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문제 정의
- 본 논문에서는 소재의 인장강도가 증가할 때 스프링백 해석의 예측 정확도를 정량적으로 평가하기 위하여 S-rail과 차량용 프레스 부품 성형 시 다양한 소재를 활용하여 성형시험 및 성형해석을 수행하였으며 다음의 결론을 얻었다.
가설 설정
- 해석에 사용된 인자는 별도의 이론 및 기법을 사용하지 않고 기업현장에서 활용되는 표준을 이용하였다. 금형과 블랭크 모두 쉘요소를 사용하였으며, 각각 강체와 변형체로 가정하였다. 블랭크의 요소는 Belytschko-LinTsay 쉘요소[4]를 사용하였고, 두께방향 적분점 수는 5개로 하였다.
- 재료의 항복함수는 평면이방성을 고려한 Hill의 1948 항복모델[5]을 이용하였으며, 등방경화로 가정하였다. 상형의 속도는 바인더랩과 펀치성형의 경우 각각 2m/s과 5m/s을 부과하였다.
제안 방법
- 상형의 속도는 바인더랩과 펀치성형의 경우 각각 2m/s과 5m/s을 부과하였다. 드로잉 해석 이후 내연적 유한요소법을 이용한 스프링백 해석을 수행하고 스프링백 양을 측정하였다.
- 그림에서 확인할 수 있듯이 잘 일치하는 경향을 보이고 있다. 변형관점의 정량적 분석을 위하여 Fig. 6에서 도시한 측정점에서 블랭크 외곽선 유입량을 측정하였으며, 단면에서의 두께 감소율을 측정하여 해석결과와 비교하였다. Fig.
- 시험에서 얻은 제품형상 및 해석결과를 형상정밀도 측면에서 비교하기 위하여 시제품의 형상을 광학식 3 차원 스캐너로 측정하였다. 본 논문에서 스프링백 거동을 정량적으로 비교할 목적으로 저자들이 제안한 방법[2, 6]을 이용하여 스프링백을 기하학적 형상에 따라 대표적인 6 개 모드로 분류하고, 각 모드의 측정을 실시하였다. 스프링백 모드는 펀치부각변화 θ1, 플랜지부 각변화 θ2, 벽휨 ρ, 캠버(camber) δ, 단면비틀림 θs, 축비틀림 θa로 분류하였다.
- 본 논문에서는 표준부품인 S-rail과 차체 양산부품을 대상으로 인장강도 340~780MPa급 4종의 강판을 소재로 하여 성형해석을 수행하였으며, 성형성과 스프링백 관점에서 시험결과와 정량비교를 수행하였다. 비교결과를 바탕으로 고강도강 부품의 성형해석에서 얻은 결과를 실제 양산공정의 금형 수정 등에 직접적 활용가능 여부를 정량적으로 검토하였으며, 예측 정확도 오차의 원인을 분석하였다.
- 5° 간격으로 분할하였다. 블랭크 초기 요소크기는 5mm이며, 3회의 적응형 요소분할을 실시하였다. 금형과 블랭크 사이의 마찰계수는 0.
- 본 논문에서는 표준부품인 S-rail과 차체 양산부품을 대상으로 인장강도 340~780MPa급 4종의 강판을 소재로 하여 성형해석을 수행하였으며, 성형성과 스프링백 관점에서 시험결과와 정량비교를 수행하였다. 비교결과를 바탕으로 고강도강 부품의 성형해석에서 얻은 결과를 실제 양산공정의 금형 수정 등에 직접적 활용가능 여부를 정량적으로 검토하였으며, 예측 정확도 오차의 원인을 분석하였다.
- 스프링백 모드는 펀치부각변화 θ1, 플랜지부 각변화 θ2, 벽휨 ρ, 캠버(camber) δ, 단면비틀림 θs, 축비틀림 θa로 분류하였다.
- 시험에서 얻은 제품형상 및 해석결과를 형상정밀도 측면에서 비교하기 위하여 시제품의 형상을 광학식 3 차원 스캐너로 측정하였다. 본 논문에서 스프링백 거동을 정량적으로 비교할 목적으로 저자들이 제안한 방법[2, 6]을 이용하여 스프링백을 기하학적 형상에 따라 대표적인 6 개 모드로 분류하고, 각 모드의 측정을 실시하였다.
- 제2장에서 기술한 조건을 바탕으로 성형시험 및 해석을 수행하였으며, 변형형상과 단면에서의 두께 변형률 분포 등 변형관점에서 성형해석의 정확도를 비교하였다.
- 크로스 멤버도 S-rail과 동일한 방법으로 스프링백을 비교하였다. Fig.
- 4와 같다. 해석에 사용된 인자는 별도의 이론 및 기법을 사용하지 않고 기업현장에서 활용되는 표준을 이용하였다. 금형과 블랭크 모두 쉘요소를 사용하였으며, 각각 강체와 변형체로 가정하였다.
대상 데이터
- 2에 도시한 차량 리어 플로어 크로스 멤버(rear floor cross member) 1종을 선정하였다. 본 부품은 1000톤 유압식 프레스에서 단동형 금형을 이용하여 성형되며, 블랭크 홀딩력 254 kN을 부과하였다.
- 금형과 블랭크 모두 쉘요소를 사용하였으며, 각각 강체와 변형체로 가정하였다. 블랭크의 요소는 Belytschko-LinTsay 쉘요소[4]를 사용하였고, 두께방향 적분점 수는 5개로 하였다. 금형은 곡률부를 7.
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2.1 블랭크 소재
소재강도가 해석의 정확성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 SGARC340, SGARC440, SGAFC590DP, SPFC780DP 등 4종의 강판을 블랭크 소재로 사용하였다. 소재 두께는 1mm로 모두 동일하였다.
