[논문]생산 현장을 위한 TWB 도어 인너 패널 성형해석

이광식; 김동직; 한영호; 송윤준

doi:10.5228/kspp.2006.15.4.289

문제 정의

그러나 금형 제작 현장에서 여러 차례의 해석을 수행하여 모든 불량 요인을 줄일 수가 없을 뿐 아니라 요구 정도를 맞추기에는 해석과 실제 사이에 존재하는 근본적인 차이가 있다. 따라서 차이가 어느 정도인지를 인지하고 보다 제품과 가까운 성형해석을 위한 실질적인 방법을 찾기 위해 먼저 실제 패널 트라이아웃 결과를 정리해 보았다.
TWB를 이용한 패널 성형에서 이런 문제는 해석 결과 활용에 중대한 문제를 야기시킨다. 이 연구에서는 TWB 성형시 발생하는 일반적인 문제들을 정리하고, 제품 파단의 관점에서 실제 성형과 해석 결과가 일치하지 않는 패널을 대상으로 성형 해석의 정확성을 높이기 위한 해석 방법을 제안하였다.

제안 방법

(1) TWB로 인너 도어 패널을 성형할 때 발생하는 불량 사례들을 정리하여 용접부가 이동되는 단차 구간의 중요성을 트라이아웃 과정을 통해 확인하였다.
이는 비드의 수정과 함께 다이 어깨 반경의 부분적 변경을 통해 해결한 후 재드로잉 공정에 필요한 구간으로 활용할 수 있었다. 2공정인 재드로잉 공정에서 가스 스프링을 사용한 패드(pad)와 강력스프링을 사용한 서브패드(sub-pad)를 사용하였다. 그러나 패딩력에 대한 기준이 명확히 정해져 있지 않아 적정의 패드력을 찾는데 어려움을 겪었다.
기존의 단이 진 해석 단면의 형태에서 상하형 금형 외에 단차부에 경사를 표현하는 독립적인 면을 하나 추가하였다. 이 추가면은 금형에 독립적인 패드처럼 작용하여 소재 용접부에 걸리는 마찰이나 반력 등을 별도로 제어하는 것을 가능하게 만든다.
5에 나타내었다. 성형 해석은 두 종류의 상용 프로그램을 사용하여 수행하였다. 해석 결과는 두꺼운 소재가 얇은 소재쪽으로 이동하면서 용접선을 따라 파단이 발생하였음을 보여준다.
그러나 패딩력에 대한 기준이 명확히 정해져 있지 않아 적정의 패드력을 찾는데 어려움을 겪었다. 여러번의 시행착오를 거쳐 패드와 서브 패드는 일반적 패드력인 소재인장강도, 작용면적과 소재 두께를 곱한 값의 각각 20%와 7%를 적용하여 이를 자체 기준으로 정하였다.
사용하여 성형해석을 실시하였다. 이 결과를 바탕으로 대략의 사항들을 고려한 후 실 트라이아웃을 총 4차례 진행하였다. 첫 트라이아웃의 결과 대칭부 가형상의 모서리 터짐과 다이페이스 단차에 의한 주름 등이 발생하여 설계가 수정되었다.
5mm로 연장하여 파단을 방지하였다. 이를 바탕으로 성형 해석을 재 실시 하였으나 해석 결과는 초기 결과와 마찬가지로 계속적인 파단을 예측하였다. 이는 본 연구의 주제가 되는 사항이다.
전 공정을 거친 최종 완성 제품을 검사구(checking fixture)를 이용하여 스프링백을 측정하였다. 최종공정을 거친 제품을 네 곳의 모서리를 구속한 상태에서 플랜지의 수직 변형량을 Fig.
초기 설계에 반영하기 위해 두 종류의 상용 프로그램을 사용하여 성형해석을 실시하였다. 이 결과를 바탕으로 대략의 사항들을 고려한 후 실 트라이아웃을 총 4차례 진행하였다.
4에 나타내었다. 측정은 플랜지 라인을 따라 검사구에 표시되어 있는 약 60개의 측정점에서 플랜지 라인의 수직 위치를 측정하였다. 전체적으로 일반 드로잉 제품에 비하여 변형이 크게 나타난 것을 볼 수 있으나 앞서 언급한 여러번의 Try-out과 금형면 사상 작업을 통해 목표치의 변형정도로 제한된 것이다.

