[논문]초고강도 강판 성형 시의 스프링백 해석 및 금형 소재 적합성 검토

오인석; 윤동렬; 조준행; 이명규; 김헌영; 김형종

doi:10.5228/kstp.2020.29.4.203

초고강도 강판 성형 시의 스프링백 해석 및 금형 소재 적합성 검토
Analysis of Springback and Die Material Suitability in the UHSS Sheet Forming Process 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.29 no.4, 2020년, pp.203 - 210

오인석 (강원대학교 대학원 융합시스템공학과) , 윤동렬 (세원물산(주)) , 조준행 (세원물산(주)) , 이명규 (서울대학교 재료공학부) , 김헌영 (강원대학교 기계의용공학전공) , 김형종 (강원대학교 기계의용공학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, formability and springback behavior of 1.5 GPa grade ultra-high strength steel (UHSS) sheet were predicted through the finite element simulation, and structural stability of the forming dies was verified by the coupled forming-structural analysis. Uniaxial tension and uniaxial tension-compression tests were performed to obtain experimental data for modeling the springback properties of the sheet material. The springback values predicted by simulation were compared with those from actual measurements. The results calculated from the kinematic hardening model were found to be much more accurate than those from the isotropic hardening model. Deformation of the forming die and springback of the product were calculated by the coupled forming-structural analysis. The higher the strength of the die material, the smaller the surface displacement of the die and the springback of the product. The internal stresses of the dies made of three materials, FC300, FCD550 and STD11 were compared with the yield stress of each material. The results provided a basis for determining the most suitable material for each part of the die set. As a result, simulation techniques have been established for predicting formability and springback in the UHSS sheet forming process.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Cross-member product to be analyzed and schematic of its forming process
그림 Fig. 2 Tension-compression behavior of SPFC1470Y sheet
그림 Fig. 3 Comparison between FEA and try-out results
그림 Fig. 4 Try-out results after die correction
그림 Fig. 5 Measurement of springback
그림 Fig. 6 Comparison of springback between FEA and measurement
그림 Fig. 7 Compensated die shape
그림 Fig. 8 Coupled forming-and-structural analysis
그림 Fig. 9 Distribution of displacement on the die surfaces
그림 Fig. 10 Variation of the maximum displacement on the lower die
표 Table 1 Mechanical properties of tool materials
그림 Fig. 11 Springback value for each die material compared with the result from rigid die model
그림 Fig. 12 Distribution of von Mises stress
그림 Fig. 13 Maximum stresses of each tool compared with its yield stress
표 Table 2 Acceptable and optimal material for each die part (● optimal, ○ acceptable, × not acceptable)

AI 본문요약
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문제 정의

이 해석기법은 향후 다른 종류의 초고강도강이나 비철금속 성형용 금형설계에도 활용성이 높을 것이라 전망된다. 본 연구를 통해 연계해석이 성형 공정에서 금형의 안정화를 위해 선행되어야 함을 확인하였고 그 평가의 기준을 정립하였다.
본 연구에서는 1.5 GPa급 소재로 자동차 크로스멤버 제품을 냉간성형할 때 문제가 될 것으로 예상되는 점을 공정 시뮬레이션을 통해 미리 해결하는 데초점을 맞췄다. 첫째, 낮은 성형성과 높은 스프링백의 예측, 둘째, 고강도 소재의 성형 시 발생할 수 있는 금형 파손 문제에 관한 선행 기준 제시에 목표를 두고 성형공정 및 스프링백 보정 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 1.5GPa급 초고강도 강소재의 성형 공정 해석을 통하여 성형성과 스프링백을 예측하고 실제 시제품과 비교하였다. 또한, 성형공정-금형변형 연계해석을 통하여 금형의 변형 정보를 지속적으로 공정해석에 반영하는 해석기법을 시도하였다.

