[논문]원형컵 디프 드로잉의 성형해석에 의한 공정설계

정완진; 김종호; 류제구

doi:10.5228/kspp.2003.12.7.647

문제 정의

따라서 본 연구에서는 여러 단계의 디프 드로 잉공정을 사용하여 원형컵을 성형하는 경우에 해석적인 방법을 이용하여 보다 적합한 공정설계를 탐색하는 방법을 제시하고자 한다본 연구에서는 원형컵 제품을 2회의 디프 드로잉 공정으로 나누어 성형하는 경우에 대하여 연구를 수행하였다. 2회의 공정 중에 1차 드로잉과 재드로잉의 최대 드로잉하중이 가장 균일한 공정을 해석적인 방법으로 탐색하여 이 경우를 바람직한 경우로 제안하였다.
2회의 공정 중에 1차 드로잉과 재드로잉의 최대 드로잉하중이 가장 균일한 공정을 해석적인 방법으로 탐색하여 이 경우를 바람직한 경우로 제안하였다. 실제 이에 따른 실험을 수행하고 드로잉 하중 및 성형 품질을 관찰함으로써 해석을 이용한 설계방법의 유효성을 검증하고자 한다

가설 설정

원형컵의 다단계 드로잉 공정설계에 있어 연속되는 공정이 균일한 하중으로 성형될 경우 개선 된 결과를 얻을 수 있다는 가정 하에 본 연구를 수행하였다. 유한요소해석에 의해 구해진 하중을 토대로 1차 드로잉 하중과 재드로잉 하중이 균일한 공정을 적합한 공정으로 선정하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 여러 단계의 디프 드로 잉공정을 사용하여 원형컵을 성형하는 경우에 해석적인 방법을 이용하여 보다 적합한 공정설계를 탐색하는 방법을 제시하고자 한다본 연구에서는 원형컵 제품을 2회의 디프 드로잉 공정으로 나누어 성형하는 경우에 대하여 연구를 수행하였다. 2회의 공정 중에 1차 드로잉과 재드로잉의 최대 드로잉하중이 가장 균일한 공정을 해석적인 방법으로 탐색하여 이 경우를 바람직한 경우로 제안하였다. 실제 이에 따른 실험을 수행하고 드로잉 하중 및 성형 품질을 관찰함으로써 해석을 이용한 설계방법의 유효성을 검증하고자 한다
각 공정별 성형된 제품을 Fig. 8과 같이 절단하여 시편중심으로부터 2mm 간격으로 포인트 마이크로 미터를 이용하여 두께분포를 측정하였다. 제품의 높이는 귀현상이 일어난 부위(이하: 산높이)와 발생하지 않은 부위(이하: 골높이)를 디지털 하이트 게이지를 이용하여 측정하였다.
블랭크홀딩력은 드로잉작업에서의 주름발생을 억제할 수 있는 최소하중을 적용하였다. 각 조건 별 로 예비실험을 한 결과 직경 65mm 제품 성형시에 8KN, 직경 59, 55, 50mm 제품 성형시에는 1차 드로잉에서는 13KN, 재드로잉시에는 11KN을 적용하였을 때 깨끗한 원형컵을 얻을 수 있어 이와 같은 조건에서 본 실험을 수행하였다. 실험은 5회에 걸쳐 수행한 후 측정값은 이를 평균하였다.
균일 드로잉력을 가지는 공정설계를 탐색하기 위해 유한요소 해석 S/W 인 Z-STAMP(1)를 이용하 여 1차 드로잉과 재드로잉 공정에 대하여 해석하였다. Z-STAMP 는 외연적유한요소법을 사용하여 3차원 판재성형을 해석할 수 있는 해석 S/W 로 이론적인 내용은 참고문헌3)에 자세히 나와 있다.
