[논문]하이드로포밍 성형성에 미치는 공정인자 영향도 해석

김봉준; 김정운; 문영훈

doi:10.5228/kspp.2002.11.1.054

문제 정의

본 실험에 사용된 금형 cavity 형상은 자동차의 collec tor로 사용되는 원통형 단면으로 단순확관실험에서 얻은 data를 기본으로 축방향 feeding을 가하여 최적의 loadin g path를 잡고, 관재의 변형 특성을 파악하는 것이 본 실험의 목적이다.
본 실험에서는 축방향 feeding을 가하지 않고, 내부압력의 변화에 따른 시편의 bulging height를 측정하여, 관재의 압력구간에 따른 확관속도의 차이를 확인하였으며, 이 결과를 축방향 feeding이 작용하는 실험에서 관재의 액압성형성을 개선시키는데 응용하였다.
T자 형상은 비대칭적 복합튜브연결 부품에 관련하여 가장 기본적인 형태로서 하이드로포밍의 주요 생산품들의 기본이 된다. 이에 본 연구에서는 T-fitting forming 실험을 통해 확관부가 좁고 비대칭적 구조로 인해 내부 압력과 축방향 feeding양, 그리고 마찰력 등의 공정변수 들이 어떠한 영향을 끼치는지 확인하고 각각의 공성 조건에 따른 시편의 변형 특성을 파악하는 것이 본 실험의 목적이다. 본 실험에 사용된 소재는 일반구조용 탄소강관 STBH 410(외경 S63.

제안 방법

Fig. 9와 Fig. 10은 원통형 단면 성형실험에서의 관재의 변형 양상을 PAM STAMP로 해석한 것이며, 이를 실제 실험에 적용하면, 여리 공정 조건에 따라 각각 다르게 나타난 성형 보드를 각각 A type(bursting), B type (sound workpiece), C type(wrinkling)으로 구분 짓고 각각의 성형양상에 대해 분석해 보았다.(Fig.
관재의 기계적인 물성치를 측정하기 위해 관재의 길이 방향으로 weld line측과 그 반대측에서 JIS 13B 규격의 (Fig. 8) 시편을 각각 추출하여, 인장시험을 수행하였으며, 이 값을 시뮬레이션에 응용하였다.
따라서 본 연구에서는 기계구조용 탄소강관 STKM 12A와 일반구조용 강관인 STBH 410, SPS 290을 사용하여 단순확관시험, 원통형 단면 성형실험, T-fitting hydroforming 등의 실험을 행하였다. 그 결과로부터 하이드로포밍시 관재의 변형 특성과 성형성 개선을 위한 공정인자의 영향도를 분석했으며, 실험 전후에 행한 시 뮬레이션 결과와 비교, 분석하였다.
본 실험에서는 임의의 구간을 나누어 각각의 압력에 따른 radial expansion양을 측정하였다. Fig.
전체 죽방향 feeding양을 38mm, feeding이 시작되는 압력을 각각 31.5, 40.1, 47.5 57.96MPa로 두고, 각 초기 압력에 따른 여러 기울기의 loading curve를 이용하여 실험하였다. 본 실험에 사용된 금형의 확관부 직경은 0 80mm, 길이는 4Qmm이고 transition zone에서의 반경은 10mm 이다.
주요 공정변수인 축방향 feeding양과 내부압력에 따라 branch부의 bulging height와 끝단부 형상이 어떻게 변하는지 확인하기 위해 feeding양은 일정하기 유지하면서 압력 변화량을 달리하거나 최대 내부압력을 고정하고 feeding양은 12, 37, 52mm로 증가시키면서 실험하였다.

대상 데이터

하이드로포밍실험에 사용된 실험장치는 4주형 하향식 hydraulic press 800kN의 고압생성장치로 증압기 (intens ifier 200MPa)가 있으며, 좌우에 800kN의 hydraulic feeding cylinder가 장착되었고, 유압을 공급하는 servo hydraulic unit 등으로 구성된다.(Fig. 1) 본 실험에 사용된 관재는 기계구조용 탄소강관 STKM 12A(외경 Φ 50.8, 두께 2.6t, 길이 300mm)를 선택하였다.
96MPa로 두고, 각 초기 압력에 따른 여러 기울기의 loading curve를 이용하여 실험하였다. 본 실험에 사용된 금형의 확관부 직경은 0 80mm, 길이는 4Qmm이고 transition zone에서의 반경은 10mm 이다.
이에 본 연구에서는 T-fitting forming 실험을 통해 확관부가 좁고 비대칭적 구조로 인해 내부 압력과 축방향 feeding양, 그리고 마찰력 등의 공정변수 들이 어떠한 영향을 끼치는지 확인하고 각각의 공성 조건에 따른 시편의 변형 특성을 파악하는 것이 본 실험의 목적이다. 본 실험에 사용된 소재는 일반구조용 탄소강관 STBH 410(외경 S63.5, 두께 3.2t, 길이 220mm)를 선택하였다.
본 실험은 feeding이 시작되는 압력을 각각 31.5, 40.1, 47.5, 57.96MPa로 두고, 여러 기울기의 loading curve를 사용하였다.(Fig.
하이드로포밍실험에 사용된 실험장치는 4주형 하향식 hydraulic press 800kN의 고압생성장치로 증압기 (intens ifier 200MPa)가 있으며, 좌우에 800kN의 hydraulic feeding cylinder가 장착되었고, 유압을 공급하는 servo hydraulic unit 등으로 구성된다.(Fig.

