KR100812039B1 - 씽크성형시 블랭크 형상 결정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소정의 대변길이를 갖는 정사각형의 오스테나이트계 스테인레스강 원소재로부터 딥드로잉에 의하여 씽크 가공하기 위한 블랭크 형상 결정방법에 관한 것으로서, 상기 딥드로잉을 실시하기 전에 상기 대변길이가 제1길이(a)로 축소되도록 상기 정사각형 원소재의 4귀를 각각 절단하는 단계를 포함하고, 상기 제1길이(a)는 상기 원소재의 밀도 및 비열과, 탄성계수와, 진응력-진변형률의 물성치를 경계조건으로 설정한 3차원 유한요소법을 통하여 결정되는, 하기 식,

0.9 〈 a/b 〈 1.1,

에 의해서 구해지고, 여기에서, 상기 b는 상기 정사각형의 정중앙점으로부터 상기 절단선에 수직으로 그어 내린 직선의 길이인 것을 특징으로 하므로, 사각드로잉 형상의 씽크 성형시 많은 시행착오 방법만을 통해 얻어지던 기존의 방법과는 달리, 3차원 모델링을 사용하여 소재의 최적형상 영역을 예측함으로써 제품의 가공불량이 최소화 되고 소재 실수율이 향상되는 유용한 효과가 있다.

팸-스탬프, 3차원 유한요소법, 경계조건

Description

씽크성형시 블랭크 형상 결정방법{A METHOD FOR DETERMINING BLANK SHAPE for SINK MANUFACTURING PROCESS}

도 1은 사각드로잉 형상으로 가공되는 씽크의 3차원 형상 도면.

도 2는 본 발명에서 사용된 블랭크 형상을 도시한 도면으로서, (a)는 원소재의 도면, (b)는 형상 변화 소재의 도면.

도 3은 블랭크 형상 변화에 따른 심가공시 소재의 유입속도 변화를 나타낸 도면으로서, (a)는 원소재의 도면, (b)는 대변길이가 160mm인 형상변화 소재의 도면, (c)는 대변길이가 100mm인 형상변화 소재의 도면, (d)는 대변길이가 50mm인 형상변화 소재의 도면.

도 4(a), (b), (c), (d)는 도 3(a), (b), (c), (d)에 도시된 소재 각각의 형상변화에 따른 주름발생 결과를 나타낸 사진.

도 5(a), (b), (c), (d)는 도 3(a), (b), (c), (d)에 도시된 소재 각각의 형상변화에 따른 소재 두께분포변화를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명에 따른 적절한 블랭크 형상변화의 범위를 나타낸 도면.

본 발명은 오스테나이트계 스테인레스강 소재의 딥드로잉(deep drawing) 성형시 최적의 블랭크 형상 결정방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 사각드로잉 가공을 하는 씽크 소재의 실험 및 모델링(modeling)을 통해 최적의 블랭크 형상을 도출하여 성형시 주름현상 등의 문제점을 최소화할 수 있는 블랭크 형상 결정방법에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같은 3차원 형상을 갖는 부엌에 사용되는 씽크의 가공은 판재를 3차원 부품으로 변환시키는 공정이다. 즉, 씽크 가공은 딥드로잉 공정에 의하여 이루어진다. 특히, 씽크의 형상은 사각형 형태를 구비하므로, 사각드로잉 성형이 사용된다. 이러한 사각드로잉 성형에 있어 중요한 성형인자로서 마찰계수, 공차(clearance), BHF, 금형 반경 등 여러가지가 있을 수 있지만, 가장 중요한 것은 적절한 블랭크 형상을 결정하는 것이다.

즉, 드로잉 성형을 위한 완벽한 블랭크 형상에 대한 필요성은, 성형이후에 거의 트리밍(trimming)을 할 필요가 없도록 하는 것이고, 그저 필요하다면 표면 마무리 작업 정도만이 요구되도록 하는 것이다. 그러나, 블랭크 형상의 결정은 소재의 결정방향성 및 마찰문제 등에 의하여 정확한 예측이 매우 힘들다. 결국, 판재 부품의 경제성은 블랭크의 절단(cutting)과 배치설계(layout) 설정을 적절하게 하여 블랭크 형상을 결정하는 데 달려있다고 할 수 있다.

