[논문]차량외판 프레스 헤밍공정의 유한요소해석 및 공정변수 최적화

김지훈; 곽종환; 김세호; 주용현; 신현식

doi:10.5228/kstp.25.1.29

문제 정의

본 논문에서는 롤인, 턴다운 등 헤밍 결함의 예측을 위한 헤밍 공정의 유한요소해석을 실시하였다. 헤밍공정에서 발생하는 불량의 최소화를 위해 형상결함에 영향을 미치는 변수인 금형 진입각 (intake angle), 굽힘각(bending angle), 플랜지 높이(flange height) 등을 설계변수로 선정하고 해석을 실시하였다.
본 논문에서는 프레스 헤밍공정의 3차원 유한요소해석을 위하여 부분모델의 생성, 캠의 이동에 의한 금형운동 추출, 실러부 표현 등 예측의 정확도를 높이기 위한 해석기법을 제안하였다. 또한, 해석 및 실험계획법을 활용하여 헤밍공정의 주요공정변수들의 경향을 파악하고 불량을 감소시키기 위한 최적 공정변수를 도출하였다.
분석하였다. 분석된 결과를 바탕으로 실험계획법을 통해 유사한 프레스 헤밍공정에 적용할 수 있는 최적의 공정조건을 제시하였다.

가설 설정

사용된 소재의 기계적 물성을 Table 1에 도시하였다. 외판과 내판은 변형 체로 가정하여 BLT 쉘요소[4]로 모델링하였으며, 금형은 강체로 가정하였다. 내외판은 평면이방성을 고려한 Hill의 1948 항복방정식[5]을 사용하였다.
프레스 성형 및 플랜징 공정이 종료된 후의 제품을 초기상태로 가정하고 Fig. 6과 같이 프리 헤밍 단계부터 해석을 실시하였다. 사용된 소재의 기계적 물성을 Table 1에 도시하였다.

