KR101337954B1 - 금속 재료의 이축 인장 변형량 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강판 및 알루미늄/마그네슘 판재와 같은 자동차에 적용되는 금속 재료의 성형성을 평가하기 위한 금속 재료의 이축 인장 변형량 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실시간으로 이축 인장을 받는 금속 판재의 변형량을 측정하고 그 값을 이용하여 이축 인장 상태의 인장곡선을 산출하여 금속 판재의 프레스 상태를 더욱 정확하게 모사하여 정밀한 성형해석이 가능한 금속 재료의 이축 인장 변형량 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 통해 프레스 조건을 만족하는 이축 인장 상태의 인장곡선을 산출하여 높은 변형률까지 입력이 가능하여 금속 판재의 성형해석 정밀도가 향상되고, 이로 인해 프레스(인장기) 펀치와 소재의 마찰력을 고려하여 프레스 조건을 현실적으로 모사할 수 있다.
금속 재료, 이축 인장, 변형량, 인장곡선

Description

금속 재료의 이축 인장 변형량 측정 장치 및 방법{Method and apparatus for measuring extensity of metallic meterial}
본 발명은 강판 및 알루미늄/마그네슘 판재와 같은 자동차에 적용되는 금속 재료의 성형성을 평가하기 위한 금속 재료의 이축 인장 변형량 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실시간으로 이축 인장을 받는 금속 판재의 변형량을 측정하고 그 값을 이용하여 이축 인장 상태의 인장곡선을 산출하여 금속 판재의 프레스 상태를 더욱 정확하게 모사하여 정밀한 성형해석이 가능한 금속 재료의 이축 인장 변형량 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속 재료의 인장 성질은 기계적 성질 중에서 가장 기본이 되는 특성으로서 이에 따른 인장곡선은 재료의 특성을 평가하는 기본적인 자료가 되며, 이를 대표하는 기본적인 방법으로는 일축 인장시험이 있다.
도 1은 종래 일축 인장 시험기 및 강판 시편을 도시한 도면이고, 도 2는 일축 인장 시험에서 산출된 인장곡선을 나타낸 그래프이다.
그러나, 대부분의 금속 판재 부품이 프레스 기술이나 하이드로포밍 기술을 적용하여 가공되고 있으므로, 일축 인장의 하중 모드에서 가공하여 판재의 성형성을 평가하는 일축 인장시험은 거의 사용되지 않고 있는 실정이다.
또한, 일축 인장시험에서 산출된 인장곡선은 균일 신율까지 측정가능하기 때문에 도 2와 같이 네킹 이후의 범위에 대해서는 계산을 통한 방법으로 해석 데이터를 가공하여 정확한 해석 데이터 입력이 불가능하였다.
따라서, 금속 판재의 프레스 모드를 정확하게 모사하기 위한 방법으로 십자 인장시험법과 같은 이축 인장시험 혹은 유압으로 판재를 변형시키는 벌지 테스트(Bulge-test)에서 측정된 변형량을 이용한 인장곡선 산출법들이 제시되고 있다.
기존 이축 인장 상태에서의 인장곡선 산출방법인 십자 인장시험법은 금속 판재의 프레스 성형시 성형성에 많은 영향을 미치는 마찰을 고려할 수 없을 뿐 아니라 장비가 고가라는 단점이 있으며, 프레스 장치의 펀치와 접촉이 없는 평면변형상태이기 때문에 정확한 프레스 및 하이드로포밍을 모사하는데 한계가 있다.