많은 경우에 소재비용은 금형비용을 무색하게 하는데, 일단 부품의 형상과 이를 위한 블랭크의 형태가 결정되면 블랭크 배치설계와 절단 방법 등이 비용 절감을 위한 중요 변수가 된다. 생산성과 비용 절감을 위한 적절한 블랭크 형상을 얻기 위하여 우선 소재 두께가 일정해야 한다. 이러한 가정은 성형후의 표면적이 또한 일정해야 한다는 것을 의미한다. 심가공한 부품에 있어 최종 성형품의 표면적은 사실 블랭크 초기 표면적과 거의 동일하다. 이러한 사실은 블랭크 형상 결정의 중요성을 나타낸다.

이와 같이 계산된 블랭크는 매우 적절한 예상치이지만, 귀가 달린 용기를 압출하여 성형시키는 드로잉 가공에서는 소재의 불균일한 소성변형을 고려할 필요가 있다. 따라서, 트리밍의 허용치는 항상 여유를 두어야 한다. 그러나, 트리밍의 양이 클수록 스크랩(scrap)의 양이 늘어나는 반면 너무 작은 트리밍 공차는 오히려 스크랩의 양을 더 늘릴 가능성이 있다.

일반적으로, 부품이 커질수록 불균일한 변형으로 인한 트리밍의 양이 증가하게 된다. 따라서, 심가공할 때 소재의 실수율을 향상시키기 위해서는 적절한 성형 한계를 도출하는 것이 매우 중요하다. 그러나, 보편적으로 현장에서는 최적 블랭크 크기를 알기 위해 성형한 후 보정하는 방식(trial and error)을 택하고 있을 뿐이다.

한편, 오스테나이트계 스테인레스강은 마르텐사이트계 또는 페라이트계 스테인레스강에 비해 가공성이 좋고, 프레스 성형성 및 용접성이 우수하며, 특히 내식성, 내약품성, 내구성이 뛰어나므로 복잡한 제품 성형에 적합하다. 그러나, 오스테나이트계 스테인레스강은 열팽창이 크고, 열전도율이 낮으며, 가공경화성이 있기 때문에 변형이나 스프링 백 현상이 기타 강종에 비해 크다는 단점이 있다. 또한, 오스테나이트계 스테인레스강은 냉간압연 강판보다 1.5~2배의 변형저항을 가지고 있어 다이에 긁힘(scratches) 및 소착(galling) 현상을 일으키는 경향이 있다.

따라서, 오스테나이트계 스테인레스강을 소재로 심가공할 때에는 소재의 실수율 향상은 물론 가공경화성에 의한 변형이나 스프링 백 현상으로 생기는 가공불량 현상을 방지하기 위해 무엇보다도 적절한 블랭크 형상을 결정하는 것이 매우 중요하다. 그러나, 보편적으로 현장에서는 최적 블랭크 크기를 알기 위해 일단 소재를 성형한 후 경험적으로 보정하는 방식에 의존하기 때문에 소재의 실수율 측면에서나 품질 측면에서 상당히 비경제적이다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 오스테나이트계 스테인레스강 소재를 딥드로잉 특히 사각드로잉에 의하여 씽크로 가공할 때 소재의 실수율을 높이고 가공에 따른 불량을 사전에 방지하며 또한 사각드로잉 성형시 파단 및 주름현상을 최소화시킬 수 있는 최적의 블랭크 형상을 결정하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 소정의 대변길이를 갖는 정사각형의 오스테나이트계 스테인레스강 원소재로부터 딥드로잉에 의하여 씽크 가 공하기 위한 블랭크 형상 결정방법은 상기 딥드로잉을 실시하기 전에 상기 대변길이가 제1길이(a)로 축소되도록 상기 정사각형 원소재의 4귀를 각각 절단하는 단계를 포함하고, 상기 제1길이(a)는 상기 원소재의 밀도 및 비열과, 탄성계수와, 진응력-진변형률의 물성치를 경계조건으로 설정한 3차원 유한요소법을 통하여 결정되는, 하기 식,

