[논문]핫 프레스 벤딩 공정에서 냉각회로 최적화를 위한 공정변수의 평가

남기주; 최홍석; 고대철; 김병민

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.11.1267

핫 프레스 벤딩 공정에서 냉각회로 최적화를 위한 공정변수의 평가
Evaluation of Design Parameters for Optimizing the Cooling Channel in Hot Press Bending Process 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.11=no.290, 2009년, pp.1267 - 1273

남기주 (부산대학교 대학원) , 최홍석 (부산대학교 대학원) , 고대철 (부산대학교 ILIC) , 김병민 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Hot press forming can produce high-strength components by rapidly cooling between closed punch and die after hot forming using quenchable boron steel austenized in a furnace. In the hot press forming process, the cooling rate is influenced by the size, position and arrangement of the cooling channel and the file condition of cooling water in the die. Also, mechanical properties of the final components and operation time are related to cooling rate. Therefore, the design of optimized cooling channel is one of the most important works. In this paper, the effect of position and size of the cooling channel on the cooling rate was investigated by using design of experiment and FE analysis in hot press bending process. Therefore the optimum cooling channel ratio was presented in the HPB.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 HPB 공정에 있어 금형의 냉각 채널의 최적화를 위해 열-기계적 연성해석을 수행하여 냉각효율에 우수한 공정변수의 조합을 제시하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 핫프레스포밍 공법의 일종인 핫 프레스 벤딩 (HPB)공정을 해석하고, 이를 바탕으로 냉각 채널의 최적화를 수행하였다. 그 선행단계로써 고온에서의 물성치를 파악하기 위해 재료 물성 모델러(Modeler)로 신뢰성이 있다고 알려진 J-MatPro(이0)를 사용하여 보론강의 물성치를 획득하였으며, 유한요소해석 통해 HPB공정의 열-기계적 연성해석, 냉각해석 및 상(Phase)변태 해석을 수행하였다.

제안 방법

4에 나타낸 바와 같이 냉각홀 직경(A), 홀과 벽면 사이의 거리 (B), 홀과 홀 사이의 거리(C), 홀에 작용하는 냉각수의 유동조건(D)을 공정변수로 선정하였다. 각 공정변수가 냉각효율에 미치는 영향을 평가하기 위해 직교배열표를 작성하여 유한요소해석을 수행하였다. Table 2에 각 공정변수의 인자와 수준을 나타내었으며, Table 3은 이를 바탕으로 한 L9(3₄)의 직교배열표이다.
최적화를 수행하였다. 그 선행단계로써 고온에서의 물성치를 파악하기 위해 재료 물성 모델러(Modeler)로 신뢰성이 있다고 알려진 J-MatPro(이0)를 사용하여 보론강의 물성치를 획득하였으며, 유한요소해석 통해 HPB공정의 열-기계적 연성해석, 냉각해석 및 상(Phase)변태 해석을 수행하였다. 또한 냉각채널 설계의 최적화를 위해서 냉각효율에 가장 큰 영향을 미치는 공정변수를 파악하고자 실험계획법을 적용하였다.
그 선행단계로써 고온에서의 물성치를 파악하기 위해 재료 물성 모델러(Modeler)로 신뢰성이 있다고 알려진 J-MatPro(이0)를 사용하여 보론강의 물성치를 획득하였으며, 유한요소해석 통해 HPB공정의 열-기계적 연성해석, 냉각해석 및 상(Phase)변태 해석을 수행하였다. 또한 냉각채널 설계의 최적화를 위해서 냉각효율에 가장 큰 영향을 미치는 공정변수를 파악하고자 실험계획법을 적용하였다. 유한요소해석의 결과를 바탕으로 다양한 공정변수의 조합 중 최적의 냉각효율을 갖는 냉각채널의 조건을 제시하였고, 기존 사출금형 냉각채널 설계 방법에 의한 냉각효과와 비교하여 나타내었다.
Table 2에 각 공정변수의 인자와 수준을 나타내었으며, Table 3은 이를 바탕으로 한 L9(3₄)의 직교배열표이다. 목적함수로는 10cycle의 냉각 후의 펀치와 다이의 최대온도로선정하였고 냉각수의 유동조건을 고려하기 위해 레이놀즈수(Re), 열전도도(K), 너셀트수(Nu), 냉각홀의 함수를 사용하여 냉각홀에 열전달계수(h) 값을 경계조건으로 적용하였다.₍₁₃₎
본 연구에서는 냉각채널의 최적화를 위해 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 냉각홀 직경(A), 홀과 벽면 사이의 거리 (B), 홀과 홀 사이의 거리(C), 홀에 작용하는 냉각수의 유동조건(D)을 공정변수로 선정하였다. 각 공정변수가 냉각효율에 미치는 영향을 평가하기 위해 직교배열표를 작성하여 유한요소해석을 수행하였다.
₍₁₁₎이러한 복잡한 물성을 용이하게 획득하기 위해 열역학적 계산에 근거하여 재료의 열-기계적 물성치를 얻을 수 있는 J-MatPro를 사용하였다. 상온상태 의 항복강도, 오스테 나이 트화 온도, 결정립크기 및 블랭크의 화학조성을 입력변수로 하여 Boron강의 다양한 물성치를 획득하였다. Fig.
먼저 초기블랭크는 900℃의 온도로 가열로에서 5분간 가열된 후 금형으로 3초간 이송된다. 상형금형이 블랭크까지 내려오는 시간을 2초, 성형완료시점까지 2초, 그리고 냉각 시간을 20초로 선정하였으며, 일련의 공정은 상용 해석 프로그램인 DEFORM 2D(Ver_9.1)를 사용하여 유한요소해석을 수행하였다.
또한 냉각채널 설계의 최적화를 위해서 냉각효율에 가장 큰 영향을 미치는 공정변수를 파악하고자 실험계획법을 적용하였다. 유한요소해석의 결과를 바탕으로 다양한 공정변수의 조합 중 최적의 냉각효율을 갖는 냉각채널의 조건을 제시하였고, 기존 사출금형 냉각채널 설계 방법에 의한 냉각효과와 비교하여 나타내었다.
1에는 획득한 물성치중 CCT선도를 대표적으로 나타내었다. 해석 시, 각 공정에서의 대류 열 전달 및 계면열전달 효과도 고려하였으며, 신뢰성 확보를 위해 온도에 따른 마찰계수의 변화와 압력에 따른 열전달계수의 변화 또한 고려하였다.((2)

