Surface Quality of Products according to the Material and Coating Condition of the Forming Tool in Incremental Sheet Forming

점진성형공구 코팅처리 및 소재에 따른 성형품 표면품질 분석

Abstract

This study is concerned with the surface quality of products according to the material and coating condition of the forming tool in incremental sheet forming. Three forming tools, SKD11 with and without diamond-like-coating (DLC) and polymer tool tip, were used to form conical and pyramidal geometries to take into account the influence of friction between the forming tool and the sheet on the surface quality including geometric accuracy of deformed samples. Each test was performed using SUS304 with a thickness of 0.4 mm according to different incremental depths per lap of 0.5 mm, 1.0 mm, and 1.5 mm for the contour tool path, considering the increase in normal force which is associated with the frictional behavior during local deformation. The surface quality was then investigated through surface roughness measured with KEYENCE VR-6000 and relative strain distribution including deformed shape analyzed with ARGUS which is a non-contact optical strain measurement system. Differences between 3D CAD surfaces and captured geometry from experiments were evaluated to compare the effect of friction on geometric accuracy. From comparisons of experimental results, it was revealed that the polymer-based tool tip can improve surface quality and geometric accuracy by reducing the undesired material flow due to local friction in the increment sheet forming process.

1. 서론

현대 제조 산업은 소비자 개인의 기호를 반영한 다양한 형상의 제품화 니즈에 효과적으로 대응하기 위해 다품종 소량 유연생산공법 개발과 적용 분야에 대한 시장성 및 유효성을 지속적으로 검토 중이며, 맞춤형 생산 기술의 경쟁력 확보와 내재화를 위해 유관 분야의 연구개발 비중을 확대하고 있다[1, 2]. 판재 성형 관련 제조 분야에서는 다품종 소량생산을 해소하기 위한 해결책으로 종래 프레스 기반의 대량생산 방식에서 벗어나 점진성형공정에 기반한 맞춤형 제품화 및 복합 공정으로 확대 적용에 대한 검토가 활발히 진행 중에 있으며, 특히 점진 성형품 표면의 품질을 확보하기 위한 공정설계, 공정변수 최적화 및 생산장비 고도화에 관한 연구개발이 요구되고 있다[3-7].

점진성형공정은 일반적으로 성형공구를 기반으로 끝단이 고정된 판재 내 성형력을 부여하여 국부적인 변형을 유도하고 이를 깊이 방향으로 지속적으로 누적하여 목표하는 형상을 구현한다. 공정 특성상 성형공구와 피성형품 사이에 필연적으로 마찰이 발생하며 국부적인 성형에 의한 마찰 증대로 인해 제품 표면 압흔, 표면 변색 및 갈림, 성형 방향으로 의도치 않은 변형 누적으로 인한 제품 형상 정밀도 저하 등의 문제가 발생한다[8, 9]. 따라서, 성형공구와 피성형 소재 간 마찰 특성은 성공적인 점진성형품 확보를 위한 가장 주요한 공정변수로 볼 수 있으며, 점진성형 시 소재 변형과 마찰 특성에 대한 영향 분석이 필수적으로 검토되어야 한다.

본 연구에서는 다양한 제조 산업분야에서 널리 활용되고 있는 SUS304 판재를 대상으로 점진성형공정을 검토하며, 특히 성형공구용 소재 및 코팅 처리에 따른 마찰특성 변화가 성형품 표면품질에 미치는 영향을 중점적으로 분석한다. 생산성 관점에서 점진성형 증분(incremental forming depth) 크기를 고려하여 증분 크기에 따른 마찰력 증대가 소재 변형 거동 및 표면 품질에 미치는 영향을 추가적으로 진행하며, 소재 변형 모드에 대한 공정변수 영향을 살펴보기 위해 앞선 시험조건에 대해 원뿔과 피라미드의 3차원 형상을 성형한다.

2. 점진성형 실험구성

2.1 목표형상 및 실험조건

본 연구에서는 성형 공구의 재질 또는 성형 공구의 코팅 유무에 따른 성형품의 표면 품질과 변형 거동을 분석했다. Fig. 1은 실험에 사용된 점진성형(Incremental sheet forming, ISF) 장비이다. 해당 장비의 최대 성형 영역은 500 mm × 500 mm × 150 mm이고, 최대 성형 속도는 1,200 mm/min 최대 스핀들 속도는 1,500 RPM이다.

