[논문]타원형 디프 드로잉 공정의 성형성 향상에 관한 실험적 연구

박동환; 박상봉; 강성수

타원형 디프 드로잉 공정의 성형성 향상에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Improvement of Formability for Elliptical Deep Drawing Process 원문보기

박동환 (부산대학교 대학원 정밀기계공학과) , 박상봉 (동의공업대학 금형설계과) , 강성수 (부산대학교 정밀정형 및 금형가공 연구센터)

Recently, most of researches for sheet metal deep drawing process have been performed on the formability of axisymmetric shape, but there are not any concrete reports on the formability of non-axisymmetric shape. In addition, the conventional shape radius of the punch and die has been determined by trial-and-error using industrial experience and post processing test, and only approximate shape radius of the punch and die has been presented. In this study, the optimal shape radius of the punch and die in deep drawing process with biaxisymmetric blank shape is proposed. Through the deep drawing experiment, especially it is found that in order to obtain the optimal products, and improvement of formability can be researched by selection of such punch and die shape radius that gives an adequate thickness distribution in all processes.

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 타원형 블랭크의 디프 드로잉 성형성을 향상시키기 위한 방안으로 펀치 및 다이의 형상반경이 성형성에 미치는 영향을 다각적으로 연구하였다.
본 연구에서는 타원형 디프 드로잉 금형에 사용되는 전기아연도금강판의 성형성 향상을 위하여 실험용 금형 제작과 디프 드로잉 실험을 통하여 최적 가공조건에 관련된 공정변수를 고찰하였으며 두께 변화량 등을 측정, 비교해 본 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

제안 방법

(1) 타원형 디프 드로잉 공정에서 성형성의 향상을 얻을 수 있는 최적의 펀치 및 다이 형상반경을 제안하였다.
SECE의 기계적 성질을 파악하기 위해 KS B 0801 5호 시험편으로 압연 방향에 대해 0°, 45°, 90° 방향으로 인장시험을 수행하였다. 시편의 표점거리는 50mm로 하였으며, 인장시험은 U.
두께 분포는 포인트 마이크로미터 (point micrometer)를 사용하여 각 공정별 장변부와 단변부로 나누어서 제품의 중심에서 3mm 간격으로 플랜지 끝단까지 측정하였다. 여기서 장변부는 블랭크의 길이가 긴 쪽이고, 단변부는 블랭크의 길이가 짧은 쪽이다.
여기서 장변부는 블랭크의 길이가 긴 쪽이고, 단변부는 블랭크의 길이가 짧은 쪽이다. 디프 드로잉 실험후 장변부와 단변부로 나누어서 측정한 결과를 고찰하였다.
유지하였다. 블랭크 홀더력은 각 공정별로 최적의 제품을 성형하기 위해 몇 번의 실험을 통하여 다이쿠션에 걸리는 압력을 초드로잉 공정에서는 3kgf/mm², 재드로잉과 타원형 드로잉 공정에서는 2kgf/mm²로 선정하였다. 윤활제는 수용성 소성가공유로서 일반적인 드로잉유를 사용하였고 소재를 드로잉 다이에 삽입할 때는 블랭크 중심을 다이 중심에 정확히 일치시킨 후 드로잉 하였다.
있다. 타원형 디프 드로잉 제품을 생산하기 위하여 트랜스퍼 (transfer) 금형으로 구성된 각 공정별 금형 트라이 아웃(try-out)을 행하였다. 제품에 대한 공정순서는 (a) 초드로잉 (first drawing), (b) 재드로잉 (redrawing), 그리고 (c)타원형 드로잉(elliptical drawing)의 총 3공정의 다단계 타원형 디프 드로잉으로 구성되어있다.
트랜스퍼 금형을 프레스에 클램핑(clamping) 하였으며, 램(ram)의 속도를 8SPM으로 일정하게 유지하였다. 블랭크 홀더력은 각 공정별로 최적의 제품을 성형하기 위해 몇 번의 실험을 통하여 다이쿠션에 걸리는 압력을 초드로잉 공정에서는 3kgf/mm², 재드로잉과 타원형 드로잉 공정에서는 2kgf/mm²로 선정하였다.
제품에 대한 공정순서는 (a) 초드로잉 (first drawing), (b) 재드로잉 (redrawing), 그리고 (c)타원형 드로잉(elliptical drawing)의 총 3공정의 다단계 타원형 디프 드로잉으로 구성되어있다. 펀치 및 다이는 합금 공구강(STD11)을 사용하여 열처리(HRC 60) 하였고, 펀치 형상반경(Rp)과 다이 형상 반경(Rd)은 Table 3과 같이 초드로잉 공정에서 각각 3가지 경우로 가공하여 총 9가지의 실험을 하였다. 다이세트(die set)는 상·하홀더를 주물(FC25)로 제작한 후가공하였다.

