[ 논문 ] 한국소성가공학회지, 제 25 권제 6 호, 2016 396 Transactions of Materials Processing, Vol.25, No.6, 2016 http://dx.doi.org/10.5228/kstp.2016.25.6.396 국부가열을이용한핫스탬핑공정에서 Tailor Rolled Blank 의스프링백예측 심규호 1 김재홍 1 김병민 # Springback Prediction of Tailor Rolled Blank in Hot Stamping Process by Partial Heating G. H. Shim, J. H. Kim, B. M. Kim (Received September 23, 2016 / Revised October 27, 2016 / Accepted November 4, 2016) Abstract Recently, Multi-strength hot stamping process has been widely used to achieve lightweight and crashworthiness in automotive industry. In concept of multi-strength hot stamping process, process design of tailor rolled blank(trb) in partial heating is difficult because of thickness and temperature variation of blank. In this study, springback prediction of TRB in partial heating process was performed considering its thickness and temperature variation. In partial heating process, TRB was heated up to 900ºC for thicker side and below Ac 3 transformation temperature for thinner side, respectively. Johnson- Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK) equation was applied to calculate austenite fraction according to heating temperature. Calculated austenite fraction was applied to FE-simulation for the prediction of springback. Experiment for partial heating process of TRB was also performed to verify prediction accuracy of FE-simulation coupled with JMAK equation. Key Words : Tailor Rolled Blank(TRB), Hot Stamping, Springback Prediction, Partial Heating Process, FE-simulation, Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK) Equation 1. 서론 최근자동차산업에서는강화된환경규제에따라경량화및충돌성능을확보하기위해핫스탬핑 (hot stamping) 공정이적용되고있다. 핫스탬핑공정은 의분위기온도에서완전오스테나이트화된소재를냉각채널이있는금형으로이송후, 성형과냉각을동시에진행하여초고강도제품을제작하는공정이다 [1]. 핫스탬핑공정에서소재내부의오스테나이트조직은대부분마르텐사이트조직으로변태되어 1.5GPa급의높은인장강도를가진다. 하지만핫스탬핑공정으로제작된초고강도부품은연성이 낮아충격흡수부재로부적합하다. 따라서, 이종강도의확보가가능한핫스탬핑공정에대한연구가활발히진행되고있다 [2]. 최근에는이종강도의구현방법중, Tailor rolled blank(trb) 를이용한국부가열핫스탬핑공정이자동차산업에적용되고있다. 이공정은가변으로소재를압연한 TRB[3] 를사용하기때문에경량화효과를극대화할수있고소재국부가열에따른이종강도의확보가가능하다는장점이있다. 그러나, TRB를이용한소재국부가열공정이소재의두께및온도편차가발생하기때문에공정설계를위한정밀한스프링백예측이필수적이다. 1. 부산대학교기계공학부 # Corresponding Author : School of Mechanical Engineering, Pusan National University, E-mail : bmkim@pusan.ac.kr
국부가열을이용한핫스탬핑공정에서 Tailor Rolled Blank 의스프링백예측 397 High temperature heating part (Thicker part) Low temperature heating part (Thinner part) High strength part Low strength part Transfer Tailor rolled blank Partial heating Hot stamping(forming & Quenching) Part Fig. 1 TRB Hot stamping process by partial heating 일반적인핫스탬핑부품의스프링백예측에는 K- V[4] 모델과이를수정한 A-O 모델 [5] 등이사용된다. 이러한모델은냉각속도에따른상분율을계산하고, 각각의상에대한부피팽창량을고려하여스프링백을예측하게된다. 또한, Lee 등 [6] 은예측정밀도를향상시키기위하여상변태소성모델을사용하여상변태가스프링백에미치는영향에관한연구를하였다. 하지만기존의연구들은주로일반적인핫스탬핑공정에대해수행되고있으며, 이종강도구현을위한핫스탬핑공정에대한연구는부족한실정이다. 따라서본연구에서는 TRB를이용한국부가열핫스탬핑공정에서의스프링백을예측하였다. 국부가열공정에서소재의가열온도에따른오스테나이트분율을예측하는것이중요하다. 