최근 자동차 산업계에서는 오염 물질 배출의 억제 및 연비 향상을 얻을 수 있는 보다 현실적이고 효과적인 방안으로, 대체재료의 개발이나 신 가공공법의 채택을 통한 자동차 경량화가 활발히 추진 중에 있다. 하이드로포밍 가공 기술은 기존의 프레스성형 공법에 비하여 부품수의 감소, 일체화 성형, ...
최근 자동차 산업계에서는 오염 물질 배출의 억제 및 연비 향상을 얻을 수 있는 보다 현실적이고 효과적인 방안으로, 대체재료의 개발이나 신 가공공법의 채택을 통한 자동차 경량화가 활발히 추진 중에 있다. 하이드로포밍 가공 기술은 기존의 프레스성형 공법에 비하여 부품수의 감소, 일체화 성형, 금형의 감소로 인한 비용절감, 펀칭 또는 용접 공정의 생략, 높은 형상 정밀도, 부품의 강성 및 내구성 향상, 설계의 유연성 등 많은 장점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 인장강도 440 MPa급 강재를 적용한 하이드로포밍 가공 자동차 프레임(Frame), 엔진크레들(Engine cradle) 및 리어 서브프레임(Rear sub-frame) 등의 샤시 부품 개발의 전 과정을 실제의 가공, 금형의 개발과정과 소성거동 해석 위주로 다루고자 하며 이러한 규명을 바탕으로 개발된 부품의 복잡하고 다양한 형상 및 두께 감소율에 대한 품질평가 시험결과와 비교하여 두께감소와 형상에 제약이 있던 기존 부품에의 적용 한계를 극복한 신 개념의 신뢰성 높은 부품을 설계하는 방향을 이론적 해석을 근거로 제시하고자 한다.
우선, 튜브 가공 전 판재의 기계적 특성은 물론 튜브의 기계적 특성을 조사하기 위해 용접부에서도 시편을 가공하여 인장시험 하였다. 용접전류, 용접속도 및 용접전압을 달리하는 방법을 통하여 입열량의 변화를 주었을 때 용접부의 영향을 기계적 특성 평가실험을 통하여 분석하였다. 본 용접시험을 통하여 하이드로포밍용 튜브의 적정용접조건을 설정 후 이를 성형가공에 사용하였다.
가공전 CAD 설계안의 단면분석을 통하여 튜브의 직경을 선택하였다. 확관율이 10% 미만인 단면의 경우도 튜브 벤딩 성형부위와 근접한 경우 하이드로포밍 성형전 벤딩 가공으로 인해 높은 두께감소가 예상되는 부위이므로 크랙이 없으려면 3% 이내의 확관률을 나타내도록 단면 축소 설계변경 작업하는 것이 필요하다. 또한, 이미 주변부위가 벤딩 성형이 되어 있어 축방향 피딩을 가하지 못하는 부위는 8% 이하의 확관률을 갖도록 하여야 국부형상으로 인한 과다 두께 감소의 영향으로 성형시 제품에 크랙이 발생하는 것을 막을 수 있다. 축방향 피딩을 적절히 이용할 수 있는 부위는 30% 이상의 확관률이 나타나도 무방한 부위이다.
엔진크레들용 메인멤버의 경우 벤딩 성형시 두께 2.3 mm인 튜브는 1.90∼2.70 mm (두께 감소율 17.4%∼-17.4%)로 변하였으며 리어 서브프레임의 사이드멤버의 경우 1.93∼2.67 mm (16.1%∼-16.1%)로 변하였다. 벤딩 시 두께 감소는 필연적으로 나타나며 보통의 경우 두께감소율은 15∼20% 선 임을 확인할 수 있었다. 하이드로포밍 성형 전 프리-포밍(Pre-forming) 공정을 대체할 프리-크러싱(Pre-crushing) 공법을 새롭게 창안하여 제시하였다.
