KR101648325B1 - 판재의 성형 한계 측정 방법 및 시스템 - Google Patents

판재의 성형 한계 측정 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

제1 판재 및 제2 판재에 복수의 그리드를 마킹하는 그리드 마킹 장치, 상기 제1 판재를 점진 판재 성형하여 평면 변형을 유도하고 파단을 발생시키며, 상기 제2 판재를 2단 점진 판재 성형하여 등이축 인장 변형을 유도하고 파단을 발생시키는 판재 성형 장치 및 상기 제1 판재 및 상기 제2 판재에 마킹된 상기 복수의 그리드 중 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 변형률에 따라 성형 한계를 측정하는 성형 한계 측정 장치를 포함하는 판재의 성형 한계 측정 시스템이 개시된다.

Description

판재의 성형 한계 측정 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR FORMABILITY EVALUATION USING THE SAME}
본 발명은 판재의 성형 한계 측정 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 판재의 점진 성형에 있어서 성형 한계 측정 방법 및 시스템에 관한 것이다.
다품종 소량 생산에 적합하고, 성형품의 구조에 관계없이 성형이 가능한 판재 성형 방법으로 점진 판재 성형 기술이 개발되어 널리 사용되고 있다. 점진 판재 성형이란 프레스를 이용하는 통상적인 판재 성형과는 달리, 성형 공구가 컴퓨터 수치 제어 장치(CNC: Computer Numerical Control)의 제어에 따라 가장자리가 고정된 성형 판재의 윗부분을 가압하며 이동하면서 3차원 형상의 성형품을 제조하는 기술이다. 이러한 점진 판재 성형에 있어서, 성형품의 두께는 성형 전 판재의 두께보다 많이 얇아져 성형 중 파단이 발생할 수 있으므로, 성형 판재의 가공 한계를 고려하여 성형품을 가공하는 것이 바람직하다.
한편, 성형 판재의 가공 한계를 측정하는 대표적인 방법으로는 성형한계선(Forming limit curve)이라 불리는 척도가 널리 사용되고 있다. 점진 판재 성형 공정에서 판재의 성형한계선을 도출하기 위해서는 성형 전 판재의 표면에 일정한 패턴의 그리드를 마킹하고, 점진 판재 성형의 다양한 변형 모드(평면 변형, 이축 인장 변형 등)를 재현할 수 있도록 그리드가 마킹된 판재를 다양한 형태(사각컵, 타원컵, 원뿔컵, 구형컵 등)를 갖도록 성형하여 파단을 유도한다. 이러한 점진 판재 성형 공정에 의해 성형 전 판재의 표면에 마킹된 그리드가 타원 형태로 변형되며, 특히, 파단 발생 부위와 인접한 그리드의 최대 주, 부 변형률을 산출하고, 이를 데이터로 하여 성형한계선을 작성할 수 있다.
구체적으로는, x축은 부 변형률(minor strain)을 나타내고, y축은 주 변형률(major strain)을 나타내는 성형한계도 상에서 점진 판재 성형의 각 변형 모드의 주, 부 변형률을 연결하는 선이 해당 성형 판재의 점진 판재 성형 공정에서의 성형한계선일 수 있다. 이때, 점진 판재 성형의 성형한계선은 일반적으로 직선 형태이다. 이러한 점진 판재 성형 공정에서의 성형한계선과 성형 중 판재의 변형률을 비교하여 파단 없이 성형품을 성공적으로 제조할 수 있다.
한편, 점진 판재 성형은 상술한 바와 같이 프레스를 이용하지 않으므로 다양한 형상의 성형품을 제조할 수 있다. 이에 따라, 점진 판재 성형 공정에서의 다양한 변형 모드를 반영하여 성형한계선을 작성하는 것이 바람직하다.
그러나, 종래에는 점진 판재 성형의 변형 모드 중 등이축 인장 변형을 재현하기 위해 구형컵 형상의 제품을 성형하였으나, 이와 같은 방법으로는 파단 발생 부위에서 등이축 인장 변형에 따른 정확한 주, 부 변형률을 산출하는 데 어려움이 있다. 따라서, 점진 판재 성형에 있어서 등이축 인장 변형 모드를 재현하는 새로운 방법에 관한 연구가 필요한 상황이다.
본 발명의 일측면은 판재의 성형 한계 측정 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 통상의 점진 판재 성형을 수행하여 평면 변형 모드를 재현하고, 2단 점진 성형을 수행하여 등이축 인장 변형 모드를 재현하며, 각 변형 모드에서의 변형률을 데이터로 하여 점진 성형용 판재의 성형 한계를 측정하는 방법 및 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면은 판재의 성형 한계 측정 시스템에 관한 것으로, 제1 판재 및 제2 판재에 복수의 그리드를 마킹하는 그리드 마킹 장치; 상기 제1 판재를 점진 판재 성형하여 평면 변형을 유도하고 파단을 발생시키며, 상기 제2 판재를 2단 점진 판재 성형하여 등이축 인장 변형을 유도하고 파단을 발생시키는 판재 성형 장치; 및 상기 제1 판재 및 상기 제2 판재에 마킹된 상기 복수의 그리드 중 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 변형률에 따라 성형 한계를 측정하는 성형 한계 측정 장치를 포함한다.
