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문제 정의
- 본 연구에서는 SUS409L 재료를 전기자동차용 2 차 직사각 전지 케이스에 사용하기 위한 해석적 연구를 수행하였다. 기존에 연구된 냉간압연강판(SPCE)이나 알루미늄 합금에 비하여 SUS409L 재료는 이방성의 정도가 크기 때문에 재료의 이방성을 고려하여 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 아이어닝(Ironing) 효과를 고려하기 위하여 해석에 사용되어진 초기 블랭크를 육면체 요소로 정의하였다. 상용 해석 프로그램인 LS-DYNA 3D 에서는 육면체 요소를 사용하여 이방성을 고려하기 위하여 Barlat의 이방성 모델(Barlat 1991 model)[10]을 적용시켜야 한다.
- 본 연구에서는 압연방향을 0° 로 하여 0° ,45° ,90° 세 방향의 이방성 계수를 측정하였고, 이를 Barlat 모델에 적용시키기 위하여 Hill 모델과 Barlat 모델 사이의 관계식을 찾아 해석을 수행하였다.
- 이에 따라 본 연구에서는 알루미늄 합금재 혹은 냉간압연재보다 고강성의 특성을 가지면서 성형성과 고안전성을 확보할 수 있는 대체 소재로서 SUS409L 박판재에 대한 2차 전지용 직사각 컵 성형을 위한 다단 디프드로잉 공정에 대한 연구를 수행하였다. SUS409L 박판재를 이용한 2차 전지용 직사각 컵 성형을 위한 다단 디프드로잉 공정 해석에는 상용 유한요소 해석 소프트웨어인 LS-DYNA 3D를 사용하였으며, 초기 블랭크의 두께가 0.
가설 설정
- 아이어닝(Ironing)을 고려하기 위해 장축과 단축의 측변부에 각각 아이어닝 공정을 적용하였고, 각 공정에서의 아이어닝 두께는 Table 3에 도시하였다. 소재간의 마찰을 고려하여 마찰계수는 0.1로 가정하였으며, 이전 단계의 응력분포 및 변형률을 그대로 유지한 채 다음 단계의 유한요소 성형 해석에 적용하였다. 한 단계가 끝난 후 다음단계로 넘어가는 과정 중 발생할 수 있는 탄성회복의 효과를 고려하여 매 단계 탄성회복 공정을 수행하였다.
제안 방법
- 유한요소해석에 사용한 SUS409L 소재의 이방성을 고려하기 위해 등방성으로 가정한 수치적 해석을 먼저 수행하여 차이를 비교 분석하였다. 각 공정을 완료한 후에는 실제 공정을 고려하기 위해 탄성회복을 추가로 수행하였고, 탄성회복을 거친 후 다음 단계의 공정을 진행하였다. Fig.
- 본 연구에서는 SUS409L 재료를 전기자동차용 2 차 직사각 전지 케이스에 사용하기 위한 해석적 연구를 수행하였다. 기존에 연구된 냉간압연강판(SPCE)이나 알루미늄 합금에 비하여 SUS409L 재료는 이방성의 정도가 크기 때문에 재료의 이방성을 고려하여 해석을 수행하였다. 또한 이방성의 특성에 기인하는 재료 변형 특성을 분석하기 위하여 등방성으로 가정한 수치적 연구를 수행하여 변형 형상, 유효응력 및 유효변형률 분포를 확인하여 비교하였으며, 탄성회복 효과를 고려하여 연구를 수행하였다.
- 또한, 유사한 크기를 가지는 직사각 컵에 대한 냉간압연박판재(SPCE) 적용 사례와의 비교를 위해 SUS409L 소재를 등방성(Isotropic)으로 가정한 경우와 실제 재료의 특성을 고려한 이방성(Anisotropic) 적용에 따른 비교 연구를 수행하였다. 다단 디프드로잉 공정에 있어서, 각 단계별 수치적 해석 결과에 대한 탄성회복을 고려하였다. 수치적 해석 및 연구 과정에서 다단 디프드로잉 공정이 적용된 중간성형품에 있어서 장변부 측벽에 배럴링(Barreling) 현상이 발생하는 것을 확인하였으며, 이를 해결하기 위해 직사각 컵의 측벽 두께 조절을 위해 적용되는 아이어닝(Ironing) 두께 조절을 통해 측벽부에 인위적인 인장변형을 유도하는 방안을 적용하였다.
