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문제 정의
- 하지만 현재까지 TRB의 핫스탬핑 공정에 대해 성형성을 예측한 사례가 없으며, 특히 초기에 배치된 TRB 라인은 성형되는 과정 동안 계속 변하기 때문에 이를 고려하여 정밀하게 성형성을 예측할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 TRB 핫스탬핑 공정에서 소재의 불균일한 두께 및 기하학적 특성이 고려된 성형한계도를 적용하여 정밀하게 성형성을 예측하고자 한다. 먼저, TRB의 실험적인 성형한계도를 확보하기 위해 한계 돔 높이(Limit Dome Height) 실험을 수행하였다.
- 1에 TRB의 성형성을 예측하기 위한 절차를 나타내었다. 본 연구에서는 실험적인 성형한계도를 기반으로 한 TRB 라인 방향에 따른 성형한계도 보간식을 작성하였고, 이를 성형해석과 연계하여 TRB의 성형성을 예측하였다. 본 연구에서 TRB 라인 방향은 압연 방향과 주변형 방향의 각도로 정의하였으며, 이는 성형이 진행되는 동안 계속 변하기 때문에 각 단계별로 계산하여 보간식에 적용하였다.
제안 방법
- (1) TRB 성형 특성을 고려하는 성형한계도 보간식을 작성하기 위해 TRB 라인 방향에 따라 한계 돔 높이 실험을 수행하여 0º, 45º, 90º TRB 라인 방향의 성형한계도를 작성하였다.
- 초기 소재의 사이즈는 길이 120mm, 폭 80mm의 쉘 요소로 모델링하였다. TRB 라인은 펀치의 중앙에 위치하도록 하였으며 TRB의 단면 형상을 고려하기 위해 천이(Transition) 구간을 8.3mm로 설정하였고 두께비는 1.43(1.5mm/1.05mm)으로 앞서 수행된 한계 돔 높이 실험과 동일하게 설정하였다.
- TRB의 성형한계도 보간식을 핫스탬핑 사각 드로잉 공정에 적용하여 성형해석을 통해 한계 드로잉 높이를 예측하였다. 성형해석은 상용 프로그램인 JSTAMP/NV 2.
- 실험적 성형한계도를 기반으로 다양한 TRB 라인 방향에 대한 성형한계도 보간식을 도출하였다. 그리고 보간식은 성형해석과 연계하여 TRB 핫스탬핑 사각 드로잉 공정에 적용하였고, 한계 드로잉 높이를 예측하였다. 마지막으로 예측된 한계 드로잉 높이를 실험 결과와 비교하여 본 연구에서 제시한 TRB 성형성 예측 방법의 타당성을 검증하였다.
- 압연된 시험편을 0º, 45º, 90º 방향으로 와이어 컷팅하여 Nakazima 시험편 형상으로 제작하였다. 그리고 시험편 표면에 직경이 1mm인 원형을 그리드 마킹(Grid marking)하여 성형이 완료된 후에 변형률을 측정하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 TRB 핫스탬핑 공정에서 소재의 불균일한 두께 및 기하학적 특성이 고려된 성형한계도를 적용하여 정밀하게 성형성을 예측하고자 한다. 먼저, TRB의 실험적인 성형한계도를 확보하기 위해 한계 돔 높이(Limit Dome Height) 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 시험편은 두께비가 1.
- 본 실험은 핫스탬핑 공정의 절차에 따라 시험편을 전기가열로를 이용하여 900℃에서 5분간 가열한 후, 금형으로 이송하여 네킹(Necking)이 발생하는 시점까지 성형하였다[2]. 실험은 펀치 속도를 20mm/s, 홀딩력은 20ton으로 설정하여 수행되었으며 성형 시작 시, 시험편의 온도는 약 740 ~ 760℃로 측정되었다.
- 본 연구에서는 실험적인 성형한계도를 기반으로 한 TRB 라인 방향에 따른 성형한계도 보간식을 작성하였고, 이를 성형해석과 연계하여 TRB의 성형성을 예측하였다. 본 연구에서 TRB 라인 방향은 압연 방향과 주변형 방향의 각도로 정의하였으며, 이는 성형이 진행되는 동안 계속 변하기 때문에 각 단계별로 계산하여 보간식에 적용하였다. 성형해석 결과에서 TRB 라인을 계산하기 위해 먼저 주변형 방향을 Mohr원을 이용하여 아래와 같이 계산하였다.