한편, 상기 판재 성형 장치가 상기 제1 판재를 점진 판재 성형하여 평면 변형을 유도하고 파단을 발생시키는 것은, 성형용 공구의 내향 이동에 따라 상기 제1 판재를 점진 판재 성형하여 평면 변형을 유도하고 파단을 발생시키는 것일 수 있다.
또한, 상기 판재 성형 장치가 상기 제2 판재를 2단 점진 판재 성형하여 등이축 인장 변형을 유도하고 파단을 발생시키는 것은, 성형용 공구의 외향 이동에 따라 상기 제2 판재를 2단 점진 판재 성형하여 등이축 인장 변형을 유도하고 파단을 발생시키는 것일 수 있다.
또한, 상기 성형 한계 측정 장치가 상기 제1 판재 및 상기 제2 판재에 마킹된 상기 복수의 그리드 중 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 변형률에 따라 성형 한계를 측정하는 것은, 성형한계도상에서 상기 제1 판재의 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 주 변형률 및 부 변형률을 나타내는 좌표와 상기 제2 판재의 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 주 변형률 및 부 변형률을 나타내는 좌표를 연결하여 성형한계선을 작성하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 판재 및 상기 제2 판재의 이미지를 획득하여 상기 성형 한계 측정 장치로 전달하는 카메라 모듈을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면은 판재의 성형 한계 측정 방법에 관한 것으로, 제1 판재 및 제2 판재에 복수의 그리드를 마킹하고, 상기 제1 판재를 점진 판재 성형하여 성형 제품의 측벽부에서 평면 변형을 유도하고 파단을 발생시키고, 상기 제2 판재를 점진 판재 성형하여 성형 제품의 중앙부에서 등이축 인장 변형을 유도하고 파단을 발생시키며, 상기 제1 판재 및 상기 제2 판재에 마킹된 상기 복수의 그리드 중 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 변형률에 따라 성형 한계를 측정한다.
한편, 상기 제1 판재 및 상기 제2 판재에 마킹된 상기 복수의 그리드 중 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 변형률에 따라 성형 한계를 측정하는 것은, 상기 제1 판재 및 상기 제2 판재의 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 장축 및 단축과 미리 저장된 표준 그리드의 직경을 비교하여 상기 제1 판재 및 상기 제2 판재의 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 주 변형률 및 부 변형률을 산출하는 것을 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 점진 판재 성형을 수행하여 평면 변형 모드를 재현하고, 2단 점진 성형을 수행하여 등이축 인장 변형 모드를 재현하며, 각 변형 모드에서의 변형률을 데이터로 하여 점진 성형용 판재의 성형 한계를 측정하는 방법 및 시스템을 제공함으로써, 점진 판재 성형 공정에 있어서 평면 변형 모드 및 등이축 인장 변형 모드를 반영한 성형한계선을 작성할 수 있으며 이를 이용하여 판재의 파단 없이 다양한 형상의 성형품을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 시스템에 포함되는 그리드 마킹부의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 시스템에서 판재를 성형하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 시스템에 포함되는 성형 한계 측정부의 제어 블록도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 시스템에서 판재의 성형 한계를 측정하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 시스템(100)은 그리드 마킹 장치(110), 판재 성형 장치(120), 카메라 모듈(130) 및 성형 한계 측정 장치(140)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 시스템(100)은 일정한 패턴을 갖는 복수의 그리드(20)가 마킹된 판재(10)를 점진 판재 성형 방식으로 성형하여 파단을 유도한 후, 파단 부위 근방에 위치하는 그리드(20)의 주, 부 변형률을 산출하여 성형한계선을 작성하고 이에 기반하여 점진 판재 성형용 판재(10)의 성형 한계를 측정할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 시스템(100)은 점진 판재 성형 방식으로 판재(10)에 평면 변형 및 등이축 인장 변형을 유도할 수 있으며, 평면 변형 및 등이축 인장 변형 모드에서의 성형 한계를 측정하고, 이를 조합하여 해당 판재(10)의 점진 판재 성형에서의 성형 한계를 측정할 수 있으므로, 점진 판재 성형 방식으로 복잡한 형상의 성형품을 가공하는 데 있어서 가공성을 평가할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 시스템(100)은 도 1에 도시된 구성요소보다 많은 구성요소에 의해 구현될 수 있고, 그보다 적은 구성요소에 의해 구현될 수 있다. 