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문제 정의
- 핫스탬핑 성형시 발생되는 현상들은 열전달을 비롯한 판재의 소성변형 및 급랭으로 인한 상변태를 동반하게 되는데 이와 같은 현상들은 서로 독립적으로 발생하는 것이 아니라 상호 영향을 주는 결합의 문제이기 때문에 전반적으로 고려된 해석이 요구된다[16~31]. 기존의 열전달과 변형현상만 결합하는 해석을 통해 냉각속도를 산출하고 이를 기반으로 하는 연속냉각곡선으로부터 국부적 미세조직 및 기계적 성질을 도출하는 형태의 반 결합상태의 해석법을 활용하였으나[16~20], 본 연구에서는 상변화까지 고려 가능한 완전결합해석법을 추구하고자 하였다. 확산 형태의 상변태를 결합하는 해석 방식을 활용하였는데, 이를 위한 구성 모델의 경우 이전의 상의 내부에서 새로운 상의 핵 생성 및 성장을 기반으로 하고 있으며 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다[24~28].
- 기존의 해석에 있어서는 금형을 수냉으로 냉각 시키기 때문에 온도가 크게 변화되지 않는다고 가정하여 해석 결과를 도출하였으나, 최근 차체 부품의 품질 및 금형 수명에 대한 보다 다양하고, 신뢰도 높은 결과가 요구됨에 따라 본 가공 공정에서 금형의 온도 변화를 고찰하고자 하였다. 일반적으로 금형의 표면에서 약 6mm 정도 깊이에 해당하는 곳에 수냉 채널이 존재함을 감안하여 본 연구에서는 6mm 두께를 고려한 Shell 타입의 요소를 통해 금형의 온도 변화를 해석하였다[10, 35~37].
- 또한 온도의 증감의 분포가 국부적으로 다르게 발생될 수 있으나 대략 약 60℃에 해당하는 것을 관찰할 수 있다. 따라서 가장 많은 온도 변화가 나타나는 지점은 B, A, C, E, D 순으로 열거할 수 있으며, 이에 따라 판재의 냉각속도에 미치는 온도 영향이 다르게 발생되어 기계적 특성에 영향을 줄 수 있을 것으로 사료되며 이와 관련하여 향후 금형 온도 분포 변화로 인해 발생되는 누적되는 열 피로 특성 및 효과적인 냉각채널 설계에 대해 고찰하고자 한다.
- 특히 핫스탬핑 공법은 기존의 고장력강의 냉간 성형 시 발생되는 여러 단점들을 극복할 수 있는 공정을 제공함으로 많은 각광을 받는 동시에 최근 차량 개발 경향과도 매우 부합되고 있다. 본 연구에서는 가공공정에 의존적으로 반응하는 소재의 기계적 특성을 예측하고자 유한요소해석을 통해 핫스탬핑 공정 시 발생되는 금형 온도 변화 및 판재의 상변태 해석을 결합하여 그 결과를 고찰하였다.
- 이에 본 연구에서는 반복 냉각으로 금형의 온도 변화를 고찰하고자 하였다. 앞에서 언급한 바와 같이 핫스탬핑 공정을 15초, 판재 이송 시간을 8초 고려하여 총 23초간의 온도 변화를 1회로 규정하였으며, 이를 토대로 본 연구에서는 7 회의 반복 냉각을 통해 온도 분포를 확인하고자 하였다. Fig.
- 이에 본 연구에서는 그 동안 소재에 대해 국한적으로 이루어졌던 연구에서 벗어나 열처리 공정시 발생되는 소재의 상변태 현상에 대해 유한요소해석을 통해 물리적 특성을 고찰할 뿐만 아니라, 반복적으로 수행되는 핫스탬핑 공정으로 인해 누적되는 금형 온도 변화에 대해 고찰하고자 한다[10, 24~37].
- 이에 본 연구에서는 반복 냉각으로 금형의 온도 변화를 고찰하고자 하였다. 앞에서 언급한 바와 같이 핫스탬핑 공정을 15초, 판재 이송 시간을 8초 고려하여 총 23초간의 온도 변화를 1회로 규정하였으며, 이를 토대로 본 연구에서는 7 회의 반복 냉각을 통해 온도 분포를 확인하고자 하였다.
가설 설정
- 해석 조건으로는 성형 후 급랭의 시간은 15초 설정하였고, 이송시간은 대략 8초로 고려하였다. 블랭크의 초기 온도는 약 930℃로 설계하였고, 성형을 위한 금형 속도는 약 350mm/s 로 가정하였으며, 제품의 전체 높이가 약 60mm임을 감안할 경우, 전체 성형 시간은 약 0.17초에 해당하게 된다. 또한 사용한 판재의 재요소화 단계를 5 수준으로 하였으며, 초기 요소 크기는 약 10mm 이다.
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