[논문]핫스탬핑에 의한 자동차 도어 임팩트빔의 개발

이현우; 황정복; 김선웅; 김원혁; 유승조; 임현우; 염영진

doi:10.3795/ksme-a.2010.34.6.797

핫스탬핑에 의한 자동차 도어 임팩트빔의 개발
Construction of Vehicle Door Impact Beam Using Hot Stamping Technology 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.6=no.297, 2010년, pp.797 - 803

이현우 (엠에스오토텍 기술연구소) , 황정복 (엠에스오토텍 기술연구소) , 김선웅 (엠에스오토텍 기술연구소) , 김원혁 (엠에스오토텍 기술연구소) , 유승조 (엠에스오토텍 기술연구소) , 임현우 (울산대학교 기계자동차공학과) , 염영진 (울산대학교 기계자동차공학과)

초록
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자동차의 측면 충돌시 승객을 보호하고자 박판재를 이용하여 자동차의 도어 임팩트빔을 핫스탬핑공법을 이용하여 개발하였다. 핫스탬핑 기술은 차량의 차체 강성을 증가시킬 뿐만 아니라 차체 중량 및 부품 수 축소로 인한 공정의 감소도 가능하게 한다. 핫스탬핑 시편을 제작하고, 기계적 물성시험을 수행하여 물성 데이터를 확보하였다. 핫스탬핑 임팩트빔의 성형해석및 구조해석을 이용한 최적 설계를 수행하여 기존 파이프형태의 임팩트빔보다 강도는 102% 향상되고, 중량은 34% 감소된 핫스탬핑 임팩트빔을 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A vehicle door impact beam made of a thin sheet of steel has been constructed using hot stamping technology with the aim of ensuring occupant safety in the event of a side collision. This technology has been used to increase the strength of the vehicle body parts and to reduce the weight of the door impact beam as well as the number of work processes. Mechanical tests were performed to determine the material properties of the hot-stamped specimen and the results of the tests were used as input data in stamping and structural simulation in order to obtain the optimal design of door impact beam. The strength of the hot-stamped door impact beam increased to a value that was 102% higher than that of conventional pipe-shaped door impact beam. A weight reduction of 34% was also achieved.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

상기 조건을 만족시키기 위해서 임팩트빔의 양단을 도어 인너에 용접하고, 도어 인너의 변위를 구속하여 구조해석을 수행하였다. 기본 용접은 2개로 시작하여 용접점 증가에 따른 영향을 분석하고, 또한 국부적인 변형 발생을 제거하는 것을 목적으로 하였다. 해석은 상용 소프트웨어인 LS-DYNA970을 이용하여 변형(시간)에 따른 반력을 측정하여 비교 평가하였다.
핫스탬핑 소재의 상온 및 고온 인장시험을 통한 기계적 물성을 확보하였다. 또한 패널 타입 임팩트빔 개발을 위하여 중량대비 반력이 높은 단면형상을 선정하고, 양산 차종을 대상으로 임팩트빔 설계를 수행, 성형 및 구조해석을 이용한 최적화 설계 기술 개발을 목적으로 하였다.
일반적으로 빔의 굽힘강도를 테스트하기 위해서는 3점 굽힘시험 방법이 널리 쓰이고 있다. 본 연구에서는 임팩트빔 전체의 강도를 평가하는 것이 목표이다. 따라서 임팩트빔 양단의 브래킷 포함하여 지지하는 조건을 사용하는 것이 바람직하다.
본 연구에서는 핫스탬핑 공법을 이용하여 초경량 고강도 도어 임팩트빔 개발을 목표로 한다. 핫스탬핑 소재의 상온 및 고온 인장시험을 통한 기계적 물성을 확보하였다.
6은 샘플 빔의 해석 모델조건을 보여준다. 해석은 상용 소프트웨어인 LS-DYNA970을 이용하여 변형(시간)에 따른 반력을 측정하여 서로 비교하는 것을 목표로 하였다.

