[논문]음각 점진성형에서 치수정밀도에 영향을 미치는 형상 파라미터 분석

강재관; 강한수; 정종윤

doi:10.11627/jkise.2016.39.4.090

Abstract ▼ AI-Helper

Incremental sheet forming (ISF) is a highly versatile and flexible process for rapid manufacturing of complex sheet metal parts. Compared to conventional sheet forming processes, ISF is of a clear advantage in manufacturing small batch or customized parts. ISF needs die-less machine alone, while con...

Incremental sheet forming (ISF) is a highly versatile and flexible process for rapid manufacturing of complex sheet metal parts. Compared to conventional sheet forming processes, ISF is of a clear advantage in manufacturing small batch or customized parts. ISF needs die-less machine alone, while conventional sheet forming requires highly expensive facilities like dies, molds, and presses. This equipment takes long time to get preparation for manufacturing. However, ISF does not need the full facilities nor much cost and time. Because of the facts, ISF is continuously being used for small batch or prototyping manufacturing in current industries. However, spring-back induced in the process of incremental forming becomes a critical drawback on precision manufacturing. Since sheet metal, being a raw material for ISF, has property to resilience, spring-back would come in the case. It is the research objective to investigate how geometrical shaping parameters make effect on shape dimensional errors. In order to analyze the spring-back occurred in the process, this study experimented on Al 1015 material in the ISF. The statistical tool employed experimental design with factors. The table of orthogonal arrays of $L_8(2^7)$ are used to design the experiments and ANOVA method are employed to statistically analyze the collected data. The results of the analysis from this study shows that the type of shape and the slope of bottom are the significant, whereas the shape size, the shape height, and the side angle are not significant factors on dimensional errors. More error incurred on the pyramid than on the circular type in the experiments. The sloped bottom showed higher errors than the flat one.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 공정 파라미터를 대상으로 한 기존의 연구와 달리 형상의 모습(크기, 경사각, 형상 등)을 대상으로 점진 성형에 의하여 스프링백이 어떤 형상에 크게 발생하는 지에 대하여 분석하고자 한다. 실험은 전용 점진성형머신을 이용하였으며 스프링백의 측정은 비접촉식 3차원 스캐너를, 치수 오차 분석에는 측정 데이터 전용 분석 S/W를 이용하였다.
본 연구에서는 음각점진성형에서 형상이 치수오차에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보기 위하여 5개의 형상 파라미터(형상타입, 형상크기, 형상높이, 옆면각도, 밑면각도)를 대상으로 실험계획법의 L₈(2⁷) 직교배열표를 이용하여 실험을 실시하고 분산분석을 통하여 유효한 인자를 규명하였다.

제안 방법

양각성형이 음각성형에 비하여 성형 정밀도가 우수하다고 알려져 있으나 음각성형은 지지대와 같은 부가적인 장치 없이 일반 CNC 머신센터에서 쉽게 구현할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 음각성형 방법으로 실험을 실시하였다.
위에서 선정한 5가지 파라미터를 실험 인자로 요인배치법(Factorial design)의[5] 적용을 위하여 [Table 1]과 같이 각각 2가지 수준을 설정하였다. 수준은 형상의 파라미터가 영향을 미치는지를 확인할 수 있는 범위 내에서 적절히 설정하였다.
이에 따라 인자 중 효과가 가장 미미하다고 판단되는 형상지름(shape diameter)을 오차항으로 재 풀링한 후 [Table 8]과 같이 3차 분산분석을 실시하였다. 그 결과 유의수준 5%로 형상타입(shape type)과 바닥각도(bottom slope angle)가 유의한 인자로 판정되었으며 이는 성형면의 분석과 동일한 결과이다.
실험에 사용하는 성형 형상을 결정하는 파라미터가 [Figure 2]에 나타나 있다. 형상 파라미터로는 형상 타입(cone, pyramid), 형상 크기(size), 형상 높이(height), 옆면 테이퍼 각도(side angle), 밑면 테이퍼 각도(bottom slope angle)를 선정하였다. 형상을 결정짓는 주요 요소인 형상지름과 높이를 기반으로 옆면의 테이퍼 각도를 추가하였으며 지지대가 없는 무금형의 특성을 고려하여 밑면각도도 형상 파라미터[7]로 하였다.
형상 파라미터로는 형상 타입(cone, pyramid), 형상 크기(size), 형상 높이(height), 옆면 테이퍼 각도(side angle), 밑면 테이퍼 각도(bottom slope angle)를 선정하였다. 형상을 결정짓는 주요 요소인 형상지름과 높이를 기반으로 옆면의 테이퍼 각도를 추가하였으며 지지대가 없는 무금형의 특성을 고려하여 밑면각도도 형상 파라미터[7]로 하였다. 아래 [Figure 2]에 주요 파라미터인 크기, 높이, 옆면 및 밑면 각도가 표시되어 있다.
형상의 치수오차는 성형면과 성형반대면 각각에 대하여 측정 분석하였다. 점진성형에서는 성형면이 주요면으로 사용될 수도 있지만 성형 반대면이 사용될 수도 있기 때문이다.

