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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 정확한 응력의 예측을 위해서 내연적 해석프로그램(implicit code)을 사용하였으며, 초고강도 강판을 성형하기 위해 사용되고 있는 다단공정(multi-stage forming)의 공정변수들이 스프링백에 미치는 영향을 정량적으로 연구하였다. 또한 성형 후 표면의 응력을 분석하여 성형응력으로 스프링백의 양을 예측할 수 있는 기법에 대하여 고찰하였다.
- 본 연구에서는 초고강도 강판을 성형하기 위해 사용되고 있는 다단공정의 공정변수들이 스프링백에 미치는 영향을 정량적으로 연구하였다. 그리고 성형 후 표면의 응력을 분석하여 스프링백 양을 예측할 수 있는 기법에 대해 연구하여 아래와 같은 결과를 얻었다.
가설 설정
- 펀치의 성형방향에 따른 영향을 검토하기 위해서 펀치의 성형방향을 45°~90°로 변경하였다. 성형해석은 내연적 범용 유한요소 프로그램인 MARC 2008 을 사용하였으며, 제품의 길이방향 변형율이 크지 않을 것으로 예상되어 평면변형조건으로 가정하였다. 블랭크에 사용된 요소의 크기는 0.
제안 방법
- (b)와 같이 다이각도를 30°, 45°, 60°로 변화시켜 해석을 수행하였다.
- 2(a)와 (c)에 1 공정과 2 공정의 금형과 블랭크(blank)의 유한요소모델을 나타내었다. 1 공정 및 2 공정에서 상형은 모두 패드(pad)와 펀치(punch)로 구성하였으며, 하형은 다이(die)만으로 구성하였다. 성형 공정은 1 공정 및 2 공정 모두 패드로 블랭크를 잡아주고 펀치를 사용하여 성형이 되도록 하였다.
- 성형 공정은 1 공정 및 2 공정 모두 패드로 블랭크를 잡아주고 펀치를 사용하여 성형이 되도록 하였다. 각 공정별로 성형이 완료된 후 상하형 금형을 제거하여 블랭크의 스프링백 해석을 수행하였다. 1 공정의 다이각도(die angle)에 따른 스프링백 특성을 확인하기 위해서 Fig.
- 공정을 2 공정으로 나누어 1 공정 성형해석 완료 후 2 공정 성형해석을 연계해서 수행하였다. 1 공정다이각도를 30°, 45°, 60°의 3 가지 경우로 모델링하였으며, 2 공정은 제품 형상의 금형을 사용하였다.
- 본 연구에서는 초고강도 강판을 성형하기 위해 사용되고 있는 다단공정의 공정변수들이 스프링백에 미치는 영향을 정량적으로 연구하였다. 그리고 성형 후 표면의 응력을 분석하여 스프링백 양을 예측할 수 있는 기법에 대해 연구하여 아래와 같은 결과를 얻었다.
- 따라서, 본 연구에서는 정확한 응력의 예측을 위해서 내연적 해석프로그램(implicit code)을 사용하였으며, 초고강도 강판을 성형하기 위해 사용되고 있는 다단공정(multi-stage forming)의 공정변수들이 스프링백에 미치는 영향을 정량적으로 연구하였다. 또한 성형 후 표면의 응력을 분석하여 성형응력으로 스프링백의 양을 예측할 수 있는 기법에 대하여 고찰하였다.
- 다이반경 부분의 스프링백량을 α, 측면벽(side wall)의 컬링(curling)량을 β로 나타내었다. 또한, 스프링백량의 예측을 위한 표면응력은 다이 반경부가 끝나는 부분에서 4 mm 떨어진 부분을 기준(0 mm)으로 하여 분석하였다.
- 블랭크의 중립면을 기준으로 하였을 때 표면에서 가장 큰 응력이 발생되기 때문에 윗면(upper surface)과 아랫면(lower surface)의 응력을 주로 검토하였으며, 응력은 표면에서 발생되는 최대 주응력을 사용하였다. 이때 + 는 인장응력을 나타내며, - 는 압축응력을 나타낸다.
