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문제 정의
- 본 논문에서는 인장강도 1.5GPa급 초고강도강판 소재를 적용한 차체부품의 성형용 프레스금형 표면에 사용되는 CrN 코팅층의 수명을 예측하였다. 이를 위해 성형공정해석 및 마모시험을 모사한 접촉 유한요소해석을 이용하여 마모시험의 조건을 도출하였다.
- 본 논문에서는 인장강도 1.5GPa급 초고강도강판을 소재로 성형되는 차체 부품용 프레스금형의 CrN 코팅층 수명예측을 위한 수명예측식을 제안하고 적용 가능성을 분석하였다. 본 논문에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
가설 설정
- 8mm 미 성형하였다[3]. 블랭크를 변형체로 가정하여 BLT(Belytschko-Lin-Tsay) 쉘요소[8]를 사용하여 모델링하고, 요소 크기는 1mm로 균일하게 분할하였다. 요소의 두께방향 적분점의 수를 5개로 설정하였다.
제안 방법
- (1) 1.5GPa급 초고강도강판을 소재로 성형되는 프레스금형의 CrN 코팅층 수명예측을 위해 성형공정 해석을 실시하여 마모관련 변수의 범위를 도출하였다. 접촉압력, 상대속도, 미끄럼 거리의 범위는 각각 0.
- (2) 마모시험을 실시하여 각 변수들이 마모량에 미치는 영향을 분석하였다. 수직하중과 미끄럼거리가 증가할수록 마모량은 증가하였다.
- CrN 코팅층 수명예측을 위해 마모시험 결과를 활용하여 마모예측식을 도출하였다. 실험계획법(DOE:design of experiments)의 일종인 다구찌법을 이용하고 분산분석(ANOVA: analysis of variance)을 통해 추론된 값의 신뢰성을 분석하였으며 반응표면분석법(RSM: response surface method)을 이용하여 마모예측식을 제안하였다.
- CrN 코팅층의 마모특성을 분석하기 위해 Fig. 9와 같이 핀(pin)과 더미(dummy) 시험편을 제작하였다. Fig.
- 9와 같이 핀(pin)과 더미(dummy) 시험편을 제작하였다. Fig. 10의 열처리를 반영하여 STD11 소재에 진공열처리를 실시하고 이온 질화처리 및 PVD 코팅을 실시하였다. 더미시험편을 이용하여 코팅층의 밀착력 및 경도를 측정한 결과 각각 29N과 1630.
- 이를 위해 성형공정해석 및 마모시험을 모사한 접촉 유한요소해석을 이용하여 마모시험의 조건을 도출하였다. 구하여진 조건에 따라 마모시험을 실시하고 실험계획법 및 통계분석을 이용하여 CrN 코팅층의 마모예측식을 제안하였다.
- 성형공정해석의 결과를 이용하여 금형과 소재 간의 접촉압력(p), 상대속도(v), 미끄럼거리(L)를 도출하였다. 금형과 소재간의 직접적인 접촉이 발생하는 시점만 고려하였고 Fig. 5와 같이 각 금형당 두 지점을 측정하였다. 접촉 압력은 측정 지점의 절점에서 발생되는 압력의 평균값으로부터 도출하였다.
- 단일 변수가 코팅층 마모량에 미치는 영향을 분석하기 위해 Table 5와 같이 시험속도, 수직하중, 미끄럼거리 각각에 대하여 7가지 수준으로 1변수 연구를 수행하였다. 시험에서 사용한 기준변수는 60rpm, 60N, 60m 였다.
- 본 논문에서 마모시험은 Fig. 6과 같이 금형강으로 제작된 핀에 수직하중을 가하고 상대재인 초고강도강판을 일정 속도로 미끄럼 운동하는 pin-on-disc 방식으로 실시한다. 접촉압력은 수직하중과의 관계를 도출하여 그에 따라 부과하여야 한다.
- 분산분석 결과를 바탕으로 반응표면분석을 실시하여 식(1)과 같이 시험속도(v), 미끄럼거리(L), 수직하중(F)를 변수로 하는 마모깊이 d의 선형 예측식을 구성하였다. 여기서 마모깊이, 시험속도, 미끄럼거리, 수직하중의 단위는 각각 μm, rpm, mm, N이다.
- (3) 실험계획법을 이용하여 CrN 코팅층의 마모량에 영향을 미치는 기여도를 분석한 결과 미끄럼거리, 시험속도, 수직하중 순이었다. 분산분석과 회귀분석을 통해 마모시험 결과에 기반한 선형 마모수 명예측식을 제안하였다.
