KR20130068292A - 성형한계선도 획득용 시험장치 - Google Patents

성형한계선도 획득용 시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 높은 정확도를 갖는 성형한계선도의 획득이 가능한 성형한계선도 획득용 시험장치를 개시한다.
성형한계선도 획득용 시험장치는, 시편이 안착될 수 있는 고정지그와, 상기 고정지그의 상부에 상하방향으로 이동가능하게 설치되며 상기 고정지그와 함께 상기 시편을 고정하기 위한 이동지그와, 상기 고정지그의 하부에 배치되며 상기 이동지그의 수직방향 운동을 구동하기 위한 구동장치와, 상기 이동지그와 상기 구동장치사이에 마련되며 상기 구동장치의 구동력을 상기 이동지그에 전달하는 연동장치를 포함할 수 있다.

Description

성형한계선도 획득용 시험장치{Tester for obtaining forming limit diagram}
본 발명은 성형소재인 시편의 기본 물성치 중 성형한계선도를 획득할 수 있도록 하는 시험장치에 대한 것이다.
최근 제품의 개발시 제품의 생산시간 단축과 생산품목의 다양화에 대응할 수 있도록 설계 최적화를 위하여 CAE(computer aided manufacturing)를 금형설계에 적용하는 경우가 증가되고 있는 추세이다.
이러한 CAE를 이용한 제품의 생산과정에서의 금형설계는 시 생산이전에 공정결과를 확인, 수정할 수 있고, 특히 설계 변경 시 제품의 개선효과를 수치화 할 수 있다는 장점이 있다.
이와 같이 CAE를 활용하여 제품 설계시 우수한 결과를 얻기 위해서는 성형소재의 물성치 획득이 선행되어야 하며, 일반적으로 프레스 금속판재의 물성치 획득을 위한 기초실험으로는 인장실험, 성형한계선도(FLD, Forming Limit Diagram)실험 및 마찰계수평가 실험이 있다. 이 중 성형한계선도는 판재의 성형한계 여부를 판단할 수 있는 중요한 도구이다. 그러나, 성형한계선도 획득을 위한 전용 시험장치없이 일반적인 프레스 설비에서 성형한계선도 실험을 진행하면 프레스 설비의 특성상 정밀한 스트로크 제거가 어렵기 때문에 실험의 정밀도가 저하될 수 있다
특히, 최근 열간 프레스 성형의 도입이 증가하는 추세에 따라 이에 대응하기 위한 고온 성형한계선도의 획득이 필요한 바, 냉간 성형한계선도 뿐만 아니라 열간 성형한계선도의 획득이 가능한 전용 시험장치를 개발할 필요성이 대두된다.
본 발명의 일 측면에 의하면 높은 정확도를 갖는 성형한계선도의 획득이 가능한 성형한계선도 획득용 시험장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면 냉간 성형한계선도 뿐만 아니라 열간 성형한계선도의 획득이 가능한 성형한계선도 획득용 시험장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 성형한계선도 획득용 시험장치는, 시편이 안착될 수 있는 고정지그와, 상기 고정지그의 상부에 상하방향으로 이동가능하게 설치되며 상기 고정지그와 함께 상기 시편을 고정하기 위한 이동지그와, 상기 고정지그의 하부에 배치되며 상기 이동지그의 수직방향 운동을 구동하기 위한 구동장치와, 상기 이동지그와 상기 구동장치사이에 마련되며 상기 구동장치의 구동력을 상기 이동지그에 전달하는 연동장치를 포함할 수 있다.
상기 연동장치는 상기 구동장치에 의해 구동되는 구동 플레이트와, 상기 구동플레이트와 상기 이동지그사이에 결합되며 병렬로 배치되는 다수의 커넥팅 로드를 포함할 수 있다.
상기 커넥팅 로드가 상기 고정지그를 관통하도록 상기 고정지그에는 관통홀이 마련될 수 있다.
상기 고정지그에는 상기 고정지그의 가열을 위한 히터가 설치될 수 있다.
상기 이동지그에는 상기 이동지그의 가열을 위한 히터가 설치될 수 있다.
