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문제 정의
- 본 논문에서는 알루미늄 판재의 사전변형량과 소부 온도에 따른 성형조건에 의해 항복 강도 변화를 확인하고, 항복강도 증가에 대한 내덴트성 영향을 분석하여 내덴트성을 향상시킬 수 있는 각각의 공정 및 인자의 적정 범위을 찾아내고자 하였다.
- 실제 내덴트 성능을 평가할 수 있는 형상 제작을 위해 도어 형상과 유사한 간이형 부품 금형을 제작하고 성형 깊이 및 블랭크 홀딩력에 변화를 주어 가공경화량을 제어하고자 하였다. 또한, 현 양산 조건을 고려하여 3가지 소부 온도를 선정하고 각 온도별 소부경화량을 평가하였으며 다양한 조합을 통한 최종 부품에 대하여 내덴트성을 평가하였다.
가설 설정
- 부품의 형상 함수인 ρ(x)에 의해서도 영향을 받으나 본 연구에서는 동일한 형상에 대해 평가하므로 고려하지 않았다.
제안 방법
- 가공경화량 및 소부경화량이 실제 부품에서 미치는 내덴트 성능을 평가하기 위해서 부품 성형 후 변형률 측정 장비인 ARGUS로 변형률을 측정하였다. 또한, 앞에서 구한 변형률 및 소부 조건에 따른 소부 효과를 예상하여 내덴트 성능측정 부위의 최종 항복강도를 예측하여 실험 결과와의 관계를 분석하였다.
- 가공경화량은 각각의 시험편에 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10%의 사전변형을 가한 후 시험을 중지하고 각 가공경화 조건별로 오븐에서 150℃, 170℃, 190℃로 20분간 소부시킨 후 인장 시험을 다시 하여 항복강도의 변화량으로 소부 경화 효과를 측정하였다.
- 동일한 시험편을 이용하여, 내덴트성 평가를 실시하였다. 내덴트 평가는 중심부에서 25kgf의 하중을 부여했을 때 발생되는 잔류 소성변형량으로 측정하였다. Table 5에 보인 바와 같이 잔류 소성 변형량은 성형 조건에 따른 변형량 감소보다는 소부 온도 증가에 따른 변형량 감소가 더 큰 것을 알 수 있다.
- 동일한 시험편을 이용하여, 내덴트성 평가를 실시하였다. 내덴트 평가는 중심부에서 25kgf의 하중을 부여했을 때 발생되는 잔류 소성변형량으로 측정하였다.
- 블랭크 크기를 450×450mm로 고정하고 블랭크 홀딩력을 120Ton으로 했을 때 41mm의 깊이까지 국부 네킹이 발생되지 않았다. 따라서, 가공경화를 가장 많이 발생시킬 수 있는 성형 깊이와 블랭크 홀딩력(blank holding force ; BHF)을 각각 40mm와 120Ton으로 선정하였다. 성형 깊이는 중간인 20mm를 추가 선정하였으며 블랭크 홀딩력은 80Ton, 40Ton의 조건을 추가하여 Table 2와 같이 총 4가지 경우의 성형 조건을 선정하였다.
- 가공경화량 및 소부경화량이 실제 부품에서 미치는 내덴트 성능을 평가하기 위해서 부품 성형 후 변형률 측정 장비인 ARGUS로 변형률을 측정하였다. 또한, 앞에서 구한 변형률 및 소부 조건에 따른 소부 효과를 예상하여 내덴트 성능측정 부위의 최종 항복강도를 예측하여 실험 결과와의 관계를 분석하였다.
- 실제 내덴트 성능을 평가할 수 있는 형상 제작을 위해 도어 형상과 유사한 간이형 부품 금형을 제작하고 성형 깊이 및 블랭크 홀딩력에 변화를 주어 가공경화량을 제어하고자 하였다. 또한, 현 양산 조건을 고려하여 3가지 소부 온도를 선정하고 각 온도별 소부경화량을 평가하였으며 다양한 조합을 통한 최종 부품에 대하여 내덴트성을 평가하였다.
- 먼저 성형 조건 설정을 위하여 크랙이 발생하지 않는 최대 성형 한계 깊이를 측정하였다. 블랭크 크기를 450×450mm로 고정하고 블랭크 홀딩력을 120Ton으로 했을 때 41mm의 깊이까지 국부 네킹이 발생되지 않았다.
