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Hole 클린칭을 이용한 고장력강판과 Al6061 이종소재의 접합
Joining High-Strength Steel and Al6061 Sheet Using Hole Clinching Process 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.6, 2012년, pp.691 - 698  

안남식 (부산대학교 기계공학부) ,  이찬주 (부산대학교 IFAM 국제공동연구소) ,  이정민 (한국생산기술연구원 동남권지역본부) ,  고대철 (부산대학교 부품소재산학협력연구소) ,  이선봉 (계명대학교 기계자동차공학과) ,  김병민 (부산대학교 기계공학부)

초록
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일반적인 클린칭 접합공정에서 고장력강과 알루미늄의 이종소재간의 접합시 고장력강의 낮은 연신율과 높은 강도로 인해 클린칭 접합시 파단이 발생하거나 높은 클린칭 접합하중이 요구된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 클린칭 접합시 고장력강의 변형없이 알루미늄의 변형만을 이용한 홀 클린칭 접합공정을 개발하였다. 고장력강에 홀가공을 적용하여 고장력강의 변형을 배제하였다. 홀 클린칭 접합의 요구접합강도를 기초로 클린칭 접합의 기하학적 구속량을 결정하였으며, 홀 클린칭 금형의 형상은 성형체적 일정조건을 이용하여 설계하였다. 설계된 클린칭 접합공정의 유효성을 평가하기 위해 유한요소해석을 수행하여, 홀 클린칭 접합이 가능함을 확인하였다. 또한 홀 클린칭 접합의 접합강도는 인장전단시험을 통하여 평가하였다. 홀 클린칭 접합강도는 2.56kN으로 요구접합강도와 비교하여 동등수준 이상의 값을 가짐을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The joining of aluminum and HSS (high-strength steel) by the conventional clinching process is limited by the low formability of HSS. Defects in the clinching joint, such as necking of the upper sheet, cracks, and lack of interlocking, are produced by the different ductility properties of HSS and al...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 접합소재인 고장력강에 홀가공을 적용하여 클린칭 접합시 고장력강의 변형을 최소화한 홀 클린칭 접합공정을 설계하였다. 홀 클린칭 금형의 형상은 성형체적일정조건을 활용하여 설계하였으며, 유한요소해석 및 홀 클린칭 접합실험을 통해 설계된 홀 클린칭 접합공정의 유효성을 검토하였다.

가설 설정

  • (1) 본 연구에서 제안된 홀 클린칭 공정에서 펀치 성형체적은 체적일정의 원리와 기하학적 조건에 의해 고장력강의 홀체적과 다이공동부 체적의 합과 같아야 한다.
  • 본 연구에서 제안된 홀 클린칭 접합공정은 고장력강의 홀 중심, 다이 공동부의 중심 및 펀치의 중심이 동일한 선상에 존재해야 한다. 고장력강의 홀의 중심이 벗어날 경우, 중심선을 기준으로 펀치와 고장력강의 좌우간격이 달라진다.
  • 여기서, VU와 VU’는 상부소재의 클린칭 접합 전후 성형체적을 나타내며, 본 연구에서는 상부소재의 클린칭 접합 전후 성형체적이 동일하다고 가정하였다.
  • 앞서 설계된 고장력강의 홀직경, 다이깊이를 반영하였으며 성형부 형상은 원형으로 대칭이므로 축대칭 유한요소모델을 적용하였다. 해석조건으로 Table 2 의 물성치를 적용하였고, 금형과 접합소재 간의 마찰 상수는 0.12 이며, Al6061 과 SPFC440 간의 마찰상수는 0.4 로 가정하였다.(4) 홀 클린칭 접합공정 후 펀치와 접합부의 분리를 고려하여 펀치의 경사각은 2°를 적용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이종소재 접합에 기계적 접합이 이용되는 이유는 무엇인가? (1~3) 이러한 알루미늄 차체부품의 개발은 기존의 고장력강 부품과의 조립을 위한 이종소재 접합기술을 요구한다. 이종소재 접합은 기존의 저항점 용접기술(resistance spot welding)의 적용이 불가능하기 때문에 클린칭(clinching), 셀프 피어싱 리벳(self-piercing rivet) 등과 같은 기계적 접합이 많이 이용되고 있다. 특히 클린칭 접합의 경우, 셀프 피어싱 리벳과는 달리 추가적인 접합요소가 필요하지 않기 때문에 접합단가가 저렴한 장점이 있어 이종소재 접합기술에 있어 최근 많은 연구가 진행되고 있다.
알루미늄과 고장력강의 이종소재의 클린칭 접합에는 어떤 문제가 발생하는가? 그러나 알루미늄과 고장력강의 이종소재의 클린칭 접합의 경우, 고장력강의 높은 강도와 낮은 성형성으로 인해 클린칭 접합이 불가능한 경우가 많이 발생한다.(8~10) Fig.
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참고문헌 (12)

