[논문]알루미늄 튜브 하이드로포밍 성형 해석 및 성형성 평가

임희택; 김형종; 이동재; 김헌영

doi:10.5228/kspp.2006.15.2.138

알루미늄 튜브 하이드로포밍 성형 해석 및 성형성 평가
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A tube hydroformability testing system was designed and manufactured to observe the forming steps and to provide arbitrary combination of internal pressure and axial fred. The forming limit diagram of an aluminum tube was obtained from the free bulge test and the T-shape forming test using this system, giving the criteria for predicting failure in the hydroforming process. The hydroformability of aluminum tube according to different conditions of a prebending process was discussed, based on the finite element analysis and the forming limit test. The effects of 2D and 3D pretending on the tube hydroforming process of an automotive trailing arm were evaluated and compared with each other.

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문제 정의

본 연구에서는 임의의 내압과 축 압축량을 조합 할 수 있고 성형 단계를 관찰할 수 있는 관재 하 이드로포밍 성형성 평가 장비를 설계/제작하였다.

제안 방법

관재 는 예비굽힘공정 동안에 상당한 소성 변형을 받아 하이드로포밍 성형성에 영향을 미치게 되는데 특히 관재의 확 관률 이 거의 없는 경우에 예비 굽 힘은 하이드로포밍 성형성을 결정할 수도 있다. 2D/3D 예비 굽힘은 성형성 비교를 통해서 Fig. 6 처 럼 평 면 굽힘인 2D 모델과 공간 굽힘인 3D 모델을 구성하였다. Fig.
관재 하이드로 포밍 성형성 평가시스템은 성형단계를 관찰하고 내압과 축압축량의 제어가 가능하도록 설계/제작되었다. 그리고 알루미늄 관재 재료의 성형 한계도를 단순확관시 험과 T 성형시험 에 의해 구하였으며 하이드로 포밍 공정에서 파단을 예측할 수 있는 실험적인 데이터를 제공하였다.
본 연구에서 알루미늄으로 제작한 자동차 트레일링 암 시제품은 성형한계도의 임계파단영역 아래에서 성형됨을 확인하였다. 그리고 2D/3D 예비 굽힘(prebending)에 따른 하이드로 포밍의 성형성 차이를 외연적(explicity) 유한요소 해석과 트라이아웃(try-out)의 비교/분석으로 평가하였다.
관재 하이드로 포밍 성형성 평가시스템은 성형단계를 관찰하고 내압과 축압축량의 제어가 가능하도록 설계/제작되었다. 그리고 알루미늄 관재 재료의 성형 한계도를 단순확관시 험과 T 성형시험 에 의해 구하였으며 하이드로 포밍 공정에서 파단을 예측할 수 있는 실험적인 데이터를 제공하였다. 또한 자동차 트레일링암을 대상으로 2D/3D 예비 굽힘 효과가 하이드로 포밍 공정에 미치는 영향을 트라이아웃과 유한 요소해석에 의해 비교/분석하였다.
그리고 이 시스템으로 단순 확관시험(free bulge test)과 T 성형 시험(T-shape forming test)을 수행하여 알루미늄 관재의 성형한 계도(forming limit diagram:FLD)를 구하였다. 성형한계도 는 알루미늄 관재 하 이드로포밍 공정에서 파단을 예측할 수 있는 기 준을 제시하였다.
하이드로포밍 전공 정인 예비 굽힘 공정은 굽힘 부 바깥쪽에 높은 부 변형률을 발생하게 할 수도있다. 따라서 본 연구에서는 가능한 높은 부변형 률에서 FLD를 얻기 위해 축 방향으로 예비 굽힘을 대신하여 예 변형 (pre-tension)을 주었다. 변형률은 파단 주위의 변형된 격자에서 자동적으로 측정되었으며 측정 시스템은 자체 개발된 ASIAS 이다[6].
그리고 알루미늄 관재 재료의 성형 한계도를 단순확관시 험과 T 성형시험 에 의해 구하였으며 하이드로 포밍 공정에서 파단을 예측할 수 있는 실험적인 데이터를 제공하였다. 또한 자동차 트레일링암을 대상으로 2D/3D 예비 굽힘 효과가 하이드로 포밍 공정에 미치는 영향을 트라이아웃과 유한 요소해석에 의해 비교/분석하였다. 이것은 알루미늄 관재의 FLD 에서 예비 굽힘과 하이드로 포밍의 연속적인 해석에서 해당 요소의 변형률 경로에 의해 증명되었다.
1은 본 연구에서 설계/제작한 튜브 하이드 로포밍 성형성 평가 시스템이다. 이 시스템은 미리 프로그램된 내압 및 축 압축량의 성형조건을 적용할 수 있도록 설계되었다. 또한 튜브의 양 끝 단에서 좌/우 축 압축량을 주기 위해 2개의 500kN 수평 실린더(horizontal cylinder)가 구성되었다.

성능/효과

관재 FLD는 실험으로 구하기 어렵고 판재와 달리 표면적에 비해 두께 더 두꺼운 관재에 사용 가능한지 증명하지 못했기 때문이다. 본 연구에서 AI 6063 관재 재료의 FLD는 높은 양(high positive)의 부 변형률(minor strain)의 영역은 제외하고 성공적으로 얻을 수 있었다. 관재 하이드로포밍 공정에서 주 변형률(major strain)은 일반적으로 원주 방향을 나타낸다.
성형한계도 는 알루미늄 관재 하 이드로포밍 공정에서 파단을 예측할 수 있는 기 준을 제시하였다. 본 연구에서 알루미늄으로 제작한 자동차 트레일링 암 시제품은 성형한계도의 임계파단영역 아래에서 성형됨을 확인하였다. 그리고 2D/3D 예비 굽힘(prebending)에 따른 하이드로 포밍의 성형성 차이를 외연적(explicity) 유한요소 해석과 트라이아웃(try-out)의 비교/분석으로 평가하였다.

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