제안 방법

"(3) 금형 구조해석을 통하여 계산된 금형의 변형 형상에 따라 금형 표면을 수정하고 다시 다음 단계의 성형공정 해석을 진행한다."
(1) SPFC1470Y 소재의 성형공정 해석에서 등방경화 모델과 Yoshida-Uemori 이동경화 모델을 각각 사용했을 때의 결과를 서로 비교하였다. 소재의 연신율 9% 기준으로 두 가지 경화 모델 모두 파단이 발생하는 것으로 예측되었으며, 실제 시제품에서도 같은 위치에서 파단이 발생하여 성형성 예측의 정확도를 확인하였다.
(2) 이때 계산된 소재와 금형 간의 반력을 금형 솔리드 모델에 하중조건으로 입력하여 구조해석을 수행한다.
(3) 초고강도강 소재의 성형에서 금형의 변형을 고려하기 위하여 프레스 공정이 진행되는 동안 수십 차례에 걸쳐 금형의 표면형상 변화 정보를 성형 공정 해석에 반영하는 성형공정-금형변형 연계해석을 수행하였다. 그 결과 금형 소재별로 공정 진행에 따라 변형되는 양상에 차이가 있었다.
(4) 서로 다른 항복강도를 가진 FC300, FCD550, STD11 등 3종의 금형용 재료를 상형, 하형 및 하부 패드에 적용했을 때 성형공정에서 발생하는 금형 각부의 변위와 내부응력을 비교 분석하였다. 재료별로 응력은 큰 차이를 보였으며, 이는 탄성계수의 차이 때문인 것으로 보인다.
또한, 성형공정과 금형구조의 연계해석을 수행하여 성형 시 발생하는 금형 변형과 내부응력을 계산하고, 금형 변형이 제품의 스프링백에 미치는 효과를 확인하였다. 그 분석을 토대로 해당 공정에 알맞은 금형 재질을 선정하는 등 공정설계와 금형설계의 적합성을 분석하였다. 본 연구를 위해 상용 유한요소해석 소프트웨어 PAM-STAMP® [5]를 사용하였다.
11은 금형 소재별 스프링백 양의 차이를 보여 준다. 금형을 강체로 모델링한 결과를 기준으로 그 차이를 계산하였다. 금형의 탄성계수와 항복강도가 가장 낮은 FC300 소재가 0.
5GPa급 초고강도 강소재의 성형 공정 해석을 통하여 성형성과 스프링백을 예측하고 실제 시제품과 비교하였다. 또한, 성형공정-금형변형 연계해석을 통하여 금형의 변형 정보를 지속적으로 공정해석에 반영하는 해석기법을 시도하였다. 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
첫째, 낮은 성형성과 높은 스프링백의 예측, 둘째, 고강도 소재의 성형 시 발생할 수 있는 금형 파손 문제에 관한 선행 기준 제시에 목표를 두고 성형공정 및 스프링백 보정 해석을 수행하였다. 또한, 성형공정과 금형구조의 연계해석을 수행하여 성형 시 발생하는 금형 변형과 내부응력을 계산하고, 금형 변형이 제품의 스프링백에 미치는 효과를 확인하였다. 그 분석을 토대로 해당 공정에 알맞은 금형 재질을 선정하는 등 공정설계와 금형설계의 적합성을 분석하였다.
한편, 기존의 다른 연구에서 성형해석이 끝난 후 최종 반력을 금형 구조해석에 반영하여 일방형으로 한 번만 재해석한 사례는 있으나, 본 연구에서는 두 가지 해석 사이에 수정된 금형 형상 데이터가 수시로 공유되는 것이 다른 점이라 할 수 있다. 본 연구에서는 상형다이가 0.5mm 이동할 때마다 테이터 공유가 되도록 설정하였다[9-11].
세 가지 금형 재료에 대하여 각각 연계해석을 수행한 결과, 재료별로 금형 표면의 변위와 유효응력 (von Mises stress) 등에 차이가 있었다. 본 해석에서는 실제 공정에서와 같이 금형이 완전히 닫히고 4ms를 기다리는(holding) 공정으로 구현하였다.
유한요소해석에서 요소는 판재성형에 적합한 셸 (shell)타입을 사용하였고, 요소 크기는 적응 요소세분화 기능을 사용하여 1mm까지 감소되도록 설정하였다. 중력 처짐, 성형, 스프링백의 순서로 다중 연결 해석을 진행하였다.
2와 같다. 이 시험 데이터로부터 해석에 필요한 물성 변수들을 구하였다.
이후 PAM-STAMP의 금형 자동보정 기능을 활용하여 스프링백을 보정할 수 있는 금형 형상을 제안 하였다. 이 기능은 스프링백이 발생한 변위만큼 금형 치수를 반대로 보정함으로써 스프링백 후 목표 설계된 형상을 얻고자 하는 방법이다.
유한요소해석에서 요소는 판재성형에 적합한 셸 (shell)타입을 사용하였고, 요소 크기는 적응 요소세분화 기능을 사용하여 1mm까지 감소되도록 설정하였다. 중력 처짐, 성형, 스프링백의 순서로 다중 연결 해석을 진행하였다. 제품 성형에 가장 문제가 될 스프링백의 해석 정확도를 높이기 위하여 Yoshida-Uemori 이동경화(kinematic hardening, KH) 모델[6, 7]을 사용하였으며, 등방경화(isotropic hardening, IH) 모델을 사용한 경우와 성형성, 스프링백 등의 결과를 비교하였다.
5 GPa급 소재로 자동차 크로스멤버 제품을 냉간성형할 때 문제가 될 것으로 예상되는 점을 공정 시뮬레이션을 통해 미리 해결하는 데초점을 맞췄다. 첫째, 낮은 성형성과 높은 스프링백의 예측, 둘째, 고강도 소재의 성형 시 발생할 수 있는 금형 파손 문제에 관한 선행 기준 제시에 목표를 두고 성형공정 및 스프링백 보정 해석을 수행하였다. 또한, 성형공정과 금형구조의 연계해석을 수행하여 성형 시 발생하는 금형 변형과 내부응력을 계산하고, 금형 변형이 제품의 스프링백에 미치는 효과를 확인하였다.

