[논문]Tube Hydroforming 공정의 성형성 평가

김영석; 조흥수; 박춘달; 김영삼; 조완제

[국내논문] Tube Hydroforming 공정의 성형성 평가
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김영석 (경북대학교 공과대학 기계공학과) , 조흥수 (현대자동차) , 박춘달 (현대자동차) , 김영삼 (경북대학교 기계공학과) , 조완제 (경북대학교 기계공학과)

In this paper, the mechanical characteristics and fundamental mechanism of a roll-formed tube during the hydroforming process are investigated in order to obtain the ewly localization of the tube hydroforming skills which are the core production techniques for the super light weight and high safety of the car body. Also, the theoretical influences of the material variables and the processes on the formability in the tube hydroforming are studied. In addition, the techniques to evaluate the forming limit of the bulging process of a tube are developed.

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문제 정의

본 연구에서는 국내 자동차사에서 도입 준비중인 THF 기술의 조기 안정화와 국산화 개발 지원을 목표로 개발 중인 THF용 롤 포밍 관재에 대한 물성평가와 원형관재로부터 사각관재로의 확관 성형공정에 대한 특성을 파악하였다. 또한 액압에 의한 확관 성형한계를 평가할 수 있는 기술을 개발하였고, 이론적 해석을 통해 성형성(주름과 파단)에 미치는 제반 물성 및 공정변수의 영향을 정량화 하였다.
또한 조관공정에서의 연신율에 대한 데이타와 용접부의 기계적 특성을 파악하여 관재 액압성형 공정에 미치는 영향을 검토하였다.
여기서는 원형관재가 원형으로 확관 성형되는 경우에 대한 이론적 해석을 통해 관재의 파단발생 한계 및 주름발생 한계에 미치는 재료 및 공정변수의 영향을 파악하여 THF 전용 관재 개발을 위한 기초자료를 확보하였다.

제안 방법

또한 액압에 의한 확관 성형한계를 평가할 수 있는 기술을 개발하였고, 이론적 해석을 통해 성형성(주름과 파단)에 미치는 제반 물성 및 공정변수의 영향을 정량화 하였다.
여기서는 다양한 두께와 직경비를 갖는 롤 포밍된 관재의 인장특성을 평가하여 코일상태의 판재에 대한 결과와 비교하여 조관공정에서의 재질 변화를 파악하였다. 또한 조관공정에서의 연신율에 대한 데이타와 용접부의 기계적 특성을 파악하여 관재 액압성형 공정에 미치는 영향을 검토하였다.
여기서는 관재 액압성형 특성을 파악하기 위해 본 연구실에서 보유하고 있는 관재 액압성형 시뮬레이터®(Fig. 7)를 이용하여 구조용 강관 STKM11A (D40 1.2t)를 한변이 46mm인 정사각형 관재로 확관 성형하여 내압증가에 따른 관재의 변형거동을 파악하였다. 실험에서는 강관과금형의 접촉면에서 마찰을 줄이기 위하여 강관 외면과 금형에 유압 작동유를 도포하였다.
2t)를 한변이 46mm인 정사각형 관재로 확관 성형하여 내압증가에 따른 관재의 변형거동을 파악하였다. 실험에서는 강관과금형의 접촉면에서 마찰을 줄이기 위하여 강관 외면과 금형에 유압 작동유를 도포하였다.
Fig. 18에 판재의 액압 장출실험을 통해 성형한계도 (forming limit diagram, FLD)를 도출하기 위해서 다양한 비례변형경로(평면변형, 2축인장, 등 2축인장)를 만들기 위한 금형형상을 나타내었다. 이들 금형형상은 동적 양형 대변형 유한요소 프로그램인 LS-Dynaform을 이용하여 최적화 하였다.
21에 나타내었다. 액압 장출실험을 통해 판재의 성형한계를 측정하기 위해 미리 판재에 2.54mm의 원을 마킹하고 성형실험으로 시편이 파단된 후의 변형된 원들의 변형률을 측정하여 양의 영역의 성형한계를 구하고, 음의 변형률에 대해서는 Hill의 국부 넥 발생이론을 적용하여 주 변형률 좌표상에 성형한계도를 완성하였다.
(1) 관재 액압 성형용 롤 포밍 관재의 기계적 특성과 관재 액압 성형공정의 기본 기구를 파악하였다.
(2) 관재의 액압 성형성에 미치는 재료변수 및 공정변수의 영향을 이론적으로 검토하였다.
(3) 관재 확관 성형한계를 평가할 수 있는 기술을 개발하였다.

이론/모형

18에 판재의 액압 장출실험을 통해 성형한계도 (forming limit diagram, FLD)를 도출하기 위해서 다양한 비례변형경로(평면변형, 2축인장, 등 2축인장)를 만들기 위한 금형형상을 나타내었다. 이들 금형형상은 동적 양형 대변형 유한요소 프로그램인 LS-Dynaform을 이용하여 최적화 하였다. Fig.

성능/효과

조관재에 대해서는 전체적으로 길이방향으로는 용접부와 모재부의 특성에 큰 차이는 보이지 않는 반면, 용접부의 존재 유무에 관계없이 길이방향과 원주방향의 연신율에서 약 6-7% 정도의 차이가 존재함을 알 수 있다 (Fig. l(b), (c)).
15에 나타내었다. 주름발생 한계 축 응력은 가공경화지수가 커질수록 작아지며, 이방성계수가 커질수록 커지는 것을 알 수 있다.

후속연구

Fig. 5(a)로부터 t/D가 작아질수록, 즉 동일한 직경의 경우에 원 관의 두께가 얇아질수록 평균 연신율이 증가하고 있는데 이는 통상 알려진 기존의 결과와 상반된 것으로 이에 대해서는 좀더 많은 데이타의 확보를 통한 체계적인 고찰이 필요하다. 반면 두께 t만의 함수로 나타내 경우는 두께 증가에 따라 평균 연신율이 증가하는 것을 알 수 있다.
그러나 본 연구에서와 같이 판재 액압 장출 성형한계를 이용하여 관재의 액압 확관 성형한계를 대신 평가하는 방법을 채택하기 위해서는 다양한 관재에 대한 데이터 검증이 필요하다.

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