Hot gas blow forming including superplastic forming provides significant opportunity for forming complicated and lightweight components. One of the most important advantages of superplastic forming is the simplicity and economy in tooling. But only restricted materials have superplastic characteristics to get high deformation. If formed shape doesn’t need superplastic deformation, hot gas blow forming can be applied using NON-SPF grade material. It will save cost and manufacturing time. But blow forming using NON-SPF grade material should loss thickness uniformity due to low formability if flat blank is used. And fracture would occur in local thinning area. In this study, thickness profiled blank is designed using optimization technique to get high formability in blow forming of Inconel 718.
To analysis forming process at high temperature, material characterization to describe the behavior of material is required. Material characterization of Inconel 718 was carried out to determine the material parameters for flow stress throughout free bulging test under constant temperature at 980℃. The measured height of bulged plate during the test was used for estimation of strain-rate sensitivity, strain-hardening index and cavity volume fraction with the help of numerical analysis and micro structure observation.
Using obtained flow stress equation, thickness profile of blank is optimized by genetic algorithm and equivalent static loads method for non-linear static response structural optimization(ESLSO) to maximize bulged height with limited strain range.
When ESLSO is applied, optimization with wide design range is difficult because the effectiveness of equivalent static loads is not valid if there are wide changes in design values. In genetic algorithm, a lot of non-linear iterations are required to get global optima. To compensate drawbacks of each algorithm, ESLSO is started from the results of genetic algorithm obtained from reasonable iteration numbers. To maximize the design range in ESLSO, move limit scheme is applied during non-linear iteration considering the effectiveness of equivalent static loads. Optimization results show increased formability and possibility of gas forming using non-SPF grade Inconel 718.
Free bulging test using blank which has optimized profile is conducted to verify the optimization process. Result is compared with that of numerical analysis in bulged height, deformed shape and thickness and it shows good agreement.
Verified optimization process is applied to obtain profile of blank thickness for hemi-sphere forming and sandwich structure forming. In hemi-sphere forming example, the maximum strain after forming is minimized. Flat blank could not be applied for hemi-sphere forming because of failure caused from local thinning. As a result of optimization, hemi-sphere could be formed without failure. In sandwich structure forming, blank is designed to minimize un-deformed area without failure. Its result shows that sandwich structure can be formed successfully using NON-SPF grade material.
불림 성형은 원활한 성형성을 이끌어 낼 수 있는 조건인 고온에서 가스압력으로 성형하는 기법이다. 초소성 특성이 있는 재료를 이용한 불림 성형 방법인 초소성 성형은 재료의 낮은 유동응력과 특정 변형률 속도에서의 높은 최대변형률을 이용하여 복잡하고 얇은 구조에 대하여 간단한 방법으로 성형할 수 있는 방법이지만 초소성 특징이 있는 재료는 한정되어 있다. 만약, 초소성 특징이 없는 재질을 이용하여 불림 성형을 한다면 성형 후에 두께의 비균일성이 심해지며 최대 변형률에 있어서 한계가 있으므로 성형 중 파손가능성이 높다. 본 연구에서는 구조 최적화 설계 기법을 이용하여 초소성 특성이 없는 인코넬 718을 이용한 불림 성형 시 성형성을 향상시키기 위한 블랭크의 두께분포 최적화에 관한 연구를 수행하였다.
먼저, 인코넬 718의 고온 유동 특성 파악을 위하여 다양한 온도와 변형률속도 조건에서 고온 인장시험을 수행하였다. 980℃에서 자유벌징 시험 중에 측정된 정점에서의 변위와 시험 후 관찰된 미세조직사이의 캐비티 면적율을 이용하여 유동응력을 변형률, 변형률속도, 캐비티 면적율의 함수로 나타내었다. 이러한 과정을 통해 자유벌징 시험만을 이용하여 인코넬 718 2축 상태의 유동응력식을 파악하였으며, 설정된 성형 조건 범위 내에서는 유동응력식이 잘 일치함을 유한요소해석을 통해 확인하였다.
구해진 유동특성을 반영하여 자유벌징성형 중 제한된 변형률이내에서 변형을 최대화 시키는 블랭크의 두께분포 최적설계를 수행하였다. 등가정하중을 이용한 구조최적화는 비선형모델과 동일한 응답특성을 가지는 등가정하중을 이용하여 선형 최적화를 수행하므로 효율적인 최적설계를 할 수 있지만, 설계 영역이 넓어지면 등가정하중의 유효성이 감소하여 최적화에 한계가 있다. 유전자 알고리즘을 사용하면 전역 최적점을 찾을 수는 있지만 많은 회수의 해석이 필요하게 된다. 두 최적화 방법의 단점을 상호 보완하며 효율적인 최적설계를 위하여 먼저 유전자 알고리즘을 이용한 최적화를 진행하되, 최대 진화 세대수를 적절한 수준으로 제한하였고, 얻어진 결과로부터 다시 등가정하중을 이용한 최적 설계를 진행하여 최적점에 도달하고자 하였다. 등가정하중을 이용한 최적설계에 있어서는 설계 영역을 넓이기 위하여 비선형 해석 후 등가정하중을 이용한 구조최적화시 설계 영역을 등가정하중이 구해진 영역근처로 재 정의하는 방법을 사용하였다. 제안된 최적설계 절차로 자유벌징에 대한 최적화를 수행하여 변형을 최대화 시키는 블랭크의 두께분포를 얻었으며, 최적화 형상으로 가공된 블랭크를 이용한 자유벌징 시험을 수행하였다. 그 결과 최적화결과에서 예측된 변형형상, 정점에서의 변형 경향, 두께분포와 동일한 결과를 얻어서 최적화 과정의 유효성을 입증하였고, 최적화 결과과 실제 구현될 수 있음을 검증하였다.
검증된 최적화 절차를 반구성형과 샌드위치 구조 중 코어 구조 성형에 적용하여 성형성을 최대화 하는 블랭크의 두께분포를 얻었다. 반구 성형에 있어서는 평판형 블랭크를 사용할 경우 성형 중 재료의 파손으로 성형이 불가능하였으나, 성형 후 변형률을 최소화 시키는 최적두께 분포를 적용하면 파손 없이 균일한 변형률 분포를 가지는 반구 형상을 성형할 수 있음을 보였다. 샌드위치 구조의 성형에 있어서는 성형 중 파손이 발생하지 않으며 미성형 영역을 최소화하는 블랭크 두께 분포 최적화를 수행하여 초소성 특성이 없는 재료를 사용하더라도 초소성 성형과 유사한 형상의 성형품을 얻을 수 있음을 확인하여, 일반 재질을 사용한 불림 성형에 있어서 적용 영역을 확장하였다.