- 접촉 압력은 측정 지점의 절점에서 발생되는 압력의 평균값으로부터 도출하였다. 상대속도는 블랭크 절점의 위치벡터를 이용하여 도출하였으며, 미끄럼거리는 상대속도를 시간에 대하여 적분하여 계산하였다. 해석에서 구한 3개 변수의 범위를 Table 3에 정리하였다.
- 성형공정해석의 결과를 이용하여 금형과 소재 간의 접촉압력(p), 상대속도(v), 미끄럼거리(L)를 도출하였다. 금형과 소재간의 직접적인 접촉이 발생하는 시점만 고려하였고 Fig.
- 성형금형의 CrN 코팅층 마모수명을 예측하기 위해 마모시험을 실시하였다. 이를 위해 실제 금형 제작방법과 동일한 방법으로 핀 시험편을 제작하고 시험 변수가 마모량에 미치는 영향도를 분석하였다.
- 성형해석결과에서 얻어진 접촉조건 중 가장 가혹 한 조건인 시험속도 500rpm과 수직하중 5N을 부과하고 코팅층 두께를 10μm로 가정하였을 때 제안된 마모예측식 을 활용하여 코팅층 수명을 예측하였다.
- 수명예측식의 예측정도를 비교하기 위해 제4장에서 실시된 마모시험 결과를 Fig. 13에 제안된 수명예측식과 Archard 마모 모델의 수명예측을 비교하였다. 두 예측식 모두 경향은 유사하지만 본 논문에서 제안한 수명예측식이 시험값과 오차가 더 작으며 마모 깊이 변화의 기울기 또한 더 유사하다.
- 시험결과를 이용하여 K 값은 1.15602x10-8mm2, 수직 압력 p는 700MPa, 표면경도 H는 1630Hit를 적용하여 수명예측을 실시하였다.
- 접촉압력은 수직하중과의 관계를 도출하여 그에 따라 부과하여야 한다. 이를 위해 마모시험을 모사한 접촉해석을 수행하였다.
- 5GPa급 초고강도강판 소재를 적용한 차체부품의 성형용 프레스금형 표면에 사용되는 CrN 코팅층의 수명을 예측하였다. 이를 위해 성형공정해석 및 마모시험을 모사한 접촉 유한요소해석을 이용하여 마모시험의 조건을 도출하였다. 구하여진 조건에 따라 마모시험을 실시하고 실험계획법 및 통계분석을 이용하여 CrN 코팅층의 마모예측식을 제안하였다.
- 성형금형의 CrN 코팅층 마모수명을 예측하기 위해 마모시험을 실시하였다. 이를 위해 실제 금형 제작방법과 동일한 방법으로 핀 시험편을 제작하고 시험 변수가 마모량에 미치는 영향도를 분석하였다. 본 논문에서는 Fig.
- 5와 같이 각 금형당 두 지점을 측정하였다. 접촉 압력은 측정 지점의 절점에서 발생되는 압력의 평균값으로부터 도출하였다. 상대속도는 블랭크 절점의 위치벡터를 이용하여 도출하였으며, 미끄럼거리는 상대속도를 시간에 대하여 적분하여 계산하였다.
- 14에 미끄럼 거리에 따른 마모 깊이의 관계를 도시하였다. 제안한 예측식(1)은 상수항의 존재로 인하여 초기 마모량이 예측되는 문제점이 있으며, 일정구간 에서 마모량이 음수를 갖는 문제점이 발생한다. 실제 성형공정에서 도출되는 시험조건과 상이한 조건의 마모시험을 이용하여 마모예측식을 구성하였기 때문으로 판단된다.
- 이를 위해 성형공정해석을 상용 유한요소해석 프로그램인 PAM-STAMP 2G[4]를 이용하여 수행하였다. 해석결과로부터 블랭크와 금형 간의 상대속도, 접촉압력, 미끄럼거리를 도출하였다. 마모시험에서 부과하는 수직하중과 접촉압력의 관계를 도출하기 위하여 LS-DYNA V.
대상 데이터
- 본 논문의 대상은 센터플로어 사이드 어퍼 멤버(center floor side upper member)로 Fig. 1에 도시한 바와 같이 차량의 승객석 아래에 위치한다. 본 부재는 정면 및 측면충돌 시 승객을 보호하는 중요한 기능을 하며 초고강도강으로 제작된다.
