[논문]AZ31 합금 판재의 온간 점진 성형에 관한 연구

김상우; 이영선; 권용남; 이정환

doi:10.5228/kspp.2008.17.5.373

문제 정의

본 연구에서는 앞서 말한 점진 판재 성형공정및 마그네슘 합금의 장점을 활용하여 산업적 적용범위를 확대하기 위한 초기단계로 온간 점진판재 성형에 관한 기초연구를 수행하였다. 마그네슘 합금 판재의 성형성을 향상하기 위한 방안으로 점진 판재 성형장비에 독자적으로 제작된 국부 가열장치를 장착하여 성형온도, 1회 성형깊이, 기울임 각 등 다양한 성형조건에서의 실험을 통하여 이들 공정변수가 AZ31 마그네슘 합금 판재의점진 성형성에 미치는 영향을 분석하였다.

가설 설정

하 홀더, 베이스 몰드는 강체로 가정되었으며, 소재는 변형률 속도를 고려한 탄소성체로 가정하였다. 공정 중에는 변형영역내의 균일한 가열이 이루어졌다는 가정하에 250℃의 등온공정으로해석하였다.
첫째, 3차원으로 이동하는 공구의 이동경로를 방해하지 않을 것. 둘째, 가열로 인한 공정시간 증대를 최소화하기 위해급속가열이 가능할 것’ 셋째, 변형영역내의 온도제어가 가능할 것. 상기의 세 가지 설계인자를고려하여, Fig.
가열장치의 설계에 있어서 다음의 세가지설계인자가 고려되었다. 첫째, 3차원으로 이동하는 공구의 이동경로를 방해하지 않을 것. 둘째, 가열로 인한 공정시간 증대를 최소화하기 위해급속가열이 가능할 것’ 셋째, 변형영역내의 온도제어가 가능할 것.
12와 같이 공구, 상.하 홀더, 베이스 몰드는 강체로 가정되었으며, 소재는 변형률 속도를 고려한 탄소성체로 가정하였다. 공정 중에는 변형영역내의 균일한 가열이 이루어졌다는 가정하에 250℃의 등온공정으로해석하였다.

