Experimental and numerical analysis for evaluating tool wear in cold stamping of ultra-high strength steel sheets

Abstract

The body of an automobile must be lightweight and crash-worthy. The use of advanced high-strength steel reduces the manufacturing cost for automobile body and improves energy absorption during an impact. However, increasing the strength of the steel sheet results in a variety of issues related to tool wear due to a higher forming pressure in the sheets than that in the conventional low-strength steel sheets. Therefore, systematic wear experimentation and prediction procedure are required to quantify the extent of tool wear during the press forming process. This study aims to develop a methodology for quantifying the wear of a sheet metal forming tool using experimental databases and a wear simulation procedure capable of predicting the nonlinear wear behavior of stamping tools in reduced computational time. A progressive die set is used to enable continuous sheet metal stamping at a consistent work rate and designed to conduct the wear test systematically, saving both time and cost. The testing machine is capable of testing four different types of punches simultaneously under a variety of tooling and process parameters, such as different tool materials, punch shapes, and coating conditions. The punches used in the wear test are designed to mimic the curvature geometry of the stamping tool used to manufacture the automotive components. The wear depth, roughness, and surface imaging of the tool, as well as the product roughness are all used for tool wear evaluation in the sheet metal forming process. The wear depth of the punch is close to 0, and the roughness of the punch is also comparable to that of the as-produced prior to failure. When severe wear occurs, the depth of the wear and roughness of the punch rapidly increase. Prior to failure, micro-scratches on the punch surface do not degrade the punch quality. However, worn punches develop a very rough surface on the stamped product. Wear of coated tool is caused by the fretting wear mechanism when stamping uncoated steel sheets. By referring to the measured wear database, it was confirmed that the proposed methodology for wear testing and measurement in the sheet metal forming process is suitable for quantitatively and qualitatively evaluating the wear lifetime, and analyzing the wear characteristics and mechanism, as well as developing a reliable wear prediction model. To capture the nonlinear wear behavior with respect to strokes, a nonlinear equation from a modified form of Archards wear model was constructed based on the wear test results. The scale factor, which represents the changes in wear properties with respect to wear depth, was utilized in the wear simulation to avoid the update of geometry from the previous iteration of wear simulation. By formulating a wear coefficient of Archards wear model as a function of strokes and implementing it into the scale factor of wear simulation, the nonlinear wear behavior of the stamping tools could be estimated. Therefore, the proposed simulation method is efficient in terms of computational time because it does not need to perform geometry updates.

자동차는 연비 효율성 및 승객의 충돌안전성 향상을 위해 차체의 경량화 및 충돌성능을 만족해야 한다. 초고장력강판의 적용은 차체의 생산비용 절감 및 충돌에너지 흡수 성능을 향상할 수 있다. 그러나 초고장력강판의 성형 시 일반적으로 사용되는 판재보다 더 높은 성형 반력으로 인해 예상보다 이른 금형마모를 유발하며 이로 인한 다양한 문제점들을 야기시킨다. 따라서, 프레스 성형 공정에서 금형마모를 정량화하기 위한 효율적인 마모 실험방법 및 예측 기법이 필요하다. 본 연구에서는 판재 성형공정에서 금형마모를 정량화 할 수 있는 실험적 방법 및 해석의 연산 속도를 줄이면서 비선형 마모거동을 예측할 수 있는 효율적인 금형마모 해석 프로세스를 개발하는 것을 목표로 한다. 일정한 성형속도로 연속 판재성형이 가능하며, 실험 시간과 비용 면에서 효율적인 프로그레시브 금형을 금형마모 실험에 사용하였다. 설계된 금형은 다양한 금형강종, 금형형상, 코팅과 같은 다양한 조건으로 제작된 네 가지 펀치 금형을 동시에 실험할 수 있도록 설계하였다. 펀치의 형상은 자동차 부품 성형 금형에서 마모 민감 형상을 모사하여 설계하였다. 금형의 마모깊이 그리고 금형과 제품의 표면거칠기를 정량적으로 측정하여 금형마모를 평가하였다. 제품의 표면에 스크레치로 인한 품질 저하가 발생하기 전까지 금형은 미세한 스크레치는 관찰되었지만 극심한 마모는 발생하지 않았으며, 표면 프로파일 변화는 없었다. 하지만 제품 표면 품질이 저하되었을 때 금형 표면의 마모깊이 및 표면거칠기가 급격하게 증가하였다. 마모실험 결과를 바탕으로 마모 특성을 분석하여 프레팅 마모가 비도금강판의 성형공정에서 주요한 마모 메커니즘인 것을 확인하였으며, 제안된 금형마모 실험방법이 금형의 내마모 성능을 정량적으로 평가하고 마모 특성 및 메커니즘을 분석하기에 적합한 것을 확인하였다. 이러한 비선형 마모거동을 예측하기 위해, 아차드 마모모델을 변형한 수정 아차드 마모모델을 제안하였다. 수정 아차드 마모모델은 마모계수를 성형 타수의 함수로 구성하여 타수에 따른 비선형 마모거동을 예측할 수 있도록 하였다. 이 모델을 마모 시뮬레이션에 적용하여 이전 성형 타수에서의 마모 시뮬레이션으로부터 금형 형상을 이용한 반복적인 시뮬레이션의 수행을 피할 수 있도록 하였다. 따라서 제안한 마모시뮬레이션 방법은 형상 업데이트를 할 필요가 없기 때문에 연산 시간 측면에서 효율적이다.