[논문]자동차용 강판의 표면 마찰 특성에 대한 접촉 압력의 영향

한수식

doi:10.5228/kstp.2011.20.2.99

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Many parameters influence the frictional behavior of steel sheet during stamping. The contact pressure between a die and a sheet during stamping is one of them. Thus, this parameter is investigated for high strength steel (HSS) sheets, which are widely used for auto body panels due to their potentia...

Many parameters influence the frictional behavior of steel sheet during stamping. The contact pressure between a die and a sheet during stamping is one of them. Thus, this parameter is investigated for high strength steel (HSS) sheets, which are widely used for auto body panels due to their potential for weight reduction. Since HSS extend the limits of contact pressure for mild steel, the effect of this parameter on friction cannot be ignored. To investigate the influence of contact pressure on the frictional behavior of steel sheets, a flat type of friction test was conducted on three different steel sheets under various contact pressures. For bare steel sheets, the curve representing the relationship between contact pressure and friction coefficient exhibits a U shape. Coated steel sheets show a similar tendency except at low contact pressure. For these materials, when the contact pressure is very low, the friction coefficient slightly increases with pressure before it starts to decrease. The test results show that the effect of contact pressure on frictional behavior of steel sheet is not negligible even for contact pressures that are lower than the strength of HSS sheet.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 자동차 부품 성형 용으로 적용되고 있는 아연 도금 강판과 비도금 강판에 대하여 평판형 마찰 시험기를 이용하여 접촉 압력의 변화에 따른 마찰 시험을 수행하여 마찰 특성에 대한 접촉 압력의 영향을 분석하였다.

제안 방법

대부분의 자동차 내판용 부품들이 입수된 코일을 블랭킹한 후 따로 윤활유를 도유하지 않고 성형하기 때문에 실성형 조건을 고려하기 위하여 현재 철강사에서 사용중인 방청유를 윤활유로 사용하였다. 가압력은 200~300kg씩 변화시키면서 시험하였으며 동일 가압력 조건에서 3번의 시험을 시행하였다. 시험 결과들의 편차가 0.
마찰 시험은 도유 조건에서 행하였다. 시험에 사용된 윤활유는 현재 철강사에서 방청유로 사용되고 있는 P340N을 선택하였다.
접촉 압력에 따른 자동차용 강판의 마찰 특성 변화를 분석하기 위하여 편면 마찰 시험을 행하였다. 시험에는 비도금 DP 590 1.

대상 데이터

시험에 사용된 윤활유는 현재 철강사에서 방청유로 사용되고 있는 P340N을 선택하였다. 대부분의 자동차 내판용 부품들이 입수된 코일을 블랭킹한 후 따로 윤활유를 도유하지 않고 성형하기 때문에 실성형 조건을 고려하기 위하여 현재 철강사에서 사용중인 방청유를 윤활유로 사용하였다. 가압력은 200~300kg씩 변화시키면서 시험하였으며 동일 가압력 조건에서 3번의 시험을 시행하였다.
마찰 시험기(Fig. 2)의 최대 가압 하중이 1,600 Kgf 정도이기 때문에 높은 접촉 압력을 얻기 위하여 접촉면이 20mm×20mm로 제작된 마찰 시험용 공구를 사용하였다.
마찰 시험은 도유 조건에서 행하였다. 시험에 사용된 윤활유는 현재 철강사에서 방청유로 사용되고 있는 P340N을 선택하였다. 대부분의 자동차 내판용 부품들이 입수된 코일을 블랭킹한 후 따로 윤활유를 도유하지 않고 성형하기 때문에 실성형 조건을 고려하기 위하여 현재 철강사에서 사용중인 방청유를 윤활유로 사용하였다.
접촉 압력에 따른 자동차용 강판의 마찰 특성 변화를 분석하기 위하여 편면 마찰 시험을 행하였다. 시험에는 비도금 DP 590 1.2t , 아연 도금 DP 590 1.2t 와 아연 도금 SPCEN 1.2t 소재들이 사용되었다. 마찰 시험기(Fig.

성능/효과

(1) 비도금 강판의 경우 접촉 압력이 증가하면 마찰 계수는 감소하다가 다시 증가하는 것으로 나타났다.
(2) GA 도금 강판의 경우 모재의 종류에 관계없이 성형 압력의 증가에 따라 마찰 계수는 초기에 약간 증가한 후 감소하다가 다시 증가하는 경향을 나타내었다.
(3) 한계 이상의 접촉 압력에서는 압력의 증가에 따라 마찰 계수도 증가하며 그 증가량은 무시할 수 없을 만큼 크게 나타났다.
(4) 접촉 압력에 따른 마찰 계수의 변화는 접촉 압력에 의한 표면 거칠기 산의 변형과 오일 포켓의 생성과 진실 접촉 면적의 변화 등으로 설명할 수 있다.
(5) 이상 연구 결과를 종합해볼 때 판재의 마찰 특성을 평가하는 경우 판재가 사용되는 접촉 압력의 범위를 고려하여 평가하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
각 접촉 압력 조건에서 마찰 시험 결과의 변동폭은 매우 작게 나타났다. 접촉 압력이 낮은 경우, 접촉 압력에 따른 마찰 계수의 변화는 압력이 증가할수록 약간씩 감소하는 것으로 나타났다. 접촉 압력이 20Mpa이후부터는 접촉 압력이 증가할수록 마찰 계수는 크게 증가하는 양상을 보여 주고 있다.

