자동차 산업에서 대기오염을 줄이고 연비를 향상시키기 위해 경량화가 중요한 과제로 여겨지고 있다. 이를 위해 알루미늄 소재의 적용이 증가하고 있다. 판재를 차체에 적용하기 위해서는 주로 프레스 가공 공정을 거치게 된다. 이때, 재료, 제품설계 및 프레스 공정의 부적절한 가공 변수의 사용으로 인하여 파단, 주름, 및 스프링 백 등에 의한 다양한 형태의 가공 불량이 발생한다. 따라서 이들 변수들의 적절한 조화 뿐 만 아니라 엄격한 공정 관리가 요구된다. 이에 본 연구에서는 자동차 판재에 주로 사용되는 Al5454 재료에 대한 이론적으로 유도한 소성 불안정 조건을 구하고, MATLAB을 이용하여 성형 한계도를 도출하였다. 또한, 장출 인장 실험을 통해 얻어진 실험값과 이론적으로 도출한 성형 한계도와의 비교를 수행하였다.
자동차 산업에서 대기오염을 줄이고 연비를 향상시키기 위해 경량화가 중요한 과제로 여겨지고 있다. 이를 위해 알루미늄 소재의 적용이 증가하고 있다. 판재를 차체에 적용하기 위해서는 주로 프레스 가공 공정을 거치게 된다. 이때, 재료, 제품설계 및 프레스 공정의 부적절한 가공 변수의 사용으로 인하여 파단, 주름, 및 스프링 백 등에 의한 다양한 형태의 가공 불량이 발생한다. 따라서 이들 변수들의 적절한 조화 뿐 만 아니라 엄격한 공정 관리가 요구된다. 이에 본 연구에서는 자동차 판재에 주로 사용되는 Al5454 재료에 대한 이론적으로 유도한 소성 불안정 조건을 구하고, MATLAB을 이용하여 성형 한계도를 도출하였다. 또한, 장출 인장 실험을 통해 얻어진 실험값과 이론적으로 도출한 성형 한계도와의 비교를 수행하였다.
In the automobile industry, reducing the weight is the most important objective for reducing air pollution and improving the fuel efficiency. For this reason, the application of aluminum sheets is increasing. When the sheets are applied to the automobile, using inappropriate variables for the materi...
In the automobile industry, reducing the weight is the most important objective for reducing air pollution and improving the fuel efficiency. For this reason, the application of aluminum sheets is increasing. When the sheets are applied to the automobile, using inappropriate variables for the material, product design, and press processing can generate tearing, wrinkling, and spring-back problems, which are the main types of failure in the manufacturing process. Therefore, it is necessary to reduce these failures by harmonizing the many variables and strictly managing the processes. In this research, we study the theoretical plasticity instability of Al5454 and obtain the forming limit diagram (FLD) using MATLAB. Moreover, we compare the theoretical FLD with an experimental FLD obtained from a stretching test.
In the automobile industry, reducing the weight is the most important objective for reducing air pollution and improving the fuel efficiency. For this reason, the application of aluminum sheets is increasing. When the sheets are applied to the automobile, using inappropriate variables for the material, product design, and press processing can generate tearing, wrinkling, and spring-back problems, which are the main types of failure in the manufacturing process. Therefore, it is necessary to reduce these failures by harmonizing the many variables and strictly managing the processes. In this research, we study the theoretical plasticity instability of Al5454 and obtain the forming limit diagram (FLD) using MATLAB. Moreover, we compare the theoretical FLD with an experimental FLD obtained from a stretching test.
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문제 정의
본 연구는 Al5454 합금 판재의 단축 인장 실험을 통한 물성치 조사와 장출 인장 실험을 통한 성형 한계도를 도출함으로써 재료의 성형특성을 알아내었다.
가설 설정
국부 네킹 과정에서 평면 변형을 한다고 가정하면, 응력 변화 때문에 경화 효과가 발생하여 국부 네킹을 지연시킨다. 판별기준은 다음과 같다.
제안 방법
그림에서 ×표시는 파단이 발생한 그리드에 대한 것이고, ▲는 국부 넥 영향 부위, 그리고 ●는 파단선으로부터 멀리 떨어져 있는 그리드에 대한 값이다. 따라서 각 시편에 대한 성형 한계는 안전 변형 영역과 넥 영향 영역의 경계로 구하였다. 이렇게 연결된 선의 위치가 상승할수록 그 재료의 성형성이 높다고 판단할 수 있다.
