[논문]점진성형에서 형상의 복잡도와 다이의 종류가 성형 정밀도에 미치는 영향

이경부; 강재관

doi:10.7735/ksmte.2014.23.5.512

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the influence of part shape complexity and die type on forming accuracy in incremental sheet metal forming is presented. The part shape complexities are classified into two types, namely, of one and two-step shapes. Correspondingly, die types are classified into three types, namely, o...

In this paper, the influence of part shape complexity and die type on forming accuracy in incremental sheet metal forming is presented. The part shape complexities are classified into two types, namely, of one and two-step shapes. Correspondingly, die types are classified into three types, namely, of no-, partial, and full die types. The experimental tests are performed separately on negative and positive forming methods. It is shown that for the one-step shape, there are no significant differences in forming errors between the cases of no- and full die types when the negative forming method is used. Furthermore, the full die type is better than the partial die when positive forming is used. For the two-step shape case, the full die type always exhibits better forming accuracy than the no- and partial die types, irrespective of the forming method used.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 성형물 하단에 무금형, 부분금형, 그리고 충분금형을 사용하는 경우에 각각 성형 정밀도에 어떤 차이가 나는지를 알아보고자 하였다. 성형물의 형상 복잡도는 Fig.
점진성형에서 음각성형과 양각성형은 성형비용에 차이가 크며 금형의 선택(무금형, 부분금형, 충분금형)도 성형 시간 및 비용에 큰 차이를 가져온다. 본 연구는 점진성형 시 판재물 하단에 설치하는 다이의 종류가 성형물의 형상복잡도에 따라 성형오차에 어떤 영향을 미치는지를 알아보기 위하여 시행되었으며 그 결과는 다음과 같이 요약된다.
3과 같이 매우 다양하며 형상의 복잡도가 높은 경우가 많다. 이러한 형상들에 대하여도 성형을 지지할 수 있는 지지물을 사용하지 않고(무금형 또는 부분금형으로) 성형하는 경우에는 원하는 성형 정밀도를 얻을 수 있는가에 대한 질문이 본 연구의 주제이다.

제안 방법

2단 형상에서 무금형보다 충분금형을 사용하는 것이 성형오차를 감소시킨다는 것을 확인하였기 때문에 1단 형상의 경우에도 무금형성형(ONN)과 충분금형성형(ONF)을 비교하였다. 그 결과 두 경우 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 없었다.
따라서 본 연구에서는 성형물 하단에 무금형, 부분금형, 그리고 충분금형을 사용하는 경우에 각각 성형 정밀도에 어떤 차이가 나는지를 알아보고자 하였다. 성형물의 형상 복잡도는 Fig. 4와 같이 1단(one-step) 및 2단(two-step) 형상으로 구분하였고 각각의 형상에 대하여 음각성형과 양각성형을 적용하여 실험을 진행하였다.
성형오차(forming error)는 측정(스캔) 데이터가 CAD 데이터로부터 떨어진 거리 값으로 정의되며 본 연구에서는 Fig. 7 및 10과 같이 성형 결과물의 네 개의 단면(SEC-1,2,3,4)으로부터 오차를 측정하고 이를 평균한 값을 사용하였다.
실험은 앞서 언급한 바와 같이 1단 및 2단 형상물 각각에 2가지 성형공법인 음각성형 및 양각성형을 적용하고 무금형(또는 부분금형) 및 충분금형의 경우를 포함하여 총 8가지 경우에 대하여 실시하였다. 충분금형으로 음각 및 양각성형을 행하고 있는 모습이 Fig.
이후 설명의 편의를 위하여 1단 형상의 음각무금형성형, 음각충분금형성형, 양각부분금형성형, 양각충분금형성형을 각각 ONN, ONF, OPP, OPF로, 2단 형상의 음각무금형성형, 음각충분금형성형, 양각부분금형성형, 양각충분금형성형을 각각 TNN, TNF, TPP, TPF로 표시하기로 한다. 요약표시의 첫 번째 문자는 형상의 복잡도를 나타내는데 O는 1단 형상(One-step)을 T는 2단 형상(Two-step)을 나타낸다.

대상 데이터

3 mm로 하였다. 소재는 연성이 좋은 Al 1050 계열의 두께 1.2mm 를 사용하였다.

데이터처리

이를 통계적으로 검정(Test)하기 위해서 주어진 측정 데이터에 대하여 Table 3과 같이 실험계획법의 일원배치(수준수(l)=4, 반복(m)=4) 분산분석(ANOVA)을 실시하였다. 통계적 검정을 위한 귀무가설(Null hypothesis)은 ‘4가지 경우의 성형오차 값에는 차이가 없다’이다.
성형 결과물의 정밀도 분석을 위하여 성형물에 대하여 비접촉식 3차원 스캐너인 일본 Minnolta 사의 VIVID 910(최대 정밀도: 8 µm)를 이용하여 스캔데이터를 획득한 뒤 스캔데이터 분석 전용 소프트웨어인 Rapidform-XOV를 사용하여 성형오차를 측정하였다.
통계적 검정을 위하여 Table 6과 같이 분산분석(ANOVA)을 실시하였다. 양각성형 역시 각 경우 간에는 통계적으로 유의미한 차가 있는 것으로 판정되었다(p-value=0.