그리고, 벌지 테스트 하에서의 인장곡선은 하이드로포밍을 모사하는데 있어서 최적의 방법이나 유압으로 판재를 변형시키기 때문에 판재의 크랙 발생시 높은 압력으로 인한 폭발로 사고의 위험이 존재하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 금속 판재 의 프레스 조건을 만족시키는 이축 인장상태에서 마찰을 고려한 인장곡선을 산출하여 더욱 정확하게 소재의 성형성을 측정하고 금속 판재의 성형해석 정밀도를 향상시킬 수 있는 금속 재료의 이축 인장 변형량 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 금속 판재를 고정하는 상부 홀더와 하부 홀더로 구성되는 블랭크 홀더와, 상기 블랭크 홀더에 고정된 상기 금속 판재를 인장변형시키는 반구 형상의 펀치를 포함하는 인장기와, 변형 전에 상기 금속 판재에 미리 표시한 중앙점 및 X변형점과 Y변형점에 레이저 광선을 발하는 레이저 발생장치와, 상기 레이저 발생장치의 맞은편에 장착되어 반사된 레이저 광선을 감지하는 센서와, 상기 금속 판재의 상단부에 일정 높이로 구성되어 가공되는 금속 판재의 변화를 측정하는 카메라를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 판재의 이축 인장 변형량 측정 장치를 제공한다.
바람직하게, 상기 레이저 발생장치와 센서는 X축 방향의 변형량과 Y축 방향의 변형량을 각각 산출할 수 있도록 하기 위해 두 개씩 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 인장기의 펀치로 금속 판재를 변형가공하기 전에 상기 금속 판재의 상면에 중앙점(기준점)과 X축 방향으로의 변형량과 Y축 방향으로의 변형량을 측정하기 위한 X변형점과 Y변형점을 각각 표시하는 단계와; 블랭크 홀더에 금속 판재를 고정하고 반구 형상의 펀치를 이용하여 상기 금속 판재를 인장 변형하는 단계와; 금속 판재의 상단부에 장착된 카메라를 이용하여 X축과 Y축 방향의 변형량을 측정하는 단계와; 레이저 발생장치를 이용하여 상기 중앙점 및 X변형점과 Y변형점에 레이저 광선을 발하고, 센서가 반사되는 레이저 광선을 감지하여 중앙점과 X변형점 및 Y변형점 간에 간격을 실시간으로 각각 측정하는 단계와; 실시간으로 측정된 중앙점과 X변형점 및 Y변형점 간에 간격으로 X축 및 Y축 방향의 변형량을 산출하여 중앙점과 X변형점 및 Y변형점 사이의 높이 변화를 산출하는 단계;를 포함하며, 실시간 Z축 방향의 높이와 X축과 Y축 방향의 변형량을 이용하여 곡률반경을 산출하고, 이 곡률반경(ρ)과 펀치의 하중 데이터를 응력 변형률(kfa)에 대입하여 인장곡선을 산출하는 것을 특징으로 하는 금속 재료이 이축 인장 변형량 측정 방법도 제공한다.
본 발명에 따른 이축 인장 변형량 측정 방법은 프레스 조건을 만족하는 이축 인장 상태의 인장곡선을 산출하여 높은 변형률까지 입력이 가능하여 금속 판재의 성형해석 정밀도가 향상되고, 이로 인해 프레스(인장기) 펀치와 소재의 마찰력을 고려하여 프레스 조건을 현실적으로 모사할 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시 예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 강판 및 알루미늄/마그네슘 판재와 같은 자동차에 적용되는 금속 재료의 성형성 평가를 위한 이축 인장 시험기를 이용한 금속 재료의 이축 인장 변형량 측정 방법으로서, 기존 장치들이 프레스 금형과 금속 재료의 마찰을 고려하지 못한 상태에서 물성을 측정한 것에 비해, 마찰뿐 아니라 실시간으로 수행되는 이축 인장 상태에서의 변형량을 측정하여 그에 따른 인장곡선을 산출하고, 금속 재료의 프레스 상태를 모사하여 실질적이고 정확한 측정이 가능하며, 이를 통한 정밀한 성형해석을 가능하게 한다.
도 3a는 본 발명에 따른 이축 인장 시험기를 개략적으로 도시한 구성도로서 프레스 장치의 펀치가 작동하기 전이고, 도 3b는 프레스 장치의 펀치가 작동하여 금속 판재가 변형된 상태를 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 이축 인장 시험기의 구성을 개략적으로 도시한 평면도이다.
