Bodies of automobiles, ships and airplanes are composed of doubly curved sheet metals. Even though various processes are available for manufacturing doubly curved sheet metals, such as stamping, stretch-bending, roll forming, etc., the high setup cost and long setup time make them unsuitable for manufacturing small batches of doubly curved sheet metal components. On the contrary, incremental forming processes, which have attracted renewed attentions, do not require expensive conventional equipment and time-consuming setup operations. Thus, it is suitable and efficient for the small volume production of doubly curved sheet metals.
A new sheet metal forming process has an adjustable roll set as a forming tool instead of the formerly proposed incremental process by incremental press-bending technique. The roll set composed of one upper center roll and two pairs of lower supporting rolls plays a key role in this process. The motor-driven center roll rotates about a fixed axis and its rotation guides the workpiece movement. That is, after being pressed by the rolling center roll, the workpiece is moving in the tangential direction of the rotation of the center roll by the friction between the center roll and the workpiece. Each supporting roll rotates freely like a ball bearing so that it can help the workpiece move along the forming pass and be deformed by continuous bending.
In this process based on the incremental sheet metal forming, since bending deformation occurs within a local contact region of a sheet just beneath the center roll, it is incrementally deformed as deformation proceeds throughout its whole region by continuous rolling movement. According to the forming schedule, the sheet can be formed repeatedly to attain further depth in shape.
The process is characterized by high flexibility as compared with the typical incremental forming processes because it does not require any complex die and the loss of material is minimized without any need for the blankholder. The process involves very small thickness strain by applying the principle of bending deformation instead of stretching. In the proposed roll forming system, a newly designed gripper system is attached in order to achieve automation and more precision manufacturing of the required sheet intended double curvature. Also, the edge roll set is designed for the edge-forming which is carried out in the region near the edge. It is essential for the precision manufacturing because it can make the deformation in the edge region and this process reduces the errors considerably.
Numerical analyses using continuum based resultant (CBR) shell formulation have been performed to verify the forming mechanism of the new process and to ensure its characteristics. The results of the simulation show that the double curvatures are generated simultaneously through the forming along the centerline and the forming depth must be increased, not at a stretch but incrementally. Also, the effects of springback after the forming using the proposed process are negligible because the region with the plastic deformation generated by the roll set spreads over the entire workpiece through the multi-stage forming. The forming stages are determined by the numerical results of the relation between the load and the forming depth.
Fundamental experiments are performed to develop the basic forming method of the proposed flexible incremental roll forming process for manufacturing various doubly curved sheet metals. Though them, the forming stage and the basic forming paths are designed. The experimental results base on the basic forming method show that the key process parameters - two the distances of the supports rolls in pairs and the forming depth of the center roll - affect the generation of the double curvatures. Hence, the desired shape can be manufactured by controlling the key parameters. Among the various process parameters, the thickness of the initial blank also affects the final shape resulted from the Taguchi method.
The forming method has been further enhanced to form general quadrilateral blanks (including a square, a rectangle, a symmetrical trapezoid and an asymmetrical trapezoid, etc.) into doubly curved shapes by controlling the forming schedule developed by various experiments. Various forming paths can be constructed by the method to generate the forming schedule. They have unique characteristics to generate the double curvatures so they can be chosen according to the desired shape. It has also been shown that the choice of the forming paths affects the final shape of a blank, especially an asymmetrical blank.
Finally, the relationship between the experimental parameters and the boundary profiles the formed sheet is proposed to control the deformed shape more effectively. The process parameters such as the distance between supporting rolls in pairs and the forming depth of the center roll are applied in the relationship. It can be used to predict the final boundary profiles of the formed sheet. In other words, as the target shape is given, in a viewpoint of reverse engineering, it is possible to manufacture the desired shape by setting the values of process parameters and designing the forming paths after analyzing the boundary profiles.
The incremental roll forming process for the manufacture of a doubly curved sheet metal has been developed through the numerical analyses and various experiments. Using the proposed flexible forming system, it is possible to form general quadrilateral blanks into doubly curved shapes without any dedicated dies and great load.
자동차, 선박, 항공기 등의 동체는 이중곡률을 갖는 금속판재로 구성되어 있다. 이때 이중곡률이란, 타원면과 같이 면의 위치에 따라 x축과 y축으로 대표되는 평면 상의 두 축 방향으로 곡률이 서로 다르게 생성된 것을 의미한다. 이러한 이중곡률 형태의 금속판재를 성형할 수 있는 공정은 여러 가지가 있지만 간단한 성형공구와 간단한 금형만을 사용하여 비교적 저렴한 비용으로 다양한 형상의 금속판재를 성형할 수 있는 점진적 성형 공정에 주목하고자 한다.
본 논문은 이중곡률의 금속판재를 성형하기 위해 점진적 성형 원리를 기반으로 한 새로운 공정을 고안하고 수치적인 해석과 이를 바탕으로 구성된 실험장치를 통해 다양한 모양의 초기 평판을 이중곡률의 최종 형상으로 만드는 방법을 개발하고자 한다. 또한 원하는 형상을 제작하기 위해 공정 변수를 이용한 관계식을 제안함으로써 공정 변수의 설정을 통해 원하는 형상을 제작할 수 있는 방법을 제시한다.
