[논문]유한요소해석에 의한 헤밍 공정 변수연구

김형종; 최원목; 임재규; 박춘달; 이우홍; 김헌영

doi:10.3795/ksme-a.2004.28.2.149

유한요소해석에 의한 헤밍 공정 변수연구
A Parametric Study of the Hemming Process by Finite Element Analysis 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.28 no.2 = no.221, 2004년, pp.149 - 157

김형종 (강원대학교 기계·메카트로닉스공학부) , 최원목 (강원대학교 대학원) , 임재규 (강원대학교 대학원) , 박춘달 (현대자동차 금형기술개발팀) , 이우홍 (현대자동차 금형기술개발팀) , 김헌영 (강원대학교 기계·메카트로닉스공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Implicit finite element analysis of the flat surface-straight edge hemming process is performed by using a commercial code ABAQUS/Standard. Methods of finite element modeling for springback simulation and contact pair definition are discussed. An optimal mesh system is chosen through the error analysis that is based on the smoothing of discontinuity in the state variables. This study has focused on the investigation of the influence of process parameters in flanging, pre-hemming and main hemming on final hem quality, which can be defined by turn-down, warp and roll-in. The parameters adopted in this parametric study are flange length, flange angle, flanging die corner radius, face angle and insertion angle of pre-hemming punch, and over-stroke of pre-hemming and main hemming punches.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

"지» 이는 요소내의 적분점에서 계산된 상태변수의 값을 절점값으로 외삽(extrapolation)하고, 각 절점에서 그 절점을 포함하는 주위 요소들로부터 외 삽된 절 점값들을 적절히 평균한 다음, 다시 각 요소에 대하여 이 절점평균값을 보간(interpolation)함으로써 적분점에서의 원래 값과의 차이, 즉 평활화오차를 구하는 방법이다. 본 연구에서는 외판 두께방향의 요소층수와 길이방향의 요소크기의 최적값을 구하기 위하여, 각 요소에 대하여 식 (1)로 정의되는 유효변형률 평활화오차를 계산하고 요소망에 따른 비교.분석을 시도하였다.
본 연구에서는 요소망, 스프링백, 접촉조건 등헤밍 공정의 시뮬레이션과 헤밍 품질의 정밀한예측에 요구되는 해석기법을 확립하고, 주요 공정변수가 헤밍 품질에 미치는 영향을 분석하기 위한 변수연구를 수행하였다. 주요 결과를 간단히 요약하면 다음과 같다.
우선, 미세한 외관결함의 발생을 구현하고 감지할 수 있도록 하기위하여 적절한 요소망 구성, 스프링백 구현, 접촉조건 처리 등 주요 해석기법을 확립하였다. 이를 바탕으로 플랜지 길이, 플랜지 다이 모서리반지름, 플랜지 각, 프리헤밍 펀치의 면각 및 진입각, 프리헤밍 펀치 진입량, 메인혜밍 펀치 진입량 등 공정변수들이 헤밍 품질에 미치는 영향을 분석하기 위한 변수연구를 수행함으로써, 헤밍품질을 조기에 예측하고 개선할 수 있는 기술을 확보하여 실제 자동차 설계에 적용할 수 있도록하고자 하였다.

가설 설정

헤밍 공정에서 상형 패드는 변위로 구속된다. 판재-금형 및 외간- 내판 사이의 모든 접촉면에는 마찰계수 0.15의 Coulomb 마찰력이 작용하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

