KR20100003994A - 판재의 성형한계도 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판재의 성형한계도 시험장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강판의 성형한계도 시험에서 시편을 여러방향으로 균일한 하중과 균일한 변형 속도로 인장시키는 판재의 성형한계도 시험장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 시편을 균일한 하중 및 변형 속도로 인장시키는 시편인장수단; 상기 시편인장수단이 상하방향으로 이동가능하게 동력을 제공하는 유압실린더; 상기 유압실린더의 내부에 설치되고, 시편인장수단에 의해 인장시 시편의 크랙발생을 감지하는 로드셀; 및 상기 로드셀의 감지신호를 입력받아 유압실린더의 작동을 제어하는 하중제어장치를 포함하고, 상기 시편에 크랙이 발생할 때까지 하중이 증가하다가 로드셀을 통해 시편의 크랙발생을 감지하면 하중제어장치가 유압실린더의 작동을 멈추고, 크랙 발생 주변부의 주변형률과 부변형률을 측정하는 것을 특징으로 하는 판재의 성형한계도 시험장치를 제공한다.

펀치, 링크, 고정지그, 성형한계도

Description

판재의 성형한계도 시험장치{Testing system of forming limit diagram for steel plate}

본 발명은 판재의 성형한계도 시험장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강판의 성형한계도 시험에서 시편을 여러방향으로 균일한 하중과 균일한 변형 속도로 인장시키는 판재의 성형한계도 시험장치에 관한 것이다.

판재의 성형성(Formability)이란 재료가 국부 넥(Localized Neck) 또는 파단(Fracture)을 발생시키지 않고 소성 변형할 수 있는 정도를 나타내는 것을 의미한다.

프레스 금형(Press Die)을 이용한 프레스 가공법(Press Working)은 복잡한 형상의 판재 제품을 가공할 수 있으며, 타 가공법과 비교하여 재료의 손실이 적고, 연속 고속 생산이 가능하기 때문에 자동차, 가전제품, 항공기 산업 등에 널리 이용되고 있다.

이러한 프레스 가공 중에 재료는 국부적 또는 전체적으로 굽힘(Bending), 플 랜징(Flanging), 딥 드로잉(Deep Drawing), 장출(Stretching)변형 또는 이들의 조합으로 구성된 복잡한 변형이 발생한다.

또한, 프레스 가공 중에는 재료변수(기계적 특성, 가공성 등), 설계변수(금형형상, 다이 곡률 등) 그리고 가공변수(마찰, 가공속도 등)가 적정하지 않으면, 여러 형태(변형 국소화, 파단, 주름, 스프링 백 등)의 가공불량(Forming failure)이 발생하게 된다.

따라서 상기 가공불량 없이 원하는 제품을 생산하기 위해서 가공 중의 성형품질에 영향을 미치는 제반 변수에 대한 면밀한 분석과 자료의 확보를 통해 변수들의 최적설계를 하는 성형성 시험이 필요하다.

판재의 성형성을 평가하기 위한 실험장치는 금형(Die)과 펀치(Punch)를 교체하여 한계 돔 높이 시험(LDH Test), 에릭슨 시험(Erichsen Test), 벌지 시험(Bulge Test), 딥 드로잉 테스트(Deep Drawing Test), 성형 한계도 시험(FLD Test) 등의 다양한 성형성 시험을 하고, 주로 유압(Hydraulic Press)을 이용한 장비가 많다.

도 1은 종래기술에 따른 강판의 성형한계도 시험장치를 나타내는 도면으로서, 강판(3)의 성형성 시험장치는 유압장치로부터 공급받은 유압에 의해 도 2에 도시한 강구 펀치(1)를 밀어 올려 시편에 국부적으로 크랙이 발생한 시점에 도 4에 도시한 크랙 주변부에 주변형율과 부변형율을 측정하여 딥 드로잉, 1축 신장률(1-axis tensile), 평면 스트레인, 2축 신장률 성을 모두 시험한다.

상기와 같은 성형한계도 시험방법은 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 치수가 다른 여러개의 시편을 사용하여 시편 치수에 따라 크랙 발생시 주변부에 나타나 는 성형 모드가 각각 다른 원리를 이용하여 4가지 변형 모드를 모두 측정할 수 있다.