대상 데이터

점진성형 실험에는 전용 기계인 AMINO사의 DLNCPA([Figure 4] 참조)를 사용하였다. 성형 조건은 공구직경 8㎜, 이송속도 2,000㎜/min, 단위 성형깊이 0.3㎜로 일정하게 하였고 소재는 1.3t의 Al 1050-H16를 사용하였다. 성형 결과물의 형상치수오차의 측정에는 SmartSCAN 3D Scanner([Figure 5] 참조)를 사용하였고 스캔 데이터의 분석에는 전용 S/W인 Geomagic을 사용하였다.
따라서 본 연구에서는 공정 파라미터를 대상으로 한 기존의 연구와 달리 형상의 모습(크기, 경사각, 형상 등)을 대상으로 점진 성형에 의하여 스프링백이 어떤 형상에 크게 발생하는 지에 대하여 분석하고자 한다. 실험은 전용 점진성형머신을 이용하였으며 스프링백의 측정은 비접촉식 3차원 스캐너를, 치수 오차 분석에는 측정 데이터 전용 분석 S/W를 이용하였다.

데이터처리

3t의 Al 1050-H16를 사용하였다. 성형 결과물의 형상치수오차의 측정에는 SmartSCAN 3D Scanner([Figure 5] 참조)를 사용하였고 스캔 데이터의 분석에는 전용 S/W인 Geomagic을 사용하였다.
실험 결과를 상용 통계분석 상용 S/W인 Minitab을 이용하여 분산분석(ANOVA)을 실시하고 유의수준(significant level)은 5%로 설정하였다.
이에 따라 주인자 중 효과가 가장 미미한 것으로 판정된 형상높이(shape height)를 오차항으로 풀링한 후 2차 분산분석을 실시하였다. 여기서 풀링(pooling)이란 F-검정 결과 유의하지 않은 주효과 및 교호작용 효과를 오차항에 넣어서 자유도가 높은 새로운 오차항을 만드는 것으로서 풀링을 실시하면 검정 검출력(power of test)이 커져 실험의 정확도가 높아지게 된다.
정확한 분석을 위하여 [Table 4]와 같이 분산분석(ANOVA)를 실시하였다. 그 결과 유의수준 5%에서는 유의한 인자가 나타나지 않았다.

이론/모형

본 연구에서는 실험의 계획 및 분석을 위하여 실험계획법 중 하나인 2수준계 L₈(2⁷) 직교배열표를 사용하였다. 직교배열표는 요인배치실험에서 사용자가 원하는 효과만을 구할 수 있도록 실험의 조건을 간단하게 제공해주는 일부실시법의 한 방법이다.
점진성형 실험에는 전용 기계인 AMINO사의 DLNCPA([Figure 4] 참조)를 사용하였다. 성형 조건은 공구직경 8㎜, 이송속도 2,000㎜/min, 단위 성형깊이 0.