- 1에 도시한 바와 같이 차량의 승객석 아래에 위치한다. 본 부재는 정면 및 측면충돌 시 승객을 보호하는 중요한 기능을 하며 초고강도강으로 제작된다. Fig.
- 본 부품은 2개 공정으로 성형이 이루어 진다. 제1공정(OP10)은 제품의 기본형상을 성형하는 폼(form) 공정이며 제2공정(OP20)은 캠 피어싱(cam piercing) 공정이다.
- 성형공정해석은 금형에 가장 많은 하중이 가해지고 소재의 변형이 주로 발생하는 제1공정인 폼(form) 공정을 대상으로 실시하였다. 금형은 Fig.
- 소재는 두께 1.4mm인 인장강도 1.5GPa급 마르텐 사이트 강인 MART1470으로 항복함수는 Hill의 1948 평면이방성 모델[6]을 사용하였다. 소재의 인장-압축 거동을 해석에 구현하기 위하여 이동경화(kinematic hardening) 이론 중 하나인 Yoshida-Uemori 모델[7]을 이용하였다.
- 단일 변수가 코팅층 마모량에 미치는 영향을 분석하기 위해 Table 5와 같이 시험속도, 수직하중, 미끄럼거리 각각에 대하여 7가지 수준으로 1변수 연구를 수행하였다. 시험에서 사용한 기준변수는 60rpm, 60N, 60m 였다. 각각의 시험은 두 번씩 수행하여 평균 값을 적용하였으며 시험에서 얻어진 마모량 변화를 Fig.
데이터처리
- CrN 코팅층 수명예측을 위해 마모시험 결과를 활용하여 마모예측식을 도출하였다. 실험계획법(DOE:design of experiments)의 일종인 다구찌법을 이용하고 분산분석(ANOVA: analysis of variance)을 통해 추론된 값의 신뢰성을 분석하였으며 반응표면분석법(RSM: response surface method)을 이용하여 마모예측식을 제안하였다. 통계 분석은 MINITAB[10]을 이용하였다.
- 금형 코팅층의 마모특성을 분석하고 수명을 예측하기 위해서는 실제 성형공정 중에 발생되는 상대속도, 접촉압력, 미끄럼거리를 도출하여 마모시험조건을 구성하여야 한다. 이를 위해 성형공정해석을 상용 유한요소해석 프로그램인 PAM-STAMP 2G[4]를 이용하여 수행하였다. 해석결과로부터 블랭크와 금형 간의 상대속도, 접촉압력, 미끄럼거리를 도출하였다.
이론/모형
- 해석결과로부터 블랭크와 금형 간의 상대속도, 접촉압력, 미끄럼거리를 도출하였다. 마모시험에서 부과하는 수직하중과 접촉압력의 관계를 도출하기 위하여 LS-DYNA V.971[5]를 이용한 마모시험의 해석을 수행하였다.
- 이를 위해 실제 금형 제작방법과 동일한 방법으로 핀 시험편을 제작하고 시험 변수가 마모량에 미치는 영향도를 분석하였다. 본 논문에서는 Fig. 8과 같이 1 pin-on-disc 방식으로 시험을 실시하였다. 제3장에서 도출한 성형공정에서의 변수 범위와 시험에서 활용한 범위를 Table 4에 비교하였다.
- 5GPa급 마르텐 사이트 강인 MART1470으로 항복함수는 Hill의 1948 평면이방성 모델[6]을 사용하였다. 소재의 인장-압축 거동을 해석에 구현하기 위하여 이동경화(kinematic hardening) 이론 중 하나인 Yoshida-Uemori 모델[7]을 이용하였다. 해석에 사용된 기계적 물성과 이동경화 모델의 계수들을 각각 Table 1과 Table 2에 정리하였다.
- 실험계획법(DOE:design of experiments)의 일종인 다구찌법을 이용하고 분산분석(ANOVA: analysis of variance)을 통해 추론된 값의 신뢰성을 분석하였으며 반응표면분석법(RSM: response surface method)을 이용하여 마모예측식을 제안하였다. 통계 분석은 MINITAB[10]을 이용하였다.
성능/효과
- (3) 실험계획법을 이용하여 CrN 코팅층의 마모량에 영향을 미치는 기여도를 분석한 결과 미끄럼거리, 시험속도, 수직하중 순이었다. 분산분석과 회귀분석을 통해 마모시험 결과에 기반한 선형 마모수 명예측식을 제안하였다.
