[논문]길이방향을 따라 선형 대칭적으로 변하는 좌우대칭 U형 단면을 가진 제품의 포밍 롤 설계

김광희; 윤문철

doi:10.14775/ksmpe.2016.15.4.073

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Recently, automobile industries have been developing many structural automotive parts made of thin, high-strength steel strips to produce safer and more environmentally friendly cars. The roll forming process has been considered one of the most efficient processes in manufacturing high-strength stee...

Recently, automobile industries have been developing many structural automotive parts made of thin, high-strength steel strips to produce safer and more environmentally friendly cars. The roll forming process has been considered one of the most efficient processes in manufacturing high-strength steel parts because it is a high-speed process that forms sheets in increments. However, most automotive parts vary longitudinally in their cross-sections. Therefore, it is difficult to apply the roll forming process to automotive parts made of high-strength steel. A variable section roll forming process has been proposed in recent studies. The rotational axes of the forming rolls are fixed, and the forming rolls have three-dimensional shape. As such, the cross-section of the part varies linearly along its length, and the angle between the bend line and longitudinal axis is less than 1 degree. Thus, the rate of cross-sectional variation along the length is relatively small. In this study, the rate of cross-sectional change along the length of a forming roll has been increased. Moreover, the angle between the bend line and longitudinal axis has been increased up to 15 degrees. The variable sections of the forming rolls have been designed for high strength steel parts with a symmetric u-type cross-section that varies linearly and symmetrically along the longitudinal axis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고강도강판을 이용한 다양한 자동차 차체 부품 생산에 적용할 수 있는 가변 단면포밍 롤 설계 기술을 확보하기 위하여, 제품의 단면형상 변화가 길이 방향의 양쪽으로 대칭적이고 선형적으로 변하는 더욱 확장된 경우의 포밍 롤 설계를 수행하였다.

제안 방법

3차원 플라워에 나타난 각 단에서의 형상으로 소재를 성형하기 위한 포밍 롤들은 다음과 같은 개념으로 설계하였다. 각 단에서 성형될 모습을 다단의 프레스 금형를 이용하여 성형한다고 생각하고, 각단의 위쪽 금형은 위쪽 롤의 회전축을 중심으로 굽혀져 감기고 아래쪽 금형은 아래쪽 롤의 회전축을 중심으로 굽혀져 감기는 개념으로 설계하였다. 이러한 방법으로 3차원 CAD 소프트웨어인 CATIA를 이용하여 다음 그림들(Figs.
고강도강판을 소재로 하는 좌우대칭의 U형 단면형상이 길이방향을 따라 양쪽으로 대칭적이고 선형적으로 변하는 제품 형상을 세 가지 선정하여 회전축이 고정된 가변단면 포밍 롤을 적용할 수 있도록 설계하였다. 또한 롤 간섭 제거 방법 세 가지를 적용하여 롤을 수정하여 유한요소해석을 반복적으로 수행하여 최종 포밍 롤을 완성하였다.
소재는 계산 시간 단축을 위하여 제품 1개 길이만큼 모델링하였다. 유한요소해석과 포밍 롤 수정을 반복적으로 수행하여야 하므로 해석 초기에는 1~3단의 포밍 롤만 해석하고 롤 수정이 끝나 결함이 없는 것으로 판단되면 다음 단의 롤들을 순차적으로 추가하면서 해석하고 롤을 수정하였다.

대상 데이터

가변 단면 롤 포밍 공정을 적용하여 성형될 제품으로는 Fig. 1과 같이 좌우대칭의 U형 단면형상으로 길이방향을 따라 전후 양쪽으로 대칭적이고 선형적으로 변하는 제품을 선정하였다. 제품의 치수로는 선단과 후미에서 단면 바닥의 폭은 100mm,전체 길이는 386.
2mm로 각각 선정하였다. 소재는 이전의 연구들^[2,6,7]에서 사용된 고강도강(SPFC 1180)으로 선정하였다.

이론/모형

소재의 물성자료는 실험을 통하여 구한 고강도강(SPFC 1180)의 자료^[2]를 사용하였다.
5, 6, 7의 포밍 롤 세트에 대한 성형해석을 수행하였다. 해석 방법은 이전의 연구와 유사하게 체적요소를 이용한 탄소성 유한요소해석을 채택하였다^[2,6,7].

