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문제 정의
- 관재의액압성형성 평가에 관한 이론적, 실험적인 연구는 지금까지 많이 수행되어 왔으나, 알루미늄 관재에 대하여 다양한 변형 모드에서 성형한계를 나타내는 성형한계도를 구한 예는 드물다. 본 연구에서는 액압성 형성(hydroformability) 시험장비를 설계 . 제작하고, A6063 알루미늄 압출관 재 에 대하여 단순 확관시험, T-성형시험 및 예변형 후액압성형시험을 수행하였다.
제안 방법
- (1) 튜브 내부에 약 lOOMPa 의 압력을 가할 수 있는 액압성 형성 시험장비와 이를 제어하기 위한 전용 소프트웨어, 그리고 1, 2개의 블록 교체만으로 다양한 실험이 가능하도록 고안한 조립식 금형을 설계.제작하였다.
- 금형세트는 상하베이스 2개에 4개의 단순 확관 시험용 블록과 6개의 T성형시험용 블록을 각각 조립하여 필요에 따라 사용할 수 있으며, 상형 가운데 1개 블록만 교체함으로써 +자성형시험도 가능하도록 설계하였다.
- 제작하였다. 또한, 변형률을 자동으로 측정하여 성형 한계도에 표시할 수 있는 자동곡면 정 보분석시스템과 연계하여 액압성 형성 평가시스템을 구죽하였다.
- 단순 확관시험에서 축압축력을 가하지 않고 내압만 증가시키면 소재 중심부가 확관됨에 따라 소재 길이가 자연적으로 줄어들게 되며, 그 양은 마찰 조건에 따라 결정된다. 본 연구에서는 이 점에 착안하여, Fig. 4와 같이 0.0-0.15범위의 몇 가지 Coulomb 마찰계수에 대한 유한 요소해석으로부터 얻은 소재 길이 감소량을 실험값과 비교하여 가장 근접한 결과를 준 마찰계수 0.04를 이후의 성형공정해석에 적용하였다.
- 액압성 형성 시험장비를 직접 설계.제작하고, A6063 알루미늄 압출관 재에 대하여 다양한 변형경로를 따라 단순 확관시험, T 성형 시험 및 예변형 후액압성형시험을 수행함으로써 성형한계도를 도출하였다.
- 모두 5개의 시편으로 인장시험을 실시한 결과는 거의 일치하는 것으로 나타났다. 외연적 유한 요소 코드 PAM-STAMP[13] 를 사용하여 액압성형 공정을 해석하는 데 필요한 물성치는 이들을 평균하여 Swift 경화식으로 곡선근사하여 입력하였다. Table 1에 주요 물성치를 나타내었다.
- 전용 제어 프로그램은 시간함수로 입력되는 내압 및 좌.우 축압축량 그래프를 따라 고분해능의 피드백 제어가 가능하도록 구성하였다.
- (2) 다양한 변형 모드에서 소재의 파단을 유도하기 위한 9가지의 내압-축압축량 조합을 제안하고, 각 조합에 대하여 유한요소해석을 수행한 결과 주변형률과 부변형률 평면상에서의 변형경로가 다양하게 분산됨을 확인하였다. 이들 경로에 따라 실험을 수행하여 A6063 압출관 재의 성형 한계도를 작성하였다.
- 그러나 튜브액압성형에서 제조되는 자동차 부품의 경우 최종 제품 형상에 따라 튜브를 미리 구부리는 예비굽힘 공정(pre-bending)을 거치면 부변형률이 양이 되는 경우가 많다. 이러한 성형모드를 모사하기 위하여 미리 5~15%의 인장 예변형을 가한 후 단순확관시험과 T성형시험을 수행하였다. 예변형이 있는 경우와 없는 경우 각각에 대하여 단순 확관시험과 「성형시험을 수행하고 최종적으로 작성한 성형 한계도를 Fig.
- 제작하고, A6063 알루미늄 압출관 재 에 대하여 단순 확관시험, T-성형시험 및 예변형 후액압성형시험을 수행하였다. 이로부터 얻어진 데이터를 이용하여 다양한 변형경로에 대한 성형 한계도를 작성하였다.
- 54mm의 정사각형 격자를 전기화학적 부식법으로 인쇄한 후 파단될 때까지 성형하였다. 자체 개발한 자동곡면정보분석시스템 ASIAS, [14]를 사용하여 성형 후 파단 부 근처의 주변형률과 부변형률을 측정하였다. 단순 확관시험 시편들은 파단부 반대편의 국부 네킹이 발생한 부분을, T 성형시험 시편들은 확관부돔의 파단 부 주위를 측정 영역으로 하였다.
