http://dx.doi.org/10.5228/KSTP.2016.25.4.261
고속 성형 공정의 바운싱 현상을 줄이기 위한 액중 방전 성형의 해석적 연구
우민아1 · 노학곤1 · 송우진2 · 강범수1 · 김 정#
Numerical Study of Electrohydraulic Forming to Reduce the Bouncing in High Speed Forming Process
M. A. Woo, H. G. Noh, W. J. Song, B. S. Kang, J. Kim
(Received May 31, 2016 / Revised July 14, 2016 / Accepted July 15, 2016)
Abstract
High-speed forming process is the forming technology that deforms the blank in a very short time, with the strain rate of the blank above 1000 s-1. Among many high-speed forming processes, electromagnetic forming (EMF) employs the Lorentz force when deforms the blank. Because of the high strain rate, the formability of the blank can be improved. However, when the blank is formed into rather complex shapes, it is bounced from the die and the wrinkles are generated. Therefore, electrohydraulic forming (EHF) is suggested in this study to reduce the bouncing problem of the blank. EHF is a high-speed forming that uses high voltage discharge in liquid. The shockwave resulting from the electric discharge propagates to the blank and it deforms the blank into the die. In this study, two high-speed forming processes, EMF and EHF were compared numerically with trapezoidal middle block die. This comparison showed that EMF cannot deform the blank into the die because of the bouncing, while EHF can overcome the bouncing problem and deform the blank into the die shape successfully.
Key Words : High-speed Forming, Electromagnetic Forming, Electrohydraulic Forming, Bouncing
1. 서 론
최근 성형 기술이 발달함에 따라 소재를 고속으 로 성형시키는 기술들이 개발되고 있다. 1ms 이내의 아주 짧은 시간 동안 소재를 성형시킬 경우 소재의 변형률 속도가 1000 s-1 이상이고, 높은 압력과 고속 충격 조건으로 인해 기존의 성형 공정보다 소재의 성형성을 향상시킬 수 있다[1, 2]. 이러한 고속 성형 공정에는 전자기성형(electromagnetic forming, EMF), 액중 방전 성형(electrohydraulic forming, EHF), 폭발 성형(explosive forming, EF) 등이 있다.
전자기 성형은 고강도의 자기장을 이용하여 소재 를 고속으로 성형시키는 성형 기술이다. 성형 코일 에서 발생된 자기장과 소재의 상호작용으로 인해 1 ms 이내의 아주 짧은 시간 동안 전자기력(lorentz force)이 만들어지고 이 힘으로 인해 물리적 접촉 없 이 소재가 성형된다. 물리적 접촉이 없으므로 소재 의 표면에 결함, 마멸 등의 문제가 발생하지 않는다 는 장점이 있다.
그러나 전자기성형의 경우, 복잡한 금형의 형상으 로 소재를 성형시킬 때 소재의 표면에서 바운싱 현 상이 발생한다는 단점이 있다[4]. 바운싱 현상은 소
1. 부산대학교 항공우주공학과 2. 부산대학교 일반대학원 융합학부
# Corresponding Author: Pusan National University, E-mail: greatkj@
pusan.ac.kr
재 재
재 지 는 또 복 것 나
본 형 전 서 결 생 통 액 고 와 는 행 어 최 형 도 능
여 교 한 블 을 단 에 1/4 다 싱 이 운 형 발
재가 성형될 재의 표면이 튀
바운싱 현상 재 사이에 성
않기 때문 는 주름 또는 또한 [5]에 따 복잡한 형상을 것이 어려우므 나 추가적인 공
전자기 성형 본 연구에서는
공정을 제시 전극 방전을 이 전기에너지 결된 두 전극 생한다. 이 플 통해 소재로 전 액중 방전 성 고 복잡한 형 와 챔버 사이 는 매개체 역할 행되는 동안
오르지 않 근에는 이러 하는데 액중 도 강과 같이 능함을 보였다
본 연구에서 전자기성형 교해보았다. A 한 형상을 표 블록을 위치시 을 이용하여 단순화된 평면
적용하여 4 모델을 적 다. 유한요소
으로 인해 발생하였다 운싱 없이 소
한계선을 이 발생하지 않음
때 금형에 완 튀어 오르는 상이 발생하는
형력을 지속 이다. 이러한
파단과 같은 따르면 전자기
을 가질 때 므로 성형 코
공정이 필요하 형의 이러한 는 또 다른 고
시하였다. 액 이용한 판재 지가 방전되면
사이에서 고 플라즈마에서
전달되고 소 형 공정에서 상으로도 잘 에 존재하는 할을 하기 때
물이 압력을 않고 원하는
러한 장점을 중방전 성형
성형성이 낮 다[7].
