KR20090067682A - 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치 및이를 이용한 측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온소재의 성형한계 데이터 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세히는 열간 및 온간 프레스 성형을 하는 면내 변형하는 고온소재의 성형성을 평가하기 위한 고온 시편의 성형한계 데이터를 측정하는 측정장치 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치는 원형 마킹된 시편을 지지하는 지그; 상기 시편에 고전압을 이용하여 열을 가하는 고전압 발생기; 및 상기 시편의 평면변형을 위해 상기 지그를 양측으로 당겨서, 상기 시편에 넥 파단을 발생시키는 유압실린더;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치에 의하면, 고전압 발생기를 이용하여 고온의 온도에서도 평면변형 데이터를 측정할 수 있는 장점이 있다.
성형한계 데이터, 온도, 고전압 발생기

Description

온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치 및 이를 이용한 측정방법{Measuring device for forming limit of testing member and measuring method using the same}
본 발명은 고온소재의 성형한계 데이터 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세히는 열간 및 온간 프레스 성형을 하는 면내 변형하는 고온소재의 성형성을 평가하기 위한 고온 시편의 성형한계 데이터를 측정하는 측정장치 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것이다.
프레스 가공에서 판재의 가공불량의 원인 분석을 위해서, 도 1에 도시된 것처럼, Keeler와 Goodwin이 주·부 변형률 좌표축 상에 다양한 2축 인장상태 하에 있는 판재의 변형률을 표시하고 안전한 변형과 넥(neck)-파단 변형의 경계로 재료의 변형한계를 표시한 성형한계도 개념을 도입하였다.
성형한계도는 소재의 성형성과 아주 밀접하여 성형성 우열을 가리는 중요한 기준이 되는 것으로, 종래에는 시편을 상하 금형 사이에 전기 화학적으로 0.1인치(inch) 원으로 표면이 에칭하여 넣고, 재료가 넥-파단에 이를 때까지 펀치를 진행시킨 다음 넥-파단이 일어나지 않은 변형된 타원체의 장·단축 길이를 측정하여 성형한계곡선 상의 최소값인 평면변형 데이터를 얻는다.
상기 평면변형 데이터는 타원체의 단축의 길이의 변형률, 즉 부변형률이 0인 평면변형 경로의 데이터는 성형한계도 상의 성형한계곡선에서 최소값과 관련이 있다.
종래의 성형한계도의 데이터 값은 온도에 따른 평면변형 데이터 값을 얻지 못하므로, 열간프레스 성형공정에 필요한 700℃ 이상의 고온상태의 온도조건에서의 평면변형 데이터를 얻을 필요성이 있었다.
본 발명의 목적은 열간 및 온간 프레스 성형하는 소재의 성형성을 평가하기 위해, 온도에 따른 평면변형 데이터를 얻기 위한 측정장치와 이를 이용한 측정방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치는 원형 마킹된 시편을 지지하는 지그; 상기 시편에 고전압을 이용하여 열을 가하는 고전압 발생기; 및 상기 시편의 평면변형을 위해 상기 지그를 양측으로 당겨서, 상기 시편에 넥 파단을 발생시키는 유압실린더;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치는 상기 시편의 일면에 부착되어 온도를 측정하는 열전대 온도계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치는 상기 시편의 온도를 냉각하기 위한 가스 공급부를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명에 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정방법은 원형 마킹된 시편의 양단부를 지그에 고정하는 단계; 상기 시편에 고전압 발생기로 열을 가하는 단계; 상기 시편의 평면변형을 위해 상기 지그를 양측으로 당기는 단계; 및 상기 시편에 넥-파단이 발생하면, 넥-파단이 일어난 부분과 근접한 상기 원형 마킹의 변형률을 측정하여 표시하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정방법은 상기 고전압 발생기로 열을 가하는 경우는 열간 프레스 성형공정과 동일한 온도이력이 발생하는 시간 및 온도 조건 하에 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정방법은 상기 고전압 발생기로 열을 가한 후 상기 시편의 온도를 냉각하기 위해 가스 공급부로 상기 시편에 가스를 분사하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정방법은 상기 지그를 양측으로 당기는 경우는 유압실린더를 이용하며, 상기 시편이 준정적으로 인장되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치에 의하면, 고전압 발생기를 이용하여 고온의 온도에서도 평면변형 데이터를 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 실사용에 있어서 소재의 온도 저감요인에 대응하는 냉각가스 분출장치를 이용하여 시편의 온도저감을 할 수 있어 신속하고 정확한 데이터 측정이 가능한 효과가 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치의 개략 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치의 개략도이며, 도 3은 본 발명에 따른 고전압 발생기를 이용하여 시편에 열을 가한 모습의 사진이며, 도 4는 열간 프레스 성형 공정시 발생하는 소재의 열이력 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치는 원형 마킹(14)된 시편(10)을 지지하는 지그(20), 상기 시편(10)에 고전압을 이용하여 열을 가하는 고전압 발생기(40) 및 시편(10)에 인장을 가하는 유압장치(30)를 포함한다.
