KR20220146642A - 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법 - Google Patents

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후미아키 다마시로
사토시 스미카와
마사키 우라베
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 관한 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법은 판 가장자리(3)의 일부에 노치 형상(5)를 갖는 2종류 이상의 판상 시험편(1)에 대해, 노치 바닥(5a)의 인장 변형 과정에 있어서의 왜곡의 인장 직교 방향의 분포를 측정하는 스텝(S1)과, 인장 변형 과정에 있어서의 노치 바닥(5a)의 왜곡 증분비와 인장 직교 방향의 왜곡 구배를 구하는 스텝(S3)과, 인장 변형 과정에 있어서의 왜곡 증분비에 의거하여 노치 바닥(5a)에 네킹이 발생하는 네킹 한계 왜곡을 구하는 스텝(S5)과, 2종류 이상의 판상 시험편(1)에 대해 구한 네킹 한계 왜곡과 그 시점의 왜곡 구배의 관계로부터, 네킹 한계 왜곡을 왜곡 구배의 함수로서 특정하는 스텝(S7)를 포함한다.

Description

금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법
본 발명은 금속판(metal sheet)의 네킹 한계 왜곡(necking limit strain) 특정 방법에 관한 것으로서, 특히, 금속판의 판 가장자리(sheet edge)에 인장 변형(tensile deformation)을 부여하여 네킹(necking)이 발생하는 시점의 왜곡(strain)인 네킹 한계 왜곡과 왜곡 구배(strain gradient)의 관계를 특정하는 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법에 관한 것이다.
프레스 성형품(press forming product)(예를 들면, 자동차용 부품(automotive part)이나 차체 골격(automotive body components))은 금형(tool of press forming)을 이용한 프레스 성형(press forming)에 의해 양산된다. 이러한 프레스 성형에 있어서는 블랭크(blank)(금속판)의 신장 플랜지 성형(stretch flanging)을 수반하는 경우가 많다. 신장 플랜지 성형을 수반하는 프레스 성형은 성형 사양(프레스 성형품과 형상(shape of press forming product)이나 금형 형상(tool shape of press forming) 등)에 따라서는 프레스 성형 도중에 블랭크의 판 가장자리가 파단 한계(fracture limit)에 달해 깨짐(fracture)를 발생시켜 문제로 된다. 그 때문에, 프레스 성형했을 때에 신장 플랜지 성형이 파단 한계에 도달하는지 아닌지를 파단(fracture)이 발생하기 전에 미리 판정(judgement)할 필요가 있다. 그러나, 신장 플랜지 성형에 의한 블랭크의 판 가장자리의 변형 양태(deformation behavior)는 프레스 성형 부품(press formed part)의 부분마다 다르며, 일률적으로 규정할 수 없다. 따라서, 파단 한계를 파단에 이르기 전에 예측함에 있어서, 어떠한 변형 양태에도 적용할 수 있는 통일된 지표가 필요하다.
종래, 신장 플랜지 성형에 있어서의 파단 한계를 예측할 수 있는 지표를 구하는 방법으로서, 예를 들면, 재료 시험(material test)과 유한 요소법(finite element method)에 의한 해석(FEM 해석)을 조합하여 실행하는 방법이 있으며, 그러한 방법으로서, 예를 들면, 특허문헌 1 및 특허문헌 2가 개시되어 있다. 특허문헌 1에 개시되어 있는 방법은 초기 구멍 직경(hole diameter)과 구멍 확대 펀치 형상(shape of hole expanding puncher)을 변경하여 금속 재료의 전단 가장자리(sheared edge)에서의 신장 플랜지 한계 왜곡(stretch flanging limit strain)을 구하는 구멍 확대 시험(hole expansion test)과, 구멍 가장자리(hole edge)의 파단 한계 왜곡(fracture limit strain)(신장 플랜지 한계 왜곡)과 구멍 가장자리로부터의 직경 방향 및 판 두께 방향의 왜곡 구배를 산출하는 FEM 해석을 실행한다. 그리고, 특허문헌 1에 개시되어 있는 방법은 구멍 확대 시험으로부터 구한 신장 플랜지 한계 왜곡과 FEM 해석에 의해 산출한 왜곡 구배의 관계로부터 신장 플랜지 한계 왜곡을 특정하고, 이것을 파단 한계의 지표로 한다.
한편, 특허문헌 2에 개시되어 있는 방법은 판 단부에 곡률이 다른 원호 형상이 형성된 판상 시험편(sheet specimen)의 사이드 밴드 시험(side bending test)을 실행하고, 파단부에 있어서의 파단 왜곡(fracture strain)과 원호 형상 직경 방향 및 접선 방향의 왜곡 구배와 왜곡 집중(strain concentration)의 관계로부터, 신장 플랜지 성형을 실행할 때에 플랜지 단부(flange portion)에 발생하는 파단 왜곡을 특정한다.