또한, 크랙 주변부의 주변형률과 부변형률 측정방법은 성형 전 시편표면에 전기화학적 방식에 의해 원모양으로 대칭하여 변형이 발생한 후 원의 직경변화를 이용하여 측정한다.

직경 변화가 가장 큰 방향이 주변형률이 되고, 직경변화가 가장 작은 방향이 부변형률이 된다.

그런데, 기존 성형한계도 시험 장치는 일반 인장시험처럼 다 축으로 하중을 가해 시편에 변형을 가하는 방식이 아니라 간접 묘사를 위해 홀더(2)에 의해 시편의 끝단을 잡아 고정한 상태에서 펀치(1)를 상승시키는 방식을 사용하고 있기 때문에 다음 세 가지 문제에 의해 시험 정확도가 떨어지는 현상이 발생한다.

첫째로 시편을 직접 인장하는 방식이 아니라 펀치에 상승에 의한 간접 방식이기때문에 딥 드로잉, 1축 신장률, 평면 스트레인, 2축 신장률 모드를 정확히 묘사하기 어렵다.

둘째로 도 7에 도시한 바와 같이 시편(3) 양단부를 고정하고 시편 중앙부를 펀치(1)가 상승하여 변형시키는 방식이기 때문에 변형 초기에 홀더(2)에 의해 고정되는 주변부에 변형이 집중되어 정확한 주변형률 및 부변형률 측정이 어렵다.

셋째로 도 8에 도시한 바와 같 초기 시편(3)을 변형시킬 때 펀치(1)의 원형 헤드부가 시편(3)과 먼저 접촉하여 마찰이 발생한다. 따라서 이론상으로는 펀치가 상승하여 시편을 변형시킬 때 가장 많은 변형이 발생하는 시편 중심부(시험이 종료 된 시편 곡면의 중심부)에서 크랙이 발생해야 하나, 실제로는 펀치와 시편 중심부가 초기부터 접촉하고 주변부위는 펀치의 상승이 종료될 시점에 시편과 접촉함에 따라 중심부와 펀치 사이의 마찰에 의해 중심부는 변형이 억제되어 시편이 고정되는 테두리 부위와 시편 중심 부위 사이 부분에서 가장 많은 변형이 일어나게 되며, 도 9에 도시한 바와 같이 시편이 고정되는 테두리 부위와 시편 중심부 사이에서 크랙이 발생하여 정확한 변형 모드 묘사 및 변형률 측정이 어렵다.

도 1에서 미설명부호 4는 시험기 헤드, 5는 시험기 헤드 홀, 6은 유압장치이다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 종래의 펀치에 의해 시편을 간접적으로 변형시키는 것과 달리, 다축에 의해 시편을 반경방향으로 균일하게 변형시켜 강판 성형한계도 시험에서 정확한 변형 모드 묘사 및 변형률을 측정함으로써 시험의 정확도를 향상시킬 수 있도록 한 판재의 성형한계도 시험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 판재의 성형한계도 시험장치에 있어서,

시편을 균일한 하중 및 변형 속도로 인장시키는 시편인장수단; 상기 시편인장수단이 상하방향으로 이동가능하게 동력을 제공하는 유압실린더; 상기 유압실린더의 내부에 설치되고, 시편인장수단에 의해 인장시 시편의 크랙발생을 감지하는 로드셀; 및 상기 로드셀의 감지신호를 입력받아 유압실린더의 작동을 제어하는 하중제어장치를 포함하고, 상기 시편에 크랙이 발생할 때까지 하중이 증가하다가 로드셀을 통해 시편의 크랙발생을 감지하면 하중제어장치가 유압실린더의 작동을 멈추고, 크랙 발생 주변부의 주변형률과 부변형률을 측정하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 시편인장수단은 로드셀 및 유압실린더에 연결되고, 로드셀과 유압실린더를 통해 하중 및 승하강속도가 제어되는 펀치; 상기 펀치 의 하단부에 원주방향으로 따라 반경방향으로 경사지게 설치되고, 상단부가 힌지핀에 의해 힌지결합된 동력전달링크; 및 상기 동력전달링크의 하단부에 힌지핀에 의해 힌지결합되고, 상기 시편의 가장자리부 상하면을 고정하여 반경방향으로 인장시키는 고정지그를 포함하고, 상기 유압실린더에 의해 펀치가 승하강하고, 상기 펀치의 승하강운동이 동력전달링크를 통해 반경방향의 수평이동으로 변환되며, 상기 고정지그가 시편을 균일한 하중과 변형속도로 변형시키는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 고정지그는 탄성이 강한 연결와이어를 통해 원형으로 연결되고, 상기 펀치가 유압실린더에 의해 승하강 조절될 때 고정지그가 연결와이어의 탄성에 의해 반경방향으로 균일한 하중으로 이동하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시편이 고정지그 사이로 로딩될 때 고정지그의 중심부에 정위치될 수 있도록 시편가이드가 유압실린더의 일측면에 수평방향으로 설치되고, 시편가이드의 안쪽면에는 상기 시편이 수평방향으로 이송되어 밀착될 때 시편의 이동이 멈추도록 가이드홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시편가이드는 시편의 변형시 변형을 방해하지 않도록 연성이 좋은 고분자물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이에 따라 본 발명에 따른 판재의 성형한계도 시험장치에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

