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문제 정의
- 본 연구는 자동차용 냉연강판의 스프링백 특성평가를 기초로 스프링백의 예측. 저감 기술을 확보하는데 목표를 두고 수행되었다.
- 이는 주로 판재성형 공정의 동적-외연적 (dynamic-explicit) 해석을 위한 상용 유한요소 프로그램이다. 사용된 재료와 블갱크홀더 가압력 (blank holding force)의 크기, 비닐 윤활 여부에 따라 총 16가지의 해석이 수행되었으나, 본 연구는 판재의 스프링백 특성 평가가 목적이기 때문에 비닐 윤활, 블랭크홀더 가압력 200kN, 두께 1.0mm 의 자동차용 고강도 강판(SPRC)의 경우만 분석하기로 한다.
- 기초로 스프링백의 예측. 저감 기술을 확보하는데 목표를 두고 수행되었다.
제안 방법
- 정리하였다. 3차원적 스프링백 특성 평가를 위하여 NUMISHEET ‘96 벤치마크 모델로 제시된 내용을 토대로 S-레일 성형용 금형 세트를 직접 제작하고 성형시험을 수행하였다. 그리고 스프링백 특성 평가의 정확도를 높이기 위해 S-레일 성형공정에 대한 유한요소해석을 수행하여 그 결과를 실험값과 비교 .
- S-레일 성형 및 스프링백 실험의 검증을 위하여 NUMISHEET '96 벤치마크에서 제시한 내용을 토대로 일반강판 'SPCEN'과 고강도강판 'SPRC' 재료에 대한 3차원 측정을 수행하였다.
- S-레일 성형 및 스프링백 해석 기법의 검증을 위하여 비닐 윤활한 SPRC 재료에 대하여 성형공정 및 스프링백 해석을 수행하였다. 해석결과와 실제 성형한 걸과들과 비교하였다.
- 금형세트를 다이 프레임에 장착하고 100 ton 유압 프레스를 사용하여 S-레일 성형시험을 수행하였다. 실험조건으로는 블랭크홀더 가압력 (blank balding force ; BHF)을 실험 하한점 60kN(S-레일 성형제품에 주름이 발생하기 시작하는 최소의 힘) 과 상한점 300kN 사이에서 7가지 정도로 변화시키며 실험하였으며, 실험 전에 소재판의 양쪽 표면은 독일 Fuchs사의 윤활제 4107s룬 얇게 도포하였다.
- 인장 시험편은 압연방향으로부터 0° 45: 90° 방향으로 각 3장의 시편을 KS B 0801 13B호 규격으로 채취하였다. 만능시험기 (universal testing machine; UTM)에서 크로스헤드 속도를 20mm/min으로 인정하게 유지하여 시험하였으며, 용량 10tonel 하중계 (load cell) 와 표점거리 50mm 의 신율게 (extensometer)를 통하여 PC로 입력되는 하중-변위 데이터를 진응력-진변형률 곡선으로 변환한 다음 주요 물성치를 구하였디..
- 본 연구에서는 스프링백 특성평가를 위해 자동차용 냉연강판인 SPCEN, SPRC 등 2종의 재료를 사용하여 NUM1SHEET, 96에 제시된 S레일 금형을 제작하고 성형 실험과 유한요소해석을 수행하였다. 스프링백 양은 3차원 자동 곡면정보분석시스템 (Automated Surface Information Analysis System; ASIAS)[6]을 사용하여 측정하였다.
- 15는 각각 스프링백이 일어 난 후의 주변형률 및 두께변형률 분포에 대하여 유한요소해석과 실험의 결과를 비교한 것이다. 실험 결과는 스테레오비전과 화상처리기술을 이용한 자동 곡면 정 보분석시 스 템 (ASIAS)[6] 으로 측정한 것이다. 주변형률과 두께변형률 공히 그 정량적 크기는 실험과 해석에서 약간의 차이가 있으나 전체적인 분포 양상에서는 흡사한 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 실험조건으로는 블랭크홀더 가압력 (blank balding force ; BHF)을 실험 하한점 60kN(S-레일 성형제품에 주름이 발생하기 시작하는 최소의 힘) 과 상한점 300kN 사이에서 7가지 정도로 변화시키며 실험하였으며, 실험 전에 소재판의 양쪽 표면은 독일 Fuchs사의 윤활제 4107s룬 얇게 도포하였다. 블랭크홀더 가압력 200kN의 경우에는 소재 표면에 3×3mm의 정사각형 격자를 전기화학적 부 (electro-chemical 아:ching)으로 인쇄하고 윤활유와 비닐을 함께 윤활제最 사용하였다.
- 우선 일반강판(SPCEN)과 고강도 강판(SPRC)의 두 가지 재료에 대한 인장시험을 실시하여 주요물성치를 파악. 정리하였다.
- 자동차용 냉연강판 금속판재의 기계적 성질을 측정하기 위하여 인장시험을 실시하였다. 인장 시험편은 압연방향으로부터 0° 45: 90° 방향으로 각 3장의 시편을 KS B 0801 13B호 규격으로 채취하였다.
- 분석하였다. 재료별 스프링 백 양의 분석, 성헝 중 펀치하중의 변화에 따른 분포, 윤활 상태에서의 분포를 주요 물질 점들의 위치, 3가지 단면에 따른 주변형률 분포, 길이방향 단면 B”, G” 를 따른 Z-좌표의 분포 변화를 분석하였다.
- 및 스프링백 해석을 수행하였다. 해석결과와 실제 성형한 걸과들과 비교하였다.