0.9 〈 a/b 〈 1.1,

에 의해서 구해지고, 여기에서, 상기 b는 상기 정사각형의 정중앙점으로부터 상기 절단선에 수직으로 그어 내린 직선의 길이인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

먼저, 304 스테인레스강을 이용한 씽크 성형시 사각드로잉에 적합한 최적의 블랭크 형상은 소재의 주름발생, 변형율 및 응력집중을 최소화하기 위하여 결정되어야 한다. 그리고, 304 스테인레스강 소재를 다이와 블랭크홀더 사이에 위치시켜 펀치를 하강하면서 소정 형상으로 심가공하기 위하여, 실제 금형형상을 제작해서 시험하고 이와 병행해서 3차원 모델링을 사용하였다.

본 발명에서는 실험과 모델링의 대상으로 블랭크 원소재는, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 250mm X 250mm의 크기를 갖는 정사각형 형상으로 준비하였다. 블랭크 가공시, 도 1에 도시된 바와 같이, 씽크의 4 코너 부위의 곡률반경과 모서리는 각각 10R와 3R로 설정하였고, 깊이는 충분히 깊이 성형할 수 있도록 높이 100mm의 다이를 주조하였다.

플랜지 부분의 재료는 평면응력 상태로 가정할 수 있는데, 펀치가 진행함에 따라 마찰에 의한 변형이 일어나고 재료가 다이 모서리를 지나면서 굽힘과 되돌림 굽힘을 받으므로 적절한 다이 반경이 필요한 것이다. 소재 형상은 주로 플랜지에서의 마찰에 의한 변형과 굽힘에 의한 변형에 상당히 의존한다고 볼 수 있다. 이때, 굽힘시에 다이반경이 너무 크게 되면 요구되는 금형 및 제품형상에서 벗어날 수 있고, 다이반경이 너무 작게되면 굽힘에 의한 응력집중 정도가 커져 파단에 이르게된다.

즉, 코너 반경이 너무 작을 경우에는 컵에 지나친 힘이 작용하게 된다. 실질적으로, 다이 코너 반경의 적절한 값은 드로잉이 진행되는 동안 컵 플랜지의 반경이 계속적으로 변하기 때문에 이에 따른 적절한 다이 코너 반경 역시 변해야 한다. 따라서, 적절한 다이 코너 반경의 절대값을 얻는 것은 어려운 문제이다. 이러한 다이 조건에서 어떠한 블랭크 형상이 가장 유리한 것인지를 살펴본 것이다.

이를 위하여, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 블랭크 원소재의 4 귀를 절단하여 형상변화를 주었으며 이러한 소재를 가지고 실제 금형에서 사각드로잉 및 3차원 모델을 이용하여 주름현상 및 파단 발생 현황을 살펴 보았다.

이때, 블랭크 하중은 20톤을 사용하였다. 즉, 블랭크 하중이 20톤 이하인 경우에는 주름현상이 발생되고, 그 이상인 경우에는 파단에 민감해지므로, 이러한 문제점 발생을 방지하기 위하여 블랭크 하중을 20톤으로 설정하였다.

본 발명에 사용된 소재의 모델링은 팸-스탬프(PAM-STAMP)를 사용하였다. 이러한 팸-스탬프에서의 모델링은 사각형 축대칭을 이루므로 1/4면만을 사용한 3차원 모델링이 가능하다. 따라서, 도 3 및 도 5에 도시된 도면들은 도 2(b)에 표시된 A 영역만을 나타낸다.

이와 같이 요소분할을 실행한 다음에는, 소재의 밀도 및 비열, 탄성계수, 진응력-진변형율 등의 물성치를 기초로 드로잉 이전에 경계조건을 설정하고, 상기 공정인자 중에서 가장 중요한 인자인 소재의 마찰계수, 블랭크 홀딩력 및 다이반경(R)의 값을 변화시키면서 3차원 모델링을 행하였다.

