KR20190050440A - 벌크 금속소재 성형성 평가방법 - Google Patents

벌크 금속소재 성형성 평가방법 Download PDF

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Abstract

벌크 금속소재 성형성 평가방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법은 높이 방향으로 형성된 노치를 갖고 높이와 내경이 동일하고 외경이 서로 다른 벌크 금속소재의 복수의 시험편을 마련하고, 복수의 시험편을 상부금형과 하부금형을 이용하여 부피성형가공하는 시험을 수행하여 성형한계에서 각 시험편의 노치에 파단을 발생시키고, 각 시험편의 노치가 파단되는 지점의 삼축응력 및 파단 변형률을 각각 도출하고, 도출된 각 시험편별 삼축응력 및 파단변형률을 동일 평면상에 하나의 점으로 각각 도시하고, 도시된 점들을 연결한 곡선을 벌크 금속소재의 성형한계선도로 예측하고, 예측된 성형한계선도를 기준으로 벌크 금속소재의 성형성을 평가한다.

Description

벌크 금속소재 성형성 평가방법{METHOD OF EVALUATING FORMABILITY OF BULK METALLIC MATETERIAL}
본 발명은 벌크 금속소재 성형성 평가방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속벌크소재의 성형성을 평가하는 벌크 금속소재 성형성 평가방법에 관한 것이다.
일반적으로, 금속소재는 판재와 벌크소재로 구분되며, 소성가공방법은 소재의 형상과 크기를 기준으로 부피성형가공(bulk forming)과 판재성형가공(sheet metal forming)으로 분류된다.
부피성형가공은 소재의 부피에 대한 표면적비가 작으며 단면적을 심하게 변화시키는 것을 목적으로 한다. 부피성형가공은 단조, 압연, 압출이 대표적이다. 반면 판재성형가공은 두께에 대한 표면적비가 큰 판재를 소재로 하며 주로 프레스 가공으로 형상을 변화시킨다.
금속소재는 소성가공을 거쳐 원하는 형상으로 변형을 받는데 성형한계에 다다르면 파단이 발생한다. 따라서 소재의 성형한계를 고려하여 소성변형을 유도하는데 일반적으로 판재성형에서는 성형한계선도(Forming Limit Diagram: FLD)를 사용한다. 판재의 성형성은 FLD를 도출함으로써 일반화시킬 수 있는데 ISO 혹은 ASTM 규격의 시험편에 격자무늬를 생성하여 한계돔높이 시험을 수행한다. 파단시점에서의 변형률을 측정하여 부변형률을 가로축, 주변형률을 세로축으로 하는 FLD 평면상에 하나의 점으로 도시하며, 이를 연결한 곡선을 특정 소재의 성형한계선도로 활용한다.
한편, 부피성형에서는 연성파괴이론식을 성형한계로 사용한다. 벌크소재의 파단을 유도하여 파단시점에서의 손상계수를 도출하여 성형한계로 활용한다. 하지만 이러한 방법은 시험편의 형상이 규격화되지 않아 시험편의 형상 및 시험방법에 따라 동일 소재에 대해서 상이한 성형한계가 도출되는 단점이 있다.
또한, 기존의 벌크소재 성형한계 예측 인자인 손상계수는 1차원 상수로 적용성이 떨어진다.
대한민국 등록특허공보 제10-1752678호
본 발명의 실시예는 벌크 금속소재에 대한 부피성형가공시 벌크 금속소재의 성형성을 정확하고 신뢰성 있게 평가할 수 있는 벌크 금속소재 성형성 평가방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 높이 방향으로 형성된 노치를 갖고, 높이와 내경이 동일하고 외경이 서로 다른 벌크 금속소재의 복수의 시험편을 마련하고, 상기 마련된 복수의 시험편을 상부금형과 하부금형을 이용하여 부피성형가공하는 시험을 수행하여 성형한계에서 상기 각 시험편의 노치에 파단을 발생시키고, 상기 각 시험편의 노치가 파단되는 지점의 삼축응력 및 파단 변형률을 각각 도출하고, 상기 도출된 각 시험편별 삼축응력 및 파단변형률을 동일 평면상에 하나의 점으로 각각 도시하고, 상기 도시된 점들을 연결한 곡선을 상기 벌크 금속소재의 성형한계선도로 예측하고, 상기 예측된 성형한계선도를 기준으로 상기 벌크 금속소재의 성형성을 평가하는 벌크 금속소재 성형성 평가방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 노치는 상기 복수의 시험편의 높이방향을 따라 시험편 외주면에 30도의 각도로 V 형상으로 파인 형태일 수 있다.
또한, 상기 상부금형은 복수 개로 마련되고, 상기 복수의 상부금형은 높이와 내경은 동일하고 외경이 서로 다르며 끝단부가 원뿔 형상이고, 상기 하부금형은 평평한 형상일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 높이 방향으로 형성된 노치를 갖고, 높이와 내경이 동일하고 외경이 서로 다른 벌크 금속소재의 복수의 시험편을 마련하고, 상기 마련된 각 시험편을 상부금형과 하부금형을 이용하여 부피성형가공하는 시험을 수행하여 노치가 파단된 각 시험편을 대상으로 성형한계에서 해당 노치가 파단되는 시점에서 상기 상부금형의 파단스트로크에서의 삼축응력 및 파단 변형률을 각각 도출하고, 상기 도출된 각 시험편별 삼축응력 및 파단변형률을 동일 평면상에 하나의 점으로 각각 도시하고, 상기 도시된 점들을 연결한 곡선을 상기 벌크 금속소재의 성형한계선도로 예측하는 벌크 금속소재 성형성 평가방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예는 벌크 금속소재에 대한 부피성형가공시 벌크 금속소재에 대한 성형성을 정확하고 신뢰성 있게 평가할 수 있다.