서는 LS-DYN 형과 액중 방 Al 6061-T6를 표현하기 위해
시켰다. 전자기 해석을 수행 면 변형률(pla
유체의 압력 적용하여 소재 해석 결과, 소재가 완전 다. 반면 액중 소재가 금형
이용하여 파단 음을 확인하였
완전히 접촉되 현상을 말한 는 원인은 성 속시켜주는 매
한 바운싱으로 은 문제가 발 기 성형 공정
소재를 한번 코일을 두 개
하다.
단점을 극 고속 성형인 액중 방전 성
성형 방법이 면 커패시터 고온, 고압의
발생된 압 소재를 고속으 는 소재가 바 잘 성형되는데 는 물이 성형
때문이다. 소 을 지속시켜주
형상으로 성 이용하여 초 공법을 적용 낮은 재료 또
NA 상용 프로 방전 성형을
소재로 사용 해 금형 중앙
기 성형은 3차 행하였고 액중
ane strain)모델 력 분포를 확 재의 변형 거
전자기 성형 전히 성형되지 중 방전 성형
형상으로 성 단을 예측한 였다.
되지 못하고 한다.
성형 코일과 매개체가 존재
로 인해 소재 발생할 수 있 정에서는 금형 번에 성형시키 이상 사용하
극복하기 위하 인 액중 방전
형은 유체 안 이다. 유체 안 (capacitor)와
플라즈마가 압력파가 유체 으로 성형시킨
바운싱 되지 데[6], 이는 소
압력을 전달 재의 성형이 주어 소재가 성형될 수 있 초고강도강을 용하였고, 초고
또한 성형이
로그램을 이용 해석적으로 용하였으며 복 앙에 사다리꼴 차원 전체 모 중 방전 성형 델을 먼저 해 확인하고 3차 거동을 확인하 형의 경우 바 지 못하고 주 공정에서는 성형되었으며 한 결과, 파단
고 소
소 재하 재에 있다.
형이 키는 하거
하여 성 안의 안에 연 가 발 체를 킨다.
않 소재 달하 진 튀 있다.
을 성 고강 가
용하 비 복잡 꼴의 모델 형은 해석 차원 하였 바운 주름 는 바 성 단도
L 유한 1과 며, 입되 50m 비투 을 때 적용 이며 전 소재 재의 Cow 식
M
A
Table 1
Fig. 1 Nu
2 2.1 유한요
LS-DYNA EM 한요소 해석 과 같이 성형
이 때 금형 되어 있다.
mm의 데드존 투자율은 1,
통하여 Fig.
흐르는 전류 용하였다. 소 며, 물성치는 전자기 성형 재를 성형하 의 변형률
wper-Symond (1)과 같다.
Material
Al 6061- T6
1 Material pr
merical mode
. EMF 유한 요소 모델
M module을 을 수행하였 코일, 소재, 의 중앙에는 성형코일은 존(dead zone)을
전기 전도도 2와 같이 1 류를 측정하였
재의 재료인 Table 1에 나 은 아주 짧은
는 방법이므 속도 영향을 ds 구성 모델
y 1
Proper
Densi Young’s m Poiss Yield st
roperty of Al
el for EMF si
한요소 해석
을 사용하여 였다. 유한요소
금형으로 는 사다리꼴 형
스파이럴 형 을 가진다. 또 도는 5.8×107S 11kV의 전압 였고 이를 유 Al 6061-T6의 나타내었다[8]
은 시간 동안 므로 유한요소 을 고려해야
델을 적용하
1 p
C
rty (Unit) ity (g/cc) modulus (GPa)
son ratio tress (MPa)
6061-T6
imulation
석
전자기 성형 소 모델은 F 이루어져 있 형의 블록이 형이며, 중앙 또한 성형코일 S/m 이다. 실 압을 인가하였 유한요소 해석 의 두께는 1m ].
안 빠른 속도 소 해석 시
한다. 따라 하였고 그 식
Valu
2.70 ) 68.9
0.33 276
형의 Fig.