즉, STS 304 스테인레스강판을 다이, 블랭크홀더, 펀치 등으로 설계하여 경계조건을 정하고, 3차원 유한요소법을 이용하여 구한 최적형상 범위에서 심가공 시험을 행하였다. 각 공정인자에 따른 최적의 한계 드로잉비를 구하였다. 한편, 사용된 소재의 두께는 0.6mm이고, 속도는 0.2~10 mm/sec로 설정하였다.

도 3은 팸-스탬프를 사용한 원소재의 모델링을 이용하여 원소재 및 형상변화된 소재 각각의 변형거동을 나타낸 도면으로서, (a)는 대변길이가 250mm인 원소재의 도면이고, (b)는 대변길이가 160mm인 형상변화 소재의 도면이고, (c)는 대변길이가 100mm인 형상변화 소재의 도면이고, (d)는 대변길이가 50mm인 형상변화 소재의 도면이다. 그리고, 블랭크 형상에 따라 심가공시 소재의 유입속도가 틀리게 나타나고 있음을 알 수 있다. 여기에서, 색상이 유사할수록 소재의 유입속도가 균일하다는 것을 의미한다.

도 3(b)를 참조하면, 원소재의 대변길이를 160mm로 유지하도록 4 귀를 모따기한 경우에, 딥드로잉의 결과 컵의 모서리 부근의 색상이 균일하게 나타나는 것을 통하여 소재의 유입속도가 전체적으로 가장 균일한 경향을 보여준다는 것을 알 수 있다.

한편, 상술된 바와 같이, 원소재의 대변길이를 160mm로 유지한 블랭크를 딥드로잉한 결과 제작된 씽크는, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 주름 현상이 거의 없는 양호한 형상을 나타낸다. 또한, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 소재 두께 분포를 관찰하여 확인할 수 있듯이 가장 균일한 두께 분포를 갖는다는 것을 알 수 있다.

결과적으로 304 스테인레스강을 이용한 씽크 소재의 사각드로잉시 블랭크 형상이 중요한 것을 확인할 수 있고, 이러한 고찰로부터 적절한 블랭크 형상 영역의 설정이 가능하다.

한편, 도 6을 참조하면, 정사각형의 원소재를 모따기하여 그의 대변길이의 값을 'a'로 축소하였을 때, 상기 정사각형의 정중앙점으로부터 상기 절취선에 수직으로 그어 내린 직선의 길이를 'b'라 하였을 때, 블랭크 형상을 결정하기 위한 수식은 다음과 같이 결정된다.

0.9 〈 a/b 〈 1.1.

이때, 상기 식은 상기 원소재의 밀도 및 비열과, 탄성계수와, 진응력-진변형률의 물성치를 경계조건으로 설정한 3차원 유한요소법을 통하여 결정된다. 그리고, 상기 원소재의 모델링은 상술된 바와 같이 팸-스탬프를 이용하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 사각드로잉 형상의 씽크 성형시 많은 시행착오 방법만을 통해 얻어지던 기존의 방법과는 달리, 3차원 모델링을 사용하여 소재의 최적형상 영역을 예측함으로써 제품의 가공불량이 최소화 되고 소재 실수율이 향상되는 유용한 효과가 있다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

Claims (1)

1. 소정의 대변길이를 갖는 정사각형의 오스테나이트계 스테인레스강 원소재로부터 딥드로잉에 의하여 씽크 가공하기 위한 블랭크 형상 결정방법에 있어서,

   상기 딥드로잉을 실시하기 전에 상기 대변길이가 제1길이(a)로 축소되도록 상기 정사각형 원소재의 4귀를 각각 절단하는 단계를 포함하고,

   상기 제1길이(a)는 하기 식,

   0.9 〈 a/b 〈 1.1,

   에 의해서 구해지고, 여기에서, 상기 b는 상기 정사각형의 정중앙점으로부터 상기 절단선에 수직으로 그어 내린 직선의 길이인 것을 특징으로 하는 블랭크 형상 결정방법.

Images