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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 알루미늄 판재의 HFQ 에서 성형온도가 스프링백에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 다양한 성형 온도에서 소재의 스프링백 특성을 평가하기 위해 모자 형상(hat shape) 성형 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 AA6061 판재의 HFQ에서 성형온도가 스프링백 발생량에 미치는 영향에 대해 조사하기 위해 모자 형상 성형 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- HFQ 공정의 성형 온도가 AA6061 판재의 결정립 크기에 미치는 영향을 알아보기 위해 광학현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 미세조직은 Keller 에칭법을 적용한 시편을 200배의 배율로 관찰하였으며 Intercept method를 이용하여 결정립의 크기를 측정하였다[11, 12].
- 8은 성형 온도에 따른 HFQ 조건의 시험편을 나타내었다. HFQ 조건에서 인공시효 처리가 치수 변화에 미치는 영향을 조사하기 위하여 열처리 유무에 따른 굽힘각도를 측정하였다. 그 결과, Fig.
- Hat shape 성형으로 제작된 시험편의 성형온도에 따른 스프링백 발생량을 측정하였다. 성형 및 열처리가 완료된 시편은 3차원 스캐너를 이용하여 형상을 측정하였으며, 정량적인 스프링백량의 비교를 위해 NUMISHEET ’ 93 벤치마크 문제에서 정의한 스프링백 표기방법을 활용하였다[13].
- 따라서, 본 연구에서는 알루미늄 판재의 HFQ 에서 성형온도가 스프링백에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 다양한 성형 온도에서 소재의 스프링백 특성을 평가하기 위해 모자 형상(hat shape) 성형 실험을 수행하였다. 또한, 스프링백 특성을 비교하기 위하여 냉간 스탬핑 공정을 대체하기 위해 많이 적용되고 있는 온간 성형(warm forming) 공정에 대한 실험을 수행하였다.
- 다양한 성형 온도에서 소재의 스프링백 특성을 평가하기 위해 모자 형상(hat shape) 성형 실험을 수행하였다. 또한, 스프링백 특성을 비교하기 위하여 냉간 스탬핑 공정을 대체하기 위해 많이 적용되고 있는 온간 성형(warm forming) 공정에 대한 실험을 수행하였다. 실험 후, 목표 성형 각도와 제품의 성형 각도의 비교를 통해 스프링백을 평가하였다.
- 일반적으로 알루미늄 판재를 이용한 차체 부품의 제조는 자연시효 또는 인공시효 처리된 소재에 냉 간 스탬핑 공정을 적용하여 제작된다. 본 연구에서는 냉간 스탬핑 공정에서 나타나는 성형성 저하 및 후열처리에 따른 열변형을 방지하기 위한 HFQ을 적용하였으며 그 절차를 Fig. 1에 나타내었다.
- 또한, 스프링백 특성을 비교하기 위하여 냉간 스탬핑 공정을 대체하기 위해 많이 적용되고 있는 온간 성형(warm forming) 공정에 대한 실험을 수행하였다. 실험 후, 목표 성형 각도와 제품의 성형 각도의 비교를 통해 스프링백을 평가하였다.
- 열처리 및 성형 온도에 따른 스프링백 발생량과 항복응력의 관계를 조사하기 위하여 AA6061 판재의 고온 인장 시험을 수행하였다. 인장 시험은 Table 2에 요약된 모자 형상 성형 실험과 동일한 온도 조건을 적용하였다.
- 5와 같이 모자 형상 성형 금형에 공기 퀜칭 장치를 장착하였다. 정확한 성형온도의 설정을 위해, 공기 퀜칭 중 소재에 K-type 열전대를 삽입하여 냉각 이력을 측정하였으며 측정 결과를 기반으로 하여 성형 시작 시점을 결정하였다. 이 때, 소재의 냉각 속도는 400℃ 조건에서 23.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 소재는 T6 열처리된 AA6061 판재이며, 그 화학 조성을 Table 1에 나타내었다. 스프링백 특성 평가를 위해 사용된 판재의 크기는 L240mm×W30mm×t1.
