[논문]엠보싱 알루미늄 판재의 기계적특성과 스프링백 평가 (제1보)

김영석; 조준행; 신동우

doi:10.5762/kais.2015.16.2.921

엠보싱 알루미늄 판재의 기계적특성과 스프링백 평가 (제1보)
Evaluation of mechanical properties and springback for embossed aluminum sheet - part I 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.2, 2015년, pp.921 - 926

김영석 (경북대학교 기계공학부) , 조준행 ((주)세원 기술연구소) , (경북대학교 기계공학부) , 신동우 (한국염색기술연구소)

초록
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엠보싱된 알루미늄 판재는 표면적이 증가하여 방열효과가 뛰어나고 가공경화에 의해 굽힘강성이 증가하여 자동차 열차단기에 널리 사용된다. 하지만 판재의 특성상 주름발생률이 높아 프레스 성형에 많은 제약이 따른다. 본 연구에서는 3차원 구조 알루미늄 판재의 프레스 성형성 평가를 위한 기초연구로 3차원 구조 엠보싱 콘 형상 판재의 기계적특성을 평가하고 굽힘실험을 통해 프레스 가공 후 발생하는 스프링백을 정량적으로 평가하였다. 엠보싱 판재는 패턴의 방향에 따라 인장특성이 상이하다. 특히 평행 엠보싱 시편의 경우 항복응력이 감소하며 대각 엠보싱 시편의 경우 항복응력이 증가하게 되고 영률의 감소가 크게 나타난다. 그 결과 굽힘 성형가공 후에 스프링 백에 영향을 미친다.

Abstract ▼ AI-Helper

Embossed aluminum sheets were been used in heat insulation purpose for automative exhaust parts because of increasing their surface areas and stiffness reinforcement. However, there are many restrictions because of high rate of wrinkle occurrence on press working. We have performed the tensile and bending tests for embossed sheets to clarity its mechanical properties and springback characteristics. Embossed aluminum sheets showed a different flow stress after plastic yielding due to flattening the embossed cone shape. Above all, yield stress of parallel embossed specimen decreases while its diagonal one increases and the decrease of young's modulus in the embossed sheets contributes to the increase of springback amount.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 진응력-진변형률 선도로부터 초기에 진변형률의 증가에 따라 응력이 직선적으로 증가하는 탄성변형 구간에서 진응력과 진변형률의 기울기로 영률을 평가하였다. 원소재의 경우는 진 변형률이 0.
본 연구에서는 피치 6.4mm, 높이 0.7mm인 콘 형상 엠보싱 판재(cone shaped embossing sheet)의 방향별 기계적 특성을 평가하고 엠보싱 형상이 프레스 가공 후 스프링백에 미치는 영향을 평가하였다.
본 연구에서는 한 가지 종류의 엠보싱 형상만을 대상으로 하였지만 향후 다른 깊이의 엠보싱 판재의 성형특성을 평가하고 유한요소 해석을 수행하여 엠보싱 판재의 자동차 부품에의 적용을 지원하고자 한다.