- 7에 보는 바와 같이 선정된 가공 조건에 따라, 변형량의 차이가 발생되었다. 변형량은 중심부 30x30mm에서의 평균 Von Mises strain을 측정하였다. Table 3에 보면, 블랭크 홀딩력이 동일하게 40ton인 시험편(20-40, 40-40)에서 성형 깊이에 관계없이 변형율은 2% 전후로 매우 낮게 나타났다.
- 본 연구에서는 알루미늄 부품의 성형 조건 및 소부 조건에 대한 다양한 실험을 통해 외판 강성 및 내덴트성에 미치는 영향도를 분석하여 향후 알루미늄 차체 외판 부품의 적용시 인자와 성능과의 관계를 확인하여 아래 (1) 및 (2)와 같이 사전변형율 및 온도 조건을 도출하였다.
- 소재의 가공경화 및 소부 온도에 따른 영향을 확인하기 위해서, 가장 기본적인 인장 시험을 통해서 기계적 물성을 평가하였다.
- 6000 계열의 알루미늄은 일반 소부경화 강판과 유사하게 소부 경화 특성을 가진다. 이러한 소부경화능은 초기 사전변형률에 따른 함수이므로 그 거동을 정확하게 살펴보기 위해서 인장시편에 다양한 초기 사전변형을 가하고 소부 시킨 후 소부 경화량을 평가하였다.
- 조건별 시험편의 소부 경화를 위해 오븐에 넣고 앞의 인장 시편과 동일한 조건인 150℃, 170℃, 190℃에서 20분간 소부 시킨 후 외판 강성 및 내덴트성을 측정하였다. 외판 강성은 하중 20kgf를 부여했을 때의 실시간 변위로 측정하며 그 결과를 Table 4에 표시하였다.
- 1mm 이내)이 발생하는 최소 하중으로 나타낸다. 하지만 본 연구에서는 다양한 경화 조건에 따른 실험의 횟수를 줄이고자, 하중 25kgf에서의 영구변형량으로 내덴트성을 평가하였다. 내덴트성 평가용 치구는 직경 36mm의 폴리우레탄(경도 Hs 85) 소재를 사용하였다.
대상 데이터
- 하지만 본 연구에서는 다양한 경화 조건에 따른 실험의 횟수를 줄이고자, 하중 25kgf에서의 영구변형량으로 내덴트성을 평가하였다. 내덴트성 평가용 치구는 직경 36mm의 폴리우레탄(경도 Hs 85) 소재를 사용하였다.
- 자동차에 사용되는 알루미늄 판넬 소재는 주로 5000 계열 소재와 6000 계열 소재가 적용되는데, 표면 특성이 중요한 외판재의 경우 일반적으로 6000 계열이 사용되고, 고성형이 요구되는 내판재의 경우 5000 계가 사용된다. 본 논문에서는 외판 부품의 덴트 특성을 판단하기 위해서 알루미늄 6000 계열 소재를 사용하였고, 상세 성분은 Table 1과 같다. 6000 계열의 알루미늄은 일반 소부경화 강판과 유사하게 소부 경화 특성을 가진다.
- 따라서, 가공경화를 가장 많이 발생시킬 수 있는 성형 깊이와 블랭크 홀딩력(blank holding force ; BHF)을 각각 40mm와 120Ton으로 선정하였다. 성형 깊이는 중간인 20mm를 추가 선정하였으며 블랭크 홀딩력은 80Ton, 40Ton의 조건을 추가하여 Table 2와 같이 총 4가지 경우의 성형 조건을 선정하였다.
- 그러나, 성형 깊이가 20mm인 시험편과, 40mm인 시험편에서는 크게 차이가 나는 것을 알 수 있다. 정확한 원인 분석을 위해서 중앙부의 두께를 측정하였으며 성형깊이가 20mm, 40mm인 경우 각각 9.8mm, 9.6~9.55mm로 측정되었다. 결국 외판강성은 부품의 두께에 가장 민감한 것으로 판단할 수 있다.
