1.서 론

점진성형(Incremental sheet metal forming)은 설계형상의 3D CAD 정보로부터 점진성형에 관한 등고선 공구 경로를 추출한 뒤 판재물(blank)을 플레이트(plate)에 고정시키고 CNC 제어를 이용하여 형상을 점진적으로 성형하는 방법 이다.

점진성형은 기존의 프레스 공정에서 필수적으로 요구 되는 상·하 금형의 설계 및 제작에 따른 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있어 최근 많은 연구가 행해지고 있 다[1-3, 6].

그러나 점진성형의 가장 큰 단점 중의 하나는 성형 중 에 발생하는 스프링백의 영향으로 치수정밀도가 저하된 다는 점이다. 절삭공정은 가공 정밀도가 우수하며 치수오 차 예측이 어느 정도 가능한 반면 점진성형은 치수오차가 상대적으로 크고 그 크기를 예측하기가 용이하지 않은 문 제점이 있다.

지금까지 점진 성형에서의 스프링백에 의한 치수오차 에 관한 연구는 대부분 점진성형의 공정 파라미터(process parameters)와의 관계를 규명하는데 맞춰져 있다[8]. Cavaler[4]은 stainless steel 소재에 대하여 공구의 종류 (직경, 코팅유무), 단위 성형깊이, 성형각도가 형상오차 에 미치는 영향을 연구하였고, Radu[10, 11]은 일반강판 소재를 대상으로 공구직경, 단위 성형깊이, 이송속도, rpm을 공정 변수로 형상오차에 미치는 영향을 연구하였 다. Ambrogio[2]는 알루미늄 소재를 대상으로 성형정밀 도와 공정 변수와의 관계를 규명하였고 Wen[14]은 스프 링백에 따른 성형치수 오차를 최소화하는 조건을 찾아 낸 후 음보정(negative compensation)을 이용하여 치수정 밀도를 높이는 방법을 제시하였으며 또 다른 연구[13]에 서는 포밍 각이 형상의 치수오차에 미치는 영향을 분석 하였다.

성형치수오차와 관련된 지금까지의 연구는 Kang and Jung[7] 대부분 <Figure 1>과 같이 단일형상(특히, (a)와 같은 원추절두체(cone frustum)에 적용된 경우가 대부분 으로[5] 연구의 결과를 다양한 형상에 대하여 일반화하 는 데에는 제약이 따른다. 예를 들어 Lee[8]의 연구에서 도 원추절두체를 실험형상으로 무금형 음각성형과 충분 금형 음각성형에는 성형오차에 큰 차이가 없다는 결론을 제시하였는데 크기나 형태가 다른 실험 형상에도 동일한 결과가 나올 수 있는 지에 대한 언급이 없다.

따라서 본 연구에서는 공정 파라미터를 대상으로 한 기존의 연구와 달리 형상의 모습(크기, 경사각, 형상 등) 을 대상으로 점진 성형에 의하여 스프링백이 어떤 형상 에 크게 발생하는 지에 대하여 분석하고자 한다. 실험은 전용 점진성형머신을 이용하였으며 스프링백의 측정은 비 접촉식 3차원 스캐너를, 치수 오차 분석에는 측정 데이 터 전용 분석 S/W를 이용하였다.

2.점진성형 실험

2.1.실험용 형상

실험에 사용하는 성형 형상을 결정하는 파라미터가 <Figure 2>에 나타나 있다. 형상 파라미터로는 형상 타입 (cone, pyramid), 형상 크기(size), 형상 높이(height), 옆면 테이퍼 각도(side angle), 밑면 테이퍼 각도(bottom slope angle)를 선정하였다. 형상을 결정짓는 주요 요소인 형상 지름과 높이를 기반으로 옆면의 테이퍼 각도를 추가하 였으며 지지대가 없는 무금형의 특성을 고려하여 밑면 각도도 형상 파라미터[7]로 하였다. 아래 <Figure 2>에 주요 파라미터인 크기, 높이, 옆면 및 밑면 각도가 표시 되어 있다.

2.2.실험의 수준 선정

위에서 선정한 5가지 파라미터를 실험 인자로 요인배 치법(Factorial design)의[5] 적용을 위하여 <Table 1>과 같이 각각 2가지 수준을 설정하였다. 수준은 형상의 파 라미터가 영향을 미치는지를 확인할 수 있는 범위 내에 서 적절히 설정하였다.

