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문제 정의
- 본 연구에서는 길이와 폭의 비로 정의되는 세 장비가 약 5.76인 직사각 컵에 대한 다단 디프드로잉 공정을 이용한 실험적 연구를 수행하였다. 다단 디프드로잉 실험에 앞서, 공정설계·금형설계·디프드로잉 펀치 및 하부 금형 제작을 수행 하였다.
제안 방법
- Fig. 2에서와 같이 직사각 컵 성형을 위한 다단 디프드로잉 공정의 공정설계 결과로부터 얻어진 각 공정별 성형용 펀치와 하부 금형의 프로파일 정보를 이용하여 제1공정에서부터 제5공정까지의 다단 디프드로잉 금형을 설계하였다. 금형설계에 있어서 우선적으로 고려해야 하는 공정 인자들 중의 하나로는 Fig.
- 다단 디프드로잉 실험에 앞서, 공정설계·금형설계·디프드로잉 펀치 및 하부 금형 제작을 수행 하였다.
- 더욱이 금형설계에 있어서는, 앞서 수행된 공정 설계 결과뿐만 아니라 중간성형품이 하부 금형의 성형면상에 초기 접촉할 때의 입사각을 각 공정별로 적용하였다. 이를 바탕으로 성형 펀치와 하부 금형 등의 금형이 개발되었으며, 이를 다단 디프드로잉 실험에 적용하였다.
- 즉, 직사각 컵에 대한 설계 두께와 실험으로부터 얻어진 중간성형 품에 대한 실측 두께, 그리고 이전의 해석적 연구[11]에서 예측된 두께 분포를 상호 비교하였다. 두께 분포 비교를 위해 Fig. 10에 제시된 바와 같이 두께 측정 위치를 두 축이 교차하는 중심점을 기준으로 장축 및 단축 방향으로 각각 5mm의 등간격 위치에서의 두께를 측정하였으며, 해당 두께 측정에 사용된 장치는 최대 분해능이 0.001mm인 초음파 두께 측정기(Panametrics-NDT社 Model 25DL)를 활용하였다.
- 4mm)를 사용하였다. 또한, 각 공정별 장축(길이 방향, Major Axis)과 단축(폭 방향, Minor Axis)에서의 아이어닝 공정이 서로 다르게 정의됨에 따라, 제1공정부터 제5공정까지의 다단 디프드로잉 공정 적용에 의한 초기 블랭크와 중간성형품의 성형 건전성을 조사하기 위해 각 공정에서의 장축과 단축 방향으로의 두께 분포를 조사하였다. 실험에 의해 도출된 두께 분포는 목표 두께 분포인 아이어닝 두께 분포와 이전의 해석적 연구 결과[11]에서 도출된 두께 분포를 상호 비교하였다.
- 또한, 본 연구에서 고려된 다단 디프드로잉 공정의 공정 수는 총 5공정이며, 블랭킹·디프드로잉·아이어닝 공정 등이 주된 성형 공정으로 적용되었다.
- 본 연구에서 수행된 공정설계에 있어서, 각 공정별로 내부 프로파일 성형 및 디프드로잉용 펀치의 단면 형상 정보를 포함하고 있으며, 외부 프로파일은 하부 금형의 단면 형상 정보를 포함하고 있다. 또한, 성형 펀치의 상세 치수를 내부 프로파일에 도시하였다.
- 본 연구에서 제작된 각각의 하부 금형은 내부에 녹-아웃(Knock-out) 장치를 포함 시켜 각 공정에서의 디프드로잉이 수행되고 난 뒤, 변형된 중간성형품이 자동으로 취출될 수 있도록 하였다. 또한, 이와 같이 제작된 제1공정부터 제5공정까지의 다단 디프드로잉용 금형과 성형 펀치들을 이용하여 성형 실험에 적용하였다.
- 또한, 초기 평판 소재의 각 공정별 변형 이력과 변형 형상, 성형 펀치 및 하부 금형의 설계·시제작·개발을 위해 내부 프로파일 및 외부 프로파일 등에 각종 정보를 포함하도록 공정설계가 이루어졌다.
- 4mm인 냉간압연 판재를 이용한 다단 디프드로잉 공정의 공정설계, 금형설계 및 제작, 그리고 실험적 연구를 수행하였다. 목적 형상을 얻기 위해 본 연구에서의 다단 디프드로잉 공정은 총 5공정이 적용되었으며, 세장비 및 드로잉비를 고려하여 중간성형품과 하부 금형 사이의 초기 접촉은 순차접촉에 의해 각 공정이 수행되는 것으로 설계되었다. 또한, 초기 평판 소재의 각 공정별 변형 이력과 변형 형상, 성형 펀치 및 하부 금형의 설계·시제작·개발을 위해 내부 프로파일 및 외부 프로파일 등에 각종 정보를 포함하도록 공정설계가 이루어졌다.
