KR20060068708A - 고정밀 구멍 확장 시험장치 및 이를 이용한 시험방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 강판의 신장 플랜지성을 측정하는 시험인 구멍 확장 시험을 보다 정밀하고 재현성 있게 실시할 수 있는 방법 및 그 시험 장치에 관한 것이다. 본 발명의 구멍 확장 시험 방법으로서는 먼저 통상의 성형 시험 장치를 이용하여 펀치를 1mm/sec 이하로 상승 또는 하강시켜 시편의 구멍 부위를 확장시키는 방법으로, 이 때 구멍 가공 단면 부위의 크랙 발생 및 전파 과정을 관찰하기 위하여 펀치의 반대 부분에 CCT 카메라를 장착하여 크랙이 구멍 가공면의 단면 부위를 완전히 관통한 순간 시험을 정지시킨 후 확장된 구멍의 지름을 측정하여 구멍 확장 비 λ값을 구하게 된다.

신장 플랜지성, 버링성, 구멍확장시험(Hole expansion test)

Description

고정밀 구멍 확장 시험장치 및 이를 이용한 시험방법{Hole expansion test machine having a high degree accuracy and test method thereby}

도 1은 자동차용 강판의 성형 모드인 굽힘, 드로잉, 팽창 및 신장 플랜지 변형을 나타내는 개념도이다.

도 2는 신장플랜지 성형인 볼록 곡선 플랜지 성형 및 구멍 넓히기 버링 성형을 나타낸다.

도 3은 구멍확장 시험에 사용되는 다이와 펀치 및 이들을 조합하여 구멍 확장 시험을 하는 모습을 나타낸다.

도 4는 일반적인 구멍 확장시험의 시험 모습을 나타낸다.

도 5는 본 발명의 고정밀 구멍 확장 시험 장치의 구성도이다.

도 6은 성형 장치에 블랭크 다이 금형과 펀치를 조합한 모습이다.

도 7은 구멍 확장 시험 도중 크랙이 전파되는 과정을 나타낸 모습이다.

도 8은 본 발명의 비교 예로서, 보편적인 하중의 변화 감지 장치를 이용하여 시험을 실시하였을 때의 시험편의 크랙 발생 모습으로, 크랙이 과다하게 전파되어 있는 모습을 나타낸다.

도 9는 본 발명의 실시 예로서, CCT 카메라를 부착하여 구멍 확장 시험을 실 시하였을 때의 시험편의 모습으로, 크랙이 두께 부분을 완전히 관통하고 더 이상 전파되지 않은 상태에서 시험이 정지된 모습을 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

d_d: 상부 다이 내경 d_p: 펀치 기둥 내경 R_d: 상부 다이 곡률반경

t: 시험편 두께 d₀: 시험편 내부 구멍 직경

B.F: 블랭크 하중

본 발명은 자동차용 강판의 성형 모드 중 하나인 신장 플랜지 특성을 테스트 하기 위한 고정밀 구멍 확장 시험장치 및 이를 이용한 시험 방법에 관한 것이다.

박판의 성형중 변형은 굽힘, 드로잉, 팽창 및 신장 플랜지 변형의 4가지로 구분된다. 첨부된 도 1은 이러한 변형 모드의 개념도를 표시한 것으로, 신장 플랜지 변형은 대략 원주 방향만의 인장 응력을 받는다. 신장 플랜지 성형은 도 2에 나타낸 바와 같이 버링 가공, 볼록 곡선 플랜지 성형 등이 있는데, 이러한 신장 플랜지 성형성을 테스트하기 위한 방법으로 구멍 확장 시험이 있다.

구멍 확장 시험은 도 3에 나타낸 바와 같이 강판에 미리 10mm 내외의 구멍을 가공한 후, 원뿔형이나 원주형 펀치를 이용하여 구멍부위를 펀치로 밀어 올려 구멍을 확장시키면서 구멍 가공 부위에 도 4와 같이 크랙이 발생한 순간 시험을 멈추고,

로 표현되는 구멍 확장비인 λ값을 구하여 신장 플랜지성을 평가하는 방법이다. 여기서 d₀는 초기 구멍 지름을 나타내고, d는 크랙 발생 순간의 구멍 지름을 나타낸다.

