화신테크티피  이태길 생산임원

초고장력 강판을 사용했을 때 금형의 내구성에 관한 문제를 다루어 보기로 한다. 

금형은 SPCC 냉간압연강을 많이 쓰고 있는데, 열처리를 통해 내구성을 강화하고 있다. 그런데 열처리 이후에 표면처리를 해야 오랫동안 사용할 수 있는데, 표면처리를 했을 때 마찰계수의 영향 때문에 치수가 달라지는 문제가 생기게 된다.

이것을 해석을 통해 해결한 것을 소개한다.

최근 자동차는 경량화, 안전화, 고연비화 추세이다. 많은 자동차 메이저 업체에서 경량화를 위해 초고장력 강판을 쓰고 있고 알루미늄도 사용하고 있다. 그런데 초고장력 강판은 성형 중의 높은 응력 발생으로 스프링백이 많이 발생한다.

그래서 수정이 많이 필요한데, 형상정밀도 만족을 위한 시험성형작업 공수 및 비용이 증가하게 된다. 이에 표면처리 이후 마찰특성 변화에 따른 변형기구 정량화가 필요하다.

대상 부품은 센터필러이다. 이 부품은 보통 드로, 트림 피어스, 리스트라이킹, 커팅 피어스 등의 4가지 공정으로 이루어진다. 열처리를 하기 전까지는 고객들도 만족스러워 하는데, 표면처리를 하고 나면 즉 코팅을 했을 때의 미끄럼 특성 등이 달라지기 때문에 문제가 생긴다. 

예를 들면 표면처리 변형기구 변화를 알아보기 위해 블랭크 유입량 변화를 체크해 보았다. 표면처리 전후의 유입량이 다르고, 또한 블랭킹 두께 분포 변화가 생긴다. 재료 두께가 1.6mm 정도였는데, 1.9% 증가했다. 블랭크 홀더가 강하게 홀딩하더라도 유입속도가 빨라지면서 다이 접촉력 감소가 발생한다. 

그리고 블랭크와 금형 간에 형합 불량의 원인이 발생했다. 높은 항복강도로 인해 성형력의 불충분한 전달로 인해 주름이 발생한다. 또한 표면처리 후의 형상정밀도 변화도 측정했는데, 형상정밀도도 14.0에서 16.2로 2.2의 편차가 있었다.  

그러면 이렇게 표면처리 후에 치수가 달라지는 것을 어떻게 해결할 수 있을까. 이를 위해 표면마찰시험을 했다. 열처리, 질화처리, 표면처리의 조건을 다르게 해서 두 가지로 실험을 했다. 

표면마찰시험의 소재는 SPFC 1.6mm×50mm×150mm로 하고, 열처리는 통상적으로 1,020℃에서 템퍼링 2회, 경도는 로크웰 58HRC로 했다. 질화처리는 480℃에서 70μm, 표면처리는 Duplex Lumena 코팅으로 10μm로 했다.

속도는 100, 300, 500mm/min으로 시험했는데, 결과적으로 마찰계수값이 다르게 나왔다. 슬라이딩 속도에 따라 표면처리 전후에 차이가 발생했다. 하중과 속도에 따른 마찰시험 결과, 코팅한 제품이 비코팅 제품보다 마찰계수가 더 낮게 나타났다.

이후 해석을 해보기로 했다. 해석은 요시다 우에모리 모델을 사용했으며, 해석 조건을 조정했다. 블랭크 홀딩력을 강하게 잡기 위해 가스스프링을 120ton에서 140ton으로 상향 조정했다. 

마찰계수도 0.12를 적용하던 것을, 해석과 실제 유입량 분석에 의한 A, B, C, D의 4개 분할부에 대해 영역마다 다르게 0.22, 0.20, 0.18, 0.20을 각각 적용했다. 

펀치와 다이 사이의 클리어런스도 0.3mm 들어서 1.6mm에서 1.9mm로 했다. 조건 설정 해석 후 결과는 중심부의 접촉압력과 시험 블랭크의 형상이 거의 유사하게 나왔다. 

소재 유입량과 형상정밀도 모두 해석결과와 시험결과가 양호했다. 이후 금형 보정에서도 형상정밀도 ±0.5mm로 만족스러운 결과를 얻었다.

결론적으로 표면처리 이후의 치수 변화는 유한요소 해석법을 이용한 성형해석에서 공정 변수를 조정하여 형상정밀도 예측 정확도를 향상시키고 금형 보정작업에 활용하는 방법으로 해결할 수 있다.

김정아 기자 (prmoed@hellot.net)