[논문]가변금형의 박판 성형공정 적용 연구

허성찬; 서영호; 구태완; 김정; 강범수

doi:10.5228/kspp.2009.18.7.556

문제 정의

본 연구에서는 박판의 곡면 성형을 위한 가변 성형공정 개발 및 응용을 위하여 유한요소 해석 기반의 공정 설계 연구를 수행하였다. 해석적 연구에 앞서 가변성형공정 해석의 적합성 검증을 위하여 블랭크 홀더가 적용되지 않은 성형장치를 이용한 실험과 해석을 병행하였으며, 이로부터 해석 조건의 적합성을 보였다.
이에 가변금형에서 고려될 수 있는 두 가지 블랭크 홀딩 방식에 따른 영향성을 고려하기 위하여 각각의 경우에 대한 해석을 수행하였다. 해석 모델은 성형 펀치의 끝 반경을 20.
이에 본 연구에서는 가변성형 공정을 박판의 성형 공정 적용하기 위하여 블랭크 홀더를 이용한 박 판용 가변성형 공정에 대한 기반 연구를 수행하였다. 이를 위하여 박판용 성형 공정 연구에 앞서 실험을 통한 해석 결과 검증이 가능한 가변성형 장치를 활용하여 박판의 성형 형상을 비교하였으며, 해석 절차 및 조건의 적합성을 확인하였다.
일체형 금형이 아닌 가변금형을 이용할 경우 판재와 직접적인 접촉이 발생하는 탄성 패드를 금형의 일부로 고려해야 하는지 혹은 소재의 일부로 고려해야 하는지에 대한 문제를 해석을 통하여 조사 하였다. 그 결과 판재의 압흔 발생 가능성 감소를 위하여 탄성체 패드는 불연속적인 가변금형의 곡면을 매끄럽게 하는 금형의 기능을 하는 금형의 일부로 고려하는 것이 적합함을 확인하였다.

가설 설정

판재 및 우레탄 모델은 4 장에 서술한 물성을 그대로 이용하였다. 블랭크 홀더는 강체로 가정하고 판재 양면에 각각 접촉면만 고려하여 쉘 요소로 모델링하였다. 판재를 충분히 고정시키기 위하여 폭 100mm 로 두었으며 1kN 의 하중으로 고정하였다.
해석 모델의 간소화를 위하여 펀치를 변형이 없는 강체로 가정함으로써 우레탄과 접촉이 발생하는 펀치 끝 면만 고려하여 쉘 요소로 모델링하였다. 아울러 펀치와 우레탄, 우레탄과 판재 사이에는 윤활조건으로부터 마찰이 거의 없다고 가정하고 마찰계수를 0.01 로 두었으며 해석에는 LS-DYNA Solver 를 이용하였다.