이하, 상술한 구성요소들에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 그리드 마킹 장치(110)는 성형 전 판재(10)의 표면에 균일한 패턴을 갖는 복수의 그리드(20)를 마킹할 수 있다. 이때, 판재(10)는 점진 판재 성형 방식에 의해 성형품으로 제조될 소재로서, 열가소성 플라스틱을 기반으로 하는 복합 재료일 수 있으며, 제조하고자 하는 성형품의 종류에 따라 다양할 수 있다. 그리드 마킹 장치(110)는 공지된 다양한 방법을 이용하여 성형 전 판재(10)의 표면에 그리드(20)를 마킹할 수 있으며, 일예로, 전해 에칭을 이용하여 그리드(20)를 마킹할 수 있다. 이와 관련하여, 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 시스템에 포함되는 그리드 마킹 장치의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 그리드 마킹 장치(110)는 스텐실(114), 패드(113), 금속 롤러(112) 및 전류 공급 장치(111)를 포함할 수 있다. 이러한 그리드 마킹 장치(110)를 이용하여 성형 전 판재(10)의 표면에 복수의 그리드(20)를 마킹하는 방법으로는, 먼저, 성형 전 판재(10)의 상부에 복수의 그리드(20)의 패턴을 갖는 스텐실(114)과 패드(113)를 배치하고 전해 용액으로 충분히 적실 수 있다. 그리고, 금속 롤러(112)를 이용하여 패드(113)의 상부를 가압할 수 있다. 이때, 전류 공급 장치(111)를 이용하여 금속 롤러(112) 및 판재(10)에 전기를 공급할 수 있으며, 이에 따라 전해 에칭에 의해 판재(10)의 표면에 스텐실(114)의 패턴이 마킹될 수 있다. 이처럼, 그리드 마킹 장치(110)는 전해 에칭 방식으로 판재(10)의 표면에 일정한 패턴을 갖는 복수의 그리드(20) 를 마킹할 수 있다.
한편, 도 2에서는 그리드 마킹 장치(110)가 판재(10)에 일정한 직경을 갖는 원형의 그리드(20)를 마킹하는 것을 예로 들어 도시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 일예로, 그리드 마킹 장치(110)는 판재(10)에 일정한 격자 크기를 갖는 사각 형상의 그리드를 마킹할 수 있다.
판재 성형 장치(120)는 그리드 마킹 장치(110)에 의해 그리드(20)가 마킹된 판재(10)를 점진 판재 성형 방식으로 성형할 수 있다. 점진 판재 성형 방식이란, 판재(10)의 가장자리 부분을 고정시키고, 성형용 공구로 판재(10)를 가압하여 판재(10)에 깊이를 부여하는 방식이다. 판재 성형 장치(120)는 이러한 점진 판재 성형 방식으로 그리드(20)가 마킹된 판재(10)에 평면 변형 또는 등이축 인장 변형을 유도하며 파단을 발생시킬 수 있다. 이와 관련하여 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 시스템에 포함되는 판재 성형 장치의 판재 성형 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 3의 (a)를 참조하면, 판재 성형 장치(120)는 제1 판재(10’)에 평면 변형을 유도하여 파단을 발생시킬 수 있다. 판재 성형 장치(120)는 제1 성형용 공구(30’)의 내향 이동(inward tool movement)에 의해 가장자리가 고정된 제1 판재(10’)를 가압하여 평평한 밑면을 갖는 형태로 성형할 수 있다. 여기서, 내향 이동이란, 판재를 가압하는 성형용 공구가 성형할 제품의 외관 형상에 대응하는 경로를 따라 점차적으로 판재의 중심으로 이동하는 방식을 의미한다.
도 3의 (b)는 이러한 방식으로 성형된 제1 판재(10’)의 저면도로서, 성형 제품의 벽 부위에서 파단이 발생한 것을 확인할 수 있다. 즉, 판재 성형 장치(120)는 성형용 공구의 내향 이동 방식으로 제1 판재(10’)를 점진 성형하여 성형 제품의 측벽부에 평면 변형에 의한 파단을 발생시킬 수 있다.
또한, 도 4의 (a)를 참조하면, 판재 성형 장치(120)는 2단 점진 판재 성형을 통해 제2 판재(10’’)에 등이축 인장 변형을 유도하여 파단을 발생시킬 수 있다. 이때, 제2 판재(10’’)는 평면 변형이 재현된 제1 판재(10’)와 동일한 소재 및 크기를 갖는 성형용 판재이며, 그리드 마킹 장치(110)에 의해 동일한 패턴을 갖는 복수의 그리드(20)가 마킹된 상태이다.
구체적으로는, 판재 성형 장치(120)는 먼저 제2 성형용 공구(30’’)의 외향 이동(outward tool movement)에 의해 가장자리가 고정된 제2 판재(10’’)를 가압하여 구형컵 형태로 성형하는 1단 점진 판재 성형을 수행할 수 있다. 여기서, 외향 이동이란, 판재를 가압하는 성형용 공구가 성형할 제품의 내부 형상의 중심부에 대응하는 지점으로부터 판재의 외곽을 향하여 이동하는 방식을 의미한다. 또한, 제2 성형용 공구(30’’)의 직경은 일예로 30mm일 수 있다. 이처럼, 판재 성형 장치(120)는 1단 점진 판재 성형을 수행하여 제2 판재(10’’)를 소정의 직경과 깊이를 갖는 구형컵 형태로 성형할 수 있다.
