[논문]자동차 웨더스트립 심재 경량화를 위한 강선(Steel Wire)의 소성변형 연구

최보성; 이덕영; 진찬규

doi:10.7467/ksae.2013.21.5.082

자동차 웨더스트립 심재 경량화를 위한 강선(Steel Wire)의 소성변형 연구
Study of Plastic Deformation of Steel Wire for Weight Reduction of Automotive Weather Strip 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.5, 2013년, pp.82 - 86

최보성 (울산테크노파크 자동차부품기술연구소) , 이덕영 (대구대학교 기계.자동차공학부) , 진찬규 (일신하이텍 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The automotive weather strip has the functions isolating of dust, water, noise and vibration from outside. The core of weather strip is made of steel with stiffness. By using the wire formed as the core of weather strip, weight can be reduced as much as 35% by comparing with existing steel core. For this reason, forming wire is necessary to keep the zigzag shape as it is. The deformation which is occurred during forming process can be predicted and it can be used in case of manufacturing dies through CAE. In this paper, rolling process conditions are deduced and the springback amount is predicted after rolling process by using the simulation. The springback amount of product is measured by using optical microscope, and measurement result is compared with the simulation result of springback as the same condition. The suitable gap between dies to compensate springback after rolling process is predicted through simulation and it is used for manufacturing dies.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

바디 사이드 웨더스트립의 스틸 코어(steel core) 는 캐리어부에 삽입되어 지지역할을 하며 중량 비중이 높으므로, 대체 소재 개발로 30% 경량화를 이루고자 한다. 또한 웨더스트립의 캐리어 외관에 노출되는 스틸 코어 자국을 제거할 수 있으므로 외관 품질을 향상시킬 수 있다.
에 대해서는 연구된 바가 있으나, 경량화에 관한 연구는 미흡하다. 본 연구는 도어나 트렁크 리드 개폐부위에 적용되는 바디 사이드(body side) 웨더스트립의 경량화에 대한 것이다. Fig.
본 연구에서는 이러한 여러 가지 단점을 극복한 강선 심재를 개발코자 한다. 섬유로 제직하지 않고도 지그재그 형상이 그대로 유지될 수 있도록 강선을 포밍작업으로 성형하고자 하며, 해석을 통해 성형공정에서 발생하는 스프링백을 예측하고 금형 제작에 활용한다.

제안 방법

3) 롤링 공정 후 발생한 스프링백을 보정하기 위한 금형의 최적의 간격을 해석을 통해 예측하였고실 금형 제작에 반영하였다.
13과 같이 툴을 구성하였다. Table 2에서와 같이 첫 번째 성형에서 15mm를 성형한 후 0.1mm 간격으로 추가 성형을 하고 각 조건에서 생기는 스프링백 현상을 분석하여 최적의 툴간 거리 Ⓐ를 구하였다.
롤러는 Fig. 7과 같이 두께 3t, 폭 65mm, 끝단 형상이 라운드 0.5R이 되게 하였으며, Table 1에서와 같이 강선 공급시 당김력은 2 kg_f, 1 kg_f, 0.5 kg_f, 0.1 kg_f의 4 가지 경우로 결정하여 진행하였다.
당김력(pulling force)은 롤링 공정시 나선 형상 및스프링백량을 결정하는 중요한 요소로서, 금형 속으로 공급된 강선이 회전금형의 회전에 의하여 감길 때 빨려 들어가는 것을 막아주며 올바른 나선 형상을 만들어 주므로 해석을 통한 당김력 결정은 매우 중요하다. 롤링 공정 해석시 당김력을 사용하여 일정한 하중을 제공하였고, 강선이 동일한 경로로 진행될 수 있게 가이드(guide)를 설치하였다. 롤러의 회전 각속도는 관성효과(inertia effect)를 고려하여 0.
바를 이용한 성형과정이 끝나고 롤링 성형해석후 4가지 경우에 대한 툴과 강선과의 거리를 확인하 였다. Fig.
본 연구를 통하여 강선에 대한 롤링 공정 소성변형 해석 및 스프링백 해석을 수행하였으며 다음과 같은 연구 결과를 얻었다.
실제 현상을 반영한 각 조건별 강선의 스프링백 결과를 확인하기 위하여 Fig. 9와 같이 경계조건을 아무런 구속조건이 없는 상태로 설정하고 해석을 수행하였다. 스프링백 해석 결과는 각도로 나타내 었고 Fig.