이론/모형

세부적인 두 경우간의 차를 알아보기 위하여 음각성형과 동일하게 LSD 방법을 적용하였다. 그리고 가장 관심이 있는 경우인 OPP와 TPP, TPP 와 TPF, OPP와 OPF 간의 비교 결과를 Table 7에 요약하였다.
세부적인 두 수준간의 차이를 검정하기 위해서 본 연구에서는 ANOVA 분석 후 수준 간의 차이를 검정하는 LSD(Least Square Difference) 방법을 이용한다^[10]. LSD 방법은 일반적으로 많이 사용하는 두 경우 각각을 모집단으로 하여 평균치간의 차를 검정하는 일반적인 방법에 비하여 오차의 자유도가 크기 때문에 검정력이 높아지는 장점을 가진다.
점진성형에는 점진성형 전용 기계인 일본 AMINO 사의 DLNC-PA를 사용하였다. 사용된 점진성형의 조건이 Table 1에 나타나있다.

성능/효과

2.3 1단 형상의 부분금형 및 충분금형 성형오차 비교(OPP–OPF)
OPP(1단형상 부분금형성형)과 OPF(1단형상 충분금형성형) 사이에도 통계적으로 유의한 차이가 있었다. 이는 3.
먼저, 1단 형상(ONN)과 2단 형상(TNN)에 대하여 무금형으로 성형한 경우 통계적으로 유의할 정도로 성형오차에 큰 차이가 있다는 것을 알게 되었다.
분산분석을 통해서 음각성형에서 형상이 복잡도와 다이의 유무는 결과물의 성형오차에 큰 차이를 가져온다는 것을 알게 되었다. 그러나 구체적으로 개별 경우(수준) 간의 차이가 있는지를 알아보기 위해서는 두 경우간의 차에 관한 검정을 다시 실시하여야 한다.

후속연구

본 연구에서는 매우 간단한 형상을 대상으로 하였으며 따라서 본 연구의 결과가 모든 다양한 형상에 대하여 일반화될 수는 없을 것이다. 향후 일반화를 위한 형상의 다양화에 관한 연구 그리고 형상오차 발생에 관한 소성역학적 해석 등의 발전된 연구가 요구된다.
본 연구에서는 매우 간단한 형상을 대상으로 하였으며 따라서 본 연구의 결과가 모든 다양한 형상에 대하여 일반화될 수는 없을 것이다. 향후 일반화를 위한 형상의 다양화에 관한 연구 그리고 형상오차 발생에 관한 소성역학적 해석 등의 발전된 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	점진성형은 무엇인가?	점진성형(Incremental forming)은 설계형상의 3D CAD 정보로부터 점진성형에 관한 등고선 공구경로를 추출하고 판재물을 플레이트에 고정시킨 후 CNC 제어를 이용하여 점진적으로 성형하는 방법이다. 점진성형은 기존의 프레스 공정에서 필수적으로 요구되는 상·하 금형의 설계 및 제작에 따른 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있어 최근 많은 연구가 행해지고 있다[1-4].
	점진성형의 방법 중 양각 점진성형은 음각성형에 비해 어떤 장점을 가지는가?	양각성형은 음각성형에 비하여 작업베드를 상하 운동시킬 수 있는 가이드 장치와 일정한 압력을 유지하게 하는 공압장치 등이 부가적으로 필요하기 때문에 성형 비용이 높아지는 단점이 있지만 성형의 품질이 음각성형에 비해 우수하다고 알려져 있다[5,6].
	점진성형의 장점은?	점진성형(Incremental forming)은 설계형상의 3D CAD 정보로부터 점진성형에 관한 등고선 공구경로를 추출하고 판재물을 플레이트에 고정시킨 후 CNC 제어를 이용하여 점진적으로 성형하는 방법이다. 점진성형은 기존의 프레스 공정에서 필수적으로 요구되는 상·하 금형의 설계 및 제작에 따른 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있어 최근 많은 연구가 행해지고 있다[1-4].

참고문헌 (10)

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상세보기
Ambrogio, G., DeNapoli, L., Filice, L., Gagliardi, F., Muzzupappa, M., 2005, Application of Incremental Forming process for high customised medical product manufacturing, J. Mater. Process. Technol. 162-163 156-162.

상세보기
Araghi, B. T., Manco, G. L., Bambach, M., Hirt, G., 2009, Investigation into a new hybrid forming process: Incremental sheet forming combined with stretch forming, CIRP Ann. 54:1 225-228.
Ambrogio, G., Gagliardi, F., Bruschi, S., Filice, L., 2013, On the high-speed Single Point Incremental Forming of titanium alloys, CIRP Ann. 62:1 243-246.

상세보기
Allwood, J. M., Bramley, A. N., Ridgman, T. W., Mileham, A. R., 2006, A novel method for the rapid production of inexpensive dies and moulds with surfaces made by incremental sheet forming, Proceedings of the Institution Mechanics Engineers 220:2 323-327.

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Lee, K. B., Oh, H. M., Kang, J. G., 2013, Forming accuracy comparison between positive and negative incremental forming of Al 1050, J. of Korean Soc. of Manuf. Technol. Eng. 22:5 800-805.

원문보기 상세보기
Hussain, G., Dar, N. U., Gao, L., Chen, M. H., 2007, A comparative study on the forming limits of an aluminum sheet-metal in negative incremental forming, Mater. Process. Technol. 187:188 94-98.
Thibaud, S., Ben Hmida, R., Richard, F., Malecot, P., 2012, A fully parametric toolbox for the simulation of single point incremental sheet forming process: Numerical feasibility and experimental validation, Simul. Modell. Pract. Theor. 29 32-43.

상세보기
Minutolo, F. C., Durante, M., Formisano, A., Langella, A., 2007, Evaluation of the maximum slope angle of simple geometries carried out by incremental forming process, J. Mater. Process. Technol. 194:1-3 145-150.

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Park, S. H., 1982, Modern Experimental Design, Daeyoungsa, Seoul, Repubic of Korea.

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