[논문]마찰교반용접법을 이용한 2피스 알루미늄 휠의 개발

최인영; 강영준; 김안드레이; 안규생

doi:10.7735/ksmte.2013.22.4.700

마찰교반용접법을 이용한 2피스 알루미늄 휠의 개발
Development of the Two-piece Aluminum Wheels Using the Friction Stir Welding 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.22 no.4, 2013년, pp.700 - 707

최인영 (Department of Mechanical Design, Graduate School of Chonbuk Univ.) , 강영준 (Department of Mechanical Design Engineering, Chonbuk Univ.) , 김안드레이 (Department of Mechanical Design, Graduate School of Chonbuk Univ.) , 안규생 (AMP Tech Co.)

Abstract ▼ AI-Helper

Owing to high oil prices and environmental issues, the automobile industry has conducted considerable research and made large investments to manufacture a high-efficiency automobiles. In the case of automobile wheels in which a lightweight material is used to increase the fuel efficiency a mold is used to increase the production efficiency; however, the use of the molding method for this purpose is very expensive. Therefore an automobile wheel consists of two parts. In this study a two-piece automobile wheel is manufactured by the friction stir welding(FSW) of Al6061-T6 to reduce the manufacturing cost and process complexity. The FSW welding tool geometry and rotational speed, and the feed rate are key factors that significantly affect the weld strength. Therefore tensile tests were conducted on specimens produced using various welding conditions, and the optimal FSW welding conditions were applied to manufacture aluminum wheels. To ensure reliability, prototype aluminum wheels were manufactured and their mechanical reliability and safety were evaluated using a durability test, fatigue durability test, and impact test. Through this study, aluminum wheel production was made possible using the FSW method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

마찰교반용접의 경우, 용접 성능의 마찰 교반용접 툴의 형상과 용접기의 회전수와 이송속도에 의하여 좌우된다. 따라서 이러한 변수를 최적화하여 휠의 생산 공정에 도입하기 위하여 인장시험을 수행 하였다. Table 1은 2피스 알루미늄 휠의 최적의 용접 조건을 결정하기 위하여 사용된 용접 툴의 회전수와 이송속도를 나타낸 표이다.
이러한 일련의 과정에서 휠에 불순물의 혼입이 가능하며, 원형 결함의 제거를 위한 휠의 절단과정에서 균열이 발생할 수 있는 가능성이 있다. 따라서 이러한 불순물의 혼입과 균열의 발생을 검사 하기 위하여 X-ray 검사를 수행하였다. Fig.
또한 마찰 교반용접의 경우 기존 용접 방식에 비하여 강도가 우수한 특징을 갖고 있으나 용접 부분이 모재에 비하여 강도가 떨어지는 현상이 발생한다. 따라서 휠의 강도 해석을 통하여 알루미늄 휠의 안정성을 확보할 수 있는 모델의 개발과 생산 공정 단축을 위하여 강도해석을 진행하였다.
본 논문은 자동차 휠 생산에 있어 마찰 교반용접을 이용하여 초경량 2피스 알루미늄 휠을 제작하는 새로운 방법에 대한 논문이다. 초경량 2피스 알루미늄 휠 제작에 있어 생산 공정의 단순화와 원가 절감을 목적으로 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)을 적용하여 하였다.
본 실험은 마찰교반용접의 용접 변수 중 용접기의 회전수와 이송 속도의 변수를 최적화하여 휠 생산 공정에 도입하고자 수행되었다. 각각의 변수 별로 6개의 인장 시편을 제작하여 인장실험을 수행하였다.

