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제안 방법
- 도출된 마찰계수는 제 3 장에 설명될 양산 프레스 부품의 성형공정 유한요소해석에 필요한 입력변수로 활용된다. 3종의 표면처리 금형과 SPRC440 강종으로 제작된 블랭크 사이의 마찰시험을 실시하였다. 인출속력을 5, 25, 50, 75, 100mm/min 으로 부과하고, 가압력은 프레스성형에서의 접촉압력 조건인 1, 2, 3 MPa 로 부과하여 마찰시험을 수행하였다.
- 본 논문에서는 마모시험에서 얻은 정보와 유한요소법을 적용하여 자동차 부품용 프레스금형의 수명을 간접적으로 예측하였다. 3종의 표면처리가 실시된 금형표면의 마모시험 및 마찰시험을 수행하고, 각 표면처리 상태의 내구성을 상대 비교하였다. 구하여진 마모 및 마찰 데이터를 활용하여 CrN 코팅이 실시된 금형표면의 거칠기를 미끄럼 속력과 접촉압력의 함수로 근사하였으며, 근사식을 이용하여 금형 각 손상부위의 표면거칠기를 예측하였다.
- 16에 도시한 6개 부위의 중심선 평균거칠기 값을 측정하였다. CrN 표면처리된 금형으로 브라켓 제품을 약 10만회 생산 후 측정을 실시하였다. Table 3에 측정부위의 손상 형태와 표면거칠기 측정결과를 도시하였다.
- 3종의 표면처리가 실시된 금형표면의 마모시험 및 마찰시험을 수행하고, 각 표면처리 상태의 내구성을 상대 비교하였다. 구하여진 마모 및 마찰 데이터를 활용하여 CrN 코팅이 실시된 금형표면의 거칠기를 미끄럼 속력과 접촉압력의 함수로 근사하였으며, 근사식을 이용하여 금형 각 손상부위의 표면거칠기를 예측하였다. 시험에서 얻은 표면거칠기 값과 비교한 결과 정성적으로 잘 일치하였으며, 대부분 정량적으로 20% 이내의 예측정확도를 보였다.
- 금형 주요 손상부위의 표면거칠기를 정량화하기 위하여 표면 조도계를 이용하여 Fig. 16에 도시한 6개 부위의 중심선 평균거칠기 값을 측정하였다. CrN 표면처리된 금형으로 브라켓 제품을 약 10만회 생산 후 측정을 실시하였다.
- 마모시험의 접촉압력 및 미끄럼 속력 조건을 이용하여 표면거칠기 예측식을 도출하였다. 금형손상이 집중적으로 발생되는 부위의 압력 및 속력 등 마모조건을 구하기 위하여 성형공정 유한요소해석을 실시하였다. 유한요소해석에서 도출한 마모조건을 이용하여 해당부위의 표면거칠기를 예측하였다.
- 표면처리에 따른 금형과 소재간의 마찰특성을 실제 프레스 성형공정과 유사한 조건에서 파악하기 위해 편마찰 시험기를 이용하여 각 표면처리별 마찰 특성을 파악하였다. 다양한 인출속력 및 가압력의 조건 하에서 마찰 특성의 파악하고 쿨롱(Coulomb) 마찰계수를 도출하였으며, 공정조건에 따른 마찰계수 변화를 정량분석하였다. 도출된 마찰계수는 제 3 장에 설명될 양산 프레스 부품의 성형공정 유한요소해석에 필요한 입력변수로 활용된다.
- 표면처리에 따른 마모특성을 정량적으로 파악하기 위하여 마모시험기를 이용하여 스크래치 가속 표면 내구시험을 실시하였다. 다양한 하중 및 속력 조건을 부여하기 위하여 고하중용 및 저하중용 시험기를 별도로 사용하여 시험 및 내구성 분석을 수행하였다. 저하중 마모시험은 Fig.
- 도출된 표면거칠기 예측식을 이용하여 금형에서의 표면거칠기를 간접예측하였다. 해석 수행 후 금형 손상부위의 미끄럼 속력 및 수직방향 접촉압력을 도출하고 식(2)에 대입하여 Table 4와 같이 표면거칠기 값을 예측하였다.
- 75, 1m/s의 접선 마모속력의 조건으로 실시되었다. 동일 조건에서 마모거리를 각각 100, 300, 500m 세가지 종류로 변경하면서 시험을 실시하였다. 시험 후 표면 조도계를 이용하여 마모체적을 도출하고 표면처리에 따른 마모량의 측정을 수행하였다.
- 일반적으로 코팅층 박리 등 손상의 육안검사를 통하여 금형의 표면손상 여부를 결정하게 되나 정확한 박리시점을 찾는 것은 매우 어렵다. 따라서, 본 논문에서는 표면손상을 예측할 수 있는 간접 인자로 표면거칠기를 이용하였다. 표면거칠기는 미끄럼 속력, 접촉압력, 재질, 소재경도, 윤활 등 많은 인자의 영향을 받으나, 프레스 금형의 마모특성에 가장 큰 영향을 주며 시험에서 구하기 가장 용이한 인자가 미끄럼 속력 및 접촉압력이다.
