초고강도강판 성형용 프레스금형의 CrN 코팅층 수명예측을 위한 마모시험법 연구 :

이정흠

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이정흠 (대구대학교, 대구대학교 대학원)

지도교수: 김세호

발행연도: 2016

저작권: 대구대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2017

초고강도강판 프레스성형용 금형의 CrN 코팅층 마모수명 예측

이정흠 , 배상범 , 윤국태 외 3명 소성·가공 2017.06 학술저널

2016

초고강도강판 성형용 프레스금형의 CrN 코팅층 수명예측을 위한 마모시험법 연구

이정흠 기계공학과 2016.01 학위논문

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최근 자동차 산업 전반에서 강화된 환경규제에 대응하고자 초고강도강판 적용이 증가하고 있다. 일반적으로 초고강도강판은 열간 프레스가공으로 생산하지만 냉각장치 등 추가시설이 필요하며, 생산성이 낮은 단점이 있다. 이를 보완하고자 냉간 성형으로 초고강도강판을 성형하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 냉간 성형으로 초고강도강판 차체 부품 성형 시 기존의 일반강보다 증가된 인장강도로 인해 소재 반력이 크게 증가하고 이로 인해 성형금형은 큰 접촉압력을 받게 된다. 성형금형이 큰 접촉압력을 받게 되면 긁힘, 소착 등 표면결함이 발생하며, 금형 파손 및 피로에 의한 피로파괴로 이어지게 된다. 이는 금형의 내구수명 저하와 직결되며 생산성 감소, 제품 품질 저하 등 산업 현장에서 큰 문제의 가능성을 의미한다. 따라서, 제품 양산 중에도 잦은 유지보수가 필요하며 이에 따른 비용 또한 증가하여 금형 제작비와 별도로 추가적인 비용이 발생하고 생산을 중단해야하는 심각한 문제까지 발생될 수 있다. 이와 같은 문제는 사전에 금형의 수명을 예측하여 적절한 시기에 효과적으로 대처하여 해결해야한다.
본 논문에서는 인장강도 1.5GPa급 초고강도강판을 소재로 성형되는 자동차 부품용 성형금형의 CrN 코팅층 수명예측을 위해 마모 특성을 정량화할 수 있는 마모시험법 및 기초 마모량 예측식을 제안하였다. 이를 위해 초고강도강 부품의 성형공정해석을 실시하고 성형중 소재와 금형간에 발생하는 접촉압력, 미끄럼거리, 상대속도 등 시험 인자의 범위를 도출하였다. 이 조건을 마모시험법에 적용하기 위해 마모시험과 동일한 조건의 접촉해석을 수행하고 수직하중에 따른 접촉압력을 도출하였다. 실제 금형 제작방법과 동일한 가공, 열처리 및 표면처리를 부과한 시험편을 제작하고, 시험편의 코팅층 특성을 분석하였다. CrN 코팅층 수명예측을 위한 마모시험과정에서 시험결과에 영향을 미치는 시편형상, 코팅 불량 등의 문제를 검토하였으며 이에 대한 해결방안을 제시하였다.
마모시험은 마모시험 장비 사양에 따라 시험조건을 선정하여 각 시험 인자와 CrN 코팅층 마모량의 관계를 파악할 수 있는 마모시험법을 제안하고 분석하였다. 실험계획법 및 분산분석을 실시하여 이들의 유의성을 판단하였다. 또한, 회귀분석을 실시하여 수직하중, 미끄럼거리, 상대속도로 구성된 세 가지 설계변수의 효과에 대해 추정하고 최적조합을 구성하여 기초마모예측식을 제안하고 수명예측을 실시하였으며, 속도 인자가 고려되지 않은 Archard모델과의 경향차이를 비교하였다.

