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문제 정의
- 본 연구에서는 비교적 간단한 하이드로포밍 공정을 대상으로 기초연구를 수행하였다. 이 공정에서는 원통형 튜브를 축방향으로 압축하며 동시에 수압을 가하여 튜브 중앙부위를 확관한다.
- 본 연구에서는 튜브 확관 공정을 대상으로 하이드로포밍에 대한 기초연구를 수행하였다. 튜브에 불균일하게 분포된 기계적 성질을 분석하기 위하여 인장실험, 미세조직 관찰, 경도실험을 수행하였다.
제안 방법
- 이러한 현상을 규명하기 위하여 다음과 같은 연구를 수행하였다. 첫째, 튜브의 용접부와 비 용접부의 기계적 성질과 미세조직을 파악하였다. 둘째, 판재 성형해석 전용 프로그램인 PAM-STAMP 와 강소성 유한요소 해석 프로그램인 DEFORM을 이용하여 여러가지 조건하에서 튜브의 변형을 해석하였다.
- 첫째, 튜브의 용접부와 비 용접부의 기계적 성질과 미세조직을 파악하였다. 둘째, 판재 성형해석 전용 프로그램인 PAM-STAMP 와 강소성 유한요소 해석 프로그램인 DEFORM을 이용하여 여러가지 조건하에서 튜브의 변형을 해석하였다. 셋째, 성형 중 튜브의 버스팅 현상을 분석하기 위하여 시편의 두께 분포측정과 유한요소해석을 수행하였다.
- 둘째, 판재 성형해석 전용 프로그램인 PAM-STAMP 와 강소성 유한요소 해석 프로그램인 DEFORM을 이용하여 여러가지 조건하에서 튜브의 변형을 해석하였다. 셋째, 성형 중 튜브의 버스팅 현상을 분석하기 위하여 시편의 두께 분포측정과 유한요소해석을 수행하였다. 특히 유한요소해석 에 필요한 튜브의 유동응력 을 구하기 위 하여 인장실험 외에 링 측방 압축실험 (ringsidepressing) 을 수행하였다.
- 셋째, 성형 중 튜브의 버스팅 현상을 분석하기 위하여 시편의 두께 분포측정과 유한요소해석을 수행하였다. 특히 유한요소해석 에 필요한 튜브의 유동응력 을 구하기 위 하여 인장실험 외에 링 측방 압축실험 (ringsidepressing) 을 수행하였다.
- 2장에 있다. 이러한 해석결과로부터 평편하게 펴진 시편에는 예비변형이 거의 없는 것으로 간주하여 인장실험을 수행하였다.
- 3과 같이 이 시편을 측방에서 압축하는 실험을 수행하였다. 이 실험으로부터 구한 하중-변위 선도에 링 측방 압축의 유한요소해석으로부터 구한 하중-변위 선도를 맞추었다. 이 방법을 몇 차례 반복하면서 유동응력을 수정하였으며, 최종적으로 실험으로 구한 하중-변위 선도에 잘 맞는 유동응력을 도출할 수 있었다.
- 본 연구에서 사용한 튜브의 제작에는 먼저 판재를 롤 포밍(roll forming)으로 튜브 형태로 말고 전기저항용접을 사용하였다. 용접시 접합을 용이하게 하기 위하여 압력을 가하므로 용융 부분은밖으로 밀려나고 열영향부 (HAZ; heat affected zone)가 용접선 또는 접합부위를 이루게된다.
- 이러한 성형과정에서 튜브에 발생하는 변형을 해석하기 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 PAM-STAMP를 이용하였다. 용접부와 변형의 상하 및 좌우 대칭성을 고려하여 튜브의 4분의 1 을 모델링 하였다. 이 모델의 유한요소해석을 위하여 길이방향으로 118개의 유한요소를, 원주 방향으로 20개의 유한요소를 사용하였다.
