대용량 알루미늄 라이너의 성형을 위한 역 드로잉 공정 해석 및 실험 Simulation and Experimental Investigation of Reverse Drawing Process for Manufacture of High-Capacity Aluminum Liner원문보기
대용량 알루미늄 라이너의 제작을 위해 역 드로잉 공정을 적용하였고, 최적의 역 드로잉 공정 설계에 대한 연구를 수행하였다. $350^{\circ}C$의 어닐링된 Al6061의 인장시험 및 해석을 수행하여 라이너 성형 해석을 위한 대변형률에서의 유동응력 및 연성파괴지수를 구하였다. 역드로잉 공정의 유한요소해석을 수행하여 금형의 형상, 블랭크 홀딩력, 드로잉비, 금형간의 간격, 부분가열영향에 대해 분석하였다. 유한요소해석을 통해 주름 및 파단을 방지하는 최적의 조건을 도출하여 시제품을 제작하였으나, 드로잉된 컵의 끝부분에서 부분적인 파단이 발생하였다. 하지만 후속공정을 적용하기 위한 충분한 길이가 확보되어 플로우 포밍, 스피닝 공정을 적용하여 최종제품을 제작하였다.
대용량 알루미늄 라이너의 제작을 위해 역 드로잉 공정을 적용하였고, 최적의 역 드로잉 공정 설계에 대한 연구를 수행하였다. $350^{\circ}C$의 어닐링된 Al6061의 인장시험 및 해석을 수행하여 라이너 성형 해석을 위한 대변형률에서의 유동응력 및 연성파괴지수를 구하였다. 역드로잉 공정의 유한요소해석을 수행하여 금형의 형상, 블랭크 홀딩력, 드로잉비, 금형간의 간격, 부분가열영향에 대해 분석하였다. 유한요소해석을 통해 주름 및 파단을 방지하는 최적의 조건을 도출하여 시제품을 제작하였으나, 드로잉된 컵의 끝부분에서 부분적인 파단이 발생하였다. 하지만 후속공정을 적용하기 위한 충분한 길이가 확보되어 플로우 포밍, 스피닝 공정을 적용하여 최종제품을 제작하였다.
In this work, finite element investigations were carried out to optimize reverse drawing process design for manufacture of high-capacity aluminum liner used in fuel cell vehicle. The tensile tests with aluminum alloy Al6061 annealed at $350^{\circ}C$ were carried out to obtain the flow st...
In this work, finite element investigations were carried out to optimize reverse drawing process design for manufacture of high-capacity aluminum liner used in fuel cell vehicle. The tensile tests with aluminum alloy Al6061 annealed at $350^{\circ}C$ were carried out to obtain the flow stresses. In order to estimate more accurate flow stresses after necking, the flow stresses were estimated from the comparison of load vs. displacement curves which were obtained from experimental and simulation results of tensile tests. In case of finite element analyses of reverse drawing processes, it was focused on the effects of process designs such as punch and die designs, blank holding force, drawing ratio and the clearance between the punch and blank holder on the generation of wrinkle and fracture of the blank and partially heated punch. However, it was revealed that experimental results still show the fracture at the end of 2nd drawn cup, although partially heated punch is used. Nevertheless, the drawn cup can be used because the sufficient length of the drawn cup for the next flow forming process and spinning process was obtained.
In this work, finite element investigations were carried out to optimize reverse drawing process design for manufacture of high-capacity aluminum liner used in fuel cell vehicle. The tensile tests with aluminum alloy Al6061 annealed at $350^{\circ}C$ were carried out to obtain the flow stresses. In order to estimate more accurate flow stresses after necking, the flow stresses were estimated from the comparison of load vs. displacement curves which were obtained from experimental and simulation results of tensile tests. In case of finite element analyses of reverse drawing processes, it was focused on the effects of process designs such as punch and die designs, blank holding force, drawing ratio and the clearance between the punch and blank holder on the generation of wrinkle and fracture of the blank and partially heated punch. However, it was revealed that experimental results still show the fracture at the end of 2nd drawn cup, although partially heated punch is used. Nevertheless, the drawn cup can be used because the sufficient length of the drawn cup for the next flow forming process and spinning process was obtained.
