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문제 정의
- 저자들의 선행연구[11~12]에서는 턴 다운의 경우 측정값보다 30% 이상 작은 해석 결과를 얻은 바 있으며, 롤인의 경우는 해석 결과가 4% 정도 더 큰 것으로 나타났다. 본 연구는 턴 다운 양에 실험과 해석의 차이를 나타내는 서 요인을 분석하여 실험과 동일한 공정조건에서의 해석을 구현 하는데 중점을 두었다.
- 턴 다운아나 워프 등 수내지 수십 정도의 미세한 헤밍 결함은 유한 요소해석을 통해서도 정확한 예측이 어려울 뿐 아니라 실험적인 측정도 쉽지 않은 문제로, 지금까지 이들 결함에 대한 연구사례는 흔치 않다. 본 연구에서는 헤밍 결함의 평가 및 조기 예측 기술 확보와 헤밍 품질 개선을 위하여 평면 변형률 조건의 간이 헤밍 공정 모델에 대하여 실험과 유한요소해석을 수행하였다. 직접 설계.
제안 방법
- 제작한 금형 세트를 사용하여 성형실험을 한 후 미세결함을 정밀 측정하고, 유한 요소해석 결과와 비교하였다. 또한, 공정변수들이 헤밍 품질에 미치는 영향을 조사하기 위하여 단일 변수 분석과 실험계획법에 의한 조합변수 연구를 수행하였다.
- 변수 연구에 있어 각각의 변수가 개별적으로 미치는 영향과 함께 조합된 변수들의 상호작용으로 인한 영향도 중요하다고 판단된다. 본 연구에서는 1변수 연구에서 얻어진 결과들을 분석하여 헤밍 품질에 유의한 영향을 미치지 않거나 영향을 쉽게 예측할 수 있는 변수들을 제외하고, 플랜지 길이와 프리헤밍펀치 면각 및 진입각 등 3가지의 변수 조합에 대하여 실험계획법을 사용하여 변수연구를 수행하였다. Table 2와 같이 # 직교배열 표를 작성하여 9가지 조합을 만들고, ABAQUS/Standard[13]> 사용한 유한요소 해석을 통하여 각 변수 조합에 대한 턴다운과 롤 인 양을 계산하였다.
- 변수 연구는 저자들을 포함한 많은 연구자들에 의하여 수행된 바 있다. 본 연구에서는 Table 1에 정리된 변수들에 대하여 표준모델을 기준으로 변수들을 1개씩 변경하면서 각 변수들이 헤밍 품질에 미치는 영향을 해석과 실험의 비교를 통해 분석하였다. 표준모델은 Table 에 밑줄로 표시한 수준을 가진다.
- 일련의 헤밍공정에 대한 실험과 유한 요소해석을 수행하고 그 결과를 비교함으로써 턴다운, 롤 인 등 헤밍 결함의 정량적 평가와 예측의 가능성을 확인하였다. 실험계획법을 사용한 공정변수 연구로 헤밍 결함을 개선할 수 있는 최적의 공정조건을 도출하였고, 이를 통하여 미세 헤밍 결함 의 감소를 위한 현실적 방안을 제시하였다.
- 실험은 플랜징, 프리헤밍, 메인 헤밍의 연속 공 정으로 이루어진다. 시편 재료는 두께 0.
- 일련의 헤밍공정에 대한 실험과 유한 요소해석을 수행하고 그 결과를 비교함으로써 턴다운, 롤 인 등 헤밍 결함의 정량적 평가와 예측의 가능성을 확인하였다. 실험계획법을 사용한 공정변수 연구로 헤밍 결함을 개선할 수 있는 최적의 공정조건을 도출하였고, 이를 통하여 미세 헤밍 결함 의 감소를 위한 현실적 방안을 제시하였다.
- 직접 설계.제작한 금형 세트를 사용하여 성형실험을 한 후 미세결함을 정밀 측정하고, 유한 요소해석 결과와 비교하였다. 또한, 공정변수들이 헤밍 품질에 미치는 영향을 조사하기 위하여 단일 변수 분석과 실험계획법에 의한 조합변수 연구를 수행하였다.
- 턴 다운은 0.001mm 의 정밀도를 가진 디지털식 두께즉정기(Mitutoyo p-Checker) 와 X-Y이송테이블 을 사용하여 시편 중심선을 따라 스킨 면을 스캐닝 함으로써 측정하였고, 롤인은 시편의 핀 구멍에서 헤밍부 끝단까지의 거리를 버니 어캘리퍼스 로 측정하여 산출하였다. Fig.