- 본 연구에서는 액압성 형성(hydroformability) 시험장비를 설계 . 제작하고, A6063 알루미늄 압출관 재 에 대하여 단순 확관시험, T-성형시험 및 예변형 후액압성형시험을 수행하였다. 이로부터 얻어진 데이터를 이용하여 다양한 변형경로에 대한 성형 한계도를 작성하였다.
- 액압성 형성 시험장비를 직접 설계.제작하고, A6063 알루미늄 압출관 재에 대하여 다양한 변형경로를 따라 단순 확관시험, T 성형 시험 및 예변형 후액압성형시험을 수행함으로써 성형한계도를 도출하였다. 본 연구에서 얻은 주요 결과를 간추리면 다음과 같다.
대상 데이터
- 금형재료는 STD11 냉간 금형용 합금공구 강이며, 표면 경도를 HRC 55 이상으로 높이기 위하여 열처리 후 경면 연마하였다.
- 3은 단축인장 시험으로부터 얻은 A6063의 응력-변형률 선도이다. 소재 외경이 40.6mm로 원주방향으로 규격 시편을 채취하기에는 너무 작아 길이 방향으로만 KS B0801 14B 및 14C 규격 시편을 준비하였다. 14B는 폭 10.
성능/효과
- (2) 다양한 변형 모드에서 소재의 파단을 유도하기 위한 9가지의 내압-축압축량 조합을 제안하고, 각 조합에 대하여 유한요소해석을 수행한 결과 주변형률과 부변형률 평면상에서의 변형경로가 다양하게 분산됨을 확인하였다. 이들 경로에 따라 실험을 수행하여 A6063 압출관 재의 성형 한계도를 작성하였다.
- (3) 단순 확관시험, T 성형 시험, 예변형 후 시험으로부터 얻은, 파단 부 근처의 변형률을 성형한계도상에 나타내었을 때, 대체로 유한요소 해석으로 예측한 변형경로상에 위치하는 것으로 나타났다.
- (4)인 장 예변형량이 큰 소재로부터 얻어진 1사 분면에서의 성형 한계선은 2사분면에서 보다 현저히 낮으며, 이로부터 성형 한계가 변형률 경로에 의존한다는 사실을 확인하였다.
- 실험으로부터 얻은 파단 부 변형률은 대체로 해당 변형경로상에 위치하는 것으로 나타났다. 9가지 내압-축압축량 조합에 대하여 단순 확관시험 과 T 성형 시험을 수행한 결과로부터 얻은 성형한계도는 대개 부변형률이 음인 2사분면에서 나타났다.
- 5mm, 표점거리 25 및 50mm인 Mog-bone5 형상의 시편으로 변형영역은 관재와 같은 곡률을 가지고 있으며, 14C는 길이 500mm의 관재 시 편으로 양단에맨드릴을 삽입하여 척에 고정하였다. 모두 5개의 시편으로 인장시험을 실시한 결과는 거의 일치하는 것으로 나타났다. 외연적 유한 요소 코드 PAM-STAMP[13] 를 사용하여 액압성형 공정을 해석하는 데 필요한 물성치는 이들을 평균하여 Swift 경화식으로 곡선근사하여 입력하였다.
- 6의 Z3 경로와 같다. 실험에 앞서 이들 9가지의 조합에 대하여 유한 요 소해석을 수행한 결과 변형경로가 주변 형률과 부변형률 평면에 비교적 넓게 분포함을 확인할 수 있었다 (Fig. 8 참조).
- 8(b)는 몇 가지 경로에 대하여 측정한 파단 부 근 처 변형률과 유한요소해석으로 계산한 튜브 중심부 요소의 변형경로를 주변형률-부 변형률 평면에 함께 나타낸 그림이다. 실험으로부터 얻은 파단 부 변형률은 대체로 해당 변형경로상에 위치하는 것으로 나타났다. 9가지 내압-축압축량 조합에 대하여 단순 확관시험 과 T 성형 시험을 수행한 결과로부터 얻은 성형한계도는 대개 부변형률이 음인 2사분면에서 나타났다.
후속연구
- (5) 본 연구에서 얻어진 성형 한계도를 실제액 압성형 제품의 금형 및 공정설계에 적용해 봄으로써 관재에 대한 성형한계도 적용의 타당성을 검증할 수 있을 것이다.
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