점진적 롤 성형 공정은 롤셋(roll set)이라 명명한 성형공구로 금속판재에 굽힘 변형을 발생시킨다. 점진적 롤 성형공정에서 가장 핵심적인 부분인 롤셋은 한 개의 중심롤(center roll)과 두쌍의 받침롤(support roll)로 구성되어 있으며, 받침롤과 중심롤 사이에 금속판재를 위치시켜 놓고 중심롤로 눌러줌으로써 롤셋에 접촉하는 판재의 국부적인 영역에 굽힘 변형을 발생시킨다. 이때 세 점에 의한 굽힘 변형을 두 방향으로 동시에 발생시킴으로써 이중곡률을 갖는 판재를 성형할 수 있게 된다. 중심롤은 모터에 의해 구동되면서 고정된 축을 기준으로 회전이 가능하게 설계되어 있어 중심롤이 금속판재를 누르고 있는 상태에서 회전하게 되면 판재와의 접촉 부분에서 발생하는 마찰에 의해 재료를 이송하게 된다. 이때, 각각의 받침롤은 볼 베어링과 같이 방향성 없이 자유롭게 회전하기 때문에 중심롤의 회전에 의해 이송되는 재료의 움직임을 도울 수 있다. 이와 같이 롤셋을 이용하여 성형함으로써 금속판재에 국부적인 굽힘 변형을 두 방향으로 동시에 발생시키고 이를 판재의 전 영역에 걸쳐 연속적으로 발생시켜 이중곡률을 갖는 판재를 성형할 수 있게 된다. 점진적 롤 성형공정은 롤셋만을 이용하여 다양한 이중곡률의 금속판재를 성형할 수 있는 유연적 특성을 가지고 있다. 또한 굽힘 변형이 주로 발생하도록 설계되었기 때문에 두께 변형율이 매우 작아 찢어짐과 같은 문제점을 방지하였다. 그리고 블랭크 홀더를 대신하여 성형중에 발생하는 굽힘변형에 영향을 미치지 않는 그리퍼를 고안하여 재료를 성형경로를 따라 이동하는데 적용하였으며, 재료와의 접촉영역을 최소화시켜 재료의 손실이 거의 발생하지 않도록 설계하였다.
CBR(Continuum Based Resultant) 쉘 요소를 이용하여 제안된 공정의 특성을 파악하기 위한 수치적인 해석을 수행하였다. 정사각형 시편의 중심선을 따라 롤셋으로 성형해 본 결과 두방향으로 곡률이 동시에 발생함을 확인하였고, 원하는 성형깊이까지 한번에 성형하는 대신 성형하중을 크게 감소시킬 수 있는 다단 성형방법을 해석결과를 통해 제안하였다. 또한 스프링백 해석을 통해 중심롤이 접촉하는 영역내에서는 스프링백의 효과가 거의 무시할 만한 수준임을 확인하였다.
점진적 롤 성형 공정을 통해 다양한 실험이 수행되었다. 우선 기초실험을 통해 두쌍의 받침롤의 간격과 중심롤이 눌러주는 성형깊이 그리고 재료의 두께 등이 최종 형상에 영향을 미치는 주요 공정 변수임을 확인 하였다. 또한 성형경로의 생성방법도 제시하였는데, 우선 기본적으로 직사각형의 대변을 등분하여 구성하는 RCP(Regular Checker-board Patterned) 성형경로를 제안하였고 사다리꼴과 같이 빗면을 같는 초기 시편에 대해 초기 형상에 적응하면서 구성되는 IEC(Inclined Edge-Conforming) 성형경로를 제안하였다. IEC는 대변을 등분하여 구성할 수도 있고 대변으로 이뤄지는 삼각형의 꼭지각을 등분하여 구성할 수도 있다. 이러한 성형경로는 실험을 통해 각기 다른 패턴의 곡률을 생성시키며 최종 형상에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 따라서 원하는 형상에 따라 필요한 성형경로를 선택하여 구성함으로써 다양한 이중곡률의 판재를 제작할 수 있다.
원하는 형상을 구현하기 위해 공정변수와 최종 성형된 시편의 경계 프로화일간의 관계식을 유도하였다. 즉, 원하는 형상의 경계 프로화일을 분석하여 경계부분의 프로화일의 형상대로 재료가 성형될 수 있도록 공정변수들을 설정해 주면 원하는 형상으로 제작할 수 있다. 이때 경계부분의 형상오차를 최소화하기 위해서는 에지성형을 필수적으로 수행해 주어야 하며, 성형된 경계부분의 프로화일과 원하는 목표치간의 차이를 정량적으로 나타낼 수 있는 평균프로화일오차(Mean profile deviation)을 정의하여 목표치와의 일치성 여부, 추가성형의 실행 여부를 판단하는 기준값을 확보하였다.