그리고 Yang(1)은 원형컵 드로잉 공정에서 재드로잉과 역 재드로잉에 대한 두 공정의 성형특성 차이를 비교하였으며, Kim(6~7)은 스테인리스강판(STS305)의 성형조건을 실험적으로 연구한 결과, 중간 풀림 열처리없이 성형할 수 있는 최적 조건들을 조사하여 기존의 디프 드 로잉공법에 아이어닝(ironing)작업을 복합시킨 아이어닝 디프 드로잉 공법의 유용성을 입증하였다. 또한 Kime 원형컵 제품을 2회의 공정으로 나누어 성형하는 경우에 대하여 실험을 수행하고 중간 공정 설계에 따른 제품의 품질에 대한 영향에 대하여 연구하고 최적공정 설계방법을 제시하였다. 그러나 실험적 방법에 의하여 최적공정을 도출하기에는 시간적, 재정적 장애가 큰 단점을 내포하고 있다.
Z-STAMP 는 외연적유한요소법을 사용하여 3차원 판재성형을 해석할 수 있는 해석 S/W 로 이론적인 내용은 참고문헌3)에 자세히 나와 있다. 소재 및 금형은 3차원 솔리 드모델러인 Pro/Engine -er를 사용하여 금형설계에 맞게 모델링하였으며 Pro/Mesh 를 사용하여 유한요소를 생성하였다. 1차 드로잉해석에 사용한 메쉬형상을 Fig.
금형의 경우는 삼절점 유한요소를 사용하여 생성하고, 다이 각 반지름과 펀치 각 반지름 부분의 경우는 보다 정밀한 해석을 위해 유한 요소를 세밀하게 생성하였다. 소재는 4절점 요소 를 사용하여 표현하고 각반지름 부위에 변형을 표현하기에 충분한 요소가 배치되도록 모델링하였다.
실험은 Fig. 7의 만능 박판성형 시험기에서 블랭크홀딩력과, 윤활, 금형틈새, 펀치와 다이각 반지름, 드로잉속도(약 125mm/min) 등을 일정하게 유지시킨 후, 실험을 수행하였다. 본 실험에 앞서 재드로잉까지 성공적으로 될 수 있는 윤활조건과 작업조건을 조사한 결과, 직경 50mm의 1차 드로잉과 2차 드로잉에서 모두 파단이 발생하여, 각 소재에 드로잉 유처리를 하는 것으로 결정하였다.
원형컵의 다단계 드로잉 공정설계에 있어 연속되는 공정이 균일한 하중으로 성형될 경우 개선 된 결과를 얻을 수 있다는 가정 하에 본 연구를 수행하였다. 유한요소해석에 의해 구해진 하중을 토대로 1차 드로잉 하중과 재드로잉 하중이 균일한 공정을 적합한 공정으로 선정하였다. 하중이 불균일한 공정과 제안된 공정들에 대하여 실험을 수행하여 결과를 비교 검토한 결과 제안된 공정이 성형력에 있어서 균일하여 금형의 수명을 향상시킬 수 있고 저하중으로 성형할 수 있으며 제품품질에 있어서도 매우 우수한 결과를 나타내는 것을 입증하였다.
8과 같이 절단하여 시편중심으로부터 2mm 간격으로 포인트 마이크로 미터를 이용하여 두께분포를 측정하였다. 제품의 높이는 귀현상이 일어난 부위(이하: 산높이)와 발생하지 않은 부위(이하: 골높이)를 디지털 하이트 게이지를 이용하여 측정하였다. 제품의 외경 치수는 디지털 버니어 켈리퍼스를 이용하여 압연 방향에 따라 제품 밑면에서 플랜지부위쪽으로 10mm 씩 증가시키면서 측정하였다.
제품의 높이는 귀현상이 일어난 부위(이하: 산높이)와 발생하지 않은 부위(이하: 골높이)를 디지털 하이트 게이지를 이용하여 측정하였다. 제품의 외경 치수는 디지털 버니어 켈리퍼스를 이용하여 압연 방향에 따라 제품 밑면에서 플랜지부위쪽으로 10mm 씩 증가시키면서 측정하였다.

