[논문]박판의 온간 2차원 드로오 벤딩에서의 스프링백

이상무; 장성호; 최이천; 허영무; 서대교

문제 정의

TRIP강의 스프링백을 저감시키고, 또한 산업이 점차 첨단화되어 감에 따라 제품의 고정밀화가 요구되어지므로 이에 부응하기 위하여 본 연구에서는 온도차를 이용한 온간성형법을 적용하여 박판성형에 있어서 스프링백에 의한 문제점의 해결방안을 제안하고자 한다. 온간 성형법이란 국부 가열 기술을 이용하여 원하는 부분에 요구되어지는 성형성과 강도를 얻을 수 있는 가공법이다.
본 연구에서는 형상에 의한 구속이 없어 높은 탄성복 원양을 유발하는 2차원 드로오벤딩으로 기존의 자동차용 냉연강판(SCP1)과 신소재인 TRIP강판을 사용하여 온간성형법을 적용하고 실험을 통해 그 효율성을 평가하고, 상용 FEM code인 PAM-STAMP를 사용하여 그 결과를 비교, 고찰하고자 한다.

제안 방법

SCP1과 TRIP의 두 재료에 대해서 금형의 형상에 따른 스프링백 특성을 파악하고 스프링백을 감소시키기 위하여 온간성형법을 적용하여 스프링백에 의한 시편의 형상을 측정, 비교해본 결과 다음과 같은 결론을 얻었 다.
다음으로 온간성형으로 인한 스프링백 특성을 알아보기 위하여 펀치의 형상 반경은 6 mm로, 다이의 형상 반경은 5 mm로 하였다. 펀치의 온도는 10 ℃로 고정, 냉각하고 다이와 블랭크 홀더는 상온(30 X:)에서 200 ℃까지 5단계로 가열하였다.
먼저 상온에서 금형형상에 따른 스프링백의 영향을 알아보기 위하여 크롬 코팅 금형을 이용하여 다이의 어깨 반경을 5 mm로 고정하고 펀치의 형상 반경을 3 mm 에서부터 15 mm까지 3 mm 간격으로 변화시켜 가면서 실험을 수행하였다. 다음으로 펀치의 형상 반경을 6 mm 고정시키고 다이의 어깨 반경을 5 mm, 10 mm, 15 mm 로 변화시켰다. 이때 홀딩력(B.
펀치와 다이 사이의 간격(c)를 변화시킬 수 있도록 지지대와 다이의 사이에 레일을 설치하였다. 또한 온간성형을 위하여 다이와 블랭크 홀더에는 각각 2개의 500 W급의 가열파이프를 삽입하고 PID 제어 방식의 온도조절기를 통하여 온도를 조절할 수 있도록 하였으며, 펀치는 내부로 냉각수가 순환할 수 있도록 제작되었으며 냉각기를 사용하여 10℃로 유지하였다. 그리고, 한 금형은 열처리 후크롬 도금을 하였으며 다른 금형은 열처리만 하여 두 종류로 제작하였으 며 사용된 소재는 SKD11 이다.
실험의 세부적인 조건들을 Table 1에서 보여주고 있다. 먼저 상온에서 금형형상에 따른 스프링백의 영향을 알아보기 위하여 크롬 코팅 금형을 이용하여 다이의 어깨 반경을 5 mm로 고정하고 펀치의 형상 반경을 3 mm 에서부터 15 mm까지 3 mm 간격으로 변화시켜 가면서 실험을 수행하였다. 다음으로 펀치의 형상 반경을 6 mm 고정시키고 다이의 어깨 반경을 5 mm, 10 mm, 15 mm 로 변화시켰다.
본 연구에서 사용한 2차원 드로오벤딩 실험장치는 NUMISHEET '93에서 벤치마크 문제를 기반으로 하여 플랜지 부의가열을 위하여 블랭크홀더를 다 이와 같은 폭과 길이를 가지도록 수정하였다.펀치와 다이의 형상 반경의 변화를 주기 위해 Fig.
본 연구에서 사용한 2차원 드로오벤딩 실험장치는 NUMISHEET '93에서 벤치마크 문제를 기반으로 하여 플랜지 부의가열을 위하여 블랭크홀더를 다 이와 같은 폭과 길이를 가지도록 수정하였다.펀치와 다이의 형상 반경의 변화를 주기 위해 Fig. 1에서 나타낸 바와 같이 반경별인서트를 별도로 제작, 삽입하였으며 펀치형상 반경(Rp)은 3 mm에서 15 mm까지 5단계로 변화시켰고, 다이어깨 반경(Rd)은 5 mm, 10 mm와 15 mm로 3단계 로 하였다.펀치와 다이 사이의 간격(c)를 변화시킬 수 있도록 지지대와 다이의 사이에 레일을 설치하였다.

