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공정 묘사가 스프링백 결과에 끼치는 영향력

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최근 몇 년간, 고강도강(HSS)이나 알루미늄과 같은 신소재가 자동차 스탬핑 제품 생산에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이러한 소재들로 이루어진 스탬핑 제품은 일반적으로 딥드로잉의 steel보다 더욱 많이 스프링백의 영향을 받습니다. 스프링백의 보정은 자동차 산업의 큰 도전 과제 입니다. 이러한 어려운 조건 속에서 정확한 스프링백 시뮬레이션 결과를 얻으려면 정확한 공정의 묘사가 필요합니다.

시뮬레이션 셋업과 스프링백의 결과

A-pillar R/F 제품의 스프링백을 분석하였습니다. 제품 지오메트리의 대부분은 ‘딥 드로잉’으로 불리는 첫 번째 공정에서 그 형태가 만들어집니다. 플랜지를 트림하고 홀을 뚫으면, 제품은 거의 최종 형태가 됩니다. 마지막 공정에서, 제품 하단의 플랜지가 약간 들려올려집니다(flanged up). 그림1은 각 공정별 박판의 모양입니다. 왼쪽에서 오른쪽 방향을 따라 차례로 최초의 블랭크, 딥드로잉, 트리밍 및 피어싱, 그리고 플랜지 공정 이후의 최종 제품의 형상을 나타냅니다.

그림1의 공정에 아래와 같이 A와B 두 가지 셋업 방법을 적용할 수 있습니다. 그림2는 이에 대한 스프링백 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. Free springback 분석 이후 나타난 값은 normal direction의 이동을 의미합니다. 이제 왜 이렇게 두 가지의 스프링백 값이 서로 다른지에 대한 의문이 들 것입니다.

성형 공정의 표현

전체 성형공정을 정확히 시뮬레이션 하기 위해서는 드로잉과 후공정, 스프링백이 모두 포함된 것이어야 합니다. 그림3은 최초의 툴 포지션을 보여줍니다. 첫 번째 공정, 드로잉 공정이 더블 커브 바인더의 Single action drawing으로 실행되었습니다. 다양한 지오메트리로 이루어진 분할된 드로비드가 소재 흐름을 컨트롤합니다. A와 B 두 개 시뮬레이션의 드로잉 공정은 모두 동일합니다; 후공정이 서로 다를 뿐입니다.

성형 공정 셋업 A

그림 4의 네 개의 이미지는 드로잉, 트리밍, 플랜징과 스프링백을 보여줍니다. 위에서 설명한 것과 같이 드로잉 셋업 이후 모든 트리밍 및 피어싱의 윤곽선(contour)이 정의되었습니다. 시뮬레이션 중, 피어싱 윤곽(contour) 내부와 트리밍 윤곽(contour) 외부는 간단히 삭제되었습니다. 이것은 매우 일반적인 스탬핑 시뮬레이션의 접근 방식입니다. 플랜징 공정 시뮬레이션에서 원치 않는 제품의 벤딩을 방지하기 위해서 판재를 클램핑 합니다. 평평한 윗부분을 플랫 툴(flat tool)로 고정합니다. 공정의 마지막에, 제품은 모든 툴 및 구속에서 릴리즈되고, 스프링백이 적용됩니다.

성형 공정 셋업 B

그림 5에서 보여지는 시뮬레이션 셋업은 프레스 샵의 공정셋업과 유사합니다. 5개의 이미지는 각각 드로잉, 분할된 트리밍 T30, T40, 플랜징 및 스프링백을 나타냅니다. 전체 공정을 정확하게 보여주는 이러한 시뮬레이션을 Full cycle simulation이라고 합니다. 위에서 설명한 바와 같이 드로잉 셋업 이후, 트림과 피어싱 프로세스가 두 개의 공정으로 나뉩니다. 실제로는 트림된 플랜지가 스크랩으로 넘겨질 수 있도록 트림 공정이 분할 됩니다. 완성품 플랜지가 한 번에 트림되면 자동화 제조 공정 중 스크랩을 제거할 수 없을 것입니다. 트리밍과 피어싱에서 박판 소재의 분리를 위해 커다란 힘이 필요합니다. 따라서, 원치않는 이동 혹은 포밍의 방지를 위해 박판은 강력하게 고정(클램핑)되어야 합니다. 아래 그림5에서 두번째 및 세번째 이미지는 어떻게 패드와 포스트가 제품 지오메트리를 따르는지 보여줍니다. 플랜지 공정에서도 마찬가지로, 의도치 않은 이동이나 성형을 방지하기 위해 파트가 완전히 고정(클램핑)됩니다. 시뮬레이션의 마지막 단계로 모든 툴과 구속조건(constraints)들을 풀고 프리 스프링백을 최종 적용합니다.

성형 공정 셋업의 비교

그림2는 서로 다른 시뮬레이션 셋업 방식으로 인한 스프링백의 차이를 보여줍니다. 셋업 A 와 B 의 주된 다른점은 후공정의 툴 키네마틱입니다. T30 및 T40 트림 공정의 툴 클로징 중에 일어난 일정량의 소성 변형이 결과에 차이가 나는 원인일 수 있습니다. 툴 클로징 중에 소성 변형이 일어났는지 여부를 확인하기 위해, plastic strain rate을 분석하였습니다. 그림6은 T30의 패드와 포스트(하형)의 Closing에서의 plastic strain rate을 보여줍니다. 이것은 중층 레이어에서 뿐만이 아니라 박판의 상하층 레이어에서도 분석됩니다. 중층 레이어를 나타내는 중간 이미지에서는, 거의 보이지 않지만 상하층부 레이어에서는 radii에서 일정부분 plastic strain rate이 나타납니다. 이러한 두께에 의한 변형은 radii에서 약간의 벤딩 변형이 나타남을 알려줍니다. 일반적으로, elastic-plastic 벤딩 변형은 스프링백으로 인해 식별 가능한 기하학상의 편차를 유발합니다. 패드 및 포스트의 클로징으로 인한 경미한 벤딩(slight bending) 변형으로 인해 발생한 스프링백 현상은 공정셋업방식 B에서만 발생합니다. 셋업A에서는, 후공정의 툴 클로징이 시뮬레이션되지 않았습니다. 그 결과, 이러한 스프링백 효과가 결과에 나타나지 않습니다.

결론

요약하면, 신뢰할 수 있는 스프링백 결과를 얻으려면 올바른 공정 조건이 반드시 고려되어야 합니다. 예를 들면, 공정 셋업은 신중을 기하여 계획되어야 하고, 시뮬레이션이 정확하게 묘사되어야 합니다. 정확한 스프링백의 결과는 세심하게 선택된 공정의 탁월한 표현에 달려있습니다. 이것이 큰 영향을 끼치는 조건으로 작용하기 때문입니다.