[논문]980MPa급 열연 후판재 버링 공정의 변수 최적화 연구

김상훈; 도두이퉁; 박종규; 김영석

doi:10.5228/kstp.2021.30.6.291

980MPa급 열연 후판재 버링 공정의 변수 최적화 연구
Study on the Optimization of Parameters for Burring Process Using 980MPa Hot-rolled Thick Sheet Metal 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.30 no.6, 2021년, pp.291 - 300

김상훈 (경북대학교 기계공학과) , 도두이퉁 ((주)화신 기술연구소 제품연구팀) , 박종규 ((주)화신 기술연구소 제품연구팀) , 김영석 (경북대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Currently, starting with electric vehicles, the application of ultra-high-strength steel sheets and light metals has expanded to improve mileage by reducing vehicle weight. At a time when internal combustion engine vehicles are rapidly changing to electric vehicles, the application of ultra-high-strength steel is expanding to satisfy both weight reductions and the performance safety of the chassis parts. There is an urgent need to improve the quality of parts without defects. It is particularly difficult to estimate the part formability through the finite element method (FEM) in the burring operation, so product design has been based on the hole expansion ratio (HER) and experience. In this study, design of experiment (DOE), analysis of variance (ANOVA), and regression analysis were combined to optimize the formability by adjusting the process variables affecting the burring formability of ultra-high-strength steel parts. The optimal variables were derived by analyzing the influence of variables and the correlation between the variables through FE analysis. Finally, the optimized process parameters were verified by comparing experiment with simulation. As for the main influence of each process variable, the initial hole diameter of the piercing process and the shape height of the preforming process had the greatest effects on burring formability, while the effect of a lower round of punching in the burring process was the least. Moreover, as the diameter of the initial hole increased, the thickness reduction rate in the burring part decreased, and the final burring height increased as the shape height during preforming increased.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1 Quality problems of Front Lower Arm
그림 Fig. 2 Model of finite element method for burring
표 Table 1 Stamping process for burring
그림 Fig. 3 Parameters of burring process
표 Table 2 Process parameters and their levels
표 Table 3 Taguchi L18(3⁷×2¹) Orthogonal Array
그림 Fig. 4 Tool set up and result of forming simulation: (a) Tool set up; (b) Result of thickness reduction; (c) Result of forming limit diagram
표 Table 4 Parameters of Kim-Tuan model
표 Table 5 Material properties of SPFH980-P 3.5t
표 Table 6 FE Analysis result of Taguchi orthogonal array
그림 Fig. 5 Main effects plot for Signal to Noise ratios: (a) Max. Thinning; (b) Burring Height
표 Table 7 ANOVA analysis for thinning
표 Table 8 ANOVA analysis for burring height
표 Table 9 Model summary for thinning
표 Table 10 Model summary for burring height
표 Table 11 Optimized process parameters
표 Table 12 Experiment condition
그림 Fig. 6 Molds and try-out panels each forming operation
그림 Fig. 7 Measuring dimension by using 3D Scanner: (a) 3D scanner; (b) Result of 3D scanning
그림 Fig. 8 Comparison of the cross section thickness between FE Analysis and 3D scan result
그림 Fig. 9 Comparison of thinning and burring height

AI 본문요약
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문제 정의

마지막으로, 최적화된 공정 변수를 적용하여 제작된 시험 금형으로부터의 시편을 3D 스캐닝을 하였고, 해석 결과와 비교함으로써 제안된 방법에 대한 신뢰성을 검증하고 실제 양산 공정의 적용 가능성을 파악하고자 하였다.

제안 방법

2와 같이 표준 모델 제작과 시험 평가를 위해 프론트 로어 암의 ‘G’점 버링부형상을 기반으로 하였으며, 시험금형 제작 비용 최소화 및 버링 형상에 대한 성형성 평가에 초점을 맞추어 단순화하여 설계하였다.
본 연구에서는 두께 3.5mm의 열연강판 SPFH980- P 소재를 적용하여 자동차 섀시 부품인 프론트 로어암의 ‘G’점 버링부 성형을 위한 공정 변수 최적화를 진행하였으며, 성형해석 및 시험을 통해 공정 변수 최적화에 대한 신뢰성 검증을 하였다
본 연구의 버링 성형성 검증을 위한 시험 금형은블랭킹(blanking), 예비 성형을 유리하게 하기 위한 피어싱(piercing), 예비 성형, 버링 후 최종 시편의 직경 및 높이에 대한 치수 확보를 위한 피어싱, 버링공정의 순으로 제작하였으며, Table 1에 공정번호 및 공정명을 나타내었다.
시험 금형은 반응 최적화 공정 변수를 기준으로 성형해석 조건과 동일하게 코일 스프링 압력과 작동 거리(stroke) 등을 고려하여 설계하였으며, 실제 양산 조건과 동일한 사양의 금형 재질 적용 및 열처리, 표면처리를 거쳐 제작하였으며, 각 조건에 대해 Table 12 및 Fig. 6에 각 공정별 금형 및 시편 사진을 나타내었다.
최종 버링 높이를 결정하는 OP30 피어싱 공정의 구멍 직경을 54mm로 고정하고 각 공정에서 최종형상에 영향을 미칠 수 있는 금형의 형상적 요소들을 8개의 공정 변수로 선정하였으며, 버링부의 두께 감소율 및 버링 높이를 성형성 결과에 대한 반응으로 선정하였다. Fig.

데이터처리

Minitab 17 프로그램 내 다구찌 설계를 사용하여 반응인 두께감소율 및 버링 높이에 대한 변수들의 영향도를 분석하였다. 두께감소율은 수치가 작을수록 좋은 특성을 나타내므로 식(4)의 망소특성 손실함수를 적용하고, 반대로 버링 높이는 클수록 좋으므로 식(5)의 망대특성 손실함수를 적용하여 S/N비 (Signal to Noise ratio)를 산출하였다.

이론/모형

초고장력강 열연 후판재 적용으로 성형한계도 (Forming limit diagram, FLD)를 도출하기 위한 시험 장비 용량의 한계 때문에 돔장출 시험 진행이 어려운 관계로, 돔장출 성형 중에 재료의 소성변형 거동을 파악하기 위하여 간단하게 적용이 가능한 킬러 의식(Keeler equation) (3)을 적용하였다.

성능/효과

(1) 8개의 공정 변수와 2개의 반응에 대한 다구찌직교배열표를 기준으로 18회의 성형해석을 수행하였고, 분산분석 및 회귀분석을 통해 두께감소율과버링 높이에 모두 적합함을 알 수 있었다.
(3) 회귀분석을 통한 두께감소율 및 버링 높이에 대한 공정 변수 최적화를 실시하고, 최적화된 공정변수를 기준으로 성형해석 및 모사 시험을 진행하여 그 결과를 비교하였으며, 각 조건에서의 두께 감소율 및 버링 높이가 거의 유사한 수준임을 확인하였다.

후속연구

(4) 버링 성형을 위해 본 연구에서 제안하는 공정변수 최적화 방법을 실제 제품과 현장에서의 조건 등을 적절히 고려하여 적용한다면 보다 우수한 품질의 제품 생산 및 금형 제작에 대한 소요 시간과 비용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
(5) 그러나 판재의 성형한계를 예측하기 위해서는 예 변형을 고려한 성형한계선도를 고려할 필요가 있다.

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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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