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문제 정의
본 연구에서는 주름 및 파단이 없는 실린더 형상의 컵 성형을 위해 2단 정-역 드로잉 공정에 초점을 두었고, 공정에서 다양한 공정변수에 의한 소재 파단 여부를 분석하기 위해 Cockcroft-Latham의 연성파괴모델을 적용하여 최적의 공정설계를 도출하여 제품을 제작해 보았다.[3]
알루미늄 라이너의 생산에는 다양한 제조 기술이 있으나, 생산비용 및 생산시간의 최소화 측면에서 2단 정-역 드로잉(drawing) - 플로우 포밍(Flow forming) - 스피닝(Spinning)을 통해 알루미늄 라이너 개발을 목표로 하고 있다. 특히 역 드로잉 공정은 기존 다단 정 드로잉 공정에 비해 한 프레스 내에서 금형의 교체없이 성형이 가능하므로 생산성 측면에서 매우 효율적이다.
가설 설정
벽면부 펀치-다이 간극이 20mm인 홀더(c)는 10.5mm로 유지된 홀더(b)보다 연성파괴지수가 더 낮게 예측되어 파단가능성이 낮다.
인장시험 결과 방향별 이방성은 없다고 판단되었다. 인장시험에서 넥킹 이후의 유동응력을 예측하기 위해 강도계수와 가공경화지수를 가정하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석 및 인장시험에서 도출된 하중-변위 선도를 비교하여 하중 오차가 가장 적을 때의 강도계수와 가공경화지수를 도출하였다.
제안 방법
16와 같이 최종 드로잉공정의 컵 제품을 생산하였다. 1차 공정의 제품의 경우 주름 및 주름 현상이 관찰되지 않으나, 2차 공정의 제품은 끝단부에 일부 파단이 발생하였으나 충분한 길이의 컵을 확보하였고, 이를 이용해 Fig. 17과 같이 플로우 포밍과 스피닝 공정을 통해 Al라이너를 제조하였다.
드로잉 공정에서 금형의 가열은 소재유입의 저항을 감소시키고, 소재의 가공경화를 완화시켜 성형성을 증가시키므로 크랙이 발생하는 문제점을 해결하고자 1차 펀치를 300℃까지 가열하는 방법을 선택하였다. 1차 펀치부 전체를 가열하여 5분 동안 소재에 열전달이 이뤄진 후 공정을 진행한 결과 Fig. 12와 같이 곡률부의 높은 온도로 인해 파단이 발생하는 문제가 발생되어 벽면부만 가열하는 방법을 모색하였다.
가열 카트리지를 통해 1차 공정의 펀치부의 밑면부를 가열하여 열전달이 이뤄지며, 금형간의 간극에 따라 곡률부의 온도분포를 확인하였다. 가열온도는 300℃로 가열했을 때 곡률부의 Fig.
기존 상온장비를 수정 및 보안하여 부분가열공정의 장비를 제작하였고, Fig. 16와 같이 최종 드로잉공정의 컵 제품을 생산하였다. 1차 공정의 제품의 경우 주름 및 주름 현상이 관찰되지 않으나, 2차 공정의 제품은 끝단부에 일부 파단이 발생하였으나 충분한 길이의 컵을 확보하였고, 이를 이용해 Fig.
실험에서 1차 공정의 제품의 벽면부의 두께 증가가 커지는 경향을 보이므로 이는 벽면부에 가공경화의 영향이 큰 것으로 분석된다. 드로잉 공정에서 금형의 가열은 소재유입의 저항을 감소시키고, 소재의 가공경화를 완화시켜 성형성을 증가시키므로 크랙이 발생하는 문제점을 해결하고자 1차 펀치를 300℃까지 가열하는 방법을 선택하였다. 1차 펀치부 전체를 가열하여 5분 동안 소재에 열전달이 이뤄진 후 공정을 진행한 결과 Fig.
드로잉 성형해석에 요구되는 유동응력을 도출하기 위해 압연방향의 0°, 45°, 90°의 시편을 L: 50mm ✕W: 12.5mm ✕ T: 8.15mm의 크기로 채취한 후 350℃에서 3시간 소둔처리 하였고, 이후 12시간 동안 노냉하여 인장시험을 하였다.
