KR100940685B1

KR100940685B1 - 컵 드로잉 실험을 이용한 강재의 마찰특성 평가 방법

Info

Publication number: KR100940685B1
Application number: KR1020070138042A
Authority: KR
Inventors: 이홍우
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2010-02-08
Also published as: KR20090070144A

Abstract

본 발명은 자동차용 강재 등의 가공성 평가에 있어서 중요한 부분을 차지하고 있는 마찰특성을 평가하는 방법에 관한 것으로서, 컵드로잉 실험을 에서 측정한 기울기로부터 두께 및 재질특성을 제거하여 마찰계수를 산정함으로써 보다 정확하게 강재의 마찰특성을 평가할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 컵드로잉 실험을 이용하여 강재의 마찰특성을 평가하는 방법으로서, 컵드로잉 실험에서 블랭크 홀더력(F_bhf)를 일정한 간격으로 변화시켜가면서 각 블랭크 홀더력에 따른 최대 펀치력(F_p)를 측정하여 최대 펀치력변화량(ΔF_p)과 블랭크 홀더력변화량(ΔF_bhf)의 비(ΔF_p/ΔF_bhf)를 구하고, 이 값으로부터 두께 및 재질특성을 제거하여 마찰계수를 구하여 강재의 마찰특성을 평가하는 방법을 그 요지로 한다.

컵, 드로잉, 마찰, 평가, 블랭크 홀더력, 펀치력

Description

컵 드로잉 실험을 이용한 강재의 마찰특성 평가 방법{Method for Evaluating Friction Property of Steel Material Using Cup Drawing Experiment}

본 발명은 자동차용 강재 등의 가공성 평가에 있어서 중요한 부분을 차지하고 있는 마찰특성을 평가하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강재의 LDR(limit drawing ration) 및 최대 BHF(blank holding force) 평가에 활용하는 컵드로잉 실험을 이용하여 보다 정확하게 강재의 마찰특성을 평가하는 방법에 관한 것이다,

자동차용 강재의 가공성 평가에 있어서 마찰특성은 중요한 부분을 차지하고 있으며, 강재의 정확한 마찰특성 측정을 위한 다양한 방법들이 제안되어 있다.

마찰특성 측정을 위한 대표적인 방법으로는 편면마찰시험법, 드로비드 마찰시험법, U 벤딩 마찰시험법 등이 있다.

각각의 마찰시험법은 시험기기의 특성에 따라 측정되는 마찰계수의 값이 다르게 나타나며, 이는 강재의 마찰특성이 시험기기 및 측정조건에 따라 변화함을 의미한다.

강재의 마찰은 프레스 가공 중에 그 특성에 따라 최종 제품의 변형 거동을 결정한다.

이러한 관점에서 성형성을 평가하는 주요한 시험 중 하나인 컵드로잉 과정에서 나타나는 마찰특성을 평가하는 것은 가공조건이 고려된 강판의 마찰계수 측정이라는 의미를 부여할 수 있다.

컵드로잉 실험에서 블랭크 홀더력(F_bhf)과 펀치력(F_p)에 의한 기울기 F_p/F_bhf는 마찰특성과 관련이 있음이 알려져 있으나, 실험 강재의 재질특성 및 두께에 따라 기울기가 영향을 받기 때문에 이를 제거하는 과정이 필요하다.

종래의 방법은 가정과 단순화에 의한 이론적 접근법을 활용하여 마찰계수 산정식을 도출하였으나, 식 자체에 미확정 상수를 포함하고 있을 뿐만 아니라 실제 컵드로잉 공정을 단순화하였으므로 마찰계수 산정의 정확성이 떨어져 마찰특성을 정확히 평가할 수 없는 단점이 있다.

