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문제 정의
- 본 연구에서는 주방용기의 고품위와 에너지 효율 향상을 위해 산업에 적용되고 있는 클래드 판재 (STS304-A1050-STS304)를 온도의존성을 이용한 온간성형법에 의해 드로잉성을 향상시키기 위한 방안으로 시편의 치수와 성형온도를 변화시키면서 최적의 작업온도를 조사하여 한계 드로잉 비와 상대성형 깊이 비를 비교하여 제품의 두께와 박리시험 등을 통해, 클래드 판재의 최적 성형조건을 실험적으로 조사 분석하고자 한다.
- 본 연구에서는 클래드 판재의 사각컵 용기의 디프 드로잉 성형성을 개선하기 위하여 원형 블랭크와 사각블랭크를 이용하여 실험적 연구를 하였으며 이들의 결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
- Shinagawa⑫등은 스테인리스 304강판을 온간드로잉 가공으로 펀치 속도와 성형온도를 변화시키면서 한계드로잉비를 향상시키는 실험을 하여 이론해석과 비교 분석하였다.
- 吉田⑻은 스테인리스-알루미늄의 2매판 클래드 판재를 가지고 다이에 접촉되는 부위를 스테인리 스인 경우와 알루미늄인 경우를 성형하여 두께와 성형하중의 변화를 실험적으로 연구하였으며, Nohara⑼등은 펀치부위는 냉각, 다이와 블랭크홀 더 부위는 가열하여 스테인리스-알루미늄 클래드 판재의 온간드로잉 가공으로 원형컵의 한계드로잉 비, 두께변화, 경도분포 등의 조사를 통하여 클래 드 판재의 성형성이 온도에 의존함을 제시하였다.
- 2mm/sec인 200톤 유압프레스에 장착하고 틈새, 펀치 및 다이코너반경, 블랭크 홀딩력 등은 일정하게 유지하였다. 다이와 블랭크홀더의 온도는 상온에서부터 30℃씩의 단계를 두어 180℃까지 6단계로 온도변화에 따른 드로잉 성형성을 조사하였다. 시편은 블랭크형상에 대한 성형 효과를 비교하기 위하여 원형컵에서는 시편의 치수를 0 75mm에서부터 0120mm까지 5mm씩 점진적으로 증가 시 켜 가며 한계드로잉비 를 조사하였으며 , 사각 컵에서는 원형과 정사각형의 두 종류를 준비하여 블랭크의 크기는 원형의 경우 직경 85mn를 기준으로 정사각형의 블랭크는 80mm를 기준으로 가로 세로 5mm씩 증가시켜가면서 제품표면에 파단이 발생될 때까지 계속 실험하면서 최대 성형깊이를 구하였다.
- 본 실험에서의 블랭크 홀딩력은 드로잉 과정 중 소재에 직접 전달되지 않고 단지 주름이 발생하려고 할 때 '주름 발생을 억제만 할 수 있도록 다이와 블랭크홀더 사이에 2.1mm 두께의 스페이서(spacer)를 끼우고 실험하였다.
- 성형품의 두께분포 측정은 Fig. 2(b)에서 보는 바와 같이 성형품의 중심을 원점으로 하여 5mm 간격으로 제품의 윤곽을 따라가면서 포인터 마이크로미터로 두께를 측정하였다. 상온에서의 실험은 펀치, 다이 등 금형부품을 냉각이나 가열없이 상온 상태에서 수행한 것이고, 온간 성형실험은 펀치를 냉각(냉각장치로부터 -5℃의 낸매를 순환) 시키고, 다이와 블랭크홀더를 가열시킨 상태에서 실험을 한 것이다.
- 다이와 블랭크홀더의 온도는 상온에서부터 30℃씩의 단계를 두어 180℃까지 6단계로 온도변화에 따른 드로잉 성형성을 조사하였다. 시편은 블랭크형상에 대한 성형 효과를 비교하기 위하여 원형컵에서는 시편의 치수를 0 75mm에서부터 0120mm까지 5mm씩 점진적으로 증가 시 켜 가며 한계드로잉비 를 조사하였으며 , 사각 컵에서는 원형과 정사각형의 두 종류를 준비하여 블랭크의 크기는 원형의 경우 직경 85mn를 기준으로 정사각형의 블랭크는 80mm를 기준으로 가로 세로 5mm씩 증가시켜가면서 제품표면에 파단이 발생될 때까지 계속 실험하면서 최대 성형깊이를 구하였다.