제안 방법

(4) 다양한 차종의 주문자형 신형 휠 개발의 용이성과 2피스 알루미늄 휠의 양산화 기술을 확보하였다.
충격 시험 해석 조건에 경우에서는 알루미늄 휠을 13° 기울인후, 600 Kg의 추를 230 mm 높이에서 떨어뜨렸다. 230 mm의 높이에서 자유낙하 시킨 추의 속도는 2.123 m/s으로 설정하였으며이 속도를 600 Kg의 추에 적용시켜 충격 해석을 수행하였다. 천이 구조(Transient structural) 방법으로 비선형 물성 데이터를 적용시켜 해석하였다.
요소망 생성 결과, 절점(Nodes)은 309,159개이고, 요소(Elements)는 169,152개로 설정하였다. Table 3은 강도 해석에 사용된 알루미늄 6061-T6의 재료 물성 정보를 나타내며, 알루 미늄 휠의 강도해석은 일반적으로 휠의 강도해석에 많이 사용되는 구조강도 해석, 굽힘 피로(Bending moment fatigue), 원주 피로 (Radial fatigue), 충격(Impact Test) 등의 3가지 테스트를 진행하였다.
본 실험은 마찰교반용접의 용접 변수 중 용접기의 회전수와 이송 속도의 변수를 최적화하여 휠 생산 공정에 도입하고자 수행되었다. 각각의 변수 별로 6개의 인장 시편을 제작하여 인장실험을 수행하였다. Fig.
이러한 충격에 의하여 휠의 파괴가 발생하지 않아야 한다. 따라서 마찰교반용접이 적용된 알루미늄 휠의 안정성확보를 위하여 충격 시험을 수행하였다. 일반적으로 휠의 충격시험은 시험 결과 휠에 균열이 발생하지 않으며, 림과 디스크의 분리가 없어야 된다.
따라서 압력 판재의 원형 롤링에 있어 3축의 회전 롤러를 이용하여 다양한 크기의 휠을 생산할 수 있도록 원통 롤링 벤딩기를 제작하였다. 원통롤링 공정과 마찰교반 용접 공정을 휠을 생산 공정에 도입하여 일반적인 휠 생산 공정에 비하여 생산 공정 단순화와 생산 원가절감 효과를 획득할 수 있었다.
주조방식으로 생산되는 알루미늄 휠의 경우, 매우 복잡한 생산공정을 갖고 있다. 따라서 이러한 복잡한 공정을 단순화하여 생산 원가 절감의 효과를 극대화하기 위하여 마찰 교반 용접을 도입하였다. Fig.
56 MPa으로 가장 적은 값의 결과를 볼 수 있었다. 따라서 인장강도의 값이 가장 큰 A-2의 용접 조건을 이용하여 초경량 2피스 알루미늄 휠의 제작하였다.
자동차의 경량화와 연비 향상을 위하여 사용되는 알루미늄 휠 생산 공정의 단순화와 원가 절감을 위하여 마찰교반용접을 이용한 휠 생산 과정을 도입하기 위하여 마찰 교반 용접의 최적 조건을 찾기 위한 인장 시험을 수행하였다. 또한 인장시험을 통하여 도출한 최적의 마찰교반용접 조건으로 생산된 알루미늄 휠의 안전성을 확보하기 위하여 주행내구성, 피로내구성, 충격시험과 X-ray 검사를 통하여 마찰 교반용접법을 적용하여 생산한 초경량 2피스 알루미늄 휠의 안전성을 검증하였다. 본 연구를 요약하면 다음과 같다.
굽힘 피로 시험의 해석 조건은 휠의 회전이 가능하도록 원주 지지 구속조건에서 원주와 축 방향은 고정시키고 접선 방향만 구속을 풀어줬다. 또한 타이어를 장착했을 때 발생하는 압력을 0.24 MPa로 알루미늄 휠 외관 면에 수직방향으로 설정하였으며 알루미늄 휠의 회전 속도는 회전 속도 조건을 500 RPM으로 설정하였다. 해석에 적용시킨 굽힘 모멘트 값을 365.
초경량 2피스 알루미늄 휠 제작에 있어 생산 공정의 단순화와 원가 절감을 목적으로 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)을 적용하여 하였다. 또한 휠 제작에 있어 마찰 교반용접의 최적의 조건을 찾기 위하여 알루미늄 Al6061-T6 재질에 가장 효율적인 마찰교반용접 조건을 인장시험을 통하여 결정하였다. 이를 휠에 적용하여 초경량 2피스 알루미늄 휠의 시제품을 제작하여 주행내구성 시험, 피로내구성 시험, 충격 시험, 침투탐상 시험, 비파괴 검사 (X-Ray)를 통하여 휠의 안정성을 확보하였다.
알루미늄 휠의 사양의 기준으로 하중조건을 선정 하여 구조강도 해석은 굽힘 피로, 원주 피로, 충격 시험 등의 3가지를 수행하였다.