이에, 본 발명은 컵드로잉 실험통하여 구한 최대 펀치력변화량(ΔF_p)과 블랭크 홀더력변화량(ΔF_bhf)의 비(ΔF_p/ΔF_bhf)로부터 두께 및 재질특성을 제거하여 마찰계수를 구함으로써 보다 정확하게 강재의 마찰특성을 평가할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 컵드로잉 실험을 이용하여 강재의 마찰특성을 평가하는 방법으로서, 컵드로잉 실험에서 블랭크 홀더력(F_bhf)를 일정한 간격으로 변화시켜가면서 각 블랭크 홀더력에 따른 최대 펀치력(F_p)를 측정하여 최대 펀치력변화량(ΔF_p)과 블랭크 홀더력변화량(ΔF_bhf)의 비(ΔF_p/ΔF_bhf)를 구한 다음, 이 값을 하기 관계식에 대입하여, 마찰계수를 측정하여 강재의 마찰특성을 평가하는 방법에 관한 것이다.

[관계식 1]

,

[여기서,

: 두께 보정함수,

: 재질 보정함수, t: 소재의 두께, n: 소재의 가공경화 지수, C₁은 상수로서 평균적인 두께 보정값을 의미하며, 0.8~0.9 사이의 값을 갖고, C₂는 상수로서 두께에 따른 보정값의 변동율을 의미하며, 0.2~0.3 사이의 값을 갖고, C₃는 상수로서 평균적인 재질 보정값을 의미하며, 0.8~0.9 사이의 값을 갖고, C₄는 상수로서 재질 보정값의 선형 변동율을 나타내며, 0.17~0.22 사이의 값을 갖고, C₅는 상수로서 재질 보정값의 2차 변동율을 나타내며, -5.2~-4.7 사이의 값을 가짐.]

본 발명은 실제 가공조건에 부합하는 마찰특성을 평가하는 방법으로서 마찰 외적인 요인(두께, 재질)에 의한 오차를 수치해석 결과를 이용하여 보정함으로써 마찰특성 평가의 신뢰성 및 정확성을 향상시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 강재의 LDR(limit drawing ration) 및 최대 BHF(blank holding force) 평가에 활용하는 컵드로잉 실험기기를 이용하여 실제 가공상태를 고려하여 마찰계수를 보다 정확하게 측정하는 것이다.

즉, 원형컵 가공에 있어서 소재유입을 제어하는 블랭크 홀더력(F_bhf)를 일정한 간격으로 변화시켜가면서 각 블랭크 홀더력에 따른 최대 펀치력(F_p)를 측정하여 구한 최대 펀치력변화량(ΔF_p)과 블랭크 홀더력변화량(ΔF_bhf)의 비(ΔF_p/ΔF_bhf)를 마찰계수 측정에 적용하여 보다 정확하게 강재의 마찰특성을 평가하는 방법에 관한 것이다.

마찰계수 산정을 위한 종래의 방법은 이론적 유도에 기반하여 많은 가정과 단순화에 따른 마찰특성 평가의 정확성이 결여되는 단점이 있었으나, 본 발명은 수치해석을 활용하여 두께 및 재질의 변화에 따른 마찰계수의 변동을 보정할 수 있는 보정함수를 유도하고, 이것을 강재의 마찰계수를 구하는데 적절히 반영함므로써 보다 정확하게 강재의 마찰특성을 평가할 수 있다.

본 발명에서는 블랭크 홀더력과 펀치력 데이터를 선형 근사하여 얻어지는 최대 펀치력변화량(ΔF_p)과 블랭크 홀더력변화량(ΔF_bhf)의 비(ΔF_p/ΔF_bhf)와 컵드로잉 시뮬레이션 결과로부터 이론적 접근 방법에서 생략된 복잡한 강재의 거동을 고찰하기 위하여 수치해석을 이용한 컵드로잉 시뮬레이션을 활용하는 방법을 도입한다.

도 1에는 본 발명에 적용되는 컵드로잉 실험의 일례가 나타나 있다.

