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핫프레스 포밍 공정에서의 열전달 특성에 대한 연구
Study on Heat Transfer Characteristic in Hot Press Forming Process 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.22 no.2, 2013년, pp.101 - 107  

이승열 ((주)솔루션랩) ,  이경훈 ((주)솔루션랩) ,  임용희 ((주)신화) ,  정우창 (대구가톨릭대학교)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The heat transfer characteristics between die and sheet and die and coolant are important parameters in hot press forming process. The determination of the quenching time that guarantees full martensitic transformation requires proper understanding of these heat transfer characteristics. The contact...

주제어

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문제 정의

  • 5배에 가까운 열전도도를 보이고 있다. 본 연구에서는 이러한 금형 소재의 사용에 따른 퀜칭 속도의 감소 효과를 알아보고자 한다.
  • 본 연구에서는 퀜칭 해석에서의 모델링에 따른 상변태 현상의 차이를 확인하고 현실적인 상변태 현상을 예측하기 위한 방안을 제시하였다. 금형 및 소재를 모두 변형체로 모델링하는 것이 퀜칭 공정 중에 발생하는 접촉 영역의 변화를 모사하는데 필요함을 보여주었다.

가설 설정

  • 퀜칭 공정의 해석 방법은 소재의 변형을 무시하고 금형과 소재를 모두 강체로 모델링하는 방법 (Type-1), 소재만을 변형체로 모델링하는 방법 (Type-2), 금형 소재 모두를 변형체로 모델링 (Type-3)하는 3가지 방법을 고려하였다. 금형과 소재를 모두 강체로 모델링하는 경우 성형 완료 시점의 접촉 상태 또는 전체 접촉을 가정하고 열전달 해석을 진행한다. 열전달 계수의 설정은 압력의 함수로 정의가 불가능하여 적절한 상수값의 결정을 필요로 한다.
  • 냉각수의 열전달 계수는 유속에 비례한 특성이 있다고 알려졌다. 본 연구에서는 장비의 유량과 파이프의 직경을 사용하여 냉각수의 유속을 구하고 J. Cu 등[12]에 계산된 그래프를 사용하여 열전달계수를 1N/sec/ mm/C로 가정하였다. 소재는 가열로에서 910°C로 가열된 상태로 해석을 진행하였으며, 금형의 초기 온도는 20°C, 냉각수 온도는 20°C로 유지하도록 하였다.
  • 본 해석에서는 910°C의 소재를 9+2초간 공랭 열전달로 가정하고 이후 6초간의 퀜칭 해석을 진행하였다.
  • 이로부터 온도의 증가에 따른 금형 팽창의 고려가 요구됨을 확인할 수 있다. 소재와 금형 모두 강체인 경우는 전체 접촉을 가정하였다.
  • k으로 알려져 있다. 열전도도를 60W/m.k 으로 변경하고 나머지 조건을 동일하게 하여 2초 퀜칭 공정 이후 10초까지 공랭으로 가정하여 해석을 진행하였다. 결과로 P.
  • 3지점에서의 시간에 따른 마르텐사이트 생성량을 분석하였다. 퀜칭 시간은 2초, 3초, 4초로 단축하였고, 퀜칭 이후 10초까지 공랭으로 가정하여 해석하였다. 해석 결과 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
소재가 고강도화 될수록 발생하는 문제는? 최근 들어서 자동차의 경량화와 승객의 안전성 확보차원에서 새로운 고강도 고기능 철강소재가 개발되어 활용이 확대되어 가고 있는 추세이다. 그러나 소재가 고강도화 될수록 소재의 연신율이 떨어져 프레스 가공 공정에서의 파단 불량이 많아져 이를 회피하기 위해 블랭크 홀더력 제어기술, 윤활 제어기술, 하이드로포밍가공, 레이저 가공기술 등과 같은 새로운 가공기술들이 개발되고 있다[1]. 그 중 핫프레스 포밍(Hot Press Forming, HPF)은 강판을 900°C 이상의 고온으로 가열한 후 상온의 금형으로 성형함과 동시에 급랭하여 강도를 증가시켜 초고강도 부품을 제조하는 성형 방법이다.
Hot Press Forming의 단점은? 핫프레스 포밍 기술의 난점은 금형 설계 및 냉각채널 설계 기술과 공정 설계 능력이 현장에서의 숙련된 기술자의 Know-how에 많이 의존 하고 있다는 점이다. 이러한 점을 극복하기 위하여 유한요소법을 이용한 연구가 활발하게 진행되고 있다[5~8].
핫프레스 포밍이란? 그러나 소재가 고강도화 될수록 소재의 연신율이 떨어져 프레스 가공 공정에서의 파단 불량이 많아져 이를 회피하기 위해 블랭크 홀더력 제어기술, 윤활 제어기술, 하이드로포밍가공, 레이저 가공기술 등과 같은 새로운 가공기술들이 개발되고 있다[1]. 그 중 핫프레스 포밍(Hot Press Forming, HPF)은 강판을 900°C 이상의 고온으로 가열한 후 상온의 금형으로 성형함과 동시에 급랭하여 강도를 증가시켜 초고강도 부품을 제조하는 성형 방법이다. 성형성이 우수한 고온의 상태에서 성형이 이루어져 복잡한 형상의 부품을 성형할 수 있고 상변태를 통해 고강도의 제품을 얻을 수 있다.
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참고문헌 (12)