이론/모형

각 상 별 요구되는 물성은 온도와 변형률속도에 따른 유동 응력과 탄성계수, 쁘아송비, 열팽창계수 및 열 전달계수 등이 있고, 상변태에 대해서는 CCT 선도와 마르텐사이트 변태에 관한 함수가 정의되어야 한다.₍₁₁₎이러한 복잡한 물성을 용이하게 획득하기 위해 열역학적 계산에 근거하여 재료의 열-기계적 물성치를 얻을 수 있는 J-MatPro를 사용하였다. 상온상태 의 항복강도, 오스테 나이 트화 온도, 결정립크기 및 블랭크의 화학조성을 입력변수로 하여 Boron강의 다양한 물성치를 획득하였다.

성능/효과

(1) 냉각홀 최적화에 가장 영향을 크게 미치는 변수는 냉각홀에 작용하는 유체의 유동조건과 홀과 벽면사이의 거리로 나타났다.
(2) 냉각홀의 위치 및 유체의 조건에 따라 금형의 온도분포가 약 100C 정도 차이가 발생하였으며, 금형온도분포가 높을수록 최종제품의 요구 강도에 나쁜 영향을 미친다.
(3) 최적의 변수조합은 펀치와 다이의 최고 온도를 목적함수로 하였을 때는 A2B1C₂D3 조합이 최적의 조합으로 나타났다. 이것을 비율로 나타내면 1:1.
(4) 기존 사출금형에서 사용하는 냉각홀 최적 설계 방법과 비교한 결과 본 연구에서 제시한 냉각비의 냉각효율이 우수하였다.
10은 1:5:4의 냉각비와 사출금형에서 사용하는 냉각비의 10cycle동안의 펀치(a)와 다이(b)의 온도변화를 나타낸 그래프이다. Fig. 10에서 알 수 있듯이 본 연구에서 제시한 냉각비가 다른 조건의 냉각비보다 금형의 온도분포가 60~120℃ 정도 낮게 나타났다. 이것은 Fig.
11에는 최종cycle의 각 조건에 대한 마르텐사이트 상분율의 변화를 나타내었다. 예상한 대로 본 연구에서 도출된 냉각비에서는 마르텐사이트 상분율이 약 96%, 다른 조건에서는 약 88~91%로 나타났다.
일반적으로 사출금형의 냉각홀 설계는 냉각 홀 직경, 홀과 벽면사이의 거리 및 홀과 홀 사이의 거리의 비를 선정하여 냉각채널의 위치를 선정하는데, 그 비는 일반적으로 1:3:5 또는 1:2:3.5로 설계를 한다“₅) 하지만 본 연구에서 도출된 HPB 공정의 최적의 냉각비는 1:1.5:4의 비로 나타났다.
5는 직교배열표를 통해 선정된 각 9 case에 대하여 1cycle 냉각 후의 금형 온도 분포를 나타낸 것이다. 펀치와 다이의 최대온도는 70~100C의 분포를 나타내었으며, 1cycle에서는 냉각에 의한 금형 온도의 차이가 거의 없다는 것을 확인할 수 있다. 이것은 낮은 초기온도의 금형이 900C로 가열된 블랭크와 접촉하면서 블랭크가 급속히 냉각되기 때문으로 판단된다.
9는 앞서 선정한 공정변수의 영향도를 파악하기 위한 각 수준별 평균값 그래프이다. 펀치와 다이의 최대온도를 목적함수로 하였을 때의 최적 공정변수 조합은 A2B1C₂D3의 조합이 가장 냉각효율을 좋게 하는 조건으로 나타났다. Fig.