대상 데이터

펀치 및 다이는 합금 공구강(STD11)을 사용하여 열처리(HRC 60) 하였고, 펀치 형상반경(Rp)과 다이 형상 반경(Rd)은 Table 3과 같이 초드로잉 공정에서 각각 3가지 경우로 가공하여 총 9가지의 실험을 하였다. 다이세트(die set)는 상·하홀더를 주물(FC25)로 제작한 후가공하였다. 클리어런스는 편측으로 소재두께(t) 대비하여 초드로잉과 재드로잉 공정에서 2.
수행하였다. 시편의 표점거리는 50mm로 하였으며, 인장시험은 U.T.M에서 크로스헤드(crosshead)를 10mm/min로 유지시킨 후 파단에 이르기까지 인장하였다. 인장시험을 통하여 얻은 SECE의 기계적 성질은 Table 2와 같다.
실험에 사용된 소재는 실제로 자동차 부품의 생산에서 사용 빈도가 높은 전기아연 도금강판(SECE)으로 두께는 1.6mm이고, 20㎛의 아연도금이 되어 있는 소재를 사용하였다. SECE의 화학적 조성은 Table 1과 같다.
실험에 사용된 장비는 300Ton 기계식 프레스로 블랭크 홀더 압력을 임의로 조절할 수 있는 다이쿠션(die cushion)과 제품 취출을 위한 놐아웃(krmock out) 장치가 갖추어져 있다. 타원형 디프 드로잉 제품을 생산하기 위하여 트랜스퍼 (transfer) 금형으로 구성된 각 공정별 금형 트라이 아웃(try-out)을 행하였다.

성능/효과

(2) 제안된 형상반경은 펀치 형상반경이 6t이고, 다이 형상반경이 13인 경우에 장·단변부 모두 두께 감소가 가장 작게 나타나고 두께 분포에 있어서 가장 양호하였다.
(3) 성형된 제품의 두께 변형 분포에서 타원형 블랭크의 형상 특징과 연계하여 장변부보다 단변부의 두께가 높게 나타났다.
(4) 다이 형상반경이 펀치 형상반경보다 작거나 같아지는 경우에 컵 벽 부분의 두께가 더욱 작아지는 현상이 나타났다. 이러한 현상은 장변부에서 두드러짐을 알 수 있었다.
블랭크 소재 실험시 와이어 방전가공기로 절단하여 사용하였다. SECE의 성형성 평가를 위해 에릭슨 테스트를 수행하였으며, 에릭슨 값은 11.4mm로 성형성이 좋았다. Fig.
6(6t)이고, 다이 형상반경이 16(10t)인 경우에 두께 분포가 가장 양호하였다. 따라서 펀치 형상반경은 너무 크거나 작아도 안되며, 다이 형상반경은 가능한 큰 쏙이 두께 분포에서 유리함을 알 수 있었다.
8, 16에서는 거의 비슷하게 나타남을 알 수 있다. 위의 실험결과에서 두께 감소는 Rp를 고정하고 Rd를 변화시켜 나가면, Rd가 가장 큰 쪽이 작게 나타났다. 즉, 두께 분포 측면에서 Rd가 가장 큰 쪽이 유리하였다.
단변부에서는 3가지 타입 모두 펀치 어깨부에서 두께 감소가 나타나고, 전부위에 비슷한 두께 분포를 나타내고 있다. 이상의 실험 결과에서 B3 타입 경우 즉, 펀치 형상반경이 9.6(6t)이고, 다이 형상반경이 16(10t)인 경우에 두께 분포가 가장 양호하였다. 따라서 펀치 형상반경은 너무 크거나 작아도 안되며, 다이 형상반경은 가능한 큰 쏙이 두께 분포에서 유리함을 알 수 있었다.

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