특허문헌 1: 일본국 특허공개공보 제2014-115269호 특허문헌 2: 일본국 특허공개공보 제2011-140046호
프레스 성형에 있어서 금속판이 변형을 받으면 소성 변형(plastic deformation)이 진행하지만, 금속판에 있어서의 특정의 판 가장자리에 변형이 집중하면 네킹이 발생하고, 그 후, 네킹이 발생한 부위에 있어서는 조기에 깨짐이 발생한다. 프레스 성형품의 양산 단계에서는 외란에 의한 편차가 있기 때문에, 프레스 트라이시에 네킹이 발생한 경우, 외란에 의한 편차가 원인으로 양산품에 깨짐이 발생할 가능성이 높다. 또, 가령 깨짐이 발생하고 있지 않아도 네킹의 발생은 성형 불량(defect of press forming)으로 판정된다.
전술한 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시된 종래의 프레스 성형 가능 여부 판정 방법은 프레스 성형 과정에 있어서 깨짐이 발생한 시점에 있어서의 왜곡이나 왜곡 구배를 이용하여 예측되는 깨짐 발생의 유무를 지표로 하고, 프레스 성형의 가부를 판정한다. 그러나, 이러한 방법에서는 비록 프레스 성형 과정에 있어서 네킹이 발생하고 있어도 깨짐 발생의 유무를 지표로 해서 프레스 성형 가능으로 판단해 버린다. 이 때문에, 양산 단계에 있어서의 프레스 성형품의 프레스 성형 가부의 판정 기준과는 다르며, 또, 깨짐에 이르기 전의 네킹에 대해 예측할 수 없다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 신장 플랜지 성형을 수반하는 프레스 성형에 있어서 금속판의 판 가장자리에 네킹이 발생했을 때의 네킹 한계 왜곡을 간편하고 또한 정확하게 특정할 수 있는 동시에, 양산시의 깨짐 발생을 사전에 예측할 수 있는 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 관한 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법은 금속판의 판 가장자리에 인장 변형을 부여하여 네킹이 발생하는 네킹 한계 왜곡과 왜곡 구배의 관계를 특정하는 것으로서, 판 가장자리의 일부가 내측을 향해 절결된 노치 형상(notch geometry)을 갖고, 해당 노치 형상의 노치 바닥(notch root)에 인장 변형을 부여했을 때의 인장 방향에 직교하는 인장 직교 방향(tensile orthogonal direction)의 왜곡 구배가 다른 2종류 이상의 판상 시험편에 대해, 상기 노치 바닥의 인장 변형 과정에 있어서의 왜곡의 인장 직교 방향의 분포를 측정하는 왜곡 분포(strain distribution) 측정 스텝과, 상기 판상 시험편의 각각에 대해, 상기 왜곡 분포 측정 스텝에 있어서 측정한 상기 왜곡의 인장 직교 방향의 분포로부터 인장 변형 과정에 있어서의 상기 노치 바닥의 왜곡 증분비(strain increment ratio)와 인장 직교 방향의 왜곡 구배를 구하는 왜곡 증분비·왜곡 구배 취득 스텝과, 상기 판상 시험편의 각각에 대해, 상기 왜곡 증분비·왜곡 구배 취득 스텝에 있어서 구한 인장 변형 과정에 있어서의 상기 왜곡 증분비에 의거하여 상기 노치 바닥에 네킹이 발생하는 시점의 왜곡인 네킹 한계 왜곡을 구하는 네킹 한계 왜곡 취득 스텝과, 상기 판상 시험편의 각각에 대해 구한 네킹 한계 왜곡과, 상기 왜곡 증분비·왜곡 구배 취득 스텝에 있어서 구한 인장 변형 과정에 있어서의 상기 왜곡 구배 중 상기 네킹 한계 왜곡으로 되는 시점의 왜곡 구배와의 관계로부터, 상기 네킹 한계 왜곡을 상기 왜곡 구배의 함수로서 특정하는 네킹 한계 왜곡 특정 스텝을 포함한다.
상기 왜곡 분포 측정 스텝은 상기 판상 시험편에 1축 방향(uniaxial direction)의 인장 하중(tensile load)를 인가하는 것에 의해 상기 노치 바닥에 인장 변형을 부여하면 좋다.
상기 왜곡 분포 측정 스텝은 화상 상관법(Digital Image Correlation method)에 의해 상기 왜곡의 인장 직교 방향의 분포를 측정하면 좋다.
본 발명에 따르면, 신장 플랜지 성형을 수반하는 프레스 성형에 있어서 금속판의 판 가장자리에 네킹이 발생했을 때의 네킹 한계 왜곡을 간편하고 또한 정확하게 특정할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 프레스 성형 시뮬레이션(press forming simulation)에 의해, 신장 플랜지 성형을 수반하는 프레스 성형품의 프레스 성형 과정에 있어서 파단에 이르기 전의 네킹 발생을 정확하게 예측할 수 있어, 양산 단계의 있어서의 외란에 기인하는 상기 프레스 성형품의 파단을 방지하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법에 있어서의 처리의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에서 이용하는 판상 시험편을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에서 이용하는 판상 시험편에 의해 측정하는 왜곡을 설명하는 도면이다((a) 노치 형상의 확대도,(b) 최대 주 왜곡과 최소 주 왜곡).