Currently, ultra-high strength steels(UHSS) are increasingly used to auto-body parts for the satisfaction of the environmental regulation. Many automotive parts with UHSS are manufactured by the non-conventional forming process such as hot press forming. However, the hot press forming process needs the complicated and expensive equipments for cooling and additional treatment, which results in the lower productivity in comparison to the conventional cold forming process. On the other hand, the cold forming process with UHSS has many problems during forming such as the low formability and the poor shape accuracy during forming. Also, it also suffers troubles such as the low durability of the tool surface due to the remarkably increased contact pressure and the friction between the tools and the blank. The excessive contact pressure causes the problem of surface defects such as chipping, scratch, crack, galling and so on. Therefore, it is necessary to predict the tool life during the forming process and to inform the change period of the stamping tools in the press shop.
In this paper, a wear test method is proposed to predict the wear life of the CrN layer coated on the surface of the press tools for manufacturing the auto-parts with UHSS having the ultimate tensile strength of 1.5GPa. The finite element analysis is carried out for the stamping process of the center floor side member with UHSS to extract the range of the contact pressure, relative sliding velocity and the sliding distance between the tools and the blank. The contact analysis is also pursued to correlate the normal force range in the wear test with that in the stamping process.
At first, the pin-on-disc type wear test is carried out in order to confirm the feasibility and the reproducibility of the wear amount according to the test conditions such as the normal force, the sliding velocity and the sliding speed. The problem of the inaccurate result is mainly originated from the inaccurate shape of the pin specimen and the surface defect on the coated surface.
The wear tests are carried out to construct the prediction model of the CrN coating layer during the forming process. In order to construct, the prediction model, the study adopts the design of experiment(DOE) such as Taguchi method and response surface method (RSM). The orthogonal array is constructed in order to set up the experimental conditions with three design parameters such as the normal force, the sliding velocity and the sliding speed. From the measurement result according to the design variable, the wear depth is derived from the wear life equation from the regression analysis. The derived prediction model is then compared with the result of the Archard wear model, which fully describes that the proposed prediction model can effectively predict the wear life of the press tools for the auto-parts with UHSS.

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구 개요 1
2. 문헌 조사 5
3. 연구목적 및 범위 7
Ⅱ. 프레스금형의 표면처리 개요 8
1. 프레스금형의 표면 손상 8
2. 프레스금형의 표면처리[10][14][25] 11
1) 표면처리 기법의 분류 11
2) 표면경화법 11
3) 증착법 12
4) 다이아몬드성 탄소(DLC, diamond-like carbon) 13
3. 프레스금형의 표면처리 공정[10][27][28] 15
Ⅲ. CrN 코팅층 마모시험조건 도출 21
1. 대상 제품 및 금형 21
2. 성형공정해석 24
1) 해석 조건 24
2) 성형공정해석 결과 27
3. CrN 코팅층 마모시험조건 도출 30
1) 마모시험조건 도출법 30
2) 마모시험조건 도출 결과 35
4. 마모시험의 수직하중에 따른 접촉압력 도출 42
1) 접촉해석 조건 42
2) 접촉해석 결과 44
Ⅳ. 초고강도강판 성형용 프레스금형의 마모시험 48
1. CrN 코팅층 마모시험 48
1) 마모시험편 준비 48
2) 마모시험 방법 50
3) 마모시험 결과 55
4) 재현성 시험 문제점 검토 60
2. CrN 코팅층 2차 마모시험 63
1) 마모시험편 준비 63
2) 마모시험편의 코팅층 밀착력 측정 67
3) 마모시험편의 코팅층 경도 측정 71
4) 마모시험 결과 72
Ⅴ. CrN 코팅층 기초 마모예측식 구성 83
1. 실험계획법 개요 83
2. 기초 마모예측식 구성 85
1) 직교배열표 구성 및 마모시험 85
2) 분산분석 및 반응표면 분석 88
3. 기초 마모수명예측식 비교 91
1) Archard wear model 수명예측 91
2) 기초 마모수명예측식 비교 93
Ⅵ. 결론 및 향후 계획 96
1. 결론 96
2. 향후 계획 98
참고문헌 99
영문 요약 104

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