원주 피로 시험의 해석 조건은 굽힘 피로 테스트와 달리 알루미늄 휠의 회전 속도를 휠 회전 속도 조건에서 550 RPM으로 설정하였으며 임의의 벽면을 모델링하여 알루미늄 휠을 벽면 쪽으로 힘을 인가하였다. 이 때 적용된 힘은 베어링 하중 조건으로 1902 Kgf 설정하였다.
유한 요소 해석 결과에서 휠의 디자인과 구조적 안정성을 확인후 실제 마찰 교반용접을 수행하여 개발된 초경량 2피스 알루미늄 휠의 안전성 테스트를 진행하였다. 휠의 안전성 테스트는 크게 주행내구성 시험, 피로내구성 시험, 충격 시험이 일반적이며, 마찰교반용접과 단조 공법에 따라 발생할 수 있는 불순물과 내부 결함을 확인하기 위하여 X-Ray 비파괴 검사를 추가적으로 수행하여 마찰 교반 용접을 이용한 알루미늄 휠의 안정성을 확보할 수 있도록 하였다.
또한 휠 제작에 있어 마찰 교반용접의 최적의 조건을 찾기 위하여 알루미늄 Al6061-T6 재질에 가장 효율적인 마찰교반용접 조건을 인장시험을 통하여 결정하였다. 이를 휠에 적용하여 초경량 2피스 알루미늄 휠의 시제품을 제작하여 주행내구성 시험, 피로내구성 시험, 충격 시험, 침투탐상 시험, 비파괴 검사 (X-Ray)를 통하여 휠의 안정성을 확보하였다.
자동차의 경량화와 연비 향상을 위하여 사용되는 알루미늄 휠 생산 공정의 단순화와 원가 절감을 위하여 마찰교반용접을 이용한 휠 생산 과정을 도입하기 위하여 마찰 교반 용접의 최적 조건을 찾기 위한 인장 시험을 수행하였다. 또한 인장시험을 통하여 도출한 최적의 마찰교반용접 조건으로 생산된 알루미늄 휠의 안전성을 확보하기 위하여 주행내구성, 피로내구성, 충격시험과 X-ray 검사를 통하여 마찰 교반용접법을 적용하여 생산한 초경량 2피스 알루미늄 휠의 안전성을 검증하였다.
123 m/s으로 설정하였으며이 속도를 600 Kg의 추에 적용시켜 충격 해석을 수행하였다. 천이 구조(Transient structural) 방법으로 비선형 물성 데이터를 적용시켜 해석하였다. Table 4는 해석을 수행한 결과를 나타낸 표이며, Fig.
본 논문은 자동차 휠 생산에 있어 마찰 교반용접을 이용하여 초경량 2피스 알루미늄 휠을 제작하는 새로운 방법에 대한 논문이다. 초경량 2피스 알루미늄 휠 제작에 있어 생산 공정의 단순화와 원가 절감을 목적으로 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)을 적용하여 하였다. 또한 휠 제작에 있어 마찰 교반용접의 최적의 조건을 찾기 위하여 알루미늄 Al6061-T6 재질에 가장 효율적인 마찰교반용접 조건을 인장시험을 통하여 결정하였다.
유한 요소 해석 결과에서 휠의 디자인과 구조적 안정성을 확인후 실제 마찰 교반용접을 수행하여 개발된 초경량 2피스 알루미늄 휠의 안전성 테스트를 진행하였다. 휠의 안전성 테스트는 크게 주행내구성 시험, 피로내구성 시험, 충격 시험이 일반적이며, 마찰교반용접과 단조 공법에 따라 발생할 수 있는 불순물과 내부 결함을 확인하기 위하여 X-Ray 비파괴 검사를 추가적으로 수행하여 마찰 교반 용접을 이용한 알루미늄 휠의 안정성을 확보할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 마찰교반용접기는 Fig. 2와 같은 국내 W사의 3축 스텐드 타입의 터치 패널 조작방식의 직선 마찰교반용접기를 사용하였다. Fig.
10(b)와 같이 사면체 요소 메쉬(Tetra Mesh) 생성 알고리즘을 사용하여 요소 망을 생성하였다. 요소망 생성 결과, 절점(Nodes)은 309,159개이고, 요소(Elements)는 169,152개로 설정하였다. Table 3은 강도 해석에 사용된 알루미늄 6061-T6의 재료 물성 정보를 나타내며, 알루 미늄 휠의 강도해석은 일반적으로 휠의 강도해석에 많이 사용되는 구조강도 해석, 굽힘 피로(Bending moment fatigue), 원주 피로 (Radial fatigue), 충격(Impact Test) 등의 3가지 테스트를 진행하였다.

