[논문]Mg 온간성형을 위한 십자형상 금형의 가열/냉각 채널 설계

최선철; 고동선; 김헌영; 김형종; 홍석무; 유수열; 신용승

Mg 온간성형을 위한 십자형상 금형의 가열/냉각 채널 설계
Heating and Cooling Channel Design of Cross-Shaped Die for Warm Forming of Magnesium Alloy Sheet 원문보기

최선철 (강원대학교 기계.메카트로닉스 공학부) , 고동선 (강원대학교 기계.메카트로닉스 공학부) , 김헌영 (강원대학교 기계.메카트로닉스 공학부) , 김형종 (강원대학교 기계.메카트로닉스 공학부) , 홍석무 ((주) 삼성전자 생산 기술 연구소) , 유수열 ((주) 삼성전자 생산 기술 연구소) , 신용승 ((주) 삼성전자 생산 기술 연구소)

It is known that the temperatures of die, punch, holder and punch pad need to be kept different to get better formability in Mg sheet forming processes. Heating and cooling channels are usually equipped in each tool to assign different temperature. This study focused on the optimal design of the heating and cooling channels for a cross-shaped deep drawing die set. While the die and blankholder were heated to and kept at $250^{\circ}C$ by using heat cartridges, the punch and punch pad were kept at much lower temperature than that of the die and blankholder by water circulating through cooling channels. All the approaches were done by numerical analyses, aiming to maximize the cup height and to minimize the punch corner radius without any failure.

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문제 정의

열 간 실험을 통한 성형성 평가 연구는 다양하지만 원형 및 사각형 형상의 디프드로잉이 대부분이다. 본 연구에서는 다소 복잡한 형태의 십자(十) 형상금형을 이용한 마그네슘 합금판 재 온간성형시 파단이 일어나지 않는범위에서의 최대 성형 높이와 최소 모서리반지름을 얻기 위한 가열냉각라인의 설계를 유한요소해석으로 실시하였고, 이를 실제 금형 제작에 적용하여 향후 공정설계 및 금형설계의 기초자료로활용하고자 한다.
본 연구에서는 십자형상금형을 이용한 마그네슘 합금판 재의 온간성형시 성형 높이의 최대화와 펀치 모서리반 지름의 최소화를 위해 금형의가열 및 냉각채널의 최적설계를 실시하였다. 그결과를 정리하면 다음과 같다.

가설 설정

유지한다고 가정하였다. 또한, 냉각라인과펀치의 열전달 계수는 정확한 측정이 불가능하여금형과 소재와의 열 전달 계수와 비슷하다고 가정하였다. 금형의 소재는 SKD61 종을 사용하였으며, 해석에 사용된 주요 물성치는 Table 1에 나타내었다.
실제 성형시 펀치의 온도는 250℃로 가열된 다이 및 블랭크 흘더에 의해 약 200℃까지 상승하는점을 고려하여 냉각 해석시 초기 펀치온도는 200℃로 설정하였고, 냉각수는 유속이 일정하며 25℃를 유지한다고 가정하였다. 또한, 냉각라인과펀치의 열전달 계수는 정확한 측정이 불가능하여금형과 소재와의 열 전달 계수와 비슷하다고 가정하였다.