1.시편을 여러방향으로 균일한 하중 및 변형으로 인장하는 방식이기 때문에 4가지 변형 모드 즉, 딥 드로잉, 1축 신장률, 평면 스트레인, 2축 신장률 모드를 정확히 묘사할 수 있다.

2. 시편 끝단부에서 여러방향(다축)으로 직접 인장하는 방식이기 때문에 시편 전체가 균일하게 변형되어 정확한 변형률을 측정할 수 있다.

3. 기존 방식에서 발생하던 시편과 펀치 사이의 마찰이 없기 때문에 시편 전체가 정확한 변형 모드 묘사 및 변형률 측정이 가능하다. 그리고 상기 3가지 효과에 의해 시편의 정확한 성형한계도 측정이 가능하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 성형한계도 시험장치를 나타내는 구성도이고, 도 11은 도 10에서 동력전달링크와 고정지그의 결합구조를 나타내는 구성도이고, 도 12 및 도 13은 도 10에서 시편가이드와 시편이송수단을 나타내는 구성도이고, 도 14는 도 13의 평면도이다.

본 발명의 일실시예는 장치의 외부를 감싸는 케이스(10), 케이스(10) 내부에 설치된 유압실린더(11), 로드셀(12), 시편인장수단(13), 시편가이드(20) 및 시편이송선반(18)과, 케이스(10) 외부에 설치된 하중제어장치 및 유압생성장치(19)를 포함한다.

상기 케이스(10)의 중간 일측에는 강판(시편)을 케이스(10) 안쪽으로 공급하기 위한 투입구가 형성되어 있다.

상기 유압실린더(11)는 케이스(10)의 상단부와 하단부에 각각 수직방향으로 설치되어 펀치(14)를 승하강시켜주며, 유압실린더(11)의 안쪽에는 펀치(14)와 연결되도록 로드셀(12)이 설치되어 펀치(14)의 승하강시 하중을 감지한다.

시편인장수단(13)은 펀치(14), 동력전달링크(16), 고정지그(17)를 포함하여 구성되고, 유압실린더(11)로부터 유압을 공급받아 투입구를 통해 케이스(10) 내부로 투입된 강판을 여러방향으로 균일한 하중 및 변형속도로 인장시켜주는 역할을 한다.

펀치(14)는 펀치축(15)이 로드셀(12)과 연결되고 유압실린더(11)로부터 유압을 공급받아 상하방향으로 승하강 하게 되고, 로드셀(12)이 펀치(14)의 하중을 감지하며, 하중제어장치가 로드셀(12)의 감지신호를 입력받아 유압실린더(11)의 작동을 제어하여 펀치(14)의 승하강 속도를 제어하게 된다.

동력전달링크(16)는 상부펀치(14)의 하단부에 원주방향을 따라 반경방향으로 경사지게 설치되고, 동력전달링크(16)의 상단부는 상부펀치(14)의 하단부에 힌지핀(21)에 의해 힌지결합되고, 동력전달링크(16)의 하단부는 고정지그(17)의 상부에 힌지핀(21)에 의해 힌지결합됨으로써, 펀치(14)의 승하강운동이 동력전달링크(16)를 통해 반경방향의 직선 운동으로 변환된다.