성능/효과

이에 따라 인자 중 효과가 가장 미미하다고 판단되는 형상지름(shape diameter)을 오차항으로 재 풀링한 후 [Table 8]과 같이 3차 분산분석을 실시하였다. 그 결과 유의수준 5%로 형상타입(shape type)과 바닥각도(bottom slope angle)가 유의한 인자로 판정되었으며 이는 성형면의 분석과 동일한 결과이다.
분산분석을 통하여 5가지 파라미터 중에서 형상의 타입과 바닥 경사각이 스프링백의 크기에 영향을 미치는 인자로 밝혀졌다. 그리고 원뿔 형상보다는 피라미드형상이 형상 치수오차가 크고 바닥 경사면이 있는 경우도 없는 것보다 형상치수 오차가 더 컸다. 이 장에서는 측정데이터의 단면(section) 분석을 통하여 치수오차의 발생 원인을 알아본다.
먼저 형상치수오차에 유의한 영향을 미치는 인자는 형상 타입과 바닥면 각도였으며 형상크기, 형상높이, 옆면각도 등은 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이는 성형면 및 성형 반대면 모두 동일한 결과였다.
4. 형상치수 오차의 원인 분석

분산분석을 통하여 5가지 파라미터 중에서 형상의 타입과 바닥 경사각이 스프링백의 크기에 영향을 미치는 인자로 밝혀졌다. 그리고 원뿔 형상보다는 피라미드형상이 형상 치수오차가 크고 바닥 경사면이 있는 경우도 없는 것보다 형상치수 오차가 더 컸다.
형상 타입의 경우 원뿔 형상이 피라미드 형상보다 치수오차가 작았으며, 바닥면 각도의 경우 평편한 바닥면이 경사진 바닥면보다 형상치수오차가 더 작은 것으로 나타났다. 피라미드 형상은 원뿔 형상에 비교하였을 때 각 면의 중앙부와 모서리부에서 스프링백에 의한 치수 오차가 많이 발생하였으며 바닥면의 경우 경사가 있을 때 성형시 발생하는 인장력으로 측면과 바닥면에서 상대적으로 큰 오차가 발생함을 확인하였다.
형상 타입의 경우 원뿔 형상이 피라미드 형상보다 치수오차가 작았으며, 바닥면 각도의 경우 평편한 바닥면이 경사진 바닥면보다 형상치수오차가 더 작은 것으로 나타났다. 피라미드 형상은 원뿔 형상에 비교하였을 때 각 면의 중앙부와 모서리부에서 스프링백에 의한 치수 오차가 많이 발생하였으며 바닥면의 경우 경사가 있을 때 성형시 발생하는 인장력으로 측면과 바닥면에서 상대적으로 큰 오차가 발생함을 확인하였다.

후속연구

따라서 피라미드 형상과 같이 단면이 사각인 형상을 성형할 경우에서 스프링백을 고려한 공구경로 생성과 같은 방법[12]을 고려할 필요가 있으며 바닥면이 경사진 경우에는 바닥면 하단에 지지대 등으로 보완을 하여야 치수 오차를 줄일 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	점진성형이란 무엇인가	점진성형(Incremental sheet metal forming)은 설계형상의 3D CAD 정보로부터 점진성형에 관한 등고선 공구 경로를 추출한 뒤 판재물(blank)을 플레이트(plate)에 고정시키고 CNC 제어를 이용하여 형상을 점진적으로 성형하는 방법이다.
	점진성형의 큰 단점은 무엇인가	그러나 점진성형의 가장 큰 단점 중의 하나는 성형 중에 발생하는 스프링백의 영향으로 치수정밀도가 저하된다는 점이다. 절삭공정은 가공 정밀도가 우수하며 치수오차 예측이 어느 정도 가능한 반면 점진성형은 치수오차가 상대적으로 크고 그 크기를 예측하기가 용이하지 않은 문제점이 있다.
	점진성형에 사용하는 방법들은 어떤 특징을 가지고 있는가	점진성형에는 양각성형(positive forming) 방법과 음각성형(negative forming) 방법이 있다. 양각성형은 성형판재물 하단에 지지대를 두고 중앙에서 바깥쪽 방향으로 성형하는 방법이고, 음각성형은 소재의 가장자리부터 중앙부로 점진적으로 성형하는 방법이다. 양각성형이 음각성형에 비하여 성형 정밀도가 우수하다고 알려져 있으나 음각성형은 지지대와 같은 부가적인 장치 없이 일반 CNC 머신센터에서 쉽게 구현할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 음각성형 방법으로 실험을 실시하였다.

참고문헌 (14)

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