Profiles with variable cross-sections in the directions of width and depth have advantages for practical designs and aesthetic shapes for industrial applications. To meet increasing demands for the profiles, the flexible roll forming process has been developed to fabricate profiles with variable cross-sections.
A roll-formed profile with variable cross-sections fabricated by flexible roll forming has shape errors, such as warping and buckling, because of geometrical deviations in transitional zones of the profile between an initial metal strip and a roll-formed profile. To reduce the shape errors, a new process, the incremental counter forming (ICF), has been proposed. The shape errors of roll-formed profiles are reduced by the ICF process. Process parameters of the ICF process have been investigated. As the longitudinal strain at the flange part in the concave zone increases and the longitudinal strain at the flange part in the convex zone decreases by the ICF process, warping of a profile has been improved. When the longitudinal strain in the straight zone reaches a critical limit, the additional longitudinal strain works as an excessive longitudinal strain to worsen the warping of the profile.
To design a span length between a forming roll of flexible roll forming and a roll set of the ICF process, the deformation length of flexible roll forming has been analytically predicted. Shape parameters of a profile with variable cross-sections, such as the radius of curvature, the transition angle in transition zones, and the bending angle are investigated to predict the deformation length of a profile during flexible roll forming. The deformation length has been predicted by adapting the energy method to consider the longitudinal deformation at flange parts and the bending deformation at bending parts of a profile. Predicted results have been validated by the FEA results. The results have shown that the proposed method is capable of predicting the deformation length of profiles with variable cross-sections within ranges of reasonable assumptions.
The flange part in the convex zone of a profile has been investigated. As the bending angle of the flange part increases stepwise during the flexible roll forming process, the compressive stress at the flange part in the convex zone increases to induce buckling. The transition angle as a shape parameter, in the convex zone of the profile has been investigated to avoid buckling by using analytical approaches combined with FE simulations. A profile with a transition angle which lies within the range without buckling is applied by the ICF process to improve warping over the profile. Finally, applications of profiles with variable cross-sections are designed to verify the effectiveness of the ICF process experimentally.
For fabricating profiles with variable cross-sections in the direction of depth, the flexible roll forming process is investigated by FE simulations. Variable cross-sections in depth of profiles are newly designed and studied. The transition angle in transition zones has been investigated regarding the additional shape errors. Two types of shape errors are defined. As the first shape error, deviations between the targeted amount of variable cross-sections in the depth direction and the obtained amount of variable cross-sections are defined. As the second shape error, geometrical deviations between the targeted shape of an edge and the obtained flange edge is measured after flexible roll forming in the depth direction. As the transition angle of the transition zones increases, i.e. the amount of variable cross-sections in the depth direction increases, the results show that the shape errors increase.
The concept of the ICF process has been introduced to improve the shape error of profiles with variable cross-sections in the depth direction. Process parameters, such as amount of counter forming of the ICF process, the roll distance in each ICF roll set, and the gap between an upper roll and a bottom roll of the ICF process, are investigated by employing design of experiments (DOE). Initial blanks are designed for optimum blank shapes by applying sensitivity analysis. Until the optimum blank shapes are acquired, sensitivity analysis is iterated to improve the shape error of the flange edge. The FEA results have shown that both methods work to improve the shape errors of the profiles with variable cross-sections in the depth direction.
Finally, the study has been shown that the effectiveness of the ICF process is capable of improving the accuracy of the profiles with variable cross-sections in the width and depth directions.
폭방향과 깊이방향의 가변단면을 갖는 프로파일은 산업적 제품을 제작함에 있어 실용적인 설계와 미적인 형상을 제작할 수 있는 장점들을 갖는다. 가변롤성형 공정은 이러한 가변단면을 갖는 프로파일의 요구에 대응하기 위한 성형공정으로 개발되어 왔다.
가변롤성형으로 성형한 프로파일은 뒤틀림, 좌굴과 같은 형상결함을 갖는다. 이는 프로파일이 가변하는 영역에서 초기 시편의 형상과 롤성형된 프로파일 간의 형상편차의 영향 때문이다. 형상결함을 줄이기 위해 새로운 공정인, 점진적 역성형(ICF) 공정을 제안하였다. 점진적 역성형 공정의 형상변수를 분석하였다. 점전직 역성형 공정에 의해 프로파일 플랜지 부분의 오목(concave)영역에서는길이방향 변형률이 증가하고, 볼록(convex)영역에서는 길이방향 변형률이 줄어 들었고, 프로파일의 뒤틀림이 개선되었다. 점진적 역성형 공정에 의해 직선영역의 플랜지 부분에서 길이방향 변형률을 증가시키고, 증가량이 임계한계에 도달하면 과도한 길이방향 변형률로 작용해 프로파일의 뒤틀림이 나빠졌다.
성형롤과 점진적 역성형 롤 사이의 간격인, 경간거리를 설계하기 위해, 가변롤성형 프로파일의 변형길이를 이론적으로 예측하였다. 프로파일의 설계변수인 곡률 반경, 가변영역의 가변각도, 그리고 굽힘각도를 분석하였다. 플랜지 부분의 길이방향 변형과 굽힘영역의 굽힘변형을 고려하기 위해 에너지법을 적용해 변형길이를 예측하였다.결과는 유한요소해석 결과로 유효성을 확인하였다. 예측된 변형길이는 가정을 만족하는 형상변수의 범위에서 예측 가능함을 확인하였다.
볼록(convex)영역의 플랜지 부분의 거동을 분석하였다. 롤성형 과정에서 굽힘각도가 점진적으로 증가함에 따라 좌굴이 발생될 정도로 압축응력이 증가하였다. 이론과 유한요소해석을 혼합한 접근방법으로 볼록영역에서 형상변수인 가변각도를 좌굴이 발생하지 않는 형상변수 범위를 예측하였다. 좌굴이 발생하지 않는 형상변수 범위의 프로파일에 점진적역성형 공정을 적용해 뒤틀림을 개선하였다. 최종적으로 가변단면을 갖는 프로파일의 응용형상을 선정해 점진적 역성형공정의 유효성을 검증하였다.
깊이방향으로 가변단면을 프로파일을 성형하기 위해 유한요소해석을 통해 가변롤성형 공정을 분석하였다. 기존에 제작하지 못했던 가변단면의 프로파일을 설계하여 분석하였다. 부가된 형상변형을 분석하기 위해 가변영역의 가변각도 형상변수에 대한 분석을 수행하였다. 두 가지 형상변형 유형이 발생함을 확인하였다. 첫째는 목표하는 깊이 가변량과 실제 깊이 가변량의 편차이다. 둘째는 플랜지 끝단의 목표 형상과 실제 성형한 프로파일의 플랜지 끝단의 편차이다. 각 형상편차는 가변영역의 가변각도가 증가함에 따라, 즉 깊이 가변량이 증가함에 따라, 증가하였다.
점진적 역성형 공정 개념을 도입해 깊이방향 가변단면을 갖는 프로파일의 형상결함을 개선하였다. 역성형 량, 점진적 역성형 롤 간격, 그리고 상단롤과 하단롤의 간격을 공정변수로 정의하여 이에 대해 실험계획법을 적용하였다. 또한, 민감도 분석을 적용해 초기 블랭크 형상을 설계하여 최적화하였다. 유한요소해석을 통해 제안된 두 방법은 형상결함을 개선함을 확인하였다.