- 단축인장시험을 통하여 초기 블랭크에서의 0° ,45° ,90° 방향의 유동응력곡선 추출하여 Fig. 1에 도시하였다.
- 제 3공정부터 아이어닝을 추가로 더해주었고, 기존 아이어닝 두께와 개선된 공정의 단축방향의 아이어닝 두께는 Table 3에 비교하여 도시하였다. 따라서 수정된 두께에 따라 펀치의 모델링을 바꾸어주었고, 개선된 모델링을 토대로 해석을 다시 수행하였다.
- 기존에 연구된 냉간압연강판(SPCE)이나 알루미늄 합금에 비하여 SUS409L 재료는 이방성의 정도가 크기 때문에 재료의 이방성을 고려하여 해석을 수행하였다. 또한 이방성의 특성에 기인하는 재료 변형 특성을 분석하기 위하여 등방성으로 가정한 수치적 연구를 수행하여 변형 형상, 유효응력 및 유효변형률 분포를 확인하여 비교하였으며, 탄성회복 효과를 고려하여 연구를 수행하였다. 또한, 성형품의 단축방향 측변부와 장축방향 측변부에서의 두께를 측정하여 비교-분석하여 등방성에 비해 이방성 재료의 두께 폭 변화량이 상대적으로 미미함을 확인하였다.
- 판재성형 해석은 dynamic explicit FEM을 사용하였다. 또한, 실제 공정을 고려하여 탄성회복공정(Spring-back analsysis)을 수행하였으며 탄성회복해석은 static implicit FEM을 사용하였다. LSDYNA 3D에서 재료의 이방성을 고려하기 위해서는 일반적으로 각 축 방향의 이방성계수(Lankford value)를 재료의 옵션으로 넣어주어 적용시킬 수 있다.
- 본 연구에서의 수치적 연구에 필요한 SUS409L 소재에 대한 재료물성을 조사하기 위해 단축 인장 시험을 수행하였으며, 박판 소재에 대한 이방성 특성 시험도 병행하였다. 또한, 유사한 크기를 가지는 직사각 컵에 대한 냉간압연박판재(SPCE) 적용 사례와의 비교를 위해 SUS409L 소재를 등방성(Isotropic)으로 가정한 경우와 실제 재료의 특성을 고려한 이방성(Anisotropic) 적용에 따른 비교 연구를 수행하였다. 다단 디프드로잉 공정에 있어서, 각 단계별 수치적 해석 결과에 대한 탄성회복을 고려하였다.
- 또한, 재료의 이방성을 알아보기 위하여 0° ,45° ,90° 방향에서 이방성 시험을 통해 각 방향에서의 이방성계수(Lankford’s value, R-value)를 구해내었다.
- 한 단계가 끝난 후 다음단계로 넘어가는 과정 중 발생할 수 있는 탄성회복의 효과를 고려하여 매 단계 탄성회복 공정을 수행하였다. 또한, 해석 시간의 절감을 위하여 1/4 모델을 사용하였기 때문에 각 각의 축에 대하여 대칭조건(Symmetry condition)을 적용하였다.
- 8에 도시하였다. 먼저 등방성으로 가정한 해석결과의 두께와 이방성으로 적용한 해석결과의 두께를 비교하여 나타내었다. 등방성의 경우 첫 번째 공정에서부터 펀치와 맞닿는 부분에서의 두께가 얇아지면서 두께 변화가 큰 경향을 보인다.
- 본 연구에서는 아이어닝 효과를 고려하기 위해 두께가 없는 쉘(Shell)요소가 아닌 8-절점육면체 요소를 적용시켰다. 따라서 이방성 효과를 고려하면서도 육면체 요소가 적용 가능한 재료특성 설정기능(Material option) 중 하나인 Barlat 모델을 사용하였다.
- 본 연구에서는 압연방향을 0로 두고 각 방향(0° ,45° ,90°)의 시편을 채취하여 이방성 계수를 측정하였다.
