1.서 론
점진성형은 금속 판재 성형(sheet metal forming)의 한 새로운 소성가공 방법으로서 얇은 금속 판재를 점진적으 로 변형하여 형상을 만드는 방법이다. 전통적인 금속 판 재 성형(프레스 공법)에서는 상·하형 금형 다이 사이에 금속 판재를 넣어 강한 힘으로 압착하여 성형하기 때문에 다이의 설계 및 제작에 많은 시간 및 비용이 소요된다.
이런 시간적 경제적 문제를 해결하기 위한 대안으로 제시된 점진성형공법은 소량의 금속 판재 성형을 신속히 할 수 있다는 장점이 있다. 점진성형에서는 CNC로 제어 되는 반구(hemi-sphere) 형태의 공구를 생성된 경로를 따 라 이동시켜 금형이 필요 없으므로 비용 측면에서 유리 하다.
아래의 <Figure 1>에 점진성형을 schematic diagram으 로 표현하였다. 그림과 같이 박판의 소재를 가장자리에 고정하고 가운데 부위를 반구형 공구로 강하게 누르면서 성형하는 방법이다. <Figure 2>는 점진성형으로 제작된 다양한 판재의 성형품을 보여준다.
점진성형은 금형 없이도 판재물을 성형할 수 있다는 장점이 있는 반면에 판재의 소성가공에서 외력이 제거되 고 난 후 발생하게 되는 스프링백(spring back) 현상으로 최종 형상의 치수 정밀도가 크게 나빠지게 된다. 전통적 인 판재 성형공정(프레스 공정)에서는 스프링 백에 의한 치수 정밀도에 영향을 미치는 인자로 펀치반경, 다이반경, 다이깊이, 재료두께, 금형반경, 펀치성형방향, 다단 공정 수, 금형각도 등이 고려된다. 그러나 CNC 절삭 가공[7]과 유사한 제어방식으로 동작하는 점진성형에서는 공구반 경, 단위성형 깊이, 이송속도 등이 주요한 공정 변수로서 연구되어져 왔다[4-7, 9].
점진성형에서 형상 정밀도에 관한 대표적인 연구로서 Radu[14, 15]는 연강을 사용한 원추대 형상의 단위 성형 깊이와 공구 직경이 성형 치수 정밀도에 유의한 인자임 을 밝혔다. 다른 연구[14]에서는 알루미늄, 연강, 스테인 리스강의 3가지 종류의 소재에 대하여도 성형깊이, 공구 반경이 모두 유의한 공정 변수임을 밝혔다.
Ambrogio[2, 3]는 알루미늄 소재를 대상으로 성형 정 밀도와 공정 변수와의 관계를 규명하였으며 음각성형 시 공구반경이 작고 공구피치가 작을수록 성형오차가 작아 진다는 결론을 제시하였다. 이와 유사한 연구[1]로서 성 형치수 오차가 가장 큰 부분은 경사면과 바닥면의 경계 에서 발생함을 보였고 다양한 알루미늄 소재를 각각의 성형한계(formability)를 이용하여 최대 성형경사각(αmax) 에 대한 상대경사각 을 공정 변수로 보고 실험을 하여 정밀도의 관계를 파악하였다.
공구직경과 단위성형 깊이 외에 점진성형에서 추가적 으로 고려할 수 있는 공정 변수로 Lee[10]는 성형방법, 다 이유무, 공구경로방식, 소재두께를 제시하였다. 공정 계획 자가 선택하여 제어할 수 있는 것을 공정 변수(process parameter)라 할 때 점진성형에서는 절삭공정과 달리 공 구반경, 단위성형 깊이 외에도, 양각(positive) 또는 음각 (negative) 성형 방법, 판재 하단의 금형 설치 유무, 그리 고 소재 두께 등이 성형 품질에 영향을 미칠 수 있는 요 인이기 때문이다.
따라서 본 연구에서는 점진성형에서 성형 후 스프링 백에 의한 형상 치수 정밀도에 영향을 미치는 인자를 규 명하기 위하여 Lee[10]의 연구와 동일하게 공구이송속도, 공구직경, 단위성형 깊이와 더불어 양·음각 성형방법, 공 구경로 방식, 다이 설치유무, 소재 두께 등 총 7개의 공 정 변수를 주 인자(main factors)로 실험을 실시하였다. 그리고 기존의 연구와 달리 성형 면과 더불어 성형 반대 면의 치수 정밀도에 영향을 미치는 요인에 대하여 실험 결과를 분석하였다.