- 플랜징 공정에서는 하형 패드에 스프링을 설치하여, 상형 다이가 내려와 플랜징 작업이 이루어질 때 패드 압력을 가할 수 있도록 하였다. 프리헤밍 공정에서의 펀치 행정 제어는 하형 패드 위에 두께 2mm의 정삭 블록을 시편 좌우에 설치하여 펀치가 블록면에 닿을 때까지 성형하는 방법을 사용하였다. 메인 헤밍 공정에서 펀치 행정을 제어하기는 매우 어려우므로 펀치하 중이 200 kN 에 달 할 때까지 성형하였다
- 플랜징 공정에서는 하형 패드에 스프링을 설치하여, 상형 다이가 내려와 플랜징 작업이 이루어질 때 패드 압력을 가할 수 있도록 하였다. 프리헤밍 공정에서의 펀치 행정 제어는 하형 패드 위에 두께 2mm의 정삭 블록을 시편 좌우에 설치하여 펀치가 블록면에 닿을 때까지 성형하는 방법을 사용하였다.
- 플랜징 공정의 경우 하형 패드에 설치된 링을 모델링하기 위하여 일정한 (500N) 패드력을 가하는 방법 대신 스프링 요소를 사용하였고, 실험적으로 측정한 스프링 상수(440kN/m)를 적용하였다. 또한, 펀치와 상형 다이와의 수평 틈새 (claearance)를 0으로 모델링하였을 때 실제로는 나타나지 않는 역스프링 백 현상이 나타났으며 이를 규명하기 위하여 실험 도중 플랜지 부의 확대 사진을 촬영하고 그디지털 영상으로부터 틈새를 측정한 결과 0.
- 내판과 외판 사이의 접촉 조건은 각판에, 마스터'와 '슬레이브'를 동시에 적용하는, , double master contact' 방식을 선택하였으며, 각 공정 후 스프링 백 해석을 수행하기 위하여 금형과 소재와의 접촉조건을 제거('deactivate')하는 방법을 사용하였다. 한편, 소재 두께보다 앏은 헤밍부의 요소망을 효율적으로 구성하기 위하여 유효변형률의 평활화 오차 분석을 수행하고, 이에 근거한 최적 요소망을 도출, 해석에 적용하였다[11, 15].
대상 데이터
- Fig. 4는 KS B O8O1-13B 표준시 편의 인장 시험 결과로부터 얻은 응력-변형률 곡선으로, 유한요소 해석 입력 데이터로 사용하였다.
- 실험은 플랜징, 프리헤밍, 메인 헤밍의 연속 공 정으로 이루어진다. 시편 재료는 두께 0.7mm의 SPCEN 강판으로, 길이는 외판이 100mm, 내판이 98.5mm이며, 폭은 내.외 판 모두 50mm이다.
이론/모형
- Table 2와 같이 # 직교배열 표를 작성하여 9가지 조합을 만들고, ABAQUS/Standard[13]> 사용한 유한요소 해석을 통하여 각 변수 조합에 대한 턴다운과 롤 인 양을 계산하였다. 공정변수연구의 결과는 Taguchi법 [14]을 사용한 망소(smaller-the-better) 특성에 대한 S/N 비(signal-to-noise ratio)로 평가하였고, 이를 바탕으로 최적의 헤밍공정을 도출하였다.
- 이 틈새는 이후의 유한 요소해석에 모두 적용하였다. 내판과 외판 사이의 접촉 조건은 각판에, 마스터'와 '슬레이브'를 동시에 적용하는, , double master contact' 방식을 선택하였으며, 각 공정 후 스프링 백 해석을 수행하기 위하여 금형과 소재와의 접촉조건을 제거('deactivate')하는 방법을 사용하였다. 한편, 소재 두께보다 앏은 헤밍부의 요소망을 효율적으로 구성하기 위하여 유효변형률의 평활화 오차 분석을 수행하고, 이에 근거한 최적 요소망을 도출, 해석에 적용하였다[11, 15].
성능/효과
- 본 연구의 주요 내용을 요약하면 다음과 같다. (1) 플랜징 공정에서 굽힘부의 곡률반 지름은 최종 제품의 헤밍 품질을 좌우하는 요인임을 확인하였다. 스프링 요소를 사용하여 하형 패드력을 모델링 함으로써 실험과 동일한 조건, 즉 수직 틈새 를 해석으로 구현할 수 있었으며, 그 결과 로 턴 다 운, 롤인 등 헤밍 결함의 크기를 정확하게 예측할 수 있었다.
