프레스 금형 11

제11장 판재의 이방성

1. 개요

금속 박판재는 생산과정에서 압연과 풀림의 반복에 의해 내부 조직이 결정학적으로 방향성을 가지고 배열되는데 이를 판재의 이방성(Anisotropy)이라고 하며 기계적 성질과 더불어 고부가가치 고성형성 판재의 생산공정설계상 이방성을 고려하는 것은 매우 중요함.

2. 판재의 성형성

(1) 판재

판재는 가격이 싸고 강도와 성형성이 우수한 저탄소강을 주로 사용하고 있음.

주로 자동차의 경량화와 함께 우수한 충돌 안전성을 제공하기 때문에 자동차용 판넬 , 음료수 캔, 포장재, 주방기구, 내식성이 요구되는 부품 제작 등에 널리 쓰임.

(2) 판재 성형의 특징

판재는 주로 프레스 가공을 이용하여 제품을 성형함.

주조나 단조에 비해 제품의 무게가 가볍고 자유도가 높음.

(3) 판재의 성형성

판재가 얼마나 변할 수 있는지 또는 판재가 찢어지는 정도, 주름, 네킹과 같은 결함없이 원하는 형상으로 성형할 수 있는  능력을 말함.

판재는 제품의 형상에 따라 신장과 드로잉 두가지의 기본적인 형태로 변형이 됨.

판재의 성형성을 평가하는 방법으로는 컵성형성 시험과 성형한계선도가 있음.

3. 컵성형성 시험

판재의 성형성을 평가하기 위해 가장 먼저 개발된 시험법으로 에릭센 시험이라고도 함.

시편을 두개의 원형 평 다이 사이에 체결하고 강구나 둥근 펀치를 시편에 밀어 넣어 균열이 발생할 때까지의 펀치 깊이로 성형성을 평가함.

깊이만으로 평가하기  때문에 복잡한 형상의 제품에 대해서는 신뢰성이 현저히 떨어짐.

4. 성형한계선도(FLD)

(1) 개요

판재의 성형성을 평가하는 중요한 방법으로써 성형 시 파단, 주름 등과 같은 성형불량을 예측할 수 있음.

화학적 혹은 전기적인 에칭을 사용하여 원형격자를 인쇄한 시편을 반구형 펀치로 눌러서 네킹이나 찢어짐이 발생할 때 까지 신장시키고 파단이 발생한 부분에 원의 변형을 관찰하여 측정한 후 선도를 작성함.

(2) 측정방법

판재의 표면에 작용하는 주변형률과 부변형률의 변화를 측정하기 위해서 그리드 (Grid Method)법을 주로 사용함.

판재의 한 면에 원형의 그리드를 마킹하여 변형시키면 그 원은 타원이 됨.

이때 타원의 장축과 단축의 길이와 방향을 측정하면 주변형률과 부변형률의 크기, 방향을 구할 수 있음.

원형 그리드의 크기가 너무 크면 국부적인 변형을 나타내기 어렵고 너무 작으면 측정오차가 커지므로 제품의 크기와 모양에 따라 적절한 크기의 그리드를 선택하는 것이 중요함.

(3) 성형한계선도(FLD)

1) 개요

주로 원형 그리드가 마킹이 된 판재를 링 형상의 다이로 완전히 고정한 상태에서 반구형 펀치로 파단이 일어날 때까지 눌러서 파단부 주위에 변형된 원의 장축과 단축의 길이를 측정하여 얻어짐.

판재 표면의 주변형률과 부변형률의 비를 변화시켜서 파단이 일어나는 한계시점에서 주변형률과 부변형률을 평면상에 도시한 것.

블랭크의 형상, 블랭크 홀더의 압력 등을 조절하여 파단부 주변의 주변형률과 부변형률의 비를 변화시킬 수 있음.

성형한계도는 성형 난이도의 평가 기준이 됨.

주변형률은 장축방향으로의 공칭변형률이고 항상 양(+)의 값을 가짐.

타원의 단축은 주변형률에 수직한 방향으로 수축 또는 신장하는 부변형률의 방향과 크기를 나타냄.

부변형률은 항상 늘어나지 않기 때문에 양(+)이나 음(-)의 값을 가짐.

성형한계선도의 곡선은 파손영역과 안전영역의 경계를 나타내는 것으로 곡선의 위치가 높을수록 재료의 성형성이 더 우수하고 재료의 종류와 냉간가공이나 열처리같이 조건이 달라지면 성형한계도도 달라짐.

성형한계선도에서 부변형률이 음(-)의 값(압축)을 가질 경우 동일한 크기의 양(+)의 값(인장)을 갖는 경우보다 성형성이 좋고 판재의 두께가 증가할수록 성형한계선도 곡선이 위로 올라감.

펀치와 판재사이의 윤활 상태가 좋으면 펀치면에서의 판재의 변형률은 균일하게 분포됨.

긁힘, 홈, 흠집과 같은 재료 표면의 결함은 성형성을 감소시켜 조기 파단을 일으키는 원인이 됨.

2) 성형한계선도의 한계 변형률의 영향을 주는 인자

초기 원형 그리드의 크기.

시편의 채취 방향.

판재의 두께.

변형률 속도.

온도조건.

윤활조건.

3) LDH(Limiting Dome Height)

성형한계선도에서 가장 낮은 점(부변형률이 0이 되는 지점) 부근에서 파단이 일어날 때까지의 펀치가 진행한 거리.

5. 등방성 소재와 이방성 소재의 인장실험

(1) 등방성 소재의 인장실험

인장 변형률 대비 폭방향 변형률이 1/2로 동일함.

Ey=Ez=vEx

(2) 이방성 소재의 인장실험

두께방향의 변형률 Et에 대한 폭방향 변형률 Ew의 비.

R=Ew/Et(이방성의 척도)

등방성 소재의 경우

R=1(Et=Ew)

R값이 1보다 클 경우(Et<Ew)에는 인장 시 두께 감소에 대한 저항이 크고 드로잉성이 좋으며 이방성이 크다는 것을 의미함.

R값 측정

재료별 R값은 다음과 같음.

6. 판재의 이방성 계수

(1) 가정

소재 내부의 각 점에서 상호 직각을 이룸.

인장 항복응력과 압축 항복응력이 같음.

(2) 이방성 계수

N : 판재의 변형이력(순수 전단변형시험에서 구함)에 따라 변할 수 있는 이방성 계수

Q: 압연방향 45˚의 인장시험에서 소성 변형률 비

박판재는 두께가 매우 얇기 때문에 두께방향으로 작용하는 응력은 무시함.