온도 및 변형률 속도 의존성의 성형한계선도를 이용한 핫스탬핑 공정의 파단 예측 및 적용 Failure prediction using temperature and strain rate dependant forming limit diagram in hot stamping process and its application원문보기
경량화를 통한 연비향상 및 충돌 안전성 확보를 위하여 자동차 업계에서는 초고장력강판을 이용한 경량 차체 개발에 힘쓰고 있다. 그러나 이러한 강판 성형 시 낮은 연신율에 따른 성형성 악화, 스프링백에 따른 치수 동결성 저하 및 금형 수명 감소 등 여러 문제점이 발생하고 있기 때문에 ...
경량화를 통한 연비향상 및 충돌 안전성 확보를 위하여 자동차 업계에서는 초고장력강판을 이용한 경량 차체 개발에 힘쓰고 있다. 그러나 이러한 강판 성형 시 낮은 연신율에 따른 성형성 악화, 스프링백에 따른 치수 동결성 저하 및 금형 수명 감소 등 여러 문제점이 발생하고 있기 때문에 핫스탬핑 공정이 개발되어 적용되고 있다. 핫스탬핑은 보론을 함유한 22MnB5를 가열로 내에서 900~950℃ 온도로 5분간 가열하여 오스테나이트화 한 후 프레스로 이송 및 성형함으로써 1,500MPa 급의 인장강도를 가진 초고강도 부품을 제조하는 공정이다. 강판을 높은 온도로 가열하기 때문에 높은 연신율에 기인하여 성형성이 좋다고 알려져 있으나 열간 상태에서 소재는 온도와 변형률 속도의 영향을 받기 때문에 이를 고려한 성형성 판단이 중요하다. 현재까지 핫스탬핑 공정에서 파단 예측에 관한 연구가 일부 수행되었으나 주로 두께 감소율 및 온도만을 고려한 성형한계선도를 적용한 것이 대부분이며 자세한 고찰 또한 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 온도 및 변형률 속도를 고려한 성형한계선도를 도출하고 열간 사각 딥 드로잉 공정과 센터필라의 제작 시 파단 한계를 예측하였다. 우선, 22MnB5의 기계적 물성을 평가하기 위하여 고온 인장시험을 실시하였다. 온도가 증가함에 따라 가공경화지수가 감소하였으며 변형률 민감지수는 증가하는 향상을 나타내었다. 가공경화지수의 증가는 소성불안정 영역까지의 균일 연신량의 증가를 나타내기 때문에 네킹 발생까지의 변형량이 많다는 것을 나타내며, 변형률 민감지수의 증가는 네킹 이후 파단까지의 연신량이 증가한다는 것을 의미한다. 인장시험 결과 낮은 온도 영역에서의 성형 특성은 가공경화지수의 영향을 받는 것으로 판단되며, 고온에서는 변형률 민감지수의 영향을 받는 것으로 나타났다. 구해진 유동응력을 이용하여 변형률, 온도 및 변형률 속도의 함수로써 나타내어진 수정된 Backofen 모델을 이용하여 재료 거동을 모사하였다. 한편, 신뢰성 있는 핫스탬핑 해석을 위하여 가열된 소재 및 금형 간의 열전달 특성을 모사하는 것이 중요하다. 이를 위하여 압력 조건에 따른 계면 열전달계수를 구하였으며, 실험 결과 압력의 증가에 따라 접촉되는 소재의 미소한 변형으로 인해 금형과의 실접촉면적이 증가하여 열전달계수가 증가된 것을 확인하였다. 일반적으로 성형한계선도를 구하는 방법은 Nakajima 시험을 통하여 파단 시까지의 변형률을 주, 부 변형률 평면 상에 도시하는 것이다. 그러나 구형의 펀치의 성형 깊이에 따라 임계 요소 부근의 변형률 속도가 변하기 때문에 일정한 펀치 속도 하에서는 변형률 속도를 정량적으로 나타내기 어렵다. 따라서 일정한 변형률 속도를 고려하기 위해서는 펀치 스트로크에 따라 성형 속도를 낮추는 것이 필요하다. 본 연구에서는 펀치 속도 변화 알고리즘을 통하여 각 온도, 시험편 폭에 따라 목적으로 하는 변형률 속도를 얻기 위한 펀치 속도를 도출하였다. 이를 이용한 유한요소해석 결과에서 파단이 예상되는 임계요소의 두께 감소율 및 성형 시간 그래프 상에서 네킹 또는 파단이 발생하는 시점을 구하여 이 때의 주, 부 변형률을 성형한계선도로 표시하였다. 여기서 네킹의 기준으로는 두께 감소율의 변곡점을 이용하였다. 온도 및 변형률 속도 의존성의 성형한계선도를 도출한 결과, 온도가 증가함에 따라, 변형률 속도가 감소함에 따라 성형성이 향상되는 것을 확인하였다. 