- (4) 제안된 예측식과 Archard 마모 모델을 이용하여 1.5GPa급 초고강도강판 차체부품용 성형금형의 CrN 코팅층 수명예측을 실시한 결과 속도를 고려하지 않은 Archard 마모 모델은 47,500회, 속도를 고려하는 제안된 예측식은 40,000회의 수명을 예측하였다.
- Archard 마모 모델과 본 논문에서 제안한 예측식과의 가장 큰 차이는 속도 변수의 고려 유무이다. 시험결과를 이용하여 K 값은 1.
- 15602x10-8mm2, 수직 압력 p는 700MPa, 표면경도 H는 1630Hit를 적용하여 수명예측을 실시하였다. 그 결과 약 570m에서 코팅층이 완전 마모 되었으며 성형 1회당 12mm의 미끄럼거리를 고려하였을 때 47,500회로 코팅층 수명이 예측되었다.
- 12에 도시하였다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 마모량에 미치는 유의성은 미끄럼거리, 시험속도, 수직하중 순으로 나타났다. 분산분석의 일종인 일반선형모델을 이용하여 타당성을 확인한 결과 3가지 변수 모두 유의 확률(p-value) 99%를 만족하였다.
- 11에 도시하였다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 시험속도가 증가할수록 마모량은 감소하였고, 수직하중과 미끄럼거리가 증가할수록 마모량은 증가하였다. 속도가 증가함에 따라 블랭크와 금형면 사이의 마찰계수가 감소하여 마모량이 감소한 것으로 추측되나, 보다 정확한 원인의 규명을 위해서는 추가연구가 필요한 것으로 보인다.
- 10의 열처리를 반영하여 STD11 소재에 진공열처리를 실시하고 이온 질화처리 및 PVD 코팅을 실시하였다. 더미시험편을 이용하여 코팅층의 밀착력 및 경도를 측정한 결과 각각 29N과 1630.07Hit으로 코팅층의 기준을 만족하였다. 핀과 더미 시험편 코팅층의 두께는 각각 10μm와 11μm로 측정되었다.
- 13에 제안된 수명예측식과 Archard 마모 모델의 수명예측을 비교하였다. 두 예측식 모두 경향은 유사하지만 본 논문에서 제안한 수명예측식이 시험값과 오차가 더 작으며 마모 깊이 변화의 기울기 또한 더 유사하다. 또한, Archard 모델의 경우 시험속도의 영향이 무시되어 동일 압력과 미끄럼거리에서 동일한 마모량을 예측하는 반면 제안된 예측식은 시험과 잘 일치하는 경향을 보인다.
- 두 예측식 모두 경향은 유사하지만 본 논문에서 제안한 수명예측식이 시험값과 오차가 더 작으며 마모 깊이 변화의 기울기 또한 더 유사하다. 또한, Archard 모델의 경우 시험속도의 영향이 무시되어 동일 압력과 미끄럼거리에서 동일한 마모량을 예측하는 반면 제안된 예측식은 시험과 잘 일치하는 경향을 보인다.
- 그래프에서 확인할 수 있듯이 마모량에 미치는 유의성은 미끄럼거리, 시험속도, 수직하중 순으로 나타났다. 분산분석의 일종인 일반선형모델을 이용하여 타당성을 확인한 결과 3가지 변수 모두 유의 확률(p-value) 99%를 만족하였다.
- 수직하중 40N 이상인 경우 오차가 다소 발생하며 하중과 접촉압력은 비선형적 관계를 나타냄을 알 수 있다. 성형공정해석에서 도출한 접촉하중 범위 0.1~0.7GPa에 해당하는 수직하중은 1~5N의 범위를 가짐을 확인하였다.
- 수직하중과 미끄럼거리가 증가할수록 마모량은 증가하였다. 시험속도가 증가하면 마모량이 감소하는 현상이 발생하였으며, 마모량 예측 시 시험속도의 영향이 고려되어야 함을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 그래프에서 확인할 수 있듯이 시험속도가 증가할수록 마모량은 감소하였고, 수직하중과 미끄럼거리가 증가할수록 마모량은 증가하였다. 속도가 증가함에 따라 블랭크와 금형면 사이의 마찰계수가 감소하여 마모량이 감소한 것으로 추측되나, 보다 정확한 원인의 규명을 위해서는 추가연구가 필요한 것으로 보인다.
- 이의 해결을 위해서 마모시험의 속도를 증가시키고 압력을 감소시킨 조건 하에서 추가시험 및 보정이 필요하다. 실제 성형공정을 반영한 추가시험을 실시하여 예측식을 구성하면 예측식의 오차를 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다. 또한, Fig.
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