1.5GPa급 초고강도강판 성형용 프레스 금형구조해석 및 설계 가이드라인 :Design Guideline with the Structural Analysis of the Press Die for Stamping an Auto-part with Ultra High Strength Steel of 1.5GPa UTS-grade

강경훈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 강경훈 (대구대학교, 대구대학교 대학원)

지도교수: 김세호

발행연도: 2015

저작권: 대구대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수8

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2017

형상최적화 기법을 이용한 초고강도강판 성형용 프레스 금형의 구조설계 가이드라인

강경훈 , 곽정환 , 배상범 외 1명 소성·가공 2017.12 학술저널

2015

1.5GPa급 초고강도강 냉간성형 금형의 구조해석기법 개발

강경훈 , 이정흠 , 김세호 외 3명 한국소성가공학회 학술대회 논문집 2015.10 학술대회자료

1.5GPa급 초고강도강판 성형용 프레스 금형구조해석 및 설계 가이드라인

강경훈 학위논문(석사)-- 대구대학교 기계공학과 2015.01 학위논문

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차체부품에 초고강도강의 적용이 증가함에 따라 소재의 인장강도 증가에 의한 성형 시 하중이 크게 증가하여 금형변형 등의 문제가 발생하게 된다. 일반강 성형 시 발생하지 않았던 금형의 내구수명 문제와 금형의 탄성변형에 의한 형합불량과 성형 시 제품의 치수 정밀도 저하의 문제가 발생하게 된다. 따라서, 시험성형 시 시행착오법을 통해 금형보정을 추가적으로 실시하여 수정해야 하며 이와 같은 문제가 제작과정에서의 금형가공비 증가 및 금형 납품가의 상승 원인이 되고 있다. 특히 1.5GPa급 초고강도강판의 냉간성형 시 금형변형 등의 현상이 일반강 및 고강도강에 비하여 매우 클 것으로 예상되어 이에 대한 사전 대응이 요구된다.
본 논문에서는 1.5GPa급 초고강도강판을 소재로 적용하여 성형되는 차체부품의 금형구조 안전성을 예측하기 위해 성형공정 해석 및 금형구조해석을 연계하는 방안을 제안하며, 제안된 기법을 이용하여 금형의 구조평가를 수행하였다. 이를 위하여 폼타입 성형공정의 유한요소모델을 구성하고 성형해석을 실시하여 변형형상 및 접촉하중을 도출하였다. 3차원 모델을 이용하여 현업에 적용 가능한 금형구조부 유한요소 모델링을 수행하였다. 성형해석에서 금형과 블랭크 사이의 반력을 도출하고 이를 금형구조 모델의 하중 경계조건으로 활용하여 금형구조해석의 기본 데이터로 활용하였다. 기준모델의 금형구조해석 결과에서 도출된 응력 및 변형량에 대한 금형의 안전성을 기초 분석하였다. 과도한 변형이 발생하는 금형에 대하여 각 부품들이 변형량에 미치는 기여도를 정량적으로 분석하였다. 더불어 금형구조해석 결과를 바탕으로 금형의 상하형 형합을 실시하고 접촉상태를 확인하였다. 금형구조 설계 최적화와 주요 공정변수 설계를 통하여 효과적인 기초 구조안을 도출하였으며, 해당 모델을 활용하여 리브 두께 및 코어구조 등 주요 보강안 설계연구를 실시하였다. 기본적인 금형구조 초기 설계안을 도출하는 방안을 제안하여 도출된 설계안으로 검증을 실시하였다. 금형의 변형에 영향을 주는 주요 리브두께의 최적화를 실험계획법을 이용하여 실시하였다.

As ultra-high strength steels(UHSS) are increasingly used to the auto-body part, the forming process suffers troubles such as the die deformation due to the remarkable increase of the forming load. The excessive die deformation causes the problems of the reduced fatigue life of the die, troubles in die spotting and the declined shape accuracy. Therefore, the it is required additional cost and time due to the unnecessary die modification and compensation procedure usually done with the trial-and-error method by an expert in the press shop. Such a unfavorable die deformation must be dealt with adequately before the process design stage especially in the cold stamping process of UHSS having UTS up to 1.5GPa.
In this paper, the coupling scheme of forming and structural analyses is proposed to predict the safety of the die structure for the auto-body member with UHSS having the UTS of 1.5GPa. The finite element stamping analysis provides the contact force distribution between the tools and the blank, which is used as the load boundary condition of the structural analysis. The die structure is descretized with the three-dimensional solid elements and the detailed boundary conditions are applied to simulate the assembling each die part. From the analysis results of the die structure, the structural safety of the die is evaluated with information such as displacement and the von-Mises stress. The contributing effect of each die part on the overall tool deformation is quantitatively compared and it is concluded that the casting part can be designed in order to reduce the tool deformation. Also, the analysis result confirms the poor die spotting phenomena near the bottom dead center.
The design guideline of the die structure is proposed especially for the rib structure in the casting part with the optimization scheme and the local reinforcement concept. The topology optimization is carried out to reduce the deformation amount with the effective increase of the die mass. Also, the contributing effect of the rib structure is investigated and the optimum rib thickness with the reasonable mass increase using the Taguchi method and the response surface method.
The results in this paper fully explains that the proposed design guideline can be effectively utilized to the design of the die structure for stamping auto-parts with the ultra high strength steel.

#1.5GPa #초고강도강(UHSS) #금형구조해석

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구 개요 1
2. 문헌 조사 5
3. 연구목적 및 범위 7
Ⅱ. 1.5GPa급 초고강도강 성형용 프레스 성형공정 해석 8
1. 대상 제품 8
2. 성형공정 해석 조건 11
3. 성형공정 해석 결과 16
4. 성형하중 도출 21
Ⅲ. 1.5GPa급 초고강도강 성형용 프레스 금형구조해석 24
1. 금형구조해석 과정 24
2. 금형구조의 유한요소 모델링 26
3. 경계조건 부과 29
4. 금형구조해석 결과 33
1) 기준모델 결과 분석 33
2) 금형구조 변형 기여도 분석 39
3) 형합상태 분석 42
Ⅳ. 금형구조 설계를 위한 공정변수 연구 44
1. 기준모델 금형구조 검토 44
2. 금형구조 설계 최적화 47
1) 리브구조 위상 최적화 47
2) 리브구조 설계안 검증 50
3) 리브구조 설계안 해석 결과 52
3. 리브구조 설계 보강안 58
1) 리브구조 보강안 개요 58
2) 리브구조 보강안 해석 결과 61
4. 금형구조 설계 가이드라인 도출 67
Ⅴ. 최적화 모델 설계변수 연구 70
1. 실험계획법 개요 70
2. 인자 및 반응 선정 73
3. 분산분석 및 반응표면분석 77
4. 결과분석 및 최적값 도출 79
Ⅵ. 결론 및 향후 계획 82
1. 결론 82
2. 향후 계획 84
참고문헌 85
영문 요약 88

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