제안 방법

(1) 차량 후드 조립품의 프레스 헤밍 해석을 위한 부분 모델을 구성하였으며, 헤밍 실러부 구현 및 프리헤밍 공정에 캠의 시간에 따른 궤적을 구현하였다. 헤밍 불량을 정량적으로 나타내기 위해 제품의 굽힘 부 부근에서 일어나는 롤인과 턴다운을 측정 하였다.
(2) 프리 헤밍공정 공정변수를 캠의 진입각과 굽힘량, 플랜지 높이로 선정하여 캠 영역에 따라 구분하여 분석하였다. 분석된 결과를 바탕으로 실험계획법을 통해 유사한 프레스 헤밍공정에 적용할 수 있는 최적의 공정조건을 제시하였다.
12에 정의한 플랜지의 높이(H),진입각(θ_i), 굽힘각(θ_t)이다. 3개의 캠에서 적정 공정변수 범위를 파악하기 위해 각각 1개의 공정변수를 6 수준으로 변화시키고 타 변수를 고정하여 해석을 수행하였다. 각 공정변수의 기본모델의 값에서의 섭동량은 굽힘각, 진입각, 플랜지 높이에 대하여 각각 5^o, 15^o, 1mm로 하였다.
1 mm의 스프링백이 발생함을 볼 수 있으며, 성형한계도 상의 파단은 예측되지 않았다. Fig. 14와 같이 굽힘선을 따라 60mm 간격으로 2차원 단면을 생성하고 Fig. 2에 도시한 기법을 사용하여 롤 인과 턴다운 등 불량을 정량적으로 측정하였다. Fig.
3개의 캠에서 적정 공정변수 범위를 파악하기 위해 각각 1개의 공정변수를 6 수준으로 변화시키고 타 변수를 고정하여 해석을 수행하였다. 각 공정변수의 기본모델의 값에서의 섭동량은 굽힘각, 진입각, 플랜지 높이에 대하여 각각 5^o, 15^o, 1mm로 하였다. 해석 결과 Fig.
추후 공정변수 최적화 수행 시 CAM#1의 진입각은 대상에서 제외하였다. 기초 변수연구에서 얻은 결과를 활용하고 실험계획법을 이용하여 해석결과를 토대로 각 공정변수를 3수준으로 설정하고 직교배열표를 생성하여 해석을 수행하였다. 신호대 잡음비(S/N ratio) 계산 시 망소특성을 적용하였으며, Fig.
높이기 위한 해석기법을 제안하였다. 또한, 해석 및 실험계획법을 활용하여 헤밍공정의 주요공정변수들의 경향을 파악하고 불량을 감소시키기 위한 최적 공정변수를 도출하였다. 본 논문에서 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.
최종적으로 CAM#1과 CAM#5가 모서리부를 성형한다. 본 논문에서는 CAM#1, 2, 3 영역을 관심부로 구분하고 결과를 분석하였다. 메인헤밍 공정에서는 수직방향으로 금형이 하강하여 내 판과 외판의 결합이 완료된다.
정확한 해석을 위해서는 사용된 캠의 궤적 및 진입 순서를 경계조건으로 부과하여야 한다. 본 논문에서는 캠에 관련된 경계조건을 반영하기 위하여 CATIA V5 DMU Kinematics[8]을 사용하여 시간에 따른 캠 운동정보를 추출하였다. Fig.
본 논문에서는 해석시간의 단축을 위하여 Fig. 5에 도시된 바와 같이 금형과 소재의 접촉면적을 고려하여 하형의 형상을 따라 헤밍에 영향을 주는 관심 부를 절단한 부분 해석모델(half model)을 제작하고 각 캠 부위별 공정변수에 의해 발생하는 헤밍품질을 예측하였다.
실험계획법을 이용하여 구한 최적 공정변수의 적용성을 검증하기 위하여 재해석을 실시하고, 최적 모델의 형상정밀도를 확인하였다. Fig.
9와 같이 내판과 외판을 도포영역에 따라 분할하였다. 외판과 내판부의 접촉부에서 내판부에 도포 공간만큼 가상두께를 적용하였다.
메인 헤밍은금형이 수직방향으로 하향 운동을 하므로 별도의 공정변수를 분류하지 않았다. 이상의 조건을 이용하여 프리 헤밍과 메인 헤밍 공정의 유한요소해석을 수행하였으며 헤밍부에서 발생하는 불량을 분석하였다.
헤밍공정에서 발생하는 불량의 최소화를 위해 형상결함에 영향을 미치는 변수인 금형 진입각 (intake angle), 굽힘각(bending angle), 플랜지 높이(flange height) 등을 설계변수로 선정하고 해석을 실시하였다. 제품의 목표 형상 대비 각 공정변수가 헤밍 불량에 미치는 영향을 파악하고 실험계획법을 사용하여 최적의 공정변수를 선정하였다.
최적의 공정변수를 도출하기 위하여 변수연구를 실시하였다. 사용된 공정변수는 프리헤밍 공정에 적용되는 3가지로 Fig.
4와 같이 실러를 도포한다. 해석 시 실러부를 통해 전달되는 접촉력을 구현하기 위해 Fig. 9와 같이 내판과 외판을 도포영역에 따라 분할하였다. 외판과 내판부의 접촉부에서 내판부에 도포 공간만큼 가상두께를 적용하였다.
형상 변형에 따른 요소재분할을 적용하지 않았다. 해석시간의 단축을 위하여 Fig. 8에 도시한 바와 같이 관심부 밖의 영역의 요소 길이를 5mm까지 증가시켜 모델을 작성하였다.
구현하였다. 헤밍 불량을 정량적으로 나타내기 위해 제품의 굽힘 부 부근에서 일어나는 롤인과 턴다운을 측정 하였다.
헤밍공정에서 발생하는 불량의 최소화를 위해 형상결함에 영향을 미치는 변수인 금형 진입각 (intake angle), 굽힘각(bending angle), 플랜지 높이(flange height) 등을 설계변수로 선정하고 해석을 실시하였다. 제품의 목표 형상 대비 각 공정변수가 헤밍 불량에 미치는 영향을 파악하고 실험계획법을 사용하여 최적의 공정변수를 선정하였다.
헤밍이 수행되는 과정에서 대부분의 변형이 발생하는 외판 플랜지(Flange) 부의 굽힘 반경은 약 0.5mm 로 정확한 형상의 모사를 위하여 요소 크기를 0.15~0.5mm로 설정하였다. 형상 변형에 따른 요소재분할을 적용하지 않았다.