대상 데이터

또한 온간성형을 위하여 다이와 블랭크 홀더에는 각각 2개의 500 W급의 가열파이프를 삽입하고 PID 제어 방식의 온도조절기를 통하여 온도를 조절할 수 있도록 하였으며, 펀치는 내부로 냉각수가 순환할 수 있도록 제작되었으며 냉각기를 사용하여 10℃로 유지하였다. 그리고, 한 금형은 열처리 후크롬 도금을 하였으며 다른 금형은 열처리만 하여 두 종류로 제작하였으 며 사용된 소재는 SKD11 이다.
실험에 사용한 재료는 SCP1과 TRIP강으로 각각 두께가 0.8 mm와 L0 mm이며 시편을 긴 쪽을 압연 방향과 일치하게 하여 300 iranx30 mm로 제작하였으며, 펀치와 다이 사이의 간격은 시편 두께의 L5배로 하였다. 그리고 성형 깊이는 70 mm, 펀치 속도는 5 mm/sec이다.
스프링백을 예측하기 위하여 본 연구에서는 상용 FEM code인 PAM-STAMP를 이용하였다. 해석 모델과 조건들은 상온의 크롬 코팅 금형에서의 펀치형상 반경 6 mm, 다이형상 반경 5 mm일 경우를 대상으로 하였으며 해석시간의 단축과 대칭을 고려하여 1/4 모델링을 하였다. 해석에 사용된 성형 조건은 기존 연구 등에서 제시한 실험을 통하여 얻은 값을 사용하였다.

이론/모형

스프링백을 예측하기 위하여 본 연구에서는 상용 FEM code인 PAM-STAMP를 이용하였다. 해석 모델과 조건들은 상온의 크롬 코팅 금형에서의 펀치형상 반경 6 mm, 다이형상 반경 5 mm일 경우를 대상으로 하였으며 해석시간의 단축과 대칭을 고려하여 1/4 모델링을 하였다.

성능/효과

(1) 펀치의 형상 반경을 5단계로 변화시켜 실험한 결과 SCP1의 경우에는 변화가 없었으나 TRIP의 경우에는 반경이 증가함에 따라 스프링백 이후의 변형도 약간 증가하였다. 또한, 다이의 어깨 반경을 변화시킴에 따라 SCP1과 TRIP에서 스프링백 이후의 형상 변화하였으며 펀치 형상 반경에서 보다 더 많은 변화가 발생하였다.
(3) 2차원 드로오벤딩에 온간성형법을 적용하여 무코팅과 크롬 코팅의 두 종류의 금형으로 실험한 결과 SCP1과 TRIP 모두 온도가 상승함에 따라 스프링백이 감소하였으며 무코팅 금형에서 더욱 스프링백이 감소하는 경향을 나타내었다.
(4) 온간성형법에 의한 스프링백 감소 효과는 동일한 조건에서 SCP1에 비해 TRIP에서 더 크게 나타났으며 이로써 TRIP을 성형함에 있어서 스프링백에 대한 대책으로써 온간성형법의 효율성을 확인하였다.
(5) 온간성형을 통한 스프링백 감소를 위하여 SCP1은 200 P에서 TRIP의 경우에는 150 ℃에서 성형하는 것이 적절하다고 판단된다.
(6) 스프링백을 예측하기 위한 연구로 PAM-STAMP 를 이용한 FEM 해석을 시도하였으나 스프링백 이후의 변형, 특히 펀치 형상 반경부의 각도와 옆벽부의 휨을 전반적으로 과소평가하는 경향을 나타내었다. 따라서 추후 이를 해결하기 위한 연구가 필요하다.
4에서는 상온에서 펀치 형상 반경에 따른 스프링 백 후의 형상을 나타내고 있다. SCP1의 경우에는 반경 변화에 따른 스프링백 후의 형상변화가 미비했으나, TRIP강의 경우에는 펀치 형상 반경의 커질수록 스프링 백후의 변형이 적은 양이지만 조금씩 증가함을 확인할 수 있었다.

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