대상 데이터

강선 심재로 사용할 강선은 해외 선진 웨더스트립 제품의 제직 강선의 강도를 분석하여 이와 유사 하게 인장강도 800MPa (실제 81.6 kg f /mm²), 지름 0.75mm로 결정하여 해석을 수행하였으며, Fig. 6에강선 DP800에 대한 진응력, 진변형률 곡선을 나타 내었다.
강선의 롤링 현상을 구현하기 위해 강선은 솔리드 메시(solid mesh)를 사용하였으며, 길이는 577mm, 길이방향의 메시 크기는 균일하게 0.25mm로 진행 하였다. 항복함수는 Hill의 1948항복모델⁶⁾을 사용 하였고 경화식으로는 등방 경화식(Isotropic Hardening)을 사용하였다.
사용된 강선 소재는 항복강도 0.506GPa, 인장강도 0.816GPa, K=1.161GPa, n=0.111, #=0.88의 기계적 물성을 가진다.

데이터처리

유한요소해석을 위해 바(bar)를 이용하여 강선을 잡아주고 그 후 롤링(rolling)을 수행함으로써 강선의 밀림 현상을 방지하였을 뿐 아니라 해석의 정도도 높일 수 있었다. 성형해석 및 스프링백 해석을 위해 상용 유한해석 프로그램인 Pam-Stamp 2G V2011 을 이용하여 해석을 수행하였으며 실제 강선 포밍을 구현하기 위해 Fig. 5와 같이 툴 구성을 하였다.

이론/모형

25mm로 진행 하였다. 항복함수는 Hill의 1948항복모델⁶⁾을 사용 하였고 경화식으로는 등방 경화식(Isotropic Hardening)을 사용하였다. 사용된 강선 소재는 항복강도 0.

성능/효과

1) 소성변형 해석을 통하여 인장강도 800MPa, 지름 0.75mm인 강선의 지그재그 형상 포밍 성형을 위해 회전금형 끝단부가 직각에 라운드 0.5R이고, 강선 당김력이 2 kg_f 일 경우, 제품으로서 가장 적합한 결과가 나타남을 확인하였다.
2) 스프링백 해석 공정조건은 실제 현상을 반영하여 아무런 구속조건이 없는 상태로 하였으며, 광학 현미경(OM)을 이용한 스프링백 측정 결과 11.34°의 각도를 가짐을 알 수 있었고 스프링백 해석결과 11.21°와 거의 일치함을 확인할 수 있었다.
바를 이용한 성형과정이 끝나고 롤링 성형해석후 4가지 경우에 대한 툴과 강선과의 거리를 확인하 였다. Fig. 8에서 보는 바와 같이 해석결과 Case 1의경우 당김력이 가장 적당함을 확인할 수 있었고 Case 2, 3, 4의 경우 당김력이 약함을 확인할 수 있었다.
스프링백량은 광학현미경(OM)을 이용하여 측정하였고, 측정 결과 11.34°의 각도를 가짐을 알 수 있었다.
유한요소해석을 위해 바(bar)를 이용하여 강선을 잡아주고 그 후 롤링(rolling)을 수행함으로써 강선의 밀림 현상을 방지하였을 뿐 아니라 해석의 정도도 높일 수 있었다. 성형해석 및 스프링백 해석을 위해 상용 유한해석 프로그램인 Pam-Stamp 2G V2011 을 이용하여 해석을 수행하였으며 실제 강선 포밍을 구현하기 위해 Fig.

