[논문]DP590 고장력 강판 성형을 위한 굽힘 금형 설계에 관한 연구

천정필; 안동규

doi:10.5228/kstp.2024.33.1.43

Abstract ▼ AI-Helper

A high strength steel sheet (HSSS) has widely used to improve the specific rigidity of parts and the safety of the passenger in automotive industries. However, the HSSS is difficult to manufacture precise parts through a forming process due to the reduced elongation and the increased elastic recover...

A high strength steel sheet (HSSS) has widely used to improve the specific rigidity of parts and the safety of the passenger in automotive industries. However, the HSSS is difficult to manufacture precise parts through a forming process due to the reduced elongation and the increased elastic recovery. The goal of the paper is to investigate the improved design of bending dies for DP590 HSSS. The over forming type bending dies with cam systems added to the side of the formed part is proposed to improve the quality of the part. The effects of the die design and the forming parameter on formability and elastic recovery characteristics is examined using finite element analyses (FEAs). From the results of FEAs, proper die design and forming parameters are predicted.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Design of the fabricated part
그림 Fig. 2 Design of U bending dies
그림 Fig. 3 1^st step forming of U bending process and the definition of the gap
그림 Fig. 4 (a) 1^st and 2^nd step forming of U bending process; (b) Definition of corner radius (R) and angle of over forming (θ)
그림 Fig. 5 Initial mesh structure of blank
표 Table 1 Conditions of die design and U bending process
그림 Fig. 6 Formability of the designed die (λ = 3 mm, Δ = 0 mm, θ = 1.5 º, and δ = 120 mm)
그림 Fig. 7 Forming loads for different gaps (θ = 1.5 º and δ = 120 mm)
그림 Fig. 8 (a) Measured region of maximum error; (b) Deformed shape and maximum error (Δ = 0 mm, ϖ = 3.0 mm, θ = 1.5 º, and δ = 120 mm); (c) Deformed shape and maximum error (Δ = 0.1 mm, ϖ = 3.1 mm, θ = 1.5 º, and δ = 120 mm); (d) Deformed shape and maximum error (Δ = 0.2 mm, ϖ = 3.2 mm, θ = 1.5 º, and δ = 120 mm); (e) Deformed shape and maximum error (Δ = 0.3 mm, ϖ = 3.3 mm, θ = 1.5 º, and δ = 120 mm)
그림 Fig. 9 (a) Effects of ϖ and θ on the maximum error of the fabricated part (λ = 3 mm and δ = 120 mm); (b) Effects of ϖ and θ on the maximum error of the fabricated part (λ = 3 mm and δ = 130 mm)
그림 Fig. 10 (a) Effects of ϖ and θ on the maximum error of the fabricated part (λ = 4 mm and δ = 120 mm); (b) Effects of ϖ and θ on the maximum error of the fabricated part (λ = 4 mm and δ = 130 mm)

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 DP 590 고장력 강판의 U 형 굽힘 성형시 탄성 회복을 제어할 수 있는 금형 설계를 고찰하였다. 또한, 3차원 유한 요소 해석을 수행하여 금형 설계 조건 및 성형 공정 변수에 따른 성형 제품의 성형성 및 탄성 회복 특성 변화를 분석하였다.
이 연구에서는 DP 590 고장력 강판의 U 형 굽힘 성형시 탄성 회복을 제어할 수 있는 금형 설계를 제안하고자 한다. 3차원 유한 요소 해석을 이용하여 금형 설계 조건 및 성형 공정 변수에 따른 성형 제품의 성형성 및 탄성 회복 특성 변화를 고찰하였다.

가설 설정

JMATPro 프로그램에서 도출된 데이터를 기반으로Arcelor V9 모델을 사용하여 해석에 사용할 성형 한계 곡선 (Forming limit diagram: FLD) 을 도출하였다[12, 15]. 금형은 강체로 가정하였다.