본 발명의 실시예는 1차원적인 손상계수에 의거한 벌크 금속소재의 성형성 평가법을 넘어서는 금속 벌크 금속소재의 FLD와 유사한 성형한계선을 예측할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에 사용되는 시험편 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에 사용되는 상부 금형을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 시험편을 링 확관하는 시험을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 시험편을 링 확관한 시험결과를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 시험편을 성형성을 평가하기 위한 인자를 도출하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 링 확관 시험에 대한 성형한계를 도출한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 링 압축 시험에 대한 성형한계를 도출한 결과를 나타낸 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 실린더 압축 시험에 대한 성형한계를 도출한 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 벌크 금속소재의 성형한계선도를 나타낸 도면이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 벌크 금속소재의 성형한계선도를 적용한 결과를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에 대한 제어흐름도이다.
이하에서는 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달할 수 있도록 하기 위해 예로서 제공하는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정하지 않고 다른 형태로 구체화할 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장하여 표현할 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
금속판재의 성형성 평가 기준으로 FLD 시험법이 규격화 되어 있는 반면 금속벌크소재의 성형성 평가기준은 연성파괴이론에 근거하고 있으며 규격화되지 않아 사용자 환경에 따라 임의적이며, 특정 변형모드에서만 사용 가능하다. 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법은 이러한 문제점을 해결한다.
본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법은 시험편의 형상, 상부 및 하부 금형, 평가방법, 성형한계 도출방법, 성형한계선도 예측방법을 포함하며, 시험과 유한요소해석을 연계하여 금속판재 성형성 평가법인 FLD와 유사한 성형한계선도를 도출한다. 이러한 구성에 의해 벌크 금속소재의 성형한계선도를 예측할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재의 성형성 평가방법에서 사용된 대상소재는 냉간압조용소재품질인 CHQ(Cold Heading Quality)용 선재(SCM435)이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재의 성형성 평가방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에 사용되는 시험편 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 벌크소재 성형한계 평가시험에 사용되는 시험편(10)의 정면도와 평면도를 통해 시험(10)의 형상을 나타낸다.
시험편(10)의 높이는 15mm, 내경은 5mm로 일정하다.
시험편(10)의 외경(D)은 10mm, 12.5mm, 15mm로 상이하다. 성형한계를 산출하기 위하여 시험편(10)에 파단이 발생해야 하며, 이를 용이하게 하기 위해 시험편(10)의 높이 방향으로 노치(11)를 가공하였다.
노치(11)는 시험편(10)의 높이방향을 따라 시험편 외주면에 30도의 각도로 V 형상으로 파인 형태일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에 사용되는 상부 금형을 설명하기 위한 도면이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 시험편을 링 확관하는 시험을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 시험편(10)은 상부 금형(20)과 하부 금형(21)에 마련된다.
부피성형가공을 위한 시험시 상부 금형(20)과 하부 금형(21)은 시험편(10)을 압축한다. 상부 금형(20)의 끝단부는 원뿔(conical) 형상으로 3가지 타입으로 구분된다.
상부 금형(20)의 높이와 내경은 각각 15mm, 5mm로 동일한다. 외경은 9mm, 12mm, 15mm로 상이하다.
하부금형(21)은 평평한 형상을 가진다.
3가지 타입의 시험편 형상 및 3가지 타입의 상부금형 형상에 따라 총 9가지 타입의 실험 수행이 가능하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 하부금형(21)에 시험편(10)을 위치시키고 상부금형(20)으로 시험편(10)을 가압하여 시험편(10)의 노치(11)에 파단이 발생하도록 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 시험편(10)의 파단이 발생하는 시점은 변위(Punch stroke)-하중(Punch load) 그래프에서 하중이 급격하게 감소하는 시점이다.
