For an accurate analysis of hot stamping, a coupled simulation with different aspects of the process(i.e. mechanical, thermal, and phase transformation) is needed. However, coupled simulations are time consuming and costly. Therefore, the current study proposes a simplified method focused on the for...
For an accurate analysis of hot stamping, a coupled simulation with different aspects of the process(i.e. mechanical, thermal, and phase transformation) is needed. However, coupled simulations are time consuming and costly. Therefore, the current study proposes a simplified method focused on the forming for the hot stamping simulation of a coupled torsion beam axle (CTBA) tubular beam. In this simplified method, non-isothermal conditions were assumed and only conduction was considered, since it represents the majority of the heat transfer during hot stamping. In addition, temperature and strain rate effects were also included. Moreover, an isothermal simulation was conducted and compared with a non-isothermal simulation. Finally, the simulations were verified by experiments. In conclusion, the proposed method is shown to be effective for the development of tube-type parts, and it effectively predicts the deformation of the tubular beam during hot stamping.
For an accurate analysis of hot stamping, a coupled simulation with different aspects of the process(i.e. mechanical, thermal, and phase transformation) is needed. However, coupled simulations are time consuming and costly. Therefore, the current study proposes a simplified method focused on the forming for the hot stamping simulation of a coupled torsion beam axle (CTBA) tubular beam. In this simplified method, non-isothermal conditions were assumed and only conduction was considered, since it represents the majority of the heat transfer during hot stamping. In addition, temperature and strain rate effects were also included. Moreover, an isothermal simulation was conducted and compared with a non-isothermal simulation. Finally, the simulations were verified by experiments. In conclusion, the proposed method is shown to be effective for the development of tube-type parts, and it effectively predicts the deformation of the tubular beam during hot stamping.
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문제 정의
하지만 지금까지의 대부분의 연구들은 판재를 대상으로 한 연구들이며, 튜브를 대상으로 한 열간 성형 해석에 대한 연구들은 아직 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 자동차용 서스펜션 부품인 CTBA(Coupled torsion beam axle)의 튜브빔(Tubular beam)을 대상으로 성형에 초점을 맞춘 2분야 연계해석에 대해서 검토하였다. 해석의 단순화를 위해서 상대적으로 영향이 큰 전도 열전달만을 고려하였다.
해석의 단순화를 위해서 상대적으로 영향이 큰 전도 열전달만을 고려하였다. 또한 제품 개발의 초기에 성형성을 검토할 수 있게하기 위해서 등온조건에서 변형율 속도를 고려하지 않는 간단한 성형해석법과 등온조건에서 변형율 속도만을 고려하는 성형 해석법에 대해서도 고찰하였다. 그리고 시제품 제작을 통해 해석 정확성을 비교 검토하였으며, 성형성 이외에 튜브빔의 조직 및 강도의 제어를 위한 공정을 제안하였다.
본 연구에서는 자동차용 서스펜션 부품의 일종인 CTBA의 튜브빔의 열간 성형성을 예측하기 위해서 성형에 초점을 맞춘 2 분야를 연계해석하는 기법에 대해서 연구하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
기존 공정의 주름 발생을 방지하기 위해서 수정된 공정을 제안 하였다. 기존 공정의 문제점은 닫힘 성형 후 튜브 양 끝단의 함몰량이 과도하다는 것이다. 따라서 함몰량을 낮추기 위해서 상형의 닫힘 정도를 조절하였다.
열간 성형해석은 등온조건에서 변형율속도를 고려하지 않는 경우와 고려하는 경우, 비등온 조건에서 변형율속도를 고려하는 3가지 방법으로 수행되었으며, 자세한 해석 조건은 Table 2에 나타냈다. 등온 조건에서 변형율 속도를 고려하지 않는 해석에서는 튜브 온도를 800℃의 등온조건으로 가정하고 선정된 변형율 속도에서의 유동응력만 하나만을 고려하여 해석을 수행하였다. 여기서 튜브 온도는 노에서 930℃로 가열된 후 이송 중 온도 저하를 고려하여 800℃로 가정하였다.