있으 삽 앙에 일의 실험 였을 석에
mm
도로 소 라서 식은
(1) ue
0 7 3 6
매 응
에 는 하 형 소 서 변 형 형 낮 약 이 변 변 또 싱 보 하 속 결 입 소 있
Fig. 2 Tim
는 유효 소 매개변수, y
응력이다. Al 6
2.2 유한요
전자기 성형 소재는 중 는 듯 보였으 하고 블록 주 으로부터 바 소재의 변형률 약 11000s- 변형이 발생할
률 속도가 발 속도 그래 낮은 약 –300 약 +180m/s로 렇게 급격한 변형을 발생시 변형률 속도가 또한 소재가
이 발생하여 보여준다. 전자 하는 것은 소 속시켜주는 매 결과와 같이
력 전압을 소재에 주름뿐 있다.
me variation o
소성 변형률 는 변형률 속 061-T6의 경
요소 해석
형의 결과를 중앙의 블록에 으나 110s 이 주변부가 완전 바운싱 된 것 률 속도를 나
-1로 가장 큰 할 것이라 예 발생하였는데 래프로 설명될 0m/s의 속도 로 급격하게
한 속도의 변 시켰고 그로
가 발생된 것 금형에 제대 여 성형이 제 자기 성형에 소재와 성형
매개체가 없 소재에 주름
가하여 소재 뿐만 아니라
of current wa
률 속도, C, p 속도를 고려 우 C=6500, p
결과
Fig. 3에 나 에 접촉하여 이후에 접촉이
전히 성형 되 것을 볼 수 있 나타내었는데 큰 값을 보였 예상되는 A점
데 이는 Fig.
될 수 있다.
도가 발생하였 속도의 방향 변화가 소재
인해 A점에 것이다. 소재 대로 접촉되지 제대로 진행되 에서 소재에
코일 사이에 기 때문이다 름이 발생하
재를 성형 파단이 발
ave at 11 kV
는 변형률 속 하지 않은 항 p=4이다[8].
나타내었다. 초 성형이 잘 이 유지되지 되기도 전에 있다. Fig. 4에 데 A점과 B점 였다. 가장 작 점에서 높은
5의 소재의 A점에서 가 였고 발생 직 향이 바뀌었
에 갑작스러 에서 가장 높 재의 속도 결 지 못하고 바 되지 않은 것 바운싱이 발 에 성형력을 다. 따라서 해
게 되고 더 시킬 경우에 발생할 가능성
속도 항복
초기 되 못 금 에는 점에 작은
변 성 가장 직후 었다. 러운 높은 결과 바운 것을 발생
지 해석 큰 에는 성도
F
Fig. 3 D
Fig. 4 Time v
Fig. 5 Time v
eformation b
ariation of st
variation of z-
behavior of th
train rate at p
-velocity at p
he blank
points A, B, C
points A, B, C C
C
Fi
위 하 저 연 플
ig. 6 Schem proces
Fig. 7 En
Fig. 8 Struc
3 3.1 유한요
앞에서 언급 하여 본 연구 하였다. 액중
장된 에너지 연결된 두 전 플라즈마에서
matic view o ss
nergy deposit
ctural compo
3. EHF 유 요소 모델
급한 전자기 구에서는 액 방전 성형은 지를 순간적으
극 사이에 플 발생한 압
of electrohyd
tion rate in pl
onents for EH
한요소 해석
성형의 단 중 방전 성형 은 Fig. 6과 같
으로 방전시켜 플라즈마를 력파로 소재
draulic form
lasma part
HF simulation
석
단점을 극복하 형 공법을 제 같이 커패시터 켜 유체 안에 발생시키고, 재를 성형시키
ming
n
하기 제시 터에 에서
이 키는
성형 소 이루 적탄
전극 반지 의 있다
P 초기 단열 정하 표현 드를
또 위하 기 본 여
유 사용 DY 사용 확인 지안 경우 본 물) 노드 게
구 성되 용된
형 공정이다 해석에서 유 루어져있다. 탄성률(bulk m
플라즈마는 극 방전으로 지름 1mm의 압력은 식 다.
P 는 플라즈 기 질량 밀도 열지수로 보 하였다[10].
현하기 위하 를 사용하였다
0 1
pC C
또한 플라즈 하여 식 (3)의
에너지를 연구에서는 Fig. 7과 같은 유체부의 요 용되는 오일 YNA 내의 Ar
용하였다. AL 인할 수 있고 안(lagrangian) 우에도 뒤틀
연구에서 유 )가 포함되어 드(node)를 결
정의할 수 구조파트는 F 되어있다. 금 된 것과 동일
. 유체는 주 유체부는 물,
물의 밀도는 modulus)은 K
단열 이상기 로부터 아주
원으로 모델 (2)와 같은 상
( P
즈마 내 압력 도, E는 입력
통 1.24~1.26 LS-DYNA 프 여 식 (3), ( 다.
