[논문]드로우비드력 측정용 실험금형

문성준; 이명규; 금영탁

doi:10.5228/kspp.2008.17.7.511

드로우비드력 측정용 실험금형
Experimental Drawbead Dies for Measuring Drawbead Forces 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.17 no.7 = no.105, 2008년, pp.511 - 516

문성준 (한양대학교 일반대학원, 자동차공학과) , 이명규 (한국기계연구원, 재료연구소) , 금영탁 (한양대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A drawbead die for the experimental determination of drawbead forces was newly introduced in this paper. While the conventional Nine's drawbead die inevitably includes effects of a blank holding force on the measured drawbead forces, the new drawbead die excludes it by removing the blank holder contact in the dieface. Therefore, the new drawbead die can provide more realistic drawbead forces without considering somewhat arbitrary effect of blank holder with the computational procedure of forming process. The drawbead opening force and restraining force obtained by adopting the two experimental dies were compared for the validation of accuracy in the FEM simulation of automotive fender forming process. The compared section strains and draw-ins confirmed that the present drawbead die provides better drawbead forces for an accurate FEM simulation of sheet metal forming process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 블랭크 홀딩력을 배제하고 드로우비드의 형상과 크기로만 드로우비드력을 구할 수 있는 실험금형으로부터 드로우비드력을 측정하고, 이 즉정치들을 자동차 펜더 성형해석에 적용하여 해석결과의 정확도를 보여줌으로써 새로운 실험금형의 우수성을 보이고자 한다.

가설 설정

Stoughtone[7] Nine의 드로우비드 실험 금형에서 박판이 인출될 때 박판의 굽힘 효과, 드로우비드에 의한 저항력, 블랭크 홀딩력 등을 고려하여 드로우비드력을 평가하였다. 드로우비드를 통과하여 인출되는데 필요한 일과 박판이 굽혀지고마찰력을 극복하는데 필요한 일이 같다는 가정하에 상압력과 인출력을 계산하였다. 드로우비드 상압력은 시편이 금형을 들어올리는 힘으로 탄성복원력과 시편과 금형 사이에 작용하는 면 압력의 수직 성분 힘의 합이다.

제안 방법

2가지 드로우비드 실험금형의 드로우비드력들을 적용하여 펜더의 성형해석을 수행한 후 변형률 분포와 드로인 양을 측정하여 실측치와 비교하였다. Fig.
1에서 보는 바와 같이 1구역(Regionl)의 좌측블랭크 홀딩 면에서 일정한 홀딩력을 받으며 드로우비드 금형 내부로 드로인 되고, 2구역 (Region2)의 하형 다이의 어깨반경과 상형 다이의드로우비드 형상과 높이에 따라 굽힘력을 받고, 3 구역(Region3)의 우측 블랭크 홀딩 면을 거쳐 인출된다. Stoughtone[7] Nine의 드로우비드 실험 금형에서 박판이 인출될 때 박판의 굽힘 효과, 드로우비드에 의한 저항력, 블랭크 홀딩력 등을 고려하여 드로우비드력을 평가하였다. 드로우비드를 통과하여 인출되는데 필요한 일과 박판이 굽혀지고마찰력을 극복하는데 필요한 일이 같다는 가정하에 상압력과 인출력을 계산하였다.
기존의 Nine 실험금형을 보완한 New 실험 금형으로 블랭크 홀딩력을 배제하고 드로우비드의 형상과 크기로만 구한 드로우비드력과 Nine 실험 금형으로부터 구한 드로우비드력을 자동차 펜더 드로우 공정해석에 각각 적용시킨 후 다음과 같은 결론을 얻었다.
5 참조) 성형해석을 수행하였다. 블랭크는 초기 크기 2mmX2mm의 두께 방향 적분점 5 개를 갖는 4절점 쉘 요소를 사용하였으며 remesh 기법을 적용하였고, 드로우비드 부에서 자동으로 사이즈가 최적화 될 수 있게 하였다. 한편, 다이, 홀더 및 펀치는 3, 4 절점의 rigid body 요소를 사용하였다.
2와 같이 기존 Nine 실험금형의 1 구역과 3구역에서 박판이 하형 다이와 닿지 않도록 마찰 면을 배제하였다. 이로써 2구역에서 F[에서 F6까지의 힘의 합을 통해 드로우비드력을 구하였다. 예로써, Fig.
블랭크는 초기 크기 2mmX2mm의 두께 방향 적분점 5 개를 갖는 4절점 쉘 요소를 사용하였으며 remesh 기법을 적용하였고, 드로우비드 부에서 자동으로 사이즈가 최적화 될 수 있게 하였다. 한편, 다이, 홀더 및 펀치는 3, 4 절점의 rigid body 요소를 사용하였다. 사용된 블랭크 홀딩력은 75 ton이고, 펀치 속도와 홀더 속도는 각각 5m/s, 2m/s를 적용하였고 금형과 블랭크 사이의 마찰은 Coulomb 마찰법칙을 적용하여 구한 마찰계수로 실험을 통해 구한 0.
한편, Table 4는 각 실험 금형으로부터 구한 드로우비드력들을 사용하여 성형해석에서 얻은 변형률과 실측치와의 RMS(root mean square) 에러들을 보여준다. 한편, 드로우인양을 비교하기 위하여 펜더 금형의 드로우비드 위치를 고려하여 홀딩 후 시편과 스탬핑 후 시편의 끝부분을 11개 지점으로 나누어 이동거리를 측정하였다(Fig. 10 참조). Table 5는 실측치와 2실험 금형에서 얻은 드로우비드력을 각각 적용한 해석 결과와의 상대 오차(relative error)를 보여준다.