- 실제 성형 모델은 대칭인 형상을 이루고 있으므로 1/4 모델에 대해서만 유한요소해석을 수행하였다. 본 연구에서의 다단 디프드로잉 공정은 초기 블랭크(Blank)와 펀치(Punch) 그리고 하부금형(Die)이 기본적인 요소가 되며, 첫 번째 공정에서는 소재의 과도한 유입을 방지하기 위하여 블랭크홀더(Blank holder)를 적용하였다. 첫 번째 공정을 제외한 나머지 공정에서는 성형된 중간 성형품의 바닥부 균일성을 위하여 녹-아웃(Knock-out) 장치라 불리는 카운터-펀치(Counter punch)가 사용되었다.
- 9mm의 크기를 가지는 것으로 하여 이를 본 연구의 대상으로 하였다. 본 연구에서의 수치적 연구에 필요한 SUS409L 소재에 대한 재료물성을 조사하기 위해 단축 인장 시험을 수행하였으며, 박판 소재에 대한 이방성 특성 시험도 병행하였다. 또한, 유사한 크기를 가지는 직사각 컵에 대한 냉간압연박판재(SPCE) 적용 사례와의 비교를 위해 SUS409L 소재를 등방성(Isotropic)으로 가정한 경우와 실제 재료의 특성을 고려한 이방성(Anisotropic) 적용에 따른 비교 연구를 수행하였다.
- 다단 디프드로잉 공정에 있어서, 각 단계별 수치적 해석 결과에 대한 탄성회복을 고려하였다. 수치적 해석 및 연구 과정에서 다단 디프드로잉 공정이 적용된 중간성형품에 있어서 장변부 측벽에 배럴링(Barreling) 현상이 발생하는 것을 확인하였으며, 이를 해결하기 위해 직사각 컵의 측벽 두께 조절을 위해 적용되는 아이어닝(Ironing) 두께 조절을 통해 측벽부에 인위적인 인장변형을 유도하는 방안을 적용하였다. 이를 통해, SUS409L 박판재를 이용한 다단 디프드로잉 공정이 적용된 직사각 컵 성형이 가능함을 확인하였다.
- 2 에 나타내었다. 실제 성형 모델은 대칭인 형상을 이루고 있으므로 1/4 모델에 대해서만 유한요소해석을 수행하였다. 본 연구에서의 다단 디프드로잉 공정은 초기 블랭크(Blank)와 펀치(Punch) 그리고 하부금형(Die)이 기본적인 요소가 되며, 첫 번째 공정에서는 소재의 과도한 유입을 방지하기 위하여 블랭크홀더(Blank holder)를 적용하였다.
- 아이어닝(Ironing)을 고려하기 위해 장축과 단축의 측변부에 각각 아이어닝 공정을 적용하였고, 각 공정에서의 아이어닝 두께는 Table 3에 도시하였다. 소재간의 마찰을 고려하여 마찰계수는 0.
- 기존의 금형에서는 단축 방향의 측변부에 아이어닝 효과가 적용되어 있었다. 앞서 언급한 배럴링 현상의 경우 단면 부분을 당겨주는 인장력이 부족하면 생길 수 있기 때문에 아이어닝 두께를 추가하여 단면을 밀어 올려주는 방법으로 배럴링 현상의 개선을 꾀하였다. 이러한 공정 개선은 아이어닝의 압착력을 유지하면서 펀치 이동 방향으로 인장력을 유도하여 배럴링 현상을 완화시킬 수 있다.
- 유한요소 해석을 위해 해석공정에 이용되는 재료의 물리적 특성을 구하기 위한 단축인장시험을 수행하였다. 사용한 소재는 0.
- 유한요소해석에 사용한 SUS409L 소재의 이방성을 고려하기 위해 등방성으로 가정한 수치적 해석을 먼저 수행하여 차이를 비교 분석하였다. 각 공정을 완료한 후에는 실제 공정을 고려하기 위해 탄성회복을 추가로 수행하였고, 탄성회복을 거친 후 다음 단계의 공정을 진행하였다.
- 배럴링 현상은 공정에서 가공하는 금형이나 다이가 모재표면과의 마찰에 의해 볼록한 형상을 가지게 되는 현상이다. 이러한 배럴링은 전지케이스의 불량을 야기할 수 있으므로 배럴링 현상 감소를 위하여 공정 개선을 시도하였다.