- (3) 표준 모델을 기준으로 1변수 연구를 수행한 결과 플랜지 길이가 7.5mm일 때 턴 다운과 롤인 모두 가장 큰 값을 나타냈으며, 실제 공정에서의 변수 선택에 중요한 기준이 될 것으로 판단된다. 프리헤밍펀치의 면각과 진입각이 헤밍 품질에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 평가되었으며, 플랜징 다이반지름이 클수록 턴 다운과 롤인 양이 증가하는 것으로 나타났다.
- (4) 롤인의 정량적 양은 실험과 해석 결과에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 다른 연구에서와 마찬가지로 롤인과 같은 비교적 큰 결함은 유한 요소해석으로 상당히 정확한 예측이 가능함을 확 인하였다.
- (5) 실험 계획 법을 사용하여 변수 연구를 수행한 결과, 턴 다운은 플랜지 길이 5mm, 프리헤밍펀치 면각 35°, 진입각 35°일 때, 그리고 롤인은 플랜지 길이 15mm, 펀치면 각 35°일 때가 최적의 공정변 수 조합인 것으로 평가되었다.
- (6) 플랜지 길이가 5mm인 경우에 한하여 턴다운 양은 프리헤밍펀치 면각 이 작아짐에 따라 큰 폭으로 감소하는 양상을 보였다. 이 현상은 실제 공정에의 적용 시 중요하게 고려해야 할 요인으로 판단된다.
- 플랜징 공정의 경우 하형 패드에 설치된 링을 모델링하기 위하여 일정한 (500N) 패드력을 가하는 방법 대신 스프링 요소를 사용하였고, 실험적으로 측정한 스프링 상수(440kN/m)를 적용하였다. 또한, 펀치와 상형 다이와의 수평 틈새 (claearance)를 0으로 모델링하였을 때 실제로는 나타나지 않는 역스프링 백 현상이 나타났으며 이를 규명하기 위하여 실험 도중 플랜지 부의 확대 사진을 촬영하고 그디지털 영상으로부터 틈새를 측정한 결과 0.05mm 정도임을 확인하였다. 이 틈새는 이후의 유한 요소해석에 모두 적용하였다.
- 프리헤밍펀치의 면각과 진입각이 헤밍 품질에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 평가되었으며, 플랜징 다이반지름이 클수록 턴 다운과 롤인 양이 증가하는 것으로 나타났다. 메인 헤밍 펀치에 미소한 과행정을 부과하여 헤밍부에 정수압이 작용하도록 함으로써 스프링백에 의한 턴 다운 양을 상당히 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 이 방법은 실제 공정에서 간단한 하중 또는 행정제어만 으로도 실현 가능한, 매우 효율적인 수단으로 판단된다.
- 금형의 강성과 조립공차 및 스프링 강 성에 따라 틈새의 크기에 차이는 있겠으나, 어떤 경우에도 완전하게 없애기는 어려울 것으로 판단된다. 본 연구에서 스프링 요소를 사용하지 않고 하중으로 제어한 해석에서는 수직 틈새가 거의 발생하지 않았으나, 스프링 요소를 사용한 경우에는 실험과 거의 같은 틈새를 구현할 수 있었다. 턴 다운 양은 Fig.
- (1) 플랜징 공정에서 굽힘부의 곡률반 지름은 최종 제품의 헤밍 품질을 좌우하는 요인임을 확인하였다. 스프링 요소를 사용하여 하형 패드력을 모델링 함으로써 실험과 동일한 조건, 즉 수직 틈새 를 해석으로 구현할 수 있었으며, 그 결과 로 턴 다 운, 롤인 등 헤밍 결함의 크기를 정확하게 예측할 수 있었다.
- 4㎛ 로그 10배 이상의 차이를 나타냈다. 이러한 결과는 본 연구에서 다룬 변수 범위 중에서 플랜지 길이가 5mm인 경우에만 나타났으며, 실제 공정에의 적용 시 중요한 고려 요인이 될 것으로 판단된다.
- 펀치 진입 각에 의한 영향은 극히 미미하나, 펀치 면각의 변화에 따른 차이는 상당함을 알 수 있다. 즉, 면각이 작을수록 턴 다운 양이 급격히 감소하여, 면각이 35°일 경우 턴 다운은 3.3㎛ 에 불과한 것으로 나타났다. 반면에 면각이 51°인 경우 턴 다운은 43.