이론/모형
- HFQ 공정의 성형 온도가 AA6061 판재의 결정립 크기에 미치는 영향을 알아보기 위해 광학현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 미세조직은 Keller 에칭법을 적용한 시편을 200배의 배율로 관찰하였으며 Intercept method를 이용하여 결정립의 크기를 측정하였다[11, 12]. 측정위치는 경도측정 위치와 동일하게 적용하였으며, Fig.
- Hat shape 성형으로 제작된 시험편의 성형온도에 따른 스프링백 발생량을 측정하였다. 성형 및 열처리가 완료된 시편은 3차원 스캐너를 이용하여 형상을 측정하였으며, 정량적인 스프링백량의 비교를 위해 NUMISHEET ’ 93 벤치마크 문제에서 정의한 스프링백 표기방법을 활용하였다[13].
- 인장 시험은 Table 2에 요약된 모자 형상 성형 실험과 동일한 온도 조건을 적용하였다. 인장 시험편은 ASTM E8M 규격을 참고하여 비례 축소 시편 형상으로 가공하였으며 변형률 속도는 0.1/s로 설정하였다. Fig.
성능/효과
- (2) 공기 퀜칭 장치가 장착된 HFQ 시험 시, 시험편의 경도 및 미세 조직의 크기가 T6 열처리된 AA6061 초기 판재와 유사하였으므로 석출 경화 효과가 나타났을 것으로 판단되었다.
- (3) 성형 온도에 따른 스프링백 발생량 측정 시, 성형 온도가 증가할수록 치수정밀도가 우수한 것으로 나타났다. 또한, 온간 성형과 HFQ의 비교 시, 온간 성형된 제품의 스프링백 발생량이 2배 이상 크게 나타났다.
- (4) 스프링백의 발생량은 항복응력이 증가함에 따라 커지는 것으로 나타났으며, HFQ 과정에서 용체화 처리에 의한 석출경화 효과의 제거는 항복응력 및 유동응력 저하에 효과적이다.
- (5) HFQ을 적용하여 알루미늄 부품을 제조할 경우, 일반적으로 적용되는 공법인 냉간 및 온간 성형에 비해 우수한 치수정밀도를 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 10에 항복응력과 모자 형상 시험편의 하단부 스프링백 발생량의 관계를 도시하였다. HFQ 조건에서는 성형 온도가 감소함에 따라 항복응력이 미약하게 증가하였으며 스프링백 량도 크게 발생하였다. 또한, 온간성형 조건의 경우에는 석출경화 효과가 존재하기 때문에 항복응력이 크게 나타났으며 이에 따라 스프링백량도 증가는 것으로 판단된다.
- Yuan 등[5]은 2A12의 HFQ에서 금형의 온도가 소재의 조직 및 물성에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과, 상형은 냉간, 하형은 450℃로 가열한 조건에서 균일한 석출로 인해 높은 기계적 물성을 갖는다는 것을 확인하였다. 또한, Ko 등[6]은 에릭슨 테스트(Erichsen test)와 V-bending 실험을 통해 AA6061의 HFQ과 냉간 성형 공정의 성형성 및 기계적 특성을 평가하였다.
- 따라서 HFQ을 적용하여 알루미늄 부품을 제조할 경우, 일반적으로 적용되는 공법인 냉간 및 온간 성형에 비해 우수한 치수정밀도를 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 용체화처리 및 높은 성형 온도에 따른 성형력 저감 및 금형 수명의 증가, 성형성 증가, 열처리공정과 성형공정의 일체화에 따른 효율적인 제조 공정 설계가 가능할 것으로 기대된다.
- 이와 같이 경도 및 결정립 크기를 측정한 결과, 빠른 냉각 속도에 의한 석출경화 효과가 나타나 물성의 저하가 발생하지 않을 것으로 판단되었기 때문에 공기 퀜칭을 이용한 HFQ 실험의 적합성을 확인하였다.
후속연구
- 따라서 HFQ을 적용하여 알루미늄 부품을 제조할 경우, 일반적으로 적용되는 공법인 냉간 및 온간 성형에 비해 우수한 치수정밀도를 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 용체화처리 및 높은 성형 온도에 따른 성형력 저감 및 금형 수명의 증가, 성형성 증가, 열처리공정과 성형공정의 일체화에 따른 효율적인 제조 공정 설계가 가능할 것으로 기대된다.
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