대상 데이터

소재는 두께 1 mm의 SPFC1470Y 강판이며, 인장-압축 시험으로 얻은 응력-변형률 그래프는 Fig. 2와 같다. 이 시험 데이터로부터 해석에 필요한 물성 변수들을 구하였다.
이 제품의 성형을 위하여 고려하는 금형 재료는 FC300, FCD550, STD11의 3종이며, 각 재료의 기계적 물성은 Table 1과 같다. FC300, FCD550, STD11의 순서로 강도와 내마모성 등이 높아지며 재료 단가 또한 올라간다.

이론/모형

본 연구를 위해 상용 유한요소해석 소프트웨어 PAM-STAMP® [5]를 사용하였다.
중력 처짐, 성형, 스프링백의 순서로 다중 연결 해석을 진행하였다. 제품 성형에 가장 문제가 될 스프링백의 해석 정확도를 높이기 위하여 Yoshida-Uemori 이동경화(kinematic hardening, KH) 모델[6, 7]을 사용하였으며, 등방경화(isotropic hardening, IH) 모델을 사용한 경우와 성형성, 스프링백 등의 결과를 비교하였다.

성능/효과

(2) 스프링백 양에 대한 성형해석 결과는 시제품 측정값과 비교할 때 등방경화 모델은 41%에 달하는 차이를 보였으나, Yoshida-Uemori 이동경화 모델은 5.1%의 작은 오차를 보였다. 이로부터 초고강도강의 스프링백 예측에는 이동경화식을 사용하여야 더 정확한 예측이 가능하다는 결론을 얻었다.
또한, 항복강도가 가장 높은 STD11은모든 금형에 사용이 가능함을 확인하였다. 그러므로 금형 제작비용을 함께 고려할 때 본 개발 제품의 성형에 사용할 금형 재료로 하부패드에는 FC300, 상형에는 FCD550, 하형에는 STD11의 조합이 가장 합리적이라는 결론을 얻었다.
모든 금형에 강도나 내마모성이 가장 우수한 재료를 사용한다면 안전상으로는 아무 문제가 없겠지만, 대신 재료비나 기계가공 및 열처리 비용이 높아진다. 그러므로 본 개발 제품의 성형에 사용할 금형 재료로 상형에는 FCD550, 하부패드에는 FC300, 하형에는 STD11의 조합이 가장 합리적이라는 결론을 얻었다.
금형을 강체로 모델링한 결과를 기준으로 그 차이를 계산하였다. 금형의 탄성계수와 항복강도가 가장 낮은 FC300 소재가 0.057mm로 가장 큰 차이를 보였고, 강도가 가장 큰 STD11 소재가 0.012mm로 가장 작은 차이를 보였다. 미량이지만 금형 재질이 제품의 스프링백에 영향을 미침을 알 수 있다.
한편, 재료별 항복강도와 금형별 최대 유효응력 수준을 비교할 때, FC300는 최대 응력이 낮은 하부패드에만 적합한 것으로, 그리고 FCD550은 상형과 하부패드에 적합한 것으로 판단되었다. 또한, 항복강도가 가장 높은 STD11은모든 금형에 사용이 가능함을 확인하였다. 그러므로 금형 제작비용을 함께 고려할 때 본 개발 제품의 성형에 사용할 금형 재료로 하부패드에는 FC300, 상형에는 FCD550, 하형에는 STD11의 조합이 가장 합리적이라는 결론을 얻었다.
9는 해석이 끝난 후 금형 표면의 최종 변위 분포를 보여주고 있다. 상형과 하부패드는 전체적으로 0.03 mm 이하의 작은 변위를 보였으나, 하형 코너부에서는 상당히 큰 변위가 발생하는 것으로 나타났다. Fig.