대상 데이터

성형된 제품의 두께분포를 측정하기 위해 시편을 압연방향에 대해 0。, 45。, 90。방향으로 제품 단면 을 절단하고 샌드페이퍼(#100~#1500)로 연마하여 시편을 준비하였다.

데이터처리

해석에 사용된 물성치를 구하기 위하여 소재의 압연방향에 따라 0°, 45°, 90。방향으로 각각 3개 의 KSB080l 의 13호 시편으로 제작하여 인장시험을 하고 그 평균값을 얻었으며 그 값을 Table 2 에 표시하였다. 해석에 사용된 블랭크 홀딩력은 예비 실험을 통하여 구하였으며 3절에 설명하였다.
각 조건 별 로 예비실험을 한 결과 직경 65mm 제품 성형시에 8KN, 직경 59, 55, 50mm 제품 성형시에는 1차 드로잉에서는 13KN, 재드로잉시에는 11KN을 적용하였을 때 깨끗한 원형컵을 얻을 수 있어 이와 같은 조건에서 본 실험을 수행하였다. 실험은 5회에 걸쳐 수행한 후 측정값은 이를 평균하였다.

성능/효과

10에 실험에 의하여 측정된 두께분포를 나타내었는데, 중심에서 25~30mm 거리에 있는 지점은 펀치 각 반지름 원호가 끝나 측벽과 연결되는 부분으로 이곳에서 재료 두께가 가장 얇게 되어 있다. STS304 소재는 가공경화지수가 매우 큰 소재이므로 측벽과 플랜지에서 가공경화 현상이 크게 발생하여 그 영향으로 펀치 밑면에서의 두께 감소가 현저히 나타났다.
최대성형하중이 저하함에 따라 산 높이와 골 높이가 감소하고 있음을 알 수 있고 Case 4가 평균 높이가 가장 낮아 두께 분포가 가장 좋을 것을 예측할 수 있다. 귀 발생 높이는 Case 3가 가장 작은 것을 알 수 있어 귀 발생을 줄이기 위해서는 1차 드로잉 하중보다 재드로잉 하중이 큰 것이 유리함을 알 수 있다.
39mm에 비해 크게 측정되었다. 따라서 Gtse 4 가 치수정확도에 있어서 다른 경우에 비해 우수함을 확인할 수 있었다.
하중이 불균일한 공정과 제안된 공정들에 대하여 실험을 수행하여 결과를 비교 검토한 결과 제안된 공정이 성형력에 있어서 균일하여 금형의 수명을 향상시킬 수 있고 저하중으로 성형할 수 있으며 제품품질에 있어서도 매우 우수한 결과를 나타내는 것을 입증하였다. 따라서 본 연구에서 제안된 균일하중을 갖는 공정설계가 유용하다는 가정과 유 한요소해석을 이용한 하중예측 방법론이 유효함을 입증하였다. 본 연구는 2단계 공정에 국한되었으나 본 과제에서 제시한 최적설계방법은 일반적인 다단계 공정 설계에도 적용이 가능할 것으로 판단된다.
일반적으로 다공정설계에 있어서 공정간의 하중은 균일하게 분포되는 것이 제품품질에 좋은 영향을 미치게 되는데 case2 나 case3 둘 다 1차 드로잉과 재드로잉 시 성형력이 불균일함을 확 인할 수 있었다. 또한 성형결과를 검토한 결과에 서도 Case 2와 Case 3의 공정 중 어느 것이 더 좋은 공정이라고 단정하기가 힘들었고 두께 분포와 경도 비교에 있어서도 뚜렷한 차이를 발견하기 힘들었다.
7의 만능 박판성형 시험기에서 블랭크홀딩력과, 윤활, 금형틈새, 펀치와 다이각 반지름, 드로잉속도(약 125mm/min) 등을 일정하게 유지시킨 후, 실험을 수행하였다. 본 실험에 앞서 재드로잉까지 성공적으로 될 수 있는 윤활조건과 작업조건을 조사한 결과, 직경 50mm의 1차 드로잉과 2차 드로잉에서 모두 파단이 발생하여, 각 소재에 드로잉 유처리를 하는 것으로 결정하였다. 블랭크홀딩력은 드로잉작업에서의 주름발생을 억제할 수 있는 최소하중을 적용하였다.
성형품 외경의 평균 치수 측정 결과가 압연방 향 각도에 따라 Table 4에 주어져 있다. 압연방향 에 따라 귀현상이 일어날 뿐만 아니라, 45도 방향에서 외경치수가 수십 미크론 작은 것으로 나타났다. 또한 컵바닥에서부터의 높이 방향으로 10 mm, 20mm, 30mm 위치에서의 치수비교에서는 밑부분 직경이 제일 작고, 높이가 증가에 따라 증가하다가 상부에서는 감소하는 경향을 보이고 있으며, 높이 방향의 외경편차는 Case 1는 1.
9는 실험에 의한 각 공정조건에 따른 드 로잉하중과 스트로크(stoke)선도를 나타내는 것으로 각각의 경우에 대한 1차 드로잉 하중과 재드 로잉하중을 동시에 나타내었다. 최적공정으로 예측된 Case 4 는 실제 드로잉 실험 결과에서도 1차 드로잉시 45.1KN, R 재드로잉시 45.7KN 으로써 드로잉하중이 거의 비슷하게 나왔고, Case 1에 비해 최대드로잉하중 감소 비율이 1차 드로잉시는26.7%, 2차 드로잉시는 25.7%로 나타났다. 또한 case 2와 case 3에 대해서도 현저하게 균일한 하중 결과를 나타내어 해석에서 예측한 경향과 부합함을 알 수 있다.
유한요소해석에 의해 구해진 하중을 토대로 1차 드로잉 하중과 재드로잉 하중이 균일한 공정을 적합한 공정으로 선정하였다. 하중이 불균일한 공정과 제안된 공정들에 대하여 실험을 수행하여 결과를 비교 검토한 결과 제안된 공정이 성형력에 있어서 균일하여 금형의 수명을 향상시킬 수 있고 저하중으로 성형할 수 있으며 제품품질에 있어서도 매우 우수한 결과를 나타내는 것을 입증하였다. 따라서 본 연구에서 제안된 균일하중을 갖는 공정설계가 유용하다는 가정과 유 한요소해석을 이용한 하중예측 방법론이 유효함을 입증하였다.

후속연구

따라서 본 연구에서 제안된 균일하중을 갖는 공정설계가 유용하다는 가정과 유 한요소해석을 이용한 하중예측 방법론이 유효함을 입증하였다. 본 연구는 2단계 공정에 국한되었으나 본 과제에서 제시한 최적설계방법은 일반적인 다단계 공정 설계에도 적용이 가능할 것으로 판단된다.

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