2
2 3
C C
1/
즈마를 발생시 의 E에 전류와
그래프로 나 Mamutov 등 은 에너지를 요소를 생성할
일러리안(eule rbitrary Lagra LE 기법을 사 고 구조 해석
) 요소와 다 림 문제가 없 유체부에는 3 어 있는데 이 결합함으로써
있다. Fig. 8과 같이 금형과 소재는 일하다. 액중
로 물을 사용 진공, 그리 는 0 10 00 k
2.35 K GPa 기체로 가정
작은 크기로 델링 하였다 상태방정식으
0
1)()E
력, 는 질량 력 에너지,
6의 값을 가 프로그램 내 (4)를 포함하
3
4 5
(C C
/V 1
시키는 에너지 와 입력 전압 나타내어 입력
등 [10]의 데 입력하였다 할 기존의 유 erian) 요소가 ange Eulerian 사용하면 유 석에 흔히 사 다르게 소재가
없다는 장점 3가지 파트(진 이 파트들 사 써 유체부의
이 챔버, 소재 는 앞의 전자 중 방전 성형
용한다. 유한 고 플라즈마
/ 3
kg m 이며 이다.
하였으며 초 로 발생하므 다. 플라즈마
으로 나타낼
량 밀도, 0
는 플라즈마 가지므로 1.25 에서 식 (2) 하는 *EOS 키
2
6 )
C E
지를 입력하 압이 곱해진
력해야 하는 이터를 참조 .
유체 해석에 가 아닌 L n (ALE) 기법 유체부의 이동 사용되는 라그 가 대 변형
이 있다. 또 진공, 플라즈
이의 중복되 상호작용을
재, 금형으로 자기성형에서 해석의 경
한요 마로
체
초기 므로
내 수
(2)
는 마의
5로 )를 키워
(3) (4)
하기 전 는데 조하
에서 LS- 법을 동을 그랑
할 또한
마, 되는
쉽
구 사 우,
물 많 강 적
형 를 므 라 지 도 내 인 력 의 게
분 하 행 는 율 11 가 쪽 기 잘 중 물 이 너 을 같
의 (fo 는 변 다 위 단
물 파트의 요 많아지므로 해 강체(rigid bod
용하였다.
3.2 유한요
유체부의 압 률 모델을 를 Fig. 9, 10에 므로 Fig. 9과 라즈마는 반지
를 입력한 도 움직인다. F 내었는데 플라 인해 유체 전체
의 전파가 해 반사된 게 된다.
2차원 평면 분포를 검토한 하기 위하여 행하였다. 소재 는 3차원 전체 율을 위하여
에 나타내었 가운데 블록에 쪽, 안쪽 모서
성형 결과와 잘 접촉되며 모 중 방전 성형의 물이 소재를
발생하지 지를 가지게 을 하여 바운 같은 불량이 발
유한요소 해 파단 여부 orming limit 는 소재 안에 변형률과 최소 다. 성형된 소 치하면 소재 단한다.
요소 때문에 해석의 효율
dy)로 가정하
요소 해석
압력 분포를 적용하여 해 에 나타내었다
같이 거동을 지름이 1mm인 후 점점 팽창 Fig. 10에는 유 라즈마로부터
체에 압력이 뚜렷하게 관
이후에는 비
변형률 모델 한 후, 소재의
3차원 1/4 모 재의 완전한 체 모델을 사
1/4 모델만 었다. 플라즈 에 소재가 먼
리 순서로 성 와 다르게 소 모서리부 까 의 경우, 소재
성형시키는 않는다. 전기 게 된 물이 소
싱을 억제하 발생하지 않는 해석 결과를
부를 확인하 t diagram)를
서 파단을 발 소 주변형률 소재의 변형 재에는 파단
모델 전체의 을 위하여 하였고 소재는
결과
확인하기 위 해석을 수행하 다. ALE 기법 을 확인할 수
인 작은 원이 창하게 되며 유체부의 압 압력파가 퍼지게 된다 관찰되지만 압
비교적 복잡한
델을 이용하여 의 성형 거동을 모델을 사용하 성형 거동을 사용해야 하지 사용하였고 즈마와 가장
먼저 접촉하고 성형이 진행 소재가 바운싱
지도 성형이 재와 챔버 사
매개체이기 기 에너지 입
소재 위에서 하는 것이다.