성능/효과

가변단면 롤 포밍 공정 시 제품의 바닥부분에 형성되는 굽힘선이 제품의 길이방향 축과 이루는 각이 5°와 10°인 경우에는 비교적 만족할 만한 제품을 성형할 수 있었다. 그러나 제품의 바닥부분에 형성되는 굽힘선이 제품의 길이방향 축과 이루는 각이 15°인 경우는 상하 롤 간섭이 제 9단에서 심하게 발생하였다.
가변단면 롤 포밍 공정 시 제품의 바닥부분에 형성되는 굽힘선이 제품의 길이방향 축과 이루는 각이 5°와 10°인 경우에는 비교적 만족할 만한 제품을 성형할 수 있었다. 그러나 제품의 바닥부분에 형성되는 굽힘선이 제품의 길이방향 축과 이루는 각이 15°인 경우는 상하 롤 간섭이 제 9단에서 심하게 발생하였다.
현재까지의 연구 결과로는 굽힘선이 제품의 길이방향 축과 이루는 각이 10°이내인 부품에 대해서는 본 연구에서 제안된 간섭 제거 방법을 적용하여 가변 단면 포밍 롤을 설계할 수 있었다.

후속연구

4°의 스프링백이 발생하였으며 이전의 연구결과^[7]에 의하여 한두 단의 보정 롤을 추가하여 이를 보상해 주면 만족스러운 제품을 얻을 수 있음을 알 수 있다. α가 15°인 제품은 현재까지의 연구결과로는 롤 포밍 공정으로만 성형하기는 곤란하며 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고강도강판의 단점은 무엇인가?	최근 자동차 업계에서는 더욱 안전하고 환경 친화적인 자동차를 제작하기 위하여, 두께를 줄임으로써 무게를 줄여 연비를 높이고, 강도를 올림으로써 안전성을 향상시킨 고강도강판(high strength steelstrip) 차체용 부품의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 그러나 고강도강판은 두께가 얇아지거나 강도가 올라갈수록 성형성이 급격하게 나빠지게 되므로 열간성형(hot forming) 또는 냉간 점진적 성형(cold incremental forming)이 필요하게 된다.
	냉간 점진적 성형 공정 중 프로그레시브 금형이나 트랜스퍼 금형을 이용한 다단 프레스 성형 공정의 문제점은 무엇인가?	한편, 냉간 점진적 성형 공정 중 대표적 공정인 프로그레시브(progressive) 금형이나 트랜스퍼(transfer) 금형을 이용한 다단 프레스 성형(multi-stage press forming) 공정은 금형비용이 높기 때문에 최대 4~5단 정도에서 성형이 이루어지고 있다. 그런데 소재의 두께가 얇아지면서 강도가 올라가면 높은 성형 하중과 경도로 인하여 금형의 수명이 과도하게 짧아지는 문제가 발생한다. 따라서 잦은 금형 수리 및 교체가 필요하게 되어 생산속도 및 경제성에 많은 문제가 발생하고 있다.
	최근 자동차 업계에서는 더욱 안전하고 환경 친화적인 자동차 제작을 위해 무엇을 하는가?	최근 자동차 업계에서는 더욱 안전하고 환경 친화적인 자동차를 제작하기 위하여, 두께를 줄임으로써 무게를 줄여 연비를 높이고, 강도를 올림으로써 안전성을 향상시킨 고강도강판(high strength steelstrip) 차체용 부품의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 그러나 고강도강판은 두께가 얇아지거나 강도가 올라갈수록 성형성이 급격하게 나빠지게 되므로 열간성형(hot forming) 또는 냉간 점진적 성형(cold incremental forming)이 필요하게 된다.

참고문헌 (8)

Jung, D. W., Lee, M. Y. and Kim, K. H., "A Study on the Production of the Back Beam for an Automotive Bumper by Roll Forming Process," Journal of the Korean society of Precision Engineering, Vol. 20, No. 7, pp. 163-170, 2003.
Kim, K. H. and Sim, S. B., "Development of Roll Forming Process for an Automotive Part of High Strength Steel," ournal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 4, No. 3, pp. 45-50, 2005.
Abee, A., Berner, S. and Sedlmaier, A., "Accuracy Improvement of Roll Formed Profiles with Variable Cross Sections," Proceeding of 9th International Conference of Plasticity (ICTP), pp. 520-527, 2008.
Larranaga, J., Galdos, L., Garcia, C., Ortubay R. and Arrizabalaga, G., "Flexible Roll Forming Process Reliability and Optimisation Methods," Advanced Technology of Plasticity, pp. 688-689, 2008.
Ona, H., Sho, R., Nagamachi T. and Hoshi, K., "On Development of Flexible Cold Roll Forming Machine," Proceeding of 9th International Conference of Plasticity (ICTP), pp. 2021-2025, 2008.
Kim, K. H. and Yoon, M. C., "Development of a Roll forming Process of Linearly Variable Symmetric U-type Cross-section," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 4, pp. 118-125, 2015.

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Kim, K. H. and Yoon, M. C., "Development of a Roll-Forming Process of Linearly Variable Symmetric Hat-type Cross-section," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 4, pp. 118-125, 2015.

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Jung, W. J., Park, M. H., Choi, J. K., Nam, K. S., Shang, Z., Lee, J. H. and Lee, S. S., "Design of Roll Forming Machine for Fail Safe Chord Forming Process," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 13, No. 4, pp. 44-49, 2014.

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