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문제 정의
- 본 연구에서는 서보프레스의 다양한 슬라이드모션의 공정변수가 고장력 강판의 스프링백에 미치는 영향을 실험/해석적 분석을 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.
- 이에 본 연구에서는 980MPa급 고강도강판에 서보프레스의 각종 슬라이드모션 제어시 적용되는 공정변수가 스프링백에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
제안 방법
- 각 조건 별 5개의 시험편을 성형 후 Fig. 3과 같이 Wall Opening Angle(θ1), Flange Angle(θ2), Sidewall Curl(1/ρ)의 3가지 항목을 3차원(CMM) 측정하여 최대/최소값을 제외한 산술평균으로 그 값을 나타내었으며, 데이터의 평균을 중심으로 산포를 나타내는 표준편차를 계산하여 도시하였다.
- 4Level의 유지시간과 2Level의 하사점 도달 횟수를 혼합 설계하여 Table 3과 같이 총 8경우의 시험에 대해 특성치가 작을수록 좋은 망소특성을 이용하여 인자들을 SN비 분석을 하였다. SN비에 영향을 주는 인자의 최적수준은 SN비를 최대로 하는 수준이며, 수준별 요인 효과도는 Fig.
- 본 연구에서는 슬라이드의 상승·하강 스텝의 적절한 위치를 검토하기 위해 상승이 시작되는 개시위치, 상승높이 그리고 상승횟수에 대한 영향을 검토하고, 각각의 공정변수에 의한 스프링백 변화의 원인을 분석하고자 상승개시위치 및 상승높이에 따른 성형공정(Fig. 9, Fig. 11)을 PAM-STAMP를 이용하여 성형해석을 진행하였다.
- 상승높이는 10mm, 하사점 도달 전 상승횟수는 2회 그리고 각 단계의 슬라이드 상승 전 및 하사점에서 유지시간은 0초로 설정하였다.
- 9 에 나타내었다. 상형다이가 상승을 시작하는 상승개시 위치를 하사점으로부터 상향 40mm, 30mm, 20mm 위치에서 상승이 시작되도록 설정하였으며, 상승개시 위치의 50%지점인 20mm, 15mm, 10mm 위치에서 다음 단계의 상승이 진행되도록 설정하였다.
- 슬라이드의 시간을 제어함과 동시에 위치를 제어하면서 성형을 한 경우로서, 하사점까지 도달된 상형다이를 상승시킨 후 다시 하사점까지 하강시키는 2번의 반복성형으로, 하사점 도달 후 상승높이(이동량)은 50mm로 설정하였고, 상형다이가 하사점 도달 시 1초, 3초 그리고 5초의 시간을 유지하도록 설정하였으며, 성형조건에 대하여 Table 2 및 Fig. 6에 나타내었다.
- 다양한 슬라이드모션의 변화를 위한 공정변수 중하사점 도달 후 유지시간과 하사점 도달 횟수를 제어한 경우 즉, Stop모션과 Half모션에서 기존의 슬라이드모션(Crank모션)에 비해 스프링백이 전반적으로 많이 저감되는 경향이 나타났다. 이에, 하사점 도달 회수와 유지시간을 주요 인자로 하여 스프링백에 미치는 영향도를 분석하였다.
- 8mm의 980MPa급 GA도금강판으로 시험 시 시험편의 양면에 점도 46cSt의 윤활유를 도포하였다. 제품의 성형 깊이 50mm의 성형에 대하여 슬라이드모션은 크게 위치와 시간을 제어하였으며, 성형 속도는 제어하지 않고 30SPM(stroke per minute; 250mm/s)의 일정속도로 진행을 하였다.
대상 데이터
- 성형시험은 “U” 형상의 굽힘 시험으로 금형의 구성 및 시험에 사용된 C-Frame Single Action 200ton 서보프레스를 Fig. 2에 나타냈으며, 시험에 사용된 시험편은 길이 230mm, 폭 45mm, 두께 0.8mm의 980MPa급 GA도금강판으로 시험 시 시험편의 양면에 점도 46cSt의 윤활유를 도포하였다.
