[논문]금형 변형을 고려한 자동차 펜더패널의 성형해석

송민재; 금영탁

doi:10.5228/kspp.2006.15.5.387

문제 정의

본 연구에서는 금형의 변형이 성형해석에 미치는 영향을 고려하기 위하여 드로우 공정에서 자동차용 펜더 패널의 금형 구조해석과 성형해석을 연계하여 해석하였다. 프레스와 금형의 상호작용을 고려하기 위하여 프레스와 금형을 일체로 모델링하였고 성형해석 결과에서 얻은 패널의 두께 정보를 gap 요소로 대체하여 구조해석을 수행하고 각 금형의 응력 및 변형을 구하였다.

가설 설정

초기 성형 공정은 상형 다이와 펀치의 접촉이 적어 금형 변형이 나타나지 않기 때문에 본 연구에서는 성형 공정이 90% 진행됐을 때 즉, 상형다 이가 펀치와 블랭크 홀더 전면적에 하중을 전달하기 시작할 때, 금형의 변형이 일어나기 시작한다고 가정하였다. 강체 금형 해석은 Fig.

제안 방법

(1) 프레스와 금형의 연동 구조 해석으로 금형의 각 파트별 응력 및 변형 분포를 얻었다.
(2) 구조 해석으로 얻은 변형금형 도형을 성형해석에 도입하고 드로우 패널의 변형률 및 유입량의 고정도 성형 및 스프링 백 해석을 수행하였다. 강체 금형보다 실측치에 가까운 결과를 나타내었다.
초기 성형 공정은 상형 다이와 펀치의 접촉이 적어 금형 변형이 나타나지 않기 때문에 본 연구에서는 성형 공정이 90% 진행됐을 때 즉, 상형다 이가 펀치와 블랭크 홀더 전면적에 하중을 전달하기 시작할 때, 금형의 변형이 일어나기 시작한다고 가정하였다. 강체 금형 해석은 Fig. 8에서 보는 봐와 같이 강체인 상형 다이와 펀치, 블랭크 홀더를 사용하여 전 성형공정을 해석하였고, 변형 금형 해석은 Fig. 9에서 보는 봐와 같이 구조해석에서 변형되지 않은 강체 금형으로 드로우 성형 공정의 90%를 진행하고 나머지 10%의 성형 공정 해석은 구조해석에 의해 변형된 다이, 펀치, 블랭크 홀더를 90%까지 성형이 진행된 블랭크에 적용하여 수행되었다. '
구조해석과 성형해석을 연계하여 금형의 변형을 고려한 자동차용 펜더패널의 성형 및 스프링 백 해석을 수행하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
프레스와 금형의 상호작용을 고려하기 위하여 프레스와 금형을 일체로 모델링하였고 성형해석 결과에서 얻은 패널의 두께 정보를 gap 요소로 대체하여 구조해석을 수행하고 각 금형의 응력 및 변형을 구하였다. 구조해석을 통하여 변형된 금형의 형상을 성형해석에 도입하여 패널의 유입량, 변형률, 스프링 백을 구하였고 강체 금형으로 해석한 결과와 비교하였다. 그리고 변형 금형과 강체 금형의 성형해석 결과를 유입량의 실측치와 비교하여 성형해석을 수행하였다.
구조해석을 통하여 변형된 금형의 형상을 성형해석에 도입하여 패널의 유입량, 변형률, 스프링 백을 구하였고 강체 금형으로 해석한 결과와 비교하였다. 그리고 변형 금형과 강체 금형의 성형해석 결과를 유입량의 실측치와 비교하여 성형해석을 수행하였다.
7은 변형 금형 기초 성형해석의 절차를 나타낸 것이다. 금형 구조해석을 위하여 현 단계의 금형 형상으로 초기 성형해석을 수행하고 얻은 블랭크 두께 정보로부터 블랭크 요소 대신에 gap 요 소를 생성한다. 그리고 프레스/금형 연동 구조해 석에서 생성된 변형 다이페이스의 형상은 성형해 석에서 금형 데이터로 사용된다.
성형해석은 초기 블랭크의 처짐 현상을 구현하기 위해 중력 처짐 해석을 수행하고, 블랭크 홀더와 다이에 의해 판재가 바인딩 되는 홀딩해석을 수행한 후, 최종성형해석을 수행하였다. 상형 다이, 펀치 및 블랭크 홀더는 1차 삼각형 쉘 요소를 사용하였으며 블랭크는 1차 사각형 쉘 요소를 사용하였다. Table 3에 성형 해석을 위한 유한요소 모델, 각 금형의 경계조건 및 하중 조건을 요약하여 나타내었다.
성형해석은 초기 블랭크의 처짐 현상을 구현하기 위해 중력 처짐 해석을 수행하고, 블랭크 홀더와 다이에 의해 판재가 바인딩 되는 홀딩해석을 수행한 후, 최종성형해석을 수행하였다. 상형 다이, 펀치 및 블랭크 홀더는 1차 삼각형 쉘 요소를 사용하였으며 블랭크는 1차 사각형 쉘 요소를 사용하였다.
본 연구에서는 금형의 변형이 성형해석에 미치는 영향을 고려하기 위하여 드로우 공정에서 자동차용 펜더 패널의 금형 구조해석과 성형해석을 연계하여 해석하였다. 프레스와 금형의 상호작용을 고려하기 위하여 프레스와 금형을 일체로 모델링하였고 성형해석 결과에서 얻은 패널의 두께 정보를 gap 요소로 대체하여 구조해석을 수행하고 각 금형의 응력 및 변형을 구하였다. 구조해석을 통하여 변형된 금형의 형상을 성형해석에 도입하여 패널의 유입량, 변형률, 스프링 백을 구하였고 강체 금형으로 해석한 결과와 비교하였다.