- 본 연구에서는 TRB 핫스탬핑 공정에서 TRB 라인 방향에 따른 성형 특성을 고려한 성형한계도를 작성하고 핫스탬핑 사각 드로잉 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 실험은 펀치 속도를 20mm/s, 홀딩력은 20ton으로 설정하여 수행되었으며 성형 시작 시, 시험편의 온도는 약 740 ~ 760℃로 측정되었다. 성형이 완료된 시험편 즉, 네킹이 발생한 시험편을 금형에서 취출하여 광학 변형률 측정 장치(Argus)를 이용하여 변형률을 측정하였다. 성형한계도는 TRB 라인 방향에 따라 ISO-12004 규격에 의거하여 도출하였다[7].
- 6mm의 스페이서(Spacer)를 설치하였다. 스페이서는 다이와 홀더간의 간격을 3.5mm로 유지하도록 제작하였고 홀딩 시, 홀더와 다이가 드로잉 방향으로 정확히 정렬하도록 가이드 블록을 설치하였다.
- 실험방법은 핫스탬핑 공정의 절차를 고려하여 TRB 소재를 900℃에서 5분간 유지한 후 금형으로 이송하여 약 750℃에서 성형하였다. 실험적 성형한계도를 기반으로 다양한 TRB 라인 방향에 대한 성형한계도 보간식을 도출하였다. 그리고 보간식은 성형해석과 연계하여 TRB 핫스탬핑 사각 드로잉 공정에 적용하였고, 한계 드로잉 높이를 예측하였다.
- 압연된 시험편을 0º, 45º, 90º 방향으로 와이어 컷팅하여 Nakazima 시험편 형상으로 제작하였다.
- 한계 돔 높이 실험으로 확보된 성형한계도를 적용하여 TRB 라인에 따라 성형한계도 보간식을 도출하였다. 또한 본 연구에서는 보간식의 정밀도 향상을 위해 식(5) ~ (8)과 같이 부변형률이 “-”인 성형모드에서는 선형적으로, 부변형률이 “+”인 모드에서는 자연로그 함수로 고려하였다.
- 한계 돔 높이 실험을 수행하여 도출된 성형한계도를 이용하여 TRB 라인 방향을 고려한 성형한계도 보간식을 작성하였다. 실험 결과 TRB 라인 방향 90º에서 가장 높은 성형성을 가졌으며, 45º에서 가장 낮은 성형성을 나타내었다.
대상 데이터
- 단차는 TRB 라인이 위치하는 중심으로부터 10mm 떨어진 위치에 배치하여 성형 시, 주름이나 파단을 방지하였다. 그리고 소재의 정확한 안착을 위해 가이드 핀을 설치하고, 금형과 소재간에 발생되는 높은 마찰의 영향을 최소화하기 위하여 높이 7.6mm의 스페이서(Spacer)를 설치하였다. 스페이서는 다이와 홀더간의 간격을 3.
- 또한 시험편이 다이의 중앙에 위치할 수 있도록 가이드를 설치하였다. 본 연구에서 사용된 TRB 시험편은 핫스탬핑 공정에 널리 사용되고 있는 Al-Si 코팅된 보론 강판(22MnB5)을 두께비 1.43(1.5mm/1.05mm)으로 압연하였으며, 그 단면 형상을 Fig. 4에 나타내었다. 압연된 시험편을 0º, 45º, 90º 방향으로 와이어 컷팅하여 Nakazima 시험편 형상으로 제작하였다.
- 실험에 사용된 시험편은 두께비가 1.43(1.5mm/1.05mm)인 Nakazima 시험편으로, 이는 0º, 45º, 90º의 TRB 라인 방향을 고려하였다.
- 6에 나타내었다. 초기 소재의 사이즈는 길이 120mm, 폭 80mm의 쉘 요소로 모델링하였다. TRB 라인은 펀치의 중앙에 위치하도록 하였으며 TRB의 단면 형상을 고려하기 위해 천이(Transition) 구간을 8.