- 본 연구에서 개발된 제1공정부터 제5공정까지의 다단 디프드로잉용 성형 펀치와 하부 금형을 활용하여 성형 실험을 수행하였다. 세장비가 약 5.
- 76인 직사각 컵 성형공정에 대한 공정설계를 수행하였다. 본 연구에서 수행된 공정설계에 있어서, 각 공정별로 내부 프로파일 성형 및 디프드로잉용 펀치의 단면 형상 정보를 포함하고 있으며, 외부 프로파일은 하부 금형의 단면 형상 정보를 포함하고 있다. 또한, 성형 펀치의 상세 치수를 내부 프로파일에 도시하였다.
- 6은 다단 디프드로잉용 하부 금형의 시제작품을 보여주고 있다. 본 연구에서 제작된 각각의 하부 금형은 내부에 녹-아웃(Knock-out) 장치를 포함 시켜 각 공정에서의 디프드로잉이 수행되고 난 뒤, 변형된 중간성형품이 자동으로 취출될 수 있도록 하였다. 또한, 이와 같이 제작된 제1공정부터 제5공정까지의 다단 디프드로잉용 금형과 성형 펀치들을 이용하여 성형 실험에 적용하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 3의 입사각 설정에 대한 개념을 바탕으로 Fig. 4와 같이 금형설계를 수행하였으며, 장축 및 단축 방향으로의 금형 단면도를 보여주고 있다. 이러한 금형설계 과정에는 Fig.
- 본 연구에서는 길이가 89.50mm, 폭이 14.90mm 및 높이가 39.30mm인 세장비가 약 5.7인 직사각컵 성형을 위한 초기 두께 0.4mm인 냉간압연 판재를 이용한 다단 디프드로잉 공정의 공정설계, 금형설계 및 제작, 그리고 실험적 연구를 수행하였다. 목적 형상을 얻기 위해 본 연구에서의 다단 디프드로잉 공정은 총 5공정이 적용되었으며, 세장비 및 드로잉비를 고려하여 중간성형품과 하부 금형 사이의 초기 접촉은 순차접촉에 의해 각 공정이 수행되는 것으로 설계되었다.
- 앞서 언급된 공정설계 및 금형설계 결과를 바탕으로 직사각 컵 성형 실험을 위해 제1공정부터 제5공정까지의 다단 디프드로잉용 성형 펀치 및 하부 금형을 각각 제작하였다. Fig.
- 90mm로 상대적으로 길기 때문에 소재의 변형 과정에서의 소재 유동을 보다 원활히 하기 위해 적용되었다. 이러한 준비 과정을 거쳐 다단 디프드로잉 실험을 수행하였다. 또한, 본 연구에서 고려된 다단 디프드로잉 공정의 공정 수는 총 5공정이며, 블랭킹·디프드로잉·아이어닝 공정 등이 주된 성형 공정으로 적용되었다.
- 더욱이 금형설계에 있어서는, 앞서 수행된 공정 설계 결과뿐만 아니라 중간성형품이 하부 금형의 성형면상에 초기 접촉할 때의 입사각을 각 공정별로 적용하였다. 이를 바탕으로 성형 펀치와 하부 금형 등의 금형이 개발되었으며, 이를 다단 디프드로잉 실험에 적용하였다. 다단 디프드로잉 성형 실험에 있어서, 금형면을 구성하는 곡률들이 만나는 영역에서의 요철 존재에 의한 하부 금형의 불균일한 성형면에 의해 중간성형품에 있어서의 찢어짐 등의 성형 불량이 발생하였다.
- 1에 제시된 직사각 컵에 대한 성형실험을 수행하기에 앞서, 제1공정부터 제5공정까지의 중간성형품에 대한 다단 디프드로잉 공정의 수행과정에 있어서의 변형 이력 및 장축과 단축 방향으로의 변형 과정을 예측하기 위해서는 공정설계가 일차적으로 우선되어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 Fig. 2에서와 같이 세장비가 약 5.76인 직사각 컵 성형공정에 대한 공정설계를 수행하였다. 본 연구에서 수행된 공정설계에 있어서, 각 공정별로 내부 프로파일 성형 및 디프드로잉용 펀치의 단면 형상 정보를 포함하고 있으며, 외부 프로파일은 하부 금형의 단면 형상 정보를 포함하고 있다.