보통 크랙 발생시 펀치에 걸리는 하중은 단시간에 급격히 감소하게 되는데, 이러한 펀치 하중의 급격한 감소를 감지하여 시험을 자동으로 정지하는 장치를 이용해 크랙 발생 순간의 지름을 측정하는 방법이 보편적이다.

이러한 구멍 확장 시험은 주로 두께 1.2mm 이상의 강판에서 실시되고 있으나, 시험 오차가 크고 국제적으로 공인된 규격이 존재하지 않는다. 이와 같이 구멍 확장 시험의 오차가 큰 주요한 이유는 크랙의 발생 시점을 감지하는데 있어서 상기 기술한 하중 변화 측정을 이용하여 감지한다는 것 자체에 오차가 크기 때문이다.

일반적으로 크랙은 매우 미세한 원자 수준의 크랙에서부터 시작되어 눈에 보이는 마크로한 크랙으로 전파되기 때문에 크랙의 발생 시점을 결정하는 것이 모호하고, 이를 하중 변화로 감지할 경우 크랙이 이미 상당부분 진행된 상태에서 시험이 정지되는 것이 보통이기 때문에 하중 변화를 이용하여 구멍확장 시험을 시행할 경우 그 신뢰도가 매우 떨어지게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 신장 플랜지 특성을 테스트하기 위한 시험방법인 구멍 확장 시험의 신뢰성을 높이기 위한 시험 방법 및 장치의 개발 및 제공에 있다. 이를 위하여 구멍 가공 부위의 크랙 발생 시점을 크랙이 시험편의 두께 방향을 완전히 통과하는 시점을 기준으로 설정하고, 이러한 시점을 감지하기 위하여 펀치의 반대쪽에 CCT 카메라를 설치하여 시험편의 변형 부위를 확대하여 관찰하면서 시험을 실시하고, 크랙이 두께 부위를 관통하는 순간 시험을 수동으로 정지, 그 때의 구멍 직경을 측정하여 구멍 확장비 λ값을 계산함으로써, 시험의 신뢰도를 높이는 것을 요지로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명은 크랙의 발생 시점을 시험편의 두께 부위를 완전히 관통하는 시점으로 규정하고, 펀치의 반대편에 설치된 CCT 카메라를 이용하여 시편의 구멍 가공 부위를 관찰하면서 시험을 진행한 뒤 크랙이 시험편의 두께 부위를 완전히 관통하는 순간 수동으로 펀치를 정지시켜 그 때의 구멍 직경을 이용하여 구멍 확장비 λ값을 계산하는 것을 주요 내용으로 한다.

본 발명에서는 강판의 신장 플랜지 성을 평가할 수 있는 시험법인 구멍 확장시험을 실시하기 위하여 먼저 100mm에서 200mm 정도의 길이를 같는 정사각형 모양이나 혹은 지름이 100mm에서 200mm 정도의 원형 시험편을 준비한 후 시험편의 중앙 부위에 직경 10mm의 구멍을 펀치나 밀링 장치를 이용하여 가공한다.

시험 장치는 유압이나 공압, 혹은 전기식 구동방식을 이용하여 블랭크 부분 과 펀치 부분을 독립적으로 상승 또는 하강시켜 성형 시험을 실시할 수 있는 기본 장치와 끝 부분이 원뿔 모양인 펀치, 시험편을 고정할 수 있는 블랭크 다이 금형, 그리고 펀치의 반대 편에서 시험편의 구멍 부위의 변형 및 크랙 발생 여부를 확대하여 관찰할 수 있는 CCT 카메라로 구성되며, 그 조합은 도 3, 도 5, 도 6에 나타낸 바와 같다.

