Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 19, No. 8 pp. 25-31, 2018 https://doi.org/10.5762/kais.2018.19.8.25 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 저항점용접에의한실러패치워크적용판재프레스성형연구 이경민 1*, 정찬영 2, 송일종 2 1 자동차부품연구원, 2 ( 주 ) 현대하이텍 A Study for Stamping of Patchwork with Resistance Spot Weld Gyeong-Min Lee 1*, Chan-Yeong Jung 2, Il-Jong Song 2 1 Korea Automotive Technology Institute 2 Hyundai Hitec 요약본연구에서는카울모듈의성형시최적설계공정을유한요소해석을통해도출하는방안을제시하였다. 소재인장시험및성형성평가와같은기계적물성평가를통해성형해석의주름및크랙발생을사전에파악하고이를개선하기위한공정설계변경을통해최적설계방안을도출하였다. 또한제진성향상이필요한카울로워패널에패치워크를적용을통해카울모듈의강성증대및제진특성향상을고유진동수측정시험과해석을통해확인하였다. 해석결과, 실러패치워크기술적용에따른 1차고유진동수가향상됨을알수있었고, 이는강성및제진특성증대와관련있다고볼수있다. 실러패치워크적용시공정수감소를위해성형전로워패널블랭크에패치워크블랭크를점용접으로접합시켜성형하므로, 성형후패치워크패널의위치가점용접조건에따라달라진다. 이를위해점용접위치에따른성형해석을실시하여결과를바탕으로최적공정설계를도출하였다. 스탬핑공법을이용한타부품의적용을위해성형해석기법을구축하여다양한제품설계에도움이될것으로판단된다. Abstract Recently, research on the development of lightweight vehicle bodies is increasing continuously as a response to fuel economy regulations. To reduce the weight of a vehicle body, a conventional steel plate has been substituted by light weight material with high specific strength and the jointing of multi-materials is generally applied. On the other hand, the customer's demand for safety and emotional quality in NVH (Noise, Vibration and Harshness) is becoming increasingly important. Therefore, a light weight with proper strength and NVH quality is needed. In the view of light weighting and NVH quality, the application of a vibration proof steel plate can be an effective solution but the formability of a sandwich panel is different with a conventional steel sheet. Therefore, careful analysis of formability is required. This study aims to characterize the formability of a sandwich high-strength steel plate. The high-strength steel plates of different thicknesses with resistance spot welding and sealer bonding were analyzed using forming limits diagram through a cup drawing test. Keywords : Cowl Module, FEM, Forming Limit Diagram, Sealer Patchwork, Stamping 1. 서론 최근자동차산업은지구온난화현상에의해배기가스및연비규제가강화되고있다. 또한, 보행자와운전자의보호를위한차체안전규제도고려하여야한다. 차 체경량화를위한신소재및신기술의개발이활발해지면서이에따른다양한기술이등장하고있다 [1-3]. 