도 4는 본 발명의 실시형태에 있어서, 네킹 한계 왜곡을 구하는 방법의 일예를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 있어서, 2종류 이상의 판상 시험편에 대해 구한 네킹 한계 왜곡과 왜곡 구배의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 실시형태 및 실시예에서 이용한 노치 형상의 다른 판상 시험편을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에서 이용하는 판상 시험편에 형성되는 노치 형상의 구체예를 설명하는 도면이다.
도 8은 실시예에 있어서, 강종 α에 대해 특정한 네킹 한계 왜곡과 왜곡 구배의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예에 있어서, 강종 β에 대해 특정한 네킹 한계 왜곡과 왜곡 구배의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예에 있어서, 본 발명에 의해 특정된 네킹 한계 왜곡에 의거하여 프레스 성형 가능 여부의 판정 대상으로 한 프레스 성형품을 평면에서 본 도면이다.
도 11은 실시예에 있어서, 본 발명에 의해 특정된 네킹 한계 왜곡과 왜곡 구배의 관계와, 프레스 성형품에 있어서 신장 플랜지 성형을 받은 부위의 네킹 한계 왜곡을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 실시형태에 관한 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법은 도 2에 일예로서 나타내는 바와 같이 인장 변형을 부여하여 금속판의 판상 시험편(1)의 노치 바닥(5a)에 네킹이 발생하는 네킹 한계 왜곡을 특정하는 것이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 관한 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법은 왜곡 분포 측정 스텝 S1과, 왜곡 증분비·왜곡 구배 취득 스텝 S3과, 네킹 한계 왜곡 취득 스텝 S5와, 네킹 한계 왜곡 특정 스텝 S7을 포함한다. 이하, 상기의 각 공정에 대해 설명한다.
<왜곡 분포 측정 스텝>
왜곡 분포 측정 스텝 S1은 도 2에 나타내는 바와 같이, 판 가장자리(3)의 일부가 내측을 향해 절결된 노치 형상(5)을 갖고, 인장 변형을 부여했을 때의 인장 방향(도 2의 y방향)에 직교하는 인장 직교 방향(도 2의 x방향)의 노치 바닥(5a)의 왜곡 구배가 다른 2종류 이상의 판상 시험편(1)의 각각에 대해, 인장 변형을 부여하여 노치 바닥(5a)에 네킹을 발생시키는 인장 변형 과정에 있어서의 왜곡의 인장 직교 방향의 분포를 측정하는 스텝이다.
왜곡 분포 측정 스텝 S1에 있어서는 도 2에 나타내는 노치 바닥(5a)의 왜곡 구배가 다르도록, 판 가장자리(3)의 일부가 내측을 향해 반원 형상으로 절결된 노치 형상(5)을 갖고, 노치 형상(5)의 노치 반경(notch radius) R 및/또는 노치 바닥(5a)에서 반대측의 판 가장자리(3)까지의 거리(리거먼트 길이(ligament length) L)가 다른 2종류 이상의 판상 시험편(1)을 이용한다.
노치 형상(5)의 노치 반경 R 및 리거먼트 길이 L은 인장 변형을 부여하여 노치 바닥(5a)에 생기는 왜곡 구배를 좌우하는 팩터이다. 노치 반경 R 및/또는 리거먼트 길이 L을 변경함으로써, 노치 바닥(5a)에 인장 변형을 부여했을 때의 왜곡 구배가 다르도록 할 수 있다. 구체적으로는 노치 반경 R이 작거나 또는 리거먼트 길이 L이 짧을수록, 왜곡 구배는 커진다.
또한, 판상 시험편(1)에 형성하는 노치 형상(5)의 적합한 치수는 노치 반경 R이 0㎜이상 500㎜이하, 리거먼트 길이 L이 1㎜이상 500㎜이하(판상 시험편(1)의 최대폭 미만)이다. 이들 치수의 상한을 넘는 노치 형상(5)으로 한 경우, 노치 바닥(5a)에 인장 변형을 부여하여 네킹을 발생시키기 위해서는 거대한 인장 시험기(tensile testing machine)가 필요하게 되며, 실용성이 부족하기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 노치 반경 R을 1㎜이상 450㎜이하, 리거먼트 길이 L을 1㎜이상 450㎜이하로 하면 더욱 좋다.
그리고, 본 실시형태에서는 상기와 같이 왜곡 구배가 다르도록 노치 형상(5)이 형성된 2종류 이상의 판상 시험편(1)의 각각에 대해, 판상 시험편(1)의 면내의 1축 방향에 인장 하중을 인가하는 인장 시험기에 의해 노치 바닥(5a)에 인장 변형을 부여한다.