후속연구

섬유로 제직하지 않고도 지그재그 형상이 그대로 유지될 수 있도록 강선을 포밍작업으로 성형하고자 하며, 해석을 통해 성형공정에서 발생하는 스프링백을 예측하고 금형 제작에 활용한다. 본 연구로 경량화 강선 심재의 원천 기술 및 적용기술을 확보하면 기존 차량의 경량화는 물론 향후 전기차, 연료전지차 등 경량화 실용화에 크게 이바지 할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 웨더스트립의 역할은 무엇인가?	자동차 웨더스트립(weather strip)은 앞 유리와 같은 고정된 창유리부나 도어와 같은 개폐 부위에 취부되어 차체 내부로의 비바람, 먼지, 오물 등의 유입을 방지함과 동시에 차외부로부터의 소음의 차음, 도어 개폐시의 자동차의 진동을 차단하는 역할 등을 한다. 일반적으로 탄성력이 강한 고무재료 또는 발포 고무(foam) 형태로 압출하여 제조되며,1,2) 충분한 실링(sealing) 성능을 가지고 내후성, 내마모성 등도 우수해야 한다.
	바디 사이드 웨더스트립의 스틸 코어의 역할은 무엇인가?	바디 사이드 웨더스트립의 스틸 코어(steel core) 는 캐리어부에 삽입되어 지지역할을 하며 중량 비중이 높으므로, 대체 소재 개발로 30% 경량화를 이루고자 한다. 또한 웨더스트립의 캐리어 외관에 노출되는 스틸 코어 자국을 제거할 수 있으므로 외관 품질을 향상시킬 수 있다.
	자동차 웨더스트립은 어떤 특성을 가져야 하는가?	자동차 웨더스트립(weather strip)은 앞 유리와 같은 고정된 창유리부나 도어와 같은 개폐 부위에 취부되어 차체 내부로의 비바람, 먼지, 오물 등의 유입을 방지함과 동시에 차외부로부터의 소음의 차음, 도어 개폐시의 자동차의 진동을 차단하는 역할 등을 한다. 일반적으로 탄성력이 강한 고무재료 또는 발포 고무(foam) 형태로 압출하여 제조되며,1,2) 충분한 실링(sealing) 성능을 가지고 내후성, 내마모성 등도 우수해야 한다. 또한 차체의 플랜지부에 취부되 므로 상대부품과의 접촉시 압축영구변형이 작아야 하며, 차량의 도장막을 침해하지 않고, 외관성도 양호해야하는 기능성 부품으로서, 자동차의 감성적 품질과 밀접한 관련이 있다.

참고문헌 (6)

H. Y. Kim, J. Y. Choi and J. C. Shim, "Nonlinear Finite Element Analysis for the Shape Design of Automotive Weather Strips," Autumn Conference of KSME, pp.448-455, 1997.
H. I. Moon, B. K. Min, J. S. Oh, J. C. Park, S. H. Lee and H. Y. Kim, "Prediction of Door Closing Performance," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.1678-1683, 2008.
H. I. Moon, H. Y. Kim, J. C. Park, B. K. Min and J. S. Oh, "Prediction of Permanent Deformation for Door Weather Strip," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.2149-2154, 2009.
J. C. Park, B. K. Min, J. S. Oh, H. I. Moon and H. Y. Kim, "Numerical Prediction of Permanent Deformation of Automotive Weather Strip," Transactions of KSAE, Vol.18, No.4, pp.121-126, 2010.
C. Y. Han, W. J. Jang and S. B. Lee, "Prediction of Material Property for Weather Strip," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.72-75, 2008.
R. Hill, "A Theory of the Yielding and Plastic Flow of Anisotropic Metals," Proc. Roy. Soc., pp.281-297, 1948.

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