- 1로 가정하였으며, 이전 단계의 응력분포 및 변형률을 그대로 유지한 채 다음 단계의 유한요소 성형 해석에 적용하였다. 한 단계가 끝난 후 다음단계로 넘어가는 과정 중 발생할 수 있는 탄성회복의 효과를 고려하여 매 단계 탄성회복 공정을 수행하였다. 또한, 해석 시간의 절감을 위하여 1/4 모델을 사용하였기 때문에 각 각의 축에 대하여 대칭조건(Symmetry condition)을 적용하였다.
- 또한, 성형품의 단축방향 측변부와 장축방향 측변부에서의 두께를 측정하여 비교-분석하여 등방성에 비해 이방성 재료의 두께 폭 변화량이 상대적으로 미미함을 확인하였다. 해석적 연구 도중 배럴링 현상이 발생하였고, 이를 개선하기 위해 기존 공정에 아이어닝을 추가하였다. 개선된 공정을 기존 공정과의 비교를 통하여 배럴링 면적이 약 70% 감소한 것을 확인하였다.
대상 데이터
- 이에 따라 본 연구에서는 알루미늄 합금재 혹은 냉간압연재보다 고강성의 특성을 가지면서 성형성과 고안전성을 확보할 수 있는 대체 소재로서 SUS409L 박판재에 대한 2차 전지용 직사각 컵 성형을 위한 다단 디프드로잉 공정에 대한 연구를 수행하였다. SUS409L 박판재를 이용한 2차 전지용 직사각 컵 성형을 위한 다단 디프드로잉 공정 해석에는 상용 유한요소 해석 소프트웨어인 LS-DYNA 3D를 사용하였으며, 초기 블랭크의 두께가 0.4mm인 SUS409L 소재를 이용하였다. 또한, 최종 성형품은 높이 39.
- SUS409L은 이방성 재료이기 때문에 이방성을 고려하여 해석을 진행하였다. 이방성 실험을 통해 얻은 이방성계수 값을 Hill 모델과 Barlat 모델간의 관계식을 이용하여 Barlat 재료 상수를 구하였고, 이를 적용시켜 이방성 효과를 주었다.
- 4mm인 SUS409L 소재를 이용하였다. 또한, 최종 성형품은 높이 39.3mm, 폭 14.9mm 그리고 길이 85.9mm의 크기를 가지는 것으로 하여 이를 본 연구의 대상으로 하였다. 본 연구에서의 수치적 연구에 필요한 SUS409L 소재에 대한 재료물성을 조사하기 위해 단축 인장 시험을 수행하였으며, 박판 소재에 대한 이방성 특성 시험도 병행하였다.
- 유한요소 해석을 위해 해석공정에 이용되는 재료의 물리적 특성을 구하기 위한 단축인장시험을 수행하였다. 사용한 소재는 0.4mm의 초기 소재 두께를 가지는 박판 SUS409L(Stainless steel)이며 이 소재는 탄성계수 208GPa, 포아송비 0.28, 밀도 7.80g/cc의 물성치를 가진다. 또한, 소재의 변형 거동은 인장 시험에서 획득한 데이터로부터 항복이전의 탄성영역은 제외시킨 후, 소성영역의 데이터만을 이용하여 n승 가공경화모델을 통해 #와 같은 식을 획득하였다.
- 이와 같은 세계적인 추세에 따라 자동차의 배기가스 문제를 해결할 수 있는 대안으로 제시된 것이 바로 전기를 동력원으로 사용하는 전기자동차(EV, Electric vehicle) 및 하이브리드 자동차(Hybrid car)이다. 이러한 자동차들은 화석 연료를 사용하지 않고 배터리를 통해 전기에너지를 얻는 특징을 가지고 있다.
이론/모형
- 본 연구에서는 아이어닝 효과를 고려하기 위해 두께가 없는 쉘(Shell)요소가 아닌 8-절점육면체 요소를 적용시켰다. 따라서 이방성 효과를 고려하면서도 육면체 요소가 적용 가능한 재료특성 설정기능(Material option) 중 하나인 Barlat 모델을 사용하였다. 앞서 기술한대로 Barlat 모델은 6개의 이방성 재료상수를 가지는데, 이러한 이방성 재료상수들을 구하기 위해서는 Barlat 모델과 Hill 모델과의 관계식을 사용하여야 한다.