왜곡 분포 측정 스텝 S1에 있어서 취득하는 왜곡은 인장 방향(도 3 중의 y 방향, 긴쪽 방향)의 왜곡인 최대 주 왜곡(maximum principal strain) ε1과, 인장 직교 방향(도 3 중의 x방향, 폭 방향)의 왜곡인 최소 주 왜곡(minimum principal strain) ε2로 한다.
최대 주 왜곡 ε1 및 최소 주 왜곡 ε2의 인장 직교 방향의 분포는 예를 들면, 화상 상관(DIC)법에 의해, 노치 바닥(5a)을 포함하는 범위에 대해 인장 변형 중의 소정의 시간 스텝에서 측정하면 좋다. 화상 상관법에 의해 왜곡 분포를 측정하는 경우, 미리 선 또는 점이 소정 간격으로 표면에 인쇄된 판상 시험편(1)이나, 미세한 요철이 소정 간격으로 표면에 형성된 판상 시험편(1)을 이용하면 좋다. 화상 상관법에 있어서는 노치 형상(5)을 포함하는 판상 시험편(1)의 표면을 촬영하기 위한 카메라를 설치하고, 노치 바닥(5a)에 인장 변형을 부여하고 있는 과정에 있어서의 노치 형상(5)의 변형을 촬상하여 화상 해석하는 것에 의해, 최대 주 왜곡 ε1 및 최소 주 왜곡 ε2 각각의 분포가 얻어진다.
무엇보다도, 왜곡 분포 측정 스텝 S1은 화상 상관법에 의해 왜곡의 분포를 측정하는 것에 한정하는 것은 아니고, 예를 들면, 판상 시험편(1)의 표면에 왜곡 게이지(strain gauge)를 인장 직교 방향을 따라 첩부하는 것에 의해, 노치 바닥(5a)으로부터 인장 직교 방향의 왜곡의 분포를 소정의 시간 스텝에서 측정해도 좋다.
또, 왜곡 분포 측정 스텝 S1에 있어서는 실제의 프레스기(press machine)로 프레스 성형을 실행하는 경우의 왜곡 속도(strain rate)가 0.01/sec에서 1/sec의 범위이기 때문에, 노치 바닥(5a)에 부여하는 인장 변형의 왜곡 속도가 0.01/sec에서 1/sec의 범위로 되도록 설정하는 것이 바람직하다.
<왜곡 증분비·왜곡 구배 취득 스텝>
왜곡 증분비·왜곡 구배 취득 스텝 S3은 2종류 이상의 판상 시험편(1)의 각각에 대해, 왜곡 분포 측정 스텝 S1에 있어서 측정한 왜곡의 분포로부터 인장 변형 과정에 있어서의 노치 바닥(5a)의 왜곡 증분비와 인장 직교 방향의 왜곡 구배를 구하는 스텝이다.
왜곡 증분비 redge는 JIS2254(2008) 등에 규정되는 "소성 왜곡비(plastic strain ratio)"(판 두께 방향 대수 왜곡(logarithmic strain in thickness direction) ε3에 대한 판 폭 방향 대수 왜곡(logarithmic strain in width direction) ε2의 비)를 참조하고, 체적 일정칙(constant volume condition)[판 두께 방향 대수 왜곡 ε3=-(판 긴쪽 방향 왜곡 ε1+ 판 폭 방향 대수 왜곡 ε2)]을 이용하여 이하의 식(1)에 의해 정의하였다.
[식 1]
Figure pct00001
식 (1)에 있어서, dε1 및 dε2는 각각, 판 가장자리(3)의 노치 형상(5)에 있어서의 왜곡 집중부(노치 바닥(5a))에 있어서의 최대 주 왜곡 ε1(판상 시험편(1)의 긴쪽 방향(인장 방향) 대수 왜곡) 및 최소 주 왜곡 ε2(판상 시험편(1)의 폭 방향(인장 직교 방향) 대수 왜곡)의 단위시간 증분을 나타낸다.
한편, 왜곡 구배 dε/dx는 노치 바닥(5a)에 있어서의 최대 주 왜곡 ε1의 인장 직교 방향의 기울기로 정의하고, 왜곡 분포 측정 스텝 S1에 있어서 측정한 왜곡의 인장 직교 방향의 분포로부터 구한다.
왜곡 구배는 예를 들면, 노치 바닥(5a)에 있어서의 왜곡과 노치 바닥(5a)에서 인장 직교 방향으로 소정의 거리(1∼100㎜)에 있어서의 왜곡의 차를 해당 소정의 거리로 나누는 것에 의해 구하면 좋다.
<네킹 한계 왜곡 취득 스텝>
네킹 한계 왜곡 취득 스텝 S5는 2종류 이상의 판상 시험편(1)의 각각에 대해, 왜곡 증분비·왜곡 구배 취득 스텝 S3에 있어서 구한 왜곡 증분비 redge에 의거하여 노치 바닥(5a)에 네킹이 발생하는 시점의 왜곡을 네킹 한계 왜곡으로서 구하는 스텝이다.