2.3.실험의 방법

점진성형에는 양각성형(positive forming) 방법과 음각 성형(negative forming) 방법이 있다. 양각성형은 성형 판재물 하단에 지지대를 두고 중앙에서 바깥쪽 방향으 로 성형하는 방법이고, 음각성형은 소재의 가장자리부 터 중앙부로 점진적으로 성형하는 방법이다. 양각성형이 음각성형에 비하여 성형 정밀도가 우수하다고 알려져 있으나 음각성형은 지지대와 같은 부가적인 장치 없이 일반 CNC 머신센터에서 쉽게 구현할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 음각성형 방법으로 실험을 실시하 였다.

2.4.실험 계획

본 연구에서는 실험의 계획 및 분석을 위하여 실험계 획법 중 하나인 2수준계 L₈(2⁷) 직교배열표를 사용하였다. 직교배열표는 요인배치실험에서 사용자가 원하는 효과만 을 구할 수 있도록 실험의 조건을 간단하게 제공해주는 일부실시법의 한 방법이다. 실험의 5가지 인자의 주효과 를 알아보기 위하여 8번의 실험을 요구하는 L₈(2⁷) 직교 배열표의 실험 조건이 <Table 2>에 정리되어 있고 각 실 험 조건에 해당하는 실험 형상의 모습이 <Figure 3>에 나 타나 있다.

2.5.실험 환경

점진성형 실험에는 전용 기계인 AMINO사의 DLNCPA(<Figure 4> 참조)를 사용하였다. 성형 조건은 공구직 경 8mm, 이송속도 2,000mm/min, 단위 성형깊이 0.3mm로 일 정하게 하였고 소재는 1.3t의 Al 1050-H16를 사용하였다. 성형 결과물의 형상치수오차의 측정에는 SmartSCAN 3D Scanner(<Figure 5> 참조)를 사용하였고 스캔 데이터의 분석에는 전용 S/W인 Geomagic을 사용하였다.

3.실험결과 및 분석

3.1.실험결과

아래의 <Figure 6>에 8번의 성형 실험을 통해 얻어진 결과물이 순서대로 나타나 있다.

3.2.형상 치수 오차의 측정

형상의 치수오차는 성형면과 성형반대면 각각에 대하 여 측정 분석하였다. 점진성형에서는 성형면이 주요면으 로 사용될 수도 있지만 성형 반대면이 사용될 수도 있기 때문이다. 아래 <Table 3>은 양 면을 모두 측정한 결과이다.

성형면과 성형반대면의 형상치수 오차의 전체적인 특 징을 알아보기 위하여 각 실험별 비교 그래프를 <Figure 7>에 나타내었다.

그래프를 통하여 성형면과 반대면에서 발생하는 치수 오차는 비슷한 경향을 보이고 있음을 알 수 있으며 성형 반대면이 전체적으로 성형면에 비하여 평균 0.48mm 정도 큰 치수오차를 보이고 있다. 이는 표면거칠기에 대한 기 존의 연구결과와 유사하다[9].

3.3.분산분석(ANOVA)

실험 결과를 상용 통계분석 상용 S/W인 Minitab을 이용 하여 분산분석(ANOVA)을 실시하고 유의수준(significant level)은 5%로 설정하였다.

3.3.1.성형면 분석

분산분석에 앞서 주효과(Main effects) 그래프가 <Figure 8>에 나타나 있다. 그래프에서 수평선은 총 평균을 나타 내고 각 점은 해당 수준에서의 평균값을 나타낸다. 그래 프에서 두 점 사이의 기울기가 큰 인자는 주 효과가 수 준에 따라 유효함을, 기울기 변화가 작은 경우는 상대적 으로 유효하지 않는 것을 대략적으로 나타낸다.

정확한 분석을 위하여 <Table 4>와 같이 분산분석(ANOVA) 를 실시하였다. 그 결과 유의수준 5%에서는 유의한 인자가 나타나지 않았다.

이에 따라 주인자 중 효과가 가장 미미한 것으로 판정 된 형상높이(shape height)를 오차항으로 풀링한 후 2차 분산분석을 실시하였다. 여기서 풀링(pooling)이란 F-검 정 결과 유의하지 않은 주효과 및 교호작용 효과를 오차 항에 넣어서 자유도가 높은 새로운 오차항을 만드는 것 으로서 풀링을 실시하면 검정 검출력(power of test)이 커 져 실험의 정확도가 높아지게 된다. 그 결과 <Table 5> 에서 보는 바와 같이 유의수준 5%로 형상 타입과 바닥 각도가 유의한 인자로 판정되었다.

3.3.2.성형반대면 분석

성형반대면에 대해서도 <Table 6>과 같이 동일한 방법 으로 분산분석을 실시하였다.

형상의 높이(shape height)를 1차 풀링 후의 2차 분산 분석의 결과가 <Table 7>에 나타나 있다. 성형면 분석과 달리 1차 풀링 후에도 유의수준 5% 기준으로 유의한 인 자가 나타나지 않았다.

