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문제 정의
- 따라서 알루미늄 판재성형에 HFQ 의 적용성 및 그 타당성을 확보하기 위해 다양한 평가항목들에 대한 기초실험을 수행하여 기존의 냉간성형 공정과 비교해 보았다. 우선 기존의 냉간성형 대비 HFQ 의 성형성 향상여부를 판단하기 위해 에릭슨 시험(Erichsen test)을 수행하였다.
- 다이로 소재를 냉각하는 HFQ 의 경우도 용체화처리 후의 냉각속도가 매우 중요하다. 본 연구에서 목표로 하는 HFQ 으로 제조된 제품강도는 일반적인 상온의 물로 냉각하여 결정되는 강도와 비교하였을 때 현저한 강도저하 없이 동일 수준으로 유지하는 것이다. 따라서 실질적인 HFQ 에서는 알루미늄 판재의 냉각성능 향상을 위해 다이 내부에 냉각채널(Cooling channel)을 설치하여 판재와의 열 전달로 가열된 다이의 지속적인 냉각이 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 기존의 알루미늄 판재성형에서 발생되는 문제를 해결하기 위해 새로운 방법인 핫 포밍 퀜칭(Hot forming quenching, HFQ)을 소개하고자 한다. HFQ 은 용체화처리 온도로 가열된 소재를 열간성형한 후에 제품 강도 확보를 위해 다이 내에 설치된 냉각채널을 이용하여 퀜칭하는 방법이다.
- 본 연구에서는 알루미늄 판재성형의 제품 치수 정밀도 및 성형성 향상을 위한 새로운 제조공법인 HFQ 을 제시하고, 그 적용성 평가를 위한 V-bending 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 하지만 HFQ 으로 제조된 제품의 강도가 현저하게 저하된다면 실제공정에 적용하는 것은 문제가 있다. 이에 HFQ 이 적용된 최종제품의 기계적 특성에 직접적인 영향을 미치는 용체화처리의 냉각속도를 우선적으로 파악하였다.
제안 방법
- T4 및 T6 열처리된 판재는 냉간에서 에릭슨 시험을 수행한 반면 HFQ 는 판재 및 다이를 가열하여 열간에서 시험을 수행하였다. 판재는 일반적인 Al6061 의 용체화처리 온도인 530℃까지 가열하였으며, 그리고 Fig.
- 일반적인 T4 와 T6 열처리 조건의 경우 열처리가 완료된 판재를 냉간에서 성형한 반면 HFQ 조건은 용체화처리 온도인 530℃까지 가열된 판재를 즉시 V-bending 다이로 이송하고 성형한 뒤에 각각 자연 및 인공시효 하였다. 각 조건에 따라 열처리와 성형이 완료된 Al6061 판재의 굽힘각도를 측정하였으며, 각각 총 5 회의 굽힘시험을 수행하여 그 평균 값으로 굽힘각도를 비교하였다.
- 시험은 Al6061 판재가 파단이 발생할 때까지 진행하였으며, 이송거리(Stroke)에 따라 펀치에 걸리는 하중을 측정하였다. 그리고 성형성 평가는 네킹이 발생하여 펀치에 걸리는 하중이 감소하는 시점 즉, 최대 하중이 걸리는 시점에 상응하는 그 이송거리를 LDH(Limit dome height)로 판단하고 각 조건에 따라 비교하였다.
- 시험방법은 판재에 네킹(Necking)이 발생하여 파단까지 도달하는 높이 즉, 한계 돔 높이(Limit dome height, LDH)를 측정하여 비교하였다. 그리고 적용성 평가를 위해 HFQ 을 V-bending 공정에 적용하여 굽힘 성형된 제품의 스프링백을 측정하여 치수정밀도를 비교하였다. 또한 최종 제품의 기계적 물성에 직접적인 영향을 미치는 용체화처리 시 판재의 냉각속도를 측정하고, 인장과 경도시험을 수행하여 기존의 냉간성형 공정과 비교함으로써 HFQ 된 최종제품의 기계적 물성을 평가하였다.
