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문제 정의
- 본 연구는 산업적 응용에 비하여 체계적인 연구가 미흡한 기계적 프레스 접합의 공정과 접합강도에 신뢰성을 부여하기 위하여 펀치직경이 5.4 mm인 고정 다이를 사용하여 제작한 기계적 프레스 접합부에 대한 인장-전단 하중에서의 정적 강도를 평가하였다. 일련의 실험과 구조해석을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 따라서 현장에서의 다양한 접합부의 치수와 형상 그리고 판재의 두께, 재질의 다양성을 고려할 경우 정해진 재질로 제작된 접합부 형상에 대하여 강도를 예측하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 유한요소해석을 통하여 접합공정을 이해하고 최종적으로 파단하중을 예측하는 방법의 적절성을 시도하고자 한다.
제안 방법
- 기계적 프레스 접합강도 평가시 접합부 어느 한 부분의 형상 또는 그들의 단순한 조합만으로 접합 강도를 정확하게 예측한다는 것은 한계가 있으므로 종합적인 평가를 위하여 FEM해석을 실시하였다. 기계적 프레스 접합부의 인장-전단 시험편 형상에 관한 구조해석 결과는 Fig.
- 기계적 프레스 접합공정에 관한 해석의 경우 Fig. 5(a)와 같이 대칭성을 고려하여 축대칭 방법으로 모델을 구성하였으며, 펀치의 강제 변위로 해석을 수행하였다. 요소형태는 축대칭 요소인 CAX4R을사용하였으며 3,760절점과 2,079개의 요소로 구성하였다.
- 3에 나타내었고 치수는 W = 30 mm, L = 100 mm로 제작하였다. 기계적 프레스 접합부의 인장-전단 실험은 10 ton 용량의 만능재료시험기를 사용하였고, 변위 제어방식으로 2 mm/min의 속도로 수행하였다.
- 기계적 프레스 접합의 접합강도는 판의 두께, 펀치직경, 재료 및 작용하중 등과 같은 많은 변수가 존재하므로7-10) 본 연구에서는 나머지 변수를 고정하고 실용적인 측면에서의 펀치 작용하중을 제어 변수로 변화시키면서 각각의 시험편을 제작하였고 그 후 인장실험을 수행하였다. Fig.
- 4 mm인 고정 다이(fixed die)를 사용하여 제작한 접합부에 대한 인장-전단 하중에서의 정적강도를 평가하였다. 또한 유한요소해석을 통하여 보다 해석적인 접합 공정과 강도를 분석하였다.
- 본 연구에서는 두께 0.8 mm의 판재에 대한 프레스 접합에 많이 사용하는 TOX사의 펀치직경이 5.4 mm인 고정 다이(fixed die)를 사용하여 제작한 접합부에 대한 인장-전단 하중에서의 정적강도를 평가하였다. 또한 유한요소해석을 통하여 보다 해석적인 접합 공정과 강도를 분석하였다.
대상 데이터
- TOX®사의 접합장치는 하중제어가 편리하도록 만능재료시험기(UTM, Instron 8516)에 장착하여 사용하였다. 시험편 제작에 사용된 펀치와 다이는 라운드형(roundtype)으로 직경이 각각 5.4 mm, 8.3 mm이다. 고정다이형식 접합부의 단면형상을 Fig.
- 시험편은 기계적 프레스에 관한 규격이 없으므로 KS B0851에 의거하여 점용접 시험편의 규격과 동일한 인장-전단 형태로 제작하였으며, 시험편 형상은7,8) Fig. 3에 나타내었고 치수는 W = 30 mm, L = 100 mm로 제작하였다. 기계적 프레스 접합부의 인장-전단 실험은 10 ton 용량의 만능재료시험기를 사용하였고, 변위 제어방식으로 2 mm/min의 속도로 수행하였다.
- 실험에 사용한 재료는 자동차 차체로 사용되는 냉간압연강판(SPCC)으로 재료의 기계적 성질과 화학적 성분은 각각 Table 1, 2에 나타내었다.
- 5(b)와 같이 모델링하고 해석은 ABAQUS로 수행하였다. 요소형태는 ABAQUS의 HEXA요소인 C3D8, PENTA 요소인 C3D6를 사용하여 48,420개의 절점과 42,956개의 요소로 구성하였다.
- 5(a)와 같이 대칭성을 고려하여 축대칭 방법으로 모델을 구성하였으며, 펀치의 강제 변위로 해석을 수행하였다. 요소형태는 축대칭 요소인 CAX4R을사용하였으며 3,760절점과 2,079개의 요소로 구성하였다. 접촉마찰계수 값은 경강(hard steel)의 마찰계수인 0.
데이터처리
- 4에 나타내었다. 모델링은 상용프로그램인 HyperMesh를 이용하여 전처리하고, 해석은 ABAQUS로 수행하였다.
- 인장-전단에 관한 구조해석의 경우 3D CAD 프로그램인 Pro-E로 작업하고 전처리 과정은 HyperMesh를 이용하여 Fig. 5(b)와 같이 모델링하고 해석은 ABAQUS로 수행하였다. 요소형태는 ABAQUS의 HEXA요소인 C3D8, PENTA 요소인 C3D6를 사용하여 48,420개의 절점과 42,956개의 요소로 구성하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 고정다이 형식의 TOX®사 기계적 프레스 접합 방법11)을 선택하였다.