- 이는 제2공정에서부터 제5공정까지의 디프드로잉용 하부 금형에 있어서 금형면을 구성하는 곡률들이 서로 만나는 부위에서의 미세한 요철이 존재함에 따는원인으로 파악되었다. 이를 해결하기 위해, 해당 요철이 존재하는 금형면에서의 중간성형품 입사 면과 아이어닝 공정이 수행되는 구간 사이의 곡률을 완만하게 수정하였다. 이러한 금형 수정을 통해 본 연구에서의 다단 디프드로잉 공정에 대한 성형 실험을 성공적으로 수행할 수 있었으며, 그 결과로써 얻어진 제1공정에서부터 제5공정까지의 중간성형품의 시제작 결과를 Fig.
- 이는 세장비와 성형 깊이가 크면 클수록 동시접촉 조건을 고려하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있으며, 상대적으로 성형 깊이가 작으면서 세장비가 클 경우에는 순차접촉 조건을 고려하는 것이 유효하다는 것을 의미한다. 이에 본 연구에서는 순차접촉 조건을 교축가공에 의한 접촉 조건으로 고려하였으며, 이러한 순차접촉 조건을 제1공정에서부터 제5공정까지의 다단 디프드로잉 공정에 적용하였다.
- 본 연구에서의 직사각 컵과 같이 세장비가 큰 경우에 있어서, 장축 방향으로의 입사각(θM)은 보통 15°에서 20° 사이의 값이 주로 적용되며, 단축 방향으로의 입사각(θm)은 18°에서 22° 사이의 값이 적절한 것으로 알려져 있다. 이에 본 연구에서는 원소재로부터 초기 블랭크를 블랭킹 공정에 의해 가공하고 제1차 디프드로잉 공정을 수행하는 제1공정을 제외한, 제2공정에서부터 제5공정까지의 다단 디프드로잉 공정에 대해 장축과 단축방향으로의 입사각을 Table 2와 같이 금형설계 및 제작에 적용하였다.
- 제1공정에서 제5공정까지의 중간성형품의 장축과 단축 방향으로의 두께를 측정하여, 각 공정에서 요구되는 두께와 비교하였다. 즉, 직사각 컵에 대한 설계 두께와 실험으로부터 얻어진 중간성형 품에 대한 실측 두께, 그리고 이전의 해석적 연구[11]에서 예측된 두께 분포를 상호 비교하였다.
- 5는 제작된 제1공정에서부터 제5공정까지의 성형 펀치를 보여주고 있다. 중간성형품과 직접 접촉하는 성형 펀치 끝단의 코너 반경 및 형상을 보다 상세히 나타내기 위해 해당 부분을 확대시켜 나타내었다. 또한, Fig.
- 제1공정에서 제5공정까지의 중간성형품의 장축과 단축 방향으로의 두께를 측정하여, 각 공정에서 요구되는 두께와 비교하였다. 즉, 직사각 컵에 대한 설계 두께와 실험으로부터 얻어진 중간성형 품에 대한 실측 두께, 그리고 이전의 해석적 연구[11]에서 예측된 두께 분포를 상호 비교하였다. 두께 분포 비교를 위해 Fig.
- 다단 디프드로잉 실험에 앞서, 공정설계·금형설계·디프드로잉 펀치 및 하부 금형 제작을 수행 하였다. 특히, 다단 디프드로잉의 공정설계 및 금형설계 그리고 금형제작에 있어서, 최종 성형품 획득을 위한 원활한 공정 수행을 위해 세장비와 드로잉 비를 고려하여 중간성형품이 하부 금형의 장축 및 단축 방향으로 순차적으로 접촉되도록 설계하였다. 이는 이전의 연구[9~10]에서와는 달리본 연구에서의 최종 성형품 형상이 약 5.
대상 데이터
- 4mm인 냉간 압연 소재를 사용하였으며, Table 3에 이의 재료 물성을 요약하였다. 또한, 본 연구에서의 다단 디프 드로잉 실험을 위한 초기 블랭크는 Fig. 2의 공정 설계 결과에서 제시된 바와 같이 세 개의 호(Arc)를 가지며, 그 치수는 각각 장축 반경 68.05mm, 단축 반경 54.81mm 그리고 제3의 호의 반경 67.62mm로 설계 및 제작되었고, 이를 본 다단 디프드로잉 실험에 적용하였다. 다단 디프드로잉 실험은 앞서 언급된 바와 같이 제1공정에서부터 제 5공정까지 순차적으로 수행되었으며, 실험과정의 예를 Fig.