Fig. 1 Incremental sheet forming machine

점진성형 시, 성형공구와 소재 간 마찰특성 평가 검토를 위해 성형속도 1,200 mm/min, 스핀들 속도 160 RPM으로 설정하였고, SUS304 0.4t 판재를 160 mm × 160mm 크기로 재단하여 실험을 수행하였다. 실제 성형환경을 모사하기 위해 모든 실험에서 소재와 공구 간 자동차용 엔진오일(5W-30 규격)을 윤활재로 도포하여 점진성형을 수행하였다. 본 실험에서 성형 공구의 재질 또는 코팅에 따른 소재의 표면 품질 측정 및 변형 유동 분석을 위해 3 종의 공구가 적용하였고, 각 공구에 대한 소재 정보와 코팅의 유무는 Table 1에 정리하였다. 실험에 사용된 성형공구의 직경은 20 mm (Ø20)이며, 성형공구의 위치 제어를 위한 G-code 생성은 Fusion360 SW를 활용하였다.

Table 1 Conditions for the forming tools

또한, 성형공구의 종류 외 소재 변형 모드에 따른 점진성형품 표면품질 차이를 분석하기 위해 원뿔형상과 피라미드 형상에 대하여 실험을 수행하였고, 형상 정보는 Fig. 2와 같다. 마찰력 증가에 따른 소재 변형 거동을 분석하기 위해 두께 방향으로 점진 성형 깊이(incremental forming depth, DZ )를 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm로 설정하였다.

Fig. 2 Target shapes formed by the ISF machine

3. 점진성형 실험결과

3.1 변형 특성 분석

점진성형 후 소재 표면의 변형을 관찰하기 위해 일정한 그리드(Grid) 패턴을 소재에 인쇄한 뒤 실험을 수행하였다. 분석에 사용된 패턴은 직경Ø1 점을 2 mm 간격으로 생성하였고, GOM社의 ARGUS 비접촉 변형률 계측 시스템을 활용하여 변형률을 평가하였다. Fig. 3과 Fig. 4는 각 성형형상에 대한 von Mises 등가변형률 분포이다. von Mise 등가변형률 분포 비교 시, 점진성형증분이 증가함에 따라 최대 변형률이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 소재와 성형공구 사이에 발생하는 수직항력(Normal force) 증가에 기인한다. 연속적인 점진성형공정 중 깊이 방향으로 한번의 윤곽선 성형 시, 점진성형증분 증가에 따라 성형 공구의 이동 방향으로 소재 유동이 증가하게 되며 기존 국부 성형부의 변형경화량 상승으로 인한 변형저항 증가로 이후 국부 변형부에 대한 소재 유동을 더욱 크게 유도하는 것으로 변형저항 증가로 이후 국부 변형부에 대한 소재 유동을 더욱 크게 유도하는 것으로 예상할 수 있으나, 이를 정량적으로 분석하기 위해서는 하중기록 등 추가 검토가 필요할 것으로 사료된다. Fig. 5는 성형 증분 깊이에 따른 재료 유동을 제시한 것으로 점진성형증분 증대에 따른 소재 유동증가를 표현한 것이다.