이에 따라 인자 중 효과가 가장 미미하다고 판단되는 형상지 름(shape diameter)을 오차항으로 재 풀링한 후 <Table 8>과 같이 3차 분산분석을 실시하였다. 그 결과 유의수준 5%로 형상타입(shape type)과 바닥각도(bottom slope angle)가 유의한 인자로 판정되었으며 이는 성형면의 분석과 동일한 결과이다.

4.형상치수 오차의 원인 분석

분산분석을 통하여 5가지 파라미터 중에서 형상의 타입 과 바닥 경사각이 스프링백의 크기에 영향을 미치는 인자 로 밝혀졌다. 그리고 원뿔 형상보다는 피라미드형상이 형 상 치수오차가 크고 바닥 경사면이 있는 경우도 없는 것보다 형상치수 오차가 더 컸다. 이 장에서는 측정데이터의 단면 (section) 분석을 통하여 치수오차의 발생 원인을 알아본다.

4.1.형상의 타입

원뿔형상과 피라미드형상의 단면에서 스프링백 크기 가 <Figure 9>에 나타나 있다(그림에서 오차의 양은 실제 값의 10배 큰 값으로 표현하였다). 원뿔형상(<Figure 9> (a))의 경우 측정데이터와 CAD 데이터 사이에 큰 차이가 없는 반면 피라미드형상의 경우 <Figure 9(b)>는 모서리 부분과 4개 면의 중앙부에서 오차가 많이 발생하였다.

이를 통해 피라미드형상과 같이 단면이 사각형(rectangle) 인 경우는 원(circle)인 경우에 비하여 스프링백 현상이 크게 발생함을 알 수 있다.

다음 <Figure 10>은 pyramid type을 3개의 횡단면상의 치수 오차를 4각형의 둘레에 대한 상대적인 오차를 비교 한 것이다. <Figure 10>의 sec. 1은 높이의 100% 위치에 서의 횡단면이고 sec. 2는 85%, sec. 3은 70%에서의 횡단 면이다. <Figure 10>에서 보는바와 같이 85% 위치에서 오차가 가장 크게 나타났으며 절대오차 비교에서도 sec. 2가 가장 크다.

4.2.밑면 경사

밑면 경사가 0도인 경우와 8도인 경우의 단면에서의 스프링백의 크기가 <Figure 11>에 나타나있다(그림에서 오차의 양은 실제의 10배 큰 값이다). 밑면의 경사각이 0°인 평편한 면보다 경사가 있을 경우 바닥면 성형에서 큰 오차가 나타났다.

이는 경사진 바닥면을 성형할 때 아래쪽으로 인장력이 발생해서 생기는 오차로 볼 수 있다. 즉 밑면이 평평하지 않고 경사진 경우에는 점진성형이 <Figure 12>와 같이 진 행되고 공구가 아랫방향으로 힘을 가하면 측면과 함께 기 성형된 B부위에도 성형력이 다시 영향을 미쳐 아래쪽으 로 밀려나ㅍ는 현상이 발생한 것으로 볼 수 있다.

5.결 론

본 연구에서는 음각점진성형에서 형상이 치수오차에 어 떠한 영향을 미치는지를 알아보기 위하여 5개의 형상 파라 미터(형상타입, 형상크기, 형상높이, 옆면각도, 밑면각도)를 대상으로 실험계획법의 L₈(2⁷) 직교배열표를 이용하여 실험 을 실시하고 분산분석을 통하여 유효한 인자를 규명하였다.

먼저 형상치수오차에 유의한 영향을 미치는 인자는 형 상 타입과 바닥면 각도였으며 형상크기, 형상높이, 옆면 각도 등은 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이는 성 형면 및 성형 반대면 모두 동일한 결과였다.

형상 타입의 경우 원뿔 형상이 피라미드 형상보다 치 수오차가 작았으며, 바닥면 각도의 경우 평편한 바닥면이 경사진 바닥면보다 형상치수오차가 더 작은 것으로 나타 났다. 피라미드 형상은 원뿔 형상에 비교하였을 때 각 면 의 중앙부와 모서리부에서 스프링백에 의한 치수 오차가 많이 발생하였으며 바닥면의 경우 경사가 있을 때 성형 시 발생하는 인장력으로 측면과 바닥면에서 상대적으로 큰 오차가 발생함을 확인하였다.

따라서 피라미드 형상과 같이 단면이 사각인 형상을 성형할 경우에서 스프링백을 고려한 공구경로 생성과 같 은 방법[12]을 고려할 필요가 있으며 바닥면이 경사진 경 우에는 바닥면 하단에 지지대 등으로 보완을 하여야 치수 오차를 줄일 수 있을 것이다.