대상 데이터

소재는 SPCD이고 초기 블랭크는 두께 1.2mm, 0.65mm의 판재를 레이저 용접하였다. 전체 공정은 1차, 2차 드로잉, 트리밍 및 피어싱, 플렌징 및 캠피어싱으로 블랭킹을 제외한 4공정으로 이루어진다.
이 추가면은 금형에 독립적인 패드처럼 작용하여 소재 용접부에 걸리는 마찰이나 반력 등을 별도로 제어하는 것을 가능하게 만든다. 용접부의 마찰 계수와 압력 등을 정확히 측정키 어려워 여러 번의 해석을 통하여 실 패널 성형과 유사한 경향을 보이는 값으로 해석에 사용할 입 력값을 선 정 하였다.
윈도우 프레임이 없는 형태의 도어 인너 패널의 좌우 동시 성형품을 대상으로 하였다. 소재는 SPCD이고 초기 블랭크는 두께 1.

데이터처리

10은 최종적으로 트리밍과 피어싱 공정을 거쳐 완성된 패널에 대한 스프링백 정도를 실제 패널의 측정 및 성형해석 결과를 비교한 그래프이다. Fig. 4 에서 제시한 실패널 측정 그래프와 함께 해석 결과에서 동일한 위치의 요소 절점 위치를 측정하여 연속적인 그래프로 비교하였다.

성능/효과

(2) 보다 정확성 있는 해석 결과를 얻어내기 위해 금형의 소재용접 단차부 경사면 추가의 해석 모델을 제안하고 이를 적용한 해석을 통해 실제 현상에 가까운 해석 결과를 얻을 수 있었다.
(3) TWB를 이용한 성 형 에서 스프링백 해석 결과는 그 추세가 실패널과 매우 비슷한 양상을 보임을 확인하였다. 이는 비틀림 발생 예측에 대해서도 활용 가능성이 있다.
해석 결과는 두꺼운 소재가 얇은 소재쪽으로 이동하면서 용접선을 따라 파단이 발생하였음을 보여준다. 그러나 단차부 경사와 길이를 조절한 이후 파단 없는 실제 패널에서와 달리 파단이 계속 관측되어 두 종류의 성형해석 프로그램 모두에서 해석 결과가 실제 현상과 다른 양상을 보였다.
이 결과를 바탕으로 대략의 사항들을 고려한 후 실 트라이아웃을 총 4차례 진행하였다. 첫 트라이아웃의 결과 대칭부 가형상의 모서리 터짐과 다이페이스 단차에 의한 주름 등이 발생하여 설계가 수정되었다. 앞서 말한 바와 같이 드로잉 공정에서 초기에 발생한 문제로 용접선이 이동한 것과 이종 두께의 소재 사용으로 인해 제품의 주름과 터짐이 발생하였다.
그러나 전체적으로 해석 결과의 값의 크기가 실제보다 크게 표현된 것을 볼 수 있다. 해석 결과 활용시 절대값에 대한 신뢰도는 아직 설계반영 정도의 수준에 미치지 못하고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 스프링백 해석결과의 활용을 제품 부위에 따른 상대 오차 감소를 목적 으로 한다면 변형 경 향은 스프링백을 발생시키는 소재 이동과 응력 분포를 조절하는데 충분히 활용 가능한 정도를 보여주고 있다.

후속연구

경사면에 대한 입력값 조절은 앞으로 여러 번의 사례들을 통해 실제 성형성 예측에 사용되는 표준의 입력값으로 고정되어 사용될 수 있을 것이다.
파단과 주름 방지 등 전반적인 성형성 향상을 위해서는 용접선 부분을 포함한 유입량의 균형적인 조절이 필요하다. 이를 위해 용접선 위치 선정 및 성형 깊이를 고려한 다이 페이스 및 가형상의 설계 방법에 대한 연구가 필요할 것이다.

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