또한 180mm×180mm에 대해서는 등 2축 인장 상태 하에서 판재의 파단을 유도하기 위하여, 폴리우레탄 2장과 그 사이에 윤활제를 도포하여 추가적인 실험을 실시하였다.
성형 후 파단이 발생한 부위 주변에서 주·부변형률을 MFLD 시스템(19)을 이용하여 FLD를 구하였다.
본 연구에서 사용된 시편은 KS13B형으로 판재의 압연방향에 따라 0°, 45°, 90°의 방향으로 레이저 컷팅으로 제작되었다. 시편의 절단면에 Burr 가 존재하면 notch 역할을 하므로 sand paper로 정교하게 다듬질 하였다. 단축 인장 실험에 사용된 인장 시험기는 KSU-10M기종으로, 본 연구에서는 2mm/min, 20mm/min, 200mm/min의 세 가지 속도로 실험을 진행하였다.
이에 본 연구에서는 Al5454에 대하여 인장시험을 수행하여 소성 이방성 계수를 구하고, FLD 실험을 통하여 성형한계선을 예측하였으며, 또한 비례부하 경로 하에서 변형되는 판재는 넥 파단 근처에서는 변형 경로가 평면변형 경로로 바뀐다는 실험결과에 근거한 Hora의 소성 불안정 발생 조건(18)을 근거로 FLD를 도출하여 실험값과 비교 하였다.
대상 데이터
시편의 절단면에 Burr 가 존재하면 notch 역할을 하므로 sand paper로 정교하게 다듬질 하였다. 단축 인장 실험에 사용된 인장 시험기는 KSU-10M기종으로, 본 연구에서는 2mm/min, 20mm/min, 200mm/min의 세 가지 속도로 실험을 진행하였다.
본 실험에서 사용한 재료는 Al5454 함금 판재로 두께 1.5mm를 상온에서 실험하였다. 함금 판재의 조성은 Table 1과 같다.
본 연구에서 사용된 시편은 KS13B형으로 판재의 압연방향에 따라 0°, 45°, 90°의 방향으로 레이저 컷팅으로 제작되었다.
사용된 시편은 2mm×2mm의 정사각형 패턴이 에칭 된, 길이는 180mm로 일정한 반면 폭은 50, 75, 126, 180mm인 4가지 시편을 사용하였다.
이론/모형
성형한계선도를 도출하기 위해서 면외 변형실험(out-of-plane deformation test)인 Hecker의 방법을 사용하였다. 면외 변형실험의 경우는 구형 펀치의 곡률에 의해 시편의 두께방향의 변형구배 (strain gradient)가 존재하는 효과가 생겨 성형한계 선도가 높게 평가되는 특징이 있다.
재료에 나타나는 이방성의 정도를 거시적으로 표현하는 방법으로 Lankford 변수 즉, 이방성 계수를 사용한다. 판재 이방성의 정도는 방향별로 두께 방향 변형률(∊
성능/효과
결론적으로, 알루미늄 소재는 강판과 비교하여 신율이 낮으므로 성형 깊이가 깊은 부품을 가공 시에는 주의를 요하여야 하며 가공성도 떨어진다.
단축 인장실험을 통하여 인장 속도를 증가시킬수록 작은 응력에서도 빨리 파단 됨을 알 수 있었다. 또한, 장출 인장 실험을 통해 도출해 낸 FLD는 금속의 성형성을 판단하는데 널리 이용되고 있다.
또한, 장출 인장 실험을 통해 도출해 낸 FLD는 금속의 성형성을 판단하는데 널리 이용되고 있다. 본 실험의 Al5454 합금 판재에 대해 실험에서 구한 FLD는 소성불안정 발생 조건을 이용하여 이론적으로 구한 FLD 선도와 유사한 형태를 나타내었지만, 선도의 기울기는 이론과 대비하여 좀 더 완만하였다.
후속연구
따라서 본 연구는 알루미늄 판재의 현장 적용에 있어서 기존의 강제에 대한 차이점과 성형품 제작 시 고려해야 할 사항들을 살펴보고, 발생할수 있는 여러 성형 결함들의 예측에 기여할 것으로 사료된다.
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