시험편(10)의 형상(외경) 및 상부금형(20)의 끝단부 형상(외경)은 소재의 특성에 따라 조정이 가능하다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 시험편을 링 확관한 시험결과를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 외경(D)이 10mm인 시험편(10)의 경우, 3가지 타입의 금형조건에서 모두 파단이 발생하였으며, 외경(D)이 12.5mm인 시험편(10)의 경우 외경(D)이 9mm인 금형조건에서 파단이 발생하지 않았다.
외경(D)이 15mm인 시험편(10)의 경우 원뿔 경사면이 가장 가파른 타입인 외경(D) 15mm 금형 조건에서만 파단이 발생하였다.
각각의 실험에 대하여 재현성 확인을 위하여 3회 반복 진행하였으며, 향후 성형한계 인자 도출을 위하여 파단시점에서의 상부금형 스트로크를 측정하였다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 시험편을 성형성을 평가하기 위한 인자를 도출하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7에는 각각의 시험조건에 대한 성형해석 모델링 및 결과가 나타나 있다.
성형한계를 도출하기 위해서 파단지점의 삼축응력(Triaxiality)과 파단 변형률(effective strain)을 산출해야 한다.
삼축응력은 정수압 응력과 유효응력의 비율로 유한요소해석을 통해서 구할 수 있다.
파단 변형률은 노치부 형상이 협소하여 그리드 마킹을 이용한 측정이 불가능하므로 유한요소해석 결과로부터 확인할 수 있다.
파단이 발생하는 지점의 삼축응력 및 파단 변형률을 트랙킹(tracking)하여 시험으로부터 산출된 파단 스트로크에서의 삼축응력 및 파단 변형률 값을 도출한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 링 확관 시험에 대한 성형한계를 도출한 결과를 나타낸 도면이다.
도 8에는 6가지 실험조건에 대한 성형한계에서의 삼축응력 및 파단 변형률을 하나의 평면에 도시한다.
하지만, 삼축응력 범위가 0.4~0.8까지 국한되어 있어 0.4 이하의 삼축응력 범위에서의 성형한계를 도출하기 위하여 추가적 실험을 진행하였다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 링 압축 시험에 대한 성형한계를 도출한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10에는 외경(D)이 10mm, 12.5mm인 시험편(10)의 압축시험결과가 나타나 있다.
2가지 시험편(10)에 대한 링 압축시험에서 파단 스트로크를 각각 산출 후 유한요소해석을 이용하여 파단 지점의 삼축응력 및 파단 변형률을 도 10의 동일 평면상에 도시하였다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 실린더 압축 시험에 대한 성형한계를 도출한 결과를 나타낸 도면이다.
도 11 및 도 12는 파단이 발생하지 않는 노치가 없고 높이 15mm, 직경 10mm의 일반 실린더 형태를 가진 시험편에 대한 압축시험 결과를 나타낸다.
가장 높은 응력이 발생하는 지점의 삼축응력 및 파단 변형률을 동일 평면에 도시하였으며, 이로부터 삼축응력이 음의 영역에서는 파단이 발생하지 않음을 확인하였다. 이러한 결과로부터 성형한계선도(Bulk FLD) 형상 예측이 가능하다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 벌크 금속소재의 성형한계선도를 나타낸 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 위의 결과로부터 벌크 금속소재의 성형한계선도(Bulk FLD_Region_1, Bulk FLD_Region_2)를 예측할 수 있다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에서 벌크 금속소재의 성형한계선도를 적용한 결과를 나타낸 도면이다.
도 14 내지 도 16은 노치 형상을 가지는 높이 15mm, 직경 10mm의 실린더형 시편의 압축시험에 대한 검증결과를 나타낸다.
높이의 60%까지 시험편을 압축하면 노치부에서 파단이 발생하지 않지만 70%의 압축율에서 파단이 발생한다. 동일 시험조건에서 유한요소해석을 이용하여 성형한계선도((Bulk FLD_1, Bulk FLD_2)에 적용하면 동일한 결과를 얻을 수 있다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 벌크 금속소재 성형성 평가방법에 대한 제어흐름도이다.
도 17을 참조하면, 먼저 높이와 내경은 동일하고 외경이 서로 다르며 노치를 가진 복수의 시험편(10)을 마련한다(100).
상부금형(20)과 하부금형(21)을 이용하여 각 시험편(10)을 부피성형가공하는 시험을 수행하여 성형한계상황에서 각 시험편(10)의 노치(11)에 파단을 유도한다(110).
작동모드 110에서 파단 유도에 의해 각 시험편(10)의 노치가 파단되면, 각 시험편(10)의 노치(11)가 파단되는 지점의 삼축응력 및 파단 변형률을 각각 도출한다(120).
작동모드 120에서 도출된 각 시험편별 삼축응력 및 파단 변형률을 동일 평면상에 하나의 점으로 각각 나타낸다(130).
작동모드 130에서 동일 평면상에 도시된 점들을 연결한 곡선을 벌크 금속소재의 성형한계선도(Bulk FLD_Region_1, Bulk FLD_Region_2)로 예측한다(140).
작동모드 140에서 예측된 성형한계선도(Bulk FLD_Region_1, Bulk FLD_Region_2)를 기준으로 벌크 금속소재의 성형성을 평가한다(150). 이때, 성형한계선도를 이용한 성형성 평가는 금속 판재의 FLD를 이용한 성형성 평가와 동일할 수 있다.
10 : 시험편 20 : 상부 금형
21 : 하부 금형