도 1에 나타난 바와 같이, 컵드로잉 실험에서는 펀치(3)를 하사점으로 내린 상태에서 드로잉비 1.9인 원형 시편(1)을 블랭크 홀더(4) 위에 위치시킨 후 블랭크 홀더(4)에 시험 하중(F_bhf)을 가압하면 다이(5)와 시편(1)이 접촉하여 소재의 유입을 제어한다.

펀치(3)를 위로 밀어 올리면 원형 시편은 컵 형상의 제품(2)으로 가공이 되며 이 때 가공이 완료될 때까지 중에서 최대로 가해지는 최대 펀치하중(F_p)을 측정한다.

이러한 과정을 블랭크 홀더력(F_bhf)을 변화시키며 반복적으로 수행하고 원형 컵으로 완전히 가공이 되지 않고 시편에 크랙이 발생하면 실험을 중단한다.

도 2에는 실험에 의해 측정된 블랭크 홀더력의 변화에 따른 펀치하중의 변화를 나타내는 그래프의 예가 나타나 있다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 블랭크 홀더력과 펀치력은 선형적으로 증가하며, 이는 둘 사이의 관계를 직선의 기울기로 표현할 수 있음을 의미한다.

블랭크 홀더력에 따라 선형적으로 증가하는 펀치력은 시편과 다이/블랭크 홀더 사이의 마찰, 다이 코너 R부에서의 마찰 등 대부분이 판재의 마찰에 의해 지배를 받으나, 컵 벽부의 인장 등 소재의 변형에 의한 영향도 포함되어 있다.

본 발명에서는 이를 제거하기 위하여 마찰계수를 하기 관계식(1)과 같이 최대 펀치력변화량(ΔF_p)과 블랭크 홀더력변화량(ΔF_bhf)의 비(ΔF_p/ΔF_bhf), 두께 보정함수(

) 및 재질 보정함수 (

)의 함수로 정의하고, 수치해석 프로그램 을 활용하여 컵드로잉 시뮬레이션을 수행하여 상기 두께 보정함수(

) 및 재질 보정함수 (

)를 각각 하기 관계식 (2) 및 (3)과 같이 구한다.

[관계식 1]

[관계식 2]

[여기서, t: 소재의 두께, C₁은 상수로서 평균적인 두께 보정값을 의미하며, 0.8~0.9 사이의 값을 갖고, C₂는 상수로서 두께에 따른 보정값의 변동율을 의미하며, 0.2~0.3 사이의 값을 가짐]

[관계식 3]

[여기서, n: 소재의 가공경화 지수, C₃는 상수로서 평균적인 재질 보정값을 의미하 며, 0.8~0.9 사이의 값을 갖고, C₄는 상수로서 재질 보정값의 선형 변동율을 나타내며, 0.17~0.22 사이의 값을 갖고, C₅는 상수로서 재질 보정값의 2차 변동율을 나타내며, -5.2~-4.7 사이의 값을 가짐.]

이상과 같이 본 발명은 컵드로잉 실험을 통한 최대 펀치력변화량(ΔF_p)과 블랭크 홀더력변화량(ΔF_bhf)의 비(ΔF_p/ΔF_bhf)추출, 수치해석을 통한 두께 및 재질에 의한 오차의 보정 및 마찰계수 산정식의 도출로 구성되어 있다.

본 발명에 따라 강재의 마찰특성을 평가하고자 하는 경우에는 컵드로잉 실험에서 블랭크 홀더력(F_bhf)를 일정한 간격으로 변화시켜가면서 각 블랭크 홀더력에 따른 최대 펀치력(F_p)를 측정하여 최대 펀치력변화량(ΔF_p)과 블랭크 홀더력변화량(ΔF_b _hf)의 비(ΔF_p/ΔF_bhf)를 구한 다음, 이 값을 상기 관계식에 대입하여, 마찰계수를 측정하여 강재의 마찰특성을 평가한다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

본 발명 법을 냉간압연(CR)강재 4종에 적용하였다.

