The success of the hydroforming process without any defect depends greatly on the fluid pressure vs. punch stroke relationship. Departure from a proper curve results in necking at the punch shoulder or wrinkling at the flange and the deformed sheet has uneven distribution of thickness. The present study is concerned with hydroforming of noncircular boxes in which he product has a uniform distribution of sheet thickness.
For the analysis of hydroforming of generally shaped boxes, a kinematically admissible velocity field is proposed with some appropriate assumptions. From the proposed velocity field, the fluid pressure vs. punch stroke relationship so as to render a uniform thickness and the deformed configuration are determined by minimizing the total power consumption with respect to some chosen parameters. In computation the deforming region is divided into the finite number of small elements and the work-hardening effect is considered for each elemental region. The analysis is made in three stage according to the shape of boxes.
i) Hydroforming of regular polygonal boxes.
ii) Hydroforming of longitudinally curved boxes with regular polygonal cross-section.
iii) Hydroforming of arbitrarily shaped boxes; as examples, shaped boxes of which cross-section changes gradually from an ellipse to a circle and of which cross-section changes gradually from a trocoidal shape to a circle.
The effect of various process parameters including blank shape and size, work-hardening exponent, frictional coefficient on the pressure curve is discussed.
In order to confirm the validity of the proposed velocity field, a CNC hydroforming press has been developed and experiments have been carried out with cold-rolled steel sheets using the developed machine. The fluid pressure is controlled by the PI-control algorithm using the theoretically computed fluid pressure vs. punch stroke relationship. The validity of the assumption of uniform thickness in the analysis for hydroforming and the usefulness of a kinematically admissible velocity field are confirmed by the experiments.
It is, therefore, shown that the proposed method of analysis in the present study can be effectively used for the hydroforming of arbitrarily-shaped boxes.
하이드로포밍 공정으로 결함이 없는 제품을 생산하는 데에는 펀치 행정에 대한 작업 유체의 압력이 중요한 역할을 하게 된다. 압력이 적절치 못할 경우 펀치 쇼울더(punch shoulder)에서의 네킹(necking)이나 플랜지(flange)에서의 주름(wrinkling)이 발생하게 되며, 성형품의 두께가 불균일하게 된다. 본 논문의 목적은 균일한 두께를 갖는 비원형 제품 (noncircular box)를 성형하는 하이드로포밍 공정을 해석하는 데 있다.
본 논문에서는 일반적인 형상의 하이드로포밍을 해석하기 위하여 몇가지 가정을 도입하여 동적가용 속도장(kinematically admissible velocity field)을 제안하였다. 제안된 속도장을 이용하여 몇 개의 최적화 변수(optimizing parameter)들에 대하여 전체 소성변형에너지 소모율 (total power consumption)을 최소화 함으로써 균일 두께 제품의 생산에 적합한 압력 및 변형 모양을 구하였다. 이론 계산에 있어서 재료의 가공 경화를 고려하기 위해 소성변형 영역을 몇 개의 작은 요소들로 나누었으며, 이들 각 요소에 대해서 유효변형도, 유효응력, 에너지 소모율 등을 계산하였다.
본 논문에서는 펀치의 형상에 따라 다음과 같이 세 분야로 나누어 연구를 진행시켰다.
i) 정다각형컵의 하이드로포밍
ii) 단면이 정다각형이고 종방향으로 곡면을 가진 컵의 하이드로포밍
iii) 타원에서 원으로 트로코이달(trocoidal) 형상에서 원으로 점차적으로 변화하는 등의 임의의 형상을 갖는 컵의 하이드로포밍
시편의 형상 및 크기, 가공경화 지수, 마찰계수 등의 성형제인자들이 압력에 미치는 영향을 구하였다.
유도된 속도장의 타당성을 입증하기 위하여 CNC 하이드로포밍 프레스를 개발하였고, 이 장치를 이용하여 냉간 압연 강판으로 실험하였다. 본 이론으로 계산된 압력을 목표치로 하는 비례적분제어기를 이용하여 압력을 조절하게 하였다. 실험에 의하여 본 논문에서 사용한 두께가 균일하다고 가정의 타당성과 임의의 형상 컵의 성형시 유도된 동적가용 속도장의 유용성을 입증하였다.
따라서 본 논문에서 제안된 해석 방법은 임의의 형상 컵의 하이드로포밍 공정에 유용하게 이용될 수 있다.
