[논문]알루미늄 합금박판 비등온 성형공정 스프링백 해석용 유한요소 프로그램 개발 ( 1부 : 실험 )

금영탁; 유동열; 한병엽

doi:10.5228/kspp.2003.12.3.202

문제 정의

고온 인장실험의 목적은 온간 성형에서 스프링백현상을 유한요소해석법으로 시뮬레이션 하는데 필요한 입력데이터와 고온에서 소재가 갖는 기계적 성질을 고찰해보기 위함이다.
Zhang과 Lin(2)는스프링백을 예측하는 새로운 수학적 모델을 제시하고 기존의 모델과 비교하였다. 또한 공정변수와 재료 상수를 차례대로 변화시켜가며 스프링백에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. Wagoner 등은 박판 성형 공정에서의 정확한 응력해석이 스프링백 해석 결과에 미치는 영향에 대해 연구하였다’ 상용 프로:1램인 Z-Band와 LS-Nike/ Dyna를 통한 모사 실험결과와 실험결과를 비교 분석하였다.
본 연구에서는 알루미늄 합금 박판의 온간성형 기술에서 스프링백현상과 물성을 관찰하기 위하여 고온 인장실험, 스트레치 굽힘실험, 그리고 드로우 굽힘실험을 수행하였다.

제안 방법

5에 나타내었다. 다이의 어깨 반경은 10mm이고 펀치 코너 반경은 2mm로 하였으며, 클리어런스는 1.2mm 로 하고 뒤쪽에 무게추를달아 BHF를 조정하였다. 시편은 인장 시편 모양으로 제작하였으며 게이지부 길이는 60mm, 폭 14mm, 두께 0.
Wagoner 등은 박판 성형 공정에서의 정확한 응력해석이 스프링백 해석 결과에 미치는 영향에 대해 연구하였다’ 상용 프로:1램인 Z-Band와 LS-Nike/ Dyna를 통한 모사 실험결과와 실험결과를 비교 분석하였다. 또한, 2차원 박막요소를 이용한 성형해석 프로그램에 굽힘효과를 묘사할 수 있는 알고리즘을 도입하여 모사 결과와 실험치를 비교하는 연구를 수행하였다. Leu 등은 스프링백에 소성변형률비(云 )와 가공경화지수(n)의 영향을 고려하여 스프링백 예측에 대한 연구를 수행하였고 연구결과를 실험치 와 비교하였다.
비등온 박판성형에서 알루미늄 합금 박판의 스프링 백과 물성을 관찰하기 위하여, 고온 인장실험, 스트레치 굽힘 실험, 그리고 드로우 굽힘실험을 실시하였다. 이와 같은 일련의 알루미늄 합금 박판의 고온 성형실험으로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
실험을 실시하였다. 성형 온도에 따른 알루미늄 합금 박판 소재에 대한 드로우 굽힘실험을 위해 축소 금형을 제작하였으며 축소 금형의 형상 및 실험의 개략도를 Fig. 5에 나타내었다. 다이의 어깨 반경은 10mm이고 펀치 코너 반경은 2mm로 하였으며, 클리어런스는 1.
성형 온도에 따른 알루미늄 합금 박판 소재에 대한 스트레치 굽힘실험을 위해 스트레치 굽힘 성형용 축소 금형을 제작하였으며, 축소금형의 형상 및 실험의 개략도를 Fig. 3에 나타내었다. 다이의 어깨 반경은 10mm이고 펀치 반경은 2mm로 하였으며, 클리어런스는 1.
스트레치 굽힘실험과 마찬가지로 성형온도를 상온에서부터 시작하여 350℃까지 50℃간격으로 조정하면서 굽힘 성형 실험을 실시하였다. 성형 온도에 따른 알루미늄 합금 박판 소재에 대한 드로우 굽힘실험을 위해 축소 금형을 제작하였으며 축소 금형의 형상 및 실험의 개략도를 Fig.
2mm 로 하고 뒤쪽에 무게추를달아 BHF를 조정하였다. 시편은 인장 시편 모양으로 제작하였으며 게이지부 길이는 60mm, 폭 14mm, 두께 0.8mm이며 각각 압연 방향으로부터 0°, 90°의 방향에서 추출하였고 준비된 축소금형에 AL1050과 AL5052시편을 장착하여 가열로 안에 넣고 상온부터 50℃ 간격으로 350℃ 까지 온도 변화에 따른 굽힘 실험을 실시하였다.
축소 금형에 시편을 장착하고 온도조절이 가능한 가열로 안에 넣고 상온부터 50℃간격으로 350℃까지 온도 변화에 따른 굽힘실험을 실시하였다. 시편의 성형 온도가 목표 온도에 도달하도록 수 십분동안 목표 온도를 유지시켜 주었고, 열전대를 이용하여 시편의 온도를 직접 측정하였다.
온간 성형에서 스프링백 저감을 확인하고 성형 온도에 따른 스프링백 거동을 관찰하기 위해 알루미늄 합금 박판이 스트레치 상태에서 성형되는 스트레치 굽힘 실험과 박판이 드로우 상태에서 성형되는 드로우 굽힘실험을 성형 온도를 조정하면서 수행하였다.
준비된 인장시편들은 온도조절이 가능한 UTM 에 장착되었고, 5mnVmin 인장속도로 하여 상온에서부터 50℃간격으로 350℃까지 온도를 변화시키면서 인장실험이 수행되었으며, 수 차례의 인장실험에 대한 평균치를 실험 값으로 하였다. Fig.
150mmx30rnm이다. 축소 금형에 시편을 장착하고 온도조절이 가능한 가열로 안에 넣고 상온부터 50℃간격으로 350℃까지 온도 변화에 따른 굽힘실험을 실시하였다. 시편의 성형 온도가 목표 온도에 도달하도록 수 십분동안 목표 온도를 유지시켜 주었고, 열전대를 이용하여 시편의 온도를 직접 측정하였다.