제안 방법

Figure 5에서와 같이 V-굽힘실험에서는 성형 후에 탄성복원에 의한 스프링백 량으로 벌어진 각도(ΔΘ)를, U-드로오 굽힘실험 후에는 펀치반경 부의 스프링백 각(Θ1), 다이반경부의 스프링백 각(Θ2)을 측정하였다.
인장 응력-변형률 선도는 압연방향으로 3개의 시편을 채취하여 인장실험하여 동일한 변형률에 대해서 응력값들을 산술평균하여 나타내었다. 또한 스프링 백값의 경우는 총 5회의 굽힘실험을 수행하여 최대값과 최소값을 제외한 값들의 평균으로 구하였다. 굽힘실험에 앞서 시편에 강판의 방청윤활유로 사용되고 있는 P-DBH를 미량 균일 도포하였다.
또한 평행 엠보싱 판재는 항복직후에 유동응력이 원소재와 비교하면 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다. 본 연구에서는 0.2% 옵셋 변형률에서의 응력값을 항복응력으로 정의하였다.
본 연구에서는 Figure 4에 나타낸 금형셋트를 이용하여 200mm(L)×50mm(W) 크기로 절단된 엠보싱 판넬을 V-굽힘실험및 U-드로오 굽힘실험을 실시한 후에 스프링백 값을 측정하였다.
본 인장실험을 통해 평평한 원소재와 엠보싱 판넬의 방향별 인장특성의 차이를 규명하였다. 인장실험은 각방향으로 3개 씩의 시편을 채취하여 수행하였고 그 결과를 평균하여 나타내었다.
7mm의 엠보싱 콘 형상 배열 판재를 취득하였다. 소재의 기계적 특성을 구하기 위하여 KS B 0801 13호(평행부 폭 12.5mm, 평행부 길이 50mm)에 따라 엠보싱 가공 전의 평평한 원소재 시편 (as-received flat specimen)과 Figure 2와 같이 엠보싱 가공된 3차원 구조의 평행 엠보싱 시편(parallel embossed specimen)및 대각 엠보싱 시편(diagonal embossed specimen)을 Figure 3에서와 같이 레이저 절단하여 채취한 다음, Instron 5569의 인장시험기를 사용하여 KS B 082 규격에 따라 변위제어방식으로 인장실험을 수행하였다. 여기서 평행 엠보싱 판재는 엠보싱 가공된 산과 골이 인장방향과 동일 열상에 교대로 배치되어 있는 것을 말하며, 대각 엠보싱 판재는 엠보싱 가공된 산과 골이 서로 다른 열에 배치되어 있는 것을 의미한다.
)을 측정하였다. 스프링백 각도는 성형 후의 시편 단면을 스캔 장비로 디지털화하여 AutoCAD 소프트웨어를 이용하여 구하였다.⁽⁸⁾
실험에 대한 신뢰도 확보를 위해 반복시험을 수행하여 평균값을 택하였다. 인장 응력-변형률 선도는 압연방향으로 3개의 시편을 채취하여 인장실험하여 동일한 변형률에 대해서 응력값들을 산술평균하여 나타내었다. 또한 스프링 백값의 경우는 총 5회의 굽힘실험을 수행하여 최대값과 최소값을 제외한 값들의 평균으로 구하였다.
일반적으로 알루미늄 판재의 경우에 R값은 인장변형 률이 0.1 (또는 0.15)에서 측정하지만 본 연구에서는 인장 변형률 크기에 따른 거시적인 R값의 변화를 측정하였다. 인장변형률이 0.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 소재는 두께가 0.54mm 인 3004-P 알루미늄 판재이다. 이 판재를 엠보싱 콘 형상 롤러로 압연하여 피치 6.
본 연구에서는 엠보싱 판재의 인장실험에서 소성변형 특성을 평가하기 위하여 평행부의 폭이 12.5mm 인 KS B0801 13호 시편을 사용하였다, 이 시편은 원래 평평한 판재의 인장실험에 적합한 것으로 본 연구에서와 같이 3차원 구조를 갖는 엠보싱 판재에 대해서도 적용이 가능한지에 대한 검토가 필요하다.
54mm 인 3004-P 알루미늄 판재이다. 이 판재를 엠보싱 콘 형상 롤러로 압연하여 피치 6.4mm, 높이 0.7mm의 엠보싱 콘 형상 배열 판재를 취득하였다. 소재의 기계적 특성을 구하기 위하여 KS B 0801 13호(평행부 폭 12.

데이터처리

실험에 대한 신뢰도 확보를 위해 반복시험을 수행하여 평균값을 택하였다. 인장 응력-변형률 선도는 압연방향으로 3개의 시편을 채취하여 인장실험하여 동일한 변형률에 대해서 응력값들을 산술평균하여 나타내었다.
본 인장실험을 통해 평평한 원소재와 엠보싱 판넬의 방향별 인장특성의 차이를 규명하였다. 인장실험은 각방향으로 3개 씩의 시편을 채취하여 수행하였고 그 결과를 평균하여 나타내었다.

성능/효과

[3] 통상 높이가 2∼3mm인 3차원 구조 판넬은 표면적이 증가하기 때문에 방열효과가 매우 뛰어나며 또한 부가된 소성변형에 의한 가공경화효과(strain hardening effect)에 의해 굽힘강성(stiffness reinforcement)이 증가한다.
본 연구에서는 콘 형상 엠보싱 알루미늄 판재의 인장 특성을 평가하여 엠보싱 소재의 겉보기 영률과 이방성계수가 감소한다는 것을 밝혔다. 그리고 평행 엠보싱 시편의 경우 항복응력이 원소재에 비해 감소하고 대각 엠보싱 시편의 경우 항복응력이 원소재에 비해 증가하는 현상을 발견하였다. 또한 굽힘성형 실험결과 엠보싱 판재는 소성 변형률이 작은 영역에서는 스프링백이 크게 평가되고 소성 변형률이 큰 영역에서는 스프링백이 큰 차이가 없음을 보였다.
그리고 평행 엠보싱 시편의 경우 항복응력이 원소재에 비해 감소하고 대각 엠보싱 시편의 경우 항복응력이 원소재에 비해 증가하는 현상을 발견하였다. 또한 굽힘성형 실험결과 엠보싱 판재는 소성 변형률이 작은 영역에서는 스프링백이 크게 평가되고 소성 변형률이 큰 영역에서는 스프링백이 큰 차이가 없음을 보였다.
본 연구에서는 콘 형상 엠보싱 알루미늄 판재의 인장 특성을 평가하여 엠보싱 소재의 겉보기 영률과 이방성계수가 감소한다는 것을 밝혔다. 그리고 평행 엠보싱 시편의 경우 항복응력이 원소재에 비해 감소하고 대각 엠보싱 시편의 경우 항복응력이 원소재에 비해 증가하는 현상을 발견하였다.
U-드로오 굽힘실험에서는 소성변형률이 큰 영역에서 굽힘실험이 진행되므로 실험과정 중에 엠보싱 형상이 펴지며 Figure 6, 7에서 유추할 수 있듯이 두 경우에 모두 스프링백이 작게 발생하였다. 소성변형률이 큰 영역에서는 3차원 구조 판재의 유동곡선이 원소재와 큰 차이가 없으므로 스프링백 량 또한 큰 차이가 없을 것이라는 결론은 타당하다.
한편 본 알루미늄 소재의 경우에 판재가 파단되기 전까지의 최대 하중에 대응하는 인장강도에서의 최대 연신 률은 원소재의 경우가 약 20% 정도인 것에 비해 엠보싱 가공된 판재는 약 27%정도로 향상되고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 엠보싱된 판재의 경우에 인장 초기에 낮은 항복응력과 파단 연신률이 크기 때문에 평평한 원소재와 비교하면 프레스 가공성이 향상될 것이라는 것을 예측할 수 있다.