- 본 연구의 직사각 컵 다단 디프드로잉 성형에 관한 시뮬레이션을 위해 외연적 유한요소법을 기반으로 판재성형과 같은 공정 해석에 유리한 상용 유한요소해석프로그램인 LS-DYNA 3D를 사용하였다. 판재성형 해석은 dynamic explicit FEM을 사용하였다.
- SUS409L은 이방성 재료이기 때문에 이방성을 고려하여 해석을 진행하였다. 이방성 실험을 통해 얻은 이방성계수 값을 Hill 모델과 Barlat 모델간의 관계식을 이용하여 Barlat 재료 상수를 구하였고, 이를 적용시켜 이방성 효과를 주었다. Fig.
- 본 연구에서의 다단 디프드로잉 공정은 초기 블랭크(Blank)와 펀치(Punch) 그리고 하부금형(Die)이 기본적인 요소가 되며, 첫 번째 공정에서는 소재의 과도한 유입을 방지하기 위하여 블랭크홀더(Blank holder)를 적용하였다. 첫 번째 공정을 제외한 나머지 공정에서는 성형된 중간 성형품의 바닥부 균일성을 위하여 녹-아웃(Knock-out) 장치라 불리는 카운터-펀치(Counter punch)가 사용되었다. 초기블랭크는 8-절점을 가지는 육면체 요소로 정의되었으며, 초기블랭크를 제외한 나머지 펀치∙블랭크홀더∙다이∙녹-아웃 장치 등은 강체요소(Rigid body)로 정의하였다.
- 판재면의 0° ,45° ,90° 방향에서의 이방성계수 값을 알면 Hill 모델에서의 매개변수를 구할 수 있고, 구한 매개변수 값을 Barlat-Hill 관계식에 대입하여 Barlat 모델의 재료상수를 계산할 수 있다.
- 본 연구의 직사각 컵 다단 디프드로잉 성형에 관한 시뮬레이션을 위해 외연적 유한요소법을 기반으로 판재성형과 같은 공정 해석에 유리한 상용 유한요소해석프로그램인 LS-DYNA 3D를 사용하였다. 판재성형 해석은 dynamic explicit FEM을 사용하였다. 또한, 실제 공정을 고려하여 탄성회복공정(Spring-back analsysis)을 수행하였으며 탄성회복해석은 static implicit FEM을 사용하였다.
성능/효과
- 또한 탄성회복 이후로 최대 유효응력 값이 약 538MPa에서 약 370MPa로 크게 감소한 것을 확인하였다. 2 공정부터 5 공정까지 최대 유효변형률은 약 0.356, 0.440, 0.348, 0.304로 나타났으며, 탄성회복 전후로 응력수준감소를 확인할 수 있다.
- 또한 펀치 부분과 맞닿는 코너부에서의 두께가 국부적으로 얇아지는 경향을 보이고 있다. 3, 4, 5 공정 모두 녹아웃 장치가 존재하며 각 공정의 최대변형률은 약 0.629, 0.449, 0.542로 나타났으며 탄성회복 후 전체적인 응력수준이 감소함을 확인할수 있다.
- 60mm 떨어진 곳임을 그래프를 통하여 확인할 수 있다. 개선된 공정에서의 배럴링을 확인해보면, 개선 후 공정에서의 최대배럴링 깊이는 약 0.22mm로 나타났으며, 배럴링이 시작되는 점의 위치는 밑면을 기준으로 하여 약 11.05mm 떨어져 있음을 확인할 수 있다. 이를 통하여 배럴링의 총 면적 및 배럴링의 깊이가 크게 줄어든 것을 파악할 수 있다.
- 해석적 연구 도중 배럴링 현상이 발생하였고, 이를 개선하기 위해 기존 공정에 아이어닝을 추가하였다. 개선된 공정을 기존 공정과의 비교를 통하여 배럴링 면적이 약 70% 감소한 것을 확인하였다. 이러한 해석적 연구 결과는 추후 실험적 연구와의 상호비교를 통하여 해당 재료의 실용화에 기여할 것으로 기대된다.
- 7에 추가된 아이어닝을 적용시킨 3, 4, 5공정의 해석결과를 도시하였다. 개선된 제 3공정 해석의 결과는 최대 유효변형률 값은 약 0.431로 코너부 상단에 나타났고, 최대 유효응력 값은 약 539MPa로 앞선 해석과 마찬가지로 코너부 상단의 국소적인 부분에서 나타났다. 탄성회복 후의 최대 유효응력 값은 약 412MPa로 약 130MPa 정도 감소한 값으로 계산되었다.