- 기존 판재성형 대비 HFQ 의 성형성 향상 여부를 에릭슨 시험을 통해 평가하였다. 시험은 ASTM E643-09 에 의거하여 수행되었으며,(19) 시험에 사용된 알루미늄 재질은 Al6061 이며, 크기는 L60mm X W60mm X t2mm 로 정사각형 판재가 사용되었다.
- 두께가 2mm 인 판재의 측면에 Ø1.1mm X h20mm 의 홀 가공하고, Ø1mm 의 K-type 열전대(Thermocouple)를 삽입하여 온도를 측정하였다.
- HFQ 의 냉각온도는 일반적인 T4 및 T6 열처리의 용체화처리 시, 상온의 물에 의해 냉각되는 온도와 직접적으로 비교되었다. 또한 HFQ 에 의해 냉각되는 정도를 분석하기 위해 상온의 공기에 냉각하는 경우(Air quenching)와도 간접적으로 비교하였다. Al6061 판재의 냉각온도를 측정한 위치를 Fig.
- 그리고 적용성 평가를 위해 HFQ 을 V-bending 공정에 적용하여 굽힘 성형된 제품의 스프링백을 측정하여 치수정밀도를 비교하였다. 또한 최종 제품의 기계적 물성에 직접적인 영향을 미치는 용체화처리 시 판재의 냉각속도를 측정하고, 인장과 경도시험을 수행하여 기존의 냉간성형 공정과 비교함으로써 HFQ 된 최종제품의 기계적 물성을 평가하였다.
- 특히 HFQ 의 냉각온도는 V-bending 시험에서 사용된 냉각채널이 설치된 다이로 판재를 냉각하여 측정되었다. 모든 조건에서 냉각이 시작되는 온도는 530℃이며, 매 1 초의 간격으로 실시간 온도를 측정하였다.
- 본 연구에서 제시한 HFQ 는 V-bending 시험을 수행하여 그 적용성을 평가하였다. 이에 굽힘성형된 제품의 치수정밀도, 판재의 냉각속도, 강도 및 경도를 측정하여 기존의 냉간성형과 비교하였다.
- 상온의 물로 냉각한 경우 보다 약 4 배 가량 낮은 냉각속도를 가지는 HFQ 판재의 기계적 물성을 평가하기 위해 강도 및 경도를 측정하여 기존의 냉간성형과 비교하였다. 강도는 인장시험을 수행하여 측정되었으며, 시험편은 KS B0801 규격에 의거하여 13B 호 판재 시험편으로 고려하였다.
- 시험 결과의 재현성 확인을 위해 열처리 조건에 따라 각각 4 회의 실험을 반복하여 수행하였으며, 홀더력(Holder force)은 모든 조건에서 1.2ton 으로 동일하게 가압하였다. 시험은 Al6061 판재가 파단이 발생할 때까지 진행하였으며, 이송거리(Stroke)에 따라 펀치에 걸리는 하중을 측정하였다.
- 우선 기존의 냉간성형 대비 HFQ 의 성형성 향상여부를 판단하기 위해 에릭슨 시험(Erichsen test)을 수행하였다. 시험방법은 판재에 네킹(Necking)이 발생하여 파단까지 도달하는 높이 즉, 한계 돔 높이(Limit dome height, LDH)를 측정하여 비교하였다. 그리고 적용성 평가를 위해 HFQ 을 V-bending 공정에 적용하여 굽힘 성형된 제품의 스프링백을 측정하여 치수정밀도를 비교하였다.
- 2ton 으로 동일하게 가압하였다. 시험은 Al6061 판재가 파단이 발생할 때까지 진행하였으며, 이송거리(Stroke)에 따라 펀치에 걸리는 하중을 측정하였다. 그리고 성형성 평가는 네킹이 발생하여 펀치에 걸리는 하중이 감소하는 시점 즉, 최대 하중이 걸리는 시점에 상응하는 그 이송거리를 LDH(Limit dome height)로 판단하고 각 조건에 따라 비교하였다.
