한국소성가공학회 2014년도 춘계학술대회 논문집 pp. 186~189

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딥피어싱 공정의 유한요소해석

김민철1, 정완진2, 김종호2, 전만수1,#

Finite Element Analysis of a Deep Piercing Process

M. C. Kim1, W. J. Chung2, J. H. Kim2, M. S. Joun1,#

Abstract In this paper, a finite element approach to analyzing a deep piercing process is presented. In the approach, the element

deletion scheme after the element degradation scheme is employed to predict the piercing phenomenon because the time

interval between the piercing initiation time and the final stroke is quite large. The normalized Cockcroft-Latham damage

model is used and an assumed flow stress smoothing function is used to reflect the effect of cumulative damage on the

flow stress. The approach is applied to a deep piercing process and the predictions are compared with experiments in

terms of plastic deformation of the whole process. The comparison shows a good agreement with each other.

Key Words : Deep Piercing(딥피어싱), Finite Element Simulation(유한요소해석), Element Deletion Scheme(요소제거

기법), Element Degradation Scheme(요소퇴화기법)

1. 서 론

프레스 제품의 피어싱 가공은 대부분 세장비(소

재 두께/펀치의 직경)가 1.0 ~ 1.5 이하인 경우에 이

루어진다. 정밀 금형인 파인블랭킹 금형을 사용하

면, 최대 세장비 2.0까지 피어싱이 가능하다. 세장

비 2.0을 초과하는 경우 펀치가 좌굴(Punch buckling)

에 의해 파손될 가능성이 높다. 세장비 2.0을 초과

하는 경우에 대해서는 프레스 공정에 드릴 공정을

추가하여 가공하게 된다. 따라서 드릴 공정을 피어

싱 공정으로 대체할 수 있다면, 드릴 공정 추가에

따른 시간과 비용 감소로 전체 공정의 효율성을

높일 수 있다.

최근 정완진 등[1]은 고세장비 피어싱 또는 딥피

어싱 공정에 관한 실험적 연구를 실시하였다. 정완

진 등[2]에 의하여 이 실험적 연구와 연계한 유한

요소해석이 시도되었으나, 가능성 연구 수준에 머

물렀으며, 특히 피어싱 과정의 시뮬레이션에서 발

생하는 다수의 문제를 노출하는데 그쳤다. 즉, 일

반적인 피어싱 공정의 특징인 파단 시작 직후의

짧은 스트로크 동안의 피어싱과는 달리 하중이 부

과된 딥피어싱의 특징으로 인한 초기 파단 이후의

비교적 장시간의 분리 과정으로 인하여 기존의 크

랙 전파 방식[3]에 의한 피어싱 공정의 해석 기술

의 적용이 사각형 요소를 사용할 경우의 요소망재

구성 등의문제로 쉽지 않았다.

전술한 문제의 해결을 위하여 본 연구에서는 요

소퇴화기법 및 요소제거기법을 활용한 고세장비

피어싱 공정의 해석 기법을 제안하고, 5.0의 알루미

늄 합금(AA 6061)소재의 피어싱 공정에 대하여 유

한요소해석을 수행하고자 한다.

2. 유한요소해석

세장비 5.0의 피어싱 공정 해석을 위해 적용한

유한요소모델을 Fig. 1에 나타내었다. 펀치 직경은

1.2 mm, 소재 두께는 6.0 mm로 세장비 5.0을 만족

한다. 펀치와 금형의 틈새량은 편측 0.12 mm 이고,

펀치와 블랭크홀더 간의 틈새는 편측 0.01 mm 이

다. 1. (사)경상대 수송기계부품기술혁신센터

2. 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과

# 교신저자: 경상대학교 기계공학부,

E-mail:msjoun@gnu.ac.kr

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소재는 알루미늄 합금(AA 6061)소재로 직경 16.0

mm의 원형 블랭크를 사용하였다. 소재의 응력-변

형률 관계는 식 (1)과 같다. 해석프로그램은

AFDEX 2D를 사용하였고, 2D 축대칭 모델을 적용

하여 블랭크 홀딩력은 1000 N, 마찰계수는 쿨롱 마

찰계수로 0.15를 적용하였다.

0.1203

100 1 ( )0.00257

f D

[MPa] (1)

식 (1)에서 함수 ( )f D 는 손상도가 유동응력에

미치는 영향을 반영하는 손상도 반영 함수이다. Fig.

2에 본 논문에서 사용한 손상도 반영 함수를 나타

내었다. 이 손상도 반영 함수와 임계손상도 0.65는

가정한 값이다. 임계손상도 값은 해석결과를 맞추

기 위하여 실험결과와 해석결과를 비교하여 결정

한 것이다.