프레임 크로스멤버에 대하여 축방향 피딩을 가하지 않았을 때 최대 두께 감소율은 최대 40.3%였으나 30∼50 mm 피딩을 가했을 때 피딩을 가하는 거리가 증대됨에 따라 두께감소율은 감소하였다. 피딩을 가하지 않았을 때와는 달리 30 mm 피딩을 가했을 때 최대 두께 감소율은 34.9%로 낮아졌으며 45 mm 피딩을 가할 시 17.9%로 감소하였다. 피딩 거리가 증가할수록 최대 두께 감소율은 낮아졌으며 이를 통해 최적의 피딩 조건을 선정하였다.
하이드로포밍 성형에 적절한 섹션구조와 불량한 섹션구조의 단면을 제시하였는데, 첫 째, 최종 제품 형상의 끝단부에 돌출부가 있을 경우 국부변형으로 인한 두께 감소가 높을 것으로 사료되어 확관률 및 국부변형 감소를 위한 돌출부를 제거하는 것이 바람직한 설계 안이 될 것이다. 둘째, 최종제품의 원주길이가, 하이드로포밍 성형전 튜브의 원주길이보다 더 작을 경우 음의(-) 성형으로 인해 주름이 발생할 것이며, 주름을 방지하기 위해서 하단부에 강제주름을 추가하여 단면을 확장하고 일부분을 연장함으로써 주름을 방지할 수 있다.
하이드로포밍 가공 부품의 유한요소 해석결과와 본 논문에서 제시하고자 하는 방법으로 설계변경 하여 성공적으로 가공하였던 부품들의 실험결과를 3차원 측정기와 초음파분석을 통한 두께감소 측면에서 비교하였다. 최대 두께 감소율 비교결과 엔진크레들 메인멤버, 크로스멤버, 리어 서브프레임 사이드멤버, 크로스멤버 및 프레임 크로스멤버의 해석결과와 실험결과의 차이는 각각 10.1%, 2.5%, 2.2%, 2.51% 및 2.1%였으며 이상의 결과에서와 같이 두께 측정 결과는 상호 유사하여 예측결과와 실험결과가 잘 일치함을 알 수 있다. 이 부품들의 원활한 가공 조건 및 이론적으로 예측 모사하는 기준을 확립하고 직접적인 실험 검증을 통해 일반화하여 보편타당한 설계기법과 설계자료로 제시하였다. 또한, 비교적 고강도인 인장강도 440 MPa급 강재를 적용한 하이드로포밍 샤시부품들을 컴퓨터를 활용하여 이론적으로 개발하는 전 과정을 다루었으며 이를 통해 차량용 샤시부품들을 성공적으로 제조하였다.
최근 자동차 산업계에서는 오염 물질 배출의 억제 및 연비 향상을 얻을 수 있는 보다 현실적이고 효과적인 방안으로, 대체재료의 개발이나 신 가공공법의 채택을 통한 자동차 경량화가 활발히 추진 중에 있다. 하이드로포밍 가공 기술은 기존의 프레스 성형 공법에 비하여 부품수의 감소, 일체화 성형, 금형의 감소로 인한 비용절감, 펀칭 또는 용접 공정의 생략, 높은 형상 정밀도, 부품의 강성 및 내구성 향상, 설계의 유연성 등 많은 장점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 인장강도 440 MPa급 강재를 적용한 하이드로포밍 가공 자동차 프레임(Frame), 엔진크레들(Engine cradle) 및 리어 서브프레임(Rear sub-frame) 등의 샤시 부품 개발의 전 과정을 실제의 가공, 금형의 개발과정과 소성거동 해석 위주로 다루고자 하며 이러한 규명을 바탕으로 개발된 부품의 복잡하고 다양한 형상 및 두께 감소율에 대한 품질평가 시험결과와 비교하여 두께감소와 형상에 제약이 있던 기존 부품에의 적용 한계를 극복한 신 개념의 신뢰성 높은 부품을 설계하는 방향을 이론적 해석을 근거로 제시하고자 한다.