여기서 튜브 온도는 노에서 930℃로 가열된 후 이송 중 온도 저하를 고려하여 800℃로 가정하였다. 등온조건에서 변형율 속도를 고려하는 경우는 800℃의 등온조건으로 가정하고 변형율 속도의 변화를 고려하여 해석하였다. 비등온 조건에서 변형율 속도를 고려하는 경우는 온도의 변화와 변형율 속도의 변화를 모두 고려하였다.
등온 조건에서 변형율 속도를 고려하지 않는 해석에서는 튜브 온도를 800℃의 등온조건으로 가정하고 선정된 변형율 속도에서의 유동응력만 하나만을 고려하여 해석을 수행하였다. 여기서 튜브 온도는 노에서 930℃로 가열된 후 이송 중 온도 저하를 고려하여 800℃로 가정하였다. 등온조건에서 변형율 속도를 고려하는 경우는 800℃의 등온조건으로 가정하고 변형율 속도의 변화를 고려하여 해석하였다.
제안 방법
또한 제품 개발의 초기에 성형성을 검토할 수 있게하기 위해서 등온조건에서 변형율 속도를 고려하지 않는 간단한 성형해석법과 등온조건에서 변형율 속도만을 고려하는 성형 해석법에 대해서도 고찰하였다. 그리고 시제품 제작을 통해 해석 정확성을 비교 검토하였으며, 성형성 이외에 튜브빔의 조직 및 강도의 제어를 위한 공정을 제안하였다.
즉, 상형을 완전히 닫지 않고 캠을 삽입한 후 다시 상형을 완전히 닫는 공정을 제안하였다. 본 연구에서는 캠의 형상을 고려해서 상형이 완전히 닫히기 10mm 전에 정지 후 측면 캠성형을 수행하고 이후 상형이 완전히 닫히는 공정순서를 최적의 상태로 제안하였다. 제안된 공정은 성공적이었으며, 튜브의 주름은 발생되지 않았다.
대상 데이터
성형 해석용 유동 응력은 온도와 변형율 속도를 동시에 고려하기 위해서 고온에서 실험과 잘 일치되는 유동 응력 특성을 나타내는 VoceKocks 모델[2, 5]을 사용하였다. Naderi 등[5]은 본 연구에서 사용된 보론강과 거의 동일한 보론강을 사용하여 유동 응력을 획득하여 Voce-Kocks 변수들을 구하였으며, 본 연구에서는 이 모델을 사용하여 온도와 변형율 속도에 따른 유동 응력을 포인트 데이터로 변환하여 해석에 사용하였다. 열간 성형해석을 위한 공정 변수들은 Numisheet 2008 Benchmark Test BM03[10]을 참고하였으며, Table 1에 나타내었다.
본 연구에 사용된 소재는 두께가 2.8mm이며, 길이가 1,175mm, 외경이 101.6mm인 보론강 튜브(Tube)이다. 성형 해석용 유동 응력은 온도와 변형율 속도를 동시에 고려하기 위해서 고온에서 실험과 잘 일치되는 유동 응력 특성을 나타내는 VoceKocks 모델[2, 5]을 사용하였다.
본 연구의 대상은 승용차용 후륜 현가 부품인 CTBA의 튜브빔이며, 형상을 Fig. 1에 나타냈다.
튜브빔의 제작을 위해 800톤의 서보유압프레스, 이송용 로봇, 간접가열 방식의 가열로를 사용하였으며(Fig. 3), 측면 캠의 이동은 유압 실린더로 제어 하였다.
데이터처리
그리고 성형이 완료된 상태로 약 20초 동안 유지하여 튜브 소재를 마르텐사이트화 하였다. 이때 성형이 시작될 때와 닫힘 성형이 완료된 후 튜브의 온도를 비접촉식 온도계를 사용하여 측정하였으며, 측정 결과를 해석 결과와 비교하여 해석의 정도를 검토하였다.