Fig. 3 von Mises strain distribution of cone shape

Fig. 4 von Mises strain distribution of pyramid shape

Fig. 5 Material flow in ISF

3.2 표면 특성 분석

성형 후 성형 공구에 의한 시편 표면의 손상을 관찰하고 표면 거칠기를 정량적으로 측정하여 각 실험조건에 따른 결과 비교를 수행하였다. 표면 거칠기 측정은 KEYENCE VR-6000 장비를 활용하였고, 두가지 방법으로 성형품 표면을 분석하였다. 먼저, Fig. 6에 제시한 것과 같이 일반적인 선 거칠기 Ra값을 시편의 수직방향으로 30번, 수평방향으로 30번 측정하여 평균값을 내어 정량적 비교를 수행하였다. 이는 점진성형 시 성형공구에 의한 국부 성형력으로 인해 특정 간격의 결 혹은 압흔이 발생하여 국부 영역에서의 표면 조도는 신뢰할 수 없기 때문이다. 또한, 표면 거칠기 값인 Sa값과 비교하여 Ra 평균값의 신뢰성을 입증하였다. Fig. 7은 표면 조도를 측정한 위치를 나타내며 선 거칠기 및 면 거칠기를 평가하기 위해 3 mm × 3 mm 크기로 측정 영역을 설정하였다. 각 실험 조건에 따른 점진성형품 표면 거칠기 분석 결과는 Fig. 8과 Fig. 9에 제시하였다. 전체적으로 측정 위치에 따른 정량적 편차 고려 시 점진성형증분에 따른 표면 거칠기는 큰 차이가 없었으나, 성형공구의 코팅 유무에 따라서 성형 후 피성형품 표면 상태 차이가 발생함을 확인하였다. 코팅 처리를 하지 않은 SKD11 성형공구를 사용했을 때, 점진성형증분 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm에 대해 원뿔 형상(Truncated cone)의 경우 성형공구와 접촉면 Sa 값이 각각 0.949 µm, 0.916 µm, 0.933 µm로 측정되었고, 피라미드 형상에서는 각각 1.148 µm, 1.291 µm, 1.221 µm로 측정되었다. 코팅 처리가 안된 SKD11 성형공구가 모든 실험 조건에서 가장 낮은 표면 조도를 갖는 것으로 평가되었으나, 성형 중 성형공구와 소재 사이에서 발생한 마찰에 의해 피성형 소재의 갈림이 발생하여 성형품 표면 손상이 유발됨을 확인하였다. 따라서, 코팅 처리가 안된 성형공구는 도금강판, VCM(Vinyl Coated Metal)과 같이 산업 분야에서 많이 사용되는 외관 소재의 점진성형 적용에 한계가 있다.

Fig. 6 Measurement method for Ra mean value

Fig. 7 Measurement locations in the inner surface of deformed samples

Fig. 8 Surface roughness after cone shape forming

Fig. 9 Surface roughness after pyramid shape forming

한편, DLC(Diamond-like-coating)가 적용된 SKD11 성형공구를 활용 시, 점진성형증분 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm에 대해 원뿔 형상의 경우 성형공구와 접촉면 Sa 값이 각각 1.431 µm, 1.646 µm, 1.613 µm로 측정되었고, 피라미드 형상에서 각각1.505 µm, 1.568 µm, 1.599 µm로 측정되었다. 표면조도는 DLC가 적용된 성형공구가 상대적으로 높게 평가되었으나 코팅 처리가 안된 경우와 달리 표면 갈림 손상이 현저히 줄어듦을 확인하여 외관용 소재의 코팅층을 고려한 점진성형 시 활용 가능성을 확인하였다. Polymer 소재를 활용한 성형공구의 표면 거칠기는 DLC 처리된 성형공구 보다 작게 평가되었고, 표면 갈림 현상 또한 발생하지 않아 본 연구에서 평가한 3가지 성형공구 중 점진성형에 가장 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다. 다만, 고강도 소재 성형 시 성형공구 자체 변형 및 소재 성형성 증대를 위한 열원 인가 등 추가 활용성에 대한 분석이 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 10에서 앞서 기술한 소성변형에 의한 표면 거칠기와 공구 접촉면에서 발생한 마모에 의한 표면 거칠기 변화를 비교하였다. 좌측은 표면 거칠기를 3차원 데이터로 변환한 이미지이고, 우측은 40배율로 촬영한 성형품의 외측 표면에 대한 이미지로 성형 공구와 접촉하지 않은 바깥면은 소성변형을 인한 오렌지 필 효과에 의해 성형 전 대비 표면 거칠기가 증가한 것을 확인할 수 있다. 공구와 접촉한 면을 보면 코팅되지 않은 SKD11 성형공구를 사용한 경우 표면 마찰에 의한 갈림이 발생하여 표면에 성형 방향으로 흠집이 발생한 모습을 확인할 수 있으며, DLC 가 적용된 성형공구 사용 시 코팅이 되지 않은 경우 대비 외측면의 표면 상태와 공구 접촉면의 상태가 유사함을 볼 수 있다. 이는 DLC 코팅이 적용된 성형공구 활용 시, 점진성형공정에서 주된 문제점으로 제기되는 국부 성형에 의한 표면결함을 상당 부분 해결할 수 있음을 시사한다.