- 실험은 원형컵과 사각컵 성형실험을 따로따로 수행하였으며 온간 디프 드로잉 금형을 램의 하강 속도가 11.2mm/sec인 200톤 유압프레스에 장착하고 틈새, 펀치 및 다이코너반경, 블랭크 홀딩력 등은 일정하게 유지하였다. 다이와 블랭크홀더의 온도는 상온에서부터 30℃씩의 단계를 두어 180℃까지 6단계로 온도변화에 따른 드로잉 성형성을 조사하였다.
- 온도계측은 다이와 블랭크홀더의 표면 온도로 다이코너 반경부가 시작되는 곳으로부터 5mm 떨어진 곳의 온도를 측정하여 성형 온도기준으로 하였으며, 이를 기준으로 펀치 윗면의 온도를 측정한 결과가 Table 4에 나타나 있다.
- 1에, 그리고 실험을 위한 금형 부품의 치수가 Table 3에 나타나 있다. 펀치에는 냉각수 장치를, 다이와 불랭크홀더에는 금형을 가열하는 히터장치와 온도를 감지하는 열전대를 설치하여 TPR(Thyristor Power Regulator)방식의 전력제어 방법으로 온도조절을 하였다.
대상 데이터
- 정도를 알기 위하여 Fig. 2(a)와 같이 클래드 판재를 폭 5mm, 길이 50mm 정도로 절단하여 시편을 제작하였다. 또 성형 후의 제품은 좌우 대칭이므로 Fig.
- 본 실험에 사용한 소재로는 STS304-A1050-STS304 클래드 판재를 사용하였다. 이 판재는 내측에 0.
- 실험시의 윤활제로는 내열성과 윤활성이 양호한테프론(Teflon) 필름®을 시편의 양면에 고르게 접착하여 사용하였다.
- 온간 디프 드로잉을 실험하기 위한 금형을 원형 컵 드로잉 금형과 사각컵 드로잉 금형을 각각 제작하였으며 금형의 정면도 도면이 Fig. 1에, 그리고 실험을 위한 금형 부품의 치수가 Table 3에 나타나 있다. 펀치에는 냉각수 장치를, 다이와 불랭크홀더에는 금형을 가열하는 히터장치와 온도를 감지하는 열전대를 설치하여 TPR(Thyristor Power Regulator)방식의 전력제어 방법으로 온도조절을 하였다.
- 0mm의 알루미늄 판재(A1050-0)를 삽입하여 압연에 의한압접으로 제작된 것이다. 완성된 클래드 판재의 두께를 조사해 본 즉, 스테인리스 판재는 0.39mm, 알루미늄 판재는 1.22mm로 대부분 강도가 낮은 알루미늄의 두께가 변형되면서(두께 변화율 39%) 클래드 판재가 제조되었다.
- 판재를 사용하였다. 이 판재는 내측에 0.4mm 의 STS304 스테인리스 판재를, 외측에는 STS304 스테인리스 판재를, 그리고 중간층에는 2.0mm의 알루미늄 판재(A1050-0)를 삽입하여 압연에 의한압접으로 제작된 것이다. 완성된 클래드 판재의 두께를 조사해 본 즉, 스테인리스 판재는 0.
이론/모형
- 압접된 클래드 판재의 성형 후 접합 상태를 조사하기 위하여 본 연구에서는 전자현미경관찰법16), 형광염색 침투탐상법 접합강도시험법18)의 3가지 방법을 활용하였다.
성능/효과
- (1) STS304 클래드 판재의 원형컵 성형에서 한계 드로잉 비는 150℃에서 11% 증가되었으며 사각 컵 성형에서 최대 상대성형 깊이는 150℃에서 4.4 로 상온에서의 3.4보다는 29% 증가되었다.
- (2) 파단과 크랙이 발생하기 쉬운 펀치코너 반경 부에서의 두께 및 용기의 밑면과 측벽 부에서의 두께 분포는 상온가공일 때 보다 온간가공일 때 전체 변화폭이 적게 나타나고 더 균일하게 나타났다.