차체부품중카울모듈 (Cowl Module) 은어퍼바디 (Upper Body) 에위치하여엔진룸과실내를구분해주는대쉬패널 (Dash Panel) 상부에체결되어차량외부로부터실내 본논문은산업통상자원부와한국산업기술진흥원이지원하는연구과제로수행되었음.(R0004531) * Corresponding Author : Gyeong-Min LEE(Korea Automotive Technology Institute) Tel: +82-62-960-9260 email: gmlee@katech.re.kr Received April 11, 2018 Revised (1st June 15, 2018, 2nd July 16, 2018) Accepted August 3, 2018 Published August 31, 2018 25
한국산학기술학회논문지제 19 권제 8 호, 2018 로열, 소음, 진동등을차단하며, 충돌로발생하는외력으로부터탑승자를보호하는역할을한다. 디젤차종의경우, 엔진및노면으로부터실내로유입되는소음, 진동영향을많이받으므로카울모듈의소음, 진동성능향상을위한구조적인개선이필요하다. 실러패치워크 (Sealer Patchwork) 기술은금속패치를구조용접착제를이용하여모재에결합함으로써제진성과국부보강을동시에확보하는기술이다 [4]. 또한구조용접착제를이용하여보강재를접합함으로써고강도강판사이접착제가진동에너지를열에너지로발산하는제진강판의원리를적용하여고강도패치워크패널에의한구조보강및접착수지에의한진동저감을동시에충족하는기술이다. 그러나성형공정에서공정수감소를위해패치워크패널과카울로워를동시에성형하는경우, 구조용접착제도포후점용접을통해패치워크패널을카울로워블랭크에고정시킨후스탬핑성형을한다. 이때점용접위치에따라스탬핑성형후패치워크패널의위치가틀어지는문제를야기할수있으므로이에대한설계방안이필요하다. 본연구에서는실러패치워크패널의위치이탈을제어하기위해 FEM 성형해석을진행하였고, 해석을통해저항점용접조건및스탬핑성형조건을결정하여카울로워패널을제작하였다. 또한실러패치워크기술적용에따른제진특성및강성의향상여부를확인하기위해카울모듈의고유진동수측정하였다 [5]. 가장큰영향을미칠수있는저항점용접의위치와블랭크홀딩력을변수로선정하였다. 해당변수에대한성형해석을통해최적점용접위치와블랭크홀딩력조건을도출하였다. 2.1.2 소재물성평가성형해석에적용할물성데이터를도출하기위해각소재의기계적물성평가를진행하였다. KS B 0801 규격에따라인장시편을제작하여 10ton 만능재료시험기를이용하여카울모듈의각구성부품에적용되는소재의인장시험을실시하였다. 인장속도는 3mm/min이고, 각소재의인장강도와항복강도, 연신율을측정하여 True Stress-True Strain 곡선을도출하였다. Fig. 1. Production process of cowl module. 2. 본론 2.1 실험방법 2.1.1 스탬핑성형공정최적화기존제품의공정은카울로워패널과보강재를각각성형하여용접을통해접합하는방식이다. Fig. 1과같이개발기술을적용하는경우, 카울로워패널에패치워크블랭크를접합한상태로성형함으로써공정수삭제를통한생산비용절감효과를기대할수있다. 로워패널블랭크와패치워크블랭크의접합은구조용접착제와저항점용접을동시에적용하였다. 패치워크블랭크의위치가접합방법, 블랭크홀딩력 (Blank Holding Force), 성형압력등에의해달라지기때문에양호한제품품질을얻기위한방안이필요하다. 패치워크의위치이탈에 Fig. 2. Dimension of tensile test specimens. 2.1.3 소재성형성평가성형성평가를통해성형한계도 (Forming Limit Diagram) 를도출하여판재성형시파단이예상되는부위를파악하고설계에적용하고자하였다. 성형한계도는파단을유발하는판면상의임계주 부변형률의값을평면도상에도시한것으로성형공정개발시성형난이도의평가도구로써이용되고있다. 설계및제작된금형에서시험작업을통해측정한각부분의주 부변형률을성형한계도상에표시하여성형의가부및성형난이도를평가하였다 [6]. 26
저항점용접에의한실러패치워크적용판재프레스성형연구 시편은카울로워패널성형에사용할 SPFC 590 0.7t 판재를 180mm 25, 50, 75, 100, 125, 130, 135, 150, 180mm 의크기로준비하였다. Fig. 3과같이 FLD 전용실험다이에블랭크홀딩력을 30ton으로시편을고정하고, 100mm 반구형펀치를이용하여 50mm/min 속도로판재를성형하였다. 윤활조건은 180 180mm 1매를제외한모든시편에서무윤활로진행하였다. Fig. 3. Experimental setup of Erichsen test for SPFC 590 sheet. 2.1.4 성형해석모델링및경계조건카울로워성형조건을정립하기위해성형해석을통한최적조건을정립하였다. 