오스테나이트의분율예측은 Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK) 식을사용하였고그결과를유한요소해석에적용하였다. 유한요소해석결과를검증하기위해 TRB를이용한국부가열핫스탬핑실험을수행하였으며, 예측및실험결과를비교평가하였다. 2. 스프링백예측 2.1 국부가열 TRB 핫스탬핑공정 국부가열 TRB 핫스탬핑공정을 Fig. 1에도식화하였다. 이공정은 TRB의두께편차에따른경량화효과를기대할수있고, 가열온도제어에따른충돌성능을향상시킬수있다. 국부가열 TRB 핫스탬핑공정에서 TRB는국부적으로온도제어가가능한전기로를이용하여가열된다. 가열된소재는금형으로이송하여성형과냉각을동시에진행하여최종제품을생산하게된다. 하지만, TRB가국부가열되는과정에서저강도부는전체오스테나이트화되지않 기때문에스프링백이크게발생한다. 스프링백을방지하기위해서는정확한예측이필수적이며, 이를위해서는오스테나이트의분율을예측하는것이중요하다. 2.2 오스테나이트분율예측 본연구에서는오스테나이트의분율을예측하기위해서 JMAK 식을이용하였다. JMAK 식은핵생성및성장을모사한경험식으로가열이력에따른오스테나이트의분율을예측할수있으며식 (1)[7] 과같이정의된다. X n E 1 exp A t exp RT c 여기서, n은 Avrami 지수, A는빈도인자, E는상변태에필요한활성화에너지, t는가열시간, R은기체상수 (8.3143J/K mol), T c 는가열온도이다. JMAK 식의상수를확보하기위해서는가열조건에따른오스테나이트분율의측정이요구된다. 본연구에서는오스테나이트의분율을측정하기위해가열된시험편을즉시수냉하여생성된마르텐사이트의분율을오스테나이트분율로판단하였다. 마르텐사이트의분율을측정하기위해 LePera 에칭법을이용하였으며, 에칭된시험편의미세조직은광학현미경 (optical microscope; OM) 을이용하여관찰하였다. 확보된 JMAK 식의상수는 Table 1에나타내었다. Table 1 Material constants for JMAK equation Material constants Values n 0.58 A 2.19 x 10 8 E(J/mol) 202.47 x 10 3 (1)
398 심규호ㆍ김재홍ㆍ김병민 Dilatation [%] 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Fig. 2 Schematic illustration of dilatation according to phase transformation[8] Heating temp. part Fig. 3 FE-model for hat shape 2.3 상변태를고려한스프링백예측 일반적인강을가열및냉각하게되면격자구조 가변하게되며, 이는소재의체적변화에영향을 미치게된다. Fig. 2 에가열및냉각에따른각상의 부피변화를도식적으로나타내었다. 소재의체적 변화는내부의응력에영향을미치며, 이에따라스 프링백의발생량이변화된다. 따라서, 핫스탬핑공 정의유한요소해석시에상변태및부피변화를고 려하는것이중요하다. Austenite to Martensite Austenite to Banite Austenite to Ferrite / Pearlite Heating 0 200 400 600 800 1000 Temperature [ o C] 20 mm/s Heating temp. part Punch 48000 N Cooling Holder TRB Blank 상변태를고려한스프링백예측은상용해석프로 그램인 LS-Dyna(R7.1.2) 를사용하였다. 상변태가발 생하지않는저강도부의경우, 재료모델로 MAT_106 을사용하여온도및변형률속도에따른응력변화 를고려하였다. 또한, 상변태가발생하는고강도부 의경우, MAT_248 을사용하여온도및변형률속도 의영향뿐만아니라각상에대한물성, 그리고상 Die True stress [MPa] 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Fig. 4 High temperature true stress-true strain curve 변태에따른영향까지유한요소해석에고려하였다. 3. 유한요소해석및실험조건 3.1 유한요소해석조건 스프링백예측을위한유한요소해석모델로모자 형상을적용하였고, 이를 Fig. 3 에나타내었다. 소재 가열온도는 TRB 의 부분을, 부분을 로설정하였다. 또한, 천이영역은길이방향으 로 20mm 를 1.4t 의두께로구성하였으며가열온도 는 800 로적용하였다. 금형은펀치, 다이, 홀더로 구성하였으며, 각금형에 TRB 의두께편차를고려하 여 0.15mm 의단차를부여하였다. 공정순서는실제핫스탬핑공정을고려하여가 열, 이송, 성형, 냉각, 스프링백에대해유한요소해석 을순차적으로수행하였다. 저강도부및오스테나이 트상의물성은 Fig. 4 와같이변형률속도및가열온 도에따른변형률 - 응력곡선을적용하였다. 또한, 오 스테나이트이외의상에대한물성은 Hippchen 등 [9] 의연구를참고하여적용하였다. 소재와대기의열 전달을고려하기위한대류열전달계수는 20W/m 2 K 을적용하였고금형과소재의열전달을고려하기 위한계면열절달계수는접촉압력에대한함수로입 력하였다. 이와같은유한요소해석조건은 Table 2 에 요약하여나타내었다. 3.2 실험조건 True strain [mm/mm] 700 600 C, 0.1/s 700 600 C, 1/s 700 500 C, 0.1/s 700 500 C, 1/s 900 750 C, 0.1/s 900 750 C,1/s 900 650 C, 0.1/s 900 650 C, 1/s 해석결과의검증을위해국부가열 TRB 핫스탬핑 실험을수행하였다. 실험장치는성형을위한금형