후속연구

1(b)의 고강도 강판을 성형하는 경우, 금형면과 판재 면 사이의 최대 접촉 압력이 수백 Mpa을 나타내고 있으나 본 시험의 경우에 이에 미치지 못하는 접촉 압력을 사용하였다. 마찰 시험 결과를 살펴보면 접촉 압력이 계속 증가하면 마찰 계수도 지속적을 증가하여 이론적인 최대 쿨롱 마찰 계수 값에 도달하는 양상을 나타낼 것으로 판단되지만 장비의 용량 부족으로 인하여 검증이 이루어 지지 못하고 있다. 추후 장비를 보완하여 이에 대한 검증을 진행할 계획이다.
접촉 압력이 낮은 경우에 도금 강판과 비도금 강판의 마찰 특성에 약간의 차이를 나타내는 것은 도금 층의 표면에 존재하는 연질 층이 작은 접촉 압력에 대하여서도 쉽게 변형하여 금형 면과의 응착 현상등을 일으키기 때문인 것으로 생각이 되나 이에 대하여서는 자세한 추가 분석이 필요하다.
마찰 시험 결과를 살펴보면 접촉 압력이 계속 증가하면 마찰 계수도 지속적을 증가하여 이론적인 최대 쿨롱 마찰 계수 값에 도달하는 양상을 나타낼 것으로 판단되지만 장비의 용량 부족으로 인하여 검증이 이루어 지지 못하고 있다. 추후 장비를 보완하여 이에 대한 검증을 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	판재 성형 중에 발생하는 판재와 금형 접촉면 사이의 마찰은 어떠한 영향을 주는가?	판재 성형 중에 발생하는 판재와 금형 접촉면 사이의 마찰은 성형 제품의 변형 분포를 변화시켜 제품의 성형성과 성형 후 제품의 품질에 큰 영향을 주고 있다.
	판재의 마찰 특성은 무엇에 따라 변화하는가?	판재의 마찰 특성은 표면 거칠기, 도금 층의 특성 등 판재 표면의 개질 특성에 따라 변화하기 때문에 이에 대하여 많은 연구가 진행되어 왔다[1~5]. 그러나 판재의 마찰 특성은 이러한 표면 개질 특성뿐만 아니라 금형과 판재 사이의 상대 운동 속도, 접촉 압력등과 같은 성형 조건에도 영향을 받는 것으로 알려져 있어 이에 대한 연구들이 진행되고 있다.
	접촉 압력이 자동차용 강판의 표면 마찰 특성에 미치는 영향에 대하여 연구한 결과는 어떠한가?	(1) 비도금 강판의 경우 접촉 압력이 증가하면 마찰 계수는 감소하다가 다시 증가하는 것으로 나타났다. (2) GA 도금 강판의 경우 모재의 종류에 관계없이 성형 압력의 증가에 따라 마찰 계수는 초기에 약간 증가한 후 감소하다가 다시 증가하는 경향을 나타내었다. (3) 한계 이상의 접촉 압력에서는 압력의 증가에 따라 마찰 계수도 증가하며 그 증가량은 무시할 수 없을 만큼 크게 나타났다. (4) 접촉 압력에 따른 마찰 계수의 변화는 접촉 압력에 의한 표면 거칠기 산의 변형과 오일 포켓의 생성과 진실 접촉 면적의 변화 등으로 설명할 수 있다. (5) 이상 연구 결과를 종합해볼 때 판재의 마찰 특성을 평가하는 경우 판재가 사용되는 접촉 압력의 범위를 고려하여 평가하는 것이 타당한 것으로 판단된다.

참고문헌 (8)

S. S. Han, K. C. Park, 2009, Effect of Surface Roughness on Frictional Behavior of Sheet Steel for Automotive, Transactions of Materials Processing, Vol.17, No.5, pp. 401-406.

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B. H. Lee, Y. T. Keum, 2002, Friction model for sheet metal forming analysis (Part1: Experiment), Transactions of Materials Processing, Vol.11, No.4, pp. 349-354.

원문보기 상세보기
P. Skarpelos, J. W. Morris, Jr., 1997, The effect of surface morphology on friction during forming of electrogalvanized sheet steel, WEAR, Vol. 212, pp. 165-172.

상세보기
A. Azushima, M. Sakuramoto, 2006, Effects of Plastic Strain on Surface Roughness and Coefficient of Friction in Tension-bending Test, Annals of the CIRP, Vol. 55.
W. T. Kim, D. H. Lee, M. S. Suh, Y. H. Moon, 2005, Analysis on parameters affecting the friction coefficient in drawbead forming of sheet metal, Transactions of materials processing, Vol.14, No.8, pp. 668-674.

원문보기 상세보기
J. M. Lanzona, M. J. Cardew-Hall, P. D. Hodgson, 1998, Characterising frictional behaviour in sheet metal forming, JMPT, Vol. 80-81, pp. 251-256.

상세보기
J. W. Shim, Y. T. Keum, 2007, Effects of Blank Holding Force on the Friction Behavior in Sheet Metal Forming, Transactions of Materials Processing, Vol.16, No.5, pp. 381-385.

원문보기 상세보기
H. Kim, S. Han, Q. Yanc, T. Altan, 2008, Evaluation of tool materials, coatings and lubricants in forming galvanized advanced high strength steels (AHSS), CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol.57, pp. 299-304.

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