Claims (4)

  1. 높이 방향으로 형성된 노치를 갖고, 높이와 내경이 동일하고 외경이 서로 다른 벌크 금속소재의 복수의 시험편을 마련하고,
    상기 마련된 복수의 시험편을 상부금형과 하부금형을 이용하여 부피성형가공하는 시험을 수행하여 성형한계에서 상기 각 시험편의 노치에 파단을 발생시키고,
    상기 각 시험편의 노치가 파단되는 지점의 삼축응력 및 파단 변형률을 각각 도출하고,
    상기 도출된 각 시험편별 삼축응력 및 파단변형률을 동일 평면상에 하나의 점으로 각각 도시하고,
    상기 도시된 점들을 연결한 곡선을 상기 벌크 금속소재의 성형한계선도로 예측하고,
    상기 예측된 성형한계선도를 기준으로 상기 벌크 금속소재의 성형성을 평가하는 벌크 금속소재 성형성 평가방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노치는 상기 복수의 시험편의 높이방향을 따라 시험편 외주면에 30도의 각도로 V 형상으로 파인 형태인 벌크 금속소재 성형성 평가방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 상부금형은 복수 개로 마련되고, 상기 복수의 상부금형은 높이와 내경은 동일하고 외경이 서로 다르며 끝단부가 원뿔 형상이고,
    상기 하부금형은 평평한 형상인 벌크 금속소재 성형성 평가방법.
  4. 높이 방향으로 형성된 노치를 갖고, 높이와 내경이 동일하고 외경이 서로 다른 벌크 금속소재의 복수의 시험편을 마련하고,
    상기 마련된 각 시험편을 상부금형과 하부금형을 이용하여 부피성형가공하는 시험을 수행하여 노치가 파단된 각 시험편을 대상으로 성형한계에서 해당 노치가 파단되는 시점에서 상기 상부금형의 파단스트로크에서의 삼축응력 및 파단 변형률을 각각 도출하고,
    상기 도출된 각 시험편별 삼축응력 및 파단변형률을 동일 평면상에 하나의 점으로 각각 도시하고,
    상기 도시된 점들을 연결한 곡선을 상기 벌크 금속소재의 성형한계선도로 예측하는 벌크 금속소재 성형성 평가방법.
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