국부가열을이용한핫스탬핑공정에서 Tailor Rolled Blank 의스프링백예측 399 Table 2 Conditions of FE-simulation Condition Values Material model MAT_106 MAT_248 Blank size [mm] 300 x 260 Thickness [mm] TRB 1.3 1.6 Blank temperature [ ] 700 900 Poisson s ratio 0.3 Convective heat transfer coefficient [W/m 2 K] Interfacial heat transfer coefficient [W/m 2 K] 20 As function of pressure[10] Friction coefficient [µ] 0.4 [11] Process time [sec] TRB Hot stamping tool set Transfer 6 Forming 5 Quenching 10 Springback 1 Cooling system Temperature [ o C] θ 3 θ 2 θ 1 Low strength part Heating ( ) θ 4 θ 1 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 160 mm 140 mm TRB Line θ 3 High strength part Heating ( ) Fig. 6 Measuring point of spring-back θ 2 Fig. 7 Comparison of temperature history between FEsimulation and experiment θ 3 θ 2 θ 4 θ 1 θ 4 0 0 5 10 15 20 25 Cooling time [sec] 900 C - FE-simulation 900 C - Experiment 700 C - FE-simulation 700 C - Experiment Furnace V punch:20mm/s Data logger 각형상이며, 고온영역은, 저온영역은 로 6분간가열하였다. 가열된 TRB는 6초이내에수동으로이송되었고, 프레스및금형에의해성형되었다. 성형이완료된 TRB는냉각채널이설치된금형에의해충분히냉각되도록하였다. Δh:0.15mm Cooling channel Thinner Thicker Fig. 5 Experiment setup for TRB hot stamping using partially heating 및 200톤유압프레스로구성되어있고이를 Fig. 5에나타냈다. 소재는국부가열이가능한전기로를활용하여가열하였으며소재의온도측정을위해 K-type 열전대와데이터로거를사용하였다. 실험에사용된 TRB는폭 260mm, 길이 300mm, 두께, 의사 3.3 스프링백측정 성형이완료된시편은 3차원스캐너를이용하여형상을측정하였으며, 정량적인스프링백의비교를위해 NUMISHEET 93 벤치마크문제에서정의한스프링백인자를이용하였다. 국부가열 TRB 핫스탬핑공정을이용하여제작된제품의경우, 고강도부, 저강도부, 천이부의스프링백발생량이다르게나타난다. 따라서 Fig. 6에나타낸각부분에대해정량적평가를진행하였다. 4. 유한요소해석및실험결과비교 4.1 온도이력측정결과
400 심규호ㆍ김재홍ㆍ김병민 S Springback p r i n g angle b a [º] c [ ] k a n g l e 100 99 98 97 96 95 94 93 92 91 90 0 0 Target angle 95º F E FE-simulation - s i m u l a t i o n E x pexperiment e r i m e n t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 θ 1 θ 2 θ 3 θ 4 M e s u r i n g p o i n t Measuring point Fig. 8 Comparison of amount of spring-back between FE-simulation and experiment 유한요소해석의예측정밀도를간접적으로평가하기위해서고강도부와저강도부의온도이력을비교하였으며그결과를 Fig. 7에나타내었다. 온도이력의비교시, 해석및실험결과는유사하게나타났지만측정된온도가해석결과보다근소하게높은것을확인할수있다. 이는유한요소해석시, 금형이소재에의해가열되는현상을고려하지않았기때문으로예상된다. 4.2 스프링백측정결과 본연구에서제시한국부가열 TRB 핫스탬핑공정의유한요소해석기법의검증을위해해석및실험결과로부터측정된스프링백양을비교하였다. Fig. 8 과같이오스테나이트분율및상변태를고려한유한요소해석은실험결과와최대오차 0.7 로우수한신뢰성을가지는것으로나타났다. 따라서, Ac 3 온도이하로소재를가열하는공정의유한요소해석시에가열조건에따른오스테나이트분율을예측하고이를스프링백예측에반영하는것이중요할것으로판단된다. 5. 결론 본연구에서는 TRB 국부가열핫스탬핑공정에서가열조건에따른오스테나이트분율을예측하였고이에따른스프링백을예측하여다음과같은결론을도출하였다. (1) 국부가열 TRB 핫스탬핑공정에서가열조건 에따른오스테나이트분율을예측하기위해 JMAK 식을이용하였으며, 이를위한재료상수를도출하였다. (2) 국부가열 TRB 핫스탬핑공정에서가열및냉각에따른상변태와각상에대한물성을고려하여스프링백을예측하였다. (3) 오스테나이트분율및상변태를고려한유한요소해석은실험결과와최대오차 0.7 로우수한예측정밀도를나타내었다. (4) Ac 3 온도이하로소재를가열하는공정에서가열조건에따른오스테나이트분율및상변태등을고려하여야유한요소해석의정확도를향상시킬수있을것으로판단된다. 후기 이논문은 2012 년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임 (No. 2012R1A5A1048294). REFERENCES [1] S. Y. Lee, K. Lee, Y. H. Lim, W. C. Jeong, 2013, Study on Heat Transfer Characteristic in Hot Press Forming Process, Mater. Process, Vol. 22, No. 2, pp. 101~107. [2] M. Merklein, M. Johannes, M. Lechner, A. Kuppert, 2014, A Review on Tailored Blanks-Production,
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