[논문]소형부품의 사각 컵 드로잉 성형 해석에 관한 실험적 연구

구태완; 강범수

문제 정의

또한, 유한요소 해석 기법을 이용한 체계적인 접근법 으로 매우 작은 사각 케이스의 성형 공정 설계를 수행하였다. 그리고 아주 얇은 판재의 두께에 따른 벌크(bulk) 변형 거동 등의 미세 성형 효과를 고려하기 위호H, 4-절 점 쉘 요소와 8-절점 육면체 요소를 미세 성형에서의 해석과 설계에 이용하였으며, 또한 시제품 제작 등의 실험을 통해 유한요소 해석 결과의 유효성을 입증하고자 노력하였다.
본 논문에서는 10X10X4mm3(가로X세로X높이)모델의 휴대폰용 사각 진동 모터 케이스의 해석 과정에 있어서 소요 시간과 비용을 절감하기 위해 범용 외연적 유한요 소 해석 프로그램인 LS-DYNA3D를 사용하여 사각 컵 드로잉 공정에의 적용에 대한 신뢰성 확보를 도모하였다.<7)
본 연구는 산업자원부가 지원하고 있는 차세대 신기술 개발 사업 중, 한국생산기술연구원이 주관하고 있는 Milli-Structure 생산 기술 개발 사업의 세부과제로서 수 행중이며, 이에 관계자 이러분들께 감사의 말씀을 올립 니다.
본 연구에서는 기존의 성형 방법과 비교하여 수 mm 크기의 부품에 대한 미세 성형시의 특성에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 기존의 소성가공(macro-forming)에서 나타나는 성형 특성과 미세성형 과정에서 나타나는 사각 컵 드로잉에 있어서의 사각 코너부의 재료 거동과 기본적인 미세성형 과정의 특성을 파악하고자 하였다.

제안 방법

Fig. 8에서와 같은 금형에서의 성형 공정은 고속으로 이루어지고, 또한 블랭크 캐리어(bls&k carrier)의 브릿지 (bridge) 폭이 작기 때문에 발생할 수 있는 문제를 해결 하기 위해 버튼 (button) 방식에 의한 pin-spring 쿠션을 이용하여 스트립이 원활히 이동되도록 하였고, 브릿지에 의한 영향을 최소화할 수 있도록 금형을 제작하였다,
그리고 미시적 관점에서 미세 성형 전·후의 미소 입 자의 분포를 알아보기 위해 시편의 각 부분별로 단면 표 면의 금속 결정을 관찰하였다. Figure 12에는 금속 결정 측정부위를 나타내었다.
그리고 성형 해석과정에 있어서 굽힘 (bending)에 의한 두께변형률은 5―절점 적분점(five through-thickness integration points)을 이용하여 변형된 요소로부터 측정하였다. 또한 LS-DYNA3D의 아워그래스 제어 기법은 zero-energy의 운동학적 변형 모드를 적용하였다.
해석 하고자 하는 부품은 정사각 대칭 형상이므로 % 모델을 묘사하였다. 또한, SPCE 재질의 블랭크는 판재 성형후 의 사각 코너부의 두께 분포를 비교하기 위해 4-절점 사각 쉘 요소와 8-절점 육면체 요소로 각각 모델링 하였다. 이 두 가지의 요소 형태들은 미세 부품 성형 과정 에서의 벌크(bulk) 성형 특성을 고려하기 위해 블랭크의 요소 형태로 정의한 것이다.
또한, 유한요소 해석 기법을 이용한 체계적인 접근법 으로 매우 작은 사각 케이스의 성형 공정 설계를 수행하였다. 그리고 아주 얇은 판재의 두께에 따른 벌크(bulk) 변형 거동 등의 미세 성형 효과를 고려하기 위호H, 4-절 점 쉘 요소와 8-절점 육면체 요소를 미세 성형에서의 해석과 설계에 이용하였으며, 또한 시제품 제작 등의 실험을 통해 유한요소 해석 결과의 유효성을 입증하고자 노력하였다.
미세 성형 후의 변형 양상과 성형품의 미시구조(micr -ostructure)의 변화를 조사하기 위해 앞서 정의된 각 단면의 표면 입자 분포를 전자현미경을 통해 측정하였다. Fig.
미세 성형품의 유한요소 해석의 결과와 미세 성형 실 험의 결과를 본 논문에서 비교 검토하였다. 주된 비교의 대상은 사각 코너부에서의 두께 분포이었다.
변위 4이었으며, 블랭크 홀더력을 200N에서 400N까지 변화시켜 가면서 해석을 수행하였다. 그 결과 블랭크 홀 더력이 약 260N일 때 유효 변형률은 상부 코너에서 1.
초소형 진동모터 케이스의 성형 공정은 블랭킹, 드 로잉, 사이징, 피어싱, 그리고 트리밍의 총 5단계의 공정 으로 이루어져 있다. 본 부품을 제작하기 위해 실제 전 진 금형을 제작하였다. 실험에 사용된 블랭크 소재는 냉 간 압연 강인 SPCE이었으며, 윤활재는 태핑유(tapping oil)를 사용하였다.
블랭크의 8-절점 육면체 요소 타입에 대한 유한요소 해석을 위해 두 개의 층(layer)을 가지는 대칭 조건의 1/4 모델을 유한요소 모델링 하였다. 이 해석에서는 경 계 조건 및 펀치와 다이, 블랭크 홀더 등은 앞서 수행된 4-절점 쉘 요소의 유한요소 해석 조건과 동일하게 적용 하였다.
5는 두께분포는 각각 나타내고 있다. 유한요소해석에서 펀치의 변위는 4 ㎛로 적용하였으며, 블랭크 홀더력은 200N에서 400N까 지 변화시켜가면서 해석을 수행하였다. 해석 수행 결과 로부터 블랭크 홀더력이 약 260N일 때 사각코너부의 최 소두께가 0.
본 미세 성형 실험에서 원활한 내부 접촉면 사이의 마찰을 위해 사용한 윤활재는 태핑유이다. 프레스는 펀 치가 변위 제어되는 동안 블랭크 홀더력 제어를 통해 실험을 수행하였다 미세 성형 실험에서 블랭크 홀더력은 250N~300N 범위에서 수행하였으며 펀치의 변위는 4mm 로 일정하게 적용시켰다.
소성 유한 요소 프로그램인 LS-DYNA3D를 이용하였다. 해석과정 에서는 요소의 심한 뒤틀림이 발생했을 경우 적절한 계 산 시간을 유지하면서 굽힘 (bending) 이나 휨 (twist)과 같은 복잡한 변형 조건하에서도 사각 컵 해석의 유효한 결과를 유도할 수 있는 벨리츠코-짜이(Belytschko-Tsay) 쉘/브릭(shell/brick) 요소를 해석에 적용하였다. 그리고 위의 적용되어진 요소들이 가지는 축소 적분의 형태는 Flanagan 등이 제안한 아워그래스(hourglass) 제어 기법을 포함하고 있다.