상기 이동지그의 상부에 상기 시편을 성형하기 위하여 상하방향으로 이동가능하게 설치되는 펀치를 더 포함할 수 있다.
상기 펀치에는 하방으로 연장형성되는 가이드로드가 마련되고, 상기 이동지그에는 가이드로드의 진퇴운동을 안내하기 위한 가이더가 마련될 수 있다.
상기 이동지그와 상기 고정지그에는 각각 상기 펀치가 관통될 수 있도록 가공홀이 마련될 수 있다.
상기 가공홀의 주위에는 상기 시편의 고정을 위한 고정돌기와, 상기 고정돌기에 대응되는 고정홈이 마련될 수 있다.
상기 펀치의 상부에는 상기 펀치에 의해 상기 시편에 가해지는 하중을 측정하기 위한 로드셀이 설치될 수 있다.
상기 펀치에는 온도조절장치가 설치될 수 있다.
상기 시편의 관찰을 위하여 상기 고정다이의 하부에 배치되는 카메라유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 구동장치는 유압실린더를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 성형한계선도 획득용 시험장치는, 고정지그, 상기 고정지그의 상부에 배치되며 상기 고정지그에 대하여 상하 이동가능하게 마련되는 이동지그, 상기 고정지그와 상기 이동지그의 가열을 위하여 상기 고정지그와 상기 이동지그에 설치되는 히터를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형한계선도 획득용 시험장치의 단면도이다.
도 2는 시편에 대한 고정이 이루어진 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 시편에 대한 성형이 개시된 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 시편의 파단이 발생되어 성형이 종료된 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 성형한계선도 획득용 시험장치의 단면도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 성형한계선도 획득용 시험장치를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 성형한계선도 획득용 시험장치(1)는 시편(S)의 고정을 위한 고정지그(10) 및 이동지그(20)와, 시편(S)을 가압하여 성형하기 위한 펀치(30)와, 이동지그(20)가 상하방향으로 이동되게 구동하기 위한 구동장치(40)와, 이동지그(20)와 구동장치(40)사이를 연결하는 연동장치(50)를 포함한다.
고정지그(10)는 판형으로 형성되며, 중앙부에는 펀치(30)가 시편(S)을 성형할 때 시편(S)과 펀치(30)가 통과될 공간을 형성하는 가공홀(10a)이 형성된다. 고정지그(10)의 내부에는 열간 성형한계선도 획득을 위한 시험시 성형전 고정지그(10)를 미리 예열할 수 있도록 히터(11)가 배치된다. 히터(10)는 봉형상의 카트리지 히터로 구성될 수 있으며, 고정지그(10)에 수평방향으로 설치홀을 형성한 후 이 설치홀에 삽입하는 형태로 설치될 수 있다.
고정지그(10)의 하부에는 고정지그를 지지하기 위한 메인프레임(15)이 마련된다. 메인프레임(15)은 제1베이스(16)와, 제1베이스(16)와 상방으로 이격되게 배치되는 제2베이스(18)와, 제1베이스(16)와 제2베이스(18) 사이에 병렬로 배치되면서 제1베이스와 제2베이스 사이에 작용하는 하중을 분산하여 지지하는 제1지지부재(17)와, 제2베이스(18)와 고정지그(10) 사이에 병렬로 배치되어 제2베이스(18)와 고정지그(10) 사이의 하중을 분산하여 지지하는 제2지지부재(19)를 포함하여 구성된다.
고정지그(10)의 하면에는 고정지그(10)에 내장된 히터(11)에 의한 열이 고정지그(10)의 하방으로 전열되는 것을 방지하기 위하여 방열판(12)이 설치된다.
이동지그(20)는 고정지그(10)의 상부에 배치되며 시편(S)에 대한 성형한계선도 실험전 후 시편(S)의 고정 및 분리가 가능하도록 고정지그(10)에 대하여 상하방향으로 이동가능하게 마련된다.