블랭크 홀더력은 0.5ton으로부터 0.5ton 단위로 변화시키며 컵드로잉 실험을 수행하여 최대 펀치력변화량(ΔF_p)과 블랭크 홀더력변화량(ΔF_bhf)의 비(ΔF_p/ΔF_bhf)를 구한 결과 하기 표 1과 같았다.

하기 표 1의 최대 펀치력변화량(ΔF_p)과 블랭크 홀더력변화량(ΔF_bhf)의 비(ΔF_p/ΔF_bhf) 및 가공경화지수(n) 및 강재두께(t)를 상기 관계식에 대입하여 마찰계수를 구하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

이 때, 두께 보정함수(

) 및 재질 보정함수(

)는 도 3과 같았으며, 이것을 수식으로 나타내면 각각 하기 관계식(4) 및 관계식 (5)와 같다

[관계식 4]

[관계식 5]

한편, 본 발명에 따라 구한 하기 표 1의 마찰계수 및 종래의 편면마찰시험법에 의하여 구한 마찰계수 및 실제 성형 쿠션압을 구하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

CR강재	ΔF_p/ΔF_bhf	n	t(mm)	마찰계수
1	0.339	0.256	0.692	0.178
2	0.329	0.254	0.687	0.173
3	0.305	0.255	0.683	0.160
4	0.298	0.252	0.689	0.157

CR강재	편면마찰계수	컵드로잉 마찰계수		실물성형 쿠션압
CR강재	P= 5MPa	-	증가율(%)	ton	증가율(%)
1	0.158	0.178	0	87.5	0
2	0.159	0.173	-2.76	90.0	2.78
3	0.157	0.160	-9.94	97.5	11.43
4	0.160	0.157	-11.82	97.5	11.43

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의해 측정된 마찰계수는 실제 가공조건에서 나타나는 마찰특성을 정확하게 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다.

도 1은 본 발명에 적용되는 컵드로잉 실험을 개략적으로 나타내는 개략도

도 2는 본 발명에 적용되는 컵드로잉 실험에서 블랭크 홀더력의 변화에 따른 펀치하중의 변화를 나타내는 그래프

도 3은 컵드로잉 해석결과로부터 유도된 두께 및 재질 보정함수를 나타내는 그래프

Claims

컵드로잉 실험을 이용하여 강재의 마찰특성을 평가하는 방법으로서, 컵드로잉 실험에서 블랭크 홀더력(F_bhf)를 일정한 간격으로 변화시켜가면서 각 블랭크 홀더력에 따른 최대 펀치력(F_p)를 측정하여 최대 펀치력변화량(ΔF_p)과 블랭크 홀더력변화량(ΔF_bhf)의 비(ΔF_p/ΔF_bhf)를 구한 다음, 이 값을 하기 관계식에 대입하여,

[관계식]

[ 여기서,
.
,
: 두께 보정함수,
: 재질 보정함수, t: 소재의 두께, n: 소재의 가공경화 지수, C₁은 상수로서 평균적인 두께 보정값을 의미하며, 0.8~0.9 사이의 값을 갖고, C₂는 상수로서 두께에 따른 보정값의 변동율을 의미하며, 0.2~0.3 사이의 값을 갖고, C₃는 상수로서 평균적인 재질 보정값을 의미하며, 0.8~0.9 사이의 값을 갖고, C₄는 상수로서 재질 보정값의 선형 변동율을 나타내며, 0.17~0.22 사이의 값을 갖고, C₅는 상수로서 재질 보정값의 2차 변동율을 나타내며, -5.2~-4.7 사이의 값을 가짐.]

마찰계수를 측정하는 것을 특징으로 하는 컵 드로잉 실험을 이용한 강재의 마찰특성 평가 방법
제1항에 있어서,

상기 두께 보정함수(
) 및 재질 보정함수 (
)가 각각

및
인 것을 특징으로 하는 컵 드로잉 실험을 이용한 강재의 마찰특성 평가 방법