[논문]전자기력 자유벌지 실험을 위한 성형코일 설계 및 3-D 해석비교

김홍교; 노학곤; 강범수; 김정

doi:10.5228/kstp.2014.23.7.431

전자기력 자유벌지 실험을 위한 성형코일 설계 및 3-D 해석비교
Design of a Free Bulge Test Coil Using Electromagnetic Forces and Comparison between Experimental and Numerical Results 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.23 no.7, 2014년, pp.431 - 438

김홍교 (부산대학교 항공우주공학과) , 노학곤 (부산대학교 항공우주공학과) , 강범수 (부산대학교 항공우주공학과) , 김정 (부산대학교 항공우주공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

For electromagnetic forming(EMF) the most important feature is a forming coil which creates the electromagnetic force(Lorentz force), using current density and a magnetic field. Most previous papers have concentrated on the final configuration of the blank or the efficiency of EMF process. Studies focused on the design parameters affected by the forming coil performance have not been conducted. In order to design a suitable forming coil for an object, the current study uses LS-DYNA EM-Module to not only optimize the coil but also to examine the effect of coil performance. By this method a suitable forming coil was made and tested to determine whether or not good formability was achieved in a free bulge test Numerical analysis was also used. The workpiece was Al 1100-O with a thickness of 1.27mm and the coil was made from copper CW004A, which has good electrical conductivity and is suitable for electrical components.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

지금까지의 연구는 주로 코일에서 만들어지는 전류밀도, 자속밀도, 전자기력의 분포에 따른 소재의 거동, 해석의 효율성을 위한 단순화에 중점을 두고 연구를 진행하였지만 전자기력을 만들어내는 성형코일의 어떠한 설계요소들이 전류밀도, 자기장, 전자기력에 영향을 미치는지 구체적인 연구는 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 성형 목적에 맞는 성형코일설계방법을 제시하고 이에 따라 만들어진 성형코일의 성형성을 검증하고자 한다. 전자기력을 이용한 공정에서는 기계, 전자기 등 다양한 물리적 현상을 고려해야 하며, 이들을 모두 포괄하는 유한요소법 해석기술이 필수적이다.

제안 방법

특히 기계적 해석은 유한요소법(FEM) 전자기 해석은 경계요소법(BEM)을 적용하여 기존에 널리 쓰이는 다른 상용프로그램보다 해석 시간이 적게 소요되는 장점이 있다. 본 연구는LS-DYNA EM-Module을 이용하여 성형코일의 전류밀도, 자속밀도, 전자기력의 분포를 예측하고 이러한 요인들이 성형 시 어떠한 영향을 미치는지 유한요소법으로 예측하고 실험을 통하여 검증을 하였다. 실험에 이용한 소재는 Al 1100-O 1.
본 연구에서는 전자기력 자유 벌지 실험과, LSDYNA를 사용하여 3-D 자유 벌지 공정 유한요소해석을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

데이터처리

27mm이며 실험 조건은 해석과 동일한 전압, 체결상태를 유지하였다. 변형 완료된 소재는 3-D Scan을 통하여 변형된 단면을 측정하였으며, 이를 유한요소법 해석결과와 비교하였다. Fig.

성능/효과

(1) 실험 결과와 유한요소법을 이용한 해석결과의 차이는 실시간으로 변하는 변형률 속도를 정확하게 구현하지 못하는 것에 기인한다. 이를 위해 변형률 속도를 고려한 응력-변형률 선도를 획득하거나, 변형률 속도를 고려하는 물성모델을 유한요소 해석에 적용해야 한다.
(2) Blank holder force(BHF)를 정확하게 측정한 값을 사용하지 않아 소재의 자유 벌지 실험에서 소재의 유입이 정확하게 구현되지 않았다. 또한 변형률 속도를 고려한다면 최대높이뿐만 아니라 변형된 경사부분의 오차도 줄어들 것이다.
(4) Case 1이 가장 큰 전자기력이 발생하는 이유는 skin depth effect로 인한 가장자리로의 전류밀도 집중, 성형 코일 단면의 밑변이 작아 회전수가 많으므로 자속밀도 증가하기 때문이다. 전자기 성형코일 제작 시 skin depth effect를 이용하면 자속밀도를 부분적으로 집중시킬 수 있어 중요한 설계 변수가 될 것이다.

후속연구

(3) 자유 벌지 실험을 정확하게 하기 위해서는 소재의 가장자리를 정확하게 잡아주는 장치(Blank holder)가 필요하며 정확한 실험을 위해서는 변형률 속도가 일정할 수 있는 수단을 강구해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자기 성형기술이란?	전자기 성형기술 (Electromagnetic forming)은 기존의 성형기술과는 달리 순간적으로 짧은 시간(50~200μs)동안 고속으로(15~300m/s) 금속 가공물을 성형하는(High speed forming) 기술이다. 성형코일에서 만들어지는 자기장과 금속 가공물이 상호 영향을 일으켜 밀어내는 전자기력(Lorentz’s force)을 만들어 내고 이 힘을 이용하여 금속가공물을 성형하는 것이다.
	LS-DYNA EM-Module란?	전자기력을 이용한 공정에서는 기계, 전자기등 다양한 물리적 현상을 고려해야 하며, 이들을 모두 포괄하는 유한요소법 해석기술이 필수적이다. LS-DYNA EM-Module은 기계, 전자기, 열적 거동을 종합적으로 예측할 수 있는 상용 프로그램으로써 본 연구와 같은 기계, 전자기 연차적 해석을 수행하는데 용이하다. 특히 기계적 해석은 유한요소법(FEM) 전자기 해석은 경계요소법(BEM)을 적용하여 기존에 널리 쓰이는 다른 상용프로그램보다 해석 시간이 적게 소요되는 장점이 있다.
	전자기력을 이용한 성형으로 여러 형상의 부품을 성형할 수 있는 장점을 위한 조건은?	전자기력은 가공물에 직접적인 물리적 접촉 없이 성형이 이루어지므로 표면의 결함, 윤활, 마멸과 같은 문제없이 반복적인 성형이 가능하며 기계적 성질은 그대로 유지가 가능하다. 짧은 시간 고속으로 금속을 가공한다면 기존의 성형 방법보다 성형성이 좋아진다는 연구도 제시되고 있으며 하나의 코일로 여러 형상의 부품을 성형할 수 있는 장점이 있다[1, 2].

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A. C. Ugural, 2004, Mechanical Design : An Integrated Approach, 1st edition, McGraw-Hill/Higher Education, Boston., USA, pp. 572-627.

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