스프링 백이 최소화되는 차량용 U-굽힘 금형설계에 관한 연구

Abstract

The purpose of study is to design improved stamping die to solve Spring back and Spring go, where occur at "U" shape of Vehicle parts during mass production. In modern society, safety is particularly important during the development of the automobile industry. Therefore, high-strength steel with a tensile strength of 590Mpa or more are being used for car body. In the improved stamping dies, Cam was added by referring to structure of the previous design in order to solve Spring back and Spring go that occur when High-strength steel material is bent. By controlling the Cam, it was designed so that the problems of Spring back and Spring go can be corrected in the stamping die. In order to compare product forming, Cam stroke is designed as 3mm, 4mm, 5mm and Compensation angle is applied 1.5 degrees to Lower punch and Upper cam steel to make Spring go when Cam is bottomed at bending area. To verify this, the results for each experiment were derived using Auto form R7, a finite element analysis program. For the research method, DP (Dual Phase) 590, which is a high-strength steel plate, was used as a material, and the radius of the bent part to be formed was divided into R3, R5, R7.5 Accordingly, finite element analysis was performed by applying the material thickness as 3mm To verify whether the Spring back and Spring go can be modified in the stamping die it selt using improved die, Cam designed with 3mm stroke was first tasted through finite element analysis. As a derived using Auto form R7, a finite element analysis program. For the research method, DP (Dual Phase) 590, which is a high-strength steel plate, was used as a material, and the radius of the bent part to be formed was divided into R3, R5, R7.5 Accordingly, finite element analysis was performed by applying the material thickness as 3mm To verify whether the Spring back and Spring go can be modified in the stamping die it selt using improved die, Cam designed with 3mm stroke was first tasted through finite element analysis. As a result, it was confirmed that all problems for Spring back and Spring go can be solved only by Cam stroke control. It is verified that the improved stamping die has no problem through analysis. In case of 4mm and 5mm Cam stroke, controlling the cam stroke could not solve the problem for Spring back and Spring go. As a result of analyzing the problem through finite element *analysis, the biggest cause is the stroke of the Cam. The Cam stroke means a gap between the lower punch and the upper cam steel, which are formed by design. If this gap exceeds 3mm, it was confirmed that there is a problem in formability depending on the size of this gap when bending is primarily applied to the material. A simple solution is to use a cam designed with 3mm stroke that has been verified through analysis. However, in preparation for the need to use the 4mm and 5mm stroke in various situations, a solution was created and an experiment was performed through analysis. The first solution