코드 ABAQUS/Standard。')를 사용하여 평면-직선부(flat surface - straight edge) 헤밍 공정 에 대한 일련의평면변형률 해석을 수행하고, 턴다운(tum-down), 롤인(roll-in) 등 외관 품질을 좌우하는 헤밍 결함들을 정량적으로 분석하였다. 우선, 미세한 외관결함의 발생을 구현하고 감지할 수 있도록 하기위하여 적절한 요소망 구성, 스프링백 구현, 접촉조건 처리 등 주요 해석기법을 확립하였다.
(1) 절점평균법에 바탕을 둔 평활화오차 분석을 통하여 계산효율을 고려한 최적 요소망, 즉 외판두께방향 요소층수와 길이방향 요소크기에 대한최적값을 구하고 이를 변수연구에 적용하였다.
(2) 스프링백 현상의 구현과 경계조건 및 접촉조건의 처리를 위한 해석기법을 확립하고, 이를 변수연구에 적용하였다.
(a)는 플랜징 후기준면, 즉 외판과 내판의 접촉면으로부터 수직으로 2mm 되는 지점까지 펀치가 진입하는 것을 나타내며, 현장에서 실제 적용하고 있으므로 이를 표준진입량으로 정의하였다. (b), (c)는 각각프리헤밍 시 굽힘부의 바깥면이 형성하는 곡률반지름 R>, R2에 접하는 접점까지 프리헤밍 펀치가진입하는 경우를 나타내는데, 이들의 경우 표준진입량보다 큰 행정을 필요로 하며, 그 과행정 (over-stroke) 4务를 변수론 정의하여 변수연구를 수행하였다.
Jo。등。)이 처음으로 곡선부 헤밍공정 시뮬레이션을 시도하여 플랜지 길이가 헤밍품질에 미치는 영향을 분석하였다. Kim 등心)은 평면변형률 모델을 대상으로 플랜지 길이, 판재의 재질, 프리헤밍 펀치 진입량이 헤밍 품질에미치는 영향을 검토하였으며, 3차원 해석으로 면내 곡률과 플랜지 길이에 따른 헤밍 품질의 변화를 조사하였다.
Table 1은 변수연구에 사용된 공정변수와 그범위를 나타낸 것이다. 각 변수가 헤밍 품질에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 밑줄로 표시한 h = 10 mm, Rd = 0.5 mm, 0f = 90°, a =43”, 0P = 47°, ASP = 0.0 mm, ASm = 0.0mm 인 경우를 표준모델로 설정하고, 이를 기준으로 변수를 하나驾 변화시켜가면서 해석과 변수연구를 수행하였다.
7은 다른 부분보다 더 미 세 하게 분할된 굽힘부 근처 영역과 그 부분의 요소망을 확대한 그림 이다. 두께 방향으로는 0.04- 0.4 mm 간격 으로 3~7개 층으로 나누고, 길이방향으로는 0.075~0.3 mm의 크기로 분할하였다. 굽힘부 이외의 영역은 길 이 방향으로 1.
이러한 민감한 문제가 헤밍 품질의 정확한 예측을 어렵게 하는 주 요인이라 할 수 있다. 본 연구에서는 'double master contact' 조건으로 해석하였다.
본 연구에서는 ABAQUS/Standard(, , )< 사용하여 일련의 헤밍 공정에 대한 2차원 해석을 수행하였다. Fig.
턴다운이 18pm 정도의 크기로 발생한 것을확실히 식별할 수 있으며, 스프링백 해석기법에따른 차이는 거의 없는 것을 알 수 있다. 본 해석에는 실제 공정과 유사한 첫째 방법을 적용하였다.
정량적으로 분석하였다. 우선, 미세한 외관결함의 발생을 구현하고 감지할 수 있도록 하기위하여 적절한 요소망 구성, 스프링백 구현, 접촉조건 처리 등 주요 해석기법을 확립하였다. 이를 바탕으로 플랜지 길이, 플랜지 다이 모서리반지름, 플랜지 각, 프리헤밍 펀치의 면각 및 진입각, 프리헤밍 펀치 진입량, 메인혜밍 펀치 진입량 등 공정변수들이 헤밍 품질에 미치는 영향을 분석하기 위한 변수연구를 수행함으로써, 헤밍품질을 조기에 예측하고 개선할 수 있는 기술을 확보하여 실제 자동차 설계에 적용할 수 있도록하고자 하였다.
15mm를 경계로 더 이상 요소망을 세분하더라도 오차의 감소추세가 급격히 완만해지는 것을알 수 있다. 이러한 분석을 바탕으로 본 연구에서는 이들을 요소망 구성의 최적값으로 설정하고이후의 변수연구를 수행하였다.
헤밍 품질에 영향을 미치는 공정변수는 매우많지만, 본 연구에서는 그 중 가장 대표적인 것으로서 Fig. 1~3에 표시한 7 가지에 대하여 변수연구를 수행하였다. Fig.

대상 데이터

성형해석에 사용한 외판과 내판은 두께가 각각 0.8, 0.6 mm인 SPCEN 강판 재 료로, 종탄성 계 수는 200 GPa, Poisson 비는 0.3이다. 응력-변형률 곡선은 Fig.
3이다. 응력-변형률 곡선은 Fig. 6에 나타낸 것과 같으며, 283개의 자료점으로 입력하였다.