제안 방법

2와 같이 1/4 로 모델링하였다., 열전달(heat transfer)5 모듈을 이용하여 해석하였으며, 해석시 공기에 의한 열대류는 무시하였다. 금형의 가열 및 냉각라인은 소재와 접촉하는 부분의 금형 온도와 면 내 균일도를 목적함수로 설정하여 설계 최적화를 하였다.
가열 및 냉각라인의 최적 설계를 위해 각 채널 라인의 개수와 위치, 채널의 지름과 라인과 라인 사이의 간격 등을 설계변수로 두었다. 각 설계변수들은 초기에 Fig.
간격 등을 설계변수로 두었다. 각 설계변수들은 초기에 Fig. 1과 같이 배치하고, 각 변수들을 조정하여 채널 라인의 최적화를 실시하였다. 다이 및 펀치는 상용 소프트웨어인 ABAQUS 의 DC3D4 사면체 요소를 사용하여 Fig.
, 열전달(heat transfer)5 모듈을 이용하여 해석하였으며, 해석시 공기에 의한 열대류는 무시하였다. 금형의 가열 및 냉각라인은 소재와 접촉하는 부분의 금형 온도와 면 내 균일도를 목적함수로 설정하여 설계 최적화를 하였다.
다이와 블랭크홀더는 카트리지를 이용한 직접가열방식으로 가열하고, 펀치는 냉각 라인을 설치하고 물을 순환시켜 냉각하였다. 금형의 형상 및 주요치수는 성형해석을 통해 Fig. 1과 같이 결정하였다. 펀치에 설계한 초기 냉각 라인은 지름이 9mm 이며 표면으로부터 5mm 떨어져 있다.
크지 않다. 따라서 초기에 동일한 시간 동안 가열할 경우 소재와 접촉할 부분에서의 온도가 균일한 정도를 판단 기준으로 설정하였다’ 동일한용량의 히트카트리지를 50, 100mm로 길이를 바꾸며, 대칭되게 배치하였을 경우 총용량이 같아지도록 Fig. 5와 같이 길이가 50mm인 경우 8 개씩, 100mm인 경우 4개씩 배치하였다.4가지 경우의 해석 결과를 Fig.
6에 나타내었다. 소재가 위치하는 검은색 실선 부분 내에서 Case 3의 결과가 가장 온도분포가 균일한 것으로 판단하여 실제 금형 설계에 사용하기로 하였다.
펀치 냉각 라인의 지름과 수는 치수를 고려하여 6mm - 1줄, 6mm - 2 줄, 6mm - 3줄, 9mm - 1 줄 및 9mm-2 줄 등 5가지 조합으로 설정하였다. Fig.

대상 데이터

또한, 냉각라인과펀치의 열전달 계수는 정확한 측정이 불가능하여금형과 소재와의 열 전달 계수와 비슷하다고 가정하였다. 금형의 소재는 SKD61 종을 사용하였으며, 해석에 사용된 주요 물성치는 Table 1에 나타내었다. 가열해석의 경우 다이와 블랭크홀더는 형상이 비슷하므로 다이의 경우에만 진행하였고, 초기다이의 온도는 25 ℃ 로 하였으며, 카트리지는 최대발열 온도인 500℃로 설정하였다.

이론/모형

한편, 펀치를 금형보다 낮은 온도로 냉각시키면 펀치 어깨부에서의 파 단저항을 높여 소재의 성형성을 더욱 향상시킬 수 있다는 연구결과도 발표된 바 있다 [5]. 이러한 방법을 이용하여 본 연구에서는 국부가열냉각[6]을 적용하여 십자형 금형을 설계하였다. 다이와 블랭크홀더는 카트리지를 이용한 직접가열방식으로 가열하고, 펀치는 냉각 라인을 설치하고 물을 순환시켜 냉각하였다.

성능/효과

(1) 냉각채널 설계시 실험계획법을 이용하여 유한요소해석으로 최적화를 하였으며, 최저 온도 및 균일도면에서는 냉각과 펀치표면과의 거리가 가장 중요한 인자임을 확인하였다.
(3) 냉각채널은 지름 9mm, 라인 2줄, 표면과의 높이 5mm, 간격 8mm로 설치하였을 경우 가장 좋은 결과를 보였으며, 가열 채널은 길이 100mm 의 히트카트리지를 Fig. 5(c)와 같이 4개를 대칭적으로 배치하였을 때 가장 좋을 것으로 나타났다.
4에 표시하였다. 분산분석 결과 온도 분포는 펀치 표면에서 냉각 라인까지의 높이(H)가 가장 큰 영향을 미쳤으며, 그 다음으로 라인의 지름(D), 라인 사이의 간격(G) 순이었고, 2 인자 교호작용은 상대적으로 낮은 영향을 보였다. 따라서 라인의 지름, 높이, 간격이 각각 9, 5, 8mm인 Fig.

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