본 시험의 재현성을 확보하기 위해서 도 3의 원뿔형 펀치의 끝 부분 각도 θ는 60°로 고정하고, 펀치 기둥 직경(d_p)은 크랙이 발생되기 까지 구멍 확장이 계속 가능하도록 40mm 이상으로 하며, 상부 다이의 내경 역시 측정할 수 있는 최대 구멍 확장비를 고려하여 40mm 이상으로 한다. 상부 다이의 내경(d_d)은 시험편의 두께(t)에 따라

(d_d : 상부 다이 내경, d_p : 펀치 기둥 직경, t : 시험편의 두께)로 정의 되는 클리어런스(c)가 12±2 미만이 되도록 시험편의 두께 별로 준비, 교체되어야 한다. 클리어런스가 12±2 로 조정되지 않을 경우 같은 종류의 강판임에도 불구하고 시험 편의 두께에 따라 구멍 확장비가 큰 차이를 보이게 되기 때문이다. 상부 다이 반경은 시험편이 곡률 부위가 급격히 변하지 않도록 20mm 이하로 한다.

CCT 카메라는 시험편의 변형 부위를 확대하여 별도의 콘트롤 패널 부위에 실시간으로 출력이 가능한 시스템을 조합하여 사용하여야 한다.

이하 본 발명의 시험 방법을 설명한다. 먼저 시험편의 중앙부에 구멍 가공을 한 후 먼저 구멍의 중앙부와 펀치의 끝 부분이 일치하도록 시편 주위를 상하부 다이를 이용하여 고정한다.

이 때 다이로 시편을 누르는 하중을 블랭크 하중이라 하는데, 블랭크 하중은 시험 도중 시험편이 미끄러지지 않을 정도로 하여야 하며, 통상 5톤 이상이 적당하다. 그러나 블랭크 하중이 너무 크면 시험편에 변형이 오므로 이를 방지하기 위하여 블랭크 하중은 50톤 미만으로 한다.

시험편의 구멍을 펀치만으로 가공한 경우는 바리가 펀치의 반대편으로 오도록 위치하여 고정하도록 한다. 다이로 시편을 고정한 후 하부에 설치된 원뿔형 펀치를 시험편의 구멍 부분으로 밀어 올려 도 4와 같이 시험한다. 이 때 펀치의 속도를 1mm/sec 이하로 낮추어 시험하여야 하며, 이는 CCT 카메라를 이용하여 크랙이 시험편의 두께 부분을 완전히 관통한 순간, 시험을 정확히 정지하게 하기 위해서이다.

CCT 카메라는 도 5와 같이 펀치의 반대편에서 시험편의 구멍 확장 가공 부위를 정확히 관찰할 수 있도록 설치되어야 하며, 시험 과정을 확대하여 별도의 패널 부위 화면에 실시간 출력이 가능하도록 설치한다. 시험은 도 7의 (b)와 같이 크랙이 발생하여 시험편의 두께를 완전히 관통한 순간 정확히 정지하여야 하며, 도 7의 (a)와 같은 크랙의 미 전파나 (c)와 같은 크랙의 과다 전파가 발생하는 일이 없도록 한다.

시험을 정지한 후 시험편 구멍 내경을 적어도 3가지 이상에서 측정하여

로 정의된 구멍 확장비 λ값을 계산한다.

이하 본 발명을 실시예에 의해 설명한다.

(실시예)

표 1은 하중 변화 감지 장치를 이용하여 크랙 발생 시점을 자동으로 감지하여 구멍확장시험을 실시한 비교 예와 크랙의 두께 관통 시점을 CCT 카메라로 관찰하여 펀치를 정지시키는 본 발명의 실시예를 비교한 결과이다. 두 시험 모두 두께 1.4mm의 인장강도 440MPa급 고장력 강을 이용하여 시험하였고, 시험편은 100mm×100mm의 정사각 형태로 절단한 후 직경 10mm의 구멍을 펀치를 이용하여 가공하였다.

