박판 성형에서 가변 금형 곡면의 최적화 연구

Abstract

가변금형 성형 기술은 다수의 핀으로 구성된 금형을 이용하여 핀 요소들을 이동시켜 원하는 금형 곡면을 만듦으로써 금형을 대체하는 기술이다. 이 방식은 매번 새로운 금형을 제작하지 않고도 펀치 위치만 조절하여 다양한 곡면의 새로운 금형을 만드는 효과가 있기 때문에 하나의 성형장치로 다양한 형상의 곡면을 신속하게 성형할 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 박판 성형에서 흔히 발생하는 탄성회복으로 인한 성형오차를 제어하고자 가변금형 성형에서 최적의 금형곡면을 예측하고 생성하는 기법에 대해 연구하였다. 이를 위해 우선 목적곡면으로부터 핀을 이용한 금형곡면을 정밀하게 생성할 수 있도록 핀 위치좌표 산출 기법을 적용한 프로그램을 개발하였다. 또한, 탄성회복이 고려된 최적의 가변금형 곡면 생성을 위해 푸리에 변환을 이용한 변형전달함수법을 도입하여 적용할 수 있는 기법을 개발하였다. 이를 먼저 선형탄성-완전소성 변형거동을 보이는 재료에 이론적, 수치적(FEM) 결과에 적용하여 검증하고, 마지막으로 탄성체와 가변금형을 이용한 2차원 및 3차원 형상의 실제 판재성형에 핀 위치좌표 산출 기법과 함께 적용하여 검증하였다. 가변금형을 위한 핀 위치좌표 산출은 공간상에서 핀 머리와 목적곡면 간 Z방향 최소거리를 계산함으로써 결정할 수 있는 새로운 방식을 제시하였다. Open-GL과 C를 이용해 독립적으로 핀 위치좌표 산출이 가능한 프로그램을 개발하였으며, 다양한 곡면에 적용할 수 있도록 상용 CAD인 CATIA V5를 기반으로 한 핀 위차좌표 산출 프로그램도 동시에 개발하였다. 독립적인 프로그램의 속도와 정밀도 면에서 모두 CATIA 기반의 프로그램보다 우수하였다. 푸리에변환을 이용한 변형 전달함수 법을 탄성-완전소성 재료에 이론적, 수치적으로 적용한 결과, 예측된 최종 성형품의 형상은 목적곡면과 1 % 이내의 오차를 나타내었다. 따라서 평면 변형률 상태에 있는 탄성-완전소성 재료에 대해 이론적, 수치적 해석을 통해 금형 곡면을 잘 예측할 수 있었다. 탄성체와 가변금형을 이용한 2차원 및 3차원 판재성형 실험을 통해 각각 ±0.5 mm와 ±1.0 mm 이내의 오차범위를 갖는 결과를 얻었다. 이것으로부터 핀 위치좌표 산출 기법과 변형 전달함수 법 적용으로 가변금형 성형의 금형곡면을 비교적 잘 예측할 수 있음을 알 수 있었다. 즉, 푸리에변환과 변형전달함수법을 이용한 탄성회복 제어법은 컴퓨터 simulation에 의한 성형해석에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 탄성체와 가변금형을 이용한 박판성형에서도 성형소재의 두께나 물성에 관계없이 2차원 곡면과 3차원 곡면의 성형에 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구결과는 탄성체를 이용한 가변금형에서 푸리에변환과 변형전달함수법을 이용하면 금형을 새로 만들지 않고 핀의 위치제어만으로 효율적인 springback 제어가 가능함을 보여준다.; Reconfigurable die forming(RDF) consists of a set of discrete reconfigurable pins which can replace conventional matched die. This thesis is focused on prediction and generation of optimum RDF die surface to control shape error originated by springback. At first, pin position calculation algorithm and software were developed to generate accurate die surface from objective surface. Then, deformation transfer function(DTF) method was adapted to compensate springback in sheet forming. DTF was verified by analytical and numerical springback analysis of elastic-perfectly plastic materials. Finally, pin position calculation and DTF method were applied simultaneously in 2D and 3D shape sheet forming experiments. A novel pin position calculation algorithm was introduced in this thesis based on minimum distance principle. Adapting proposed algorithm, newly developed pin position calculation software showed ±0.5 μm accuracy for 100 pins in 10 sec. DTF method using discrete Fourier transform was combined with computer simulation(FEM) to control springback. It showed 1 % error for prediction of optimum die shape compared with analytically predicted one. From 2D and 3D shape sheet forming experiments, it showed ±0.5 mm and ±1.0 mm shape error distribution, which indicated that RDF die surface was predicted well from pin position calculation and DTF method. In other words, DTF method using Fourier transform not only can be applied to FEM simulation but also can be applied to 2D and 3D elasto-RDF sheet forming, irrespective of material properties and sheet thickness. Accordingly, this thesis shows that effective springback control is possible with pin position adjustment without making new die in elasto-RDF using Fourier transform and DTF method.