우선, 튜브 가공 전 판재의 기계적 특성은 물론 튜브의 기계적 특성을 조사하기 위해 용접부에서도 시편을 가공하여 인장시험 하였다. 용접전류, 용접속도 및 용접전압을 달리하는 방법을 통하여 입열량의 변화를 주었을 때 용접부의 영향을 기계적 특성 평가실험을 통하여 분석하였다. 본 용접시험을 통하여 하이드로포밍용 튜브의 적정용접조건을 설정 후 이를 성형가공에 사용하였다.
가공전 CAD 설계안의 단면분석을 통하여 튜브의 직경을 선택하였다. 확관율이 10% 미만인 단면의 경우도 튜브 벤딩 성형부위와 근접한 경우 하이드로포밍 성형전 벤딩 가공으로 인해 높은 두께감소가 예상되는 부위이므로 크랙이 없으려면 3% 이내의 확관률을 나타내도록 단면 축소 설계변경 작업하는 것이 필요하다. 또한, 이미 주변부위가 벤딩 성형이 되어 있어 축방향 피딩을 가하지 못하는 부위는 8% 이하의 확관률을 갖도록 하여야 국부형상으로 인한 과다 두께 감소의 영향으로 성형시 제품에 크랙이 발생하는 것을 막을 수 있다. 축방향 피딩을 적절히 이용할 수 있는 부위는 30% 이상의 확관률이 나타나도 무방한 부위이다.
엔진크레들용 메인멤버의 경우 벤딩 성형시 두께 2.3 mm인 튜브는 1.90∼2.70 mm (두께 감소율 17.4%∼-17.4%)로 변하였으며 리어 서브프레임의 사이드멤버의 경우 1.93∼2.67 mm (16.1%∼-16.1%)로 변하였다. 벤딩 시 두께 감소는 필연적으로 나타나며 보통의 경우 두께감소율은 15∼20% 선 임을 확인할 수 있었다. 하이드로포밍 성형 전 프리-포밍(Pre-forming) 공정을 대체할 프리-크러싱(Pre-crushing) 공법을 새롭게 창안하여 제시하였다.
프레임 크로스멤버에 대하여 축방향 피딩을 가하지 않았을 때 최대 두께 감소율은 최대 40.3%였으나 30∼50 mm 피딩을 가했을 때 피딩을 가하는 거리가 증대됨에 따라 두께감소율은 감소하였다. 피딩을 가하지 않았을 때와는 달리 30 mm 피딩을 가했을 때 최대 두께 감소율은 34.9%로 낮아졌으며 45 mm 피딩을 가할 시 17.9%로 감소하였다. 피딩 거리가 증가할수록 최대 두께 감소율은 낮아졌으며 이를 통해 최적의 피딩 조건을 선정하였다.
하이드로포밍 성형에 적절한 섹션구조와 불량한 섹션구조의 단면을 제시하였는데, 첫 째, 최종 제품 형상의 끝단부에 돌출부가 있을 경우 국부변형으로 인한 두께 감소가 높을 것으로 사료되어 확관률 및 국부변형 감소를 위한 돌출부를 제거하는 것이 바람직한 설계 안이 될 것이다. 둘째, 최종제품의 원주길이가, 하이드로포밍 성형전 튜브의 원주길이보다 더 작을 경우 음의(-) 성형으로 인해 주름이 발생할 것이며, 주름을 방지하기 위해서 하단부에 강제주름을 추가하여 단면을 확장하고 일부분을 연장함으로써 주름을 방지할 수 있다.