- 또한, 본 연구에서 고려된 다단 디프드로잉 공정의 공정 수는 총 5공정이며, 블랭킹·디프드로잉·아이어닝 공정 등이 주된 성형 공정으로 적용되었다. 본 연구에서 사용된 초기 블랭크 소재는 드로잉용 강으로 많이 활용되는 냉간압연 소재(SPCE, 초기 두께 0.4mm)를 사용하였다. 또한, 각 공정별 장축(길이 방향, Major Axis)과 단축(폭 방향, Minor Axis)에서의 아이어닝 공정이 서로 다르게 정의됨에 따라, 제1공정부터 제5공정까지의 다단 디프드로잉 공정 적용에 의한 초기 블랭크와 중간성형품의 성형 건전성을 조사하기 위해 각 공정에서의 장축과 단축 방향으로의 두께 분포를 조사하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 1에 제시된 바와 같이 길이가 89.50mm, 폭이 14.90mm 및 높이가 39.30mm인세장비가 약 5.76인 직사각 단면 형상을 갖는 컵에 대한 공정설계를 우선적으로 수행하였다. 앞서 언급한 바와 같이, 다단 디프드로잉 공정에서 균일접촉 혹은 순차접촉 조건을 어떠한 경우에 적용하는 것이 바람직한 가에 대한 고려를 통해, 본 연구에서의 직사각 컵은 세장비는 비록 약 5.
- 본 연구에서 개발된 제1공정부터 제5공정까지의 다단 디프드로잉용 성형 펀치와 하부 금형을 활용하여 성형 실험을 수행하였다. 세장비가 약 5.76인 직사각 컵 성형을 위한 다단 디프드로잉 실험에 사용된 소재는 초기 두께가 0.4mm인 냉간 압연 소재를 사용하였으며, Table 3에 이의 재료 물성을 요약하였다. 또한, 본 연구에서의 다단 디프 드로잉 실험을 위한 초기 블랭크는 Fig.
데이터처리
- 또한, 각 공정별 장축(길이 방향, Major Axis)과 단축(폭 방향, Minor Axis)에서의 아이어닝 공정이 서로 다르게 정의됨에 따라, 제1공정부터 제5공정까지의 다단 디프드로잉 공정 적용에 의한 초기 블랭크와 중간성형품의 성형 건전성을 조사하기 위해 각 공정에서의 장축과 단축 방향으로의 두께 분포를 조사하였다. 실험에 의해 도출된 두께 분포는 목표 두께 분포인 아이어닝 두께 분포와 이전의 해석적 연구 결과[11]에서 도출된 두께 분포를 상호 비교하였다.
성능/효과
- 1. 중간성형품에 대한 두께 측정 결과, 단축 방향으로의 두께 분포는 실측 결과와 목표 두께가 서로 유사한 분포를 보였으며, 상대 두께 편차는 약 5% 정도로 나타났다.
- 2. 단축 방향으로의 두께 분포와는 달리 장축 방향으로의 두께 분포는 다소 차이가 있음을 알 수 있었으며, 제1공정에서의 중간성형품의 바닥부 코너부위에서 목표 두께를 기준으로 실측 두께가 약 15% 정도 감소한 것으로 나타났다. 이러한 두께 분포의 차이는 제2공정에서의 중간성형품의 경우에 대해서도 매우 유사한 결과를 나타내었다.
- 3. 장축 방향으로의 두께 감소는 중간성형품이 변형되는 과정에 있어서 변형 소재의 재료 유동이 플랜지(Flange) 부근으로 이동됨에 의한 것으로 조사되었다.
- 4. 또한, 중간성형품에 있어서 두께의 증가는 주로 장축 및 단축 방향으로부터 변형된 소재가 유입되는 중간성형품의 코너 플랜지부에서 집중적으로 발생함을 알 수 있었으며, 단축 방향으로 순차적 아이어닝 공정과 더불어 주축 방향으로 아이어닝 공정이 적용되는 제3공정에서 목표 두께 대비 최대 약 36%의 두께 증가가 나타났다.
- 5. 이러한 플랜지부의 두께 증가는 중간성형품이 변형됨에 있어서, 소재 유동이 플랜지부로 국부적으로 집중됨에 따른 것으로 파악되었다. 본 연구에서는 다단 디프드로잉 공정에 대한 공정설계 결과를 바탕으로 금형 설계 및 제작, 그리고 직사각 컵의 시제작이 성공적으로 수행되었다.