- 본 논문에서는 자동차 부품용 프레스 성형공정에서 사용되는 금형의 마찰 및 마모특성을 시험으로 부터 구하고, 얻어진 정보를 활용하여 제품 양산중인 프레스 금형의 표면수명을 표면거칠기를 사용하여 간접 예측하였다. 마모시험의 접촉압력 및 미끄럼 속력 조건을 이용하여 표면거칠기 예측식을 도출하였다. 금형손상이 집중적으로 발생되는 부위의 압력 및 속력 등 마모조건을 구하기 위하여 성형공정 유한요소해석을 실시하였다.
- 11에 도시하였다. 본 금형에 제2장에서 수행한 마찰 및 마모시험에서 사용한 CrN 코팅과 동일한 조건의 표면처리를 실시하였다.
- 대상부품 성형공정은 제1공정인 폼(Form) 공정과 제2공정인 피어싱 공정의 두단계로 나누어진다. 본 논문에서는 대부분의 마찰 및 마모가 집중되는 제1공정에 대해서만 해석을 수행하였다. Fig.
- 본 논문에서는 마모시험에서 얻은 정보와 유한요소법을 적용하여 자동차 부품용 프레스금형의 수명을 간접적으로 예측하였다. 3종의 표면처리가 실시된 금형표면의 마모시험 및 마찰시험을 수행하고, 각 표면처리 상태의 내구성을 상대 비교하였다.
- 본 논문에서는 자동차 부품용 프레스 성형공정에서 사용되는 금형의 마찰 및 마모특성을 시험으로 부터 구하고, 얻어진 정보를 활용하여 제품 양산중인 프레스 금형의 표면수명을 표면거칠기를 사용하여 간접 예측하였다. 마모시험의 접촉압력 및 미끄럼 속력 조건을 이용하여 표면거칠기 예측식을 도출하였다.
- 시편에서의 표면거칠기 0.1μmRa와 코팅두께 10μm 수준이 만족되도록 표면처리가 실시되었다.
- 동일 조건에서 마모거리를 각각 100, 300, 500m 세가지 종류로 변경하면서 시험을 실시하였다. 시험 후 표면 조도계를 이용하여 마모체적을 도출하고 표면처리에 따른 마모량의 측정을 수행하였다. 시험 후의 시편형상을 Fig.
- 6 과 같은 ball-on-disc 방식으로 수행되었으며, 상대재로 초경 텅스텐 카바이드 볼이 사용되었다. 시험은 100, 300, 500N 등 3종의 수직하중 및 0.5, 0.75, 1m/s의 접선 마모속력의 조건으로 실시되었다. 동일 조건에서 마모거리를 각각 100, 300, 500m 세가지 종류로 변경하면서 시험을 실시하였다.
- 마모 시험의 입력조건인 미끄럼 속력 및 접촉압력에 따라 구하여진 표면거칠기를 Table 2 에 도시하였다. 여기서, 유한요소 접촉해석으로 마모시험을 모사하고 접촉부위의 수직압력을 도출하여 사용하였다. Fig.
- 유한요소해석에서 도출한 마모조건을 이용하여 해당부위의 표면거칠기를 예측하였다. 예측식과 시험에서 얻은 표면거칠기를 비교하여 예측값의 정확성을 검증하였다.
- 금형손상이 집중적으로 발생되는 부위의 압력 및 속력 등 마모조건을 구하기 위하여 성형공정 유한요소해석을 실시하였다. 유한요소해석에서 도출한 마모조건을 이용하여 해당부위의 표면거칠기를 예측하였다. 예측식과 시험에서 얻은 표면거칠기를 비교하여 예측값의 정확성을 검증하였다.
- 코팅작업 온도에서 변형이 발생하지 않도록 480~500°C의 온도범위에서 3회 뜨임(tempering) 처리를 하였다. 이후 표면 경화 및 코팅층 밀착력 향상을 위한 이온 질화처리를 하였다. 최종적으로 아크 이온 플레이팅 증착법을 이용한 PVD 코팅을 실시하였다.
- 3종의 표면처리 금형과 SPRC440 강종으로 제작된 블랭크 사이의 마찰시험을 실시하였다. 인출속력을 5, 25, 50, 75, 100mm/min 으로 부과하고, 가압력은 프레스성형에서의 접촉압력 조건인 1, 2, 3 MPa 로 부과하여 마찰시험을 수행하였다. Fig.
- 3에 도시한 바와 같이 직선 왕복 미끄럼 운동을 하는 방법으로 진행된다. 저하중 마모시험은 50N의 수직하중을 가한 뒤 볼의 미끄럼 속력 0.12m/s과 15mm 왕복 행정 조건으로 마모거리 2,130m에 도달할 때까지 실시되었다. 시험이 끝난 후 마모된 시편형상은 Fig.