이론/모형
6mm인 보론강 튜브(Tube)이다. 성형 해석용 유동 응력은 온도와 변형율 속도를 동시에 고려하기 위해서 고온에서 실험과 잘 일치되는 유동 응력 특성을 나타내는 VoceKocks 모델[2, 5]을 사용하였다. Naderi 등[5]은 본 연구에서 사용된 보론강과 거의 동일한 보론강을 사용하여 유동 응력을 획득하여 Voce-Kocks 변수들을 구하였으며, 본 연구에서는 이 모델을 사용하여 온도와 변형율 속도에 따른 유동 응력을 포인트 데이터로 변환하여 해석에 사용하였다.
열간 성형해석은 판재 전용 유한요소 해석 프로그램인 Pam-stamp 2G(Explicit)를 사용하였으며, 해석 시간의 단축을 위해 1/2 모델을 사용하였다. 상형 및 측면 캠의 이송 속도는 10m/sec으로 하였으며, 해석 속도와 실험시의 성형 속도를 보정하기 위해
Naderi 등[5]은 본 연구에서 사용된 보론강과 거의 동일한 보론강을 사용하여 유동 응력을 획득하여 Voce-Kocks 변수들을 구하였으며, 본 연구에서는 이 모델을 사용하여 온도와 변형율 속도에 따른 유동 응력을 포인트 데이터로 변환하여 해석에 사용하였다. 열간 성형해석을 위한 공정 변수들은 Numisheet 2008 Benchmark Test BM03[10]을 참고하였으며, Table 1에 나타내었다. 해석의 간략화를 위해서 열전달은 가장 영향이 큰 전도에 의한 열전달만을 고려하였으며, 대류와 복사에 의향 영향은 상대적으로 열전달량이 크지 않기 때문에 본 해석에서는 고려하지 않았다[7].
성능/효과
(1) 온도와 변형율 속도, 열전달을 고려하는 비등온 해석은 실제 튜브빔의 성형 거동을 정확히 예측할 수 있었다. 튜브는 성형 중 금형과의 접촉에 의한 냉각이 가장 지배적이기 때문에, 대류와 복사를 고려하지 않고 금형과 튜브의 접촉에 의한 열전달만을 고려하는 단순화된 해석이 시간과 비용적인 측면에서 효과적일 것으로 생각된다.
(2) 등온 조건에서의 해석에서는 튜브의 변형을 나타내는 함몰량이 시험과 차이를 나타냈으며 변형율 속도의 고려와 상관없이 실제 거동을 예측하는데는 무리가 있었다. 성형 중 소재와 금형의 불균일한 열전달과 이로 인한 소재 강도의 국부적인 변화가 성형 중에 주름과 같은 문제를 발생시키는 주된 원인중의 하나로 판단되며, 이러한 거동은 비등온해석에서 좀 더 정확히 표현되고 있음을 확인하였다.
(3) 상형 닫힘을 완전히 진행하지 않고 일정한 간격을 띄운 상태에서 캠으로 성형하는 공정을 제안하였다. 본 연구에서는 10mm의 간격을 가지는 상태에서 상형을 정지하고 캠을 이동시켜서 성형하는 공정이 주름 방지를 위해서 효과적이었으며, 실험에 의해 유효성을 검증하였다.
(4) 금형과 접촉되는 부분은 충분히 냉각이 진행되어 고경도를 나타냈으나 비접촉부는 낮은 경도를 나타냈다. 하지만 비접촉부에 물을 분사하는 공정을 개발하여 튜브빔 전체를 고경도화 하였다.
(3) 상형 닫힘을 완전히 진행하지 않고 일정한 간격을 띄운 상태에서 캠으로 성형하는 공정을 제안하였다. 본 연구에서는 10mm의 간격을 가지는 상태에서 상형을 정지하고 캠을 이동시켜서 성형하는 공정이 주름 방지를 위해서 효과적이었으며, 실험에 의해 유효성을 검증하였다.