이후, 판재 성형 장치(120)는 1단 점진 판재 성형에 의해 구형컵 형태로 성형된 제2 판재(10’’)의 중심부에 보다 작은 직경을 갖는 구형컵을 성형하는 2단 점진 판재 성형을 수행하여 제2 판재(10’’)에 등이축 인장 변형을 유도하고 파단을 발생시킬 수 있다. 이때, 판재 성형 장치(120)는 제3 성형용 공구(30’’’)의 외향 이동에 의해 구형컵 형태로 성형된 제2 판재(10’’)의 중심부에 보다 작은 직경을 갖는 구형컵을 성형할 수 있다. 여기서, 제3 성형용 공구(30’’’)의 직경은 일예로 8mm일 수 있다.
이처럼, 판재 성형 장치(120)는 후술하는 성형 한계 측정 장치(140)에서 등이축 인장 변형에서의 제2 판재(10’’)의 성형 한계를 측정할 수 있도록 제2 판재(10’’)에 2단 점진 판재 성형을 수행할 수 있다. 먼저, 판재 성형 장치(120)는 제2 성형용 공구(30’’)의 외향 이동에 의해 제2 판재(10’’)를 구형컵 형태로 성형하는 1단 점진 판재 성형을 수행하고, 제2 성형용 공구(30’’)보다 작은 직경을 갖는 제3 성형용 공구(30’’’)의 외향 이동에 의해 구형컵 형태로 성형된 제2 판재(10’’)의 중심부에 보다 작은 직경을 갖는 구형컵을 성형하는 2단 점진 판재 성형을 수행하여 제2 판재(10’’)에 등이축 인장 변형을 유도하고 파단을 발생시킬 수 있다.
도 4의 (b)는 이러한 방식으로 성형된 제2 판재(10’’)의 저면도로서, 성형 제품의 중앙부에서 파단이 발생한 것을 확인할 수 있다. 즉, 판재 성형 장치(120)는 성형용 공구의 외향 이동 방식으로 제2 판재(10’’)를 점진 성형하여 성형 제품의 중앙부에 등이축 인장 변형에 의한 파단을 발생시킬 수 있다.
한편, 도 4의 (a)에서는, 제2 성형용 공구(30’’)와 제3 성형용 공구(30’’’)가 서로 상이한 직경을 갖는 별도의 공구인 것을 예로 들어 도시하였으나, 하나의 성형용 공구를 이용하여 서로 상이한 직경을 갖는 구형컵을 성형하는 2단 점진 판재 성형을 수행하여도 무방하다.
한편, 성형 전, 복수의 그리드(20)가 마킹된 판재(10)는 판재 성형 장치(120)에 의해 평면 변형 또는 등이축 인장 변형이 유도되고 일부분에 파단이 발생하는 경우, 파단 발생 부위 또는 파단 발생 부위와 인접한 부분에 위치하는 복수의 그리드(20)의 형태가 변형될 수 있다. 카메라 모듈(130)은 후술하는 성형 한계 측정 장치(140)에서 이러한 복수의 그리드(20)의 변형률을 산출할 수 있도록 판재(10)의 수직 상부에 마련되어 판재(10)를 촬영하고, 해당 이미지를 성형 한계 측정 장치(140)로 전달할 수 있다. 이때, 카메라 모듈(130)은 후술하는 성형 한계 측정 장치(140)의 제어에 따라 촬영 시점, 조명 밝기 등이 조절될 수 있다.
성형 한계 측정 장치(140)는 카메라 모듈(130)로부터 성형 후 판재(10)의 이미지를 전달받고 복수의 그리드(20)의 변형률을 산출할 수 있으며, 이를 이용하여 판재(10)의 평면 변형에서의 성형 한계 및 등이축 인장 변형에서의 성형 한계를 측정하고, 평면 변형에서의 성형 한계와 등이축 인장 변형에서의 성형 한계를 조합하여 해당 판재(10)의 점진 판재 성형에서의 성형한계선을 작성할 수 있다. 이와 관련하여 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 시스템에 포함되는 성형 한계 측정 장치의 제어 블록도이고, 도 6 및 도 7은 성형 한계 측정 장치에서 판재의 성형 한계를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 성형 한계 측정 장치에서 작성한 성형한계선의 일 예를 도시한 도면이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 성형 한계 측정 장치(140)는 이미지 처리부(141), 변형률 산출부(142), 성형 한계 측정부(143), 표시부(144) 및 메모리부(145)를 포함할 수 있다. 성형 한계 측정 장치(140)는 도 5에 도시된 구성요소보다 많은 구성요소에 의해 구현될 수 있고, 그보다 적은 구성요소에 의해 구현될 수 있다. 이하, 상술한 구성요소들에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
이미지 처리부(141)는 카메라 모듈(130)을 통해 판재(10)의 이미지를 전달받고, 이를 화상 처리하여 판재(10)에 마킹된 복수의 그리드(20)의 경계선을 추출할 수 있다. 예를 들어, 이미지 처리부(141)는 도 3과 같이 평면 변형이 유도되어 파단이 발생한 제1 판재(10’)의 이미지를 전달받는 경우, 도 6의 (a)와 같이 평면 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’)의 경계선을 추출할 수 있다. 또한, 이미지 처리부(141)는 도 4와 같이 등이축 인장 변형이 유도되어 파단이 발생한 제2 판재(10’’)의 이미지를 전달받는 경우, 도 7의 (a)와 같이 등이축 인장 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’’)의 경계선을 추출할 수 있다.
