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문제 정의
- 본 연구에서는 다이 롤 높이에 영향을 미치는 클리어런스와 V-링 압력 변화를 적용하여 다이 롤 높이의 변화량을 해석과 실험을 통하여 고찰하고자 한다.
제안 방법
- Fig. 2에 나타낸 것과 같이 b²를 선택하고 전단 과정을 30%, 50%, 70%, 90%로 구분하여 해석과 실험을 통하여 연구하였으며, 이 때 클리어런스를 0.03mm와 0.1mm를 적용하고, V-링 압력을 62MPa과 140MPa로 변경하여 실험하였다.
- Fig. 3과 같이 제품의 전단 선에서부터 V-링의 중심까지의 거리를 2.0mm로 설정하고, V-링에서 재료의 외곽까지의 거리를 전단의 안정성을 고려하여 재료의 두께와 동일하게 3mm를 설정하였으며, 전단 특성과 재료의 이용률 및 V-링 라인을 고려하여 제품의 간격을 4mm로 설정하였다.
- 금형의 상측에 다이플레이트를 인서트로 하여 조립한 후, V-링을 펀치의 인서트에서부터 2mm가 되도록 조립하고, V-링의 압력을 62MPa가 되도록 하여 1차 실험을 실시한다. 이 후에 다이플레이트의 인서트를 교환하여 클리어런스의 변화를 주고 실험을 실시하였다.
- 2mm의 라운드를 적용하였다. 다이의 인선부에도 R0.2mm를 적용하고 내측을 래핑 가공하여 제품의 단면이 깨끗하게 되도록 하였다.
- 범용 프레스에서 실험을 진행하기 위해 다이플레이트는 금형의 상형에 설치하고, 내부에 제품의 변형과 이젝팅을 위해 카운터펀치를 설치하였으며, 블랭킹 펀치는 V-링과 함께 금형의 하형에 설치하였으며, V-링의 압력은 프레스 기계의 다이 쿠션을 이용하여 조정할 수 있도록 설치하였다.
- 본 연구에서는 파인블랭킹 금형을 이용하여 V-링 거리는 2.0mm로 고정하고, V-링 압입력과 클리어런스를 변경하면서 다이 롤의 높이 변화에 대하여 해석과 실험을 통해 연구하였다.
- 블랭킹 제품은 성형의 난이도[3]를 고려하여 형상을 30⁰, 45⁰, 60⁰, 90⁰의 4가지로 하고 각각에 대하여 모서리 라운드를 R0.3, R0.5, R1.0으로 설정하여 Fig. 2와 Table 2 같이 설계하였다.
- 비접촉식 광학 현미경(배율30X∼210X)을 사용하여 파인 블랭킹 실험에서 가공된 제품 3개의 시료를 준비하고 다이 롤 높이를 측정하여 그 평균값과 해석에서 발생한 다이 롤 높이를 비교하였다.
- 사용된 제품의 형상은 여러 가지 모듈을 갖는 특수 기어 모델로 해석의 어려움이 있으므로 한 부분의 특정요소를 선택하여 DEFORM으로 해석하였다.
- 금형의 상측에 다이플레이트를 인서트로 하여 조립한 후, V-링을 펀치의 인서트에서부터 2mm가 되도록 조립하고, V-링의 압력을 62MPa가 되도록 하여 1차 실험을 실시한다. 이 후에 다이플레이트의 인서트를 교환하여 클리어런스의 변화를 주고 실험을 실시하였다. 1차와 같은 방법으로 하여 V-링의 압력을 140MPa로 하여 2차 실험을 실시하였다.
- 재료를 삽입하지 않고 금형을 닫았을 경우 V-링의 돌출부는 상대편 부분에 닿게 되어 V-링 자신과 상대 부품에 손상을 주어 금형이 파손될 위험이 있다. 이를 방지하기 위하여 블랭크 홀더의 상면에 V-링보다 0.2mm 높게 이를 보호하기 위한 스톱 블록을 4개소에 설치하여 V-링을 보호할 수 있도록 하였다[4].
