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문제 정의
- 인식되어 있다. 이러한 제품에 대해서 본 연구를 통해 개발된 박판 페어의 하이드로포밍 공정에서의 다단 성형 공정의 적용성을 살펴보았다.
- 접근이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 계단형 컵 형상 등 일반적으로 기하학적인 구속이 많이 발생하는 형상에서 성형성을 향상시키기 위해 다단 성형 공정을 제안하였다.
- 기하학적 구속이 큰 오일팬 형상의 제품을 최종 형상으로 제작하기 위해서 본 연구에서는 다단 성형 공정을 제안하였다. 하이드로포밍공정의 단일 성형으로는 220bar 에서 파단이 발생하였으나 금형을 분리시켜 3 단계로 다단 성형을 하여 300bar 까지 성형함으로써 최종 형상을 제작하였다.
제안 방법
- 설계된 제품 형상 및 금형에 대한 성형성을 평가하기 위하여 동일 형상에 대해 유한요소해석을 수행하였다. 상부 형상인 계단형 컵 형상이 사각형 컵 형상보다 더 복잡하며 성형성이 떨어지므로 계단형 컵 형상의 성형에 다단 성형 원리를 적용하였고 하부의 사각형 컵 형상은 단일 성형을 하게 된다.
- 다단 성형 공정의 검증을 위해 Fig. 3 과 같이 금형을 모델링하고 하이드로포밍 공정을 해석하였다. 유한요소해석에 있어서는 평면이방성을 고려한 쉘(shell)요소를 이용하였다.
- 유한요소해석에 있어서는 평면이방성을 고려한 쉘(shell)요소를 이용하였다. 내연적 적분 알고리즘을 적용하였으며 성형 압력은 면적분을 통해 각 요소의 절점들에 외력으로 부가하였다. 압력 증분에 따라 내압을 서서히 증가시키는 방식으로 해석을 진행하였다.
- 내연적 적분 알고리즘을 적용하였으며 성형 압력은 면적분을 통해 각 요소의 절점들에 외력으로 부가하였다. 압력 증분에 따라 내압을 서서히 증가시키는 방식으로 해석을 진행하였다. 이때 압력 증분의 양이 해석 시간 및 수렴성에 미치는 영향을 고려하여 최대 유효 변형률에 따라 압력 증분을 자동적으로 조절하게 하였다.
- 압력 증분에 따라 내압을 서서히 증가시키는 방식으로 해석을 진행하였다. 이때 압력 증분의 양이 해석 시간 및 수렴성에 미치는 영향을 고려하여 최대 유효 변형률에 따라 압력 증분을 자동적으로 조절하게 하였다.
- 구하였다. 또한, 금형과의 마찰계수는 오일에 의한 윤활효과를 고려하여 0.05 를 적용하였으며 블랭크 홀딩력은 80톤을 적용하였다.
- 상부의 제품에 대해서 설계된 제품의 형상 및 금형 형상과 동일하게 모델링 한 뒤 하이드로포밍 해석을 수행하였으며 이때 사용된 유한요소는Fig. 3 과 같다.
- 설계하였다. 300bar 이상의 성형 압력에서는 재료가 쉽게 파단됨을 예비 실험을 통해 확인할 수 있었으므로 최종단계인 3 단계의 최대 성형압력을 300bar 로 설계하였다. 또한, 1, 2 단계에서는 제품의 결함 발생 가능성을 줄이고 제품의 강도 및 기계적 특성을 유지하기 위해서 성형 압력을 15%이상 줄여 250bar 까지만 성형하였다.
- 앞의 해석 결과를 바탕으로 다단 성형 원리를 구현할 수 있는 분리 금형의 이송시스템과 성형압력 생성 및 밀폐를 위한 금형을 설계하였다. 분리 금형의 이송을 위해 Fig.
- 즉, 블랭크 홀더의 절대적인 위치는 변화가 없고 블랭크 홀더의 스트로크를 증가시켜 프레스의 상부램을 상승시키게 된다. 상부 금형은 계단형 컵 형상을 다단으로 성형하기 위해서 Fig 8 의 개략도와 같이 금형을 분리되도록 설계하였으며 하부 금형은 사각형 컵 형상을 단일 성형하는 일체형 금형으로 설계하였다.
- 즉, 성형시 플랜지 부위에서 두께 변화가 일어나고 이러한 두께 변화에 의해 내압이 유지되지 않게 된다. 그러므로 이러한 재료의 두께 변화에 적응할 수 있도록 실리콘 및 고무 재료를 사용하여 밀폐 시스템을 구성하였다. 또한, 두 박판 사이에 압력을 작용하기 위해서는 압력관이 두 박판 사이에 설치되어야 한다.
- 또한, 두 박판 사이에 압력을 작용하기 위해서는 압력관이 두 박판 사이에 설치되어야 한다. 그러나 실리콘 등의 재질은 가공성이 떨어지고 압력관의 고정이 어려우므로 압력관이 고정된 금속 플레이트(plate)를 삽입하고 상, 하로 두께 1mm 의 고무 패드(pad)를 삽입하여 밀폐 시스템을 구성하였다.
- 즉, 두께가 코너부위에서 급격히 감소하여 220bar 에서 파단이 발생한 것으로 볼 수 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 앞에서 제안한 다단 성형 원리에 기초하여 모두 3 단계로 나누어 실험을 수행하였다. 각 단계의 실험조건은 해석조건과 동일하다.