데이터처리

따라서 본 연구에서는 기계구조용 탄소강관 STKM 12A와 일반구조용 강관인 STBH 410, SPS 290을 사용하여 단순확관시험, 원통형 단면 성형실험, T-fitting hydroforming 등의 실험을 행하였다. 그 결과로부터 하이드로포밍시 관재의 변형 특성과 성형성 개선을 위한 공정인자의 영향도를 분석했으며, 실험 전후에 행한 시 뮬레이션 결과와 비교, 분석하였다.

성능/효과

(1) 단순확관시험의 경우 확관율은 radial expansion 변화량에 따라 대략 3개의 구간으로 특징지을 수 있으며, 특정압력에 이르면 radial expansion양이 큰 폭으로 증가하다가 관재의 가공경화로 인해 변화량이 낮아지기 시작한다.
(2) 원통형 단면 성형실험의 경우 확관 중심부가 성형 초기에 터짐현상 없이 다이에 먼저 닿이면 결함 없는 성형품을 얻을 수 있으며, 결함없는 성형품을 얻기 위해서는 fading 개시를 위한 특정압력이 존재하였다. 시뮬레이션 해석 결과 최종 성형품의 형상은 공정 중의 관재의 변형 양상 추이에 따라 다르며, 특정 deformation mode 에서 결함없는 성형품을 얻을 수 있다.
(3) T-fitting hydroforming 실험의 경우 내부압력이 클 경우, branch부의 끝단에 thinning 현상이 발생하여 길이방향 원주방향의 형상 반경이 작아져 dome 형상을 가지나 낮은 압력이 작용할 경우 끝단 형상은 평평해진다. axial feeding양이 branch부로 유입되는 소재의 확관량을 결정하며, 내부압력은 크기가 클 경우 확관을 돕기는 하나, branch 내부의 소재들이 국부적인 thinning현 상이 생기도록 한다.
08. 0.15, 0.22로 다르게 준 후 해석을 수행한 결과, 마찰계수가 작을수록 feeding으로 인한 소재의 이동이 원활해겨 중심부의 두께가 두꺼웠으나, 반면에 마찰계수가 클수록 중심부로의 소재 유입이 어려워져 관재 끝부분의 두께 증가가 두드러지게 나타났다. 이것은 마찰계수가 큰 경우 축방향 feeding force에 의한 압축응력이 관재의 끝부 분과 중심부에서 차이가 나기 때문이며, 이때 내부압력과 마찰계수가 더 증가할 경우 그 차이는 더 커진다.
(Fig. 4) Feeding이 시작하는 초기압력이 40.1MPaa 때 loading curve의 최적 경로의 범위가 가장 넓었고, pressure가 feeding에 대해 일정할 때 가장 좁았다. 이 결과를 미루어 보면 초기에 확관 속도가 빨라지기 시작할 때, 즉 내부압력이 47.
axial feeding양이 branch부로 유입되는 소재의 확관량을 결정하며, 내부압력은 크기가 클 경우 확관을 돕기는 하나, branch 내부의 소재들이 국부적인 thinning현 상이 생기도록 한다. 또한 시뮬레이션 결과 마찰계수가 클수록 소재의 확관부로의 유입량이 작아서 국부적인 thinning 현상이 발생한다.
(2) 원통형 단면 성형실험의 경우 확관 중심부가 성형 초기에 터짐현상 없이 다이에 먼저 닿이면 결함 없는 성형품을 얻을 수 있으며, 결함없는 성형품을 얻기 위해서는 fading 개시를 위한 특정압력이 존재하였다. 시뮬레이션 해석 결과 최종 성형품의 형상은 공정 중의 관재의 변형 양상 추이에 따라 다르며, 특정 deformation mode 에서 결함없는 성형품을 얻을 수 있다.

후속연구

또한 주로 박판 성형에 사용되는 비수용성 윤활제는 압력매체에 끼치는 영향을 려하여, 사용되지 않는다. 그 외에 금형과 관재의 사용 소재와 workpiece 형상, sliding velocity 등에 따라 마찰 상태의 영향도가 다르므로 이에 관련한 마찰조건 개선을 위한 다각적인 연구가 진행되어야 할 필요가 있다.

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