본 발명은 인장기의 반구형 펀치로 금속 판재를 가공하는 동안 일어나는 변형 진행상황을 실시간으로 관찰하여 그 변형량을 측정하는 방법을 제시한다.
반구형 펀치에 의해 변형 가공되는 금속 판재의 실시간 변형량을 측정하기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 금속 판재를 가공하기 전에 상기 금속 판재의 상면에 중앙점(기준점)과 X축 방향으로의 변형량과 Y축 방향으로의 변형량을 측정하기 위한 X변형점과 Y변형점(예를 들면 검은 점으로)을 각각 표시한다.
본 발명은 금속 판재의 이축 인장 변형량을 측정하기 위하여, 도 3a 및 도 4에 도시된 바와 같이, 금속 판재(예를 들면 원 모양의 강판 시편)를 고정하는 상부 홀더와 하부 홀더로 구성된 블랭크 홀더와, 블랭크 홀더에 의해 고정된 금속 판재를 가공하여 변형시키는 반구 형상의 펀치와를 포함하는 인장기(프레스 장치)와, 상기 금속 판재의 상부에 일정 높이로 구성되어 가공되는 금속 판재의 변화를 측정하는 카메라와, 미리 표시된 중앙점 및 X변형점과 Y변형점에 레이저 광선을 발하는 레이저 발생장치와, 상기 레이저 발생장치의 맞은편에 장착되어 반사된 레이저 광선을 감지하는 센서를 포함하여 구성되는 이축 인장 시험기를 이용한다.
여기서, 상기 레이저 발생장치와 센서는 중앙점과 X변형점 및 Y변형점 사이에 변형을 각각 측정하여 X축 방향의 변형량과 Y축 방향의 변형량을 각각 산출할 수 있도록 하기 위해 두 개씩 구성된다.
상기와 같이 구성된 이축 인장 시험기에서 금속 판재를 시험하는데 있어서, 먼저 블랭크 홀더의 상부 홀더를 상승시켜 하부 홀더 위헤 금속 판재를 올려 놓고 상부 홀더를 하강시켜 상기 금속 판재가 움직이지 않도록 고정시킨다.
그리고, 변형된 금속 판재의 이축 인장 상태의 인장곡선을 구하기 위하여, 먼저 미리 표시한 금속 판재의 X변형점과 Y변형점의 위치를 상기 레이저 발생장치와 센서를 이용하여 측정한다.
다음, 펀치를 상승 동작시켜 상기 금속 판재에 점차 변형을 가한다. 이때 카 메라가 금속 판재에 미리 표시한 X변형점과 Y변형점의 위치 변화를 실시간으로 측정하여 금속 판재의 X축과 Y축의 변형량을 산출하고, Z축 변형량을 측정하기 위하여 상기 레이저 발생장치와 센서를 이용하여 X축과 Y축의 간격변화를 실시간으로 감지한다.
그리고, 그 간격변화를 이용하여 실시간으로 변화하는 중앙점과 변형점들 사이의 높이 변화를 삼각측량법으로 측정한다.
이렇게 측정된 실시간 Z축 방향의 높이와 카메라로 측정한 X축과 Y축 방향의 변형량을 아래 수학식 1에 대입하여 금속 판재의 곡률반경을 산출한다.
Figure 112008067628821-pat00001
상기 수학식 1에서 R은 중앙점과 X변형점 및 Y변형점 간에 실시간 간격이고, h는 금속 판재의 변형에 따른 실시간 높이 변화량이다.
상기 수학식 1에 따른 수치를 펀치의 하중 데이터와 함께 아래 수학식 2에 대입하여 이축 인장에 따른 인장곡선을 구한다.