도출된 온도 및 변형률 속도 의존성의 성형한계선도를 통한 파단 예측을 위하여 열간 사각 딥 드로잉 해석 및 실험을 수행하였다. 블랭크 홀더력의 부가 시 플랜지부에서의 소재 유동저항의 증가에 따라 성형성이 상당히 저하되기 때문에, 소재와의 갭을 부가하여 성형성을 평가하였다. 이 때 갭은 0.1, 0.3, 0.5mm로 선정하였다. 파단 예측은 기존의 방법으로 알려져 있는 두께감소율 20%, 온도를 고려한 성현한계선도 및 온도 및 변형률 속도를 고려한 성형한계선도 3가지로 평가하였다. 접촉 갭의 증가에 따라 성형성이 약간 향상되는 것을 확인할 수 있으며 이는 플랜지부와 금형의 접촉이 억제됨에 따른 소재 유동성 향상 때문으로 판단된다. 파단 한계 예측 결과, 두께 감소율로 평가된 최대 드로잉 깊이에 비해 성형한계선도를 고려하였을 경우 더 높은 성형 깊이를 나타내었다. 이는 열간 성형 시 20%의 두께 감소율 이상의 파단한계를 나타냄을 시사하고 있다. 한편, 온도 및 변형률 속도를 고려한 성형한계선도를 적용하였을 경우 비교적 실험값과 더욱 유사한 성형 깊이를 나타내는 것을 확인하였다. 마지막으로 온도 및 변형률 속도를 고려한 성형한계선도를 실 제품에 적용하기 위하여 대표적인 핫스탬핑 부품인 센터필라를 도입하였다. 펀치, 다이, 패드 및 바인더로 구성되어진 4-piece 타입의 금형을 이용하여 센터필라를 해석하고 온도 및 변형률 속도 의존성의 성형한계선도를 이용한 파단 예측 결과, 플랜지부에 갭을 부가하여 소성 유동을 확보하더라도 임계 영역에서 파단이 발생하였다. 이는 상대적으로 높은 장력이 부가되었기 때문으로 판단된다. 이를 개선하기 위하여 채널형 간접식 블랭크 홀더를 구비한 3-piece 폼 금형을 설계하였다. 설계변수는 채널의 코너부 반경 (R) 및 경사각(θ) 이며 다양한 성형 가능한 경우에서 R=16mm, θ=100˚를 선정하였다. 유한요소해석 및 실험 결과 임계 영역에서 파단이 발생하지 않은 것을 확인하였다. 본 연구를 통하여 온도 및 변형률 속도 의존성의 성형한계선도가 핫스탬핑 공정에서의 파단을 더욱 정밀하게 예측함을 확인하였으며 이를 통한 금형 및 공정 설계에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
경량화를 통한 연비향상 및 충돌 안전성 확보를 위하여 자동차 업계에서는 초고장력강판을 이용한 경량 차체 개발에 힘쓰고 있다. 그러나 이러한 강판 성형 시 낮은 연신율에 따른 성형성 악화, 스프링백에 따른 치수 동결성 저하 및 금형 수명 감소 등 여러 문제점이 발생하고 있기 때문에 핫스탬핑 공정이 개발되어 적용되고 있다. 핫스탬핑은 보론을 함유한 22MnB5를 가열로 내에서 900~950℃ 온도로 5분간 가열하여 오스테나이트화 한 후 프레스로 이송 및 성형함으로써 1,500MPa 급의 인장강도를 가진 초고강도 부품을 제조하는 공정이다. 강판을 높은 온도로 가열하기 때문에 높은 연신율에 기인하여 성형성이 좋다고 알려져 있으나 열간 상태에서 소재는 온도와 변형률 속도의 영향을 받기 때문에 이를 고려한 성형성 판단이 중요하다. 현재까지 핫스탬핑 공정에서 파단 예측에 관한 연구가 일부 수행되었으나 주로 두께 감소율 및 온도만을 고려한 성형한계선도를 적용한 것이 대부분이며 자세한 고찰 또한 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 온도 및 변형률 속도를 고려한 성형한계선도를 도출하고 열간 사각 딥 드로잉 공정과 센터필라의 제작 시 파단 한계를 예측하였다. 우선, 22MnB5의 기계적 물성을 평가하기 위하여 고온 인장시험을 실시하였다. 온도가 증가함에 따라 가공경화지수가 감소하였으며 변형률 민감지수는 증가하는 향상을 나타내었다. 가공경화지수의 증가는 소성불안정 영역까지의 균일 연신량의 증가를 나타내기 때문에 네킹 발생까지의 변형량이 많다는 것을 나타내며, 변형률 민감지수의 증가는 네킹 이후 파단까지의 연신량이 증가한다는 것을 의미한다. 