변형률 산출부(142)는 판재(10)의 성형에 의해 변형된 복수의 그리드(20)의 주 변형률 및 부 변형률을 산출할 수 있다.
구체적으로는, 도 6의 (a)를 참조하면, 평면 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’) 중 특히 파단 발생 부위 또는 파단 발생 부위와 인접한 위치의 그리드는 평면 변형에 의해 각 그리드의 중심점을 기준으로 수직축 방향으로 늘어나고, 수평축 방향으로는 변형이 거의 발생하지 않으므로, 전체적으로는 타원 형상일 수 있다. 이때, 주 변형률은 그리드(20’)의 직경 변화가 가장 큰 방향인 수직축 방향(또는 장축 방향)의 변형률을 의미하고, 부 변형률은 그리드(20’)의 직경 변화가 가장 작은 방향인 수평축 방향(또는 단축 방향)의 변형률을 의미한다.
따라서, 변형률 산출부(142)는 이미지 처리부(141)에서 추출한 복수의 그리드(20’)의 경계선을 이용하여 각 그리드의 주 변형률 및 부 변형률을 산출할 수 있다. 예를 들어, 변형률 산출부(142)는 각 그리드의 중심점과 경계선 상의 임의의 두 점을 연결하는 선분 중, 그 길이가 가장 긴 선분의 길이를 해당 그리드의 장축 길이로 산출하고, 각 그리드의 중심점과 경계선 상의 임의의 두 점을 연결하는 선분 중, 그 길이가 가장 짧은 선분의 길이를 해당 그리드의 단축 길이로 산출할 수 있다. 그리고, 변형률 산출부(142)는 각 그리드의 장축 및 단축 길이와 메모리부(145)에 미리 저장된 표준 그리드(20)의 직경과 비교하여 평면 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’)의 주, 부 변형률을 산출할 수 있다. 여기서, 메모리부(145)에 미리 저장된 표준 그리드(20)의 직경이란, 성형 전 판재(10)에 마킹되는 그리드(20)의 직경을 의미한다.
또한, 도 7의 (a)를 참조하면, 등이축 인장 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’’) 중 특히 파단 발생 부위 또는 파단 발생 부위와 인접한 위치의 그리드는 등이축 인장 변형에 의해 각 그리드의 중심점을 기준으로 수직축 및 수평축 방향으로 거의 동일하게 늘어날 수 있다. 상술한 바와 같이 주 변형률은 그리드(20’’)의 직경 변화가 가장 큰 방향인 수직축 방향(또는 장축 방향)의 변형률을 의미하고, 부 변형률은 그리드(20’’)의 직경 변화가 가장 작은 방향인 수평축 방향(또는 단축 방향)의 변형률을 의미하므로, 이와 같은 경우, 주, 부 변형률은 거의 동일할 수 있다.
따라서, 변형률 산출부(142)는 이미지 처리부(141)에서 추출한 복수의 그리드(20’’)의 경계선을 이용하여 각 그리드의 주 변형률 및 부 변형률을 산출할 수 있다. 예를 들어, 변형률 산출부(142)는 각 그리드의 중심점과 경계선 상의 임의의 두 점을 연결하는 선분 중, 그 길이가 가장 긴 선분의 길이를 해당 그리드의 장축 길이로 산출하고, 각 그리드의 중심점과 경계선 상의 임의의 두 점을 연결하는 선분 중, 그 길이가 가장 짧은 선분의 길이를 해당 그리드의 단축 길이로 산출할 수 있다. 그리고, 변형률 산출부(142)는 각 그리드의 장축 및 단축 길이와 메모리부(145)에 미리 저장된 표준 그리드(20)의 직경과 비교하여 등이축 인장 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’’)의 주, 부 변형률을 산출할 수 있다. 여기서, 메모리부(145)에 미리 저장된 표준 그리드(20)의 직경이란, 성형 전 판재(10)에 마킹되는 그리드(20)의 직경을 의미한다.