성형-구조 연계해석을 활용한 결과, 냉간프레스 성형공정에서 우려되는 금형의 안전성을 확인하였다. 이 해석기법은 향후 다른 종류의 초고강도강이나 비철금속 성형용 금형설계에도 활용성이 높을 것이라 전망된다.
세 가지 금형 재료에 대하여 각각 연계해석을 수행한 결과, 재료별로 금형 표면의 변위와 유효응력 (von Mises stress) 등에 차이가 있었다. 본 해석에서는 실제 공정에서와 같이 금형이 완전히 닫히고 4ms를 기다리는(holding) 공정으로 구현하였다.
(1) SPFC1470Y 소재의 성형공정 해석에서 등방경화 모델과 Yoshida-Uemori 이동경화 모델을 각각 사용했을 때의 결과를 서로 비교하였다. 소재의 연신율 9% 기준으로 두 가지 경화 모델 모두 파단이 발생하는 것으로 예측되었으며, 실제 시제품에서도 같은 위치에서 파단이 발생하여 성형성 예측의 정확도를 확인하였다. 파단 부위의 금형 모서리 반지름을 2 mm에서 3 mm로 수정하여 개선된 결과를 얻을 수 있었다.
솔리드 요소를 사용하여 성형해석과 금형 구조해 석을 한꺼번에 해석할 수도 있지만, 그 방법은 수렴 성과 해석시간을 고려할 때 채택하기 어려운 수준이므로 본 연구에서와 같은 연계해석 방식이 합리적이라고 판단된다.
6는 이렇게 측정한 결과를 해석 결과들과 비교하여 보여준다. 스프링백이 가장 큰 끝단 A를 제외하면 Yoshida-Uemori 이동경화 모델을 사용한 해석 결과는 실제 측정값 기준 평균 5.3%의 오차율로 거의 일치하나, 등방경화 모델을 사용한 해석 결과는 실험값과 평균 41.0%의 큰 오차율을 나타내었다. 본 연구의 대상 소재가 자동차용 강판 중 가장 높은 강도를 가지고 있기 때문에 두 경화 모델 간의 차이가 극명하게 드러난 것으로 보인다.
그 결과 금형 소재별로 공정 진행에 따라 변형되는 양상에 차이가 있었다. 연계해석으로 금형 변형을 고려할 때, 금형을 강체로 모델링한 해석과 비교하여 제품의 스프링백 양이 0.057~0.012mm 더 크게 계산되었으며, 금형 소재의 강도가 높을수록 금형 표면의 변위와 제품의 스프링백 양이 더 작은 결과를 나타냈다. 하지만 본 연구에서는 그 차이가 측정기기의 오차보다 작은 수준이라 금형의 보정을 고려할 수준이 되지는 않았다.
1%의 작은 오차를 보였다. 이로부터 초고강도강의 스프링백 예측에는 이동경화식을 사용하여야 더 정확한 예측이 가능하다는 결론을 얻었다.
소재의 연신율 9% 기준으로 두 가지 경화 모델 모두 파단이 발생하는 것으로 예측되었으며, 실제 시제품에서도 같은 위치에서 파단이 발생하여 성형성 예측의 정확도를 확인하였다. 파단 부위의 금형 모서리 반지름을 2 mm에서 3 mm로 수정하여 개선된 결과를 얻을 수 있었다.
재료별로 응력은 큰 차이를 보였으며, 이는 탄성계수의 차이 때문인 것으로 보인다. 한편, 재료별 항복강도와 금형별 최대 유효응력 수준을 비교할 때, FC300는 최대 응력이 낮은 하부패드에만 적합한 것으로, 그리고 FCD550은 상형과 하부패드에 적합한 것으로 판단되었다. 또한, 항복강도가 가장 높은 STD11은모든 금형에 사용이 가능함을 확인하였다.

