[논문]금속 판재의 성형한계도 시험법에 관한 연구

장욱경; 장윤주; 김형종

문제 정의

본 연구는 성형한계도 시험 결과에 영향을 미치는 여러 가지 형상인자 또는 공정변수들에 초점을 맞추고 이들의 영향을 분석함으로써 시험법의 체계적 정립을 도모하고자 하였다. 특히, 가공조건에 따라 성형성이 민감하게 달라지는 AZ31B 마그네슘 합금 판재를 대상으로 함으로써 다른 재료를 사용함에 있어서도 시험의 정확도와 정밀도를 보장받을 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 신뢰성 있는 성형한계도 시험법을 제시하고자 다양한 변수연구를 통한 체계적인 시험을 실시하였다. 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
완전한 성형한계도를 얻어내기 위해서는 원하는 변형모드를 예상하여 시편의 형상을 결정하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 평면변형률 모드를 나타내는 폭 75mm의 Nakajima 시편(W75)을 대상으로 기본 형상(L0-R30)외에 7가지 형상을 추가로 제작하여 형상에 따른 성형한계를 비교하고자 하였다. 그림 5.
특히, 가공조건에 따라 성형성이 민감하게 달라지는 AZ31B 마그네슘 합금 판재를 대상으로 함으로써 다른 재료를 사용함에 있어서도 시험의 정확도와 정밀도를 보장받을 수 있도록 하였다. 이를 바탕으로 현재 성형한계도 시험이 가지고 있는 문제점을 검토하고 추후 고려해야 할 연구방향을 제시하였다.