제안 방법

해석적 연구에 앞서 가변성형공정 해석의 적합성 검증을 위하여 블랭크 홀더가 적용되지 않은 성형장치를 이용한 실험과 해석을 병행하였으며, 이로부터 해석 조건의 적합성을 보였다. 또한, 실험으로부터 박판 성형 공정에서 블랭크 홀더가 필요할 것으로 예상되었으며 이를 반영하여 박판용 가변성형 공정을 대략적으로 설계하였다.
박판용 가변성형 공정에 대한 해석적 접근에 대한 적합성을 확보하기 위하여 성형시험이 가능한 가변성형 장치를 활용한 해석 및 실험을 수행하였다. Fig.
이후 해석을 기반으로 한 박판용 가변성형 공정에 대한 연구를 수행하였다. 박판의 가변성형 공정에서는 펀치로 구성된 성형면을 부드럽게 구현하기 위하여 탄성 패드를 삽입하였으며, 펀치의 크기에 따른 성형성을 제품의 곡률에 준하여 비교하였다.
박판의 가변성형해석에 대한 적합성 검토를 위하여 전술한 바와 같은 조건에 따라 성형 시험을 수행하였다. 이용된 성형장치는 2,000kN 급 가변프레스 성형장치로서 강판의 곡면 가공이 가능한 장치이며 Fig.
블랭크 홀더의 적용 방식에 대한 연구에 이어 박판용 성형장치에 적합한 펀치 크기를 도출하기 위하여 펀치 크기에 따른 성형성 비교 연구를 수행하였다. Fig.
비교적 성형이 원활이 이루어진 두 가지 경우에 대한 성형 정확도를 조사하기 위하여 세 점의 좌표를 이용하여, Fig. 15 에 도시한 바와 같은 길이 및 폭 방향의 곡률 반경(R_L 과 R_W)을 측정 하였다. 펀치 끝 반경이 10.
아울러 펀치의 크기(펀치 끝 반경)에 따른 성형성을 비교하기 위하여 동일한 성형영역에 대하여 세 가지 펀치에 대한 비교 연구를 수행하였다. 해석결과로부터 가변금형의 특성상 펀치의 크기가 작을수록 성형면의 품질 향상에 유리하나 펀치의 제작비용 및 제어 메커니즘 등 실제 장치로 구현 함에 어려움이 있으므로 펀치 크기를 20.
이에 본 연구에서는 가변성형 공정을 박판의 성형 공정 적용하기 위하여 블랭크 홀더를 이용한 박 판용 가변성형 공정에 대한 기반 연구를 수행하였다. 이를 위하여 박판용 성형 공정 연구에 앞서 실험을 통한 해석 결과 검증이 가능한 가변성형 장치를 활용하여 박판의 성형 형상을 비교하였으며, 해석 절차 및 조건의 적합성을 확인하였다. 이후 해석을 기반으로 한 박판용 가변성형 공정에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서 가변금형에 의한 성형면을 고르게 하기 위하여 사용한 탄성 패드는 주로 압축력을 지지한다. 이에 본 연구에서는 Fig. 5 에 도 시한 바와 같이 탄성 패드 소재로 사용된 우레탄의 압축 시험을 수행하고 이를 유한요소해석에 반영하였다. 압축시험 규격은 KS M 6518 을참조하였으며 이용된 탄성 패드 시편은 일반적으로 산업용으로 많이 사용되는 Shore A 90 경도의 우레탄이며 직경 27.
이처럼 펀치의 크기가 큰 대형 가변성형 장치를 이용한 실험 및 해석 결과로부터 박판용 가변 성형장치의 경우 펀치의 크기가 작아져야 하며 단순한 상ㆍ하부 금형을 이용한 성형공정 적용 시 판재의 압흔과 주름의 발생이 불가피 할 것으로 판단되어, 블랭크 홀더를 고려한 박판용 가변 성형공정에 대한 해석적 연구를 수행하였다.
이를 위하여 박판용 성형 공정 연구에 앞서 실험을 통한 해석 결과 검증이 가능한 가변성형 장치를 활용하여 박판의 성형 형상을 비교하였으며, 해석 절차 및 조건의 적합성을 확인하였다. 이후 해석을 기반으로 한 박판용 가변성형 공정에 대한 연구를 수행하였다. 박판의 가변성형 공정에서는 펀치로 구성된 성형면을 부드럽게 구현하기 위하여 탄성 패드를 삽입하였으며, 펀치의 크기에 따른 성형성을 제품의 곡률에 준하여 비교하였다.
해석 모델은 성형 펀치의 끝 반경을 20.0mm 로 정의하였으며 상하부에 대하여 각각 150(15×10)개의 펀치를 배치하고 목적곡면의 성형곡률 반경을 1,000mm 로 두었다.
0mm 의 우레탄 패드 모델을 삽입하였으며 3 장에서 수행한 물성 데이터를 이용하여 초탄성 체로 정의하였다. 해석 모델의 간소화를 위하여 펀치를 변형이 없는 강체로 가정함으로써 우레탄과 접촉이 발생하는 펀치 끝 면만 고려하여 쉘 요소로 모델링하였다. 아울러 펀치와 우레탄, 우레탄과 판재 사이에는 윤활조건으로부터 마찰이 거의 없다고 가정하고 마찰계수를 0.
본 연구에서는 박판의 곡면 성형을 위한 가변 성형공정 개발 및 응용을 위하여 유한요소 해석 기반의 공정 설계 연구를 수행하였다. 해석적 연구에 앞서 가변성형공정 해석의 적합성 검증을 위하여 블랭크 홀더가 적용되지 않은 성형장치를 이용한 실험과 해석을 병행하였으며, 이로부터 해석 조건의 적합성을 보였다. 또한, 실험으로부터 박판 성형 공정에서 블랭크 홀더가 필요할 것으로 예상되었으며 이를 반영하여 박판용 가변성형 공정을 대략적으로 설계하였다.