- 제품의 전체에 걸쳐 단면 형상의 변화가 거의 없기 때문에 제품의 중앙부 단면을 기준으로 금형을 설계 하였다. 성형공법은 폼 타입(form type)으로 설계하였으며, 성형과 스프링백 제어의 자유도를 높이기 위해서 1 공정 폼과 2 공정 폼으로 성형공정을 나누어 구성하였다. 이때 2 공정 폼 금형은 제품의 형상과 동일하게 설계하였다.
- 2 mm 인 SGAFC1180 이다. 소재의 유동응력을 평가하기 위해 KS B 0801 13 호에 따라 압연방향으로부터 채취한 인장시험편을 제작한 다음, Instron 5569를 사용하여 KS B 0802 규격에 따라 변위제어 방식으로 인장시험을 수행하였다. 변형율의 정밀한 측정을 위해서 표점거리가 50 mm 인 연신율계를 사용하였다.
- 8 에 2 공정 금형을 사용하여 단공정으로 성형했을 경우 표면의 최대 주응력 분포를 나타내었다. 잘 알려진 바와 같이 윗면과 아랫면에서 블랭크의 중립면을 기준으로 거의 대칭적인 응력분포를 나타내고 있기 때문에 윗면의 응력만을 분석하였다. 다이반경부분에서 인장응력이 발생한 이후에 인근에서 압축응력이 발생하였다.
- 1 에 나타내었다. 제품의 전체에 걸쳐 단면 형상의 변화가 거의 없기 때문에 제품의 중앙부 단면을 기준으로 금형을 설계 하였다. 성형공법은 폼 타입(form type)으로 설계하였으며, 성형과 스프링백 제어의 자유도를 높이기 위해서 1 공정 폼과 2 공정 폼으로 성형공정을 나누어 구성하였다.
대상 데이터
- 1 공정다이각도를 30°, 45°, 60°의 3 가지 경우로 모델링하였으며, 2 공정은 제품 형상의 금형을 사용하였다.
- 소재의 유동응력을 평가하기 위해 KS B 0801 13 호에 따라 압연방향으로부터 채취한 인장시험편을 제작한 다음, Instron 5569를 사용하여 KS B 0802 규격에 따라 변위제어 방식으로 인장시험을 수행하였다. 변형율의 정밀한 측정을 위해서 표점거리가 50 mm 인 연신율계를 사용하였다. 인장시험 결과를 Table 1 에 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 초고강도 강판은 두께가 1.2 mm 인 SGAFC1180 이다. 소재의 유동응력을 평가하기 위해 KS B 0801 13 호에 따라 압연방향으로부터 채취한 인장시험편을 제작한 다음, Instron 5569를 사용하여 KS B 0802 규격에 따라 변위제어 방식으로 인장시험을 수행하였다.
- 본 연구의 대상인 승용차용 사이드실의 형상을 Fig. 1 에 나타내었다. 제품의 전체에 걸쳐 단면 형상의 변화가 거의 없기 때문에 제품의 중앙부 단면을 기준으로 금형을 설계 하였다.
- 성형해석은 내연적 범용 유한요소 프로그램인 MARC 2008 을 사용하였으며, 제품의 길이방향 변형율이 크지 않을 것으로 예상되어 평면변형조건으로 가정하였다. 블랭크에 사용된 요소의 크기는 0.2 mm 이고, 사용된 총 요소수는 7,680 개이며, 쿨롱마찰계수는 0.1 이다.
- 해석과 실험의 다단공정에서는 1 공정의 다이각도를 45°로 하였으며, 다이반경은 6mm 를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 다이반경이 작아질수록 다이반경부의 스프링백 발생이 현저히 감소하였으며, 펀치성형방향의 각도를 줄일수록 컬링의 발생이 크게 감소하였다.