성능/효과
- (1) 슬라이드 시간 제어에 의해 하사점에서 3 초 이상의 유지시간을 부여 시 하사점에 1 회 도달하였음에도 스프링백 저감에 효과가 있음을 확인할 수 있었으며, 유지시간이 길수록 스프링백 저감량이 큼을 알 수 있었다.
- (2) 하사점에 도달회수가 2 회인 경우 유지시간을 부여하지 않았음에도 스프링백 저감에 좋은 효과를 나타내었으며, 더불어 유지시간까지 부여 시 스프링백의 저감량이 더 커짐을 알 수 있었다.
- (3) 하사점에서의 유지시간과 하사점 도달횟수가 각각의 스프링백을 저감시키기 위한 영향인자로 작용시 Wall Opening Angle 과 Flange Angle 의 경우 하사점에서 유지시간이 스프링백을 저감시키는데 큰 영향인자로 작용하였으며, Sidewall Curl 의 경우 하사점 도달회수가 스프링백을 저감시키는데 큰 영향인자로 작용하였다.
- (4) 하사점 도달 전 상형다이의 상승에 의한 위치 제어시 스프링백 저감에 큰 효과가 없음을 확인하였다. 다만, 상승을 시작하는 위치가 하사점과 가까울수록, 상승높이가 높을수록, 상승횟수가 많을수록 스프링백이 상대적으로 작게 나타났고, 이는 단계별 발생되는 응력의 변화 폭이 작음으로 인해 스프링백이 감소됨으로 판단된다.
- 하사점에서 1초의 시간을 유지한 경우 Wall Opening Angle과 Sidewall Curl은 다소 증가하는 경향을 나타내고 있으나 그 차이는 크지 않았다. 3초의 시간을 유지한 경우 Wall Opening Angle은 5.7%, Flange Angle 은 1.6%, Sidewall Curl은 2.1% 감소하였으며, 5초의 시간을 유지한 경우 Wall Opening Angle은 6.6%, Flange Angle은 3.3%, Sidewall Curl은 2.4% 감소하였다. 하사점에서 3초 이상 유지 시 스프링백이 감소함을 확인하였다.
- 측정결과 스프링백의 차이가 크게 나타나는 상승개시위치에 따른 성형의 경우 개시위치에 따라 단계별 응력 변화의 폭이 크게 나타났으며, 스프링백의 차이가 작게 나타나는 상승높이에 따른 성형의 경우 단계별 응력 변화의 폭이 작게 나타났다. 각 공정별 스프링백의 측정결과를 성형해석의 응력밴드 폭의 차이로부터 예측할 수 있음을 확인하였다.
- 그러나, 상승개시 위치와 상승높이에 따른 성형 해석 후 각 단계별 하강 후 성형품의 Center Line을 따라 나타낸 응력선도에서 나타나듯이 각 공정별 발생되는 응력의 최대 크기는 유사하지만, 단계에 따른 응력선도의 폭이 상이함을 알 수 있었다. 즉, Fig.
- (4) 하사점 도달 전 상형다이의 상승에 의한 위치 제어시 스프링백 저감에 큰 효과가 없음을 확인하였다. 다만, 상승을 시작하는 위치가 하사점과 가까울수록, 상승높이가 높을수록, 상승횟수가 많을수록 스프링백이 상대적으로 작게 나타났고, 이는 단계별 발생되는 응력의 변화 폭이 작음으로 인해 스프링백이 감소됨으로 판단된다.
- 다양한 슬라이드모션의 변화를 위한 공정변수 중하사점 도달 후 유지시간과 하사점 도달 횟수를 제어한 경우 즉, Stop모션과 Half모션에서 기존의 슬라이드모션(Crank모션)에 비해 스프링백이 전반적으로 많이 저감되는 경향이 나타났다. 이에, 하사점 도달 회수와 유지시간을 주요 인자로 하여 스프링백에 미치는 영향도를 분석하였다.