왜곡 증분비 redge에 의거하여 네킹 한계 왜곡을 구하는 이유는 이하와 같다. 판상 시험편(1)에 면내 1축 방향(도 2 중의 y방향)의 인장 하중을 부여한 경우, 판 가장자리(3)의 변형은 폭 방향(도 2 중의 x방향)의 구속이 없기 때문에 단축 인장 상태(uniaxial tensile condition)로 된다. 이 때문에, 왜곡 증분비 redge는 판 가장자리(3)에 네킹이 발생하기 이전에는 인장 방향의 r값(r-value)과 일치한다. 즉, 판상 시험편(1)의 판 두께 방향의 대수 왜곡 ε3으로부터, r=ε2/ε3 =-ε2/(ε1+ε2)의 관계가 있으며, (1)식의 redge와 일치한다. 그러나, 네킹 발생 이후에는 노치 바닥(5a)에 발생한 네킹에 인장 변형이 집중하기 때문에, (1)식에 나타내는 최대 주 왜곡 ε1이 더욱 커져 최소 주 왜곡 ε2가 더욱 감소하여 네킹 발생 위치에 있어서의 왜곡 증분비 redge는 r값보다 감소한다.
그래서, 본 발명에서는 이러한 왜곡 증분비에 관한 특징을 이용하고, 인장 변형 과정에 있어서 왜곡 증분비 redge가 인장 방향의 r값으로부터 괴리한 시점에서 노치 바닥(5a)에 네킹이 발생한 것으로 하고, 해당 괴리한 시점에 있어서의 왜곡을 네킹 한계 왜곡으로서 구한다.
그리고, 본 실시형태에서는 도 4에 나타내는 바와 같이, 네킹 발생 이후에 있어서의 왜곡 증분비 redge와 최대 주 왜곡의 관계를 선형 근사하고, 해당 근사 직선과 인장 방향의 r값의 교점에 있어서의 최대 주 왜곡을 네킹 한계 왜곡으로 한다.
또한, 본 발명은 상기의 방법에 한정하는 것은 아니며, 왜곡 증분비 redge와 r값의 괴리를 특정하는 임의의 지표를 이용하는 것이어도 좋다. 예를 들면, 왜곡 증분비 redge와 r값의 비를 지표로 하는 경우, 해당 지표가 소정의 값 이하, 예를 들면 1미만으로 된 시점에 있어서의 최대 주 왜곡을 네킹 한계 왜곡으로 하면 좋다.
<네킹 한계 왜곡 특정 스텝>
네킹 한계 왜곡 특정 스텝 S7은 2종류 이상의 판상 시험편(1)에 대해 구한 네킹 한계 왜곡과, 인장 변형 과정에 있어서 네킹 한계 왜곡으로 되는 시점에 있어서의 왜곡 구배의 관계로부터, 네킹 한계 왜곡을 왜곡 구배의 함수로서 특정하는 스텝이다.
일예로서, 도 6에 나타내는 5종류의 판상 시험편(1)(타입 A∼타입 E)에 대해 구한 네킹 한계 왜곡과, 인장 변형 과정에 있어서 각 판상 시험편(1)의 노치 바닥(5a)이 네킹 한계 왜곡으로 된 시점의 왜곡 구배를 플롯한 그래프를 도 5에 나타낸다.
도 6에 나타내는 판상 시험편(1)은 모두 판 가장자리(3)에 반원 형상의 노치 형상(5)이 형성된 것이며, 노치 바닥(5a)에서 내측을 향하는 인장 직교 방향에 있어서의 왜곡 구배가 다르도록, 노치 형상(5)의 노치 반경 R 및/또는 리거먼트 길이 L을 변경한 것이다.
그리고, 도 5에 나타내는 바와 같이, 2종류 이상의 판상 시험편(1)에 대해 구한 네킹 한계 왜곡(도면 중의 종축)과 왜곡 구배(도면 중의 횡축)의 관계에 의거하여, 네킹 한계 왜곡[Y]를 왜곡 구배[X]의 함수 Y=f(X)로 특정할 수 있다.
또, 도 5에 나타내는 그래프에 있어서, 왜곡 구배[X]의 함수로서 특정된 네킹 한계 왜곡[Y] 이하의 범위(도 5 중의 사선부)는 네킹을 발생시키지 않고 프레스 성형할 수 있는 성형 가능 범위(press formable range)를 나타낸다.
그리고, 예를 들면, 실제로 프레스 성형을 실행하기 전에, 신장 플랜지 성형을 수반하는 프레스 성형품의 유한 요소법에 의한 프레스 성형 시뮬레이션을 실행하고, FEM 해석에 의해 계산된 왜곡 εFEM과 왜곡 구배 dε/dxFEM을 도 5에 나타내는 네킹 한계 왜곡과 왜곡 구배의 선도에 적용함으로써, 네킹을 발생시키지 않고 프레스 성형하는 것이 가능한지의 여부를 판정하는 것이 가능하게 된다.