대상 데이터

10에서는 미세 성형 부품인 진동모터 케이스의 각 치수 및 최종 형상을 나타내었다. 그리고 실험 시편의 두께 측정은 1/100mm 까지 측정 가능한 마이크로 미터(micro-meter)를 사용하였다.
미세 성형 공정에 사용된 소재는 폭 30mm, 블랭크의 크기는 반경 8.9mm, 판재 두께 0.4mm인 스트립 (strip)을 사용하였다. 또한, Fig.
이 해석에서는 경 계 조건 및 펀치와 다이, 블랭크 홀더 등은 앞서 수행된 4-절점 쉘 요소의 유한요소 해석 조건과 동일하게 적용 하였다. 블랭크를 구성하는 요소(element)의 총 수는 3360개이고, 소재의 두께는 0.4im로 정의되었다.
본 부품을 제작하기 위해 실제 전 진 금형을 제작하였다. 실험에 사용된 블랭크 소재는 냉 간 압연 강인 SPCE이었으며, 윤활재는 태핑유(tapping oil)를 사용하였다.

이론/모형

해석과정 에서는 요소의 심한 뒤틀림이 발생했을 경우 적절한 계 산 시간을 유지하면서 굽힘 (bending) 이나 휨 (twist)과 같은 복잡한 변형 조건하에서도 사각 컵 해석의 유효한 결과를 유도할 수 있는 벨리츠코-짜이(Belytschko-Tsay) 쉘/브릭(shell/brick) 요소를 해석에 적용하였다. 그리고 위의 적용되어진 요소들이 가지는 축소 적분의 형태는 Flanagan 등이 제안한 아워그래스(hourglass) 제어 기법을 포함하고 있다.(3)
그리고 성형 해석과정에 있어서 굽힘 (bending)에 의한 두께변형률은 5―절점 적분점(five through-thickness integration points)을 이용하여 변형된 요소로부터 측정하였다. 또한 LS-DYNA3D의 아워그래스 제어 기법은 zero-energy의 운동학적 변형 모드를 적용하였다.
본 해석에서의 지배방정식은 가상일의 원리로부터 범 함수식을 채용하였으며 아래와 같다.
사각 컵 드로잉 공정의 수치적 해석은 외연적 유한요 소 프로그램인 LS-DYNA3D의 LS-940 버전(version)을 이용하여 수행하였다. 또한 유한요소 모델링은 상용 전 .
본 연구에서의 유한요소 해석은 외연적 강.소성 유한 요소 프로그램인 LS-DYNA3D를 이용하였다. 해석과정 에서는 요소의 심한 뒤틀림이 발생했을 경우 적절한 계 산 시간을 유지하면서 굽힘 (bending) 이나 휨 (twist)과 같은 복잡한 변형 조건하에서도 사각 컵 해석의 유효한 결과를 유도할 수 있는 벨리츠코-짜이(Belytschko-Tsay) 쉘/브릭(shell/brick) 요소를 해석에 적용하였다.
또한 유한요소 모델링은 상용 전 . 후처리 프로그램인 FEMB를 사용하였다.