- 위에서 언급한 인장실험과 링 측방압축 실험으로 구한 기계적 물성치를 사용하여 유한요소해석을 수행하였으며, 결과로 여러 공정조건에서 발생하는 변형의 차이점을 분석할 수 있었다. 해석에서 사용한 여러 공정조건은 다음과 같다: (a) 튜브만 압축한 경우(튜브내 유체 없음), (b) 튜브 내 유체를 유지하고 압축한 경우, (c) 과다한 유압을 적용한 경우, (d) 적절한 유압과 금형 속도를 적용한 경우.
- 흐十고!:돈! 중앙부 원주방향으로의 두께분포 측정결과와 PAM-STAMP를 사용하여 구한 해석결과를 비 교하였다. 초기 튜브의 두께는 용접선 부위 만 2.
- 따라서 본 연구에서 관찰된 크랙 발생의 원인은 다음과 같이 판단뇐다: (1) 튜브의 용접부와 나머지 부위의 상이한 기계적 성질, (2) 금형의 변위에 대한 압력이 과다하게 적용되어 확관부에 이축 인장응력(biaxial tension)이 반생, (3) 이로 인하여 특히 용접 선 좌우 15 —17 mm 위 치에 넥킹이 발생하고 크랙으로 진전.
- 튜브에 불균일하게 분포된 기계적 성질을 분석하기 위하여 인장실험, 미세조직 관찰, 경도실험을 수행하였다. 특히 링 측방압축 실험을 수행하여 보다 넓은 변형률 범위에서의 유동응력을 도출할 수 있었다.
- 특히 링 측방압축 실험을 수행하여 보다 넓은 변형률 범위에서의 유동응력을 도출할 수 있었다. 상용 유한요소해석 프로그램을 사용하여 여러가지 공정조건에 튜브의 확관 변형에 미치는 영향을 파악하였으며, 크랙의 발생 원인을 분석하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
- 6mm로써 비교적 두꺼우므로 인장실험과 더불어 압축실험을 수행할 수 있었으며, 따라서 보다 넓은 변형률 범위에서 유동응력을 구할 수 있었다. 즉, 튜브를 원주방향으로 절단하여 링 시편을 만들고, Fig. 3과 같이 이 시편을 측방에서 압축하는 실험을 수행하였다. 이 실험으로부터 구한 하중-변위 선도에 링 측방 압축의 유한요소해석으로부터 구한 하중-변위 선도를 맞추었다.
- 발생 위치는 용접선에서 원주방향으로 약 15~ 17mm 떨어진 지점이다. 이러한 크랙 발생 현상을 규명해보기 위하여 PAM-STAMP 해석결과를 분석 하여 보았다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 튜브는 기계구조용 강관인 STKM 12A이며 화학조성은 Table 1에 나타내었다. 하이드로포밍에서 발생하는 튜브의 불균일한 변형에 대한 이해와 이에 대한 유한요소해석을 수행하기 위해서는 튜브의 여러 위치에서의 기계적 성질을 파악하여야 한다.
- 광학현미경으로 미세조직을 관찰하기 위하여 Fig. 7과 같은 위치에서 시편을 채취하였다: (1) 용접선, (2) 용접선의 좌측 1mm 위치, (3) 용접 선의 우측 1mm 위치, (4) 용접선의 반대부위. 관찰 결과는 다음과 같다.
- 1 mm이다. 성형된 튜브는 길이가 197 mm, 확관된 중앙부의 외경은 80 mm이다. 이러한 성형과정에서 튜브에 발생하는 변형을 해석하기 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 PAM-STAMP를 이용하였다.
- 용접부와 변형의 상하 및 좌우 대칭성을 고려하여 튜브의 4분의 1 을 모델링 하였다. 이 모델의 유한요소해석을 위하여 길이방향으로 118개의 유한요소를, 원주 방향으로 20개의 유한요소를 사용하였다. 사용한 유한요소는 4절점, 감차적분을 적용한 셸 요소이며 두께방향으로 3개의 적분점을 설정하였다.
