[논문]Al합금의 사각용기 딥드로잉시 주름의 거동에 관한 연구

고대림; 정동원

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.3.276

Al합금의 사각용기 딥드로잉시 주름의 거동에 관한 연구
A Study on the Behavior of Wrinkling in the Square Cup Deep Drawing of Al Alloy 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.3 = no.282, 2009년, pp.276 - 282

고대림 (울산대학교 대학원 기계자동차공학부) , 정동원 (제주대학교 기계에너지시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Wrinkling in the flange and wall of a deep-drawn part is one of the major defects in sheet metal processes. Wrinkling is influenced by many factors, such as material properties, shape of the body, forming conditions, stress state and thickness, etc. It is difficult to analyze the wrinkling initiation and growth according to the factors because the effects of the factors are very complex and the wrinkling behavior may show wide variation even though small deviation of factors. In this study, the influence of wrinkling parameters, such as material properties (Al1050, Al5052), the blank holding force and the drawing depth on the wrinkling initiation and growth is investigated by using the experimental method and the dynamic explicit finite element analysis. From the results, it is shown that the dynamic explicit finite element method can be used effectively to prevent the wrinkling problems advancely in the deep drawing process. Also, there is a good agreement between the experimental result and the dynamic explicit finite element analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 두 종류의 알루미늄합금 판재(Al1050, Al5052)를 이용하여 사각용기 성형시 발생한 초기 주름의 진행 경향을 파악하기 위해 블랭크홀딩력의 변화와 성형 깊이에 따른 주름의 높이에 대한 실험과 비선형 동적 외연적 유한요소법을 이용하여 해석한 결과를 비교하여 타당성을 검토하고자 한다.

가설 설정

유한요소모델링에서 펀치와 다이 및 블랭크홀 더는 성형중 변형이 없다고 가정하여 강체로 구성하였고 블랭크는 쉘요소(shell element)로 하였다. 블랭크 요소의 크기는 성형해석시간을 고려하여 0.

제안 방법

시험편의 형상은 정사각형 판재의 모서리를 코너컷한 팔각형이고, 성형된 용기의 표면적과 팔각형 소재의 표면적이 거의 같도록 정사각형 블랭크의 모서리를 코너컷하였다. 모서리부분을 코너컷한 이유는 사각컵의 성형성을 향상하기 위해 예비 실험을 통하여 최대 성형깊이가 40mm 이상 성형이 가능하도록 코너컷을 실시하였다. Fig.
본 논문은 Al합금의 사각컵 성형시 발생하는 주름의 높이 및 경향을 알아보기 위해 실험을 실시하고 이를 바탕으로 성형해석을 수행한 결과와 비교하여 아래와 같은 결론을 얻었다.
유한요소모델링에서 펀치와 다이 및 블랭크홀 더는 성형중 변형이 없다고 가정하여 강체로 구성하였고 블랭크는 쉘요소(shell element)로 하였다. 블랭크 요소의 크기는 성형해석시간을 고려하여 0.5mm로 하였으며 적응세분화요소(adaptive mesh)를 적용하여 요소와 요소사이의 각도가 5도를 초가하면 최대 4회까지 분할되도록 하였다.
블랭크홀딩력은 Gotoh의 식에서의 산출한 값을 근거로 15.1, 19.2, 22.0, 38.4kN을 성형깊이는 35, 40mm에 대해서 각각 실험을 수행하였다.
펀치와 다이 사이의 틈새는 판재 두께에 20%를주었으며 펀치와 다이의 어깨반경은 각각 10mm 와 12mm이다. 시험편에는 성형이 용이하게 되도록 유체 윤활제를 사용하였다.
2는 예비 실험을 통해 사각블랭크에서 코너컷한 블랭크의 크기를 나타낸 것이다. 용기의 성형 초기에 발생한 플랜지부의 주름을 직변부와 곡변부로 나누어서 전자 마이크로메타로 측정한 후, 계속 성형하여 초기에 주름이 발생했던 플랜지부분이 용기 벽의 일부분이 되도록 하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 실험장치는 프레스(side frame type, PHD-250, 복동, 250ton, 120ton, 동성 개발(주))에 펀치, 다이, 블랭크홀더, 로드셀 등을 설치하여 구성하였다.
시험편의 형상은 정사각형 판재의 모서리를 코너컷한 팔각형이고, 성형된 용기의 표면적과 팔각형 소재의 표면적이 거의 같도록 정사각형 블랭크의 모서리를 코너컷하였다. 모서리부분을 코너컷한 이유는 사각컵의 성형성을 향상하기 위해 예비 실험을 통하여 최대 성형깊이가 40mm 이상 성형이 가능하도록 코너컷을 실시하였다.
실험에 사용된 판재의 재질은 알루미늄합금 Al1050과 Al5052이고 두께는 1.2mm이다. Fig.