Figure 112008067628821-pat00002
상기 수학식 2는 von Mises와 Gologranc이 제안한 응력-변형률(Effective Stress-Strain) 계산식으로, r1과 r2는 각각 실시간으로 변하는 X축과 Y축이 변형 량이며, ρ1은 Z축 변형량과 관계있는 값으로 금속 판재를 펀치로 변형가공할 때 변형되는 면의 곡률반경으로서, 이 곡률반경을 구하기 위해서는 실시간으로 변화되는 Z축 즉 높이 변형량의 측정이 필수적이며 상기 수학식 1로부터 산출된 값으로 구할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 이축 인장 상태에서의 인장곡선을 나타낸 그래프로서, 이축 인장 시험기에서 측정된 실시간 X축, Y축 및 Z축 변화를 이용하여 상기 수학식 2에 응력 변형률 계산식으로부터 진변형률과 진응력으로 도시되는 인장곡선을 산출할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 종래 일축 인장 시험기 및 강판 시편을 도시한 도면
도 2는 일축 인장 시험에서 산출된 인장곡선을 나타낸 그래프
도 3a는 본 발명에 따른 이축 인장 시험기를 개략적으로 도시한 구성도
도 3b는 프레스 장치의 펀치가 작동하여 금속 판재가 변형된 상태를 도시한 도면
도 4는 본 발명에 따른 이축 인장 시험기의 구성을 개략적으로 도시한 평면도
도 5는 본 발명에 따른 이축 인장 상태에서의 인장곡선을 나타낸 그래프

Claims (3)

  1. 금속 판재를 고정하는 상부 홀더와 하부 홀더로 구성되는 블랭크 홀더와, 상기 블랭크 홀더에 고정된 상기 금속 판재를 인장변형시키는 반구 형상의 펀치를 포함하는 인장기와,
    변형 전에 상기 금속 판재에 미리 표시한 중앙점 및 X변형점과 Y변형점에 레이저 광선을 발하는 레이저 발생장치와,
    상기 레이저 발생장치의 맞은편에 장착되어 반사된 레이저 광선을 감지하는 센서와,
    상기 금속 판재의 상단부에 일정 높이로 구성되어 가공되는 금속 판재의 변화를 측정하는 카메라를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 판재의 이축 인장 변형량 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 발생장치와 센서는 X축 방향의 변형량과 Y축 방향의 변형량을 각각 산출할 수 있도록 하기 위해 두 개씩 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 판재의 이축 인장 변형량 측정 장치.
  3. 인장기의 펀치로 금속 판재를 변형가공하기 전에 상기 금속 판재의 상면에 중앙점(기준점)과 X축 방향으로의 변형량과 Y축 방향으로의 변형량을 측정하기 위한 X변형점과 Y변형점을 각각 표시하는 단계와;
    블랭크 홀더에 금속 판재를 고정하고 반구 형상의 펀치를 이용하여 상기 금속 판재를 인장 변형하는 단계와;
    금속 판재의 상단부에 장착된 카메라를 이용하여 X축과 Y축 방향의 변형량을 측정하는 단계와;
    레이저 발생장치를 이용하여 상기 중앙점 및 X변형점과 Y변형점에 레이저 광선을 발하고, 센서가 반사되는 레이저 광선을 감지하여 중앙점과 X변형점 및 Y변형점 간에 간격을 실시간으로 각각 측정하는 단계와;
    실시간으로 측정된 중앙점과 X변형점 및 Y변형점 간에 간격으로 X축 및 Y축 방향의 변형량을 산출하여 중앙점과 X변형점 및 Y변형점 사이의 높이 변화를 산출하는 단계;
    를 포함하며, 실시간 Z축 방향의 높이와 X축과 Y축 방향의 변형량을 이용하여 곡률반경을 산출하고, 이 곡률반경(ρ)과 펀치의 하중 데이터를 응력 변형률(kfa)에 대입하여 인장곡선을 산출하는 것을 특징으로 하는 금속 재료이 이축 인장 변형량 측정 방법.
    Figure 112008067628821-pat00003
    (R은 중앙점과 X변형점 및 Y변형점 간에 실시간 간격, h는 금속 판재의 변형 에 따른 실시간 높이 변화량)
    Figure 112008067628821-pat00004
    (r1과 r2는 각각 실시간으로 변하는 X축과 Y축이 변형량, ρ1은 금속 판재 변형면의 곡률반경)
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