구체적으로는 FEM 해석에 의해 구해진 왜곡 εFEM과, 해당 왜곡이 얻어진 위치에 있어서의 왜곡 구배 dε/dxFEM을 네킹 한계 왜곡[X]의 평가 함수(evaluation function) f(X)에 대입한 값 f(dε/dxFEM)를 비교한다. 그리고, εFEM <f(dε/dxFEM)이면 네킹이 발생하지 않고 성형 가능, εFEM>f(dε/dxFEM)이면 네킹이 발생하기 때문에 성형 불가로 판정할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 관한 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법에 의하면, 금속판의 판 가장자리에 인장 변형이 부여되어 네킹이 발생하는 네킹 한계 왜곡을, 복수의 전용 공구나 시험장치를 필요로 하지 않고, 간편하고 또한 정확하게 특정할 수 있다.
또, 본 실시형태에 관한 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법에 의하면, 신장 플랜지 성형을 수반하는 프레스 성형품의 프레스 성형 시뮬레이션의 해석 결과에 의거하여, 신장 플랜지 성형을 받는 부위에 있어서의 네킹 발생의 유무를 예측하여 파단에 이르기 전에 대처할 수 있다. 또, 해당 프레스 성형품의 양산 단계에 있어서의 외란의 편차 등에 기인하는 파단을 방지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기의 설명에 있어서, 판상 시험편(1)에 형성된 노치 형상(5)은 도 2에 나타내는 바와 같이 반원 형상의 것이었다. 무엇보다도, 노치 형상(5)에 한정되지 않으며, 예를 들면, 도 7(a)에 나타내는 바와 같은 단축측이 내측에 절결된 가로로 긴 반타원 형상, 도 7(b)에 나타내는 바와 같은 장축측이 내측에 절결된 세로로 긴 반타원 형상, 혹은 도 7(c)에 나타내는 바와 같은 내측에 위치하는 1개 정점이 소정의 노치 반경 R에서 라운드를 갖는 대략 삼각 형상의 것이어도 좋다. 노치 바닥(5a)에 인장 변형을 부여하여 네킹을 발생시킬 수 있으며, 또한, 노치 바닥(5a)에 있어서의 왜곡 구배를 변경할 수 있는 형상이면 좋다.
또, 상기의 설명은 단축 인장 시험기를 이용하여 판상 시험편(1)의 면내 1축 방향에 인장 하중을 인가함으로써, 노치 바닥(5a)에 인장 변형을 부여하는 것이었지만, 인장 변형을 부여하는 방법은 이것에 한정하지 않는다. 노치 바닥(5a)의 임의의 측의 판 가장자리를 노치 바닥(5a)를 사이에 두고 2점 이상에서 지지하고, 노치 바닥(5a)의 반대측의 판 가장자리를 눌러, 판상 시험편(1)의 면내에서 구부림 변형(bending deformation)으로 되는 바와 같은 하중을 인가함으로써 노치 바닥(5a)에 국소적인 인장 변형을 부여하는 것이어도 좋다.
또, 본 발명에 있어서, 판상 시험편은 금속판이면 좋고, 구체예로서는 강판, 알루미늄 합금(aluminum alloy)판, 마그네슘 합금(magnesium alloy)판, 티탄 합금(titanium alloy)판 등을 들 수 있다. 또, 판상 시험편(1)의 재료 강도(material strength)에 대해 제한은 없다.
또한, 판상 시험편의 판 가장자리에 인장 변형을 부여했을 때의 네킹의 발생은 노치 바닥(5a)에 있어서, 피어싱(piercing) 또는 전단(shearing) 등과 같은 판상 시험편 제작시의 가공의 차이에 의한 금속판의 단면 성상의 영향을 받는다. 그 때문에, 본 발명에 있어서는 실제의 프레스 성형품의 프레스 성형에 제공하는 블랭크와 동일하도록 피어싱 또는 전단 등과 같은 가공을 실행하여 노치 바닥(5a)의 단면 성상이 동일하게 되도록 제작한 판상 시험편을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기의 설명은 신장 플랜지 성형을 받아 네킹이 발생하는 네킹 한계 왜곡을 특정하는 것이었지만, 본 발명은 버르 가공(burring)에 있어서 성형되는 구멍 가장자리에 발생하는 네킹의 네킹 한계 왜곡을 특정하는 것을 대상으로 해도 좋다.
실시예
본 발명에 관한 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법의 작용 효과를 확인하기 위한 검증을 실행했으므로, 이하, 이에 대해 설명한다.
[네킹 한계 왜곡의 특정]
실시예에서는 우선, 금속판으로서 인장 강도가 다른 2개의 강판(강종(steel grade) α:판 두께 1.2㎜, 인장 강도(tensile strength) 590MPa급, 강종 β:판 두께 1.2㎜, 인장 강도 1180MPa급)으로 제작한 판상 시험편(1)을 이용하고, 강종 α 및 강종 β 각각에 대해 네킹 한계 왜곡을 특정하였다.