  1. H. S. Son, 2007, High Temperature Forming Analysis for Hot Press Forming, POSCO Conf. Vol. 12, No. 2, pp. 80-85. 

  2. N. H. Kim, K. Y. Kwon, C. G. Kang, 2009, KSME Spring Conf.(editor: E. S. Lee), Kor. Soc. Mech. Eng., Daejeon, Korea, pp. 78-83. 

  3. W. J. Bang, J. Y. Nam, S. J. Kim, H. S. Kim, 2000, Proceedings of the 7th Symposium on Steel Technology, Korean Inst. Mater., Seoul, Korea, pp. 98-101. 

  4. T. Altan, 2006, Hot-stamping Boron-alloyed Steels for Automotive Parts PartΙ : Process Methods and Uses, Stamping J., pp. 40-41 

  5. K. P. Kang, K. H. Lee, Y. S. Kim, M. W. Ji, Y. S. Suh, 2008, Prediction of Phase Transformation of Boron Steel Sheet during Hot Press Forming using Material Properties Modeler and DEFORM-HT, Trans. Mater. Process., Vol. 17, No. 4, pp. 249-256. 

  6. M. S. Chae, G. D. Lee, K. H. Lee, Y. S. Kim, 2009, Mechanical and Forming Characteristics of High-Strength Boron-Alloyed Steel with Hot Forming, Trans. Mater. Process., Vol. 18, No. 3, pp. 236-244. 

  7. Y. S. Suh, K. H. Lee, Y. S. Kim, 2010, Application and Verification of Virtual Manufacturing to Hot Press Forming Process with Boron Steel, Trans. KSAE., Vol. 18, No. 2, pp. 61-66. 

  8. H. Karbasian, A. E. Tekkaya, 2010, A Review on Hot Stamping, J. Mater. Process. Technol., Vol. 210, No. 15, pp. 2103-2118. 

  9. Y. Desalos, F. Gunsberg, 1982, Deformations et contraintes lors du traitement thermique de pieces en acier, Report No. 902, IRSID, St-Germain-en-Laye. 

  10. K. H. Lee, E. J. Kwak, H. Y. Kim, G. D. Lee, J. K. Park, C. H. Suh, 2009, Study on the design of quenching fixture in hot press forming process, Proc. Kor. Soc. Tech. Plast. Conf. pp. 337-340. 

  11. J. S. Lee, M. S. Chae, C. D. Park, Y. S. Kim, 2007, KSME Spring Conf.(editor: D. I. Kim), Kor. Soc. Mech. Eng., Busan, Korea, pp. 344-349. 

  12. J. Cui, C. Lei, Z. Xing, C. Li, 2012, Microstructure Distribution and Mechanical Properties Prediction of Boron Alloy During Hot Forming using FE Simulation, Mater. Sci. Eng. A, Vol. 535, pp. 241-251. 

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