인자가 많기 때문에 실험은 실험계획법의 직교배열표 를 이용하여 실험횟수를 최소화하였으며 성형 결과물은 3차원 스캐너를 이용하여 형상의 치수 정밀도(dimensional accuracy)를 측정하였다. 측정된 데이터에 대하여 분산 분석(ANOVA)을 실시하여 유의한 인자를 통계적으로 추 출하였다.
2.점진성형의 7가지 공정 변수
점진성형에서 고려해야할 7가지 공정 변수(이송속도, 공구직경, 단위성형 깊이, 소재두께, 성형방법, 금형의 유 무, 공구경로방식)에 대한 자세한 내용은 기존 연구[13]에 상세하게 설명되어 있다. 이하에서는 주요한 공정 변수를 간략하게 정리한다.
(1)이송속도와 단위성형 깊이
점진성형에서는 공구를 회전시키는 것이 큰 이점이 없 기 때문에 공구회전속도는 공정 변수에서 제외하고 공구 이송속도(feed)와 등고선 공구경로에서 Z축 방향으로의 수직 이동거리를 단위성형 깊이(step depth)로 표현한다.
(2)성형방법(음각성형과 양각성형)
음각성형과 양각성형의 차이는 음각성형은 <Figure 3> 의 (a)와 같이 금속 박판의 오목한 부위에 공구를 강한 힘 으로 눌러서 성형하는 방법으로서 소재의 가장자리부터 시작하여 중앙부로 성형하는 방법이다. 양각성형은 <Figure 3>의 (b)와 같이 부분 금형을 소재의 밑에 받치고 볼록한 부분에 공구를 압착하여 성형하며 중심부부터 성형하여 가장자리로 이동하면서 점진적으로 성형한다.
(3)금형의 유무(무금형, 부분금형, 충분금형)
점진성형에서는 다이를 사용하지 않는 것이 일반적이 고 이에 대한 다이 준비시간이 필요 없으므로 시간적인 장점이 있다. 그러나 경우에 따라 부분금형과 충분금형을 적용할 필요도 있다. <Figure 4>의 (a)와 같이 음각성형 에서 다이가 전혀 사용되지 않는 것을 무금형(no die) (c) 와 같이 금형이 사용될 경우 충분금형(full die)로 구분한다. 그리고 양각성형에서는 어떤 형태의 지지대가 필요하므 로 (b)와 같은 부분성형(partial die)와 (d)와 같은 충분금 형(full die)으로 분류된다.
(4)공구 경로
등고선 공구경로는 성형깊이를 일정하게 유지하면서 Z축을 따라 단계적으로 성형하면서 내려가는 방법으로서 경로는 매번 폐곡선을 그린다. 스파이럴 공구경로는 나선 형으로 단위성형 깊이 만큼씩 내려가면서 연속으로 돌아 가며 윤곽을 성형하는 방법이다.
3.점진성형의 실험
3.1.실험용 성형 형상 및 점진성형 장비
본 연구에의 실험에 사용한 성형품의 형상은 <Figure 5>와 같이 원추대(a cone frustum)로서 측면 경사각은 60 도이다.
그리고 본 실험에서 사용되는 장비는 점진성형 전용기 인 일본 AMINO사의 DLNC-PA이다. 이 장비는 양·음각 성형이 모두 수행 가능하며 최대 성형 사이즈 1,000×900 mm, 성형깊이는 300mm이다. 실험용 소재는 내식성이 강하 고 절삭성이 우수한 AL 1050-H16을 사용하였다.
측면의 표면거칠기를 측정했던 기존 연구[10]에서는 바닥면을 성형하지 않았지만 본 연구에서는 공구와 접촉 되지 않은 바닥면이 형상 치수 정밀도에 미칠 가능성이 크기 때문에 <Figure 6>과 같이 음·양각 성형 모두 바 닥면까지 공구경로가 생성되도록 하였다.
3.2.실험 계획
실험의 계획 및 분석을 위하여 실험의 횟수를 줄이고 자 실험계획법의[8] 2수준계 L8(27) 직교배열표를 사용하 였다. 제 2장에서 정의한 7가지 공정 변수를 실험의 인 자로 선정하고 각 인자의 수준은 <Table 1>과 같이 2가 지 수준을 적용하였다.
이와 같은 인자들과 각 인자의 수준에 기준한 L8(27) 직교배열표의 8번의 실험 조건이 <Table 2>에 나타나 있다.