후속연구

성형-구조 연계해석을 활용한 결과, 냉간프레스 성형공정에서 우려되는 금형의 안전성을 확인하였다. 이 해석기법은 향후 다른 종류의 초고강도강이나 비철금속 성형용 금형설계에도 활용성이 높을 것이라 전망된다. 본 연구를 통해 연계해석이 성형 공정에서 금형의 안정화를 위해 선행되어야 함을 확인하였고 그 평가의 기준을 정립하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 산업에서 연비와 안전성, 경량화 문제의 해결책으로는?	연비와 안전성은 자동차 매출과 직결되어 있으므로 경량화는 제조사의 존폐에까지 연결된 문제라 하여도 과언이 아니다. 이 문제의 해결책으로 비강 도가 높은 초고강도강(ultra-high-strength steel, UHSS) 소재의 개발과 적용이 점점 확산되고 있다. 또한, 2019년도부터 전세계적으로 친환경 차량인 전기차의 성장세가 뚜렷하다. 내연기관 없이 배터리를 사용하여 1회 충전으로 최대의 주행거리를 얻기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
	열간판재성형공법은 무엇인가?	특히, 1.5 GPa 이상의 인장강도를 가진 구조용 부품을 제조할 수 있는 열간판재성형(hot press forming, HPF) 공법이 소개된 이후 상당한 기술적 진보가 이루어져 널리 적용되고 있다. 이 공법은 소재 가열을 통해 성형성을 높이고, 성형 후 금형 내에서 급냉처리로 1.
	열간판재성형 공정의 단점은?	소재로는 이 공정에 특성화된 보론강 (boron steel)이 주로 사용된다. 그러나 열간판재성형 공정은 고온에 견뎌야 하는 고가의 장비, 긴 제조공정, 가열챔버나 냉각장치 등 부가적인 제조설비, 가열-냉각에 의한 제품 품질의 산포 등 많은 문제가 수반되므로 성형성과 고강도를 얻기 위한 시간적, 금전적 손실이 냉간판재성형 공정에 비해 크다[1, 2].

참고문헌 (11)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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