[논문]알루미늄 차체성형을 위한 초소성 성형공정해석

김철구; 김용환; 우형표; 김만식

알루미늄 차체성형을 위한 초소성 성형공정해석
Superplastic Forming Process Analysis for Aluminium Body Forming 원문보기

김철구 (충남대학교 기계설계공학과) , 김용환 (충남대학교 기계설계공학과) , 우형표 , 김만식

A rigid-viscoplastic finite element code for superplastic forming processes has been developed The material is assumed to be isotropic and a modified Coulomb friction law is adopted to explain contact between tool and sheet. This code uses the triangular element based on the membrane approximation and a hierarchical contact searching method is implemented The optimum pressure-time relationships for target strain rate are calculated by several pressure control algorithms. By the analysis, optimum pressure-time curves and deformation behavior are predicted.

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문제 정의

본 연구에서는 강점소성유한요소법을 이용하여 초소성을 전용으로 해석할 수 있는 프로그램을 개발하였고, 개발된 프로그램을 검증하기 위하여 간단한 평면 변형율 문제 및 축대칭형상에 대한 해석을 수행하였으며, 현재 ATT R&D에서 개발되어지고 있는 알루미늄 차체의 일부분인 locater-mar에 대한 해석을 수행하였다.
초소성 성형공정 해석의 궁극적인 목적은 최적의 변형률 속도를 유지하면서 가능한 한 성형시간을 줄일 수 있는 압력-시간선도를 예측하는 것이다. 압력을 제어하는 기법들은 다양하게 제안되었는데 본 연구에서는 다음과 같은 3가지 압력 제어 기법을 적용하였다.

가설 설정

해석에 사용된 부품은 Fig. 1과 같은 형상으로 단면형상에 대하여 평면 변형률로 가정하여 해석할 수 있다. 해석을 위하여 200개의 3절 점 박막 요소를 사용하였다.

제안 방법

(1) 개발된 프로그램으로 초소성 성형 공정 해석을 수행할 수 있었으며, 프로그램의 타당성을 검토하였다.
(2) 기존에 제안된 여러가지 압력 제어 기법을 프로그램에 적용하였고, 이를 비교 검토하였다.
(3) 최적의 변형율 속도를 유지시키는 압력-시간선도 를 구하였다.
강점소성유한요소법을 이용하여 알루미늄 차체 성형을 위한 초소성 성형 공정 해석을 할 수 있는 프로그램을 개발하였고, 개발된 프로그램을 이용하여 성형 해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
실제 해석에 있어서 많이 시간을 필요로 하는 부분이 접촉 탐색인데 효율적이고 효과적인 접촉 탐색을 위하여 금형을 3차원 격자 구조로 세분화하고, 그러한 정보를 계층적 구조(hierarchical structure)의 형태로 저장하고 있어 접촉이 발생하면 상위 단계에서 하위 단계로 정확한 접촉점의 위치를 찾는 알고리즘(2)을 채택하였다.
초소성 성형공정 해석의 궁극적인 목적은 최적의 변형률 속도를 유지하면서 가능한 한 성형시간을 줄일 수 있는 압력-시간선도를 예측하는 것이다. 압력을 제어하는 기법들은 다양하게 제안되었는데 본 연구에서는 다음과 같은 3가지 압력 제어 기법을 적용하였다.
524mm로 하였다. 해석은 Pentimum-UI(500MHz)를 이용하였고 시간증분ΔT은 0.2초로 하여 수행하였다.

대상 데이터

압력 제어 개발된 프로그램의 검증을 위하여 Chandra'"의 모델을 평면 변형율 문제로 해석하였고, 해석의 물성치와 경계조건을 동일하게 수행하였고, 그 결과를 Chandra와 홍성석 (6)의 논문과 비교하였다. 해석에 사용된 재료로는 A1 7475로 구성 방정식은 다음과 같다.
1과 같은 형상으로 단면형상에 대하여 평면 변형률로 가정하여 해석할 수 있다. 해석을 위하여 200개의 3절 점 박막 요소를 사용하였다. 초소성 성형해석 동안 요소 내에서 발생하는 최대 변형률 속도를 일정하게 유지시키기 위한 최적의 변형율 속도는 0.

데이터처리

강점소성유한요소법을 이용하여 초소성 성형공정 해 석을 수행하였다. 압력 제어 개발된 프로그램의 검증을 위하여 Chandra'"의 모델을 평면 변형율 문제로 해석하였고, 해석의 물성치와 경계조건을 동일하게 수행하였고, 그 결과를 Chandra와 홍성석 (6)의 논문과 비교하였다. 해석에 사용된 재료로는 A1 7475로 구성 방정식은 다음과 같다.

이론/모형

1) 시간 분할과 관련하여 증분변형 이론 (incianental deformation theory)을 사용하였으며, 2) 박판의 두께가 곡률에 비하여 매우 작으므로 박막 가정 (membrane approximation)을 채택하였고, 3) 초소성 성형 공정은 주로 항온 상태에서 이루어지므로 등방성 Von-Mises의 유동법칙을 따르며, 4) 초소성 재료는 변형률 속도에 매우 민감하므로 구성 방정식은 유효변형률 속도만의 함수로 가정하였 고, 5) 소재와 금형의 경계면에서는 쿨롱(Coulomb) 마찰법칙이 적용되며 고착 영역에 대하여는 선형함수를 사용하여 마찰력을 완만하게 0으로 접근하게 하였다.
강점소성유한요소법을 이용하여 초소성 성형공정 해 석을 수행하였다. 압력 제어 개발된 프로그램의 검증을 위하여 Chandra'"의 모델을 평면 변형율 문제로 해석하였고, 해석의 물성치와 경계조건을 동일하게 수행하였고, 그 결과를 Chandra와 홍성석 (6)의 논문과 비교하였다.
초소성 성형 공정 중 판재의 일부가 금형의 표면에 접촉하게 되면 마찰이 발생하게 되며, 이 경우 쿨롱 마찰법칙을 적용한다. 변형중의 마찰력을 구하기 위해서는 각 시간 단계의 변위증분 Δu를 알아야 구할 수 있으므로 마찰력을 구하는 것 역시 반복법을 사용하여야 한다.

성능/효과

(4) 평면 변형율 문제에 대해서 Cheng의 알고리즘을 적용할 경우 최적의 변형율 속도에 가까운 변형율을 유지함으로서 성형시간을 단축시킬 수 있음을 알 수 있었다.
초기에는 성형 압력이 서서히 증가하다가 금형과의 접촉이 일어난 이후 압력이 급격히 증가함을 보여주고 있다. 개발된 프로그램에 의하여성형해석을 하였을 경우 성형시간은 ABAQUS 알고리즘을 적용한 경우 * (analysis 1) 약 5800초, Cheng(analysis-2)의 알고리즘을 적용하였을 경우 약 5100초가 걸렸다. Fig.

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