- 본 연구에서 제시한 HFQ 는 V-bending 시험을 수행하여 그 적용성을 평가하였다. 이에 굽힘성형된 제품의 치수정밀도, 판재의 냉각속도, 강도 및 경도를 측정하여 기존의 냉간성형과 비교하였다. 평가를 위한 열처리 조건은 T4 와 T6 의 기존 공정과 HFQ 후에 각각 자연시효(HFQ(T4)) 및 인공시효(HFQ(T6))한 총 4 가지 조건으로 고려하였으며, 그 열처리 조건들을 Table 1 에 요약하였다.
- T4 및 T6 열처리된 판재는 냉간에서 에릭슨 시험을 수행한 반면 HFQ 는 판재 및 다이를 가열하여 열간에서 시험을 수행하였다. 판재는 일반적인 Al6061 의 용체화처리 온도인 530℃까지 가열하였으며, 그리고 Fig. 4(c)에 나타낸 바와 같이 총 9 개의 카트리지 히터(Cartridge heater)를 삽입하여 펀치는 320℃, 홀더는 200℃, 다이는 400℃까지 각각 가열한 후에 HFQ 성형성을 평가하였다.
- 이에 굽힘성형된 제품의 치수정밀도, 판재의 냉각속도, 강도 및 경도를 측정하여 기존의 냉간성형과 비교하였다. 평가를 위한 열처리 조건은 T4 와 T6 의 기존 공정과 HFQ 후에 각각 자연시효(HFQ(T4)) 및 인공시효(HFQ(T6))한 총 4 가지 조건으로 고려하였으며, 그 열처리 조건들을 Table 1 에 요약하였다.
대상 데이터
- 상온의 물로 냉각한 경우 보다 약 4 배 가량 낮은 냉각속도를 가지는 HFQ 판재의 기계적 물성을 평가하기 위해 강도 및 경도를 측정하여 기존의 냉간성형과 비교하였다. 강도는 인장시험을 수행하여 측정되었으며, 시험편은 KS B0801 규격에 의거하여 13B 호 판재 시험편으로 고려하였다. 특히 HFQ 된 시험편은 V-bending 시험으로 굽힘성형된 판재로부터 채취하였다.
- 기존 판재성형 대비 HFQ 의 성형성 향상 여부를 에릭슨 시험을 통해 평가하였다. 시험은 ASTM E643-09 에 의거하여 수행되었으며,(19) 시험에 사용된 알루미늄 재질은 Al6061 이며, 크기는 L60mm X W60mm X t2mm 로 정사각형 판재가 사용되었다. Fig.
- 치수정밀도 평가에 사용된 Al6061 판재의 크기는 L200mm X W50mm X t2mm 이며, 특히 HFQ 을 위해 냉각채널이 설치된 V-bending 다이를 Fig. 6과 같이 제작하였다. 냉각채널의 직경은 12mm 이며, 다이의 상형과 하형에 각각 5 개의 냉각채널이 설치되어 있다.
- 강도는 인장시험을 수행하여 측정되었으며, 시험편은 KS B0801 규격에 의거하여 13B 호 판재 시험편으로 고려하였다. 특히 HFQ 된 시험편은 V-bending 시험으로 굽힘성형된 판재로부터 채취하였다. 또한 경도는 Vickers 경도 측정법으로 고려되었으며, 0.
데이터처리
- 특히 HFQ 된 시험편은 V-bending 시험으로 굽힘성형된 판재로부터 채취하였다. 또한 경도는 Vickers 경도 측정법으로 고려되었으며, 0.3kgf 의 압입하중으로 각 시편 당 총 5 회 측정하여 그 평균값으로 평가하였다.
이론/모형
- 따라서 알루미늄 판재성형에 HFQ 의 적용성 및 그 타당성을 확보하기 위해 다양한 평가항목들에 대한 기초실험을 수행하여 기존의 냉간성형 공정과 비교해 보았다. 우선 기존의 냉간성형 대비 HFQ 의 성형성 향상여부를 판단하기 위해 에릭슨 시험(Erichsen test)을 수행하였다. 시험방법은 판재에 네킹(Necking)이 발생하여 파단까지 도달하는 높이 즉, 한계 돔 높이(Limit dome height, LDH)를 측정하여 비교하였다.