대상 데이터

해석 조건은 앞서 수행한 해석과 유사하게 부여되었다. 두께 1.0mm 의 판재의 재료 모델로는 DP590 소재의 가공경화식을 이용하였고, 우레탄 패드 역시 경도 Shore A 90, 두께 10.0mm 인 초탄성체로 정의하였으며 성형면의 곡률반경은 길이 방향으로 1,000mm, 폭 방향으로 600mm 인 이중곡면으로 정의하였다. Fig.
두께가 1.0mm 인 판재를 800×600mm2 의 크기로 모델링하였으며쉘 요소(shell element)를 이용하였다.
0mm 인 구면 펀치가 상하부 금형에 각각 192 (16×12)개씩 배치되어 총 384 개의 펀치로 구성되어 800×600mm^₂ 의 성형면적을 갖는다. 성형곡률 반경은 1,500mm 이며 판재로는 DP590 의 물성을 적용하였다. 판재의 물성 모델로는 가공경화식(#=#)을 이용하였으며, 단축 인장 시험으로부터 소성강도 계수(K)와 가공경화지수(n) 을 각각 999.
5 에 도 시한 바와 같이 탄성 패드 소재로 사용된 우레탄의 압축 시험을 수행하고 이를 유한요소해석에 반영하였다. 압축시험 규격은 KS M 6518 을참조하였으며 이용된 탄성 패드 시편은 일반적으로 산업용으로 많이 사용되는 Shore A 90 경도의 우레탄이며 직경 27.0mm, 두께 10.0mm 이었다. 참조한 규격에 따라 우레탄의 압축 시험은 시편 하나 당 2 회의 압축력을 먼저 부여하여 소재의 조직을 안정화시킨 후 3 회 째 압축 실험의 데이터를 획득하였다.
박판의 가변성형해석에 대한 적합성 검토를 위하여 전술한 바와 같은 조건에 따라 성형 시험을 수행하였다. 이용된 성형장치는 2,000kN 급 가변프레스 성형장치로서 강판의 곡면 가공이 가능한 장치이며 Fig. 9 는 목적형상인 곡률 반경(R)이 1,500mm 인 성형면을 형성한 모습을 도시하고 있다. 성형시험 으로부터 Fig.
0mm 이었다. 참조한 규격에 따라 우레탄의 압축 시험은 시편 하나 당 2 회의 압축력을 먼저 부여하여 소재의 조직을 안정화시킨 후 3 회 째 압축 실험의 데이터를 획득하였다. Fig.
0mm 로 정의하였으며 상하부에 대하여 각각 150(15×10)개의 펀치를 배치하고 목적곡면의 성형곡률 반경을 1,000mm 로 두었다. 판재 및 우레탄 모델은 4 장에 서술한 물성을 그대로 이용하였다. 블랭크 홀더는 강체로 가정하고 판재 양면에 각각 접촉면만 고려하여 쉘 요소로 모델링하였다.
성형곡률 반경은 1,500mm 이며 판재로는 DP590 의 물성을 적용하였다. 판재의 물성 모델로는 가공경화식(#=#)을 이용하였으며, 단축 인장 시험으로부터 소성강도 계수(K)와 가공경화지수(n) 을 각각 999.9MPa 과 0.155 로 획득하였다. 아울러 탄성계수(E)와 프와송 비(ν)는 각각 210GPa 와 0.

이론/모형

유한요소해석에서는 일반적으로 우레탄과 같은 소재를 초탄성체 재료(hyperelastic material)로 정의하여 사용한다. 본 연구에서는 상기와 같이우레탄 소재의 압축 시험을 수행하여 획득한 물성 데이터를 고려하고 이를 Mooney-Rivlin 모델로 정의하여 식 (3)과 같은 에너지 함수를 이용하였다.

성능/효과

일체형 금형이 아닌 가변금형을 이용할 경우 판재와 직접적인 접촉이 발생하는 탄성 패드를 금형의 일부로 고려해야 하는지 혹은 소재의 일부로 고려해야 하는지에 대한 문제를 해석을 통하여 조사 하였다. 그 결과 판재의 압흔 발생 가능성 감소를 위하여 탄성체 패드는 불연속적인 가변금형의 곡면을 매끄럽게 하는 금형의 기능을 하는 금형의 일부로 고려하는 것이 적합함을 확인하였다.
10 과 같은 결과를 얻을 수 있었으며 판재의 전면에서 유한요소해석과 유사한 압흔이 발생함을 확인하였다. 또한 가장자리에서 주름이 발생하는 경향이 매우 유사함을 확인할 수 있었다. 판재의 주요 단면의 형상 비교가 더욱 적합하다고 판단되나 압흔과 주름이 전면에 분포되는, 목적형상에서 크게 벗어난 결과를 얻었으므로 전체적인 경향성만을 확인하였다.
8 은 전술한 바와 같이 블랭크 홀더가 적용 되지 않은 가변성형 공정을 박판의 구면 가공에 적용하여 해석한 결과 형상을 도시한 것이다. 박 판의 가변성형에 있어서 블랭크 홀더가 적용되지 않은 경우 도시된 바와 같이 펀치의 형태가 판재의 전체 면에 돌출된 형태로 나타나는 압흔을 보이며 특히 가장자리에서는 큰 펀치로 구성된 가변금형의 넓은 공극 때문에 성형 하중이 고르게 분산되지 못하여 주름이 발생하게 될 것으로 예측되었다.
9 는 목적형상인 곡률 반경(R)이 1,500mm 인 성형면을 형성한 모습을 도시하고 있다. 성형시험 으로부터 Fig. 10 과 같은 결과를 얻을 수 있었으며 판재의 전면에서 유한요소해석과 유사한 압흔이 발생함을 확인하였다. 또한 가장자리에서 주름이 발생하는 경향이 매우 유사함을 확인할 수 있었다.
또한 가장자리에서 주름이 발생하는 경향이 매우 유사함을 확인할 수 있었다. 판재의 주요 단면의 형상 비교가 더욱 적합하다고 판단되나 압흔과 주름이 전면에 분포되는, 목적형상에서 크게 벗어난 결과를 얻었으므로 전체적인 경향성만을 확인하였다.