참고문헌 (15)

Kim, H. G., Son, H. S. and Park, S. H., 2006, 'Development of Thermal-Mechanical Coupled Simulation Skill for Hot Press Forming Tool Design,' Posco Technical Report, Vol. 10, No. 1, pp. 115-123
Yum, Y. G., Kim, J. G., Lee, H. W., Hwang, J. B., Kim, S. U., Kim, W. H. and Yoo, S. J., 2008, 'Development of Vehicle Door Impact Beam by Hot Stamping,' The Korean Society of Mechanical Engineers, Fall Conference, pp. 7-12
Lee, J. S., Chae, M. S., Park, C. D. and Kim, Y. S., 2007, 'Mechanical and microstructural characteristics of a High-Strength Boron-Alloyed Steel For Hot Press Forming,' The Korean Society of Mechanical Engineers, Spring Conference, pp. 344-349
Chae, M. S., Lee, G. D., Suh, Y. S., Lee, K. H. and Kim, Y. S., 2009, 'Mechanical and Forming Characteristics of High-Strength Boron-Alloyed Steel with Hot Forming,' Transactions of Meterials Processing, Vol. 18, No. 3, pp. 236-241

원문보기 상세보기
Bariani, P. F., Bruschi, S., Ghioti, A. and Turetta, A., 2008, 'Testing Formability in the Hot Stamping of HSS,' CIRP Annals-Manufacturing Technology, Vol. 57, pp. 265-268

상세보기
Hoffmann, H., So, H. and Steinbeiss, H., 2007, 'Design of Hot Stamping Tools with Cooling System,' Annals of the CIRP, Vol. 56/1, pp. 269-272

상세보기
So, H., Steinbeiss, H. and Hoffmann, H., 2006, 'Entwicklung einer Methodik zur Optimierung von Umformwerkzeugen fur die Warmblechumformung,' Bereichs-und Industriekolloquium, 1. Erlanger Workshop Warmblechumformung, pp. 102-117
Weinert, K., Mehnen, J., Michelitsch, T. and Bartz-Beielstein, T., 2004, 'A Multiobjective Approach to Optimize Temperature Control Systems of Molding Tools,' Production Engineering, XI/1, pp. 77-80

상세보기
Saunders, N., Guo, Z., Miodownik, P. and Schille, J. P., 2006, 'Modelling of High Temperature Mechanical Properties and Density Change of Steelsduring Solidification,' Materials Science and Technology MS&T
Guo, Z., Saunders, N., Schille, J. P. and Miodownik, A. P., 2009, 'Material Properties for Process Simulation,' Materials Science and Engineering A. 499, pp. 7-13

상세보기
Saunders, N., Guo, Z., Miodownik, P. and Schille, J. P., 2006, 'The Calculation of TTT and CCT Diagrams for General Steels,'
Geiger, M., Merklein, M. and Lechler, J., 2008, 'Determination of Tribological Conditions within Hot Stamping,' Prod. Eng. Res. Devel. 2, pp. 269-276

상세보기
Kwon, O. B., Bae, D. S., Kim, S. B., Son, Y. S., Kim, Y. P. and Jeon, C. H., 2006, 'Heat transfer,' Publication intervision, pp. 353-408, 783-810
Steinbeiss, H., So, H. W., Michelitsch, T. and Hoffmann, H., 2007, 'Method for Optimizing the Cooling Design of Hot Stamping Tools,' Prod. Eng. Res. Devel, 1, pp. 149-155

상세보기
Cho, U. S., 1997, 'The Mold Design Technique for the Injection Molding,' Gijeon, pp. 463-499

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증