이론/모형

본 논문에서는 동적 외연적 유한요소법을 사용하는 상용프로그램인 PAM-Stamp를 이용하여 성형해석을 수행하였으며, 전체 구성방정식은 아래 식과 같이 Hollomon law을 사용하였다.
일반적인 판재의 성형해석에는 Hill의 항복이론 식을 적용하지만 이는 알루미늄합금의 성형해석 에는 오차가 발생한다고 알려져 있으므로 본 연구에서는 Barlat의 항복식을 사용하였다.

성능/효과

(1) 동일 조건에서는 Al5052판재가 Al1050판재 보다 주름의 높이가 높게 나타났다.
(2) 성형된 사각용기에서 주름의 개수 및 주름 높이는 직변부보다 코너부에서 높게 나타났다.
(3) Al합금의 용기 성형시 주름의 높이를 크게 감소시키는 임계의 블랭크홀딩력이 존재함을 알 수 있었다.
(4) 주름의 발생 경향과 높이는 실험과 성형해 석이 유사하게 나옴을 알 수 있었다.
5는 성형깊이가 35mm와 40mm일때 직변 부에서의 주름높이를 나타낸 그림이다. Al 1050 과 Al 5052 두 종류의 판재에서 성형깊이가 깊어짐에 따라 주름의 개수는 동일하나, 주름의 높이는 모두 증가하는 현상이 나타났으며 이는 성형 깊이가 깊어지면 판재의 유입으로 인해 플랜지부에 압축응력이 크게 작용하기 때문이라고 판단된다.
이는 Al 5052판재의 강도가 Al1050판재 보다 강하고 가공 경화지수 n이 크기 때문에 동일한 블랭크 홀딩력에서 주름 발생이 크게 나타나고 또한 발생한 주름을 제거하기 위해 큰 힘이 작용함을 알 수 있다. 따라서 재료의 강도와 가공경화지수가 크면 주름을 억제하는데 소모되는 블랭크홀딩력도 높아야 하며, 또한 성형시 주름의 소거도 쉽게 되지 않는다는 것을 알 수 있었다.
또한 실험과 성형해석 결과, 최대오차는 성형 해석이 실험보다 약 15% 정도 낮게 나왔으며 최대 오차를 보인 부분은 두 판재 모두 주름의 높이가 급격하게 변하는 구간(BHF : 19~22kN)에서 나타남을 알 수 있었다. 이는 주름의 높이가 급격하게 변하는 구간에서 판재의 요소 크기와 관련이 있는 것으로 판단된다.
사각용기의 성형시 주름의 높이 측면에서 위의 결과들을 종합해 보면 Al합금 판재에서는 주름의 높이를 크게 감소시키는 임계의 블랭크홀딩력이 존재함을 알 수 있었다.
4는 Al1050판재와 Al5052판재의 최종 성형 단계인 성형깊이 40mm에서의 주름높이를 나타낸 것이다. 위의 실험결과 블랭크홀딩력이 크면 주름의 높이가 감소하였으며, 성형용기에서 주름의 높이는 직변부 보다 코너부에서 높게 나타났다. 또한 두 종류의 판재에 대한 성형해석결과도 실험과 유사하게 나타났으나, Al1050 판재의 성형에서 블랭크홀딩력이 15.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	판재의 주름은 어떻게 구별되는가?	판재의 프레스 성형에서 주된 불량현상으로는 주름, 파단, 스프링백 등이 있다. 주름의 발생은 판재가 압축응력을 받아서 판재면에 수직한 방향으로 휘어지는 현상으로 플랜지부위에 나타나는 플랜지주름과 용기의 측벽에 나타나는 보디주름으로 구별한다. 최근에는 자동차 내외 판넬을 비롯한 각종 판재가공부품의 소재두께는 점차 얇아지고, 강도가 증가하는 추세에서 주름 발생은 점차 중요한 결함요인이 되고 있다.
	Al합금의 사각컵 성형시 발생하는 주름의 높이 및 경향을 알아보기 위한 본 연구에서 얻은 결론은?	(1) 동일 조건에서는 Al5052판재가 Al1050판재 보다 주름의 높이가 높게 나타났다. (2) 성형된 사각용기에서 주름의 개수 및 주름 높이는 직변부보다 코너부에서 높게 나타났다. (3) Al합금의 용기 성형시 주름의 높이를 크게 감소시키는 임계의 블랭크홀딩력이 존재함을 알 수 있었다. (4) 주름의 발생 경향과 높이는 실험과 성형해 석이 유사하게 나옴을 알 수 있었다.
	판재의 프레스 성형에서 주된 불량현상에는 무엇이 있는가?	판재의 프레스 성형에서 주된 불량현상으로는 주름, 파단, 스프링백 등이 있다. 주름의 발생은 판재가 압축응력을 받아서 판재면에 수직한 방향으로 휘어지는 현상으로 플랜지부위에 나타나는 플랜지주름과 용기의 측벽에 나타나는 보디주름으로 구별한다.

참고문헌 (15)

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