이론/모형

Table 1은 2피스 알루미늄 휠의 최적의 용접 조건을 결정하기 위하여 사용된 용접 툴의 회전수와 이송속도를 나타낸 표이다. Fig. 4는 마찰교반 용접의 최적 용접 변수를 도출하기 위하여 사용된 인장시편을 나타낸 그림으로서 KS B0801 제5호 규격에 따라 시험편을 가공하였다. Fig.

성능/효과

(1) 마찰교반 용접을 적용하여 2피스 알루미늄 휠 림을 제작하고 이를 이용하여 휠의 완성품 제작이 가능함을 보였다.
(2) 마찰교반용접을 알루미늄 휠의 생산과정에 도입하여 생산 과정의 단순화와 원가 절감의 효과를 얻을 수 있었다.
(3) 마찰 교반용접이 적용되어 생산된 휠의 주행내구성, 피로내구성, 충격시험을 수행하여 마찰교반용접을 통하여 생산된 2 Piece 알루미늄 휠의 안정성을 확보하였다.
따라서 이러한 주조제작 방식이 아닌 마찰교반용접을 림 생산 공정에 도입할 경우, 일반적인 주조와 단조 제조공법에서 발생 하였던 원재료 손실의 대폭 개선된다. 또한 단조 공법에서 복잡한 제조 공정을 단순화하여 생산원가를 대폭 절감 할 수 있으며, 주조 및 단조방식의 제품대비소재의 조직이 치밀하며 소재의 강성을 확보하여 경량화를 통한 연비향상 효과를 확보할 수 있다.
12는 피로 내구성 시험을 나타내는 그림이며, Table 6은 마찰교반용접을 적용하여 생산한 휠의 피로내구성 시험에 적용된 변수를 나타낸 표이다. 시험 결과 120,000 Cy 반복하중에서 마찰교반용접을 적용하여 생산한 휠의 림과 디스크에 균열이 발생하지 않았다.
따라서 압력 판재의 원형 롤링에 있어 3축의 회전 롤러를 이용하여 다양한 크기의 휠을 생산할 수 있도록 원통 롤링 벤딩기를 제작하였다. 원통롤링 공정과 마찰교반 용접 공정을 휠을 생산 공정에 도입하여 일반적인 휠 생산 공정에 비하여 생산 공정 단순화와 생산 원가절감 효과를 획득할 수 있었다.
주행 내구성 시험 결과 주행거리 1,000,000 CY와 주행속도 60 Km/h의 조건에서 휠의 림과 디스크에 균열이 나타나지 않았으며 Air 누설이 없을 것으로 확인하였다. Table 5는 마찰 교반용접을 적용하여 생산된 휠의 도면 규격에 따라 주행내구성 시험에 적용된 주요 변수를 나타낸 표이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	휠의 역할은 무엇인가	자동차 휠(Wheel)은 자동차의 주행 안전성을 담보하는 가장 중요한 부품이다. 휠은 타이어를 장착 · 유지하고, 차량의 운동 에너지를 타이어에 전달 · 운전케 하는 보조적인 역할을 수행한다. 이러한 휠은 크게 타이어를 장착하는 림과 차량의 허브에 밀착하는 디스크로 구성되어 있다.
	자동차 휠은 어떠한 방식을 통해 만들어 지는가	자동차의 휠 분야 또한 자동차의 성능과 연비향상을 위하여 경량소재를 이용한 휠 개발에 많은 연구를 진행하고 있다. 일반적으로 자동차 휠은 주조와 단조방식을 통하여 만들어지며, 자동차의 안전과 더불어 소비자의 구매 욕구를 향상시키기 위하여 다양한 형태의 디자인이 요구 된다. 이러한 소비자들의 다양한 욕구 만족과 생산비용의 절감을 위하여 하나의 주조틀을 사용한 1피스(1Piece) 휠 보다는 각 부분을 분리하여 다양한 디자인을 적용할 수 있고 부분 수리가 가능한 2피스(2Piece), 3피스(3Piece) 휠의 생산이 많아지고 있다.
	소비자들의 다양한 욕구 만족과 생산비용 절감을 위해 자동차 휠은 어떻게 생산되고 있는가	일반적으로 자동차 휠은 주조와 단조방식을 통하여 만들어지며, 자동차의 안전과 더불어 소비자의 구매 욕구를 향상시키기 위하여 다양한 형태의 디자인이 요구 된다. 이러한 소비자들의 다양한 욕구 만족과 생산비용의 절감을 위하여 하나의 주조틀을 사용한 1피스(1Piece) 휠 보다는 각 부분을 분리하여 다양한 디자인을 적용할 수 있고 부분 수리가 가능한 2피스(2Piece), 3피스(3Piece) 휠의 생산이 많아지고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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