본 발명에 사용되는 상기 시편(10)은 특히 고강도강용 자동차 부품을 만들기 위한 최신 공정인 열간 및 온간 프레스 성형 공법에 사용되는 소재의 일부를 직사각형으로 제조한 금속 판재이다.
상기 시편(10)의 표면에는 성형 후 변형률을 측정하기 위해서 레이저로 원형 마킹(14) 된다.
또한, 상기 시편(10)의 일면에는 온도를 측정하는 열전대 온도계(12)를 부착하여, 시편(10)의 금속재료의 다양한 가공 열이력을 재현하는지 확인할 수 있다.
상기 고전압 발생기(40)는 전압원(45)에서 공급되는 전류의 단속에 의해 전 자기 유로를 이용하여 시편(10)에 열을 가하는 장치이다. 상기 고전압 발생기(40)의 전극(42)은 상기 시편(10)의 일측에 연결된다. 상기 고전압 발생기(40)를 이용하여 도 4와 같은 열간 프레스 성형 공정시 소재에 가해지는 열이력을 재현하기 위해 상기 시편(10)을 900℃까지 가열한다. 이때, 열이 가해진 시편(10)의 사진을 찍은 것이 도 3이다.
또한, 도 4와 같이 시편(10)이 냉각되는 것을 재현하기 위해 상기 성형한계도 측정장치는 시편(10)의 온도를 냉각하기 위한 가스 공급부(50)를 더 포함한다. 상기 가스는 불활성 가스를 이용하는 것이 바람직하며, 상기 가스 공급부(50)는 가스를 저장하는 가스탱크(52)와 상기 가스탱크(52)에서의 가스를 시편(10)으로 분사하기 위한 분사노즐(54)을 포함할 수 있다.
상기 지그(20)는 한쌍의 상부 프레임(22)과 하부 프레임(24)으로 이루어지며, 상기 시편(10)의 양단부를 고정한다. 상기 상부 프레임(22)에는 그립홈(26)이 형성되며, 상기 하부 프레임(24)에는 상기 그립홈(26)과 대응되는 위치에 그립돌기(28)가 형성될 수 있다. 상기 그립홈(26)과 그립돌기(28)는 상기 시편(10)을 상기 지그(20)에서 안전하게 잡아주는 것으로 상기 지그(20)의 상부 프레임(22)과 하부 프레임(24) 어느 하나에 형성될 수 있다.
상기 유압장치(30)는 상기 지그(20)의 양쪽 외측에서 상기 지그(20)를 측부로 당긴다. 이때, 상기 시편(10)이 평면변형(부변형률이 거의 0인 상태)을 하도록 시편(10)의 파단한계인 국부넥이 발생할 때까지 준정적 공칭변형률 속도인 10- 3mm/sec 이하로 상기 시편(10)이 인장되도록 작동된다.
상기와 같은 고전압 발생기(40), 가스공급부(50), 시편(10)의 온도 측정, 지그(20)의 인장속도 제어 등은 컴퓨터인 제어부(60)를 통하여 일어나며, 상기 제어부(60)는 모니터에 시간에 따른 시편의 표면온도를 x-y 좌표 상에 표시하고 데이터를 저장한다. 또한, 하중 및 변위 데이터 또한 시험의 재현성 확보 차원에서 함께 저장한다.
도 5는 본 발명에 따른 성형한계 데이터 측정장치로 평면변형 실험 전 시편의 사진이며, 도 6은 본 발명에 따른 성형한계 데이터 측정장치로 평면변형 실험 후 시편의 사진이며, 도 7은 본 발명에 따른 성형한계 데이터 측정장치로 측정한 데이터를 도시한 성형한계도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 성형한계 데이터 측정장치로 평면변형 실험 전후의 시편 사진이다. 시편(10)의 변형 전에는 시편(10) 상에 형성되는 원형 마킹(14)이 유지되어 있으며, 시편에 열을 가하고 인장을 가한 후 시편(10)에 넥 파단(15)이 되면 원형 마킹(14)이 변형된다.