제안 방법

(1) 성형성 평가 시험기 및 금형, 변형률 측정 시스템, 격자 인쇄법 등 성형한계도 시험을 위한 기본적인 구축 현황을 소개하였다.
(2) 자동변형률측정시스템인 ASIAS와 ARGUS의 비교 분석을 통하여 성형한계도 시험 결과의 신뢰성을 확보하였다.
3의 오른쪽 그림과 같은 정사각형 격자의 중심에 원형 포인트가 첨가된 형태의 격자망을 사용하였다. 격자선의 굵기는 측정 정밀도의 변수가 될 수 있기 때문에 인쇄 가능한 가장 가는 굵기(0.15mm)로 하였으며, 격자의 간격은 조밀할수록 국부 변형률을 잘 표현할 수 있으나 측정 한계와 정밀도를 고려하여 가능한 최소간격 2mm로 설정하였다. 격자를 시편에 인쇄하는 방법으로 전기·화학적 부식법(etching)이 많이 사용되나, 마그네슘 합금판재의 경우 부식된 격자선의 노치효과가 조기 파단을 유도할 수 있으므로 본 연구에서는 에폭시 수지 계열의 잉크를 사용한 실크스크린법을 적용하였다.
1과 같이 압연방향을 길이방향으로 하여 여러 가지 폭으로 CNC 가공한 Nakajima 시편형상을 채택하였다. 기본적으로 그림의 4가지 시편에 대해서는 무윤활 상태로 시험하고, 폭 175mm의 정사각형 시편에 대해서는 등2축 변형모드를 얻기 위해 윤활제를 사용한 시험을 추가로 실시하였다. 시험 도중 열간성형시험기의 펀치하중이 떨어지는 시점에서 시험을 중단하고 네킹 발생 유무를 확인하였으며, 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해 동일한 조건에서 3회 이상의 시험을 실시하였다.
두 번째 변수중의 하나는 마그네슘의 고온 성형 특성상 클램핑비드(clamping bead)부분에서의 파단이 발생할 우려가 있다는 것이다. 따라서 비드가 없는 형태의 금형을 제작하였다. 제작된 금형의 형상 및 치수는 ISO 12004-2규정[11]에 맞게 제작하였다.
등2축 모드의 성형한계를 얻기 위해서는 시편과 펀치 사이의 윤활을 통해 마찰력을 최대한 줄임으로써 시편 중앙에서의 파단을 유도해야 하나, 시험 환경이 고온인 경우 적절한 윤활제를 구하는 것이 쉽지 않고 윤활 성능도 상온에서보다 크게 떨어진다. 본 연구에서는 그림 5.9와 같이 그리스(rease) 형태 연고제(ointment)2가지, 액체형 윤활제 종류 3가지 및 고체형 윤활제인 흑연분말(graphite powder)등 크게 6가지를 성형한계도 시험에 사용해보고 그 효과를 비교하였다.
성형종료시점이 너무 이르면 네킹(또는 파단)위치를 찾기가 어렵고, 너무 늦으면 파단부가 벌어져 그 부근의 변형이 지나치게 왜곡되고 합리적인 성형한계를 구하기가 어렵게 된다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 분석하기 위해서 실제 네킹이 발생한 시점과 네킹이 발생하기 전, 그리고 네킹(또는 파단)이 과도하게 진행한 시점에서 각각 성형을 종료하고 성형한계 변형률을 측정하여 서로 비교하였다.
3은 다양한 격자망의 종류의 예이다. 본 연구에서는 한 가지 격자망으로 ASIAS와 ARGUS 장비 모두 사용할 수 있도록 그림 3.3의 오른쪽 그림과 같은 정사각형 격자의 중심에 원형 포인트가 첨가된 형태의 격자망을 사용하였다. 격자선의 굵기는 측정 정밀도의 변수가 될 수 있기 때문에 인쇄 가능한 가장 가는 굵기(0.
기본적으로 그림의 4가지 시편에 대해서는 무윤활 상태로 시험하고, 폭 175mm의 정사각형 시편에 대해서는 등2축 변형모드를 얻기 위해 윤활제를 사용한 시험을 추가로 실시하였다. 시험 도중 열간성형시험기의 펀치하중이 떨어지는 시점에서 시험을 중단하고 네킹 발생 유무를 확인하였으며, 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해 동일한 조건에서 3회 이상의 시험을 실시하였다.
그렇기 때문에 판재가 금형에 닿는 부위의 온도가 일정하게 유지되어야만 실험 결과를 신뢰 할 수 있다. 이번에 제작된 금형은 다이와 홀더 모두 금형의 정 가운데로부터 60 ̊ 간격으로 카트리지 삽입구를 뚫었으며, 시편과 직접 맞닿는 부분의 정확한 온도를 측정하기 위해 다이와 홀더의 가장자리에 센서 구멍을 따로 만들었다. 이는 실제 시험 시 측정되는 온도가 시편의 온도와 거의 일치함을 증명해주는 지표가 된다.
따라서 비드가 없는 형태의 금형을 제작하였다. 제작된 금형의 형상 및 치수는 ISO 12004-2규정[11]에 맞게 제작하였다.
본 연구는 성형한계도 시험 결과에 영향을 미치는 여러 가지 형상인자 또는 공정변수들에 초점을 맞추고 이들의 영향을 분석함으로써 시험법의 체계적 정립을 도모하고자 하였다. 특히, 가공조건에 따라 성형성이 민감하게 달라지는 AZ31B 마그네슘 합금 판재를 대상으로 함으로써 다른 재료를 사용함에 있어서도 시험의 정확도와 정밀도를 보장받을 수 있도록 하였다. 이를 바탕으로 현재 성형한계도 시험이 가지고 있는 문제점을 검토하고 추후 고려해야 할 연구방향을 제시하였다.
8은 이들을 ARGUS로 측정하여 구한 성형한계를 비교한 그림이다. 편의상 평행부를 가진 시편과 그렇지 않은 시편들을 구분하여 선으로 연결하였다. 폭 75mm의 모든 시편에 대하여 부변형률 -0.

대상 데이터

2에서 보는 바와 같다. 시편은 그림 4.1과 같이 압연방향을 길이방향으로 하여 여러 가지 폭으로 CNC 가공한 Nakajima 시편형상을 채택하였다. 기본적으로 그림의 4가지 시편에 대해서는 무윤활 상태로 시험하고, 폭 175mm의 정사각형 시편에 대해서는 등2축 변형모드를 얻기 위해 윤활제를 사용한 시험을 추가로 실시하였다.