성형해석은 Autoform 프로그램을사용하였고, Stroke 값은 250mm, 블랭크홀딩력 (Blank Holding Force) 는 140ton으로설정하였다. 성형성평가를통해도출한 FLD 선도를해석결과에대입하여성형시크랙, 두께감소의발생을통해성형성검증을실시하였다. Fig. 4와같이금형과블랭크홀더, 펀치를강체로설정하였고, 블랭크는 Piecewise Linear Plasticity 모델을적용했고소재물성평가를통해도출한 True Stress-True Strain 곡선을적용하여해석의정확도를향 상시켰다. 카울로워패널과패치워크패널의접합은구조용접착제의경화가성형공정이완료된후진행되므로성형해석시저항점용접모사만적용하였다. 카울로워의최종성형조건에적용하여주름과크랙발생여부를확인하였다. 2.1.5 고유진동수측정시험카울모듈은엔진룸으로부터실내로유입되는열, 진동, 소음을차단하고차량충돌시차량전면부에강성을부여함으로써충격흡수를통해탑승객을보호하는역할을한다. 그러므로실러패치워크패널적용에따른강성향상및소음, 진동성능향상을위한구조적인개선여부를확인하기위해고유진동수측정시험및해석을실시하였다. 고유진동수시험은임팩트해머를이용한가진시험을통해 1차고유진동수를측정하고해당주파수에서공진을피하기위한설계를가능하게한다. 카울모듈에대해비구속조건에서가진하여측정한 1차고유진동수와동일한조건을 ANSYS 해석프로그램을통해모사하여도출된 1차고유진동수를비교하고, 시험 / 해석상관관계분석을통해실러패치워크패널적용에의한강성증대효과를확인하였다. 2.2 실험결과 2.2.1 소재물성평가카울모듈각구성품에적용되는소재는표 1과같다. 인장시험을통해각구성품의소재에대한변위-하중데이터를얻을수있었고 Fig. 5에나타난것과같이해석에적용할 True stress-true strain 곡선을도출하였다. Table 1. Material for each parts of cowl module. No. Parts Thickness Material 1 COWL TOP 0.7 SGACC 60/60 2 COWL INR 0.7 SGACEN 60/60 3 COWL INR 1.0 SGARC440 4 Etc Brk Variable Variable Fig. 4. Modeling of cowl lower panel for stamping process. 카울모듈의성형및구조해석시정확한모사를위해 True Stress-True Strain 곡선을적용하였고, 시험 / 해석상관관계분석을통해해석정확도를고정도화하여성형해석을통한설계방안을정립하고자하였다. 27
한국산학기술학회논문지제 19 권제 8 호, 2018 Fig. 5. True stress true strain curves of materials for each parts. 2.2.2 소재성형성평가 카울로워패널에적용되는실러패치워크패널의성형성분석을위해 FLD(Forming Limit Diagram) 선도를도출하였다. 카울로워패널과패치워크패널을각각 100mm 반구형펀치를이용하여성형하였고, 시편에표기된 Grid Marking의변형률을측정하여각소재의성형성분석을진행하였다. 네킹또는파단주변의주변형률과부변형률값의분포를측정하여주요부품에적용되는소재의성형한계도측정결과를 Fig. 6에나타내었다. 크랙발생부위에변형이집중되고주변형률방향의수직방향으로파단이발생하였으나, 크랙이발생하지않는부위에서는비교적변형률분포가균일한것을확인할수있었다. 부변형률이양인 Biaxial Stretching 경우, SGARC 440 1.0t가 SGACC 60/60 0.7t보다높은주변형률을보였다. 그러나부변형률이음인 Simple tension의경우, 두소재가비슷한주변형률을보이는것으로확인되었다. 이러한성형특성을바탕으로제품성형시발생하는변형률을고려하여설계에반영하였으며, 성형한계선이상의변형률이발생하는부위의 R값을조정하여주름이나크랙을제어하였다. Fig. 6. Forming limit diagram of materials for cowl lower panel. 2.2.3 카울모듈성형해석결과카울모듈부품중실러패치워크적용에의해성형시주름및크랙제어가가장어려운카울로워패널의성형해석을실시하고, 성형성평가를통해도출한 FLD 를기준으로성형시주름및결함발생을예측하여설계개선을진행하고자하였다. Fig. 7. 에나타낸것과같이, 초기설계상 R값이매우큰부위에서크랙이발생했다. 또한 Draw type 스탬핑공정으로주름및크랙발생의제어가난해함을확인하였다. Draw type의경우제품형상에의해성형깊이가일정하지않고금형의 R값이커서현재의공법으로결함을제어하기어렵기때문에블랭크의양측면을개방시켜성형하는 Form type으로공정을변경하여성형해석을진행하였다. 기존 draw type에서판재를고정시키는부위가감소하면서 Fig. 8 과같이기존의크랙이발생한위치의성형성은개선되었음을확인하였다. 실러패치워크적용시카울로워블랭크와패치워크패널사이의용접점위치에따라성형후패치워크패널의형상및위치가변화함을파악하여최적용접점을선정하기위해용접점위치별성형해석을실시하였다. 28