제안 방법

핫스탬핑 금형은 내부에 냉각수순환을 위한 냉각채널을 포함하지만, 시작금형에는 냉각 채널을 포함하지 않고 있다. NHPA-1500 소재를 최적 블랭크로 절단하고, 시작금형을 이용하여 시작품을 제작하였다. Table 5에는 도어임팩트빔을 핫스탬핑 시작품과 비교하여 나타내고 있는데, 표에서 보는 것과 같이 보강재를 제거하거나 제품의 형상을 변경하여 도어 임팸트빔 단품으로는 34% 경량화를 이룰 수 있었다.
단면 형상에 따른 빔의 강도를 비교하기 위해서 3점 굽힘 시험 해석을 수행하였다. One-hat 및 Two-hat의 단면을 길이방향으로 연장하여 샘플빔을 모델링하였다. 샘플 빔의 길이는 400mm이며, 높이는 30mm로, 두께는 1.
이러한 성형 조건을 고려하여 보론강의 고온기계적 성질을 900℃로 가열하여 3분간 유지 후 800℃, 700℃, 600℃로 냉각한 상태에서 기계적성질을 각각 측정하였다. 고온 상태에서 소재의기계적 성질은 변형률 속도에 크게 영향을 받기 때문에 변형률 속도에 대한 소재의 기계적 성질을 함께 측정하기 위하여 5mm/min(변형률속도0.00167/sec) 과 50mm/min(0.0167/sec) 두 가지 인장 속도에 대하여 각각 고온 인장 시험을 수행하였다. Fig.
기본설계를 끝마친 임팩트빔 모델을 이용하여 성형성을 평가하고 변형양상을 파악하여 강도 향상을 위한 최적화 설계를 수행하였다.
단면 형상에 따른 빔의 강도를 비교하기 위해서 3점 굽힘 시험 해석을 수행하였다. One-hat 및 Two-hat의 단면을 길이방향으로 연장하여 샘플빔을 모델링하였다.
핫스탬핑에서는 고온의 판재를 사용함에 소재의 유입성이 좋지 않기 때문에 핫스탬핑을 이용한 도어 임팩트빔 성형은 폼공법을 이용하는 것이 최적이다. 따라서 성형해석을 통하여 포밍 성형의 최적 블랭크 형상 및 성형성 평가를 하였다.
최적화 설계를 위한 구조해석시 사용하기 위해서는 보론강의 핫스탬핑 전/후의 기계적 물성치를 필요로 한다. 따라서 핫스탬핑 전/후의 시편을 제작하였다. 핫스탬핑 후의 시편을 제작하기 위하여 모자단면을 가지는 금형을 제작 후 핫스탬핑하여 시편을 제작하였다.
따라서 임팩트빔 양단의 브래킷 포함하여 지지하는 조건을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 조건을 만족시키기 위해서 임팩트빔의 양단을 도어 인너에 용접하고, 도어 인너의 변위를 구속하여 구조해석을 수행하였다. 기본 용접은 2개로 시작하여 용접점 증가에 따른 영향을 분석하고, 또한 국부적인 변형 발생을 제거하는 것을 목적으로 하였다.
2mm로 선정하였다. 샘플 빔 양단에서 50mm 떨어진 지점에서 양단을 지지하고 샘플 빔의 중앙에서 반원형의 램을 모델링하여 50mm/min의 속도로 샘플 빔을 가압하였다. Fig.
샘플 빔을 이용한 해석결과를 바탕으로 양산차종에 대체 적용하고자 도어 인너와 아우터 패널형상을 고려하여 임팩트빔을 기본 설계하였다.
성형해석은 Autoform을 이용하여 수행하였으며, 소재의 물성 데이터는 900℃에서 3분간 유지 후 800℃로 냉각하여 측정한 고온인장시험 결과를 이용하였다. 또한 금형의 마찰계수는 펀치 및 다이 각각에 0.
고온 인장 실험을 하기 위해서 인장시험기 및 가열로를 이용하였다. 시편을 가열로 내부에서 가열하고, 온도를 측정하여 목표 온도에 도달하였을 때 인장시험기를 작동하는 방법으로 수행하였다. 핫스탬핑 공정은 보론강을 900℃ 이상으로 가열하여 강의 조직이 오스테나이트 조직이 되도록 한 다음에 금형으로 가열된 소재를 옮겨서 고온 상태에서 성형을 하는 방법이다.
이러한 성형 조건을 고려하여 보론강의 고온기계적 성질을 900℃로 가열하여 3분간 유지 후 800℃, 700℃, 600℃로 냉각한 상태에서 기계적성질을 각각 측정하였다. 고온 상태에서 소재의기계적 성질은 변형률 속도에 크게 영향을 받기 때문에 변형률 속도에 대한 소재의 기계적 성질을 함께 측정하기 위하여 5mm/min(변형률속도0.
자동차 도어 임팩트빔을 Hot-stamping 공법으로 제조하기 위하여 양산 차종과 교체 가능한 도어임팩트빔을 설계하고, 성형해석 및 구조해석을 이용한 최적화 과정을 수행하여 시작품을 제작하였다. 이를 통하여 핫스탬핑 공법을 임팩트빔에 적용하기 위한 설계안을 도출할 수 있었다.
최적화 설계 결과를 바탕으로 임팩트빔 금형을 제작하였다. 핫스탬핑 금형은 내부에 냉각수순환을 위한 냉각채널을 포함하지만, 시작금형에는 냉각 채널을 포함하지 않고 있다.
본 연구에서는 핫스탬핑 공법을 이용하여 초경량 고강도 도어 임팩트빔 개발을 목표로 한다. 핫스탬핑 소재의 상온 및 고온 인장시험을 통한 기계적 물성을 확보하였다. 또한 패널 타입 임팩트빔 개발을 위하여 중량대비 반력이 높은 단면형상을 선정하고, 양산 차종을 대상으로 임팩트빔 설계를 수행, 성형 및 구조해석을 이용한 최적화 설계 기술 개발을 목적으로 하였다.
따라서 핫스탬핑 전/후의 시편을 제작하였다. 핫스탬핑 후의 시편을 제작하기 위하여 모자단면을 가지는 금형을 제작 후 핫스탬핑하여 시편을 제작하였다. 인장시편 규격은 KS13B호를 사용하였다.