이동지그(20)에는 고정지그(10)와 마찬가지로 중앙부에는 펀치가 시편(S)을 성형할 때 시편(S)과 펀치(30)가 통과될 공간을 형성하는 가공홀(20a)이 형성되며, 성형한계선도 실험 전 미리 이동지그(20)를 일정온도로 예열할 수 있도록 히터(21)가 내장된다. 이 히터(21)는 카트리지 히터로 구성될 수 있다.
이동지그(20)에는 가공홀(20a) 주위에 시편(S)의 고정을 위한 고정돌기(20b)가 마련될 수 있으며, 고정지그(10)에는 고정돌기(20b)와 이에 의해 시편(S)에서 변형되는 부분이 수용될 수 있는 고정홈(10b)이 가공홀(10a)의 주위에 마련될 수 있다.
도시한 실시예에 따르면, 이동지그(20)에 고정돌기(20b)가 마련되고 고정지그(10)에 고정홈(10b)이 마련되나, 고정돌기(20b)와 고정홈(10b)의 위치가 서로 바뀌어서 고정지그(10)에 돌기가 마련되고 이동지그(20)에 고정홈이 마련될 수도 있다.
이동지그(20)의 상하방향 진퇴운동을 위하여 이동지그(20)의 하부에는 이동지그(20)를 구동하기 위한 구동력을 제공하는 구동장치(40)와, 이동지그(20)와 구동장치(40) 사이를 연결하는 연동장치(50)가 설치된다.
연동장치(50)는 구동장치(40)에 의해 구동되는 구동플레이트(51)와, 구동플레이트(51)와 이동지그(20) 사이에 연결되는 다수의 커넥팅로드(52)를 포함하여 구성된다.
커넥팅로드(42)의 일단은 이동지그(20)의 하부에 결합되며, 타단은 구동플레이트(51)의 상부에 결합된다. 고정지그(10)에는 커넥팅로드(52)가 관통될 수 있도록 관통홀(10c)이 마련되며, 이 관통홀(10c)에 의해 커넥팅로드(52)의 상하방향 직선운동이 안내된다. 커넥팅로드(52)는 복수개로 구성되며, 이동지그(20)와 구동플레이트(51) 사이에 병렬로 배치된다.
구동장치(40)는 유압 발생원인 유압장치(미도시)와 이에 연결되어 동작하는 유압실린더(41)를 포함하여 구성될 수 있으며, 유압실린더(41)는 메인프레임(15)의 제1베이스(16)상에 설치된다. 유압실린더(41)의 피스톤 로드(42)는 제2베이스(18)를 관통하여 구동플레이트(51)의 하부와 결합된다. 따라서, 유압실린더(41)의 피스톤로드(42)와 이동지그(20)가 연동되어 피스톤로드(42)가 진퇴이동하면 연동장치(50)에 의해 이동지그(20)가 진퇴이동된다.
이동지그(20)의 상측에는 시편(S)을 가압하여 성형하기 위한 펀치(30)가 배치된다.
한편, 본 발명에 따른 성형한계선도 획득용 시험장치(1)는 펀치(30)의 스트로크 제어를 위하여 MTS(Material Test System)과 같은 상용화된 범용시험장치에 적용되어 사용될 수 있다.
따라서, MTS의 고정부(M1)가 제1베이스(16)의 하부에 배치되어 제1베이스(16)를 지지하고, MTS의 이동부(M2)가 펀치(30)의 상부에 배치되어 펀치(30)를 상하이동시키도록 구성될 수 있다. MTS의 이동부(M2)와 펀치(30)사이에는 로드셀(31)이 설치되며, 로드셀(31)에 의해 펀치(30)를 통해 시편(S)의 성형이 일어나는 동안 MTS의 이동부(M2)에 의해 펀치에 가해지는 하중을 모니터링할 수 있게 된다.
펀치(30)의 일측에는 펀치(30)의 상하방향 이동의 안내를 위한 가이드 로드(32)가 마련되며, 이동지그(20)에는 가이드 로드(32)의 진퇴운동을 안내하기 위한 가이더(22)가 마련된다.