대상 데이터

본 연구의 실험소재는 가공성과 용접성이 우수하고 알루미늄의 순도가 높아 압출관 코일 등에 많이 사용되는 순수 알루미늄 계열의 AL1050-H₁₆(이하 AL1050)과 성형성과 용접성이 우수하고 높은 강도를 가지고 있어 판금 재료나 설비재, 자동차 차체판넬, 선박용 재료 등에 사용되고 있는 Al-Mg 계열의 AL5052-H₃₂(이하 AL5052)를 사용하였고, 각 소재의 두께는 이며Table 1은 이들 재료의 화학성분을 나타내고 있다.
실험용 시편은 압연방향으로부터 0°, 45°, 90° 방향에서 인장 시편 제작용 금형을 이용한 전단 가공으로 준비되었으며 이때 인장시편의 게이지부 길이는 60mm, 폭은 14 mm이다. 준비된 인장시편들은 온도조절이 가능한 UTM 에 장착되었고, 5mnVmin 인장속도로 하여 상온에서부터 50℃간격으로 350℃까지 온도를 변화시키면서 인장실험이 수행되었으며, 수 차례의 인장실험에 대한 평균치를 실험 값으로 하였다.
제작된 축소금형에 AL1050과 AL5I方2시편을 장착하여 실험을 수행하였으며 각각 압연방향으로부터 0°, 45°, 90° 의 방향에서 추출된 시편의 크기는 150mmx30rnm이다. 축소 금형에 시편을 장착하고 온도조절이 가능한 가열로 안에 넣고 상온부터 50℃간격으로 350℃까지 온도 변화에 따른 굽힘실험을 실시하였다.