후속연구

본 연구에서 다루었던 가변성형기술은 시행착오에 의한 형상의 보정이 실시간으로 시행될 수있는 유연성을 가지고 있어 박판을 이용한 자동차 외장재의 시행 착오를 통한 금형 설계 시 시제품 제작용 금형의 대체 등 다품종 소량 생산 기반의 판재 가공 분야에서 폭 넓게 이용될 수있을 것으로 기대된다.
따라서 무한정 펀치의 크기를 줄일 수 없으며 이에 적절한 수준에서 펀치의 크기를 결정하여야 한다. 이에 본 연구에서 적용된 이중 곡면 형상에 대해서는 펀치 크기가 20.0mm 를 채택하고 우레탄 패드의 재질 및 두께를 달리함으로써 곡면을 부드럽게 형성할 수 있도록 하는 것이 적합한 설계 조건이 될 것이라 판단된다.
아울러 펀치의 크기(펀치 끝 반경)에 따른 성형성을 비교하기 위하여 동일한 성형영역에 대하여 세 가지 펀치에 대한 비교 연구를 수행하였다. 해석결과로부터 가변금형의 특성상 펀치의 크기가 작을수록 성형면의 품질 향상에 유리하나 펀치의 제작비용 및 제어 메커니즘 등 실제 장치로 구현 함에 어려움이 있으므로 펀치 크기를 20.0mm 전후로 선정하고 우레탄 재질 및 두께를 적절히 선정함으로써 성형면을 매끄럽게 보정하는 연구가 수반되어야 할 것으로 보인다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차의 개발에 있어서 차체 형상 설계 단계에서 초기 원형(prototype) 가공을 위하여 초도 금형을 제작하고 이를 수정 하는 과정의 문제점은 무엇인가?	특히, 자동차의 개발에 있어서 차체 형상 설계 단계에서는 초기 원형(prototype) 가공을 위하여 초도 금형을 제작하고 이를 수정 하는 과정을 거치고 있다. 그러나 이와 같은 과정에서 불필요한 금형 가공으로 인한 비용과 매번 미미한 수정을 위하여 금형을 재가공하는데 적지 않은 시간이 소요된다. 따라서, 실시간으로 금형 형상의 조절이 용이한 성형장치로서 높은 유연성을 가지고 있는 가변금형을 이용한 박판의 곡면 성형 공정에 대한 적용 가능성을 고려해볼 수 있다.
	가변성형기술이란?	가변성형기술(flexible forming technology)은 Fig. 1과 같이 끝 부분에 부드러운 곡면을 가지는 다수의 성형펀치(forming punch) 배열을 이용하여 단일 금형에 준하는 성형면(forming surface)을 구현하여 단일 금형 대신 이용함으로써 성형장치의 유연성을 극대화할 수 있는 기술이다[1~2]. 이와 같은 유연성으로 인하여 완만한 형상이 주를 이루는 조선 분야에서는 이를 응용한 선체 구조의 가공에 관한 연구가 일부 진행되고 있다.
	블랭크 홀더의 기능은?	일반적인 판재 성형 공정에 이용되는 블랭크 홀더는 판재를 고정시키고 금형 사이의 공극으로 소재의 유입을 적절히 조절하는 기능을 가지고 있다. 전술한 바와 같이 가변성형 공정에서는 불연속적인 펀치 배열로 구성된 점접촉 기반의 성형면을 부드러운 곡면으로 만들기 위하여 탄성 패드를 판재와 가변금형 사이에 삽입한다.

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