저항 점용접에 의한 실러 패치워크 적용 판재 프레스 성형 연구 Fig. 9는 용접점 위치에 따른 패치워크 패널의 위치 변 화를 나타낸 것이다. 총 3개의 Case로 위치를 선정하였 고, 설계 상 패치워크 패널 위치는 흰색 점선이고 실제 성형 해석 후 패치워크 패널의 위치가 벗어난 정도를 확 인하였다. Case 1은 상단에 4개, 양 끝에 2개의 용접으 로 고정하여 성형하였고, 상단 방향으로 약 20mm 정도 이탈하였다. Case 2의 경우 상단에 4개, 하단에 4개의 용접으로 고정하여 성형하였다. 성형 후 상단 방향으로 약 10mm, 양 끝단이 중앙 방향으로 이탈하였다. Case 3 의 경우 양 끝단에서 발생하는 이탈을 저하하기 위해 상 Fig. 9. Opimization of weld point with FEM analysis. 단에 2개, 하단에 4개의 용접으로 고정하였다. 성형 해 석 결과, 펀치에 의한 이탈 현상을 최소화 하면서 패치워 2.2.4 고유진동수 측정 시험 결과 크 패널을 고정시킴으로써 용접점 위치를 최적화 하였다. 카울 모듈의 고유진동수 측정 시험을 통해 실러 패치 워크 적용 시 1차 고유진동수의 향상을 확인하여 강성 증대 및 제진 특성 향상을 분석하였다. 고유진동수는 단 위시간당 진동하는 회수를 의미하며, 자동차 부품의 고 유진동수는 강성에 비례하고 질량에 반비례하는 특성을 가지며, 구속위치에서 멀리 떨어진 위치에 있는 집중된 질량은 관성효과로 인해 고유진동수를 크게 감소시키므 로 해당 논문에서는 비구속조건에서 고유진동수 측정 시 험을 진행하였다[7]. 기존 공정으로 제작된 제품과 실러 패치워크를 적용한 개발 제품에 대해 구조 해석을 진행 하여 비교한 결과, 기존품의 1차 고유진동수는 20 Hz이 고 개발품은 27 Hz로 강성이 향상되었음을 확인하였다. 또한 개발품에 대한 고유진동수 측정 시험을 통해 3차 고유진동수까지 측정하여 시험/해석 간 정확도 검증을 Fig. 7. Defections in forming process of cowl lower panel with draw type. 실시하였다. 시험 결과 1차 22 Hz, 2차 49 Hz, 3차 61Hz 로 나타났고, 해석 결과는 1차 27 Hz, 2차 44 Hz, 3차 63 Hz 로 시험/해석 간 오차는 1차 5 Hz, 2차 5 Hz, 3차 2 Hz로 나타났다. 고유진동수 측정 시험을 통해 실러 패 치워크에 의한 강성 증대를 확인할 수 있었으며, 제진 특 성과 강성 증대 효과를 필요로하는 타 제품 적용에 대한 검토를 해석을 통해 확인할 수 있다. Table 2. Natural frequency of cowl module in test and FEM analysis. Developed Product Fig. 8. Analysis for deformation of cowl lower panel with form type. 29 Mode Test(Hz) FEM(Hz) 1st 22 27 2nd 49 44 3rd 61 63
한국산학기술학회논문지제 19 권제 8 호, 2018 을진행한결과, 실러패치워크적용시기존보다약 7Hz 정도향상됨을확인하였다. References Fig. 10. Comparison of natural frequencies of existing and developing products. 3. 결론 본연구에서는자동차차체중카울모듈의성형공정과제진특성향상을위한실러패치워크적용에대한사전검토방안에대해고찰하였다. 실러패치워크기술적용시중량의증가를최소화하여효율적으로강성및제진특성이향상될수있다. 또한기존공정에비해공정수가감소하여양산시원가절감과생산성향상효과를동시에얻을수있다. 본연구의결론은다음과같다. 1. 각부품에적용되는소재의인장시험과성형성평가를통해도출한기계적물성을유한요소해석에적용하여해석정확도를향상시키고, 성형해석을통해초기설계의문제점을파악하여개선할수있다. 2. 스탬핑공정에서제품의 R값은소재의성형한계선에따라개선함으로써주름및크랙발생을억제하고, 카울모듈의경우 Draw type보다양측면을개방시키는 Form type 성형공정을적용함으로써크랙발생을완화시켰다. 3. 실러패치워크적용시구조용접착제는성형후경화시키므로성형시점용접을통해카울로워블랭크에패치워크패널을접합시킨상태에서성형해야한다. 