고정지그(17)는 동력전달링크(16)에 의해 직선이동 가능하게 지지되고, 탄성력이 있는 연결와이어(22)를 통해 원주방향으로 연결되는 구조로 설치되고, 원형을 유지하면서 펀치축(15)을 중심으로 반경방향으로 이동하게 된다.

여기서, 상기 고정지그(17)는 강판의 상하부에 서로 마주보게 설치되고, 고정지그(17)에 동력을 전달하는 동력전달링크(16), 펀치(14), 로드셀(12) 및 유압실린더(11)가 서로 상하방향으로 대칭되게 설치된다.

하중제어장치는 로드셀(12)로부터 감지신호를 입력받기 위해 로드셀(12)과 전기적으로 연결되어 있고, 유압생성장치(19)는 유압을 생성하여 유압실린더(11)에 전달하기 위해 유압호스 등과 같은 연결수단을 통해 연결되어 있다.

또한, 본 발명은 성형한계도 시험을 위해 시편(24)을 넣기 위한 수단으로 시편 가이드 및 시편이송선반(18)을 제공한다.

상기 시편가이드(20)는 시편투입구의 반대측에 유압실린더(11)에 의해 지지되며 상하방향으로 설치되고, 시편가이드(20)의 내벽면 중간에는 시편(24)이 투입구를 통해 투입될 때 시편(24)의 중간부가 고정지그(17)의 중심부에 정위치시킬 수 있도록 가이드홈(23)이 형성되며, 시편(24)의 원주방향 변형을 방해하지 않도록 연성이 있는 고분자 물질 예를 들어 고무재질로 되어 있다.

상기 시편이송선반(18)의 표면에는 시편이송롤러(26)가 회전가능하게 지지되고, 보조 유압장치(27)가 시편이송롤러(26) 위에 로딩된 시편(24)을 투입구를 통해 이송가능하도록 보조유압장치(27)에 의해 전후진하는 작동로드의 끝단에 시편이송헤드(25)가 부착되어 있다.

이와 같은 구성에 의한 본 발명의 일실시예에 따른 판재의 성형한계도 시험장치의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

도 15는 도 10에서 펀치와 고정지그의 작동상태를 나타내는 상태도이고, 도 16은 시편의 크랙발생의 감지원리를 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 시편이송롤러(26) 위에 시편(24)을 올려놓고, 보조유압장치(27)를 이용하여 시편(24)을 투입구를 통해 이송하며, 시편(24)이 시편이송헤드(25)에 의해 상하부에 원형으로 배열된 고정지그(17) 사이로 이송되면서 시편(24)의 일단부가 가이드홈(23)에 삽입 및 밀착될 때 시편(24)의 이동이 멈춘다. 이때, 시편이송헤드(25)가 원위치로 복귀된 후 시험이 진행된다.

계속해서 유압생성장치(19)에서 발생된 유압이 유압실린더(11)를 통해 펀치(14)에 공급되어, 상하부에 배치된 펀치(14)가 상하방향으로 이동하게 되고, 상부펀치(14)가 하강하고 하부펀치(14)가 상승함에 따라 동력전달링크(16)는 각 고정지그(17)에 반경방향으로 균일한 하중을 전달한다.

이때, 고정지그(17)의 이동방향은 펀치축(15)을 중심으로 서로 다른 방향으로 이동하게 되며, 시편(24)이 고정지그(17)에 의해 고정된 상태에서 균일한 하중을 받아 여러방향으로 변형되게 된다.

여기서, 상기 펀치축(15)이 로드셀(12) 및 유압실린더(11)와 연결되어 펀치(14)의 하중과 승하강 속도가 제어되며, 펀치(14)를 균일한 하중 및 속도로 승하강시킨다.

도 16에 도시한 바와 같이 시편(24)의 변형을 위해 필요한 하중이 계속 증가하나 크랙이 발생하면 하중이 감소하는 원리를 이용하여 시편(24)의 크랙 발생을 감지하며, 이 시점을 로드셀(12)을 통해 감지하고, 하중제어장치가 로드셀(12)로부 터 감지신호를 입력받아 유압실린더(11)를 제어하여 펀치(14)의 승하강을 멈춘다. 이후 크랙 발생 주변부의 주변형률과 부변형률을 측정한다.

