KR101539559B1 - 프레스 성형용 금형 설계 방법, 프레스 성형용 금형 - Google Patents

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Abstract

연성이 지배하는 갈라짐이 발생하는 경우의 금속판 표면의 변형을, 프레스 성형용 금형의 최소 곡률 반경 R0과 성형 한계선도에 있어서의 평면 변형 영역의 한계 변형 εf로부터 구함으로써, 그것이 한계 표면 변형 εcritical 이하가 되는 경우에는 굽힘성이 지배하는 갈라짐이 발생하지 않는다고 판정할 수 있는 예측식 『R0/t≥(2R/t＋(2R/t＋1)εf)/2(1－(1＋2R/t)εf)』를 인도한다. 그리고, 굽힘성이 지배하는 갈라짐의 발생을 방지하기 위해 금형에 필요한 최소의 곡률 반경 R0을 예측하고, 곡률 반경 R0 이상의 곡률 반경을 갖는 금형을 설계한다.

Description

프레스 성형용 금형 설계 방법, 프레스 성형용 금형{PRESS-FORMING MOLD DESIGNING METHOD AND PRESS-FORMING MOLD}
본 발명은, 금속판에 갈라짐(fracture)을 발생시키는 일 없이 소망하는 형상으로 프레스 성형이 가능한 프레스 성형용 금형 설계 방법 및, 이것을 이용하여 제작한 프레스 성형용 금형에 관한 것이다.
프레스 성형은, 한 쌍의 금형의 사이에 금속판을 끼워 협압하여, 강판 등의 금속판을 틀의 형상을 따르도록 성형하고 소망하는 형상의 부품을 얻고자 하는 대표적인 금속 가공 방법의 하나로서, 자동차 부품, 기계 부품, 건축 부재, 가전 제품 등, 폭넓은 제조 분야에서 이용되고 있다.
최근에는, 특히 자동차 부품의 프레스 성형에 있어서, 고강도 강판의 이용이 확대되고 있지만, 피(被)가공재의 강도가 증가할수록 프레스 성형성이 저하되는 것이 문제시되고 있다. 그 대책으로서, 금속 조직을 경질인 상(phase)과 연질인 상의 2상으로 구성시킨 강판(Dual Phase 강판)이나, 잔류 오스테나이트를 활용한 강판(TRIP: Transformation Induced Plasticity) 등과 같이 강도와 신장의 양립을 도모하고, 금속판 자체의 기계적 특성을 향상시키는 방법이 있다. 이것은 프레스 성형성이 금속판의 신장과 상관이 있기 때문이다.
일반적으로, 금속판의 프레스 성형성은 성형 한계선도로 나타난다. 이 성형 한계선도는 금속판에 여러 가지 2축 응력을 부여하고, 금속판에 갈라짐이 발생한 단계 또는 직전의 변형(strain)을 한계값으로 하는 선도이다. 이 성형 한계의 측정이나 예측의 정밀도를 향상시키기 위한 시도는 왕성하게 행해지고 있으며, 여러가지 재료 특성과의 영향이 검증되고 있다(예를 들면, 비특허문헌 1 참조).
또한, 이 성형 한계선도를 이용함으로써 유한 요소법에 의한 프레스 성형 시뮬레이션을 행하여, 금속판에 갈라짐이 발생하지 않는 성형 조건을 취하는 방법도 행해지고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본공개특허공보 2007-152407호
「철과 강」, Liwei Gu, 외 3명, 일본철강협회, 제88권(2002년), 제2호, p88∼94, 「박판 재료의 프레스 성형에 있어서의 성형 한계의 예측과 가공 경화 특성의 영향」
발명자들은 고강도 강판의 프레스 성형을 여러가지 성형 조건에서 실시한 결과, 프레스 성형 시뮬레이션을 이용한 갈라짐의 예측 결과와 크게 괴리되는 사례가 많이 있고, 도 1(a)에 나타내는 바와 같이 연성이 지배하는 갈라짐과는 상이한 갈라짐이 발생하고 있는 것을 발견했다. 예의 검토를 거듭한 결과, 이 갈라짐은 금속판의 굽힘성과의 상관이 강하고, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이 판 표면으로부터 균열이 발생하여 갈라짐에 이르는 굽힘성이 지배적인 갈라짐이고, 신장이 우수한 고강도 강판을 이용하여 프레스 성형을 했을 때에 있어서도 일어나는 것이 분명해졌다. 즉, 굽힘성이 지배적인 갈라짐이 발생하는 경우에는, 금속판의 연성을 기준으로 하여 프레스 성형성의 평가나 갈라짐의 예측을 하는 종래의 방법으로는, 금속판이 우수한 연성을 갖고 있어도, 프레스 성형 도중에 갈라짐이 발생해 버릴 가능성이 있었다.