실험에서는 각 강종에 대해 도 6에 나타내는 복수의 판상 시험편(1)을 제작하고(타입 A∼타입 E), 판상 시험편(1)의 노치 바닥(5a)에 네킹을 발생시키는 인장 변형 과정에 있어서의 인장 직교 방향의 왜곡의 분포를 소정의 시간 스텝에서 화상 상관법에 의해 측정하였다.
다음에, 인장 변형 과정에 있어서의 왜곡의 인장 직교 방향의 분포의 측정 결과로부터, 노치 바닥(5a)에 네킹이 발생하는 시점에 있어서의 왜곡 구배와 네킹 한계 왜곡을 구하였다. 표 1에 강종 α로부터 제작한 5종류의 판상 시험편(1)의 각각에 대해 구한 왜곡 구배와 네킹 한계 왜곡의 결과를 나타낸다. 또, 표 2에 강종 β로부터 제작한 3종류의 판상 시험편(1)의 각각에 대해 구한 왜곡 구배와 네킹 한계 왜곡의 결과를 나타낸다. 또한, 표 1 및 표 2에 나타내는 왜곡 구배는 노치 형상(5)의 노치 바닥(5a)에 있어서의 왜곡과, 노치 바닥(5a)에서 내측의 인장 직교 방향에 5㎜의 거리의 위치에 있어서의 왜곡의 차를 그들 거리로 나누는 것에 의해 산출하였다.
[표 1]
Figure pct00002
[표 2]
Figure pct00003
계속해서, 강종 α 및 강종 β의 각각에 대해, 복수의 판상 시험편(1)에 대해 구한 네킹 한계 왜곡과 왜곡 구배의 관계로부터, 네킹 한계 왜곡[Y]를 노치 바닥(5a)에 있어서의 왜곡 구배[X]의 함수 Y=f(X)에 의해 특정하였다. 여기서, 왜곡 구배와 네킹 한계 왜곡의 선형 근사(linear approximation)로부터 네킹 한계 왜곡[Y]를 부여하는 왜곡 구배[X]의 평가 함수는 f(X)=aX+b로 하고, 파라미터 a 및 b의 값을 구하였다.
도 8 및 도 9에, 강종 α 및 강종 β의 각각에 대해 구한 네킹 한계 왜곡과 왜곡 구배의 관계를 플롯하고, 네킹 한계 왜곡과 왜곡 구배의 관계로부터 구한 파라미터 a 및 b를 부여한 평가 함수 f(X)를 기재한 결과를 나타낸다.
본 발명에 의해 특정한 네킹 한계 왜곡 Y와 왜곡 구배 X의 관계를 평가 함수 f(X)=aX+b에 의해 근사하면, 강종 α에서는 Y=2.933X+0.274, 강종 β에서는 Y=4.752X+0.047로 되며, 어느 강종에 대해서도, 왜곡 구배를 이용하여 네킹 한계 왜곡을 특정할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 8 및 도 9는 네킹 한계 왜곡을 특정하는 평가 함수 f(X)를 왜곡 구배의 1차 함수 f(X)=aX+b로 하고, 2종류 이상의 판상 시험편에 대해 구한 네킹 한계 왜곡[Y]와 왜곡 구배[X]의 관계를 선형 근사하여 평가 함수 f(X)=aX+b에 있어서의 파라미터 a 및 b를 결정한 것이었다. 무엇보다도, 본 발명은 네킹 한계 왜곡을 특정하는 평가 함수 f(X)를 상기와 같이 1차 함수 f(X)=aX+b에 한정하는 것은 아니며, 네킹 한계 왜곡을 특정하는 평가 함수 f(X)에는 임의의 함수를 이용할 수 있다.
[프레스 성형 가부의 판정]
다음에, 도 10에 나타내는 프레스 성형품(11)의 신장 플랜지 성형부(동일 도면 중의 부위 P 및 부위 Q)에 대해 본 발명에 의해 네킹 한계 왜곡을 특정하고, 해당 특정한 네킹 한계 왜곡에 의거하여 프레스 성형 가부를 판정하였다. 또한, 실제의 프레스 성형에 있어서, 부위 P는 파단이 발생하고, 부위 Q는 정상적으로 성형할 수 있다.
우선, 금속판(강종 α)을 프레스 성형품(11)에 프레스 성형하는 FEM 해석에 의해, 신장 플랜지 성형을 받는 부위 P 및 부위 Q에 있어서의 최대 주 왜곡과 인장 직교 방향의 왜곡 구배를 취득하였다. 그리고, 해당 취득한 왜곡 구배 X를 전술한 네킹 한계 왜곡의 평가 함수 f(X)=aX+b에 대입하고, 네킹 한계 왜곡 Y=f(X)를 산출하였다.
도 11에, 발명예로서 전술한 강종 α에 대해 특정한 네킹 한계 왜곡의 평가 함수(도면 중의 실선)와, 프레스 성형품(11)의 FEM 해석에 의해 구한 부위 P 및 부위 Q에 있어서, 판 단부로부터 신장 플랜지 오목 최저부를 향하는 판 내부 방향으로의 왜곡 분포로부터, 표 1 및 표 2와 마찬가지로 해서 구한 왜곡 구배와 이에 대응하는 최대 주 왜곡(도면 중의 ◇)의 플롯을 나타낸다.