하이드로포밍 가공 부품의 유한요소 해석결과와 본 논문에서 제시하고자 하는 방법으로 설계변경 하여 성공적으로 가공하였던 부품들의 실험결과를 3차원 측정기와 초음파분석을 통한 두께감소 측면에서 비교하였다. 최대 두께 감소율 비교결과 엔진크레들 메인멤버, 크로스멤버, 리어 서브프레임 사이드멤버, 크로스멤버 및 프레임 크로스멤버의 해석결과와 실험결과의 차이는 각각 10.1%, 2.5%, 2.2%, 2.51% 및 2.1%였으며 이상의 결과에서와 같이 두께 측정 결과는 상호 유사하여 예측결과와 실험결과가 잘 일치함을 알 수 있다. 이 부품들의 원활한 가공 조건 및 이론적으로 예측 모사하는 기준을 확립하고 직접적인 실험 검증을 통해 일반화하여 보편타당한 설계기법과 설계자료로 제시하였다. 또한, 비교적 고강도인 인장강도 440 MPa급 강재를 적용한 하이드로포밍 샤시부품들을 컴퓨터를 활용하여 이론적으로 개발하는 전 과정을 다루었으며 이를 통해 차량용 샤시부품들을 성공적으로 제조하였다.
The environment and energy related problem has become one of the most important global issues in recent years. Accordingly there have been significant efforts on improving the fuel efficiency of automobiles with developing the alternative energy and soon. One of the most effective ways of improving ...
The environment and energy related problem has become one of the most important global issues in recent years. Accordingly there have been significant efforts on improving the fuel efficiency of automobiles with developing the alternative energy and soon. One of the most effective ways of improving the fuel efficiency of automobiles is the weight reduction. It is well known that the targeted fuel efficiency could be achieved by more than 40% reduction of the vehicle weight through improved design or materials and new applying forming utilization. Nowadays, the hydro-forming technology has become a very competitive method with the advances in high pressure hydraulic systems, technology of precise control by computer and press capacity. It offers many advantages in comparison with conventional manufacturing technologies such as weight reduction through parts consolidation, integrated process of forming lower cost from fewer parts and tools, fewer secondary operations e.g. hole punching and welding, lower spring-back which reduces dimensional variations after forming, improved strength and durability, and could make design flexibility where geometry of cross section can be varied along the part.
In this study, the whole process chain of chassis components simulation and development which included in engine cradle, rear sub-frame and SUV frame cross members by tube hydro- forming technology to apply on 440 MPa grade of steel material is studied. In addition, it presents the comparison of the quality is examined between simulated and the experimental cross member from the point of geometry and thinning which overcome the existing overweight parts applying system.
First of all, in order to investigate the mechanical properties of the tube as well as those of the sheet before tube forming, the tensile test specimens including welding region were manufactured and tested. When the input heat quantity was changed through the variable change of welding current, welding speed and welding voltage, the effect of welding variables on welding regions were analyzed. Moreover, independent on the welding current variation, only if the welding speed was slower, the appropriate welding condition could be made. In addition, the optimum conditions were found out those of higher tensile strength and elongation. From the results of the welding test, after establishing the appropriate welding conditions (In speed of 0.6m/min., all welding currents conditions were safe.
And in speed of 0.8m/min., all welding currents conditions were safe except in the current of 200A), the well established and welded tubes were used for hydro-forming in present study.
Before forming, the appropriate tube external diameter was chosen after section study of the CAD designed parts. In this, the section of the CAD designed parts should be corrected with the positive direction (+) in section analysis without occurring the wrinkle. The end regions of the parts had no problems by using the axial feeding even if the expansion ratio of the section was over 30%, however, the regions far from the ends parts should be carefully managed. Especially, in case of the section having below 10% of the expansion ratio, if it were near the bending point region, the section correction should be made for the expansion ratio reduction within 3%. And the other regions should be maintained within 8% of expansion ratio for forming without occurring crack. From the simulation results, the initial tube thickness of main member in engine cradle and the side member in rear sub-frame were changed with variation of 1.9∼2.7 mm (thinning of 17.4%∼-17.4%) and 1.93∼2.67 mm (16.1%∼-16.1%), respectively. When in bending, the thickness reduction was occurred unavoidably, in common case, the maximum thinning was varied with 15∼20% similar to this study. Since the external face of the thinning would be maximized, this face regions of the section should be carefully investigated (in hydro-forming, the section cut was needed in some cases). The pre-crushing process was newly proposed instead of pre-forming before hydro-forming. When the pre-forming was simple, therefore, only needed with the localized regions, the simplified pre-crushing was executed using the hydraulic cylinder and die block without pre-forming die. Since the cost increase of this case was much lower than the pre-forming, it was strongly recommended.