- (2) 다단공정은 단공정에 비해서 효과적으로 컬링의 발생을 방지할 수 있었으며, 1 공정의 다이 각도가 작을수록 컬링의 감소에 효과적인 것으로 나타났다.
- (3) 스프링백은 성형 후 발생되는 응력에 지배를 받으며, 성형 후 표면 응력의 분석을 통해서 스프링백 발생의 정량화가 가능할 것으로 판단된다.
- (4) 굽힘부 인근에서 역굽힘이 발생하게 되면 스프링백의 발생을 완화시키며, 굽힘부 응력과 역 굽힘부의 응력의 총합비율에 따라서 스프링백량이 영향을 받음을 확인하였다.
- (5) 다단공정에서 스프링백 해석결과는 실험결과는 잘 일치하였다.
- 결론적으로 단공정에 비해서 다단공정시 인장응력의 총합이 압축에 비해서 2 에서 3 배로 증가하는 경우 α 값이 4°에서 5.1°로 증가하였다.
- 7 에 단공정 성형 후 블랭크의 응력분포를 나타내었다. 다이반경 영역의 굽힘부 윗면에서는 인장응력이 아랫면에서는 압축응력이 발생하고 있으며, 굽힘부 아래의 인근 영역에서 역굽힘(reverse bend)으로 인해서 윗면에는 압축응력이 발생하고 아랫면에는 인장응력이 발생하고 있음을 확인하였다. 그러나 측면벽 영역의 윗면과 아랫면에서는 각각 인장응력과 압축응력이 발생하고 있었으며, 역굽힘 현상은 발생하지 않았다.
- 다단공정은 이러한 응력의 균형을 통해서 스프링백을 줄일 수 있는 효과적인 방법임을 확인하였다. 발생되는 응력의 총량을 비교한 결과 단공정에서는 성형 후 다이반경부에서 발생 되는 인장응력의 총합은 75,451 MPa 이며, 인근의 역굽힘에 의한 압축응력의 총합은 25,288 MPa 이다. 즉, 인장응력의 총합대 압축응력의 총합은 75% : 25%의 비율로 나타나고 있다.
- 실험과 해석에서의 스프링백량이 거의 유사하였으며, 컬링도 발생하지 않았다. 즉, 다단공정이 컬링을 제어할 수 있는 효과적인 방법임을 확인하였다. 오른쪽 플랜지 부분에서는 해석과 실험의 미세한 차이가 발생하였지만 이는 금형가공과 시제품 제작시 발생한 것으로 생각되며 전체적으로 해석과 실험결과가 잘 일치하였다.
- 단공정과는 다르게 다이반경 부분에서 응력이 낮아졌다가 다시 높아지는 경향을 나타내었다. 즉, 단공정에 비해서 발생되는 인장응력의 총 양이 작아졌으며, 역굽힘에 의한 압축은 큰 변화가 없었다. 따라서 인장에 의한 스프링백 발생이 줄어들게 된다.
후속연구
- 즉, 펀치성형 방향의 각도를 줄이는 것은 컬링량을 줄이는 주요한 요소이다. 결과적으로 전체적인 스프링백 양을 줄이기 위해서는 다이반경을 줄이면서 펀치성형방향의 각도를 줄이는 방안을 선택하면 스프링백 발생을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이는 굽힘부와 역굽힘부의 응력이 스프링백에 동일한 영향을 주는 것은 아님을 의미한다. 응력의 분포와 총합이 스프링백에 미치는 영향에 대한 보다 심도있는 연구는 향후에 수행될 예정이다.
- 이는 금형을 제거하는 스프링백 해석에서 α 량이 다단공정에서 줄어드는 경향을 잘 설명해 준다. 즉, 굽힘 성형 시 굽힘과 주위의 역굽힘을 잘 조절하여 응력의 발생량을 유사하게 만들어 주면 스프링백을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 다단공정은 이러한 응력의 균형을 통해서 스프링백을 줄일 수 있는 효과적인 방법임을 확인하였다.
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