데이터처리

New 실험금형의 타당성을 검증하기 위하여 상용 프로그램인 Pam-Stamp를 통해 자동차 펜더 패널의(Fig. 5 참조) 성형해석을 수행하였다. 블랭크는 초기 크기 2mmX2mm의 두께 방향 적분점 5 개를 갖는 4절점 쉘 요소를 사용하였으며 remesh 기법을 적용하였고, 드로우비드 부에서 자동으로 사이즈가 최적화 될 수 있게 하였다.
또한, Triantafyllidis 등은[5~6] 2차원 셸 요소로 드로우비드 시뮬레이션을 하여 이를 실험과 비교하였고 Stoughtone[7] 드로우비드력을 계산하는 수학적 모델을 제시하고 Nine의 실험을 통해 검증하였다. Carleer 등은[8] 유한요소 해석을 위한 등가 드로우비드 모델을 제안하였으며, Keum 등은 [9] FEM 해석을 위한 드로우비드의 수학적 전문모델을 제안하였다.

이론/모형

109를 적용하였다. 또한, 블랭크의 구성방정식으로는 등방성 항복함수인 Von Mises 항복식과 등방 경화 거동을 사용하였다. 이때 Nine 실험 금형과 New 실험금형의 드로우비드력을 각각 펜더 드로우 금형의 (Fig.
한편, 다이, 홀더 및 펀치는 3, 4 절점의 rigid body 요소를 사용하였다. 사용된 블랭크 홀딩력은 75 ton이고, 펀치 속도와 홀더 속도는 각각 5m/s, 2m/s를 적용하였고 금형과 블랭크 사이의 마찰은 Coulomb 마찰법칙을 적용하여 구한 마찰계수로 실험을 통해 구한 0.109를 적용하였다. 또한, 블랭크의 구성방정식으로는 등방성 항복함수인 Von Mises 항복식과 등방 경화 거동을 사용하였다.

성능/효과

(1) 드로우비드력을 구하기 위한 드로우비드 실험 금형은 BHF의 영향을 받는 다이페이스 부분이 제거되어야 한다.
(2) 유한요소 해석에서 사용되는 등가 드로우비드의 드로우비드력은 블랭크 홀딩력의 영향을 배제한 드로우비드력을 사용하여야 한다.
(3) 펜더 성형해석에서 New 실험금형의 드로우비드력을 적용한 해석결과는 Nine 실험금형의 드로우비드력을 적용한 해석결과보다 변형률 오차를 40% 이상, 드로인 오차를 8-110% 감소시켰다.

참고문헌 (9)

H. D. Nine, 1978, Drawbead Forces in Sheet Metal Forming, Mechanics of Sheet Metal Forming, pp. 179-211
H. D. Nine, 1982, New Drawbead Concepts for sheet Metal Forming, American Society for Metals, Vol. 2, pp. 185-192
N. M. Wang, 1982, A Mathematical Model of Drawbead Forces in Sheet Metal Forming, J. of Applied Metal Working, Vol. 2, pp. 193-199

상세보기
B. S. Levy, 1983, Development of a Predictive Model for Draw Bead Restraining Force Utilizing Work of Nine and Wang, J. Applied Metal Working, Vol. 3, pp. 38-44

상세보기
N. Triantafyllidis, B. Maker, S. K. Samanta, 1986, An Analysis of Drawbead in Sheet Metal Forming: Part I - Problem Formulation, J. Eng. Mater. Tech., Vol. 108, pp. 321-327

상세보기
N. Triantafyllidis, G. Grab, B. Maker, S. K. Samanta, 1987, An Analysis of Drawbead in Sheet Metal Forming: Part II - Experimental Verification, J. Eng. Mater. Tech., Vol. 109, pp. 164-170

상세보기
T. B. Stoughton, 1988, Model of Drawbead Forces in Sheet Metal Forming, 15th IDDRG, pp. 205-215
B. D. Carleer, T. Meingers, H. Huetink, 1996, Equivalent Drawbead Model in Finite Element Simu-lations, NUMISHEET '96, pp. 186-190
Y. T. Keum, J. H. Kim, B. Y. Ghoo, 2001, Expert Drawbead Models for Finite Element Analysis of Sheet Metal Forming Processes, International Journal of Solids and Structures, Vol. 38, pp. 5335-5353

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