노치 바닥(5a)으로부터 내측의 인장 직교 방향에 5㎜의 거리의 위치에 있어서의 왜곡의 차를, 그들 거리로 나누는 것에 의해 산출하였다. 또, 표 3에, 부위 P 및 부위 Q에 있어서의 최대 주 왜곡 εFEM과, 노치 바닥(5a)에 있어서의 왜곡과 노치 바닥(5a)에서 내측의 인장 방향에 5㎜의 위치에 있어서의 왜곡의 차를 이용하여 산출한 왜곡 구배 dε/dxFEM과, 왜곡 구배 dε/dxFEM을 부여하여 산출한 네킹 한계 왜곡 f(dε/dxFEM)와, 해당 구한 네킹 한계 왜곡에 의해 프레스 성형 가부를 판정한 결과를 정리해서 나타낸다.
[표 3]
Figure pct00004
도 11 및 표 3에 나타내는 발명예로부터, 부위 P(왜곡 구배 0.0795)에 있어서는 프레스 성형품(11)의 FEM 해석에 의해 구한 최대 주 왜곡(εFEM=0.646)은 네킹 한계 왜곡(f(dε/dxFEM)=0.505)보다 큰 값이었기 때문에, 성형 불가의 판정으로 되었다. 한편, 부위 Q(왜곡 구배 0.0219)에 있어서는 프레스 성형품(11)의 FEM 해석에 의해 구한 최대 주 왜곡(εFEM=0.24)은 네킹 한계 왜곡(f(dε/dxFEM)=0.36)보다 작은 값이었기 때문에, 성형 가능의 판정으로 되었다.
상기와 같이, 본 발명은 신장 플랜지 성형을 받은 부위를 갖는 프레스 성형품에 대해, 왜곡 구배를 이용하여 특정되는 네킹 한계 왜곡에 의거하여, 프레스 성형 가능 여부를 판정할 수 있는 것이 나타났다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명에 의하면, 신장 플랜지 성형을 수반하는 프레스 성형에 있어서 금속판의 판 가장자리에 네킹이 발생했을 때의 네킹 한계 왜곡을 간편하고 또한 정확하게 특정할 수 있는 동시에, 양산시의 깨짐 발생을 사전에 예측할 수 있는 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법을 제공할 수 있다.
1; 판상 시험편 3; 판 가장자리
5; 노치 형상 5a; 노치 바닥
7; 왜곡 집중부 11; 프레스 성형품

Claims (3)

  1. 금속판의 판 가장자리에 인장 변형을 부여하여 네킹이 발생하는 네킹 한계 왜곡과 왜곡 구배의 관계를 특정하는 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법으로서,
    판 가장자리의 일부가 내측을 향해 절결된 노치 형상을 갖고, 해당 노치 형상의 노치 바닥에 인장 변형을 부여했을 때의 인장 방향에 직교하는 인장 직교 방향의 왜곡 구배가 다른 2종류 이상의 판상 시험편에 대해, 상기 노치 바닥의 인장 변형 과정에 있어서의 왜곡의 인장 직교 방향의 분포를 측정하는 왜곡 분포 측정 스텝과,
    상기 판상 시험편의 각각에 대해, 상기 왜곡 분포 측정 스텝에 있어서 측정한 상기 왜곡의 인장 직교 방향의 분포로부터 인장 변형 과정에 있어서의 상기 노치 바닥의 왜곡 증분비와 인장 직교 방향의 왜곡 구배를 구하는 왜곡 증분비·왜곡 구배 취득 스텝과,
    상기 판상 시험편의 각각에 대해, 상기 왜곡 증분비·왜곡 구배 취득 스텝에 있어서 구한 인장 변형 과정에 있어서의 상기 왜곡 증분비에 의거하여 상기 노치 바닥에 네킹이 발생하는 시점의 왜곡인 네킹 한계 왜곡을 구하는 네킹 한계 왜곡 취득 스텝과,
    상기 판상 시험편의 각각에 대해 구한 네킹 한계 왜곡과, 상기 왜곡 증분비·왜곡 구배 취득 스텝에 있어서 구한 인장 변형 과정에 있어서의 상기 왜곡 구배 중 상기 네킹 한계 왜곡으로 되는 시점의 왜곡 구배와의 관계로부터, 상기 네킹 한계 왜곡을 상기 왜곡 구배의 함수로서 특정하는 네킹 한계 왜곡 특정 스텝을 포함하는 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 왜곡 분포 측정 스텝은 상기 판상 시험편에 1축 방향의 인장 하중을 인가하는 것에 의해 상기 노치 바닥에 인장 변형을 부여하는 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 왜곡 분포 측정 스텝은 화상 상관법에 의해 상기 왜곡의 인장 직교 방향의 분포를 측정하는 금속판의 네킹 한계 왜곡 특정 방법.
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