성형 한계 측정부(143)는 평면 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’) 의 주, 부 변형률 및 등이축 인장 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’’)의 주, 부 변형률을 이용하여 판재(10)의 점진 판재 성형에서의 성형 한계를 측정하기 위한 성형한계선 그래프를 작성할 수 있다.
구체적으로는, 성형 한계 측정부(143)는 도 6의 (b)와 같이 평면 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’) 중 파단 발생 부위와 가장 인접한 위치의 복수의 그리드(예를 들어, 빗금친 그리드)의 주, 부 변형률을 의미하는 x,y 좌표를 성형한계도상에 표시할 수 있으며, 이는 후술하는 표시부(144)를 통해 출력될 수 있다. 여기서, 성형한계도는 x축은 부 변형률(minor strain)을 나타내고, y축은 주 변형률(major strain)을 나타내는 평면이다.
또한, 성형 한계 측정부(143)는 도 7의 (b)와 같이 등이축 인장 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’’) 중 파단 발생 부위와 가장 인접한 위치의 그리드((예를 들어, 빗금친 그리드))의 주, 부 변형률을 의미하는 x,y 좌표를 성형한계도상에 표시할 수 있으며, 이는 후술하는 표시부(144)를 통해 출력될 수 있다
또한, 성형 한계 측정부(143)는 도 8과 같이 성형한계도상에서 평면 변형에 의해 변형된 그리드(20’)의 주, 부 변형률과 등이축 인장 변형에 의해 변형된 그리드(20’’)의 주, 부 변형률을 의미하는 x,y 좌표를 연결하여 성형한계선을 작성할 수 있다.
구체적으로는, 성형 한계 측정부(143)는 성형한계도상에서 각각 평면 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’)의 평균 주, 부 변형률과 등이축 인장 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’’)의 평균 주, 부 변형률에 대응하는 좌표를 연결하여 성형한계선을 작성할 수 있다.
또는, 성형 한계 측정부(143)는 성형한계도상에서 평면 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’) 주, 부 변형률을 의미하는 x,y 좌표 중 부 변형률이 0에 가장 가까운 x,y 좌표 또는 주 변형률이 가장 큰 x,y 좌표와, 등이축 인장 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’’)의 주, 부 변형률을 의미하는 x,y 좌표 중 주 변형률과 부 변형률의 차이가 가장 작은 x,y좌표를 연결하여 성형한계선을 작성할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상술한 바와 같이 성형한계도상에서 평면 변형에 의해 변형된 그리드(20’)의 주, 부 변형률과 등이축 인장 변형에 의해 변형된 그리드(20’’)의 주, 부 변형률을 의미하는 x,y 좌표를 연결하여 작성한 성형한계선은 일반적으로 직선 형태로 나타날 수 있으며, 이를 수학식으로 정의하면 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112016000212983-pat00001
수학식 1에서
Figure 112016000212983-pat00002
은 주 변형률,
Figure 112016000212983-pat00003
는 성형한계선의 기울기,
Figure 112016000212983-pat00004
는 부 변형률을 의미하고,
Figure 112016000212983-pat00005
는 주 변형률 좌표축에서의 절편을 의미한다.
이처럼, 성형 한계 측정부(143)는 판재(10)의 점진 판재 성형에 있어서, 평면 변형 모드 및 등이축 인장 변형 모드 하에서의 성형한계선을 작성할 수 있다. 이때, 성형한계선은 후술하는 표시부(144)를 통해 출력될 수 있다.
한편, 표시부(144)는 성형 한계 측정 장치(140)에서 처리되는 비디오 또는 오디오 정보를 표시 출력할 수 있다.
또한, 메모리부(145)는 성형 한계 측정 장치(140)의 처리 및 제어를 위한 프로그램이 저장될 수 있으며, 입, 출력되는 데이터들의 임시 저장을 위한 기능을 수행할 수 있다. 특히, 메모리부(145)는 성형 전 판재(10)에 마킹되는 그리드(20)의 직경 표준 그리드(20)의 직경으로 저장될 수 있다.
이와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형 한계 측정 시스템(100)은 판재(10)의 점진 판재 성형에 있어서, 평면 변형 또는 등이축 인장 변형을 유도할 수 있으며, 평면 변형 모드 및 등이축 인장 변형 모드 하에서의 성형한계선을 작성할 수 있다. 이에 따라, 점진 판재 성형 방식으로 다양한 형상의 성형품을 제조하는 경우, 상기 성형한계선을 통해 판재(10)의 파단 없이 성형 가능한 성형 한계를 측정할 수 있다.
이하에서는, 도 9 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 판재(10)의 성형 한계 측정 방법을 설명하기로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 판재(10)의 성형 한계 측정 방법은 도 1에 도시된 성형 한계 측정 시스템(100)과 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 1의 성형 한계 측정 시스템(100)과 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 성형 한계 측정 방법의 순서도이다.