제안 방법

이 연구에서는 DP 590 고장력 강판의 U 형 굽힘 성형시 탄성 회복을 제어할 수 있는 금형 설계를 제안하고자 한다. 3차원 유한 요소 해석을 이용하여 금형 설계 조건 및 성형 공정 변수에 따른 성형 제품의 성형성 및 탄성 회복 특성 변화를 고찰하였다. 이 고찰 결과를 이용하여 제품의 최대 오차(Maximum error) 측면에서 설계 기준을 만족하는 적정 금형 설계 및 성형 조건을 도출하였다.
대상 제품의 성형 조건 중 가장 성형성이 좋지 않을 것으로 생각되는 하형 금형의 과도 성형 각도 1.5° 조건에 대한 성형성 분석을 수행하였다
이 연구에서는 DP 590 고장력 강판의 U 형 굽힘 성형시 탄성 회복을 제어할 수 있는 금형 설계를 고찰하였다. 또한, 3차원 유한 요소 해석을 수행하여 금형 설계 조건 및 성형 공정 변수에 따른 성형 제품의 성형성 및 탄성 회복 특성 변화를 분석하였다. 이를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
3차원 유한 요소 해석을 이용하여 금형 설계 조건 및 성형 공정 변수에 따른 성형 제품의 성형성 및 탄성 회복 특성 변화를 고찰하였다. 이 고찰 결과를 이용하여 제품의 최대 오차(Maximum error) 측면에서 설계 기준을 만족하는 적정 금형 설계 및 성형 조건을 도출하였다.

대상 데이터

1과 같은 55 mm ´ 20 mm ´ 10 mm 크기의 U 형 굽힘 성형 제품이다. 이 제품은 DP 590 고장력 판재로 성형하여 제작되며, 판재의 성형 초기 두께는 3 mm 이다.

데이터처리

금형 설계 변수와 성형 공정 변수에 따른 성형 제품의 성형성 및 탄성 회복 특성 변화를 분석/고찰하기 위하여, 3차원 유한 요소 해석 (Finite element analysis: FEA) 을 수행하였다. 3차원 유한 요소 해석을 위하여 상용 성형 해석 프로그램인 AUTOFORM R7.5 을 활용하였다.
격자 미세화가 수행된 성형품의 최종 유한 요소 및 절점 개수는 각각 19,598 개 및 9,013 개이다. 성형 해석을 위한 DP 590 강판의 물성 데이터는 JMATPro 프로그램을 이용하여 도출하였다[12]. 진응력 (True stress) – 진변형율 (True strain) 선도는 식 (1)과 같이 Ludwik 모델을 이용하였다[12, 13].

이론/모형

항복식은 Hill의 평면 이방성 (Planar anisotropy) 모델을 이용하였다[14]. JMATPro 프로그램에서 도출된 데이터를 기반으로Arcelor V9 모델을 사용하여 해석에 사용할 성형 한계 곡선 (Forming limit diagram: FLD) 을 도출하였다[12, 15]. 금형은 강체로 가정하였다.
금형 설계 변수와 성형 공정 변수에 따른 성형 제품의 성형성 및 탄성 회복 특성 변화를 분석/고찰하기 위하여, 3차원 유한 요소 해석 (Finite element analysis: FEA) 을 수행하였다. 3차원 유한 요소 해석을 위하여 상용 성형 해석 프로그램인 AUTOFORM R7.
진응력 (True stress) – 진변형율 (True strain) 선도는 식 (1)과 같이 Ludwik 모델을 이용하였다[12, 13].
항복식은 Hill의 평면 이방성 (Planar anisotropy) 모델을 이용하였다[14]. JMATPro 프로그램에서 도출된 데이터를 기반으로Arcelor V9 모델을 사용하여 해석에 사용할 성형 한계 곡선 (Forming limit diagram: FLD) 을 도출하였다[12, 15].

성능/효과

(1) 캠 슬라드와 드라이브의 상형 금형의 수평 방향 및 수직 방향 미세 이동으로, 1차 굽힙 성형된 판재에 추가적인 두께 감소와 신장을 가능하게 하여 탄성 회복에 의한 성형 오차를 현저히 감소 시킬 수 있는 DP590 판재용 굽힘 금형 설계를 도출할 수 있었다.
(2) 가장 가혹한 조건인 하형 금형의 과도 성형 각도 1.5° 조건에 대한 성형성을 분석하여, 이 연구의 금형 설계 및 성형 조건들을 사용할 경우 DP590 판재 굽힘 성형시 결함이 발생하지 않음을 알 수 있었다

후속연구

향후 추가적인 유한 요소 해석과 굽힘 성형 실험을 통하여 최적 유한 요소 해석 모델을 도출할 예정이다. 또한, 이 해석 모델로 반복적인 성형 해석을 수행하여 최적 금형 설계 및 굽힘 성형 조건을 도출할 예정이다.
향후 추가적인 유한 요소 해석과 굽힘 성형 실험을 통하여 최적 유한 요소 해석 모델을 도출할 예정이다. 또한, 이 해석 모델로 반복적인 성형 해석을 수행하여 최적 금형 설계 및 굽힘 성형 조건을 도출할 예정이다.

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