- 제2장의 마모시험 결과와 해석에서 얻은 마모조건을 이용하여 금형 표면손상의 간접 예측을 실시하였다. 일반적으로 코팅층 박리 등 손상의 육안검사를 통하여 금형의 표면손상 여부를 결정하게 되나 정확한 박리시점을 찾는 것은 매우 어렵다.
- 이후 표면 경화 및 코팅층 밀착력 향상을 위한 이온 질화처리를 하였다. 최종적으로 아크 이온 플레이팅 증착법을 이용한 PVD 코팅을 실시하였다. 시편에서의 표면거칠기 0.
- 코팅작업 온도에서 변형이 발생하지 않도록 480~500°C의 온도범위에서 3회 뜨임(tempering) 처리를 하였다.
- 표면처리 방법으로 무처리, CrN, TiAlN, AlCrN 등 4종이 사용되었다. 표면처리를 위한 시험편 제작을 위하여 모재인 STD11 강종을 1차 밀링 가공 후 진공열처리를 실시하고, 열처리에 의하여 미소 변형된 시험편에 2차 사상작업을 실시하였다. 코팅작업 온도에서 변형이 발생하지 않도록 480~500°C의 온도범위에서 3회 뜨임(tempering) 처리를 하였다.
- 표면처리에 따른 금형과 소재간의 마찰특성을 실제 프레스 성형공정과 유사한 조건에서 파악하기 위해 편마찰 시험기를 이용하여 각 표면처리별 마찰 특성을 파악하였다. 다양한 인출속력 및 가압력의 조건 하에서 마찰 특성의 파악하고 쿨롱(Coulomb) 마찰계수를 도출하였으며, 공정조건에 따른 마찰계수 변화를 정량분석하였다.
- 표면처리에 따른 마모특성을 정량적으로 파악하기 위하여 마모시험기를 이용하여 스크래치 가속 표면 내구시험을 실시하였다. 다양한 하중 및 속력 조건을 부여하기 위하여 고하중용 및 저하중용 시험기를 별도로 사용하여 시험 및 내구성 분석을 수행하였다.
- 성형 해석은 상용프로그램인 PAM-STAMP[4]를 사용하였다. 해석결과로부터 금형에 발생한 수직 접촉압력과 해당부위 블랭크의 상대 미끄럼 속력을 추출하여 금형손상 예측의 입력값으로 이용하였다.
대상 데이터
- 대상부품 성형공정은 제1공정인 폼(Form) 공정과 제2공정인 피어싱 공정의 두단계로 나누어진다. 본 논문에서는 대부분의 마찰 및 마모가 집중되는 제1공정에 대해서만 해석을 수행하였다.
- 본 논문에서 고려한 금형소재는 냉간성형용 프레스금형에 주로 사용되고 있는 합금 공구강인 STD11이다. 표면처리 방법으로 무처리, CrN, TiAlN, AlCrN 등 4종이 사용되었다.
- 본 논문에서 금형의 수명예측 대상으로 선정한 부품은 Fig. 10에 도시한 차량용 카울 크로스바(cowl cross bar)의 브라켓류이다. 소재는 SPRC440으로 초기두께는 1.
- 10에 도시한 차량용 카울 크로스바(cowl cross bar)의 브라켓류이다. 소재는 SPRC440으로 초기두께는 1.0mm 이다. 프레스 금형의 형상은 Fig.
- 본 논문에서 고려한 금형소재는 냉간성형용 프레스금형에 주로 사용되고 있는 합금 공구강인 STD11이다. 표면처리 방법으로 무처리, CrN, TiAlN, AlCrN 등 4종이 사용되었다. 표면처리를 위한 시험편 제작을 위하여 모재인 STD11 강종을 1차 밀링 가공 후 진공열처리를 실시하고, 열처리에 의하여 미소 변형된 시험편에 2차 사상작업을 실시하였다.
이론/모형
- 고하중 마모시험은 Fig. 6 과 같은 ball-on-disc 방식으로 수행되었으며, 상대재로 초경 텅스텐 카바이드 볼이 사용되었다. 시험은 100, 300, 500N 등 3종의 수직하중 및 0.
- 387m/s을 사용하였다. 금형과 블랭크는 별도의 윤활을 하지 않았으며, 해석 시 마찰시험에서 얻은 쿨롱 마찰계수를 적용하였다. 성형 해석은 상용프로그램인 PAM-STAMP[4]를 사용하였다.
- 금형과 블랭크는 별도의 윤활을 하지 않았으며, 해석 시 마찰시험에서 얻은 쿨롱 마찰계수를 적용하였다. 성형 해석은 상용프로그램인 PAM-STAMP[4]를 사용하였다. 해석결과로부터 금형에 발생한 수직 접촉압력과 해당부위 블랭크의 상대 미끄럼 속력을 추출하여 금형손상 예측의 입력값으로 이용하였다.
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