대상 데이터

본 논문의 대상은 Fig. 3에 도시된 중형 승용 차량의 후드(Hood) 조립품이다. 소재는 외판과 내판용으로 각각 CR180B2와 CR3을 사용하였으며, 두께는 각각 0.
5mm이다. 본 제품은 드로우 공정과플랜징 공정이 수행된 후, 플랜지를 중간형상으로 굽히는 프리 헤밍 공정을 거쳐 완전 성형하여 내 판과 외판을 결합하는 메인 헤밍 공정으로 조립된다.
3에 도시된 중형 승용 차량의 후드(Hood) 조립품이다. 소재는 외판과 내판용으로 각각 CR180B2와 CR3을 사용하였으며, 두께는 각각 0.6mm와 0.5mm이다. 본 제품은 드로우 공정과플랜징 공정이 수행된 후, 플랜지를 중간형상으로 굽히는 프리 헤밍 공정을 거쳐 완전 성형하여 내 판과 외판을 결합하는 메인 헤밍 공정으로 조립된다.

이론/모형

외판과 내판은 변형 체로 가정하여 BLT 쉘요소[4]로 모델링하였으며, 금형은 강체로 가정하였다. 내외판은 평면이방성을 고려한 Hill의 1948 항복방정식[5]을 사용하였다.
해석 시간의 단축을 위해 밀도 증가법(Mass scaling)을 사용하였으며 밀도의 증가는 외판과 내판 질량의 최대 1%로 제한하였다. 해석은 상용 유한요소 프로그램인 LS-DYNA v971 R6[6]을 활용하여 수행하였다.
해석 시간의 단축을 위해 밀도 증가법(Mass scaling)을 사용하였으며 밀도의 증가는 외판과 내판 질량의 최대 1%로 제한하였다. 해석은 상용 유한요소 프로그램인 LS-DYNA v971 R6[6]을 활용하여 수행하였다.

성능/효과

13에 도시하였다. CAM#1 영역인 헤드램프 매칭부의 플랜지 끝에서 소재의 압축이 심하게 발생하여 주름 가능성이 매우 높음을 확인할 수 있다. 헤밍 공정 종료 후 최대 0.
소재의 압축이 많이 발생하는 CAM#1의 영역인 700~850mm 구간 사이에서 롤인과 턴다운 등 형상 불량이 최대가 되는 것을 확인할 수 있다. 각 단면별 불량경향을 살펴보면 헤드램프 매칭부를 성형하는 CAM#1 영역의 중앙단면에서 턴다운과 롤아웃 (roll-out)이 발생하고 양쪽으로 갈수록 롤인과 턴업 (turn-up) 현상이 발생한다.
최적 공정조건을 사용할 경우 초기 공정조건에 비해 롤인과 턴타운이 각각 최대 0.2mm, 0.1mm로 감소하여 최적 공정조건의 타당성을 검증하였다.
각 공정변수의 기본모델의 값에서의 섭동량은 굽힘각, 진입각, 플랜지 높이에 대하여 각각 5^o, 15^o, 1mm로 하였다. 해석 결과 Fig. 16에 나타낸 바와 같이 CAM#1의 진입각이 초기모델인 35.6^o의경우 불량이 최소이며, 공정변수를 변화시킬수록 불량이 증가하는 것으로 나타났다. 추후 공정변수 최적화 수행 시 CAM#1의 진입각은 대상에서 제외하였다.
CAM#1 영역인 헤드램프 매칭부의 플랜지 끝에서 소재의 압축이 심하게 발생하여 주름 가능성이 매우 높음을 확인할 수 있다. 헤밍 공정 종료 후 최대 0.1 mm의 스프링백이 발생함을 볼 수 있으며, 성형한계도 상의 파단은 예측되지 않았다. Fig.

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