성형성 기초(I)

1. Understanding Material Properties < Process of a Part > 1.1 How a Stamping Holds its Shape Stamping process : Blank를 한 쌍의 Dies를 이용하여 원하는 형상으로 성형하는 공정 < Process of a Part > Blank는 소성변형(Plastic deformation)과 탄성변형(Elastic deformation)를 받음 • 소성변형(Plastic deformation) : 영구적인(Permanent) 변형으로 최종 제품의 형상을 유지하게 함 • 탄성변형(Plastic deformation) : 소성변형 이전의 변형으로 탄성복원에 의하여 원래의 형상으로 돌아갈려는 성질이 있음(Springback과 같이 성형 후의 형상결함 유발)

Elastic and Plastic Deformation • Stamping process : Sheet는 탄성(Elastic) 및 소성(Plastic) 변형을 받음 - Elastic deformation : 가해진 하중이 제거 되었을 때 변형 또한 없어서 원래의 형상으로 되돌아감 - Plastic deformation : 가해진 하중이 제거 되어도 변형이 그대로 유지됨 - Uniaxial tension - Plastic deformation Elastic deformation < Elastic and Plastic Deformation >

Strain or Stretch • 변형량을 나타내는 Strain(변형률)은 길이 변화로 아래의 식으로 나타낸다. < Initial dimension > < After deformation > - 공칭변형률(Engineering Strain) : e : 초기 길이에 대하여 늘어난(혹은 줄어든) 길이의 비를 나타내며 다음과 같이 정의 됨. - 진변형률(True Strain or Effective Strain) : ε : 변형률을 한 시점에 대한 미소길이에 대한 변화로 나타냄.

Stress • 물체의 형상이나 치수변화에 저항하여 물체 내부에 발생하는 내력의 intensity • 단위면적당 작용하중으로 나타냄. - 공칭응력(Engineering Stress) : S : 초기 단면적(Ao)에 대한 작용 하중의 비로 표시 - 진응력(True Stress) : σ : 변형 중의 임의 단면적(A)에 대한 작용 하중의 비로 표시

Major, Minor and Thickness Strains • Stamping 공정은 항상 판재에 변형을 유발시키며, 이로 인하여 판재에는 3방향으로 변형이 발생한다. Major strain Minor strain Thickness strain - 주변형률(Major Strain) - 변형률 사이의 관계 : 평면상의 두 변형률 중에 큰 변형률 a. 소재의 체적일정조건 만족 b. 표면적 증가는 항상 두께 감소 초래 - 부변형률(Minor Strain) c. 표면적 감소는 항상 두께 증가 초래 : 평면상의 두 변형률 중에 작은 변형률 - 두께변형률(Thickness Strain) : 두께 방향의 변형률 - 응력과 변형률은 Load-Displacement 혹은 Stress – Strain 곡선으로 관계 지워짐.

Load – Displacement Curve 이러한 효과를 가공경화(Work-hardening) 혹은 변형경화(Strain-hardening)이라고 한다. < Load – Displacement Curve >

Young’s Modulus and Yield Stress • 대부분의 소재는 항복점이 명확하게 나타나지는 않으며, 일반적으로 변형초기 단계에서 비례한도 (Proportional limit)까지는 하중-변위 (혹은 응력-변형률) 직선을 나타낸다. 이 직선(elastic)부의 기울기를 탄성계수(E : Modulus of Elasticity)라고 한다. < Young’s Modulus > 대부분의 소재에 있어서 항복점이 명확하게 구분되지 않기 때문에 일반적으로 0.2% offset strain으로 정의한다.

Mild steel의 경우 상대적으로 탄성계수가 작은 Al보다 탄성 회복량이 적다. : E   탄성 회복량  고강도강(High Strength Steel)의 경우 강도가 더 높기 때문에 Mild steel보다 탄성 회복량이 많다. : 강도   탄성  < Young’s Modulus and Yield Stress Example >

Elastic Recovery • Springback이라고도 불리는 탄성 회복은 성형 후 잔류 응력에 의하여 판넬의 형상 및 치수 변화를 일으키며, 최종 제품에 심각한 문제를 야기시키며, 다음에 의존 - 탄성계수(Elastic Modulus) - 성형 후의 응력(Forming Stress) - 변형률(Strain) < Stress – Strain Curve > - 탄성영역에서의 변형으로는 탄성회복에 의하여 금형형상과 동일한 제품을 얻을 수 없음 - Al과 HSS이 일반 Mild steel보다 Springback량이 많음 - Al의 경우 E값이 낮기 때문에 Elastic strain(elastic recovery)이 높음 - HSS의 경우 Forming stress가 높아 탄성변형률(elastic strain)이 높음

1.2 Effect of n and r-Values on Forming • 가공경화지수(Work hardening exponent)로 단축 인장시험으로 구함 • n값은 소재의 가공경화(Work harden) 능력 혹은 균일 변형 능력을 나타내는 지표 • n값이 크다는 것은 소재가 국부변형(Localized deformation : Necking) 없이, 균일변형을 하는 Uniform Elongation 능력이 좋다는 것을 의미  가공성 향상 - UTS : Ultimate Tensile Strength - YS : Yield Strength < Uniaxial Behavior of Sheet Metal >

< Effect of n-value > - Higher n-value means : a. 균일 연신(Uniform elongation)이 더 좋음 b. 국부변형(Localized deformation) 발생이 적음 c. 가공에 의한 경화율이 높음  가공성이 향상 됨

Relationship Between Uniform Elongation and n-Value • 가공경화지수(Work hardening exponent)인 소재의 n값은 그 소재의 연성(Ductility)과 비례하며 일반적으로 최대 균일연신(Uniform Elongation)과 관계가 있음 < Relationship Between n-Value and Uniform Elongation > - n값과 최대 균일연신(Maximum uniform elongation)과의 관계를 보여 줌

r-Value and Drawability • 압연공정의 경우 소재의 결정립이 방향성을 가지기 때문에 압연 후 각 방향별로 기계적 성질이 달라짐 세 방향에 대하여 각각 다른 기계적성질을 가짐 : Anisotopy Drawability는 r값의 증가와 함께 향상 됨 < Understanding r-Value >

< n and r Value Effect on Formability > Matching Material Properties to Forming Requirements • Die Impact Line은 소재에서 경계선 역할을 하며, 소재에서 Drawing 영역과 Stretching 영역을 구별 함. n값은 Stretching을 받는 부분과 관계가 있음. : Punch 기저면과 Die impact line 위쪽의 소재. r값은 Drawing을 받는 부분과 관계가 있음. : Blank edge와 Die impact line 사이의 소재. < n and r Value Effect on Formability >

< Material Property of Relationships with Deformation Modes > Material Property Relationships with Deformation Modes During forming metal will thicken to the left and thin to right of pure shear line. Metal formed along the pure shear line will maintain its original thickness. Uniaxial compression and tension are metal “edge” forming conditions only. All deformation modes to the left of biaxial stretch require good or high n and r value. < Material Property of Relationships with Deformation Modes > Biaxial stretch requires high n and r value. Plane strain line represents the line of minimum ductility hence carries the lowest point on an FLD.

n-Value r-Value Formability and n- & r- Values Strain Hardening Coefficient (Width Strain) / (Thickness Strain) Ability to distribute strain uniformly Ability to maintain thickness Related to thickness uniformity Related to clearances Needed for stretching applications embossing beading forming with lockbeads Needed for drawing applications - corners of a part Related to FLDO Large r, more embossing force Large r, less drawing force