대상 데이터

유한요소 모델은 133, 618개의 2차 사면체 솔리드 요소와 3118개의 2차 사각형 쉘 요소로 구성되어있다. 성형해석의 결과를 고려하기 위해 2.2 절에서 기술한 바와 같이 gap 요소를 사용하였으며, 적용된 블랭크 홀딩력 은 75 ton 이고 성 형 하중은 875 ton 이다. 해석은 I- DEAS 를 사용하여 선형해석을 수행하였다.
그림에서와같이 금형의 구조는 프레스 슬라이더, 상형 다이, 블랭크 홀더, 펀치, 및 쿠션 패드로 이루어져 있다. 유한요소 모델은 133, 618개의 2차 사면체 솔리드 요소와 3118개의 2차 사각형 쉘 요소로 구성되어있다. 성형해석의 결과를 고려하기 위해 2.

이론/모형

2 절에서 기술한 바와 같이 gap 요소를 사용하였으며, 적용된 블랭크 홀딩력 은 75 ton 이고 성 형 하중은 875 ton 이다. 해석은 I- DEAS 를 사용하여 선형해석을 수행하였다. Table 1에서 사용된 요소 및 하중 조건을 요약하여 나타내었다.

성능/효과

(3) 변형 금형을 사용한 해석에서 강체 금형 해석보다 스프링백이 크게 발생하였다.
10은 강체 금형의 해석 결과와 변형 금형의 유입량의 해석 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 변형 금형과 강체 금형은 금형의 탄성변형에 의한 간극의 차이로 최대 10mm의 유입량 차이가 발생됨을 알 수 있었고 실제 금형과 패널을 tryout 하여 측정한 유입량 결과와 비교하여 볼 때 탄성 변형된 변형 금형이 실측치에 더 가까움을 알 수 있었다. Fig.
그리고 프레스/금형 연동 구조해 석에서 생성된 변형 다이페이스의 형상은 성형해 석에서 금형 데이터로 사용된다. 변형된 다이페이 스의 형상으로 재 성형 해석하여 얻은 드로우인, 변형률 및 스프링 백 등을 바로 직전 iteration의 금형 형상으로 해석한 결과와 비교하여 전 iteration의 성형해석 결과와 현 iteration의 해석 결과가 일치하면 현 단계의 변형 금형 기초 성형해석은 완료되고, 그렇지 않으면 성형해석과 구조해석이 양립할 때까지 해석은 반복된다.
13은 강체 금형과 변형 금형과의 성형 해석 결과를 바탕으로 스프링 백 해석을 수행하여 수직 방향의 스프링 백의 분포를 나타낸 것이다. 스프링 백이 크게 발생된 부분을 대상으로 관찰하여 볼 때 변형 금형을 사용한 성형해석의 결과는 강체 금형을 사용한 성형해석의 결과보다 스프링 백이 대부분 큰 분포를 나타내고 있다. 이것은 변형된 금형을 사용하여 성형 해석한 패널의 두께 분포 및 변형량 및 유입량의 차이로 인하여 스프링 백 결과도 많은 차이가 있음을 나타내는 것이다.
4 는 상형 다이의 수직 방향 변형 및 응력 분포를 나타낸 것이다. 프레스 슬라이더와 접촉하는 상형 다이 밑부분에서 큰 변형이 나타났으며 다이페이스 부분의 불균일한 응력집중 현상이 나타났고 발란스 블록과 디스턴스 블록에 응력집중 현상이 나타났다. Fig.

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