- 기하학적 구속이 큰 오일팬 형상의 제품을 최종 형상으로 제작하기 위해서 본 연구에서는 다단 성형 공정을 제안하였다. 하이드로포밍공정의 단일 성형으로는 220bar 에서 파단이 발생하였으나 금형을 분리시켜 3 단계로 다단 성형을 하여 300bar 까지 성형함으로써 최종 형상을 제작하였다. 이는 유한요소해석 결과를 바탕으로 변형률을 성형한계곡선에 나타내어 그 효과를 검증하였다.
- 하이드로포밍공정의 단일 성형으로는 220bar 에서 파단이 발생하였으나 금형을 분리시켜 3 단계로 다단 성형을 하여 300bar 까지 성형함으로써 최종 형상을 제작하였다. 이는 유한요소해석 결과를 바탕으로 변형률을 성형한계곡선에 나타내어 그 효과를 검증하였다.
대상 데이터
- 된다. 본 연구에서는 소형 제품을 성형하게 되며 사용될 프레스는 450 톤 용량의 범용프레스이다. 다단 공정 설계의 가장 중요한 부분은 동일 금형 내에서 분리 금형의 이송을 구현시키는 것이다.
- 본 연구에서 성형할 제품은 모두 2 종류로 상부는 계단형 컵 형상(the stepped rectangular cup) 이며 하부는 사각형 컵(rectangular cup) 형상이다. 설계된 제품 형상 및 금형에 대한 성형성을 평가하기 위하여 동일 형상에 대해 유한요소해석을 수행하였다.
- 3 과 같이 금형을 모델링하고 하이드로포밍 공정을 해석하였다. 유한요소해석에 있어서는 평면이방성을 고려한 쉘(shell)요소를 이용하였다. 내연적 적분 알고리즘을 적용하였으며 성형 압력은 면적분을 통해 각 요소의 절점들에 외력으로 부가하였다.
- 해석 및 실험에 사용된 박판은 두께 1mm 의 DDQ 급 강판(260mm x 220mm)이며 실험을 통해 아래 식 (1), (2)와 같은 재료 물성치를 구하였다. 또한, 금형과의 마찰계수는 오일에 의한 윤활효과를 고려하여 0.
- 이 경우에도 블랭크 홀딩력은 80 톤을 적용하였으며 블랭크는 해석에 사용된 것과 똑같은 재료를 사용하였다. 블랭크의 크기는 260x220mm 의 사각 블랭크를 이용하였다.
성능/효과
- 형상에 따른 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 다단 성형의 해석 결과(Fig. 4)에서 볼 수 있는 바와 같이 마지막 단계인 3 단계에서 내압을 300bar 까지 증가시켜도 파단없이 원하는 형상을 성형할 수 있었다. 이렇게 다단 성형을 통해 재료의 변형을 점진적으로 진행시켜 급격한 두께 변화를 막고 기하학적인 구속을 완화시키는 효과를 거둘 수 있다.
- 이상의 해석 결과에서 볼 수 있는 바와 같이 설계된 다단 성형 공정의 향상된 성형성을 검토하여 볼 수 있었다. 또한, 해석 결과에서 살펴 본 바와 같이 내압이 300bar 일때 원하는 형상으로 성형할 수 있음을 보았으며 이로부터 유압 펌프의 용량을 결정할 수 있었다.
- 볼 수 있었다. 또한, 해석 결과에서 살펴 본 바와 같이 내압이 300bar 일때 원하는 형상으로 성형할 수 있음을 보았으며 이로부터 유압 펌프의 용량을 결정할 수 있었다.
- 즉, 평면 부에서 약간 볼록해 진 것을 볼 수 있는데 이는 2단계에서 제거되므로 큰 문제는 되지 않는다. 최종 성형 결과에서 볼 수 있는 바와 같이 단일 성형시 파단이 발생했던 계단형 컵 제품이 300bar 까지 성공적으로 성형됨을 볼 수 있다. 이는 다단 성형의 경우 재료의 변형을 분산시키고 재료의 유입이 증대되기 때문에 발생하는 결과이다.
- 13 에 최종 성형이 끝난 상형 제품의 두께 변형률 분포를 비교하였다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 장축 방향의 중심선을 따라 두께 변형률을 측정하였으며 실험을 통해서 측정한 변형률이 해석 결과보다 다소 작게 측정되었다. 즉, 최대 변형률이 발생한 60mm 의 위치에서는 실험값이 해석값보다 10% 정도 작게 측정되었다.
- 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 장축 방향의 중심선을 따라 두께 변형률을 측정하였으며 실험을 통해서 측정한 변형률이 해석 결과보다 다소 작게 측정되었다. 즉, 최대 변형률이 발생한 60mm 의 위치에서는 실험값이 해석값보다 10% 정도 작게 측정되었다. 이 부위는 재료가 90°로 꺽이면서 최종 성형 압력에서도 코너부위를 충진시키기 위하여 변형률이 증가하는 부위이다.
- 본 연구를 통해서 분리 금형을 이용한 다단 성형이 성형성을 향상시킴을 보여줬으나 하이드로포밍 공정의 단점으로 지적되는 성형 시간이 더 증가하였다. 이는 자동화를 통해 극복해야 할 과제로 생각되며 상, 하 금형간의 밀폐방법에 대한 연구가 지속되어야 할 것으로 생각된다.
후속연구
- 이는 자동화를 통해 극복해야 할 과제로 생각되며 상, 하 금형간의 밀폐방법에 대한 연구가 지속되어야 할 것으로 생각된다.
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