- 이러한 플랜지부의 두께 증가는 중간성형품이 변형됨에 있어서, 소재 유동이 플랜지부로 국부적으로 집중됨에 따른 것으로 파악되었다. 본 연구에서는 다단 디프드로잉 공정에 대한 공정설계 결과를 바탕으로 금형 설계 및 제작, 그리고 직사각 컵의 시제작이 성공적으로 수행되었다. 본 연구에서 개발된 직사각 컵 생산 기술은 니켈-수소 2 차 전지용 각형 케이스 부품의 설계 및 개발에 활용 가능할 것으로 예상됨과 동시에 관련 각형 컵 부품의 개발에도 도움을 줄 것으로 기대된다.
- 또한, Table 2에서는 본 금형설계에 있어서 각 공정별로 적용된 공정의 종류, 목표 두께 및 입사각 등의 공정 변수를 장축과 단축 방향별로 구분하여 요약한 것이다. 본 연구에서의 다단 디프드로잉 공정은 Fig. 1과 같은 최종 성형품의 측벽 두께를 얻기 위해 주로 단축 방향에서의 측벽에 대한 아 이어닝 공정이 이루어지며, 이에 따른 두께 감소가 해당 측벽에서 주로 이루어짐을 알 수 있다.
- 76인 직사각 단면 형상을 갖는 컵에 대한 공정설계를 우선적으로 수행하였다. 앞서 언급한 바와 같이, 다단 디프드로잉 공정에서 균일접촉 혹은 순차접촉 조건을 어떠한 경우에 적용하는 것이 바람직한 가에 대한 고려를 통해, 본 연구에서의 직사각 컵은 세장비는 비록 약 5.76으로 고세장비인 반면 드로잉비는 약 2.63의 낮은 값을 가지므로 순차접촉을 적용하는 것이 타당한 것으로 판단되었다. 이에 대한 근거로, 이전의 연구에서의 접촉순서에 대한 접근방법[9~11]을 Table 1에 요약하여 나타내었다.
- 또한, 중간성형품에 있어서 두께의 증가는 주로 장축 및 단축 방향으로부터 변형된 소재가 유입되는 중간성형품의 코너 플랜지부에서 집중적으로 발생함을 알 수 있었으며, 이를 Table 5에 정리하였다. 앞서 요약한 바와 같이 플랜지부에서의 두께 증가는 중간성형품이 변형됨에 있어서, 소재 유동이 플랜지부로 국부적으로 집중됨에 따른 것으로 파악되었으며, 단축 방향으로 순차적 아이어닝 공정과 더불어 주축 방향으로 아이어닝 공정이 적용되는 제3공정에서 목표 두께 대비 최대 약 36%의 두께 증가가 나타났다.
- 이를 해결하기 위해, 해당 요철이 존재하는 금형면에서의 중간성형품 입사 면과 아이어닝 공정이 수행되는 구간 사이의 곡률을 완만하게 수정하였다. 이러한 금형 수정을 통해 본 연구에서의 다단 디프드로잉 공정에 대한 성형 실험을 성공적으로 수행할 수 있었으며, 그 결과로써 얻어진 제1공정에서부터 제5공정까지의 중간성형품의 시제작 결과를 Fig. 9에 나타내었다.
- 다단 디프드로잉 성형 실험에 있어서, 금형면을 구성하는 곡률들이 만나는 영역에서의 요철 존재에 의한 하부 금형의 불균일한 성형면에 의해 중간성형품에 있어서의 찢어짐 등의 성형 불량이 발생하였다. 이러한 성형 불량을 해결하기 위해 성형면을 보다 매끄럽게 재가공하였으며, 이를 통해 성형 불량이 없는 건전한 중간성형품을 각각 얻을 수 있었다.
- 이용한 직사각 컵에 대한 성형 실험을 통해 얻어진 각 공정별 중간성형품에 대한 장축과 단축 방향에서의 두께 측정 결과를 Fig. 11에 나타내었으며, 단축 방향으로의 두께 분포는 실측 결과와 목표 두께를 유사한 분포를 보임을 알 수 있었고, 상대 두께 편차는 약 5% 정도로 나타났다. 단축 방향으로의 두께 분포와는 달리 장축 방향으로의 두께 분포는 다소 차이가 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 본 연구에서는 다단 디프드로잉 공정에 대한 공정설계 결과를 바탕으로 금형 설계 및 제작, 그리고 직사각 컵의 시제작이 성공적으로 수행되었다. 본 연구에서 개발된 직사각 컵 생산 기술은 니켈-수소 2 차 전지용 각형 케이스 부품의 설계 및 개발에 활용 가능할 것으로 예상됨과 동시에 관련 각형 컵 부품의 개발에도 도움을 줄 것으로 기대된다.
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