본 발명은, 상기의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로, 프레스 성형 도중에 굽힘성이 지배하는 갈라짐의 발생을 막기 위해 필요한 금형 형상을 예측하여, 굽힘성이 지배하는 갈라짐이 발생하지 않는 금형을 설계하는 것을 과제로 하고 있다.
상기의 과제를 해결하기 위해, 발명자들은, 굽힘성이 지배하는 갈라짐의 발생에 관하여 여러 가지 검토를 거듭한 결과, 굽힘성이 지배하는 갈라짐이 발생하는 조건과 금속판의 굽힘성 R/t와 상관이 강한 것을 발견했다. 여기에서, 굽힘성 R/t는 굽힘 시험에 의해 얻어지는 금속판의 기계적 특성으로, 금속판의 표면에 균열이 발생하지 않는 최소의 굽힘 반경(갈라짐이 발생하는 일 없이 구부러지는 최소의 굽힘 반경(한계 굽힘 반경)) R을 판두께 t로 나누어 나타낸다. 발명자들은, 여러 가지 금속판에 90도 V굽힘 시험을 실시하고, 금속판 표면에 균열이 발생할 때의 굽힘 외측 표면의 변형을 한계 표면 변형 εcritical이라고 정하면, 프레스 성형시의 금속판 표면의 변형이 한계 표면 변형 εcritical을 초과한 경우에, 굽힘성이 지배하는 갈라짐이 발생하는 것을 인식했다.
그래서, 연성이 지배하는 갈라짐이 발생하는 경우의 금속판 표면의 변형을, 프레스 성형용 금형의 최소 곡률 반경 R0과 성형 한계선도에 있어서의 평면 변형 영역의 한계 변형 εf로부터 구함으로써, 그것이 한계 표면 변형 εcritical 이하가 되는 경우에는 굽힘성이 지배하는 갈라짐이 발생하지 않는다고 판정할 수 있는 이하의 예측식을 발명했다.
R0/t≥(2R/t＋(2R/t＋1)εf)/2(1－(1＋2R/t)εf)
즉, 굽힘성이 지배하는 갈라짐의 발생을 방지하기 위해 금형에 필요한 최소의 곡률 반경 R0을 상기의 식으로부터 예측하고, 곡률 반경 R0 이상의 곡률 반경을 갖는 금형을 설계한다.
본 발명은, 이러한 인식에 기초하여 완성된 것으로 그 요지는 다음과 같다.
(1) 프레스 성형용 금형의 최소 곡률 반경을 R0, 프레스 성형용 금속판의 평면 변형 영역에서 갈라짐이 발생하는 한계 변형을 εf, 상기 프레스 성형용 금속판의 판두께를 t, 상기 프레스 성형용 금속판의 표면에 갈라짐이 발생하는 일 없이 구부러지는 최소의 굽힘 반경을 R이라고 정의하고,
상기 프레스 성형용 금형의 최소 곡률 반경 R0을, 하기식을 충족시키는 범위로 설정하는 프레스 성형용 금형 설계 방법.
R0/t≥(2R/t＋(2R/t＋1)εf)/2(1－(1＋2R/t)εf)
(2) 상기 한계 변형 εf를, 상기 프레스 성형용 금속판의 성형 한계선도로부터 구하는 상기 (1)에 기재된 프레스 성형용 금형 설계 방법.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 프레스 성형용 금형 설계 방법을 이용하여 제작한 프레스 성형용 금형.
본 발명에 의하면, 대상이 되는 금속판을 프레스 성형할 때에, 굽힘성이 지배하는 갈라짐의 발생을 방지할 수 있기 때문에, 프레스 성형을 안정적으로 행할 수 있고, 프레스 성형품의 불량률의 저감에도 크게 기여할 수 있다.
또한, 프레스 성형용 금형의 형상을 설계 단계에서 정밀도 좋게 예측할 수 있게 되어, 프레스 성형용 금형의 제조 기간의 단축에 공헌할 수 있다.