성능/효과

(3) 스프링백 전의 주응력 분포상태를 분석 함으로써 헤밍 접합부의 벌어짐, 턴다운, 워프 등 헤밍 결함의 발생기구를 규명하였다.
(4) 적용된 모든 조합과 범위에 대하여 턴업과롤아웃 현상은 발생하지 않았다. 또한, 워프는 상형패드의 위치와 패드압력, 그리고 메인 헤밍 펀치의 과행정이 원인이나, 본 해석에서는 상형패드에 압력을 가하지 않고 변위를 구속하는 경계조건을 적용하였으므로, 메인헤밍 펀치 과행정을 0.
(5) 일반적으로 한 공정변수의 값이 변할 때 턴다운은 불규칙적으로 변하는 구간이 있으나, 롤인은 전 범위에서 거의 단조 증가하거나 단조 감소하는 것으로 나타났다.
14는 각 공정변수의 변화가 헤밍 품질, 즉턴다운과 롤인에 미치는 영향을 그래프로 나타낸그림이다. (a)는 플랜지 길이 h가 10~15mm까지변할 때 턴다운은 단조 증가하고 10mm 이내에서는 불규칙적인 양상을 보이고있으나, 롤인은전체범위 내에서 단조 감소하는 것을 보여준다. Fig.
(a)는 전체요소에 대한 오차의 합, 그리고 (b)는 전체요소중 최대 값을 각각 나타낸다. 2가지 모두 요소망이 세분될수록, 즉 요소층수(1必가 많을수록, 요소크기①X)가 작을수록 전반적으로 오차가 감소하는 추세를 보이고 있으며, 특히 Ly = 5 및 Dx = 0.15mm를 경계로 더 이상 요소망을 세분하더라도 오차의 감소추세가 급격히 완만해지는 것을알 수 있다. 이러한 분석을 바탕으로 본 연구에서는 이들을 요소망 구성의 최적값으로 설정하고이후의 변수연구를 수행하였다.
턴다운과 롤인에 가장 큰 영향을 미치는변수는 각각 메인헤밍 펀치 과행정과 플랜지 다이모서리 반지름이며, 프리헤밍 펀치 진입각과 과행정은 헤밍 품질에 거의 영향을 미치지 않은 것을 확인할 수 있다. 또한, 플랜지 길이와 플랜지각은 턴다운과 롤인에 모두 유의할 만한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
차례이다. 롤인의 경우는 플랜지 다이 모서리반지름이 가장 큰 영향을 미치고, 플랜지 각, 플랜지 길이가 그 다음인 것으로 나타났다. 프리헤밍 펀치의 진입각과 과행정은 헤밍 품질에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
정리하였다. 턴다운과 롤인에 가장 큰 영향을 미치는변수는 각각 메인헤밍 펀치 과행정과 플랜지 다이모서리 반지름이며, 프리헤밍 펀치 진입각과 과행정은 헤밍 품질에 거의 영향을 미치지 않은 것을 확인할 수 있다. 또한, 플랜지 길이와 플랜지각은 턴다운과 롤인에 모두 유의할 만한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
롤인의 경우는 플랜지 다이 모서리반지름이 가장 큰 영향을 미치고, 플랜지 각, 플랜지 길이가 그 다음인 것으로 나타났다. 프리헤밍 펀치의 진입각과 과행정은 헤밍 품질에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.

참고문헌 (13)

Kim, H. Y. and Kim, J, J., 1994, 'Prediction of Springback and Formability in in 3-D Stamping by an Explicit Code,' J. of the KSTP, Vol. 3, No. 1, pp. 84-96
Jung, D. W., 1998, 'The Dynamic Explicit Analysis of Auto-body Panel Stamping Process and Investigating Parameter Affects of Dynamic Analysis,' Trans. of the KSME (A), Vol. 22, No. 2, pp. 380-390

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Joo, S. J and Choi, H. S., 1998, 'Hemming Simulation of Automotive Door Inner and Outer,' Proc. of MARC User's Forum, pp. 148-153
Kim, K. H., Han, K. H. and Kwon, T. H., 1999, 'Elastic Springback in Hemming Process,' Proc. of 5th HANPAM, Hankook ESI, pp. 399-404
Ahn, D. C, Lee, K. D., Yin, J. J. and Kim, K. H., 2000, 'A Study on the Design of Hemming Process for Automotive Body Panels,' KSTP Trans. of Materials Processing., Vol. 9, No. 6, pp. 624-630

원문보기 상세보기
Svensson, M. and Mattiasson, K., 2000, 'Simulation of Hemming of Automotive Body Components with the Explicit FE-Method,' Proc. of ECCOMAS 2000, Barcelona, Spain
Svensson, M. and Mattiasson, K., 2000, 'Simulation of Hemming with Different Element Formulations and Time Integration Methods,' Proc. of NUMFORM 2001
Svensson, M. and Mattiasson, K., 2002, 'The Influence of Anisotropy on the Roll-in in Hemming, A Comparison between FE- Simulation and Practical Tests,' Proc. of NUMISHEET 2002, pp. 261-266
Muderrisoglu, A., Murata, M, Ahmetoglu, M. A., Kinzel, G. L. and Altan, T., 1996, 'Bending, Flanging, and Hemming of Aluminium Sheet - An Experimental Study,' J. of Materials Processing Technology, Vol. 59, pp. 10-17

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Livatyali, H., Mtlderrisoglu, A., Ahmetoglu, M. A., Akgerman, N., Kinzel, G. L. and Altan, T., 2000, 'Improvement of Hem Quality by Optimizing Flanging and Pre-hemming Operations Using Computer Aided Die Design,' J. of Materials Processing Technology, Vol. 98, pp. 41-52

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HKS Inc., 2002, ABAQUS User's Manual, Ver. 6.3.
Zienkiewicz, O. C. and Zhu, J. Z., 1987, 'A Simple Error Estimator and Adaptive Procedure for Practical Engineering Analysis,' Int. J. of Numerical Methods for Engineering, Vol.24, pp. 337-357

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Kim, H. J. and Kim, N., 1995, 'Remeshing Criterion for Large Deformation Finite Element Analysis Based on the Error Calculation,' KSTP Trans, of Materials Processing, Vol. 4, No. 1, pp. 92-104

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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