성능/효과
- 1) 기계적 프레스 접합의 공정해석 결과 최대 응력값 414 MPa, 최대변형률 1.76로 해석되었다. 응력의 경우 접합이 이루어지면서 다이와 펀치사이에서 많은 압축응력이 발생하였고, 변형의 경우 실험결과와 유사하게 상판 목두께 부위에서 최대변형이 발생하였다.
- 3) 인장-전단에 대한 구조해석을 통하여 파단하중이 작용시의 접합부의 최대응력은 모재의 인장강도(= 382 MPa)와 근사한 값으로 해석되어 기계적 프레스접합에 대한 구조해석을 통하여 신뢰성있는 강도예측이 가능하다.
- Fig. 9를 통하여 펀치하중 70 kN까지는 선형적인 관계는 아니지만 펀치하중의 증가는 접합강도를 향상시켰고 70 kN 이상에는 다시 감소하므로 본 연구에서 사용한 다이 및 펀치에 대한 최적의 펀치하중은 70 kN로 평가되었다. 70 kN 이상의 펀치하중에서 접합강도가 감소하는 것은 상판과 하판이 다이에서 충분히 채워져 더 이상 충진할 여유가 없어 결과적으로 70 kN 이상의 하중에서는 과도한 소성변형으로 가장 취약한 목부분에서 미시 적인 손상이 발생하였다고 판단된다.
- 기계적 프레스 접합공정에서 일정하중에 도달하기까지 펀치의 하강에 따라 결합부위는 응력과 변위가 증가하는데, 작용하중 70 kN 조건에서 유한요소해석 결과는 Fig. 7에서와 같이 최대 응력값 414 MPa, 최대 변형률 1.76로 해석되었다. 응력의 경우 Fig.
- 70 kN 이상의 펀치하중에서 접합강도가 감소하는 것은 상판과 하판이 다이에서 충분히 채워져 더 이상 충진할 여유가 없어 결과적으로 70 kN 이상의 하중에서는 과도한 소성변형으로 가장 취약한 목부분에서 미시 적인 손상이 발생하였다고 판단된다. 기존의 기계적 프레스 접합부의 접합강도는 펀치작용하중의 정확도가 결여된 상태에서 버튼직경, 펀치직경 또는 판두께 등으로 평가되어 신뢰성 있는 강도평가가 곤란하였으나, 이상의 실험결과 펀치하중은 최적의 접합강도를 얻기 위한 필수적인 제어조건으로 평가되었다.
- 실험결과 최대접합강도(peak load), 부하강성(load stiffness), 소성한계(plastic limit) 및 제하강성(unloading stiffness)은 각각 1.75 kN, 14.0 kN/mm, 0.70 mm 및 1.3 kN/mm로 평가되었다. 최대접합강도에서 균열발생 후 상판이 하판과 부분적으로 분리되면서 끌려 올라가는 현상 때문에 하중이 바로 감소하지 않고 완만하게 감소하는 경향을 보였다.
- 0178로 나타났다. 접합부의 최대응력은 373 MPa로 모재인 SPCC의 인장강도 값 382 MPa과 매우 근사하게 해석되었으며, 이것은 기계적 프레스접합에 대한 구조해석을 통하여 신뢰성 있는 파단강도를 예측할 수 있음을 보였다.
- 즉, 두껍고 연성거동을 보이는 재료일 경우 뚜렷하게 나타나고, 두께가 매우 얇거나 취성 재료에서는 이런 현상이 나타나지 않는다7,8). 즉, 판 두꺼운 판재나 연성재료를 사용할 경우에, 접합부에서 가장 취약한 부분인 목두께에 영향을 주는 것으로 판단된다. 각각의 펀치하중에 대한 접합강도를 각각의 펀치하중으로 제작한 시험편에 대한 인장-전단 하중하에서의 실험결과를 토대로 Fig.
- 실제로 인장시험에서 시험편이 서서히 늘어남과 동시에 버튼부가 서로 부분적으로 분리되면서 접촉면 반대편이 들려 올라가면서 결합부가 해체되는 현상이 일어난다. 최대 인장-전단 하중에 가까운 하중 1.7 kN 작용시켜 해석한 결과 최대응력 vonMises 응력은 373 MPa, 최대변형률은 0.0178로 나타났다. 접합부의 최대응력은 373 MPa로 모재인 SPCC의 인장강도 값 382 MPa과 매우 근사하게 해석되었으며, 이것은 기계적 프레스접합에 대한 구조해석을 통하여 신뢰성 있는 파단강도를 예측할 수 있음을 보였다.
- 5 mm인 위치에서는 펀치가 단순히 상하판을 빈 공간으로 디프 드로윙으로 밀어 넣는 것이 아닌 남은 그루브 부분을 압축변형으로 채우는 단계이므로 많은 하중이 필요하여 하중이 증가하는 것으로 사료된다. 펀치 작용하중에 대한 접합 정도를 관찰한 결과 50 kN 이후부터 접합정도가 양호한 것으로 나타났으며, 특히 펀치 작용하중이 70 kN 이상인 경우 거시적으로 상판과 하판의 틈새가 거의 없는 것으로 나타났다. 펀치하중이 75 kN 이상의 구간에서는 접합공정이 완료되어 하중증가에 따른 수직 변위의 변화가 매우 완만하였다.
- 해석결과 버튼 부분을 중심으로 상판과 하판이 접해있는 목 부위에서 최대응력이 발생하였고 변형률 또한 최대치를 나타내었다. 또한 상판과 하판 하중 작용선상의 편심으로 인하여 목 부위 옆 부분의 응력발생을 볼 수 있는데, 이것은 인장-전단의 기하학적 특성에 기인하는 일반적인 현상이다.
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