대상 데이터
- S-레일 성형시험에 사용된 시편은 인장시험에서 사용한 같은 두께, 같은 재질인 자동차용 냉연강판인 SPCEN(l.Ot), SPRC(l.Ot) 소재를 사용하였다. S-레일 성형시험용 금형은 NUMISHEET '96 벤치마크 문제에 제시된 형상과 치수대로 Fig.
- Ot) 소재를 사용하였다. S-레일 성형시험용 금형은 NUMISHEET '96 벤치마크 문제에 제시된 형상과 치수대로 Fig. 1과같이 제작하여 사용하였다.
- SPRC 재료에 규칙적으로 배열된 3.588개의 초기 유한요소망을 사용하였다. 이 초기 유한요소 모델은 성형해석 중 1회의 적응요소세분화를 적용하여 약 10, 000개의 요소로 세분화된다.
- 인장 시험편은 압연방향으로부터 0° 45: 90° 방향으로 각 3장의 시편을 KS B 0801 13B호 규격으로 채취하였다. 만능시험기 (universal testing machine; UTM)에서 크로스헤드 속도를 20mm/min으로 인정하게 유지하여 시험하였으며, 용량 10tonel 하중계 (load cell) 와 표점거리 50mm 의 신율게 (extensometer)를 통하여 PC로 입력되는 하중-변위 데이터를 진응력-진변형률 곡선으로 변환한 다음 주요 물성치를 구하였디.
데이터처리
- (4) S-레일 성형 문제를 상용 유한요소 프로그램인 PAM-STAMP를 사용하여 해석하였다. 해석 결과를 비교할 때 펀치하중의 변화는 비교적 잘 일치하였으나, 변형률의 분포는 차이를 보인다.
- 3차원적 스프링백 특성 평가를 위하여 NUMISHEET ‘96 벤치마크 모델로 제시된 내용을 토대로 S-레일 성형용 금형 세트를 직접 제작하고 성형시험을 수행하였다. 그리고 스프링백 특성 평가의 정확도를 높이기 위해 S-레일 성형공정에 대한 유한요소해석을 수행하여 그 결과를 실험값과 비교 . 분석하였다.
- 스프링백 양은 3차원 자동 곡면정보분석시스템 (Automated Surface Information Analysis System; ASIAS)[6]을 사용하여 측정하였다. 유한요소해석에 필요한 소재의 물성 데이터는 인장시험을 통하여 구하였으며, 상용 유한요소해석 프로그램인 PAM-STAMP171 를 이용하여 해석함으로써 소재의 스프링백 특성을 비교, 평가하였다.
이론/모형
- 이 초기 유한요소 모델은 성형해석 중 1회의 적응요소세분화를 적용하여 약 10, 000개의 요소로 세분화된다. 소재와 금형 간의 모든 접촉면에서는 Coulomb의 마찰조건을 적용하였다. SPRC재료에 대한 유한요소 해석에 입 력된 주요 공정 변수와 수치변수, 소요된 CPU 시간은 Table 3에 정리하였으며, 재료의 주요 물성치는 Table 2의 인장시험 결과와 같다.
- 스프링백 양은 3차원 자동 곡면정보분석시스템 (Automated Surface Information Analysis System; ASIAS)[6]을 사용하여 측정하였다. 유한요소해석에 필요한 소재의 물성 데이터는 인장시험을 통하여 구하였으며, 상용 유한요소해석 프로그램인 PAM-STAMP171 를 이용하여 해석함으로써 소재의 스프링백 특성을 비교, 평가하였다.
성능/효과
- 7은 단면 B'G〃를 따른 Z-좌표의 분포이다. 전체적으로 B” 점에서 G” 점 쪽으로 완만하게 Z-조}■표가 감소하며, B" 점으로부터 약 130mm 떨어진 부분에서 폭 약 35mm, 최대높이 0.6~0.8 mm 정도의 주름이 발생한 것을 알 수 있다.
- (1) 스프링백 특성을 연구하기 위해 NUMISIIEET 96' 벤치마크 문제인 S-레일 시험한 결과 일반적으로 일 반강판 (SPCEN) 보다 고강도강판 (SPRC) 재료의 경우 스프링백의 양이 크다는 사실을 확인하였다.
- (2) 실험으로부터 블랭크홀더 가압력이 클수록 스프링 백 양이 감소한다는 일반적인 사실이 확인되었다.
- (3) 윤활유로만 윤활한 경우(블랭크홀더 가압력 1000)보다 비닐과 윤활유를 동시에 한 경우(블랭크 홀더 가압력 200kN)가 블랭크홀더 가압력의 변화에 영향을 덜 받으며, 블랭크홀더 가압력이 커도 재료의 유입은 더 좋고 스프링백 양도 감소한다는 사실을 확인하였다.
- 11은 펀치 행정에 따른 펀치 하중의 변화를 나타낸 것이다. 실험에서는 약 12mm, 해석에서는 약 15mm의 펀치 행정까지 하중이 급격히 증가하다가 이후 완만한 증가를 보인다. 최대 하중은 실험과 해석에서 약 6kN의 차이를 나타내고 있는데, 그 주원인은 성형 도중 마찰상대의 변화인 것으로 생각된다.
- 해석 결과를 비교할 때 펀치하중의 변화는 비교적 잘 일치하였으나, 변형률의 분포는 차이를 보인다. 이는 변형률 측정상의 오차에 주로 기인하는 것으로 판단된다.
후속연구
- (5) 이상의 실험과 유한요소해석에서 얻은 결과들은 금속 판재에서 스프링백 특성 평가 예측에 필요한 자료로 활용될 수 있다.
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