제안 방법

(1) 국부가열장치를 도입함으로써 공구경로가복잡한 점진 성형 공정에서 효율적으로 소재를가열할 수 있도록 함으로써 마그네슘 합금의 점진 성형이 가능하도록 하였다.
Fig. 10과 같이 0>100 반구형 금형에 카트리지 히터를삽입하여 가열하였으며, 변형경로를 다양하게 하기 위해 각각 폭이 다른 시편을 제작하여 100, 200, 250, 300℃의 네 가지 온도조건에서 실험을수행하였다. 본 연구에서는 점진 판재 성형에서의주 변형모드인 평면변형 및 2축 인장 모드에서의 성형한계선도만 고려되었으며, 그 결과는 Fig.
3과 같이 할로겐 램프를 이용한 국부가열 장치의 설계 및 제작을 완료하였다. 가열장치는 공구에 장착되어 공구와 함께 이동함으로써 이동경로에 방해를 받지 않으며, 여섯 개의 丁자형 할로겐램프를 사용하여 급속가열을 가능하게 하였다. 또한, 변형영역내의 온도제어를 위해 열전대가 소재에 접촉할 수 있도록 설치하고, 이를 통해 온도를 제어할 수 있도록 시스템을구현하였다.
경우의.각각의모델에 대한 유한요소해석이 수행되었다. Fig.
성형공구는 직경 10mm의 반구형을 사용하였으며, 자연발화점이 400 ℃ 인 합성오일을 윤활제로 사용하였다. 공구의 속도는 초기 예비가열을 위해 lOmm/s 으로 수 회 성형한 후, 100mm/s 까지 점진적으로 속도를 증가시킴으로써일정온도가 유지될 수 있도록 하였다. 실험은 1회전 당 성형깊이, 성형온도, 모델의 기울임 각을 달리하여, 다양한 공정변수에 대한 영향을 검토할 수있도록 하였다.
두께 0.8mm 인 AZ31 마그네슘 합금 판재의 고온에서의 기계적 물성을 측정하기 위하여 100, 200, 300, 400℃의 네 가지 온도 및 변형률 속도 0.01, 0.1 l/s에서의 인장시험을 수행하였다. 실험은압연방향에 대하여 0。, 45°, 90° 의 세 방향으로 시편을 절단하여 방향별로 수행하였으며, 식(1)의 평균유동응력으로 근사하여 분석한 결과를 Fig.
가열장치는 공구에 장착되어 공구와 함께 이동함으로써 이동경로에 방해를 받지 않으며, 여섯 개의 丁자형 할로겐램프를 사용하여 급속가열을 가능하게 하였다. 또한, 변형영역내의 온도제어를 위해 열전대가 소재에 접촉할 수 있도록 설치하고, 이를 통해 온도를 제어할 수 있도록 시스템을구현하였다.
마그네슘 합금 판재의 성형성을 향상하기 위한 방안으로 점진 판재 성형장비에 독자적으로 제작된 국부 가열장치를 장착하여 성형온도, 1회 성형깊이, 기울임 각 등 다양한 성형조건에서의 실험을 통하여 이들 공정변수가 AZ31 마그네슘 합금 판재의점진 성형성에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, 유한요소법과 AZ31 소재의 성형한계선도(FLD)를이용하여 성형한계를 예즉함으로써 기존의'성형한계선도를 이용한 네킹 및 파단 발생 판단 가능여부를 검토하였다.
마그네슘 합금 판재의 성형성을 향상하기 위한 방안으로 점진 판재 성형장비에 독자적으로 제작된 국부 가열장치를 장착하여 성형온도, 1회 성형깊이, 기울임 각 등 다양한 성형조건에서의 실험을 통하여 이들 공정변수가 AZ31 마그네슘 합금 판재의점진 성형성에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, 유한요소법과 AZ31 소재의 성형한계선도(FLD)를이용하여 성형한계를 예즉함으로써 기존의'성형한계선도를 이용한 네킹 및 파단 발생 판단 가능여부를 검토하였다.
마그네슘합금의 온간 점진 성형에서의 공정변수들의 영향을 살펴보기 위해 두 가지 기본형상의 모델을 Fig. 4와 같이 선정하여, 국부 가열장치를 이용한 온간 점진 성형실험을 수행하였다. 실험모델은직경(가로변) 100mm, 높이 50mm의 높이에 따라 단면이 줄어드는 사각기둥 및 원기둥 형상의 두 개모델을 선정하였다.
본 연구에서는 마그네슘 합금 판재의 온간 점진 성형을 위하여 국부 가열장치를 이용하여 기초실험을 수행함으로써 공정변수의 영향을 분석하였으며, 파단을 예측하기 위하여 고온에서의 성형한계선도를 도입하였다. 이상의 결과를 정리하면 다음과 같다.
둘째, 가열로 인한 공정시간 증대를 최소화하기 위해급속가열이 가능할 것’ 셋째, 변형영역내의 온도제어가 가능할 것. 상기의 세 가지 설계인자를고려하여, Fig. 3과 같이 할로겐 램프를 이용한 국부가열 장치의 설계 및 제작을 완료하였다. 가열장치는 공구에 장착되어 공구와 함께 이동함으로써 이동경로에 방해를 받지 않으며, 여섯 개의 丁자형 할로겐램프를 사용하여 급속가열을 가능하게 하였다.
상온에서의 성형성이 열악한 마그네슘 합금의성형성을 향상시키고, 점진 성형 공정에 적용하기 위하여 점진 성형용 국부 가열장치를 설계하였다. 가열장치의 설계에 있어서 다음의 세가지설계인자가 고려되었다.
본 연구에서는 기울임 각이 성형성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 30。, 35°, 40° 45。의 네가지 경우에 대한 실험을 수행하였다. 성형온도및 1회 성형깊이는 앞서 수행된 실험에서 가장성형결과가 좋았던 250℃, 0.2mm로 고정하고, 두가지 모델에 대한 실험을 수행하였다. 실험결과, Table 1에서와 같이 온도 및 1회 성 형깊이 가 동일한 조건하에서 기울임 각이 35。이상일 경우, 두모델 모두 높이 50mm가 도달하기 전 파단이 발생하였다.
공구의 속도는 초기 예비가열을 위해 lOmm/s 으로 수 회 성형한 후, 100mm/s 까지 점진적으로 속도를 증가시킴으로써일정온도가 유지될 수 있도록 하였다. 실험은 1회전 당 성형깊이, 성형온도, 모델의 기울임 각을 달리하여, 다양한 공정변수에 대한 영향을 검토할 수있도록 하였다. Fig.
실험을 통해 도출된 성형한계선도와 해석결과를 이용하여 마그네슘 합금의 온간 판재 점진 성형공정에서의 파단을 예측해 보았다. 그 결과, Fig.
성형온도 250℃, 기울임 각 45。인 조건하에서 1회 성형깊이를 0.2mm, 3mm로 달리하여 실험을 수행하였다. 그 결과 Fig.