- 해석에 사용된 공정변수는 Table 4에 제시하고, 사용된 모델은 압연에 따른 이방성은 고려하지 않고 등방성으로 간주하고, V-링이 완전 압입한 것으로 하였으며[5], 경계 조건으로 소재가 옆으로 퍼지는 현상을 방지하기 위해 X축을 구속시키고, Y축 블랭킹 펀치와 카운터펀치는 전단 속도 106mm/sec에 스텝 증분 0.01mm로 하여 재료의 두께인 3mm를 상승시키면서 다이 롤의 변화량을 고찰하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용한 피 가공판재는 비교적 전단 가공의 용이함과 금형의 강성 및 프레스의 공칭 압력을 고려하여 두께 3mm의 냉간 압연 강판(SCP-1)과 산세강판(PO: Pickled-oiled steel sheets)을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 파인블랭킹 공정에서 V-링 압력의 경우 재료의 유동을 효과적으로 억제시켜야 하며, 클리어런스는 3%(0.1mm)의 경우보다 1%(0.03mm)의 경우가 다이 롤 높이가 낮게 됨을 알 수 있었다.
- 2) V-링 압력을 62MPa로 하고, 클리어런스를 1%에서 3%로 변경하여 실험한 결과 1%의 경우가 SCP-1과 SHP-1 모두에 대하여 다이 롤 높이가 낮게 발생하였다.
- 3) V-링 압력을 140MPa로 하고, 클리어런스를 1%에서 3%로 변경하여 실험한 결과 1차 실험한 62MPa보다 다이 롤 높이가 감소하였으며, 클리어런스에 의한 변화는 1%일 경우가 낮게 발생하였다.
- 4) 해석의 경우가 실험한 경우보다 다이 롤 높이가 낮게 발생하였으며, 이는 해석의 경우 V-링의 압입이 완전한 압입상태로 하였으며, 실험에서는 최대 약 97% 압입된 상태에서 실험한 결과로 사료된다.
- Fig. 10과 같이 V-링의 압력을 62MPa, 클리어런스를 0.03mm로 하여 실험하였을 때, SCP-1은 해석에서는 70% 전단까지는 다이 롤의 높이가 서서히 증가하다가 90%전단에서는 약간 낮아지는 것으로 나타났으며, 실험에서는 70%부분부터 90%까지가 크게 증가하였다.
- Fig. 12에 나타낸 것과 같이 V-링의 압력을 140MPa로 설정하고, 클리어런스를 0.03mm로 하여 실험하였을 때, SCP-1와 SHP-1 모두 해석과 동일하게 70% 전단까지는 다이 롤의 높이가 증가하다가 90% 전단 부분에서는 감소하는 것으로 나타났으며, 62MPa로 연구한 경우보다 다이 롤 높이가 감소하는 것으로 나타났다.
- Fig. 13과 같이 V-링의 압력을 140MPa로 고정하고, 클리어런스를 0.1mm로 하여 실험하였을 때, SCP-1의 경우 해석에서는 전단 깊이가 50%까지는 다이 롤 높이가 급격히 증가하고, 70%까지는 완만하게 증가하고, 90%에서는 약간 감소하는 것으로 나타났으나, 실험 결과에서는 50%까지 거의 변화가 나타나지 않을 정도로 증가하였고, 70% 부분에서는 급격히 증가하는 것으로 나타나며, 다시 90% 부분에서는 감소하는 것으로 나타났다.
- SHP-1에서 해석의 경우에는 70% 부분에서 다시 감소하는 현상을 나타났으며, 실험에서는 미소하게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 1차 실험과 같이 V-링의 압력이 충분하지 못함에 의한 원인이다[7].
- SHP-1에서는 다이 롤 높이 차이는 나타났으나, 해석과 실험 모두 70% 부분까지는 증가하다가 90%부분에서는 다시 감소하는 것으로 나타났다.
- SHP-1의 경우 해석 결과는 비교적 작은 증가 폭을 나타내다가 90%전단에서는 미소하게 감소하였으나. 실험결과는 30%전단에서부터 90%전단까지 계속 증가하는 추세를 나타냈다.
후속연구
- 5) 해석과 실험의 다이 롤 높이는 70% 전단까지는 증가하다가 90% 전단 부분에서는 약간 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 카운터펀치의 압력이 높아지면서 재료의 유동을 효과적으로 억제하여 정수압을 이루는 것으로 예측되며, 향후 이 부분에 대한 성형 해석을 통한 원인 규명이 요구된다.
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