성능/효과

(1) AL1050과 A1湖52소재의 온도별 인장실험을 통하여 실험온도 150℃를 기점으로 실험 온도가 증가할수록 항복강도, 인장강도, 탄성계수, 강도계수, 가공경화지수 등의 물성치가 감소하였고, 연신율, 소성변형율비 등은 증가하였다.
(2) 스트레치 굽힘실험을 통하여 AL5052소재는 AL1050 소재 보다 스프링백양이 크게 나타났으며 두 소재에 대해 온간 성형법을 적용한 결과 성형 온도 150℃ 이후로 스프링 백양은 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
(3) 드로우 굽힘실험을 통하여 AL5052소재는 150℃ -200℃, AL1050소재는 200℃-250℃에서 스프링백이 급격히 감소함을 알았다. 또한 AL5052 소재는 AL1050 소재보다 더 많은 양의 스프링백 저감효과를 볼 수 있었다.
또한 각 소재의 방향별 스프링백 크기를 비교해 보면 스트레치 굽힘과 같이 고온으로 갈수록 이방성 영향이 작아지는 것을 알 수 있다. 각 소재의 스프링 백 감소경향은 서로 비슷하지만, AL5052가 감소율이 더 큰 것을 알 수 있었고 #가 보다 더 저온에서 작아지는 것을 알 수 있었다.
AL1050은 250℃ 이후부터 스프링 백양이 급격히 감소하고 AL5052는 150℃ 이후부더지속적으로 감소하는 현상이 나타났다’ 스트레치 굽힘 실험에서와 마찬가지로 AL1050은 AL5052에 비해 비교적 스프링 백 크기가 작게 나타났으며 이것은 AL5052소재가 AL1050에 비해 높은 항복강도를 가지고 있기 때문인 것으로 추정된다. 또한 각 소재의 방향별 스프링백 크기를 비교해 보면 스트레치 굽힘과 같이 고온으로 갈수록 이방성 영향이 작아지는 것을 알 수 있다. 각 소재의 스프링 백 감소경향은 서로 비슷하지만, AL5052가 감소율이 더 큰 것을 알 수 있었고 #가 보다 더 저온에서 작아지는 것을 알 수 있었다.
또한 두 소재 모두 높은 온도에서 성형할수록 스프링백 크기는 감소하고 있음을 볼 수 있는데, 특히 성형온도 150℃ 이후로 스프링백 크기가 현저히 줄어들고 있음을 볼 수 있다. 또한 각 소재의 압연방향에 따른 시편 추출 방향별 스프링백 크기를 관찰해 보면 상온에서는 각시편 추출 방향에 따라 스프링백 크기에 차이를 보여주고 있으나 높은 온도에서 성형할수록 그 차이가 줄어들고 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 알루미늄 박판 소재가 재결정 온도가 됨에 따라 소재의 성질이 등방성화 하기 때문이라 추정된다.
우선 AL1050은 AL5052에 비해 비교적 스프링백 크기가 작게 나타났으며 이것은 AL5052소재가 AL1050에 비해 높은 항복강도를 가지고 있기 때문인 것으로 추측된다. 또한 두 소재 모두 높은 온도에서 성형할수록 스프링백 크기는 감소하고 있음을 볼 수 있는데, 특히 성형온도 150℃ 이후로 스프링백 크기가 현저히 줄어들고 있음을 볼 수 있다. 또한 각 소재의 압연방향에 따른 시편 추출 방향별 스프링백 크기를 관찰해 보면 상온에서는 각시편 추출 방향에 따라 스프링백 크기에 차이를 보여주고 있으나 높은 온도에서 성형할수록 그 차이가 줄어들고 있음을 확인할 수 있었다.
온도가 증가할수록 인장강도와 항복강도는 감소하는 경향이 있으나, 연신율은 점차 증가한다. 상온(실온)에서 소재의 연신율과 인장강도는 각각 AL1050의 경우 2.8%와 ]38MPa, AL5052의 경우 7.3% 와 232MPa로 낮은 연신율과 높은 인장강도를 갖지만, 300℃의 고온에서는 AL1050의 경우 21%와 44MPa, AL 5052의 경우 99%와 88MPa로 상온에 비해 연신율은 현저하게 증가하고 인장강도는 절반 이하로 뚜렷히 감소하였다.
온도가 증가함에 따라 소재의 종류와 시편의 추출 방향에 관계없이 스프링백 크기가 감소하고 있음을 확인 할 수 있었고, 온간 성형이 스프링백 크기를 감소시키는데 유효한 방법임을 알 수 있었다.

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알루미늄 합금박판 비등온 성형공정 스프링백 해석용 유한요소 프로그램 개발 ( 1부 : 실험 )
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