인장시험 결과 낮은 온도 영역에서의 성형 특성은 가공경화지수의 영향을 받는 것으로 판단되며, 고온에서는 변형률 민감지수의 영향을 받는 것으로 나타났다. 구해진 유동응력을 이용하여 변형률, 온도 및 변형률 속도의 함수로써 나타내어진 수정된 Backofen 모델을 이용하여 재료 거동을 모사하였다. 한편, 신뢰성 있는 핫스탬핑 해석을 위하여 가열된 소재 및 금형 간의 열전달 특성을 모사하는 것이 중요하다. 이를 위하여 압력 조건에 따른 계면 열전달계수를 구하였으며, 실험 결과 압력의 증가에 따라 접촉되는 소재의 미소한 변형으로 인해 금형과의 실접촉면적이 증가하여 열전달계수가 증가된 것을 확인하였다. 일반적으로 성형한계선도를 구하는 방법은 Nakajima 시험을 통하여 파단 시까지의 변형률을 주, 부 변형률 평면 상에 도시하는 것이다. 그러나 구형의 펀치의 성형 깊이에 따라 임계 요소 부근의 변형률 속도가 변하기 때문에 일정한 펀치 속도 하에서는 변형률 속도를 정량적으로 나타내기 어렵다. 따라서 일정한 변형률 속도를 고려하기 위해서는 펀치 스트로크에 따라 성형 속도를 낮추는 것이 필요하다. 본 연구에서는 펀치 속도 변화 알고리즘을 통하여 각 온도, 시험편 폭에 따라 목적으로 하는 변형률 속도를 얻기 위한 펀치 속도를 도출하였다. 이를 이용한 유한요소해석 결과에서 파단이 예상되는 임계요소의 두께 감소율 및 성형 시간 그래프 상에서 네킹 또는 파단이 발생하는 시점을 구하여 이 때의 주, 부 변형률을 성형한계선도로 표시하였다. 여기서 네킹의 기준으로는 두께 감소율의 변곡점을 이용하였다. 온도 및 변형률 속도 의존성의 성형한계선도를 도출한 결과, 온도가 증가함에 따라, 변형률 속도가 감소함에 따라 성형성이 향상되는 것을 확인하였다. 도출된 온도 및 변형률 속도 의존성의 성형한계선도를 통한 파단 예측을 위하여 열간 사각 딥 드로잉 해석 및 실험을 수행하였다. 블랭크 홀더력의 부가 시 플랜지부에서의 소재 유동저항의 증가에 따라 성형성이 상당히 저하되기 때문에, 소재와의 갭을 부가하여 성형성을 평가하였다. 이 때 갭은 0.1, 0.3, 0.5mm로 선정하였다. 파단 예측은 기존의 방법으로 알려져 있는 두께감소율 20%, 온도를 고려한 성현한계선도 및 온도 및 변형률 속도를 고려한 성형한계선도 3가지로 평가하였다. 접촉 갭의 증가에 따라 성형성이 약간 향상되는 것을 확인할 수 있으며 이는 플랜지부와 금형의 접촉이 억제됨에 따른 소재 유동성 향상 때문으로 판단된다. 파단 한계 예측 결과, 두께 감소율로 평가된 최대 드로잉 깊이에 비해 성형한계선도를 고려하였을 경우 더 높은 성형 깊이를 나타내었다. 이는 열간 성형 시 20%의 두께 감소율 이상의 파단한계를 나타냄을 시사하고 있다. 한편, 온도 및 변형률 속도를 고려한 성형한계선도를 적용하였을 경우 비교적 실험값과 더욱 유사한 성형 깊이를 나타내는 것을 확인하였다. 마지막으로 온도 및 변형률 속도를 고려한 성형한계선도를 실 제품에 적용하기 위하여 대표적인 핫스탬핑 부품인 센터필라를 도입하였다. 펀치, 다이, 패드 및 바인더로 구성되어진 4-piece 타입의 금형을 이용하여 센터필라를 해석하고 온도 및 변형률 속도 의존성의 성형한계선도를 이용한 파단 예측 결과, 플랜지부에 갭을 부가하여 소성 유동을 확보하더라도 임계 영역에서 파단이 발생하였다. 이는 상대적으로 높은 장력이 부가되었기 때문으로 판단된다. 이를 개선하기 위하여 채널형 간접식 블랭크 홀더를 구비한 3-piece 폼 금형을 설계하였다. 설계변수는 채널의 코너부 반경 (R) 및 경사각(θ) 이며 다양한 성형 가능한 경우에서 R=16mm, θ=100˚를 선정하였다. 유한요소해석 및 실험 결과 임계 영역에서 파단이 발생하지 않은 것을 확인하였다. 본 연구를 통하여 온도 및 변형률 속도 의존성의 성형한계선도가 핫스탬핑 공정에서의 파단을 더욱 정밀하게 예측함을 확인하였으며 이를 통한 금형 및 공정 설계에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
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