- 본 연구에서 스프링 요소를 사용하지 않고 하중으로 제어한 해석에서는 수직 틈새가 거의 발생하지 않았으나, 스프링 요소를 사용한 경우에는 실험과 거의 같은 틈새를 구현할 수 있었다. 턴 다운 양은 Fig. 7 에서 보는 바와 같이 실험적으로 측정한 값이 38.6|im인데 비하여, 스프링 요소를 사용한 해석 결과는 32.3pxm 로 약 16 %의 차이를 나타내며, 스프링 요소를 사용하지 않고 패드 력을 일정하게 모델링한 해석 결과(18.%im)나선 형 증가함수로 모델링한 해석 결과(23.4μm) 에 비하여 훨씬 근접한 것으로 나타났다. 플랜징 공정에서의, 상형 다이와 외판의 수직 틈새가 헤밍 결함의 정량적 크기에 결정적인 영향을.
- 턴 다운과 롤인에 대한 F-검정 결과, Table 3과 Table 4 의 분산분석표에 표시된 바와 같이 공정 변 수들 중 플랜지 길이가 턴다운에 미치는 영향이 가장 큰 것으로 평가되었다. 롤인의 경우, 프리헤밍 펀치 진입각의 F-검정값은 다른 인자에 비하여 10배 이상 작게 나타나, 진입각은 롤인에 대하여 유의하지 않은 인자로 판단된다.
- 5mm일 때 턴 다운과 롤인 모두 가장 큰 값을 나타냈으며, 실제 공정에서의 변수 선택에 중요한 기준이 될 것으로 판단된다. 프리헤밍펀치의 면각과 진입각이 헤밍 품질에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 평가되었으며, 플랜징 다이반지름이 클수록 턴 다운과 롤인 양이 증가하는 것으로 나타났다. 메인 헤밍 펀치에 미소한 과행정을 부과하여 헤밍부에 정수압이 작용하도록 함으로써 스프링백에 의한 턴 다운 양을 상당히 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
- 5mm일 때 턴 다운과 롤인이 가장 큰 값을 나타냈으며, 이는 실제 공정시 플랜지 길이의 선택에 중요한 기준이 될 것으로 판단된다. 프리헤밍펀치의 면각은 35°일 때 턴 다운이 가장 작은 값을 나타낸 것을 제외하고 면각과 진입각이 턴 다운과 롤인에 미치는 영향은 미세한 것으로 평가되었다. 플랜징 다이반지름 이 클수록 스프링백이 많이 일어나 턴 다운과 롤인은 증가하는 경향을 보였고, 메인 헤밍 펀치의 과행정을 0.
- S/N비의 합은 그 값이 클 수록 헤밍 품질에 효과적으로 작용한다고 볼 수 있다. 플랜지 길이(h)의1수준, 프리헤밍 펀치 면 각(a)의 1수준, 프리헤밍펀치 진입각(0p)의 1수준이 가장 큰 값을 나타냈으며, 그 결과 턴 다운 양의 최소화를 위한 조합은 플랜지 길이 5mm, 프리헤밍 펀치 면각 35°, 프리헤밍펀치 진입각이 35°인 경우임을 알 수 있다.
- 플랜지 길이에 따른 규칙적인 경향은 발견되지 않았지만, 실험과 해석 결과의 경향이 매우 유사함을 알 수 있다. 플랜지 길이가 7.5mm일 때 턴 다운과 롤인이 가장 큰 값을 나타냈으며, 이는 실제 공정시 플랜지 길이의 선택에 중요한 기준이 될 것으로 판단된다. 프리헤밍펀치의 면각은 35°일 때 턴 다운이 가장 작은 값을 나타낸 것을 제외하고 면각과 진입각이 턴 다운과 롤인에 미치는 영향은 미세한 것으로 평가되었다.
- 프리헤밍펀치의 면각은 35°일 때 턴 다운이 가장 작은 값을 나타낸 것을 제외하고 면각과 진입각이 턴 다운과 롤인에 미치는 영향은 미세한 것으로 평가되었다. 플랜징 다이반지름 이 클수록 스프링백이 많이 일어나 턴 다운과 롤인은 증가하는 경향을 보였고, 메인 헤밍 펀치의 과행정을 0.002mm 정도만가함으로써 턴다운을 lOjim 정도 줄일 수 있음을 알 수 있다. 이는 금형의 수정을 요하지 않고 손쉽게 헤밍 품질을 개선할 수 있는 방법이라 판단된다.
- 해석으로 구한 턴 다운의 정량적 양은 실험에서 보다 대체로 작은 값을 보이는데, 이 차이는 스 프링백 현상의 정확한 구현 문제와 측정과정의 오차, 금형의 강성과 조립공차 등에 의한 것으로 판단된다. 턴 다운보다 수십 배의 크기를 가진 롤인에 대하여는 대부분의 경우 실험값과 잘 일 치하는 해석 결과를 얻을 수 있었다.
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