는다는 장점 바탕으로 A 하기 위하여
적용하였다 발생시킬 수
을 곡선으로 률이 이 선 단이 발생하지
의 요소 개수 챔버와 금형 는 shell 요소
위하여 평면 하였고 그 결 법을 적용하였 수 있다. 초기
이지만 전기에 그로 인해 력 분포를 나
발생하고 이 다. 초기에는 압력파가 챔버
한 형태를 보
여 유체의 압 을 제대로 확 하여 해석을 을 보기 위해 지만 해석을
그 결과를 가까운 금형 고 금형의 바 되며 앞의 전 싱 없이 금형 잘 되었다.
사이에 존재하 때문에 바운 입력 후 높은
눌러주는 역 따라서 주름 이 있다.
Al 6061-T6 소 성형 한계 다. 성형 한계 수 있는 최대
로 나타낸 것 도보다 아래 지 않는다고
수가 형은 소를
변 결과 였으 플 에너 물 나타 이로 는 압
버에 보이
압력 확인 을 수 해서 효 Fig.
형의 바깥 전자 형에
. 액 하는 운싱 은 에 역할 름과
소재 계도 계도 주 것이 래에 판
액 성형 건에 형 단이 을 이 하므 수
Fig.
Fig.10 Pre
액중 방전 형되므로 성 에서 획득한 한계도는 5 이 예상되는 Fig. 12에 나 소재의 변형 므로 소재에
있다.
9 Behavior o
essure distrib
성형의 경우 형 한계도 선도를 적용 00s-1 조건에 중앙의 블 나타내었는데 형률이 모두
파단이 발
of the fluid pa
bution of the f
우 고속 조건 또한 고 변 용해야 한다 에서 획득된
록 주변 요소 데 그래프에서 성형한계선 발생하지 않는
arts
fluid parts
건에서 소재 변형률 속도 다. Fig. 12의 선도다[11].
소들의 변형 서 알 수 있 선 아래에 위 는다고 판단
재가 조 성 파 형률 있듯 위치 단할
Fi
결 단 가 름 면 잘 한 인 를
ig.12 Forming the defo
4
Fig. 13에 전 결과를 비교하 단일 공정을 가 완전히 성형 름이 발생하여 면 액중 방전 잘 접촉하여 한계도를 적용 인하였다. 이러 를 고속으로
g limit diagra ormed blank
4. EMF와
전자기 성형 하여 나타내 적용하였을 형되기도 전 여 소재가 제 전 성형은 바
모서리부까지 용하여 파단 러한 두 성형 성형시킬 때
F
am and strai
EHF의 비
과 액중 방전 었다. 전자기 때 블록 주 전에 바운싱 효
제대로 성형되 바운싱 없이
지 성형이 잘 또한 발생하 형 공정의 비
때에는 소재에
Fig.11 Deform
n distribution
교
전 성형의 해 기 성형의 경 주변부에서 소 효과 때문에 되지 않았다.
소재가 금형 잘 되었고 성 하지 않음을
교를 통해 소 에 힘을 지속
mation behavi
n of
해석 경우 소재 주 . 반 형에 성형 을 확
소재 속시
Fig
켜주 을
본 자기 고
( 사이 소재 다.
소재
ior of the blan
g.13 Compar
주는 매개체 한다는 것을
본 연구에서는 기 성형과 액
비교하여 다 (1) 전자기 성 이에 힘을 재가 금형으
이러한 현상 재에 주름을
nk
ison of EMF
가 바운싱을 을 알 수 있다
5. 결
는 LS-DYNA 액중 방전 성 다음과 같은
성형 공정의 지속시켜주는 로부터 튀어 상은 소재의 발생시켰다
and EHF sim
을 억제시키는 다.
결 론
A 프로그램을 성형을 해석
결론을 얻었 경우, 성형 는 매개체가 어 오르는 현 성형성에 영 다.
mulation resu 는 중요한 역
을 사용하여 적으로 구현 었다.
형 코일과 소 가 없기 때문 상이 발생하 영향을 주었
ults 역할
전 현하
소재 문에 하였
고,
(2) 반면 액중 방전 성형은 소재와 챔버 사이에 존재하는 물이 높은 에너지를 가지고 소재를 눌러 주는 역할을 하여 바운싱이 억제되었고 주름과 같 은 불량 없이 소재가 원하는 형상으로 성형되었다.
또한 성형 한계도를 적용하여 소재의 파단을 예측 한 결과, 파단 없이 소재가 잘 성형됨을 확인하였다.
(3) 더욱 더 정확한 비교를 위해서는 두 공정에 대하여 실험적 연구가 수행되어야 할 것이다.
후 기
이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원 으로 한국연구재단의 선도연구센터지원사업(No.2012 R1A5A1048294)과 중견연구자지원사업(No.2014R1A2 A1A11054473)의 지원을 받아 수행되었습니다.
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