In case of frame cross member in SUV frame, while the maximum thinning reducing was 40.3% without axial feeding after hyfro-forming, however, it was decreased with increasing the feeding distance of 30∼50 mm. In different with no feeding condition, the maximum thinning reducing was lowered to 34.9% with 30 mm axial feeding and this was much lowered to 17.9% with 45 mm axial feeding. The appropriate and inappropriate section structure for hydro-forming was proposed.
First, when the end part of the final product had the extruded shape, the thinning was higher due to the local deformation, therefore, the extruded shape should be removed in appropriate design.
Second, when the section perimeter of the final part was lower than that of the tube before hydro-forming, the wrinkle was occurred due to the negative forming(-). Therefore, the groove should be included in order to expand the section and prevent the wrinkle.
Third, before hydro-forming, when some regions of the tube section were deviated with the die cavity, the design correction method to cut for remaining the slant section could be protected not to increase the thinning. During the hydro-forming prototyping, several types of defect can be found such as burst and wrinkle which are caused by various factors. In this case, the wrinkle and burst were clearly corrected by appropriate process conditions controlling such as the lubricant, adjustment of bending line or increase of end feeding.
In order to compare between the simulated results and experiments, the positions of the hydroformed part (experimental) where the thicknesses were measured by 3-dimensional laser-scanner. The results of the measured maximum deviation of the main member and the cross member in engine cradle, the side member and the cross member in rear sub-frame, and frame cross member in SUV full frame were 10.1%, 2.5%, 2.2%, 2.51% and 2.1%, respectively. The position of the maximum thinning corresponds to the result of the simulation and the geometry of the experimental part is in very good agreement with the simulation results. Therefore, total six parts were successively hydro-formed and forming/design/experimental conditions were established in present study. The common and generalized design method and design data were newly proposed. In addition, the whole development process by using considerably high strength steel having 440 MPa grade was successively studied for tube hydro-forming in automotive chassis parts based on CAE simulation approach.
The environment and energy related problem has become one of the most important global issues in recent years. Accordingly there have been significant efforts on improving the fuel efficiency of automobiles with developing the alternative energy and soon. One of the most effective ways of improving the fuel efficiency of automobiles is the weight reduction. It is well known that the targeted fuel efficiency could be achieved by more than 40% reduction of the vehicle weight through improved design or materials and new applying forming utilization. Nowadays, the hydro-forming technology has become a very competitive method with the advances in high pressure hydraulic systems, technology of precise control by computer and press capacity. It offers many advantages in comparison with conventional manufacturing technologies such as weight reduction through parts consolidation, integrated process of forming lower cost from fewer parts and tools, fewer secondary operations e.g. hole punching and welding, lower spring-back which reduces dimensional variations after forming, improved strength and durability, and could make design flexibility where geometry of cross section can be varied along the part.
In this study, the whole process chain of chassis components simulation and development which included in engine cradle, rear sub-frame and SUV frame cross members by tube hydro- forming technology to apply on 440 MPa grade of steel material is studied. In addition, it presents the comparison of the quality is examined between simulated and the experimental cross member from the point of geometry and thinning which overcome the existing overweight parts applying system.