먼저, 도 9를 참조하면, 제1 판재(10’)에 복수의 그리드(20)를 마킹할 수 있다(200). 그리드 마킹 장치(110)는 성형 전 제1 판재(10’)에 일정한 패턴을 갖는 복수의 그리드(20)를 마킹할 수 있다.
또한, 성형용 공구의 내향 이동에 따라 제1 판재(10’)를 점진 판재 성형하여 평면 변형을 유도할 수 있다(210). 판재 성형 장치(120)는 성형용 공구의 내향 이동에 따라 가장자리가 고정된 제1 판재(10’)를 가압하여 평평한 밑면을 갖는 형태로 성형할 수 있다.
또한, 이러한 평면 변형 모드에 따른 점진 판재 성형에 의해 제1 판재(10’)에 파단이 발생하였는지 판단하고(220), 파단이 발생한 경우, 성형 전 제1 판재(10’)에 마킹된 복수의 그리드(20) 중 제1 판재(10’)의 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드(20’)의 주, 부 변형률을 산출할 수 있다(230).
또한, 도 10을 참조하면, 제2 판재(10’’)에 복수의 그리드(20)를 마킹할 수 있다(300). 그리드 마킹 장치(110)는 성형 전 제2 판재(10’’)에 일정한 패턴을 갖는 복수의 그리드(20)를 마킹할 수 있다. 이때, 제2 판재(10’’)는 제1 판재(10’)와 동일한 소재 및 크기를 가질 수 있다.
또한, 성형용 공구의 외향 이동에 따라 제2 판재(10’’)를 구형컵 형상으로 점진 판재 성형하고(310), 성형용 공구의 외향 이동에 따라 구형컵 형상의 중심부를 점진 판재 성형하여 제2 판재(10’’)에 등이축 인장 변형을 유도할 수 있다(320). 구체적으로는, 판재 성형 장치(120)는 제2 판재(10’’)를 소정의 직경과 깊이를 갖는 구형컵 형상으로 1단 점진 판재 성형하고, 구형컵 형상의 중심부에 보다 작은 직경을 갖는 구형컵 형상을 성형하는 2단 점진 판재 성형을 수행하여 제2 판재(10’’)에 등이축 인장 변형을 유도할 수 있다.
또한, 이러한 등이축 인장 변형 모드에 따른 점진 판재 성형에 의해 제2 판재(10’’)에 파단이 발생하였는지 판단하고(330), 파단이 발생한 경우, 성형 전 제2 판재(10’’)에 마킹된 복수의 그리드(20) 중 제2 판재(10’’)의 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드(20’’)의 주, 부 변형률을 산출할 수 있다(340).
또한, 도 11을 참조하면, 성형한계도상에 제1 판재(10’) 및 제2 판재(10’’)의 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드(20’, 20’’)의 주, 부 변형률을 의미하는 좌표를 표시할 수 있다(400).
그리고, 제1 판재(10’)의 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드(20’)의 주, 부 변형률을 의미하는 좌표와 제2 판재(10’’)의 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드(20’’)의 주, 부 변형률을 의미하는 좌표를 연결하여 성형한계선을 작성할 수 있다(410). 구체적으로는, 제1 판재(10’)의 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드(20’) 및 제2 판재(10’’)의 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드(20’’)의 평균 주, 부 변형률에 대응하는 좌표를 연결하거나, 평면 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’) 주, 부 변형률을 의미하는 x,y 좌표 중 부 변형률이 0에 가장 가까운 x,y 좌표 또는 주 변형률이 가장 큰 x,y 좌표와, 등이축 인장 변형에 의해 변형된 복수의 그리드(20’’)의 주, 부 변형률을 의미하는 x,y 좌표 중 주 변형률과 부 변형률의 차이가 가장 작은 x,y좌표를 연결하여 성형한계선을 작성할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 성형 한계 측정 방법은 소재 및 크기가 동일한 복수의 판재(제1 판재(10’) 및 제2 판재(10’’))에 각각 평면 변형 또는 등이축 인장 변형을 유도할 수 있으며, 평면 변형 모드 및 등이축 인장 변형 모드 하에서의 성형한계선을 작성할 수 있다. 이에 따라, 점진 판재 성형 방식으로 다양한 형상의 성형품을 제조하는 경우, 상기 성형한계선을 통해 판재(10)의 파단 없이 성형 가능한 성형 한계를 측정할 수 있다.