(2) 등온 조건에서의 해석에서는 튜브의 변형을 나타내는 함몰량이 시험과 차이를 나타냈으며 변형율 속도의 고려와 상관없이 실제 거동을 예측하는데는 무리가 있었다. 성형 중 소재와 금형의 불균일한 열전달과 이로 인한 소재 강도의 국부적인 변화가 성형 중에 주름과 같은 문제를 발생시키는 주된 원인중의 하나로 판단되며, 이러한 거동은 비등온해석에서 좀 더 정확히 표현되고 있음을 확인하였다.
(1) 온도와 변형율 속도, 열전달을 고려하는 비등온 해석은 실제 튜브빔의 성형 거동을 정확히 예측할 수 있었다. 튜브는 성형 중 금형과의 접촉에 의한 냉각이 가장 지배적이기 때문에, 대류와 복사를 고려하지 않고 금형과 튜브의 접촉에 의한 열전달만을 고려하는 단순화된 해석이 시간과 비용적인 측면에서 효과적일 것으로 생각된다.
후속연구
이러한 조직 및 경도 관찰 결과는 튜브빔이 오스테나이트화 온도까지 충분히 가열되어졌으며, 금형을 사용한 냉각과정에서 충분한 냉각속도로 냉각되어 고경도의 마르텐사이트 조직이 얻어질 수 있음을 확인한 결과이다. 본 연구에서 튜브빔의 성형성을 예측할 수 있는 성형해석기법을 연구하였으며, 향후 냉각속도 제어를 통한 조직 및 경도의 예측에 관한 연구를 수행하여 튜브빔의 최적 열간성형 공정에 대한 최적의 조건을 도출할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자동차용 부품에 열간성형의 적용이 확대되고 있는 이유는 무엇인가?
열간성형(Hot stamping)은 경화능(Hardenability)이 우수한 소재인 보론강을 노(Furnace)에서 약 900℃ 내외로 가열한 후 가열된 소재를 금형 내부로 이송하여 성형하는 공법으로, 성형 후 금형을 닫은 상태로 소재를 급냉시켜 고강도 특성을 얻을 수 있다[1, 2]. 고온에서 오스테나이트화된 소재는 우수한 연성을 가지기 때문에 복잡한 부품의 성형이 가능하게 되고, 급냉에 의해 조직이 마르텐사이트로 변태하여 고강도가 얻어지기 때문에 열간성형은 고연성과 고강도가 요구되는 자동차용 부품에 적용이 확대되고 있다.
기계적인 변형, 상변태, 열전달 3분야를 연계한 열간성형 해석이 어려운 이유는 무엇인가?
열간성형 공정을 정밀하게 해석 하기 위해서는 기계적인 변형, 상변태, 열전달을 연계한 열간성형 해석이 수행되어야 한다. 하지만 3분야의 연계해석을 위해서는 많은 물성치가 요구되고 해석 시간 또한 과도하게 길어지는 문제가 있기 때문에 지금까지 대부분의 제품을 대상으로 한 연계 해석에 관한 연구들은 변형과 열전달에 초점을 맞춘 2분야 연계 해석에 대한 연구들이 주로 수행되고 있다. 우선 열전달이 존재할 경우에 변형을 예측하기 위해서는 온도와 변형율 속도에 따른 유동응력의 획득이 요구된다.
열간성형(Hot stamping)이란 어떤 공법인가?
열간성형(Hot stamping)은 경화능(Hardenability)이 우수한 소재인 보론강을 노(Furnace)에서 약 900℃ 내외로 가열한 후 가열된 소재를 금형 내부로 이송하여 성형하는 공법으로, 성형 후 금형을 닫은 상태로 소재를 급냉시켜 고강도 특성을 얻을 수 있다[1, 2]. 고온에서 오스테나이트화된 소재는 우수한 연성을 가지기 때문에 복잡한 부품의 성형이 가능하게 되고, 급냉에 의해 조직이 마르텐사이트로 변태하여 고강도가 얻어지기 때문에 열간성형은 고연성과 고강도가 요구되는 자동차용 부품에 적용이 확대되고 있다.
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