성능/효과
- (1) 에릭슨 시험을 통해 성형하중 및 성형성을 평가한 결과, HFQ 의 성형하중은 T4 와 T6 열처리된 판재 보다 각각 62.0%, 73.2% 낮았으며, 성형성은 각각 17.3%, 53.7% 향상되었다.
- (2) HFQ 의 적용성 평가를 위해 V-bending 시험을 수행하여 치수정밀도를 평가한 결과, T4 및 열처리된 판재는 1.2°, T6 열처리는 2.6° 의 스프링백이 발생하는 반면 HFQ 이 적용된 판재의 스프링백은 0.4°로 우수한 치수정밀도를 가졌다.
- (3) 동일하게 HFQ 후에 각각 자연 및 인공시효된 제품의 굽힘각도를 측정한 결과, 인공시효로 인한 제품의 치수변화는 거의 없었다.
- (4) HFQ 시 판재의 냉각온도를 측정하고 강도 및 경도를 평가한 결과, 상온의 물 보다 HFQ 의 냉각속도가 약 4 배 가량 낮았으나, 자연 및 인공시효가 완료된 최종 제품의 기계적 물성 저하는 발생하지 않았다.
- 그리고 각각의 열처리 조건들에 따라 굽힘성형된 판재의 두께를 측정한 결과, HFQ 된 판재가 기존 냉간성형의 판재 보다 약 0.02~0.05mm 얇은 두께를 가졌다. 이는 HFQ 의 경우 용체화처리 온도까지 가열된 판재가 연화됨에 따라 나타난 현상이라 판단된다.
- 10 에 기존의 제조공정과 HFQ 의 열처리 조건에 따라 각각 경도를 비교하여 나타내었다. 동일하게 자연시효된 T4 열처리와 HFQ 의 경도는 각각 74.6Hv, 72.2Hv 로 나타났으며, 인공시효된 T6 열처리와 HFQ 도 각각 107.9Hv, 105.7Hv 로 거의 동등한 값을 가지는 것으로 나타냄에 따라 HFQ 의 기계적 물성 저하는 발생하지 않았다.
- 하지만 HFQ 이 적용된 판재가 기존공정 대비 현저한 두께차이는 확인할 수 없었다. 따라서 본 연구에서 제시한 HFQ 을 Al6061 판재의 V-bending 시험에 적용하여 스프링백을 측정하여 기존의 냉간성형과 비교한 결과, 최종제품의 치수정밀도 향상이 가능하였다.
- 이는 HFQ 이후 자연 및 인공시효된 제품의 기계적 물성은 기존의 제조 방식의 제품과 동일 수준의 물성 확보가 가능할 것으로 판단되었다. 따라서 본 연구에서 제시한 HFQ 의 적용성을 평가한 결과, HFQ 은 기존의 제조공법과 비교하여 기계적 물성 저하 없이 제품 성형성과 치수정밀도 향상이 가능한 제조공법으로 판단된다.
- 2% 각각 저감되었다. 따라서 알루미늄 판재성형에 HFQ 의 적용은 기존의 냉간성형 보다 낮은 성형하중과 높은 성형성 확보가 가능할 것으로 판단되었다.
- 52ton 으로 나타났다. 따라서 에릭슨 시험 결과로부터 HFQ 은 T4 및 T6 열처리된 판재보다 각각 17.3%, 53.7%의 성형성 향상이 가능하였으며, 성형하중은 62.0%, 73.2% 각각 저감되었다. 따라서 알루미늄 판재성형에 HFQ 의 적용은 기존의 냉간성형 보다 낮은 성형하중과 높은 성형성 확보가 가능할 것으로 판단되었다.
- 4° 로 나타났다. 따라서 판재를 175℃까지 가열하여 장시간 유지하는 인공시효 처리 과정이 제품의 치수 정밀도에는 크게 영향을 미치지 않을 것으로 판단되었다.
- 또한 동일하게 HFQ 을 적용한 후에 각각 자연시효와 인공시효한 판재의 굽힘각도는 모두 90.4° 로 나타났다.