4.실험결과 및 분석
4.1.점진성형 실험결과
위의 <Table 2>의 실험조건에 의해 8번의 점진성형 실 험을 실시하였다. <Figure 7>(a)는 음각 점진성형의 모습을, <Figure 7>(b)는 양각 점진성형의 모습을 보여주고 있다. 음각성형은 판재물의 네 모서리를 볼트로 고정하여 비교 적 간단하게 성형이 가능한 반면 양각성형에서는 가이드 를 따라 움직이는 작업베드에 판재물을 고정하여야 하므 로 성형에 참여하지 않는 소재의 비율이 많게 된다.
성형 실험을 통해 얻어진 결과물의 모습이 <Figure 8> 에 나타나있다. 판재물 외곽의 구멍은 음각 성형에서 소 재를 고정시키기 위한 볼트 구멍 자리이다.
4.2.형상치수 정밀도 측정
형상치수 정밀도는 스프링 백 등의 원인으로 성형물 이 실제 도면 치수로부터 벗어난 정도를 말한다. 형상치 수 정밀도 측정을 위하여 3차원 스캐너를 이용하였다. 3 차원 스캐너는 독일 Breuckmann사의 제품이 사용되었으 며 정밀도 분석은 3D Systems사의 Geomagic S/W를 이 용하였다.
<Figure 9>(a)에 음각성형, (b)에는 양각성형 결과물에 대한 초기 스캔데이터가 나타나 있다. 성형되지 않은 원 소재 부분까지 포함된 스캔데이터에는 많은 노이즈가 들 어가 있기 때문에 CAD 데이터와의 비교를 위해서 필요 한 부분만 남기고 나머지는 삭제하는 것이 필요하다. <Figure 9>(c)는 삭제한 후의 스캔데이터와 <Figure 5>의 CAD 데이터를 정합시킨 모습이다. <Figure 9>(d)는 정합 된 두 단면의 모습이다. 기존 연구[11]에서 제시한 바와 같이 경사면과 바닥면의 경계 위치에서 많은 오차가 발생 하는 것을 확인할 수 있다.
성형치수 오차는 전체를 대상으로 하거나 섹션을 대상 으로 구할 수도 있다. 본 연구에서는 전체 형상물에 대하 여 Geomagic Verify에서 제공하는 RMS(Root Mean Square) 값을 사용하였다. RMS는 통계적으로 다음의 식 (1)로 정 의되며 여기서 xi는 측정 데이터와 원 CAD 모델 데이터 와의 차를 나타낸다.
그리고 3차원 스캔은 형상의 내면과 외면 모두에 대하 여 실시하였다. 음각성형에서는 형상의 내면이 공구가 직접 닿은 성형 면이 되고 양각성형에서는 형상의 외면 이 성형 면이 된다. 본 연구에서는 기존 연구[12]에서 사 용한 표현으로서 성형 면을 tool contacted surface, 성형 반대면을 tool non-contacted surface으로 구분하여 표현하 였다. <Table 3>에는 성형 면과 성형 반대면의 형상 치 수 정밀도의 측정값이 나타나 있다.
성형 면과 성형 반대면의 형상 치수오차의 전체적인 특 징을 알아보기 위하여 각 실험별로 비교 그래프를 <Figure 10>와 같이 나타내어 보았다.
성형 면과 성형 반대면의 형상 치수 오차는 비슷한 경 향을 보이고 있음을 알 수 있으며 성형 반대면이 전체적 으로 성형 면에 비하여 더 큰 성형오차를 보이고 있다. 어떤 공정 요인이 치수오차의 차이를 가져오는 가를 알 아보기 위해서는 ANOVA 분산분석이 필요하다.
4.3.분산분석(ANOVA)
위의 <Table 3>의 실험결과를 상용 통계 분석 S/W인 MINITAB을 이용하여 분산분석을 하였다. 유의수준 오차 는 5%로 정하고 분석에서 P값이 0.05 이하이면 해당 공 정 변수를 유의한 요인으로 판정하였다.
형상오차 측정 결과를 분석하여 공구가 접촉한 성형 면의 주 효과 그래프를 <Figure 11>(a)에, 성형 반대면의 주 효과 그래프를 (b)에 나타내었다.
주효과 그래프에서 기울기가 큰 인자는 수준에 따른 형상 치수 정밀도에 차이가 있음을 나타내고 기울기 값 이 작은 인자는 차이가 적음을 나타낸다.