이론/모형

격자를 시편에 인쇄하는 방법으로 전기·화학적 부식법(etching)이 많이 사용되나, 마그네슘 합금판재의 경우 부식된 격자선의 노치효과가 조기 파단을 유도할 수 있으므로 본 연구에서는 에폭시 수지 계열의 잉크를 사용한 실크스크린법을 적용하였다.
ASIAS 측정은 ASTM E2218-02[10]에서 제시한 방법대로 파단과 네킹 및 안전 영역을 구분하여 표시하고 네킹과 안전영역의 경계선을 FLC로 표시하였다. 또한, ARGUS 측정은 5.2절에서 기술한 바와 같이 ISO 12004-2[11]에 규정된 방법을 따랐다. 윤활을 하지 않은 175×175mm의 시편에서 약간의 차이를 보이는 것을 제외하고 대체적으로 거의 일치하는 것으로 나타났다.
박판의 성형한계에 관한 해석을 위해서는 Keeler와 Goodwin이 처음 도입한 성형한계선(Forming LimitCurve, FLC)이 사용된다. 성형한계선은 크게 파단이 일어나는 영역과 안전하게 성형이 일어나는 영역으로 나뉜다.

성능/효과

(3) 성형한계도 시험에서 하중 감소를 근거로 성형 종료시점을 결정할 때 그 시점이 너무 이른 경우 성형한계가 지나치게 낮게 평가될 수 있으므로, 네킹이 발생하여 하중 감소가 확실하게 나타날 때까지 기다리는 것이 바람직하다.
(4) 고온에서의 마그네슘 합금판재는 변형률속도에 민감하므로 성형속도가 느릴수록 성형성이 좋은 것으로 확인되었다.
(5) Nakajima시편의 평행부길이나 필렛반지름을 조절함으로써 부변형률 수준을 최대 15%까지 변화시킬 수 있었다. 또한, 평행부를 가진 시편들은 그렇지 않은 시편들보다 주변형률의 편차가 작은 것으로 나타나, 여러 가지 폭에 대하여 적절한 평행부길이를 가진 시편들을 사용하는 것이 실험오차를 줄이는데 바람직하다.
(6) 고온에서 등2축 변형모드를 얻기 위한 윤활시험에서 액체윤활제나 흑연분말보다 Barrierta L55/2그리스형 연고제가 윤활 성능이 가장 우수한 것으로 나타났다.
시편 중심선을 따른 주변형률 및 부변형률 분포의 최고점 좌우에서 각각 5개 이상의 자료점을 선택하고 곡선근사(curve fitting)와 평탄화(smoothing)를 거쳐 종 모양의 역포물선(reverseparabola)으로 근사한 후 그 최대값을 성형한계로 간주하는 방법이다. 3가지 그래프를 비교해 보면, 표준종료 시 0.723, 지연종료 시 0.739로 비슷한 주변형률을 보이지만, 조기종료 시에는 0.641로 현저히 낮은 값을 나타낸다. 이는 성형한계도 시험에서 하중 감소를 근거로 성형 종료시점을 결정할 때 그 시점이 너무 이른 경우 성형한계가 지나치게 낮게 평가될 수 있으므로 네킹이 발생하여 하중 감소가 확실하게 나타날 때까지 기다리는 것이 바람직하다는 점을 시사한다.
09 사이에서 성형한계점이 위치하는 사실로부터 시편 폭이 변형모드를 결정하는 가장 큰 변수이지만, 평행부길이나 필렛반지름을 조절함으로써도 부변형률 수준을 최대 15%까지 변화시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 동일한 평행부길이에 대하여 필렛반지름이 클수록, 그리고 동일한 필렛반지름에 대하여 평행부길이가 클수록 부변형률이 작아진다는 사실을 알 수 있다. 한편, 평행부를 가진 시편들은 그렇지 않은 시편들보다 주변형률의 편차가 작은 것으로 나타났다.
(5) Nakajima시편의 평행부길이나 필렛반지름을 조절함으로써 부변형률 수준을 최대 15%까지 변화시킬 수 있었다. 또한, 평행부를 가진 시편들은 그렇지 않은 시편들보다 주변형률의 편차가 작은 것으로 나타나, 여러 가지 폭에 대하여 적절한 평행부길이를 가진 시편들을 사용하는 것이 실험오차를 줄이는데 바람직하다.
0mm/s등 2가지 펀치속도에 대한 성형한계도를 비교한 그림이다. 성형속도가 느릴수록 성형성이 좋아지는 변형률속도민감 재료의 일반적 특성에 따라 성형한계선이 전 변형모드에서 5% 정도 높게 나타났다.
윤활을 하지 않은 175×175mm의 시편에서 약간의 차이를 보이는 것을 제외하고 대체적으로 거의 일치하는 것으로 나타났다.
10은 연고제, 그리스, 흑연분말 등 종류별로 대표적인 윤활제 1가지씩에 대한 주변형률 분포 및 FLD를 측정한 결과이다. 이들 중 연고제인 Barrierta L55/2 윤활제가 시편 중앙에 가장 가까운 곳에서 최대 주변형률을 나타내어 거의 등2축 모드의 성형한계를 주는 것을 확인할 수 있다.
폭 75mm의 모든 시편에 대하여 부변형률 -0.06∼+0.09 사이에서 성형한계점이 위치하는 사실로부터 시편 폭이 변형모드를 결정하는 가장 큰 변수이지만, 평행부길이나 필렛반지름을 조절함으로써도 부변형률 수준을 최대 15%까지 변화시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