∅1.2

Punch

Blank holder

Blank

Die∅1.44

6.0

0.01

Fig. 1 Geometry of a test deep piercing process

Damage0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

f(D)

(0.65, 0.5)

Dcr

Fig. 2 Smoothing function to reflect the effect of

damage value on flow stress

6

4

2

(a) 밀도조밀화 영역 및 조밀도

(1) 0.00s (2) 0.97s

(4) 2.70s(3) 1.79s

(5) 3.58s (6) 4.45s (b) History of deformation

Fig. 3 Predictions before distinct fractured surface was

empirically observed

- 3 -

0.2

0.65

0.1

0.01

0.0002

0.00030.001

Fig. 4 damage at the fracture starting stroke

블랭크 홀딩력은 하중부과금형[3]을 이용하여 취

급되었다. 요소밀도 제어를 목적으로 상하위 피어

싱 금형 모서리 주위 영역과 박스에 의하여 정의

된 영역(Fig. 3(a))에 평균에 비하여 2-5배 조밀한

요소밀도를 부과하였다.

Fig. 3은 실험결과에서 파단면이 선명하게 나타나

는 지금까지 해석한 결과를 요소망을 강조하여 나

타내었다. 최종 순간의 소재의 최대 손상도는 Fig.

4에서 보는 바와 같이 하단 금형 모서리에서 발생

하였으며 그 크기는 0.65이다. 따라서 이 값을 임

계손상도로 간주하였다. Fig. 2의 손상도 반영 함수

는 소재가 임계손상도 0.65를 전후하여 급격하게

퇴화됨을 의미한다.

한편 Fig. 4의 손상도 분포에서 보는 바와 같이

딥피어싱 공정에서 블랭크홀딩력 등이 작용하기

때문에 두 피어싱 금형 모서리 사이에서 손상도는

0에 가깝다. 이것은 Fig. 5에서 보는 바와 같이 높

은 정수압의 영향이다. 따라서 하단부에는 소재의

파단이 발생하지만, 여전히 그 이외의 지역에서는

소재의 파단 과정이 전혀 진행되지 않고 있다. 이

것은 일반 파단 공정[3]과는 완전히 다르다. 그 결

과, 이 시점에서 크랙 전파 방식의 파단해석이 시

작되면, 파단종료까지 장거리의 스트로크로 말미암

아 사각형요소의 환경하에서 요소망재구성에 어려

움이 따른다. 따라서 파단 시작 시점에서 일정 구

간을 요소망재구성으로부터 자유스러운 요소퇴화

기법에 의존하여 파단해석을 실시하고 퇴화된 요

소들이 파단띠를 형성하는 시점 전후에서 요소제

거기법을 적용하였다. Fig. 6에 퇴화된 요소 띠가 형

성될 때까지 요소퇴화기법에 근거한 해석결과를

유효응력 분포를 통해 나타내었다.

100

500

300400

200

0-100

-50

-1

Unit: MPa

Fig. 5 Hydrostatic pressure at the fracture starting

stroke

(a) 4.57s (b) 4.69s

(c) 4.76s (d) 4.83s

(e) 4.90s Fig. 6 Predictions of softening process by element

degradation scheme

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Fig. 7은 요소퇴화기법의 적용 범위 이후에 적용

된 요소제거기법에 의한 파단형상의 가시화 결과

를 나타낸다.

Fig. 8은 해석결과와 실험결과를 비교하고 있다.

이 비교 결과는 두 결과가 유사함을 보여주고 있

다.

(a) 4.896s (b) 4.897s (c) 4.899s

(d) 4.900s (e) 4.906s (f) 4.921s

Fig. 7 Predictions of separation of material by element

deletion scheme

(a) 2.25s (b) 3.43s (c) 4.02s

(d) Final

Fig. 8 comparison of experiment with analysis

3. 결론

본 연구에서는 유한요소법을 이용한 고 세장비

피어싱 공정의 해석기법을 제시하였다.

세장비 5.0의 알루미늄 합금(AA 6061)소재의 피

어싱 공정에 대하여 해석결과와 실험결과의 비교

분석을 통해 해석기법의 타당성을 입증하였다. 성

형과정에서 소재의 유동과 전단면의 형성과정은

해석결과와 실험결과가 유사한 양상을 보이지만

스크랩의 발생량과 파단면에서 차이를 보인다.

후 기

이 논문은 2013 년도 정부(교육부)의 재원으로 한

국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임.

참 고 문 헌

[1] J. G. Kim, J. B. Kim, J. H. Kim, 2014, The influence

of process parameters in piercing with a high aspect

ratio for thick aluminum sheet, Trans. Mater. Process.,

Vol. 23, No. 1, pp. 23~28.

[2] W. J. Chung, J. G. Kim, J. H. Kim, M. C. Kim, 2013,

An analysis of piercing process of thick sheet with

high slenderness ratio, Proc. Kor. Soc. Tech. Plast.

Conf., pp. 72~74.

[3] S. W. Jeong, S. W. Lee, W. J. Chung, M. S. Joun,

2013, Finite element analysis of fine blanking process

using force prescribed die, Proc. Kor. Soc. Tech. Plast.

Conf., pp. 263~266.