- (3) 용기를 성형 후 클래드 제품의 박리현상을 3가지 방법을 적용하였으나 박리현상은 발생되지않아 클래드 판재의 드로잉작업에 적용 가능함을 확인하였다.
- 그러므로 사각컵 또는 이형 단면용기의 성형 시에는 원형컵처럼 한계드로잉비의 개념을 이용하여 성형성을 판단하기힘들기 때문에 사각 단면의 코너반경 (Rc)에 대한제품의 성형깊이 (H) 의 비율인 상대성형깊이로 비교 조사하였으며, Fig4(a)는 원형블랭크, 그림의 (b)는 사각블랭크에 대해서 각각 실험한 상대성형깊이를 나타내고 있다. STS304 클래드 판재는 블랭크의 형상에 관계없이 상대성형깊이가 4.4(이때의 블랭크 크기 : 원형 <P120mm, 사각형 115x115mm), 이를 상온에서의 값과 비교할 때 1.29배 증가하고 있어, 클래드 강판 재의 드로잉은 상온에서보다 온간에서 성형 효과가 있는 것을 알 수 있다.
- 10에서 보는 바와 같이 2000배로 확대한 전자현미경에 의한 관측에서 접합면상에서의 일부 재료 유동이 관측되고, 박리현상은 보이지 않았다. 그리고 접합면상에 형광적색 침투용액을 도포 시켜 크랙이나 박리현상을 체크할 수 있는 침투탐상법에서도 양호한 접합면 상태를 확인할 수 있었다.
- 0 kgf, 측벽부가 5~15kgf, 플랜지부가 15~25kgf 소요되는 것으로 측정되었다. 따라서 위의 3가지 방법을 통한 압접상태는 드로잉 작업에 관계없이 양호한 접합면이 계속 유지되는 것으로 확인되었다.
- 상온과 온간 제품의 두께변화율을 비교해 보면 원형 블랭크의 Fig. 6에서 직선부분은 온간성형품의 전체 두께편차가 상온보다 17.1% 감소되었고, 곡선부분에서는 15.5% 감소되었다. 마찬가지로 사각 블랭크를 사용한 Fig.
- 상온성형보다 온간성형이 두께분포를 더 균일하게 해 주고 있으며, 두께변화는 상온, 온간에 관계없이 강도가 높은 스테인리스 판재보다 강도가 낮은 알루미늄 판재에서 두께변화가 심하게 일어나고 있음을 보여주고 있다. 특히 파단이 일어날 수 있는 펀치코너 반경부위에서는 블랭크 크기의 차이로 인해 온간성형보다는 상온성형 제품이 더 얇아지고, 또한 펀치코너 반경부치수가 커서 컵 중심부에서의 인장성형(stretching)효과로 인해 2.
- 그러나 연신율은 단일판재보다 클래드 판재가 상온에서 높게 나타났다. 스테인리스 판재의 경우 상온보다 150℃ 에서 인장강도는 STS3047} 12.4%, 연신율은 33.9%로 각각 감소하였으며, 알루미늄 A1050-0 판재의 경우엔 인장강도가 25.7%로 감소했으나, 연신율은 58.1%정도로 크게 증가하여 온 간에서 의인 장성형성 향상을 예측할 수 있다.
- 클래드 판재와 성형품의 접합강도를 조사하기 위해 Fig. 2에서와 같이 시편을 준비하여 인장 시험기에서 인장 시험해 본 결과, 클래드 소재의 경우엔 박리 하중이 시편에 따라 8~14kgf가 소요되었으며, 성형품의 경우엔 제품 바닥부가 1.5~2.0 kgf, 측벽부가 5~15kgf, 플랜지부가 15~25kgf 소요되는 것으로 측정되었다. 따라서 위의 3가지 방법을 통한 압접상태는 드로잉 작업에 관계없이 양호한 접합면이 계속 유지되는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 이상의 결론에서 스테인리스-알루미늄-스테인리스 클래드 판재의 드로잉 실험을 통하여 온간성형으로 한계드로잉비와 상대성형깊이비를 증가 시킬 수 있으었으며, 온간 성형제품의 두께 균일화는 제품의 품질을 향상시킬뿐만 아니라 후공정 단축에 의한 제조비용의 절감과 내구성을 갖춘 경량화로의 소재 전환이 가능하게 되어, 향후 클래드 판재의 온간성형 적용이 기대된다.
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