이와 같은, 판재의 성형 한계 측정 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드 뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 판재
20: 그리드
100: 판재의 성형 한계 측정 시스템
110: 그리드 마킹 장치
120: 판재 성형 장치
130: 카메라 모듈
140: 성형 한계 측정 장치

Claims (7)

  1. 제1 판재 및 상기 제1 판재와 동일한 소재 및 크기를 갖는 제2 판재에 복수의 그리드를 마킹하는 그리드 마킹 장치;
    제1 성형용 공구의 내향 이동에 따라 상기 제1 판재를 평평한 밑면을 갖는 형상으로 점진 판재 성형하여 상기 제1 판재의 측벽부에 평면 변형을 유도하고 파단을 발생시키고, 제2 성형용 공구의 외향 이동에 따라 상기 제2 판재를 제1 직경을 갖는 구형컵 형상으로 1단 점진 판재 성형하고, 상기 제2 성형용 공구의 직경보다 작은 직경을 갖는 제3 성형용 공구의 외향 이동에 따라 1단 점진 판재 성형한 제2 판재의 중심부에 상기 제1 직경 보다 작은 제2 직경을 갖는 구형컵 형상을 성형하여 상기 제2 판재의 중심부에 등이축 인장변형을 유도하고 파단을 발생시키는 판재 성형 장치; 및
    상기 제1 판재 및 상기 제2 판재에 마킹된 상기 복수의 그리드 중 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 주 변형률 및 부 변형률을 각각 산출하고, 주 변형률과 부 변형률을 나타내는 성형한계도상에서, 상기 제1 판재에 마킹된 복수의 그리드로부터 산출한 주 변형률 및 부 변형률의 평균을 나타내는 좌표와 상기 제2 판재에 마킹된 복수의 그리드로부터 산출한 주 변형률 및 부 변형률의 평균을 나타내는 좌표를 연결하거나, 상기 제1 판재에 마킹된 복수의 그리드로부터 산출한 주 변형률 및 부 변형률을 나타내는 좌표 중 부 변형률이 0에 가장 가까운 좌표 또는 주 변형률이 가장 큰 좌표와 상기 제2 판재에 마킹된 복수의 그리드로부터 산출한 주 변형률 및 부 변형률을 나타내는 좌표 중 주 변형률과 부 변형률의 차이가 가장 작은 좌표를 연결하여 상기 제1 판재 또는 상기 제2 판재의 점진 판재 성형에서의 성형한계선을 작성하는 성형 한계 측정 장치를 포함하는 판재의 성형 한계 측정 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 판재 및 상기 제2 판재의 이미지를 획득하여 상기 성형 한계 측정 장치로 전달하는 카메라 모듈을 더 포함하는 판재의 성형 한계 측정 시스템.
  6. 제1 판재 및 상기 제1 판재와 동일한 소재 및 크기를 갖는 제2 판재에 복수의 그리드를 마킹하고,
    제1 성형용 공구의 내향 이동에 따라 상기 제1 판재를 평평한 밑면을 갖는 형상으로 점진 판재 성형하여 성형 제품의 측벽부에서 평면 변형을 유도하고 파단을 발생시키고,
    제2 성형용 공구의 외향 이동에 따라 상기 제2 판재를 제1 직경을 갖는 구형컵 형상으로 1단 점진 판재 성형하고, 상기 제2 성형용 공구의 직경보다 작은 직경을 갖는 제3 성형용 공구의 외향 이동에 따라 1단 점진 판재 성형한 제2 판재의 중심부를 상기 제1 직경 보다 작은 제2 직경을 갖는 구형컵 형상으로 2단 점진 판재 성형하여 성형 제품의 중앙부에서 등이축 인장 변형을 유도하고 파단을 발생시키며,
    상기 제1 판재 및 상기 제2 판재에 마킹된 상기 복수의 그리드 중 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 주 변형률 및 부 변형률을 각각 산출하고, 주 변형률과 부 변형률을 나타내는 성형한계도상에서, 상기 제1 판재에 마킹된 복수의 그리드로부터 산출한 주 변형률 및 부 변형률의 평균을 나타내는 좌표와 상기 제2 판재에 마킹된 복수의 그리드로부터 산출한 주 변형률 및 부 변형률의 평균을 나타내는 좌표를 연결하거나, 상기 제1 판재에 마킹된 복수의 그리드로부터 산출한 주 변형률 및 부 변형률을 나타내는 좌표 중 부 변형률이 0에 가장 가까운 좌표 또는 주 변형률이 가장 큰 좌표와 상기 제2 판재에 마킹된 복수의 그리드로부터 산출한 주 변형률 및 부 변형률을 나타내는 좌표 중 주 변형률과 부 변형률의 차이가 가장 작은 좌표를 연결하여 상기 제1 판재 또는 상기 제2 판재의 점진 판재 성형에서의 성형한계선을 작성하는 판재의 성형 한계 측정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 판재 및 상기 제2 판재에 마킹된 상기 복수의 그리드 중 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 주 변형률 및 부 변형률을 각각 산출하는 것은,
    상기 제1 판재 및 상기 제2 판재의 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 장축 및 단축과 미리 저장된 표준 그리드의 직경을 비교하여 상기 제1 판재 및 상기 제2 판재의 파단 발생 부위와 인접하는 복수의 그리드의 주 변형률 및 부 변형률을 산출하는 것을 포함하는 판재의 성형 한계 측정 방법.
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