후속연구

엠보싱 판재의 딥 드로잉 가공에서의 가공성(deep drawability)과 장출가공에서의 성형한계(forming limit)에 대해서는 후속 연구로 남겨두기로 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	엠보싱된 알루미늄 판재의 문제점은 무엇인가?	엠보싱된 알루미늄 판재는 표면적이 증가하여 방열효과가 뛰어나고 가공경화에 의해 굽힘강성이 증가하여 자동차 열차단기에 널리 사용된다. 하지만 판재의 특성상 주름발생률이 높아 프레스 성형에 많은 제약이 따른다. 본 연구에서는 3차원 구조 알루미늄 판재의 프레스 성형성 평가를 위한 기초연구로 3차원 구조 엠보싱 콘 형상 판재의 기계적특성을 평가하고 굽힘실험을 통해 프레스 가공 후 발생하는 스프링백을 정량적으로 평가하였다.
	엠보싱 판넬은 무엇에 의해 제조되는가?	그중에서도 배기계(머플러)의 경우에 200℃ ∼750℃ 정도 고열의 엔진 배기가스의 방열과 차열(heat shield) 을 위한 목적으로 차체 하부에 엠보싱된 알루미늄 판넬 (또는 2중 알루미늄 판넬) 혹은 알루미늄-실리콘 합금이 코팅된 강판이 널리 사용되고 있다(Figure 2).[2] 이 엠보싱 판넬(3차원 구조 알루미늄 판넬)은 통상 압연공정, 프레스 또는 하이드로 포밍에 의해 제조되며, 엠보싱 판넬은 콘 형상, 다이아몬드 형 등 다양한 형상을 갖고 있다.[3] 통상 높이가 2∼3mm인 3차원 구조 판넬은 표면적이 증가하기 때문에 방열효과가 매우 뛰어나며 또한 부가된 소성변형에 의한 가공경화효과(strain hardening effect)에 의해 굽힘강성(stiffness reinforcement)이 증가한다.
	엠보싱된 알루미늄 판재의 장점은 무엇인가?	엠보싱된 알루미늄 판재는 표면적이 증가하여 방열효과가 뛰어나고 가공경화에 의해 굽힘강성이 증가하여 자동차 열차단기에 널리 사용된다. 하지만 판재의 특성상 주름발생률이 높아 프레스 성형에 많은 제약이 따른다.

참고문헌 (8)

Y.S. Kim, K.S. Kim, N.C. Kwon, "Press formabilities of aluminum sheets for autobody application," J. Koraen Soc. Auto. Eng., Vol.2, No.1, pp.73-83, 1994.
Y.S. Kim et al., "Evaluation apparatus and method for insulation efficiency of the heat protector of the automobile," Korea Patent, No.10-1004202, 2010.
http://automotive.arcelormittal.com/europe/products/alusi/alusi_specific_applications/EN
M.K. Kim, "Mold structure and heat protector for heat insulation of automobile," Korea Patent No. 10-2005-0042370, 2006.
H.Guler, R.Ozcan, "Effects of the rotary embossing process on mechanical properties in aluminum alloy 1050 sheets," Met. Mater. Int., Vol.18, No.2, pp.225-230, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s12540-012-2004-8

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H. Kuwabara et al., "Forming simulation of emboss formation by roll forming," Proc. 208 Japanese Spring Conf. Technol. Plasticity, Tokyo, pp.253-254, 2008.
S.W. Lee, "Prediction of springback of DP590 steel sheets using Yoshida-Uemori kinematic hardening model," Master Thesis, Kyungpook National University, Daegu, Korea, 2012.
J.G. Choi, S.C. Choi, M.G. Lee, H.Y. Kim, "Measurement of springback of AZ31B Mg alloy sheet in OSU drawbend test," Trans. Mater. Process., Vol.16, No. 6, pp.447-451, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.5228/KSPP.2007.16.6.447

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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