다이의 블랭크 하중은 10톤으로 하여 시편을 고정하였고, 클리어런스는 12.0으로 되는 상부 다이를 이용하였다. 펀치의 상승 속도는 1mm/sec 로 하여 시험하였고, 비교예는 펀치 하중의 급격한 감소를 감지하여 자동으로 정지하도록 설정하였으며, 발명예는 구멍 가공 부위를 CCT 카메라를 이용하여 실시간 관찰하면서 크랙이 시험편의 두께 부위를 도 7의 (b)와 같이 완전히 관통한 순간 시험을 정지시켜 구멍 확장비 λ값을 계산하였다.

표 1에서 알 수 있듯이 하중 변화 감지 장치를 이용하여 시험을 정지 시킨 경우는 본 발명 예에 비하여 구멍 확장비 λ값의 평균과 표준 편차가 크게 나와 신뢰도가 떨어지는 모습을 볼 수 있다. 이에 반해 본 발명예의 경우 표준 편차가 작 아 신뢰도 및 재현성이 매우 향상되었음을 알 수 있고, λ값의 평균도 비교예에 비하여 약간 작은 값으로 나왔는데, 이는 크랙이 두께를 완전히 관통한 순간 시험을 정지시켰기 때문이다.

도 8과 도 9는 각각 비교 예를 통해 시험한 시험편과 본 발명 예를 통해 시험한 시험편을 나타낸다. 비교예의 경우 크랙이 과다하게 전파되어 있음을 알 수 있고, 본 발명예의 경우 크랙이 두께 부위를 정확히 관통한 시점에서 시험이 정지되었음을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명의 장치를 통하여 시험할 경우 보다 정확한 λ값을 구할 수 있고, λ값의 표준 편차 역시 기존의 방법에 비하여 크게 향상시킬 수 있었다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 자동차용 강판의 신장 플랜지 특성을 테스트하기 위한 시험방법인 구멍 확장 시험을 실시하는데 있어서, 구멍 가공 부위의 크랙 발생 시점을 크랙이 시험편의 두께 방향을 완전히 통과하는 시점을 기준으로 설정하고, 이러한 시점을 감지하기 위하여 펀치의 반대쪽에 CCT 카메라를 설치하여 시험편의 변형 부위를 확대하여 관찰하면서 시험을 실시하고, 크랙이 두께 부위를 관통하는 순간 시험을 수동으로 정지, 그 때의 구멍 직경을 측정하여 구멍 확장비 λ값을 계산함으로써, 구멍 확장 시험의 신뢰도를 크게 향상 시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 유압이나 공압, 혹은 전기식 구동방식을 이용하여 블랭크 부분과 펀치 부분을 독립적으로 상승 또는 하강시켜 성형 시험을 실시 할 수 있는 기본 장치와 끝 부분이 원뿔 모양인 펀치, 시험편을 고정할 수 있는 블랭크 다이 금형, 그리고 펀치의 반대 편에서 시험편의 구멍 부위의 변형 및 크랙 발생 여부를 확대하여 관찰할 수 있는 CCT 카메라로 구성되는 자동차용 강판의 구멍 확장성 시험장치.
2. 청구항 1의 구멍 확장성 시험 장치를 이용하여 구멍 확장비 λ값을 구하는 방법으로,

   

   (d_d : 상부 다이 내경, d_p : 펀치 기둥 직경, t : 시험편의 두께)로 정의 되는 클리어런스가 12±2인 상부다이와 끝 부분 각도 θ가 60°, 펀치 기둥 직경이 40mm 이상인 펀치를 이용하여, 1mm/sec 이하의 펀치 속도로 펀치를 상승시켜 시험편 중앙의 미리 가공된 10mm 직경의 구멍을 확장 시키면서 CCT 카메라를 이용하여 크랙이 시험편의 두께 부위를 완전히 관통한 순간을 포착, 시험을 수동으로 정지하여 그때의 시험편 내부 직경을 측정,

   

   (d : 시험 후 구멍 내경, d₀ : 시험 전 구멍 내경)로 정의된 구멍 확장비 λ값을 구하는 방법.

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