또한, 자동차의 패널 부품, 구조·골격 부품 등의 각종 부품을 프레스 성형할 때에 이용하는 금속판의 선정이 적절한지 정밀도 좋게 예측할 수 있다는 효과도 있다.
도 1은 연성이 지배적인 금속판의 갈라짐 형태 및, 굽힘성이 지배적인 금속판의 갈라짐 형태를 나타내는 도면이다.
도 2는 성형 한계선도를 작성할 때에 사용하는 시험편의 형상을 나타내는 도면이다.
도 3은 성형 한계선도를 설명하는 도면이다.
도 4는 공시재 A, 공시재 B의 성형 한계선도를 나타내는 도면이다.
도 5는 해트(hat) 성형 금형의 형상을 나타내는 도면이다.
도 6은 해트 성형에 이용하는 시험편의 형상을 나타내는 도면이다.
도 7은 갈라짐이 발생할 때까지 해트형 형상으로 성형한 공시재를 나타내는 개략도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
(성형 한계선도의 작성 방법)
성형 한계선도(FLD: Forming Limit Diagram)를 작성하려면, 우선, 금속판을,
도 2에 나타내는 바와 같이 폭이 10∼100㎜로 여러 가지 폭을 갖는 시험편으로 가공한다. 여기에서, 폭을 바꾼 시험편을 여러 가지 준비하는 이유는, 변형비(최소 주(主)변형과 최대 주변형의 비)를 광범위하게 변화시키기 위함이다.
이어서, 금속판 표면에 마킹을 행한다. 마킹의 형상은, 서클 패턴, 도트 패턴, 그리드 패턴, 동심원 패턴 등, 성형 후에 변형을 계측할 수 있으면 된다. 또한, 마킹 방법은, 전해 에칭, 포토 에칭, 잉크에 의한 전사(轉寫)(스탬프 인쇄) 등이 있지만, 어떠한 방법을 이용해도 좋지만, 스크래칭(scratching)은 균열 발생을 유발하기 때문에 바람직하지 않다.
이어서, 상기 시험편을 선단의 곡률 반경이 25㎜ 이상인 구두(球頭;spherical) 형상의 펀치를 이용하여 장출 성형(bulge forming)하고, 판이 갈라지거나, 잘록한 부분이 발생한 시점, 또는 판 표면에 균열이 발생한 시점에서 성형을 종료한다. 또한, 펀치 선단의 최소 곡률 반경을 25㎜로 한정하는 이유는, 25㎜를 하회하면, 펀치 선단 부분의 변형 영역에 있어서의 굽힘 변형의 영향을 무시할 수 없기 때문이다.
상기 장출 성형 종료 후, 펀치 선단이 맞닿은 부분의 마킹 위치 또는 형상 변화를 계측하여, 최대 주변형과 최소 주변형을 구한다. 이것을, 여러 가지 폭의 시험편에 대해서 반복하여 행함으로써, 최대 주변형 및 최소 주변형을 광범위에 걸쳐 얻을 수 있다. 그리고, 상기와 같이 하여 얻은 최대 주변형 및 최소 주변형의 측정 결과를 2차원 표시하고, 도 3에 나타내는 바와 같은 성형 한계선도를 얻는다. 여기에서, 굽힘 변형과 같은 최소 주변형이 0에 가까운 영역을 평면 변형 영역이라고 하고, 그 한계 변형은 도 3의 εf로 나타난다.
또한, 금속판의 연성을 판정 기준으로 한 종래의 갈라짐의 예측 수법에서는, 성형 한계선도의 성형 한계선을 사이에 두고 갈라짐 발생 영역과, 갈라짐이 없는 영역 중 어느 측에 존재하는지를 확인하고, 갈라짐 발생 영역에 존재하는 경우에, 갈라짐이 발생한다고 예측했다.
(예측식의 도출)
금속판에 필요시되는 굽힘성을 예측한 실시예에 대해서 설명한다.
대상으로 하는 금속판의 90도 V굽힘 시험에 있어서의 한계 굽힘 반경을 R, 금속판의 판두께를 t로 하면, 순(純)굽힘 이론에 기초하여, 굽힘 외측의 한계 표면 변형 εcritical은 식 (1)로 나타난다.