- 양산부품의 스프링백 예측 정확도 비교를 위하여 Fig. 2에 도시한 차량 리어 플로어 크로스 멤버(rear floor cross member) 1종을 선정하였다. 본 부품은 1000톤 유압식 프레스에서 단동형 금형을 이용하여 성형되며, 블랭크 홀딩력 254 kN을 부과하였다.
데이터처리
- 14에 성형해석과 성형시험 결과를 비교하였다. 두 방법의 예측 정확도 분석은 식(1)로 나타내어지는 NRMSE(Normalized root mean square error) 방법[7]으로 표준 평균제곱근 오차를 구하였다.
- 시험 및 해석에서 얻은 S-rail 의 형상을 Fig. 13 에 도시한 9 개 단면에서 스프링백을 측정하여 Fig. 14에 성형해석과 성형시험 결과를 비교하였다. 두 방법의 예측 정확도 분석은 식(1)로 나타내어지는 NRMSE(Normalized root mean square error) 방법[7]으로 표준 평균제곱근 오차를 구하였다.
이론/모형
- (2) 성형해석에서의 스프링백 예측 정확도를 NRMSE 방법으로 분석하였다. 소재강도가 증가할수록 예측오차가 커지고 있는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 벽휨, 캠버, 단면 비틀림 등에서 오차가 커지고 있음을 확인할 수 있었다.
- 크로스 멤버도 S-rail과 동일한 방법으로 스프링백을 비교하였다. Fig. 15에 도시한 단면에서 시험 및 해석에서 얻은 크로스 멤버의 형상을 스프링백 측정법[6]으로 계산하였다. Fig.
- 크로스 멤버의 경우도 해석결과의 정확성을 비교하기 위하여 S-rail과 유사한 방법을 이용하였다. Fig.
- 해석은 외연적 방법을 사용하는 상용 유한요소 프로그램인 PAM-STAMP 2G V2011[3]를 사용하였다. S-rail과 양산부품의 해석을 위하여 구성된 유한요소 모델은 각각 Fig.
성능/효과
- (1) 소재유입과 단면의 두께 변화율을 비교한 결과 변형의 측면에서는 고강도강의 경우에도 해석이 시험결과를 잘 예측하고 있음을 확인하였다.
- (3) 해석의 예측정확도 저하는 이동 경화모델 등의 재료물성 고려, 쉘요소에서의 전단응력 계산 부정확, 요소분할 등의 문제가 복합적으로 작용하고 있는 것으로 판단되었으며, 고강도강 제품의 스프링백 해석 및 금형설계 적용을 위한 해석기법 제고가 필요하다는 결론을 얻었다.
- 소재강도가 590MPa 이상이 되면 실제 성형공정에 적용하기 어려울 정도로 예측정확도가 떨어지는 경향을 보였다. S-rail에 비하여 전체적으로 예측도가 떨어지고 있으며, 단면 비틀림과 캠버 등의 정확도에서 큰 문제를 보이고 있는 것을 확인할 수 있다. 단면비틀림의 경우 S-rail 과 상이하게 성형공정 시의 성형 불균일에 따라 큰 전단응력 발생이 예측되지만 쉘요소의 특성상 효과적으로 평가되지 않았기 때문으로 평가된다.
- 16에 각 스프링백 모드에 대한 비교를 하였으며, S-rail의 경우와 동일하게 NRMSE 방법으로 오차를 구하여 Table 3 에 도시하였다. S-rail의 경우와 유사하게 소재강도가 증가할수록 예측정확도가 낮아지고 있음을 확인할 수 있었다. 소재강도가 590MPa 이상이 되면 실제 성형공정에 적용하기 어려울 정도로 예측정확도가 떨어지는 경향을 보였다.
- S-rail의 경우와 유사하게 소재강도가 증가할수록 예측정확도가 낮아지고 있음을 확인할 수 있었다. 소재강도가 590MPa 이상이 되면 실제 성형공정에 적용하기 어려울 정도로 예측정확도가 떨어지는 경향을 보였다. S-rail에 비하여 전체적으로 예측도가 떨어지고 있으며, 단면 비틀림과 캠버 등의 정확도에서 큰 문제를 보이고 있는 것을 확인할 수 있다.
- (2) 성형해석에서의 스프링백 예측 정확도를 NRMSE 방법으로 분석하였다. 소재강도가 증가할수록 예측오차가 커지고 있는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 벽휨, 캠버, 단면 비틀림 등에서 오차가 커지고 있음을 확인할 수 있었다. 특히 인장강도 590 MPa 이상의 소재의 스프링백 결과는 해석결과를 금형보정 등에 직접적으로 활용하기 어렵다는 결론을 보여주고 있다.
- 8에 두께 감소율을 비교하였으며, 시험과 해석 결과가 2% 이내로 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 유입량 및 두께 감소율의 비교를 통하여 소재 강도에 무관하게 해석결과가 시험결과와 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있었고, 성형성 예측에 효과적으로 활용이 가능함을 확인하였다.
후속연구
- 단면 비틀림의 경우에는 쉘요소에서 전단응력의 평가가 정확하지 않아 오차가 커진 것으로 판단된다. 이러한 해석인자들을 추가적으로 고려한다면 정확한 스프링백 해석이 가능할 것으로 생각된다.
- 소재강도가 증가할수록 예측오차가 커지고 있는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 벽휨, 캠버, 단면 비틀림 등에서 오차가 커지고 있음을 확인할 수 있었다. 특히 인장강도 590 MPa 이상의 소재의 스프링백 결과는 해석결과를 금형보정 등에 직접적으로 활용하기 어렵다는 결론을 보여주고 있다.
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