성능/효과
- (1) 사전변형을 통한 가공경화량이 많을수록 내덴트성은 향상되며, 이는 항복응력의 증가에 기인하였다. 사전변형율 10%까지 항복응력은 꾸준히 증가하였으며, BH량은 1~3% 사전변형을 주었을 때가 가장 높았다.
- (2) 소부 온도가 높을수록 내덴트성은 향상되었다. 170℃ 이하에서의 단위 온도당 증가량보다 170℃ 이상에서의 단위 온도당 증가량이 큼을 알 수 있다.
- (3) 6000 계열의 알루미늄 판재에 적용할 수 있는 소부경화량 예측 식을 사전변형율 및 소부 온도에 대한 함수로 정의하고 본 연구 결과를 바탕으로 타당성을 검증하였다.
- (4) 두께 변형이 크지 않는 외판 부품의 경우, 내덴트성을 증가시키기 위해서는 6000 계열의 알루미늄 판재에서는 가공 경화보다는 소부 조건 최적화를 통한 항복강도 상승이 효과적이었으며, 최대 59.3%의 향상이 가능하였다.
- BH 량은 사전변형을 1~3% 주었을 때가 가장 높게 나타내고, 그 이후부터는 감소하는 패턴을 보였는데, 낮은 변형률에서는 전위 밀도가 올라감에 따라 석출물과의 상호작용에 의해 증가하는 반면, 높은 변형률에서는 소재 내 전위가 너무 많게 되어 오히려 소부 경화 정도는 줄어드는 것으로 나타났다.
- Fig. 2에 의하면, 가공경화와 소부 경화를 한 후 평가한 인장시험 결과는 사전 변형량이 클수록, 소부온도가 높을수록 항복강도는 증가하는 것으로 나타났다.
- 각 조건에서의 BH량을 계산한 결과, BH는 소부 온도가 높을수록 증가하였다. 그런데, 2% 사전 변형율을 기준으로 할 때, 일반적인 소부경화 강판의 경우 30~45MPa정도의 강도가 향상되는 반면, 알루미늄 150℃의 소부 온도에서는 소부 경화량이 25MPa 정도로 상대적으로 낮았다.
- 그런데, 2% 사전 변형율을 기준으로 할 때, 일반적인 소부경화 강판의 경우 30~45MPa정도의 강도가 향상되는 반면, 알루미늄 150℃의 소부 온도에서는 소부 경화량이 25MPa 정도로 상대적으로 낮았다. 그러므로, 알루미늄 외판부품의 적용시 소부 온도는 최소 160℃ 이상으로 적용하는 것이 타당할 것으로 보인다. 190℃의 경우는 66MPa 정도의 높은 소부 경화 효과를 보였다.
- 그리고, 동일한 온도에서 변형율이 커질수록 네덴트성은 좋아지는 것으로 측정되었다. 이것은 변형율이 커질수록 발생된 전위가 석출물의 생성처로 작용되어 석출물이 미세하게 분산 석출되었기 때문인 것으로 보인다[11].
- (1) 사전변형을 통한 가공경화량이 많을수록 내덴트성은 향상되며, 이는 항복응력의 증가에 기인하였다. 사전변형율 10%까지 항복응력은 꾸준히 증가하였으며, BH량은 1~3% 사전변형을 주었을 때가 가장 높았다.
- 이러한 결과와 내덴트 결과를 비교해 볼 때, 동일한 변형율인 경우 소부 온도가 증가할수록 내덴트성은 좋아지며 190℃에서 그 성능이 2배 이상 증대되는 것을 볼 수 있었다. 그러므로, 6000 계열 알루미늄 외판에서 내덴트성이 크게 부족한 경우 190℃이상의 소부 온도를 적용하면 내덴트 성능을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- Table 5에 보인 바와 같이 잔류 소성 변형량은 성형 조건에 따른 변형량 감소보다는 소부 온도 증가에 따른 변형량 감소가 더 큰 것을 알 수 있다. 즉, 소부 온도가 증가됨에 따라 각각의 성형 조건별로 소성 변형량 감소가 최대 43.8%~59.3%의 향상되었다.
후속연구
- 향후 알루미늄 도어 양산시 내덴트성의 향상을 위해서는 소부 온도 및 초기 변형율을 고려하여 목표한 덴트 성능을 확보할 수 있도록 조건을 최적화 할 필요가 있을 것으로 판단된다.
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