성능/효과

그리고, 수치적 해 석방법 또한 일반적인 금속성형방법과는 달리 재료 유동 (metal flow) 해석이나 금형 설계 방법 측면에서 미세 성형 공정에 직접적으로 적용되기가 매우 어렵다.(3) 또한 크기효과(size effect)라고 하는, 크기에 의존하는 미세성 형 문제의 해결을 위해 기존의 해석 방법으로는 원활한 해석 과정 및 결과를 도출할 수 없다. 이 크기효과는 미 세 성형을 위한 블랭크 형상, 표면 형태 그리고 윤활 상 태와의 상관성에 관계되는 것으로 알려져 있다.
변위 4이었으며, 블랭크 홀더력을 200N에서 400N까지 변화시켜 가면서 해석을 수행하였다. 그 결과 블랭크 홀 더력이 약 260N일 때 유효 변형률은 상부 코너에서 1.31 로 나타났으며 사각 코너부의 유효 변형률은 0.73으로 이때의 두께는 0.22imn였다.
29로 나타났다. 그리고, 사각 코너부 에서의 유효 변형률은 각각 0.84와 0.73으로 나타났고, 이때의 두께는 각각 0.19mm와 0.22mm로 조사되었으며, 미 세 성형 실험 후의 두께는 0.24mni로 이는 약간의 벌크 성형 특성을 갖는 미세 판재 성형에서 육면체 요소를 적 용할 수 있다는 것을 의미한다.
실험으로부터 얻어진 최종 제품의 형상 및 치수는 설계 치수와 비교하 였을 때 매우 양호한 결과를 도출 할 수 있었다. 또한 2.5절에서의 유한요소 해석 결과와 최종 제품의 실제 두 께를 비교하였을 때 최종 부품의 사각 코너부의 최소 두 께가 0.24im 정도로 유한요소 해석의 결과인 0.22mm와 매우 유사한 값을 지니고 있었다.
유한요소 해석 결과 미세 성형 해석 후 4-절점 쉘 요 소와 8-절점 육면체 요소 모두 두께분포의 차이는 그리 크지 않은 것으로 나타났다. 또한, 유한요소 해석 결과로 는 상부 코너부에서의 최대 유효 변형률은 4-절점 쉘 요소와 8-절점 육면체 요소가 블랭크 홀더력이 약 260N 일 때 각각 1.31과 1.29로 나타났다. 그리고, 사각 코너부 에서의 유효 변형률은 각각 0.
미시 구조에서의 평균 입자 크기 측정 실험의 결과로 는 B-B' 단면이 A-A' 단면에서의 크기보다 약 2배정도 더 큰 것으로 조사되었다. 이는 A-A, 단면에서의 소재 는 충분한 국소 소성 변형의 영향을 받지 않은 반면에, B-B' 단면에서의 소재는 펀치력과 아랫 다이의 마찰, 그리고 국소 소성 변형에 영향을 상대적으로 많이 받은 때문이다.
11은 미세 성형 부품인 휴대폰용 사각 케이스의 성형 과정 및 최종 제품을 보여주고 있다. 실험으로부터 얻어진 최종 제품의 형상 및 치수는 설계 치수와 비교하 였을 때 매우 양호한 결과를 도출 할 수 있었다. 또한 2.
유한요소 해석 결과 미세 성형 해석 후 4-절점 쉘 요 소와 8-절점 육면체 요소 모두 두께분포의 차이는 그리 크지 않은 것으로 나타났다. 또한, 유한요소 해석 결과로 는 상부 코너부에서의 최대 유효 변형률은 4-절점 쉘 요소와 8-절점 육면체 요소가 블랭크 홀더력이 약 260N 일 때 각각 1.
유한요소해석에서 펀치의 변위는 4 ㎛로 적용하였으며, 블랭크 홀더력은 200N에서 400N까 지 변화시켜가면서 해석을 수행하였다. 해석 수행 결과 로부터 블랭크 홀더력이 약 260N일 때 사각코너부의 최 소두께가 0.194mm로 나타났다.

후속연구

향후 미소 인장 실험을 통하여 보다 정확한 미세 성 형품의 기계적 성질을 파악하여 크기 효과를 고려한 유 한요소 해석을 수행 할 것이다. 또한 미세 성형품의 완 성도를 나타내는 전체적인 코너부의 두께 분포 및 두께 방향의 평균 입자 크기를 조사하여 미세 성형시의 재료 거동 특성 등의 연구를 수행 할 것이다.
향후 미소 인장 실험을 통하여 보다 정확한 미세 성 형품의 기계적 성질을 파악하여 크기 효과를 고려한 유 한요소 해석을 수행 할 것이다. 또한 미세 성형품의 완 성도를 나타내는 전체적인 코너부의 두께 분포 및 두께 방향의 평균 입자 크기를 조사하여 미세 성형시의 재료 거동 특성 등의 연구를 수행 할 것이다.

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