예측된 유동응력을 이용하여 인장시험시 파단이 발생하는 변위를 기준으로 연성파괴지수 C을 도출하였다. 연성파괴모델은 알루미늄의 연성파괴예측에 적합하다고 알려진 Cockcroft-Latham식을 적용하였고, 예측된 C값은 식 (1)과 같다.
인장시험에서 넥킹 이후의 유동응력을 예측하기 위해 강도계수와 가공경화지수를 가정하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석 및 인장시험에서 도출된 하중-변위 선도를 비교하여 하중 오차가 가장 적을 때의 강도계수와 가공경화지수를 도출하였다. Fig.
대상 데이터
99가 한계값이며, 이를 기준으로 성형해석에서 파단을 예측하였다. 공정해석을 위한 초기 소재는 74L 라이너를 기준으로 무게 환산 20.5kg에 적합한 직경 1100.0mm 두께 8.0mm의 판재를 사용하였고, 소성가공 해석 프로그램인 Deform-3D를 이용하였으며, 사면체 요소 약 80,000개를 사용하였다. 인장시험 및 해석에서 판재소재의 이방성은 관찰 되지 않아 Von Mises 항복조건을 적용하였고, 인장-압축 응력으로 변화가 수반되는 정-역 드로잉 공정이므로 이동 경화 항복 조건식 (Kinematic hardeningyield creterion)을 적용하여 해석하였다.
10과 같고, 최대성형하중은 약 400Ton으로 예측된다. 안전율을 고려하여 Fig. 10와 같은 500Ton의 프레스 장비와 금형을 제작하였다. Fig.
이론/모형
예측된 유동응력을 이용하여 인장시험시 파단이 발생하는 변위를 기준으로 연성파괴지수 C을 도출하였다. 연성파괴모델은 알루미늄의 연성파괴예측에 적합하다고 알려진 Cockcroft-Latham식을 적용하였고, 예측된 C값은 식 (1)과 같다.[6]
0mm의 판재를 사용하였고, 소성가공 해석 프로그램인 Deform-3D를 이용하였으며, 사면체 요소 약 80,000개를 사용하였다. 인장시험 및 해석에서 판재소재의 이방성은 관찰 되지 않아 Von Mises 항복조건을 적용하였고, 인장-압축 응력으로 변화가 수반되는 정-역 드로잉 공정이므로 이동 경화 항복 조건식 (Kinematic hardeningyield creterion)을 적용하여 해석하였다.[6]
성능/효과
1) 역 드로잉 공정에서 주름방지를 위해 블랭크 홀더가 필요로 하며 최적의 형상 및 간극을 도출하였다.
2) 다이 곡률 반경이 클수록 파단방지에 효과적이며 드로잉 비는 균등할 경우 파단방지에 효과적이고, 공정수를 감소하기 위해 제품과 동일한 원형의 곡률반경의 펀치를 사용하여 성형이 가능함을 확인하였다.
3) 국부가열공정의 경우 1차 공정 후 역 드로잉 공정에서 제품 곡률부의 온도증가는 파단발생의 원인이 되며, 벽면부만 가열하는 것이 누적된 가공경화를 완하시켜 성형성을 증가시킨다.
4) 벽면부만 가열하는 공정을 통해 제품 생산이 가능하지만 제품의 벽면 끝단부 미소한 파단이 발생하여 더 나은 가열공정이 요구됨을 확인하였다.
9에 비교하여 나타내었다. CASE2, CASE3, CASE4와 같이 드로잉 비가 큰 경우 곡률부 및 펀치 벽면부에서 파단이 발생할 가능성이 커지며, 드로잉 비가 균등한 CASE1의 경우 연성파괴지수가 작아 파단가능성이 낮게 예측되었다. [2]
또한 1차 공정에서 블랭크 홀딩력에 의한 파단 발생여부을 비교 분석하기 위해 홀딩력 10Ton과 40Ton을 적용하여 해석을 한 결과로 Fig. 4의 선도에서 40Ton의 경우 두께 변형율이 크게 나타낸다. 블랭크 홀딩력은 주름이 발생 하지 않는 최소 홀딩력을 주는 경우가 성형성 증가에 가장 적절하다
10의 정-역 드로잉 장비를 제작하였다. 최종 공정 설계안 및 금형 설계안을 적용한 결과 성형하중은 Fig. 10과 같고, 최대성형하중은 약 400Ton으로 예측된다. 안전율을 고려하여 Fig.