is to change the stroke to the Pad. As a result of performing the finite element analysis by changing the pad stroke, it was confirmed that there was a change in the minute value. This can be applied when meeting a more precise tolerance in a value within tolerance. The second is to test while correcting the compensation angle. Since the initially derived values are very different depending on the compensation translate, the compensation angle was corrected based on the initially derived value so that the value could come within the tolerance. Results in the experiment Both the 4 mm and 5 mm cam stroke tests ended in failure. It was confirmed that the larger the stroke of the cam, the larger the gap between the upper and lower punches, and the size of these gaps caused problems in formability. As a conclusion, if improved stamping die is used with a Cam design with 3mm stroke, even if there is a change in the material, thickness and R value of the bent part, it is believed that the problem of Spring back and Spring go can be solved directly from the stamping die it self. |본 연구에 목적은 차량용 부품들중 U자 형태를 가지고 있으며 특히 금형으로 대량 생산할 때 고질적으로 발생하는 Spring back, 및 Spring go에 대한 문제 해결을 위해 개선된 금형을 설계하는 것에 목적이 있다. 현대 사회에선 자동차 산업에 발전에 있어 특히 안전을 매우 중요시하기 때문에 차체 설계에 인장강도 590MPa 이상의 고장력 강판을 사용하고 있는 추세이다. 개선된 금형에는 고장력 강판 인 소재에 굽힘(Bending)을 가했을 때 발생하는 Spring back 및 Spring go 에 대응하기 위해 이전 설계방식에 구조를 참고하여 캠(Cam)이란 장치를 추가하였으며 이 캠 장치를 제어하여 Spring back 및 Spring go에 대한 문제를 금형 자체에서 수정할 수 있게 설계하였다. 캠 설계는 제품을 성형할때 비교를 하기 위해 캠에 작동거리인 캠 스트로크(Cam stroke)를 각각 3 mm, 4 mm, 5 mm로 설계하였으며 캠을 완전히 Bottom 시켰을때 굽힘 되는 부위가 Spring go 형상이 되게끔 Lower punch 와 Upper cam steel 에 보정각도 1.5도를 적용하였다. 이를 검증하기 위해 유한요소 해석 프로그램인 Auto form R7을 이용하여 각 실험에 대한 결과를 도출하였다. 연구방법은 고장력 강판인 DP (Dual Phas) 590 강판을 재료로 사용하였으며 성형이 이루어지는 굽힘부 곡률 반경을 각각 R3, R5, R7.5 로 나뉘고 소재의 두께를 3 mm 로 적용하였다. 개선된 금형을 이용하여 Spring back 및 Spring go 를 금형 자체에서 수정할 수 있는지에 대해 검증을 위해 먼저 3mm Stroke로 설계한 캠을 유한요소해석을 통하여 실험 하였다. 실험의 결과는 Spring back 및 Spring go 에 대한 모든 문제를 캠 스트로크 제어만으로 해결할 수 있음이 확인되었다. 이는 개선된 금형이 해석을 통하여 문제없음이 검증된 것이다. 다음은 4 mm 및 5mm Stroke로 설계된 캠에 대한 유한 요소 해석 결과이다. 4mm 와 5mm에 경우는 캠 스트로크를 제어하여 Spring back 및 Spring go 에 대한 문제점을 해결하지 못하였다. 문제점에 대해 유한요소 해석을 통한 분석결과 가장 큰 원인은 캠의 스트로크에 있다. 캠에 스트로크는 설계상 성형이 이루어지는 하형 펀치(Lower punch)와 상형 캠 스틸(Upper cam steel) 사이에 틈(Gap)을 말한다. 즉 이 틈새가 3mm이상 넘어가면 1차적으로 소재에 굽힘(Bending)을 가할 때 이 틈새의 크기에 따라 성형성에 문제가 생기는 걸 확인하였다. 해결방법에 대한 간단한 해결책은 바로 해석을 통해 검증된 3mm Stroke로 설계된 캠을 사용하는 것이다. 하지만 여러 상황에 따라 4 mm, 5mm 스트로크를 사용해야할 경우를 대비하여 이를 해결하고자 해결 방안을 만들어 해석을 통한 실험을 수행하였다. 해결방법에 첫 번째는 패드(PAD)에 스트로크(Stroke)를 변경하는 것이다. 패드 스트로크를 변경하여 유한요소 해석을 수행한 결과 미세한 값에 변화가 생기는 걸 확인할 수 있었다 . 이는 공차이내 값에서 보다 정밀한 공차를 맞출 때 적용하였으며 두번째는 보정각도를 수정해가면서 테스트 하는 것이다. 보정각도에 따라 초기에 도출된 값들이 많이 틀리기 때문에 초기에 도출된 값을 기준으로 보정각도를 수정해 가면서 공차이내 값에 들어올 수 있도록 하였다. 실험결과 캠의 스트로크 설계를 4 mm , 5mm 로 하였을 때는 모두 실패로 끝이 났다.이는 캠의 스트로크가 클수록 상, 하형 펀치의 틈새가 커지고 이러한 틈새의 크기가 성형성에 문제를 일으키는 것으로 확인되었다. 마지막으로 3 mm 로 설계된 캠 스트로크를 사용하였을 때 소재의 재질 및 두께 그리고 성형 R에 크기가 변하더라도 spring back 및 go 에 대한 문제점을 개선된 금형에서 수정할 수 있다는 걸 확인할 수 있었다.