- 또한 단축방향의 경우 두께분포가 등방성과 이방성 해석의 차이가 그렇게 크지 않은 반면에 장축방향 측변부는 이방성에 비해 등방성 해석 결과의 두께 분포가 균일하지 않고 두께변화폭이 큰 경향을 확인할 수 있다. 따라서 등방성 해석보다 이방성 해석의 결과가 두께분포가 더 균일하다는 결론을 얻을 수 있다.
- 두 번째 공정부터는 아이어닝 공정이 추가되었기 때문에, 두께분포에서 아이어닝의 효과를 확인할 수 있다. 또한 단축방향의 경우 두께분포가 등방성과 이방성 해석의 차이가 그렇게 크지 않은 반면에 장축방향 측변부는 이방성에 비해 등방성 해석 결과의 두께 분포가 균일하지 않고 두께변화폭이 큰 경향을 확인할 수 있다. 따라서 등방성 해석보다 이방성 해석의 결과가 두께분포가 더 균일하다는 결론을 얻을 수 있다.
- 이 부위의 유효응력 값을 확인해보면 약 786MPa 정도의 큰 값으로 확인 되는데, 이는 소재가 얇아지는 현상이 아니라 두꺼워지는 현상(Thickening)에 따른 응력집중현상이므로 크게 문제가 되지 않을 것으로 판단되었다. 또한 탄성회복 결과를 확인해 보면 전체적으로 평균 유효응력과 후 평균 유효변형률이 감소한 것을 확인할 수 있다. 펀치부분과 코너부가 맞닿는 부분에서의 두께는 얇아지는 현상이 나타났으며, 끝단으로 갈수록 점점 유입되는 소재의 양이 많아져 두께가 증가하는 경향을 보이는 것을 확인하였다.
- 두께 분포는 등방성 해석에 비하여 펀치부의 두께 감소율이 적고 전체적으로 균일하게 나타났다. 또한 탄성회복 이후로 최대 유효응력 값이 약 538MPa에서 약 370MPa로 크게 감소한 것을 확인하였다. 2 공정부터 5 공정까지 최대 유효변형률은 약 0.
- 또한 이방성의 특성에 기인하는 재료 변형 특성을 분석하기 위하여 등방성으로 가정한 수치적 연구를 수행하여 변형 형상, 유효응력 및 유효변형률 분포를 확인하여 비교하였으며, 탄성회복 효과를 고려하여 연구를 수행하였다. 또한, 성형품의 단축방향 측변부와 장축방향 측변부에서의 두께를 측정하여 비교-분석하여 등방성에 비해 이방성 재료의 두께 폭 변화량이 상대적으로 미미함을 확인하였다. 해석적 연구 도중 배럴링 현상이 발생하였고, 이를 개선하기 위해 기존 공정에 아이어닝을 추가하였다.
- 탄성회복 후의 최대 유효응력 값은 약 412MPa로 약 130MPa 정도 감소한 값으로 계산되었다. 아이어닝을 추가하여 개선한 제 4공정의 경우최대 유효변형률 값은 약 0.355의 변형률이 코너부 상단에 걸리는 것으로 나타났다. 탄성회복 이후 최대 유효응력 값은 약 370MPa로 나타났으며, 제 5공정 해석의 결과의 최대 유효변형률 값은 약 0.
- 6% 가량 낮아졌다. 여기서 해석모델의 정중앙에서의 배럴링 면적을 배럴링 시작점과 배럴링 깊이만을 이용하여 단순화시켜 계산하면 배럴링 면적감소율은 약 70.0%로 나타났다. 즉, 개선공정을 통하여 배럴링 면적의 크기가 약 70% 정도 감소하였다는 것을 의미한다.
- 이러한 소재의 유입을 줄이기 위하여 블랭크홀더를 적용시키는 것이 바람직하다. 유효변형률 분포를 보면 장축과 단축이 만나는 코너부상단에서 국소적으로 약 1.460의 최대 유효변형률을 확인할 수 있는데, 이는 소재의 유입에 따른 압축력이 작용한 결과이다. 이 부위의 유효응력 값을 확인해보면 약 786MPa 정도의 큰 값으로 확인 되는데, 이는 소재가 얇아지는 현상이 아니라 두꺼워지는 현상(Thickening)에 따른 응력집중현상이므로 크게 문제가 되지 않을 것으로 판단되었다.
