계;
상기 금형의 공정횟수와 상기 성형하중에 관한 제 1 데이터를 생성하는 단계;
상기 제 1 데이터를 이용하여 상기 금형의 공정횟수와 상기 금형의 최대 주응력에 관한 제 2 데이터를 산출하는 단계;
상기 제 2 데이터와 상기 금형의 재료에 대응되는 피로선도를 이용하여 상기 금형의 공정횟수와 금형수명에 관한 제 3 데이터를 산출하는 단계; 및
상기 제 3 데이터를 이용하여 상기 금형의 한계수명을 예측하는 단계를 포함하는, 금형수명 예측 방법.As a method of predicting the life limit of the mold used in the cold forging process,
Collecting data on the molding load applied to the mold;
generating first data about the number of processes of the mold and the molding load;
Calculating second data related to the number of processes of the mold and the maximum principal stress of the mold using the first data;
Calculating third data about the number of processes and lifespan of the mold using the second data and a fatigue curve corresponding to the material of the mold; and
A mold life prediction method comprising the step of predicting the limit life of the mold using the third data.
상기 제 2 데이터는 최대 주응력 예측 모델을 이용하여 산출되는, 금형수명 예측 방법.According to claim 12,
The second data is calculated using a maximum principal stress prediction model, mold life prediction method.
상기 최대 주응력 예측 모델은 수학식 1을 포함하되,
상기 수학식 1의 제 1 상수() 및 제 2 상수()는 상기 냉간단조 공정 및 상기금형의 특성에 따라 결정되고,
상기 최대 주응력()은 상기 제 1 상수, 상기 제 2 상수 및 상기 성형하중()에 관한 상기 수학식 1에 의해 정의되는, 금형수명 예측 방법.
[수학식 1]
According to claim 13,
The maximum principal stress prediction model includes Equation 1,
The first constant of Equation 1 ( ) and the second constant ( ) is determined according to the characteristics of the cold forging process and the mold,
The maximum principal stress ( ) is the first constant, the second constant and the forming load ( ), defined by Equation 1 above, a mold life prediction method.
[Equation 1]
상기 금형의 한계수명은 수학식 2 및 3을 이용하여 예측되고,
손상계수()는 공정횟수() 및 상기 최대 주응력과 상기 피로선도에 의해 결정되는 금형수명()에 관한 상기 수학식 2에 의해 정의되고,
상기 금형의 한계수명은 누적손상계수()가 1이 되는 공정횟수로 정의되는, 금형수명 예측 시스템.
[수학식 2]
[수학식 3]
According to claim 12,
The limit life of the mold is predicted using Equations 2 and 3,
Damage factor ( ) is the number of processes ( ) and the mold life determined by the maximum principal stress and the fatigue diagram ( ) is defined by Equation 2 above,
The limit life of the mold is the cumulative damage coefficient ( ) is defined as the number of processes that become 1, a mold life prediction system.
[Equation 2]
[Equation 3]
상기 냉간단조 공정은 복수의 금형을 포함하는 다단 공정으로 이루어지고,
상기 제 1 데이터를 생성하는 단계에서는, 상기 복수의 금형마다 각각 개별적으로 상기 제 1 데이터를 생성하며,
상기 한계수명을 예측하는 단계에서는, 상기 복수의 금형마다 각각 개별적으로 상기 한계수명을 예측하는, 금형수명 예측 방법.According to claim 13,
The cold forging process is made of a multi-stage process including a plurality of molds,
In the generating of the first data, the first data is individually generated for each of the plurality of molds;
In the step of estimating the limit life, predicting the limit life individually for each of the plurality of molds, mold life prediction method.
상기 한계수명의 예측결과를 사용자에게 디스플레이하는 단계를 포함하는, 금형수명 예측 방법.
According to claim 12,
A mold life prediction method comprising the step of displaying the prediction result of the limit life to a user.
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---|---|---|---|
KR1020210087357A KR102559348B1 (en) | 2021-07-02 | 2021-07-02 | Sysyem and methods for mold life prediction |
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KR1020210087357A KR102559348B1 (en) | 2021-07-02 | 2021-07-02 | Sysyem and methods for mold life prediction |
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KR1020210087357A KR102559348B1 (en) | 2021-07-02 | 2021-07-02 | Sysyem and methods for mold life prediction |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102557043B1 (en) | 2023-02-27 | 2023-07-19 | (주)명진초경 | Life Estimation Method of Extrusion Die with a Forming Hole in the Shape of a Rotating Body |
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2021
- 2021-07-02 KR KR1020210087357A patent/KR102559348B1/en active IP Right Grant
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
강성묵 외 4명, 압조 센서를 활용한 냉간다단 단조기의 금형 수명 파손 모니터링, 추계학술대회 초록집. 한국소성가공학회. 2020. 6., (제 103 내지 104면)* * |
서영호, 냉간단조 금형수명 정량예측 기술 기반 자동차 조향부품 제조원가 예측 및 저감방안 연구, 한국기계기술학회지 제22권 제4호, 2020. 8., (제726 내지 732면)* * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102557043B1 (en) | 2023-02-27 | 2023-07-19 | (주)명진초경 | Life Estimation Method of Extrusion Die with a Forming Hole in the Shape of a Rotating Body |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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KR102559348B1 (en) | 2023-07-25 |
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