- HFQ 의 기계적 강도가 기존의 제조공정보다 다소 낮은 이유는 용체화처리된 판재를 다이로 이송과정에서 발생하는 느린 냉각속도 때문으로 판단된다. 또한 열처리 조건에 따라 연신율을 비교하면 자연 및 인공시효된 HFQ 의 연신율은 모두 기존 냉간성형 보다 약 2.4% 가량 다소 낮은 값을 가지는 것으로 나타났다. 이는 HFQ 의 굽힘시험 시, 판재와 다이의 접촉과정에서 다소 불균일한 냉각으로 인해 발생된 현상으로 판단된다.
- 반면에 HFQ 는 굽힘각도가 90.4°로 스프링백이 거의 발생하지 않았으며, T4 혹은 T6 열처리된 판재보다 우수한 치수정밀도를 가지는 것으로 나타났다.
- Al6061 판재의 인장시험을 수행하여 그 결과를 항복강도, 인장강도 및 연신율에 대해 각각 열처리 조건에 따라 비교하여 Table 2 에 요약하였다. 시험결과, 인공시효된 기존의 T6 열처리 및 HFQ(T6)가 적용된 경우가 자연시효된 경우 보다 높은 강도를 가지는 반면에 매우 낮은 연신율을 나타내었다. 이는 인공시효 과정에서 생성된 미세한 석출물로 인한 강화효과로 판단된다.
- 5 는 열처리 조건에 따른 에릭슨 시험 결과로써 펀치의 이송거리에 따른 펀치에 걸리는 하중으로 나타내었다. 실험결과, 강도가 가장 높은 T6 열처리된 판재의 LDH 가 평균 6.85mm 로 가장 낮은 성형성을 나타내었으며, 평균 성형하중 또한 1.94ton 으로 가장 높았다. 반면에 HFQ 의 LDH 와 성형하중은 각각 10.
- 앞서 수행된 에릭슨 시험과 V-bending 시험을 통해 HFQ 은 기존의 냉간성형 공정보다 제품의 치수정밀도 및 성형성 향상이 가능하였다. 하지만 HFQ 으로 제조된 제품의 강도가 현저하게 저하된다면 실제공정에 적용하는 것은 문제가 있다.
- Al6061 판재의 온도측정결과에서 HFQ 가 물로 냉각한 경우 보다 약 4 배 가량 낮은 냉각속도를 가졌으나, 냉각속도 차이는 동일하게 시효된 최종 제품의 기계적 물성에는 크게 영향을 미치지 않았다. 이는 HFQ 이후 자연 및 인공시효된 제품의 기계적 물성은 기존의 제조 방식의 제품과 동일 수준의 물성 확보가 가능할 것으로 판단되었다. 따라서 본 연구에서 제시한 HFQ 의 적용성을 평가한 결과, HFQ 은 기존의 제조공법과 비교하여 기계적 물성 저하 없이 제품 성형성과 치수정밀도 향상이 가능한 제조공법으로 판단된다.
- 인장시험 결과에서 확인된 바와 같이 기존의 제조공정과 유사한 기계적 물성을 가지는 HFQ 의 경향은 경도 측정결과에서도 동일하게 나타났다. Fig.
- 자연 및 인공시효된 HFQ 과 기존의 제조공정과 각각 비교하면, 자연시효된 HFQ 과 기존의 냉간성형인 T4 와 거의 동일한 기계적 물성을 가졌다. 그리고 인공시효된 HFQ 의 인장강도는 352 MPa, 기존의 냉간성형 T6 의 인장강도는 379 MPa 로 HFQ 이 기존의 T6 보다 약 27 MPa 낮았으나, 그 차이가 오차 범위로 나타내고 있기 때문에 HFQ 에 의한 현저한 기계적 물성저하는 확인할 수 없었다.
- 10 에 나타내었다. 측정결과, HFQ 의 냉각속도는 55.6℃/s 로 219.0℃/s 의 냉각속도를 가지는 상온의 물보다 약 4 배 가량 낮았다. 하지만 2.
후속연구
- HFQ 은 용체화처리 온도로 가열된 소재를 열간성형한 후에 제품 강도 확보를 위해 다이 내에 설치된 냉각채널을 이용하여 퀜칭하는 방법이다. HFQ 는 열간성형이므로 알루미늄 소재의 성형성 향상 및 스프링백 저감과 다이냉각으로 제품 강도를 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.