가이드 로드(32)은 원기둥형상으로 형성될 수 있으며, 가이더(22)에는 가이드 로드(32)가 진퇴이동하는 동안 가이드 로드(32)를 수용하기 위한 가이드홀(22a)이 마련된다.
펀치(30)의 하부는 펀치(30)에 의해 시편(S)이 반구형으로 성형되도록 반구형의 성형부(30a)가 형성되며, 펀치(30)의 온도조절을 위하여 온도조절장치(33)가 설치될 수 있다.
고정지그(10)의 하부에는 성형한계선도 획득을 위하여 시편(S)을 성형할 때 시편(S)의 변형상태를 모니터링 하기 위한 카메라 유닛(60)이 배치된다.
카메라 유닛(60)은 고정지그(10)에 고정되는 설치브라켓(61)을 통해 고정지그(10)의 가공홀(10a) 하부 중앙부에 배치되어, 시편(S)의 파단이 발생하는 시점을 모니터링할 수 있도록 한다.
이하에는 도 1 내지 4를 참조하여 본원발명의 일 실시예에 따른 성형한계선도 획득용 시험장치를 통해 성형한계선도를 획득하는 과정을 살펴본다.
먼저, 시험을 위하여 시편(S)을 준비한다. 시편(S)에는 펀치(30)에 의한 성형 후 성형한계선도 획득을 위한 기초 데이터가 되는 각 부분의 변형률을 산출할 수 있도록 그리드(Grid)를 형성된다. 그리드는 원형 또는 격자형으로 구성될 수 있다. 냉간 압연 시 성형한계선도 획득을 위한 경우 시편(S)에 형성되는 그리드는 실크스크린과 같은 인쇄 매체를 통한 인쇄상으로 형성가능하다. 그러나, 열간 압연시 성형한계선도 획득단계에서는 시편에 대한 가열이 필요한데, 시편에 인쇄된 그리드는 시편의 가열과정에서 연소되면서 소멸될 수 있다. 따라서, 열간 압연의 경우 원형 또는 격자형상을 에칭에 의해 시편(S)에 형성하여 그리드를 구성할 수 있다.
이와 같이 그리드가 형성된 시편(S)은 도 1과 같이 고정지그(10)에 안착된다. 열간 압연시 성형한계선도 획득을 위한 경우라면 시편(S)은 고주파가열코일(C)을 통해 900℃이상으로 가열하는 과정을 거치게 된다. 이때 시편(S)과 두 지그(10,20) 사이의 온도 구배가 최소화되어 시험의 정확도가 향상될 수 있도록 이동지그(20)와 고정지그(10)를 히터(11, 21)를 통해 200℃ 정도로 예열한다. 또한, 펀치(30)의 온도는 온도조절장치(33)를 통해 영하 20℃에서 상온정도가 유지되도록 조절한다.
시편에 대한 가열과정이 끝나면, 도 2와 같이 구동장치(40)가 작동되면서 시편(S)이 고정지그(10)와 이동지그(20)사이에서 완전히 고정될 때까지 이동지그(20)가 하강하게 된다.
이 후에는 도 3과 같이 MTS를 작동시켜 펀치(30)를 하강시켜 시편(S)에 대한 성형을 개시하고, 도 4와 같이 시편(S)에 파단이 발생되는 시점까지 펀치(30)를 하강시키게 된다. 시편(S)에 파단이 발생되는 시점은 카메라 유닛(60)을 통해 인식할 수 있으며, 카메라 유닛(60)을 통해 시편(S)의 파단발생이 발견되면 즉시 MTS에 의한 가압동작을 중지시킨다.
그 다음, 위의 동작의 역순으로 MTS의 이동부(M2)와 펀치(30)를 후퇴시킨 후 이동지그(20)를 상승시켜 시편(S)을 지그(10,20)에서 분리하여 시편(S)에 형성된 그리드의 변형을 해석하여 주변형율과 부변형율에 대한 데이터를 산출하고, 이 변형율 데이터에 근거로 최종적으로 성형한계선도에 대한 획득이 이루어지게 된다.
냉간 압연시 성형한계선도의 획득과정은 위의 과정에서 시편과 지그에 대한 가열과정이 생략될 뿐 나머지는 동일하게 이루어질 수 있다.