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 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 종래의 판재 성형한계도 시험장치를 나타내는 구성도,

도 2는 도 1에서 펀치에 의해 강판이 변형된 모습을 나타내는 상태도,

도 3은 종래의 강판의 크랙발생을 나타내는 이미지,

도 4는 시편의 신장 전후에 따른 주변형률과 부변형률을 나타내는 도면,

도 5는 치수가 다른 여러개의 시편을 나타내는 도면,

도 6은 성형한계도와 성형모드를 나타내는 그래프,

도 7은 종래의 변형집중에 의한 변형부위를 나타내는 도면,

도 8은 종래의 펀치에 의한 강판의 변형 전후모습을 나타내는 상태도,

도 9는 종래의 이론상 크랙 발생 영역과 실제 크랙 발생영역을 나타내는 이미지,

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 성형한계도 시험장치를 나타내는 구성도,

도 11은 도 10에서 동력전달링크와 고정지그의 결합구조를 나타내는 구성도,

도 12 및 도 13은 도 10에서 시편가이드와 시편이송수단을 나타내는 구성도,

도 14는 도 13의 평면도,

도 15는 도 10에서 펀치와 고정지그의 작동상태를 나타내는 상태도,

도 16은 시편의 크랙발생의 감지원리를 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 케이스 11 : 유압실린더

12 : 로드셀 13 : 시편인장수단

14 : 펀치 15 : 펀치축

16 : 동력전달링크 17 : 고정지그

18 : 시편이송선반 19 : 유압생성장치

20 : 시편가이드 21 : 힌지핀

22 : 연결와이어 23 : 가이드홈

24 : 시편 25 : 시편이송헤드

26 : 시편이송롤러 27 : 보조유압장치

Claims (5)

1. 판재의 성형한계도 시험장치에 있어서,

   시편을 균일한 하중 및 변형 속도로 인장시키는 시편인장수단;

   상기 시편인장수단이 상하방향으로 이동가능하게 동력을 제공하는 유압실린더;

   상기 유압실린더의 내부에 설치되고, 시편인장수단에 의해 인장시 시편의 크랙발생을 감지하는 로드셀; 및

   상기 로드셀의 감지신호를 입력받아 유압실린더의 작동을 제어하는 하중제어장치를 포함하고, 상기 시편에 크랙이 발생할 때까지 하중이 증가하다가 로드셀을 통해 시편의 크랙발생을 감지하면 하중제어장치가 유압실린더의 작동을 멈추고, 크랙 발생 주변부의 주변형률과 부변형률을 측정하는 것을 특징으로 하는 판재의 성형한계도 시험장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 시편인장수단은 로드셀 및 유압실린더에 연결되고, 로드셀과 유압실린더를 통해 하중 및 승하강속도가 제어되는 펀치;

   상기 펀치의 하단부에 원주방향으로 따라 반경방향으로 경사지게 설치되고, 상단부가 힌지핀에 의해 힌지결합된 동력전달링크; 및

   상기 동력전달링크의 하단부에 힌지핀에 의해 힌지결합되고, 상기 시편의 가장자리부 상하면을 고정하여 반경방향으로 인장시키는 고정지그를 포함하고, 상기 유압실린더에 의해 펀치가 승하강하고, 상기 펀치의 승하강운동이 동력전달링크를 통해 반경방향의 수평이동으로 변환되며, 상기 고정지그가 시편을 균일한 하중과 변형속도로 변형시키는 것을 특징으로 하는 판재의 성형한계도 시험장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 고정지그는 탄성이 강한 연결와이어를 통해 원형으로 연결되고, 상기 펀치가 유압실린더에 의해 승하강 조절될 때 고정지그가 연결와이어의 탄성에 의해 반경방향으로 균일한 하중으로 이동하는 것을 특징으로 하는 판재의 성형한계도 시험장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 시편이 고정지그 사이로 로딩될 때 고정지그의 중심부에 정위치될 수 있도록 시편가이드가 유압실린더의 일측면에 수평방향으로 설치되고, 시편가이드의 안쪽면에는 상기 시편이 수평방향으로 이송되어 밀착될 때 시편의 이동이 멈추도록 가이드홈이 형성된 것을 특징으로 하는 판재의 성형한계도 시험장치.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 시편가이드는 시편의 변형시 변형을 방해하지 않도록 연성이 좋은 고분자물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 판재의 성형한계도 시험장치.

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