First of all, in order to investigate the mechanical properties of the tube as well as those of the sheet before tube forming, the tensile test specimens including welding region were manufactured and tested. When the input heat quantity was changed through the variable change of welding current, welding speed and welding voltage, the effect of welding variables on welding regions were analyzed. Moreover, independent on the welding current variation, only if the welding speed was slower, the appropriate welding condition could be made. In addition, the optimum conditions were found out those of higher tensile strength and elongation. From the results of the welding test, after establishing the appropriate welding conditions (In speed of 0.6m/min., all welding currents conditions were safe.
And in speed of 0.8m/min., all welding currents conditions were safe except in the current of 200A), the well established and welded tubes were used for hydro-forming in present study.
Before forming, the appropriate tube external diameter was chosen after section study of the CAD designed parts. In this, the section of the CAD designed parts should be corrected with the positive direction (+) in section analysis without occurring the wrinkle. The end regions of the parts had no problems by using the axial feeding even if the expansion ratio of the section was over 30%, however, the regions far from the ends parts should be carefully managed. Especially, in case of the section having below 10% of the expansion ratio, if it were near the bending point region, the section correction should be made for the expansion ratio reduction within 3%. And the other regions should be maintained within 8% of expansion ratio for forming without occurring crack. From the simulation results, the initial tube thickness of main member in engine cradle and the side member in rear sub-frame were changed with variation of 1.9∼2.7 mm (thinning of 17.4%∼-17.4%) and 1.93∼2.67 mm (16.1%∼-16.1%), respectively. When in bending, the thickness reduction was occurred unavoidably, in common case, the maximum thinning was varied with 15∼20% similar to this study. Since the external face of the thinning would be maximized, this face regions of the section should be carefully investigated (in hydro-forming, the section cut was needed in some cases). The pre-crushing process was newly proposed instead of pre-forming before hydro-forming. When the pre-forming was simple, therefore, only needed with the localized regions, the simplified pre-crushing was executed using the hydraulic cylinder and die block without pre-forming die. Since the cost increase of this case was much lower than the pre-forming, it was strongly recommended.
In case of frame cross member in SUV frame, while the maximum thinning reducing was 40.3% without axial feeding after hyfro-forming, however, it was decreased with increasing the feeding distance of 30∼50 mm. In different with no feeding condition, the maximum thinning reducing was lowered to 34.9% with 30 mm axial feeding and this was much lowered to 17.9% with 45 mm axial feeding. The appropriate and inappropriate section structure for hydro-forming was proposed.
First, when the end part of the final product had the extruded shape, the thinning was higher due to the local deformation, therefore, the extruded shape should be removed in appropriate design.
Second, when the section perimeter of the final part was lower than that of the tube before hydro-forming, the wrinkle was occurred due to the negative forming(-). Therefore, the groove should be included in order to expand the section and prevent the wrinkle.
Third, before hydro-forming, when some regions of the tube section were deviated with the die cavity, the design correction method to cut for remaining the slant section could be protected not to increase the thinning. During the hydro-forming prototyping, several types of defect can be found such as burst and wrinkle which are caused by various factors. In this case, the wrinkle and burst were clearly corrected by appropriate process conditions controlling such as the lubricant, adjustment of bending line or increase of end feeding.
In order to compare between the simulated results and experiments, the positions of the hydroformed part (experimental) where the thicknesses were measured by 3-dimensional laser-scanner. The results of the measured maximum deviation of the main member and the cross member in engine cradle, the side member and the cross member in rear sub-frame, and frame cross member in SUV full frame were 10.1%, 2.5%, 2.2%, 2.51% and 2.1%, respectively. The position of the maximum thinning corresponds to the result of the simulation and the geometry of the experimental part is in very good agreement with the simulation results. Therefore, total six parts were successively hydro-formed and forming/design/experimental conditions were established in present study. The common and generalized design method and design data were newly proposed. In addition, the whole development process by using considerably high strength steel having 440 MPa grade was successively studied for tube hydro-forming in automotive chassis parts based on CAE simulation approach.
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