도 5에 따르면 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 시험장치를 나타낸 것이다.
본 실시예가 앞선 실시예와 다른 점은 구동장치(40)의 유압실린더(41) 대신 전동모터(43)가 사용된다는 점이다.
즉, 앞선 실시예에서 유압실린더(41)는 전동모터(43)로 대체될 수 있으며, 이 경우 전동모터(43)의 회전수 조절 및 정역회전 가능한 서보 모터로 구성될 수 있다.
또한, 전동모터(43)에서 발생하는 회전운동을 감속하고 작용력을 배력하기 위하여 전동모터(43)와 구동플레이트(51) 사이에는 배력장치(44)가 설치될 수 있다. 여기서 배력장치(44)는 유성기어를 이용한 감속장치로 구성될 수 있다.
본 발명은 상기에 기재된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 수정 및 변형할 수 있다는 점은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
11: 시험장치 10: 고정지그
11 : 히터 20 : 이동지그
21 : 히터 30 : 펀치
31 : 로드셀 40 : 구동장치
41: 유압실린더 50 : 연동장치
60 : 카메라 유닛 S : 시편
C : 고주파유도코일

Claims (14)

  1. 시편이 안착될 수 있는 고정지그;
    상기 고정지그의 상부에 상하방향으로 이동가능하게 설치되며 상기 고정지그와 함께 상기 시편을 고정하기 위한 이동지그;
    상기 고정지그의 하부에 배치되며 상기 이동지그의 수직방향 운동을 구동하기 위한 구동장치;와
    상기 이동지그와 상기 구동장치사이에 마련되며 상기 구동장치의 구동력을 상기 이동지그에 전달하는 연동장치;를 포함하는 성형한계선도 획득용 시험장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연동장치는 상기 구동장치에 의해 구동되는 구동 플레이트와, 상기 구동플레이트와 상기 이동지그사이에 결합되며 병렬로 배치되는 다수의 커넥팅 로드를 포함하는 성형한계선도 획득용 시험장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 커넥팅 로드가 상기 고정지그를 관통하도록 상기 고정지그에는 관통홀이 마련되는 성형한계선도 획득용 시험장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정지그에는 상기 고정지그의 가열을 위한 히터가 설치되는 성형한도선도 획득용 시험장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동지그에는 상기 이동지그의 가열을 위한 히터가 설치되는 성형한도선도 획득용 시험장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동지그의 상부에 상기 시편을 성형하기 위하여 상하방향으로 이동가능하게 설치되는 펀치를 더 포함하는 성형한계선도 획득용 시험장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 펀치에는 하방으로 연장형성되는 가이드로드가 마련되고, 상기 이동지그에는 가이드로드의 진퇴운동을 안내하기 위한 가이더가 마련되는 성형한계선도 획득용 시험장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 이동지그와 상기 고정지그에는 각각 상기 펀치가 관통될 수 있도록 가공홀이 마련되는 성형한계선도 획득용 시험장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가공홀의 주위에는 상기 시편의 고정을 위한 고정돌기와, 상기 고정돌기에 대응되는 고정홈이 마련되는 성형한계선도 획득용 시험장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 펀치의 상부에는 상기 펀치에 의해 상기 시편에 가해지는 하중을 측정하기 위한 측정장치가 설치되는 성형한계선도 획득용 시험장치.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 펀치에는 온도조절장치가 설치되는 성형한계선도 획득용 시험장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 시편의 관찰을 위하여 상기 고정다이의 하부에 배치되는 카메라유닛을 더 포함하는 성형한계선도 획득용 시험장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 구동장치는 유압실린더를 포함하는 성형한계선도 획득용 시험장치.
  14. 고정지그;
    상기 고정지그의 상부에 배치되며 상기 고정지그에 대하여 상하 이동가능하게 마련되는 이동지그;
    상기 고정지그와 상기 이동지그의 가열을 위하여 상기 고정지그와 상기 이동지그에 설치되는 히터;를 포함하는 성형한계선도 획득용 시험장치.
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