- 6% 감소하였다. 또한, 5초 유지 시 Flange Angle은 6.7%, Sidewall Curl은 6.0% 감소됨에 따라 하사점 도달 시에 시간을 길게 유지할수록 스프링 백이 작아짐을 알 수 있다.
- 11에 나타내었다. 상승높이를 5mm, 10mm, 15mm 변화시켜가며 성형을 진행한 결과 상승 되는 높이가 높을수록 즉, 상승되는 이동량이 많을수록 Fig. 12와 같이 스프링백이 작게 측정되었다.
- 성형결과 Fig. 7와 같이 하사점에 2회 도달만 했을 경우(유지시간 0초) 기존의 공정에 비해 Wall Opening Angle은 0.2% 감소하였으나, 1초 유지 시 4.6%, 3초 유지 시 5.3%, 5초 유지 시 6.6% 감소하였다. 또한, 5초 유지 시 Flange Angle은 6.
- 여러 단계를 거쳐 성형이 진행될 경우 단계별 응력의 변화가 작을수록 스프링백이 작음을 알 수 있고, 응력의 변화가 작기 때문에 스프링백이 감소하는 경향이 나타났다 판단된다. 또한, 각각의 위치에서 상대적으로 응력이 높게 나타남에도 불구하고 스프링백이 작게 발생됨에 따라 응력의 크기보다는 단계별 응력 변화의 폭이 스프링백에 더 큰 영향을 미침을 알 수 있다.
- 적절한 모션과 스텝의 설정에 따라 일반적인 프레스보다 성형성을 향상시킬 수 있지만, 시험 결과에서 나타나듯이 기존의 슬라이드 모션에 비해 좋은 결과를 나타내는 모션도 있지만 성형시간이 더 소요됨에도 불구하고 안 좋게 나타나는 모션도 존재함을 확인하였으며, 과도한 스텝은 프레스의 사이클을 저하시켜 생산성이 떨어지고, 변화된 모션이 기존의 모션에 비해 반드시 우수한 것은 아님을 알 수 있다.
- 9% 감소하였다. 즉, 상승개시 위치가 하사점에 가까울수록 스프링백이 작아지는 경향을 확인할 수 있었다.
- 측정결과 스프링백의 차이가 크게 나타나는 상승개시위치에 따른 성형의 경우 개시위치에 따라 단계별 응력 변화의 폭이 크게 나타났으며, 스프링백의 차이가 작게 나타나는 상승높이에 따른 성형의 경우 단계별 응력 변화의 폭이 작게 나타났다. 각 공정별 스프링백의 측정결과를 성형해석의 응력밴드 폭의 차이로부터 예측할 수 있음을 확인하였다.
- 하사점 도달 전 상승횟수를 2 회, 3 회, 4 회 변화시켜가며 성형을 진행한 결과 상승횟수가 많을수록 Fig. 14 와 같이 스프링백의 양이 작게 측정되었고, 상승횟수가 2 회인 경우보다 4 회인 경우 Wall Opening Angle 은 3.0%, Flange Angle 은 4.1%, Sidewall Curl 은 2.6% 감소함을 확인하였다.
- 하사점으로부터 상향 40mm 위치에서 상승이 시작된 경우를 제외한 상향 30mm, 20mm 위치의 경우 Fig. 10과 같이 기존의 슬라이드모션 제어 없이 일정 속도로 성형(Crank모션)한 경우보다 스프링백이 작게 측정되었으며, Wall Opening Angle은 최대 5.9%, Flange Angle은 2.1%, Sidewall Curl은 1.1% 감소하였다. 상승개시위치가 하사점으로부터 상향 40mm 위치인 경우보다 상향 20mm 위치인 경우 Wall Opening Angle은 10.
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