본 연구에서 사용한 L8(27) 실험은 7인자에 대하여 8번 의 실험을 하기 때문에 분산분석에서 오차항의 자유도가 0이 되어 F-검정이 불가능하게 된다. 따라서 <Figure 11> 에서 성형 면과 성형 반대면 양쪽 모두 그래프의 경사가 가장 완만하고 1차 분산분석에서 MS값이 가장 작은 공구 이송속도와 공구경로 인자를 오차항으로 풀링(pooling)한 뒤 2차 분산분석을 실시하였다.
분산분석에서 풀링은 검정의 검출력(power of test)을 높이기 위해 주효과나 교호작용 효과 중에 유의하지 않 은 인자를 오차항에 포함시켜 오차항의 자유도를 높게 하 는 것이다.
성형 면에 대한 풀링 후 2차 분산분석의 결과가 <Table 4>에 나타나 있으며 공구직경, 단위성형 깊이, 성형방법 은 유의한 인자로 소재의 두께, 다이의 유무는 유의하지 않은 것으로 판정되었다. 유의한 인자인 공구직경은 작을 수록, 단위성형 깊이도 작을수록, 그리고 성형방법은 음 각성형이 더 나은 형상치수오차를 보였다.
성형 반대면에 대한 2차 분산분석의 결과는 <Table 5> 에 나타나 있으며 성형방법과 다이의 유무가 유의한 인 자로 판명되었고 공구직경, 성형깊이, 소재의 두께는 유 의하지 않은 인자로 판정되었다. 유의한 인자인 성형방 법은 음각성형이, 다이의 유무는 충분금형(full die)를 두 는 것이 더 나은 결과를 나타냈다.
이 결과로부터 성형 면은 공구가 직접 접촉하기 때문 에 공구직경과 단위성형 깊이 등이 주요한 인자로 작용 하고, 공구가 접촉하지 않는 성형 반대면의 경우에는 다 이유무가 성형 치수 정밀도에 유의한 인자로 나타난 것 으로 보인다. 단 성형방법은 성형 면 성형 반대면 모두 주요한 인자로 판명되었으며 음각성형이 양각성형보다 치수 정밀도에서 더 우위인 것으로 나타났다.
5.결 론
판재 성형의 새로운 공법인 점진성형에서도 소성가공 에서 발생하는 스프링 백 현상으로 성형 후 형상의 치수 정밀도가 저하되게 된다. 본 연구에서는 점진성형에서 형 상 치수정밀도에 영향을 미치는 공정 변수를 알아보기 위하여 원추대 형상을 대상으로 사용자가 선택 가능한 7 개의 공정 변수에 대하여 L8(27) 직교배열표를 이용하여 실험을 실시하고 성형 면과 성형 반대 면에 대하여 각각 분산분석을 통하여 유효한 인자의 차이를 규명하였다.
성형 면의 경우에는 공구직경과 단위성형 깊이, 성형 방법이 유의한 인자로 나타났다. 이는 공구직경과 단위 성형 깊이가 유의한 인자로 판명되었던 기존의 연구[13] 과 일치되는 결과이며 양·음각 성형방법이 유의한 공정 변수로 새롭게 추가되어야 함을 시사한다.
아울러 성형반대면의 경우에는 기존 연구에서 유의하 였던 공구직경과 단위성형 깊이가 유의하지 않은 인자로 판명되었으며 오히려 성형방법과 다이유무가 주요한 인 자로 판명되었다.
성형 면과 성형 반대면 모두에게 영향을 미치는 주요 인자는 양·음각 성형방법이며, 이송속도, 소재두께, 공 구경로 방법은 치수 정밀도에 영향을 미치지 않는 것으 로 나타났다.
그러므로 점진성형에서 성형 치수 오차를 줄이기 위 해서는 양각성형보다는 음각성형을 하는 것이 항상 좋으 며 이송속도, 소재두께 및 공구경로 방법은 고려하지 않 아도 좋으나 공구직경, 단위성형 깊이, 다이유무는 성형 후 주요하게 사용하는 면이 성형 면인지 또는 성형 반대 면인지에 따라 신중하게 결정하는 것이 필요하다.
본 연구에서는 선택한 공정 변수의 주효과(Main effect) 만 고려하였기 때문에 공정 변수들 간의 교호작용(Interactive effects)은 오차항에 교락되어 검증하지를 못하였다. 교호작용까지 고려하기 위해서는 실험을 횟수를 더 증가 시키는 것이 필요하다. 또한 실험 형상을 원추대만 대상 으로 하였기 때문에 연구결과의 일반화에 부족함이 있다.