εcritical＝t/(t＋2R) ………(1)
또한, 프레스 성형시에 평면 변형 영역에서 굽힘 변형을 받는 금속판에 관하여, 금형의 최소 굽힘 반경(최소 곡률 반경)을 R0으로 하면, 금속판 표면의 한계 변형 εR0은, 성형 한계선도에 있어서의 평면 변형 영역의 한계 변형 εf에, 굽힘 변형에 의한 변형 증가분을 더한 식 (2)로 나타난다.
εR0＝εf＋t/(t＋2R0) ………(2)
여기에서, εcritical은, 평면 변형 영역에 있어서, 굽힘성이 지배하는 갈라짐이 발생하지 않는 변형의 한계값이기 때문에, 굽힘 영향 갈라짐이 발생하지 않기 위한 조건은 식 (3)이 된다.
εcritical≥εR0 ………(3)
식 (1)∼(3)으로부터, 굽힘성이 지배하는 갈라짐을 방지하기 위해 필요한 금형의 최소 굽힘 반경(최소 곡률 반경) R0은, 하기식 (4)로부터 구할 수 있다.
R0/t≥(2R/t＋(2R/t＋1)εf)/2(1－(1＋2R/t)εf)………(4)
따라서, 금형의 최소 굽힘 반경(최소 곡률 반경)을 식 (4)로 나타내는 최소 굽힘 반경(최소 곡률 반경) R0 이상이 되도록 설계함으로써, 프레스 성형시에 굽힘성이 지배하는 갈라짐이 발생하지 않는 금형을 설계할 수 있다.
또한, 본 실시 형태가 대상으로 하는 금형은, 최소 굽힘 반경(최소 곡률 반경) R0이 25㎜ 미만인 것을 상정하고 있다. 이것은, 최소 굽힘 반경(최소 곡률 반경) R0이 25㎜ 이상인 금형을 이용하여 금속판을 프레스 성형하는 경우, 굽힘 변형의 영향이 작아져, 연성이 지배적인 갈라짐 형태가 되기 쉽기 때문이다.
또한, 본 실시 형태가 대상으로 하는 금속판은, 판두께 t가 0.5㎜ 이상, 인장 강도가 980㎫ 이상, 한계 굽힘 반경 R이 1㎜ 이상인 것을 상정하고 있다. 이것은, 판두께 t가 0.5㎜보다도 작아지면, 금속판에 굽힘 변형을 더해도 굽힘 외측 표면에 발생하는 변형이 작아, 굽힘성이 지배적인 갈라짐이 발생하기 어렵기 때문이다. 또한, 인장 강도가 980㎫를 하회하는 바와 같은 소재는 일반적으로 굽힘성이 우수하고, 또한, 한계 굽힘 반경 R이 1㎜보다도 하회하는 바와 같은 굽힘성 R/t가 우수한 소재에서는, 일반적으로 프레스 성형에서 사용하는 금형의 최소 굽힘 반경(최소 곡률 반경)의 범위에서는 굽힘성이 지배적인 갈라짐이 문제가 되지 않기 때문이다.
(실시예)
우선, 연성(전신장(total elongation))이 거의 같고, 굽힘성이 상이한 표 1에 나타내는 2종류의 공시재 A, B를, 도 2에 나타내는 바와 같은 형상으로, 최협부의 폭이 10∼100㎜인 시험편을 수종류 제작하고, 이 시험편 표면에, 전해 에칭으로 도트 패턴을 표점간 거리 1.0㎜로 마킹했다. 이어서, 상기 시험편을, 선단의 최소 곡률 반경이 25㎜인 구두 펀치를 이용하여 장출 성형했다. 또한, 구두 펀치를 이용한 장출 성형에서는, 강판에 관통 갈라짐이 발생할 때까지 성형을 행했다. 이어서, 장출 성형 후의 시험편에 대해서, 펀치 선단 근방의 도트 간격의 변화를 측정하고, 최대 주변형 및 최소 주변형을 구하여, 성형 한계선도를 작성했다.