- 7에 다이, 홀더, 펀치로 구성된 열간 사각 드로잉 실험 장치를 나타내었다. 펀치 사이즈는 길이가 72mm, 폭이 48mm의 직사각형으로 제작하였고 홀더와 다이는 TRB의 두께 편차를 고려하여 균일한 홀딩력을 부가되도록 각각 0.225mm의 단차를 부여하였다. 단차는 TRB 라인이 위치하는 중심으로부터 10mm 떨어진 위치에 배치하여 성형 시, 주름이나 파단을 방지하였다.
데이터처리
- 본 연구에서 제시한 TRB의 성형성 예측 방법을 검증하기 위하여, 핫스탬핑 사각 드로잉 실험을 수행하여 성형해석을 통해 예측된 결과와 비교하였다.
- TRB의 성형한계도 보간식을 핫스탬핑 사각 드로잉 공정에 적용하여 성형해석을 통해 한계 드로잉 높이를 예측하였다. 성형해석은 상용 프로그램인 JSTAMP/NV 2.5.5를 사용하였고 해석조건은 Table 1에, 해석 모델은 Fig. 6에 나타내었다. 초기 소재의 사이즈는 길이 120mm, 폭 80mm의 쉘 요소로 모델링하였다.
이론/모형
- 성형이 완료된 시험편 즉, 네킹이 발생한 시험편을 금형에서 취출하여 광학 변형률 측정 장치(Argus)를 이용하여 변형률을 측정하였다. 성형한계도는 TRB 라인 방향에 따라 ISO-12004 규격에 의거하여 도출하였다[7].
성능/효과
- (2) 한계 돔 높이 실험 결과를 기반으로 하여 TRB 라인 방향별 성형한계도 보간식을 작성하였고, 작성된 성형한계도는 실험 결과와 최대 7.2%의 오차를 가졌다.
- (3) TRB 라인 방향에 따른 성형성 예측 방법을 검증하기 위해 핫스탬핑 사각 드로잉 공정에 적용하여 비교한 결과, 예측된 한계드로잉 높이는 14.3mm로, 실험 결과에서는 14.1mm로 나타남에 따라 매우 우수한 예측 정밀도를 보였다.
- TRB 핫스탬핑 실험 결과에서 측정된 핫스탬핑 사각 드로잉 제품의 한계 드로잉 높이는 14.1mm로 나타났다. 소재 두께에 따라 각각의 성형한계도를 적용한 경우는 한계 드로잉 높이가 실험 결과와 7.
- 4%로 정밀한 파단 예측이 가능하였다. 따라서 본 연구에서 제시한 TRB 핫스탬핑 공정에 있어서 성형성 예측 방법의 타당성을 확보하였다.
- 그리고 보간식은 성형해석과 연계하여 TRB 핫스탬핑 사각 드로잉 공정에 적용하였고, 한계 드로잉 높이를 예측하였다. 마지막으로 예측된 한계 드로잉 높이를 실험 결과와 비교하여 본 연구에서 제시한 TRB 성형성 예측 방법의 타당성을 검증하였다.
- 1mm로 나타났다. 소재 두께에 따라 각각의 성형한계도를 적용한 경우는 한계 드로잉 높이가 실험 결과와 7.1%의 오차가 발생된 반면에 TRB 라인 방향을 고려한 성형한계도를 적용한 경우에는 오차가 1.4%로 정밀한 파단 예측이 가능하였다. 따라서 본 연구에서 제시한 TRB 핫스탬핑 공정에 있어서 성형성 예측 방법의 타당성을 확보하였다.
- 실험 결과 TRB 라인 방향 90º에서 가장 높은 성형성을 가졌으며, 45º에서 가장 낮은 성형성을 나타내었다.
- 실험 결과, TRB 라인 방향 90º에서 가장 우수한 성형성을 가지는 것으로 나타났다.
후속연구
- (4) 본 연구에서 제시한 TRB 라인 방향이 고려된 성형한계 예측 방법의 타당성이 확보됨에 따라 향후 TRB 핫스탬핑 공정에 대해 정밀한 파단 예측이 가능할 것으로 판단된다.
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