  1. Kim, J. Y., Lee, C. J., Lee, S. K., Ko, D. C. and Kim, B. M., 2009, "Effect of Shape Parameters of Tool on Improvement of Joining Strength in Clinching," Transactions of Materials Processing, Vol. 18, No.5, pp.393-400. 

  2. Lim, D. H., Lee, B. W., Rhyu, H. H. and Kim, K. K., 2003, "An Experimental Study on the Strength Evaluation of Al-5052 Tensile-Shear Specimens Using a Mechanical Press Joining Method," Trans. of KSMTE(A), Vol.12, No. 1, pp.58-64. 

  3. Barnes, T. A., Pashby, I. R., 2000, "Joining Techniques for Aluminium Spaceframes Used in Automobiles Part II - Adhesive Bonding and Mechanical Fasteners," Journal of Materials Processing Technology, Vol.99, No. 1-3, pp.72-79. 

  4. Jayasekara, V. R., Noh, J. H., Hwang, B. B., Ham, K. C., Jang, D. H., 2007, "A Study on the Forming Characteristics of Clinching Joint Process," Transactions of Materials Processing, Vol.16, No.8, pp.603-613. 

  5. Varis, J. P., 2006, "Economics of Clinched Joint Compared to Riveted Joint and Example of Applying Calculations to a Volume Product," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 172, pp.130-138. 

  6. Varis, J. et al., 2003, "A Simple Testing-Based Procedure and Simulation of the Clinching Process Using Finite Element Analysis for Establishing Clinching Parameters," Thin-Walled Structures, Vol.41, pp. 691-709. 

  7. Lee, Y. B., Chung, C. S., Kim, T. Y., Cha, B. S., 1998, "A Study on the Optimum Conditions for Improving the Joining Strength in Clinch Joint," Proceedings of KSME Conference, pp. 244-249. 

  8. Mucha, J., 2011, "The Analysis of Lock Forming Mechanism in the Clinching Joint," Materials & Design, Vol. 32, pp.4943-4954. 

  9. Lee, C. J., Lee, S. K., Lee, S. B., Kim, B. M., 2010, "Characteristic of Mechanical Clinching for Al5052 to High-Strength Steels," Trans. of KSME(A), Vol.34, No.8, pp.997-1006. 

  10. Lee, C. J., Kim, J. Y., Lee, S. K., Ko, D. C., Kim, B. M., 2010, "Parametric Study on Mechanical Clinching Process for Joining Aluminum Alloy and High-Strength Steel Sheets," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 24, pp. 123-126. 

  11. Kim, J. Y., Lee, C. J., Lee, S. K., Ko, D. C., Kim, B. M., 2008, "The Effect of Adhesive Layer on Joining Strength of the Hybrid Clinching Joint," Proceedings of KSME Conference, pp.220-225. 

  12. Kim, T. H., Suh, J., Kang, H. S., Lee, Y. S., Park, C. D., 2011, "Fatigue Assessment Using SPR and Adhesive on Dissimilar Materials," Journal of KSPE, Vol. 28, No. 10, pp. 1204-1209. 

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