후속연구

한편, 평행부를 가진 시편들은 그렇지 않은 시편들보다 주변형률의 편차가 작은 것으로 나타났다. 따라서 여러 가지 폭에 대하여 적절한 평행부길이를 가진 시편들을 사용하는 것이 불필요한 실험 오차를 줄이는데 도움이 될 수 있을 것으로 생각된다. 이와 관련하여 더욱 다양한 종류의 시편에 대한 체계적인 분석이 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정확하고 안정적인 성형한계도를 얻기 위해 필요한 것은?	다양한 변형 모드에서의 판재의 성형성을 나타내는 성형한계도(forming limit diagram, FLD)는 재료의 본질적인 한계변형 정도와 금형과의 접촉에서 재료가 얼마만큼 균일하게 변형하였는가에 따라 결정된다. 정확하고 안정적인 성형한계도를 얻기 위해서는 시험장비의 환경, 시편의 형상, 시편에 그려진 격자의 모양 및 크기, 성형 속도, 측정 장비 등 많은 조건들을 구체화하고 체계화할 필요가 있다.
	성형한계도를 얻기 위한 시험적 연구로는 어떤 것들이 있는가?	Keeler[1]와 Goodwin[2]에 의해 처음으로 소개된 이래 여러 가지 재료의 성형한계도를 얻기 위한 시험적 연구는 지난 수십년 간 수없이 많이 수행되어 왔으나, 성형한계도 시험법에 관한 체계적이고 일반적인 표준화 작업은 아직 미흡한 실정이다. Marciniak 등[3]은 성형한계도에서 소성영향력에 관해 연구하였고, Naka 등[4]은 여러 가지 온도와 변형률속도에 대한 Al-Mg 합금재료의 성형한계도를 얻었으며 김헌영 등[5]은 온도별 성형한계에 관해 체계적인 연구를 실시하였다. 또한 이명한 등[6]은 마그네슘 합금판재를 온간에서 성형한계도를 이용하여 성형성 평가 하였으며, 김세호 등[7]은 AZ31B 합금판재 성형관련 기초물성 실험 및 해석에 관해 연구하였다. 특히, Chen 등[8,9]은 ASTM[10]을 근거로 하여 본 연구에서 사용한 AZ31B 마그네슘 합금 판재에 관해 온도별 성형한계도를 연구한 바가 있다. 최근 국제표준화기구(ISO)에서 발표한 규정 ISO 12004-2[11]은 지금까지 알려진 어떤 방법보다 구체적이고 명확한 시험법을 제시하고 있으나, 그 배경의 설명이 충분치 않고 항목에 따라서는 장비나 기술이 부족한 일반 연구자들이 선택하기 어려운 경우도 있다.
	성형한계도가 나타나는 것은?	특히, 판재성형에 있어서 성형한계도를 연구하는 것은 재료의 변형능력을 시험을 통해 사전에 예측할 수 있기 때문에 매우 중요하다. 다양한 변형 모드에서의 판재의 성형성을 나타내는 성형한계도(forming limit diagram, FLD)는 재료의 본질적인 한계변형 정도와 금형과의 접촉에서 재료가 얼마만큼 균일하게 변형하였는가에 따라 결정된다. 정확하고 안정적인 성형한계도를 얻기 위해서는 시험장비의 환경, 시편의 형상, 시편에 그려진 격자의 모양 및 크기, 성형 속도, 측정 장비 등 많은 조건들을 구체화하고 체계화할 필요가 있다.

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