Fig. 10 Surface Image in 40x for the inner and outside surface of the pyramid sample ( DZ = 1.5 mm )

한편, Polymer 성형공구를 사용한 경우, 성형공구 및 피성형소재 간 마찰 저감으로 타 공구 대비 공구 접촉면의 표면 거칠기가 감소하여 상대적으로 우수한 표면 품질을 확보할 수 있음을 확인하였다. Fig. 10에 정리한 각 성형공구에 따른 공구 접촉면과 그 외측면의 표면조도는 Table 2에 제시하였다. 모든 성형공구 결과에서 외측면의 조도는 약 1.6 µm를 보였으며 표면 갈림이 많이 발생한 코팅 처리가 안된 SKD11 성형공구에서 외측면과 접촉면의 표면 조도 차이가 0.429 µm로 가장 크게 나타났다. DLC 가 적용된 SKD11 성형공구를 사용한 경우, 외측면과 접촉면의 표면 조도 차이가 0.042 µm로 공구접촉에 따른 표면 손상이 주요하게 일어나지 않았음을 확인할 수 있다. Polymer 공구를 사용한 실험 결과에서는 성형공구가 접촉된 면의 표면 조도가 감소하여 표면 갈림이 발생한 것으로 진단할 수 있으나, 실제 40배율로 촬영된 이미지를 보면 코팅되지 않은 SKD11 성형공구를 사용한 실험 결과와 달리 표면 손상은 확인되지 않았다. 다만, Polymer 성형 공구의 접촉에 있어 오렌지 필 효과에 의한 표면 조도 상승 시 Polymer 툴의 Particle이 일부 빈 공간을 채우게 되어 표면 거칠기가 상대적으로 작게 측정될 가능성이 있어 마찰계수 변화에 따른 하중 분석과 함께 접촉면 표면 성분 분석, 성형공구의 질량변화 등 추가 정밀 분석이 필요할 것으로 사료된다.

Table 2 Comparison of measured roughness data

3.3 Polymer 공구와 코팅 공구 간 비교

앞선 실험 결과의 비교 분석을 통해 표면품질 측면에서 DLC가 적용된 SKD11 성형공구의 효과를 검증하였다. 본 절에서는 점진성형공정에서 성형공구의 마찰특성 변화로 인한 최종 성형품의 형상 정확도 및 소재 유동에 대해 다루고자 한다. 점진성형은 성형 시 성형공구를 일정한 방향으로 이동하여 면내 윤곽선을 형성하게 되는데 마찰이 주요한 경우 성형공구 이동방향으로 의도치 않은 변형 및 뒤틀림(twisting)이 발생하여 제품 품질에 영향을 미친다. 이를 분석하기 위해 본 연구에서는 원뿔 및 피라미드 형상을 대상으로 점진성형증분 1.5 mm 조건에서 Polymer 성형공구와 DLC가 적용된 SKD11 성형공구의 영향을 분석하였다. 정량적 비교를 위해 Fig. 11에 나타낸 바와 같이, 성형 후 성형품을 3차원 스캔한 데이터를 기존 CAD 데이터와 비교하여 전영역에 대한 성형 깊이 방향의 거리 차이를 평가하였고 ARGUS 시스템을 활용한 변형률 분석을 기반으로 성형 후 두께 감소율을 비교하였다. CAD 형상 및 성형품 형상 간 거리 오차는 GOM Inspect 소프트웨어를 사용하여 성형품 최하단을 기준으로 성형품 측정 형상을 정렬 후 평가하였다. 측정 결과에서 음수와 양수 부호는 CAD 형상 깊이 대비 얕게 혹은 깊게 성형된 영역을 나타낸다. Polymer 성형공구를 활용한 경우, 피라미드 형상 측면 모서리에서 DLC가 적용된 SKD11 성형공구 대비 목표한 3차원 형상과의 차이가 작게 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 국부 성형 중 성형공구 이동 시 마찰 저감으로 소재 치우침이 개선됨을 의미한다. 소재 치우침의 정량적 분석을 위해 Fig. 12에 제시한 바와 같이 점진성형 후 성형품 하단 위치에서 최대 뒤틀림 정도(Max. twisting angle)를 정의하여 공구 마찰에 기인한 소재 유동을 분석하였다. DLC가 적용된 성형공구로 확보한 성형품에서는 원뿔 및 피라미드 형상에 대해 각각 12.75°, 12.52°의 뒤틀림 각을 보였고, Polymer 성형공구를 활용한 실험에서는 각각 형상에서 10.62°,10.57°의 각도로 평가되었다. 원뿔 형상에서 Polymer 성형공구가 DLC가 적용 성형공구 대비 16.71%의 개선 효과를 보였으며, 피라미드 형상 성형의 경우, 15.58%의 개선 효과를 확인하였다.