대상 데이터

핫스탬핑 기계적 물성 평가에 사용된 소재는일본 NSC(Nippon Steel Corporation)의 NHPA-1500(이하 보론강이라 칭함)의 보론강으로서, 소재의 가열시 산화 스케일 발생을 억제하기 위하여 알루미늄 도금된 소재이다. 두께가 1.2mm의 소재를 사용하였고, 소재의 화학 조성은 아래 Table 1과 같다.^(3,4)
본 연구에서는 Fig. 5와 같이 기존의 환봉과 차체부품에 일반적으로 사용되는 One-hat 및 Two-hat 단면 형상을 선정하였다. 각각의 단면형상에 대하여 단면계수를 측정함으로써 빔의 굽힘강도에 대하여 예측이 가능하다.
One-hat 및 Two-hat의 단면을 길이방향으로 연장하여 샘플빔을 모델링하였다. 샘플 빔의 길이는 400mm이며, 높이는 30mm로, 두께는 1.2mm로 선정하였다. 샘플 빔 양단에서 50mm 떨어진 지점에서 양단을 지지하고 샘플 빔의 중앙에서 반원형의 램을 모델링하여 50mm/min의 속도로 샘플 빔을 가압하였다.
핫스탬핑 후의 시편을 제작하기 위하여 모자단면을 가지는 금형을 제작 후 핫스탬핑하여 시편을 제작하였다. 인장시편 규격은 KS13B호를 사용하였다. 아래 Fig.

데이터처리

단면형상 측정결과는 Table 3에 표시하였다. 단면계수는 상용 프로그램인 CATIA를 이용하여 계산하였다.
기본 용접은 2개로 시작하여 용접점 증가에 따른 영향을 분석하고, 또한 국부적인 변형 발생을 제거하는 것을 목적으로 하였다. 해석은 상용 소프트웨어인 LS-DYNA970을 이용하여 변형(시간)에 따른 반력을 측정하여 비교 평가하였다. Table 4와 Fig.