- 460의 최대 유효변형률을 확인할 수 있는데, 이는 소재의 유입에 따른 압축력이 작용한 결과이다. 이 부위의 유효응력 값을 확인해보면 약 786MPa 정도의 큰 값으로 확인 되는데, 이는 소재가 얇아지는 현상이 아니라 두꺼워지는 현상(Thickening)에 따른 응력집중현상이므로 크게 문제가 되지 않을 것으로 판단되었다. 또한 탄성회복 결과를 확인해 보면 전체적으로 평균 유효응력과 후 평균 유효변형률이 감소한 것을 확인할 수 있다.
- 수치적 해석 및 연구 과정에서 다단 디프드로잉 공정이 적용된 중간성형품에 있어서 장변부 측벽에 배럴링(Barreling) 현상이 발생하는 것을 확인하였으며, 이를 해결하기 위해 직사각 컵의 측벽 두께 조절을 위해 적용되는 아이어닝(Ironing) 두께 조절을 통해 측벽부에 인위적인 인장변형을 유도하는 방안을 적용하였다. 이를 통해, SUS409L 박판재를 이용한 다단 디프드로잉 공정이 적용된 직사각 컵 성형이 가능함을 확인하였다.
- 이 부분의 응력 값은 약 538MPa로 최대응력을 가진다. 전체적으로 등방성 해석에 비해서 유효응력과 유효변형률이 떨어진 것을 확인할 수 있다. 두께 분포는 등방성 해석에 비하여 펀치부의 두께 감소율이 적고 전체적으로 균일하게 나타났다.
- 제 1차 드로잉 공정에서의 유효변형률 분포를 살펴보면 소재의 코너 상단부분에서 약 0.861의 최대 유효변형률을 확인할 수 있는데 이는 등방성 해석과 마찬가지로 소재의 유입에 따른 압축력이 작용한 결과이다. 이 부분의 응력 값은 약 538MPa로 최대응력을 가진다.
- 이를 통하여 배럴링의 총 면적 및 배럴링의 깊이가 크게 줄어든 것을 파악할 수 있다. 최대배럴링 깊이는 개선 전후를 비교하여 볼 때 약 51.1% 줄어들었으며, 배럴링이 시작되는 점의 위치는 개선 전에 비하여 개선 후 약 40.6% 가량 낮아졌다. 여기서 해석모델의 정중앙에서의 배럴링 면적을 배럴링 시작점과 배럴링 깊이만을 이용하여 단순화시켜 계산하면 배럴링 면적감소율은 약 70.
- 355의 변형률이 코너부 상단에 걸리는 것으로 나타났다. 탄성회복 이후 최대 유효응력 값은 약 370MPa로 나타났으며, 제 5공정 해석의 결과의 최대 유효변형률 값은 약 0.419, 최대 유효응력 값은 코너부 상단에서 약 515MPa로 계산되었다.
- 431로 코너부 상단에 나타났고, 최대 유효응력 값은 약 539MPa로 앞선 해석과 마찬가지로 코너부 상단의 국소적인 부분에서 나타났다. 탄성회복 후의 최대 유효응력 값은 약 412MPa로 약 130MPa 정도 감소한 값으로 계산되었다. 아이어닝을 추가하여 개선한 제 4공정의 경우최대 유효변형률 값은 약 0.
- 또한 탄성회복 결과를 확인해 보면 전체적으로 평균 유효응력과 후 평균 유효변형률이 감소한 것을 확인할 수 있다. 펀치부분과 코너부가 맞닿는 부분에서의 두께는 얇아지는 현상이 나타났으며, 끝단으로 갈수록 점점 유입되는 소재의 양이 많아져 두께가 증가하는 경향을 보이는 것을 확인하였다.
후속연구
- 개선된 공정을 기존 공정과의 비교를 통하여 배럴링 면적이 약 70% 감소한 것을 확인하였다. 이러한 해석적 연구 결과는 추후 실험적 연구와의 상호비교를 통하여 해당 재료의 실용화에 기여할 것으로 기대된다.
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