그러므로성형해석시패치워크패널의형상과위치가설계상과동일한조건을도출하여성형조건에적용해야한다. 4. 실러패치워크적용시강성증대및제진특성향상을확인하기위해고유진동수측정시험과해석 [1] N. C. Kim, J. Yoon, W. K. Na, The 135kgf/mm2 Back Beam application to bumper for good rating in the IIHS test and reducing its weight, Spring Conference Proceedings of KSAE, KSAE04-S0183, pp.1151-1157, 2004. [2] H. O. Kim, T. Altan, Q. G. Yan, Evaluation of stamping lubricants in forming advanced high strength steels (AHSS) using deep drawing and ironing tests, Journal of Materials Processing Technology, Vol.209, No.8, pp.4122-4133, 2009. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.10.007 [3] T.B. Hilditch, J.G. Speer, D.K. Matlock, Influence of low-strain deformation characteristics of high strength sheet steel on curl and springback in bend-under-tension tests, Journal of Materials Processing Technology, Vol.182, No.1-3, pp.84-94, 2007. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.06.020 [4] D. G. Kim, S. W. Park, C. Y. Lim, J. D. Seo, J. S. Lee, 2016, Development of Hot Stamped Center Pillar with Patchwork, Proc. of KSPE Spring Conference, pp.561-561. [5] D. K, Hong, J. B, Jeong, S. W, Jung, G. B. Kim, C. W, Ahn, Investigating Natural Frequency Analysis and Measurement of Railway Vehicle to Avoid Resonance, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol.22, No.8, pp.713-719. 2012. DOI: https://dx.doi.org/10.5050/ksnve.2012.22.8.713 [6] J. H. Song, H. Huh, S. H. Kim, 2005, Study on Design Parameters in a Stamping Process of an Automotive Member with the imulation-based Approach, Transactions of Materials Processing, Vol.14, No.1, pp.21-28, 2005. DOI: https://dx.doi.org/10.5228/kspp.2005.14.1.021 [7] B. Choi, S. Kang, Stiffness and Fatigue Strength Analysis of Fuel Cell Vehicle Body Frame, Trans. of KSAE, Vol.19, No.4, pp.47-53, 2011. 이경민 (Gyeong-Min Lee) [ 정회원 ] < 관심분야 > 자동차, 금속재료 2014 년 8 월 : 전남대학교신소재공학과 ( 신소재공학석사 ) 2014 년 11 월 ~ 현재 : 자동차부품연구원소재융합연구센터연구원 30
저항점용접에의한실러패치워크적용판재프레스성형연구 정찬영 (Chan-Yeong Jung) [ 정회원 ] 2014 년 2 월 : 조선대학교제어계측로봇공학과 ( 공학사 ) 2015 년 9 월 ~ 현재 : ( 주 ) 현대하이텍기술연구소주임연구원 < 관심분야 > 자동차차체부품 송일종 (Il-Jong Song) [ 정회원 ] 2004 년 2 월 : 조선이공대학교기계공학 ( 전문학사 ) 2000 년 12 월 ~ 현재 : ( 주 ) 현대하이텍기술연구소연구소장 < 관심분야 > 자동차차체부품 31