성능/효과

(1) 단면계수/단면적의 비는 One-hat 단면이 가장 높으나, 변형양상에 따라서 Two-Hat 단면을 가진 임팩트빔의 강도가 더 높을 수 있음을 보였다.
(2) 핫스탬핑 임팩트빔의 정도 향상을 위해서는 급격한 단차부위를 피하는 것이 좋다.
(3) 핫스탬핑 임팩트빔의 강도 향상을 위해서는 Hat 단면이 빔 끝단까지 지속되며, 용접점이 3개 이상 필요함을 알 수 있었다.
(4) Autoform에 의한 성형해석과 구조해석 결과에 기초한 시작품 제작결과 핫스탬핑에 의한 도어임팩트빔 제작시 기존 도어 임팩트빔 대비 약 34%의 경량화 및 102%의 고강도화가 가능하였다.
이러한 가공 경화 특성은 소재의 연신율을 향상시켜 소재의 성형성의 향상을 가져오기 때문에 복잡한 형상의 제품의 성형이 가능하게 된다. 그러나 소재가 600℃ 이하의 온도에서는 가공경화 효과가 미미하여 연신율이 저하되어 성형성이 급격하게 저하되는 현상을 가지는 것을 알 수 있었다. 따라서 소재를 900℃로 가열한 후 700℃로 냉각하여 고온 인장시험을 수행한 경우 전체 연신율이 높게 나타나 성형성이 우수한 것을 알 수 있었다.
그러나 소재가 600℃ 이하의 온도에서는 가공경화 효과가 미미하여 연신율이 저하되어 성형성이 급격하게 저하되는 현상을 가지는 것을 알 수 있었다. 따라서 소재를 900℃로 가열한 후 700℃로 냉각하여 고온 인장시험을 수행한 경우 전체 연신율이 높게 나타나 성형성이 우수한 것을 알 수 있었다. 특히 변형 속도가 높은 경우보다 우수한 성형성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
모델 C와 B의 비교결과 빔 양단부에 Hat 단면을 연장하는 것이 강도 향상에 더욱 유리한 것으로 판단된다.
모델A보다 모델B의 반력이 높은 것으로 보아 핫스탬핑을 이용한 임팩트빔의 강도가 더 높다.
인장 시험 결과는 공칭응력과 공칭변형률로 나타내었다. 모든 시험 조건에서 소재는 변형량이 증가함에 따라서 항복강도가 증가하는 가공 경화 특성을 나타내었다. 이러한 가공 경화 특성은 소재의 연신율을 향상시켜 소재의 성형성의 향상을 가져오기 때문에 복잡한 형상의 제품의 성형이 가능하게 된다.
2를 사용하였다. 성형해석 결과 두께 감소율은 약 16%로 터짐은 발생하지 않지만 임팩트빔 양단에서 두께 증가율이 8%를 나타낸다. 이것은 단차발생 부에서 살몰림이 발생하는 것으로 예측 가능하며, 따라서 급격한 단차발생을 없애고, 단차를 완만히 수정할 경우 주름 해소가 가능할 것으로 판단된다.
따라서 소재를 900℃로 가열한 후 700℃로 냉각하여 고온 인장시험을 수행한 경우 전체 연신율이 높게 나타나 성형성이 우수한 것을 알 수 있었다. 특히 변형 속도가 높은 경우보다 우수한 성형성을 나타내는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도어 임팩트빔은 어떻게 구성되는가?	자동차의 도어 임팩트빔은 측면 충돌시 충격량을 흡수하여 승객을 보호하는 중요 구조물로이에 해당된다. 도어 임팩트빔은 중앙의 열처리된 빔과 빔 양단에 도어 인너 패널과 결합하기위한 브래킷으로 구성된다. 박판을 롤포밍하여 용접한 후 열처리를 실시하여 경화한 빔 양단에 박판 성형으로 제조된 브래킷을 CO2 용접하는 복잡한 제조공정을 가진다.
	차체의 경량화를 위한 방안으로 어떤 것들이 적용되고 있는가?	이에 대한 해결방안으로서 차량중량 구성의 약 30%로 가장 큰 비중을 차지하는 차체의 경량화 연구가 활발히 진행 중이다. 보강재강화, 레이저용접에 의한 TWB(Tailor Welded Blank)제작기술을 이용한 국부적인 두께 증가 방법, 그리고 고강도 강판인 TRIP강, DP강을 적용하여 왔다.(1) 또한 판재를 프레스 성형 후 고주파유도가열을 이용하여 국부적으로 제품을 강화시키는 고주파열처리 기술이 고강도를 요구하는 차체 부품에 부분적으로 적용되고 있다.(2) 핫스탬핑(Hot stamping)기술은 판재를 가열한 후 성형과 동시에 열처리를 실시하여 제품의 강도를 강화시키는 공법으로 최근 일본과 유럽을 중심으로 고강도를 요구하는 차체부품에 부분적으로 적용되고 있다.
	자동차의 측면충돌이 가지는 위험은?	자동차의 측면충돌은 정면충돌에 비하여 충돌에너지를 대폭적으로 흡수할 수 있는 구조물이 없고 승객과 차체사이에 제한된 공간으로 인해 승객에게 치명적인 상해를 줄 수 있다. 정면충돌이 전체 교통사고의 높은 비중을 차지하고 있지만 도시지역을 중심으로 측면충돌에 의한 사고의빈도가 증가하고 있다.

참고문헌 (5)

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Son, J. H., Yum, Y. J., Kim, W. H., Hwang, J. B., Kim, S. U., Yoo, S. J. and Lee, H. W., 2008, "Development of High Strength Center-pillar by High Frequency Induction Heating," Transactions of Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 32, No. 6, pp.533-539

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Mohan Iyengar, R., Fedewa, B., Wang, Y.-W., Maatz, D.F., Jr. and Hughes, R.L., 2008, "Implications of Hot-Stamped Boron Steel Components in automotive Structures," American Society of Automotive Engineering - International Congress and Exposition, SAE Technical Paper Series 2008-01-0857, pp.63-76.
Daniel Duque Munera, Aurelien Pic, Dmien Abou-khalil and Francis Shmit, 2008, "Innovative Press Hardened Steel Based Laser Welded Blanks Solutions for Weight Savings and Crash Safety Improvements," American Society of Automotive Engineering - International Congress and Exposition, SAE Technical Paper Series 2008-01-1076, pp.77-84.
Merklein, M. and Lechler, J., 2008, "Determination of Material and Process Characteristics for Hot Stamping Process of Quenchable Ultra High Strength Steels with Respect to a FE-Based Process Design," American Society of Automotive Engineering - International Congress and Exposition, SAE Technical Paper Series 2008-01-0853, pp.35-50.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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