대상 데이터

실험모델은직경(가로변) 100mm, 높이 50mm의 높이에 따라 단면이 줄어드는 사각기둥 및 원기둥 형상의 두 개모델을 선정하였다. 성형공구는 직경 10mm의 반구형을 사용하였으며, 자연발화점이 400 ℃ 인 합성오일을 윤활제로 사용하였다. 공구의 속도는 초기 예비가열을 위해 lOmm/s 으로 수 회 성형한 후, 100mm/s 까지 점진적으로 속도를 증가시킴으로써일정온도가 유지될 수 있도록 하였다.
4와 같이 선정하여, 국부 가열장치를 이용한 온간 점진 성형실험을 수행하였다. 실험모델은직경(가로변) 100mm, 높이 50mm의 높이에 따라 단면이 줄어드는 사각기둥 및 원기둥 형상의 두 개모델을 선정하였다. 성형공구는 직경 10mm의 반구형을 사용하였으며, 자연발화점이 400 ℃ 인 합성오일을 윤활제로 사용하였다.

이론/모형

온간 점진 성형 공정에서의 성형한계를 예측하기 위하여 성형한계선도(FLD)가 고려되었다. Fig.
온간 점진 성형 공정에서의 소성변형해석 및성형한계선도를 이용한 성형한계예측을 위하여상용 유한요소해석 코드인 ABAQUS-Explicit 을이용한 공정해석을 수행하였다. Fig.

성능/효과

(2) 성형온도, 1회 성형깊이, 기울임 각의 세 가지 공정변수에 대한 영향을 분석한 결과 기울임각이 성형의 성공여부를 결정하는 가장 주요한인자인 것으로 나타났다.
(3) 변형률 기반의 고온 성형한계도를 이용하여성형성을 예측한 결과, 실험과 잘 일치하는 경향을 보임으로써, 점진 성형 공정에서의 파단기준으로 적용할 수 있음을 보였다.
13은파단이 발생한 경우의 해석결과 최대 변형률 분포를 보여주고 있는데 누 가지 모델 모두 평면변형이 작용하는 평행부에서 최대 인장 변형률이발생하였다. Fig. 14는 높이 50mm까지 성형 이 완료된 경우의 해석결과로 사각형 모델의 경우 최대인장 변형률이 0」86으로 파단이 된 경우의 0.288 에 비해 35%가량 작게 나타났으며, 원형 모델의경우 0.192로 파단된 경우의 0.336에 비해 43%가량 작게 나타났다.
2mm, 3mm로 달리하여 실험을 수행하였다. 그 결과 Fig. 6에서 보이는 것과같이 두 가지 모델 모두 1회 성형깊이가 작을수록 성형가능 높이가 커지는 것으로 나타났으며, 원형 모델의 경우 파단까지의 성형깊이가 사각형모델보다 큰 것으로 나타났다. 이는 사각형 모델의 평행부에서의 평면변형에 의한 성형한계의 감소로 판단된다.
파단을 예측해 보았다. 그 결과, Fig. 15에서와 같이 파단이 된 경우에는 두 모델 모두주변형률이 평면 변형상태에서 한계변형률을 초과함으로써 실험과 동일하게 파단을 예측하였으며, Fig. 16의 파단이 되지 않은 경우에는 각 요소의 변형률이 한계변형률 아래에 분포됨으로써 파단없이 성형이 완료될 수 있음을 예측하였다.
성형온도가 증가함에따라 파단높이도 증가하는 경향을 보였으며, 200℃ 이상에서는 급격한 성형성 증가를 나타내었다. 또한, 원형모델이 사각형모델에 비해 성형이 잘 되는 것으로 나타났다.
10과 같이 0>100 반구형 금형에 카트리지 히터를삽입하여 가열하였으며, 변형경로를 다양하게 하기 위해 각각 폭이 다른 시편을 제작하여 100, 200, 250, 300℃의 네 가지 온도조건에서 실험을수행하였다. 본 연구에서는 점진 판재 성형에서의주 변형모드인 평면변형 및 2축 인장 모드에서의 성형한계선도만 고려되었으며, 그 결과는 Fig. 11 과 같이 온도가 증가함에 따라 한계변형률 역시증가하는 경향을 보였다.
7에 나타내었다. 성형온도가 증가함에따라 파단높이도 증가하는 경향을 보였으며, 200℃ 이상에서는 급격한 성형성 증가를 나타내었다. 또한, 원형모델이 사각형모델에 비해 성형이 잘 되는 것으로 나타났다.
진 응력은 온도가 증가함에 따라 감소하는 반면 변형률 속도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 전 연신률은 온도가 증가함에 따라증가하는 반면 변형률 속도가 증가함에 따라 감소하는 경향으로 보였다. 특히, 400℃에서 변형률속도 0.

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