Figure 112014056293239-pct00001
상기의 방법으로 작성한 공시재 A의 성형 한계선도를 도 4(a), 공시재 B의 성형 한계선도를 도 4(b)에 각각 나타낸다. 또한, 평면 변형 영역은, 이론상으로는 최소 주변형이 0이 되는 영역이지만, 실제로는 마찰 등의 영향을 받기 때문에, 반드시 최소 주변형＝0의 축 상에 일치하는 것은 아니다. 여기에서, 공시재의 한계 굽힘 반경 R 및, 굽힘성 R/t를 측정할 때에는, 90도 V굽힘 시험에 한정되지 않고, U굽힘 시험 등의 굽힘 시험 방법이라도 상관없다. 각 공시재의 성형 한계선도로부터 평면 변형 영역에 있어서의 한계 변형 εf를 구하면 표 2가 되었다.
Figure 112014056293239-pct00002
다음으로, 한계 변형 εf와 금속판의 굽힘성 R/t, 판두께 t를 이용하여 식 (4)로부터 금형에 필요한 최소 굽힘 반경(최소 곡률 반경) R0을 예측하면, 각 공시재 A, B에 있어서 굽힘성이 지배적인 갈라짐이 발생하지 않고 프레스 성형할 수 있는 금형의 최소 굽힘 반경(최소 곡률 반경) R0은 표 3과 같이 예측할 수 있다.
Figure 112014056293239-pct00003
(실시예의 검증)
평판 형상의 피가공재를 해트형 형상으로 성형하는 도 5에 나타낸 금형을 사용하여, 상기의 금형에 필요한 최소 굽힘 반경(최소 곡률 반경) R0의 예측 결과의 검증을 행한다. 공시재는 도 6에 나타내는 직사각형 형상으로 가공한 후, 여러 가지의 펀치 모서리(punch shoulder) 반경 R0으로 공시재를 성형한다. 윤활에는 일반적인 방청유를 사용하고, 주름 누름 하중은 15톤, 성형 높이는 50㎜로 하여, 공시재에 굽힘성이 지배적인 갈라짐이 발생하는지를 확인했다.
실험 결과를 굽힘성이 지배적인 갈라짐이 발생한 경우를 ×, 굽힘성이 지배적인 갈라짐이 발생하지 않고 성형할 수 있었던 경우를 ○로 하여 표 4에 나타낸다. 공시재 A에서는 금형의 최소 굽힘 반경(최소 곡률 반경) R0이 3㎜ 이하, 공시재 B에서는 금형의 최소 굽힘 반경(최소 곡률 반경) R0이 19㎜ 이하인 경우에는, 성형 도중에 갈라짐이 발생했다.
Figure 112014056293239-pct00004
굽힘성이 지배적인 갈라짐이 발생할 때까지 성형을 행한 공시재에 대해서, 펀치 모서리 근방의 개략도를 도 7에 나타낸다. 각 공시재는 표면으로부터 균열이 발생하고 있어, 굽힘성이 지배적인 갈라짐이 발생하고 있다. 이 결과로부터, 발명한 예측식 (4)를 이용하여 금형의 최소 굽힘 반경(최소 곡률 반경) R0을 결정함으로써, 굽힘성이 지배적인 갈라짐을 방지하는 금형을 설계할 수 있는 것을 알 수 있다.
본 발명은, 상기에 설명한 내용에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 상기 실시예에서는, 인장 강도가 980㎫급 이상인 강판(1180㎫급의 강판)에 적용한 예를 나타내고 있으며, 본 발명은, 이러한 고강도 강판의 프레스 성형에 적용하는 것이 바람직하지만, 강판 이외의 금속판에 적용할 수도 있다.

Claims (3)

  1. 프레스 성형용 금형의 최소 곡률 반경을 R0, 프레스 성형용 금속판의 평면 변형 영역에서 갈라짐이 발생하는 한계 변형을 εf, 상기 프레스 성형용 금속판의 판두께를 t, 상기 프레스 성형용 금속판의 표면에 갈라짐이 발생하는 일 없이 구부러지는 최소의 굽힘 반경을 R이라고 정의하고,
    상기 프레스 성형용 금형의 최소 곡률 반경 R0을, 하기식을 충족시키는 범위로 설정하는 프레스 성형용 금형 설계 방법.
    R0/t≥(2R/t＋(2R/t＋1)εf)/2(1－(1＋2R/t)εf)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한계 변형 εf를, 상기 프레스 성형용 금속판의 성형 한계선도로부터 구하는 프레스 성형용 금형 설계 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 기재된 프레스 성형용 금형 설계 방법을 이용하여 제작한 프레스 성형용 금형.
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