Fig. 11 Comparison of geometric difference and thickness reduction

Fig. 12 Definition of the degree of twisting

Fig. 13 Maximum degree of twisting angle for each test case

따라서, 점진성형공정에서 Polymer 성형공구 적용시, 마찰에 의한 표면 손상 및 의도치 않은 변형을 저감하여 제품 형상 정밀도 및 품질 개선에 기여할 수 있음을 확인하였다. 다만, 본 실험결과는 특정 형상과 변형모드에 대한 분석이므로 유효성 확보를 위해 보다 다양한 성형형상 및 공정조건을 고려한 복합적인 영향 분석이 수행되어야 할 것이다.

4. 결론

본 연구는 점진성형 공정에서 주요한 문제로 제기되고 있는 점진성형품 표면 품질 개선에 대한 내용으로 성형공구 소재 및 코팅 변화로 인한 마찰 저감 및 표면 손상 결과에 대한 분석을 포함한다. 비교 시험을 위해 코팅 처리가 안된 SKD11 성형공구와 DLC가 적용된 SKD11 성형공구 및 Polymer 소재로 제작된 성형공구를 점진성형에 활용하였으며, 형상에 따른 변형 모드를 고려하기 위해 원뿔 형상과 피라미드 형상을 목적형상으로 선정하였다. 마찰력 증대에 따른 영향을 살펴보기 위해 점진성형증분을 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm 로 변화하여 실험을 수행하였다. 실험 후, GOM 社의 ARGUS 장비를 이용하여 점진성형품 표면의 변형거동을 분석하였으며 KEYENCE 社의 VR-6000 장비를 사용하여 성형공구와 피성형소재 간 접촉면과 그 외측면의 표면 조도를 정량적으로 평가 및 비교하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 아래와 같다.

(1) 코팅 처리가 안된 SKD11 성형공구 적용 시, 표면 갈림으로 인한 표면 조도가 상대적으로 작게 측정되었으나 표면 손상으로 인한 소재 탈락으로 윤활유가 혼탁해지는 현상이 확인되었고, 성형 전영역에 걸쳐 마찰로 인한 성형공구 이동 자국이 형성되었다.

(2) DLC 코팅이 적용된 SKD11 성형공구와 Polymer 성형공구 활용 시, 윤활유 혼탁도는 성형 전후 주요한 차이가 나타나지 않았으며, 전 성형영역에 걸쳐 표면 긁힘 자국 역시 발생하지 않음을 확인하였다.

(3) 모든 실험에서 접촉부에 대응하는 성형품 외측면에 소성변형으로 인한 표면 거칠기 증가가 나타나 외관부의 표면 조도는 성형공구에 따른 마찰 특성 변화에 다소 무관하고 소성변형에 주로 의존함을 확인하였다.

(4) 점진성형 시, 공구와 피성형소재 간 마찰을 저감하기 위한 해결책으로 DLC 코팅과 Polymer 소재의 유효성을 검증하였고, 표면 손상 및 형상 정확도 측면에서 Polymer 기반 성형공구가 본 연구에서 검토한 성형공구 중 가장 우수한 성능을 보임을 확인하였다. 다만, 본 연구는 특정 형상에 대한 변형모드와 공정조건에 대한 것이므로 1차적 유효성이 확보된 두 성형공구에 대해 다양한 소재와 성형형상, 생산성을 고려한 점진성형 공정조건 등을 고려하여 실부품 성형 시 해당 성형공구의 전반적인 유효성 검증에 대한 후속 연구가 필요할 것으로 사료된다.

후기

본 연구는 한국생산기술연구원 기관주요사업 "제품생산 유연성 확보를 위한 뿌리공정기술 개발(KITECH EO-23-0008)"의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.