15는 최종 2차 공정제품의 연성파괴값과 제품의 온도 분포이다. 최종 제품의 연성파괴지수는 0.75로서 상온공정보다 0.18감소하였으며, 실제제품의 생산 중 파단이 발생하지 않을 것으로 예측되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알루미늄 라이너 생산의 최적화를 위해 어떤 순서의 공정을 개발하려고 하는가?
알루미늄 라이너의 생산에는 다양한 제조 기술이 있으나, 생산비용 및 생산시간의 최소화 측면에서 2단 정-역 드로잉(drawing) - 플로우 포밍(Flow forming) - 스피닝(Spinning)을 통해 알루미늄 라이너 개발을 목표로 하고 있다. 특히 역 드로잉 공정은 기존 다단 정 드로잉 공정에 비해 한 프레스 내에서 금형의 교체없이 성형이 가능하므로 생산성 측면에서 매우 효율적이다.
역 드로잉 공정시 파단을 막기 위해서는 어떻게 하는 것이 좋은가?
특히 역 드로잉 공정은 기존 다단 정 드로잉 공정에 비해 한 프레스 내에서 금형의 교체없이 성형이 가능하므로 생산성 측면에서 매우 효율적이다. 그러나 역드로잉 공정 시 파단 확률이 매우 높으므로 적절한 금형형상이나 공정조건이 중요하며, 파단발생을 억제하기 위해서는 소둔처리 후 성형하는 것이 안정적이다. [3~5]
역 드로잉 공정이 생산성 측면에서 효율적인 이유는?
알루미늄 라이너의 생산에는 다양한 제조 기술이 있으나, 생산비용 및 생산시간의 최소화 측면에서 2단 정-역 드로잉(drawing) - 플로우 포밍(Flow forming) - 스피닝(Spinning)을 통해 알루미늄 라이너 개발을 목표로 하고 있다. 특히 역 드로잉 공정은 기존 다단 정 드로잉 공정에 비해 한 프레스 내에서 금형의 교체없이 성형이 가능하므로 생산성 측면에서 매우 효율적이다. 그러나 역드로잉 공정 시 파단 확률이 매우 높으므로 적절한 금형형상이나 공정조건이 중요하며, 파단발생을 억제하기 위해서는 소둔처리 후 성형하는 것이 안정적이다.
참고문헌 (6)
Yoo, G. H., Kim, J. L., Lee, T. S., Lee, J. H., Study of the Characteristics of Hydrogen Gas Filling Process of Ultra-Light Composite Tanks for Fuel Cell Vehicles, Transactions of the Korean Society of me chanical engineers, Vol. 35, pp. 813-819, (2011)
Kim, C. K., Kim, D. H., The Effects of Affecting Ratios on the Strength Safety of a Composite Fuel Tank for FEV, Vehicles KIGAS Vol. 15, pp. 35-39, (2011)
Kim, H. K., Hong, S. K., FEM based optimum design of multi stage deep drawing process of molybdenum sheet, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 184, pp. 354-362, (2007)
Yoon, J. H., Jung, S. Y., Choi, Y., Kim, C., Choi, J. C., A study on the Development of Computer Aided Process Planning System for the Deep Drawing & Ironnig of High Pressure Gas Cylinder, Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol. 9 pp. 177-186, (2002)
Ryu, H. Y., Bae, W. T., Kim, J. H., Kim, S. M., Goo, B. Y., Keum, Y. T., Finite Element Analysis and Experimental Investigation of Non-isothermal Forming Processes for Aluminum-alloy Sheet Metals, Transactions of the Korean Society of me chanical engineers, Vol. 24, pp. 87-93, (2000)
Jun, K.C., Deformation of A thin plate, Bando publish, (1993)
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