데이터처리
- 성형된 튜브는 길이가 197 mm, 확관된 중앙부의 외경은 80 mm이다. 이러한 성형과정에서 튜브에 발생하는 변형을 해석하기 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 PAM-STAMP를 이용하였다. 용접부와 변형의 상하 및 좌우 대칭성을 고려하여 튜브의 4분의 1 을 모델링 하였다.
성능/효과
- 7% 작게 나타났다. 즉, 용접선은 원주방향으로의 강도에는 거의 영향을미치지 않으나 원주방향으로의 연신률에는 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 시편 (3), (4), (5), ⑹의 기계적 성질을 비교하여 보면 (3)이 (4), (5), (6)에 비하여 항복강도와 인장강도는 높으나 연신률은 9-10% 낮게 나타났다.
- 즉, 용접선은 축 방향으로의 강도와 축방향으로의 연신률에 모두 영향을 크게 미치고 있음을 알 수 있다. 전체적으로 보면 시편 [2]는 낮은 연신률을, 시편 [3]은 높은 항복강도와 인장강도, 낮은 연신률을 나타내었다.
- 하지만 인장실험에서는 넥킹 발생 이 후의 값을 정확하게 구하기 어렵다. 본 연구에서 사용한 튜브는 두께가 2.6mm로써 비교적 두꺼우므로 인장실험과 더불어 압축실험을 수행할 수 있었으며, 따라서 보다 넓은 변형률 범위에서 유동응력을 구할 수 있었다. 즉, 튜브를 원주방향으로 절단하여 링 시편을 만들고, Fig.
- 이 실험으로부터 구한 하중-변위 선도에 링 측방 압축의 유한요소해석으로부터 구한 하중-변위 선도를 맞추었다. 이 방법을 몇 차례 반복하면서 유동응력을 수정하였으며, 최종적으로 실험으로 구한 하중-변위 선도에 잘 맞는 유동응력을 도출할 수 있었다. Fig.
- 6 mm로 측정되었다. 성형 후 튜브의 두께를 보면 용접선 부위 는 2.54 mm로 변함이 없고, 용접 선으로부터 약 15 mm 떨어진 위치에서 2.04 mm로 가장 얇게 나타났으며, 그 외의 부위에서는 평균 2.36 mm로 측정되었다. 유한요소해석 결과를 보면 측정 결과보다 전반적으로 작게 예측되었으나, 가장 얇아지는 지점은 용접선 좌우 15mm의 위치로 나타났으며, 이는 측정결과와 일치하고 있다.
- 36 mm로 측정되었다. 유한요소해석 결과를 보면 측정 결과보다 전반적으로 작게 예측되었으나, 가장 얇아지는 지점은 용접선 좌우 15mm의 위치로 나타났으며, 이는 측정결과와 일치하고 있다.
- 21에는 금형의 변위에 따른 중앙부 확관부위의 응력 예측결과를 도시하였다. 우선 (a)를 보면 원주방향 응력은 모두 양의 값을 나타내며 변위가 증가할수록 크기가 균일하게 증가하는 것을 알 수 있다. 하지만 변위 가 5.
- 튜브에 불균일하게 분포된 기계적 성질을 분석하기 위하여 인장실험, 미세조직 관찰, 경도실험을 수행하였다. 특히 링 측방압축 실험을 수행하여 보다 넓은 변형률 범위에서의 유동응력을 도출할 수 있었다. 상용 유한요소해석 프로그램을 사용하여 여러가지 공정조건에 튜브의 확관 변형에 미치는 영향을 파악하였으며, 크랙의 발생 원인을 분석하였다.
- (3) 용접선의 미세조직은 베이나이트로써 주로 열 영향 부로 이루어져 있음을 알 수 있었다.
- 08로 가장 높은 변형률을 나타냈다. 두 프로그램에서 예측된 두께 분포 및 변형률을 보면 성형된 소재의 가장 얇아지는 곳의 위치는 거의 일치하고 있다.
후속연구
- 하이드로포밍 기술은 자동차 산업에서 차체 및 샤시부품에 이미 적용되고 있으나 부분적인 적용으로써 전체적인 적용을 위해서는 앞으로도 더욱 많은 연구가 필요하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.