부변형률이 0인 상태에서, 넥 파단(15)이 일어난 부분과 무관한 곳에서의 변형이 최대로 일어난 원형 마킹(14)을 장단축의 표시는 "○", 넥 파단(15)의 영향을 받은 부분에서의 최대로 변형된 타원체의 장단축의 표시는 "+"로 나타낸 것이 도 7의 성형한계도이다.
도 7의 성형한계도에서 부변형률 ε2는 거의 0에 가까운 평면변형 상에 데이 터가 배열되고 주변형률 ε1의 값은 0.412를 갖는다. 즉, 이는 주변형률의 값이 0.412 미만으로 소성변형이 발생하면 상태의 성형성은 양호하며, 만약 그 이상의 값을 가질 때는 소재가 파단되는 가공불량이 발생함을 의미한다.
이하에서는 상기의 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치를 이용한 성형한계 데이터 측정방법에 대하여 설명한다.
우선, 본 발명에 따른 성형한계 데이터 측정방법은 원형 마킹(14)된 시편(10)의 양단부를 지그(20)에 고정한다. 그리고, 상기 시편(10)에 고전압 발생기(40)로 열을 가한다. 이때, 도 4과 같은 열간 프레스 성형공정과 동일한 온도이력이 발생하는 시간 및 온도 조건을 유지하도록 한다.
또한, 상기 고전압 발생기(40)로 열을 가한 후 상기 시편의 온도를 냉각하기 위해 가스 공급부(50)로 상기 시편(10)에 가스를 분사할 수 있다.
그리고, 상기 시편(10)의 평면변형을 위해 상기 지그(20)를 양측으로 당긴다. 이때, 유압실린더(30)를 이용하며, 준정적 공칭 변형률 속도 10-3mm/sec 이하로 상기 시편(10)이 넥-파단이 발생할 때까지 당긴다.
그리고, 제어부(60)에서 넥-파단(15)이 일어난 부분과 근접한 상기 원형 마킹(14)의 변형률을 측정하여 도 7과 같이 x-y 좌표상에 나타낸다.
본 발명에 따른 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치 및 이를 이용한 측정방법에 의하면, 고전압 발생기를 이용하여 고온의 온도에서도 평면변형 데이터를 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 실사용에 있어서 소재의 온도 저감요인에 대응하는 냉각가스 분출장치를 이용하여 시편의 온도저감을 할 수 있어 신속하고 정확한 데이터 측정이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치의 개략 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 고전압 발생기를 이용하여 시편에 열을 가한 모습의 사진.
도 4는 열간 프레스 성형 공정시 발생하는 소재의 열이력 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 성형한계 데이터 측정장치로 평면변형 실험 전 시편의 사진.
도 6은 본 발명에 따른 성형한계 데이터 측정장치로 평면변형 실험 후 시편의 사진.
도 7은 본 발명에 따른 성형한계 데이터 측정장치로 측정한 데이터를 도시한 성형한계도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 시편 12: 열전대 온도계
14: 원형 마킹 20: 지그
22: 상부 프레임 24: 하부 프레임
26: 그립홈 30: 유압 실린더
40: 고전압 발생기 45: 전압원
50: 가스공급부 60: 제어부

Claims (7)

  1. 원형 마킹된 시편을 지지하는 지그;
    상기 시편에 고전압을 이용하여 열을 가하는 고전압 발생기; 및
    상기 시편의 평면변형을 위해 상기 지그를 양측으로 당겨서, 상기 시편에 넥 파단을 발생시키는 유압실린더;를 포함하는 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시편의 일면에 부착되어 온도를 측정하는 열전대 온도계를 더 포함하는 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 시편의 온도를 냉각하기 위한 가스 공급부를 더 포함하는 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정장치.
  4. 원형 마킹된 시편의 양단부를 지그에 고정하는 단계;
    상기 시편에 고전압 발생기로 열을 가하는 단계;
    상기 시편의 평면변형을 위해 상기 지그를 양측으로 당기는 단계; 및
    상기 시편에 넥-파단이 발생하면, 넥-파단이 일어난 부분과 근접한 상기 원 형 마킹의 변형률을 측정하여 표시하는 단계;를 포함하는 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 고전압 발생기로 열을 가하는 경우는 열간 프레스 성형공정과 동일한 온도이력이 발생하는 시간 및 온도 조건 하에 이루어지는 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 고전압 발생기로 열을 가한 후 상기 시편의 온도를 냉각하기 위해 가스 공급부로 상기 시편에 가스를 분사하는 단계를 더 포함하는 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 지그를 양측으로 당기는 경우는 유압실린더를 이용하며, 상기 시편이 준정적으로 인장되도록 하는 온도조건을 고려한 시편의 성형한계 데이터 측정방법.
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