Self-piercing rivet(SPR)은 이종재료 접합을 위해 사용되는 결합용 기계요소로써, 대표적으로는 알루미늄 합금과 강판 등 용융점이 서로 다른 재료의 접합에 사용된다. SPR 접합은 일반 리벳접합과 달리 스스로 홀을 가공하며 삽입되기 때문에 사전의 홀 가공이 필요 없다.(1) 상부판재를 천공하고 하부판재와 함께 소성 변형되어 결합된다. 자동차의 차체 경량화를 위해서는 알루미늄 합금과 같은 경량소재가 사용되며, 부분적으로 스틸과 알루미늄 합금의 이종재료 접합이 요구된다. 그러나 알루미늄 합금과 강판은 용융점이 다르므로 기존의 차체 결합방법으로 이용되고 있는 저항 용접이 불가능하다. 이에 따라, 기계적 결합방법의 하나인 SPR 접합이 요구된다.(2) 따라서 본 연구에서는 강소성 유한요소해석 프로그램을 이용하여 리벳과 판재의 접합 성형성을 검토하고, 고장력 강판을 접합할 수 있는 새로운 형상의 SPR을 설계하였다. 또한 해석결과와 실험의 비교를 통하여 해석의 신뢰성을 검증하였다.
Self-piercing rivet(SPR)은 이종재료 접합을 위해 사용되는 결합용 기계요소로써, 대표적으로는 알루미늄 합금과 강판 등 용융점이 서로 다른 재료의 접합에 사용된다. SPR 접합은 일반 리벳접합과 달리 스스로 홀을 가공하며 삽입되기 때문에 사전의 홀 가공이 필요 없다.(1) 상부판재를 천공하고 하부판재와 함께 소성 변형되어 결합된다. 자동차의 차체 경량화를 위해서는 알루미늄 합금과 같은 경량소재가 사용되며, 부분적으로 스틸과 알루미늄 합금의 이종재료 접합이 요구된다. 그러나 알루미늄 합금과 강판은 용융점이 다르므로 기존의 차체 결합방법으로 이용되고 있는 저항 용접이 불가능하다. 이에 따라, 기계적 결합방법의 하나인 SPR 접합이 요구된다.(2) 따라서 본 연구에서는 강소성 유한요소해석 프로그램을 이용하여 리벳과 판재의 접합 성형성을 검토하고, 고장력 강판을 접합할 수 있는 새로운 형상의 SPR을 설계하였다. 또한 해석결과와 실험의 비교를 통하여 해석의 신뢰성을 검증하였다.
A self-piercing rivet (SPR) is a mechanical component for joining dissimilar material sheets such as those of aluminum alloy and steel. Unlike conventional rivets, the SPR directly pierces sheets without the need for drilling them beforehand. However, the regular SPR can undergo buckling when it pie...
A self-piercing rivet (SPR) is a mechanical component for joining dissimilar material sheets such as those of aluminum alloy and steel. Unlike conventional rivets, the SPR directly pierces sheets without the need for drilling them beforehand. However, the regular SPR can undergo buckling when it pierces a high-strength steel sheet, warranting the design of a helical SPR. In this study, the joining and forging processes using the helical SPR were simulated using the commercial FEM code, DEFORM-3D. High-tensile-strength steel sheets of different strengths were joined with aluminum alloy sheets using the designed helical SPR. The simulation results were found to agree with the experimental results, validating the optimal design of a helical SPR that can pierce high-strength steel sheets.
A self-piercing rivet (SPR) is a mechanical component for joining dissimilar material sheets such as those of aluminum alloy and steel. Unlike conventional rivets, the SPR directly pierces sheets without the need for drilling them beforehand. However, the regular SPR can undergo buckling when it pierces a high-strength steel sheet, warranting the design of a helical SPR. In this study, the joining and forging processes using the helical SPR were simulated using the commercial FEM code, DEFORM-3D. High-tensile-strength steel sheets of different strengths were joined with aluminum alloy sheets using the designed helical SPR. The simulation results were found to agree with the experimental results, validating the optimal design of a helical SPR that can pierce high-strength steel sheets.
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문제 정의
(4,5) 또한 설계된 리벳을 제작하기 위하여 단조 공정 및 금형을 설계하고자 하였다.(6) 접합실험과 시뮬레이션 결과의 비교, 분석을 통해 신뢰성을 얻고 SPR설계 방법을 제시하고자 한다.
(4,5) 또한 설계된 리벳을 제작하기 위하여 단조 공정 및 금형을 설계하고자 하였다.(6) 접합실험과 시뮬레이션 결과의 비교, 분석을 통해 신뢰성을 얻고 SPR설계 방법을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 고장력 강판과 알루미늄 합금의 접합을 위한 헬리컬 SPR을 설계하였다. 이를 위해 강소성 유한요소해석 프로그램인 DEFORM3D를 이용하여 해석하였다.
이에 본 연구에서는 강소성 유한요소해석 프로그램을 이용하여 리벳과 판재의 접합 성형성을 검토하고, 고장력 강판을 접합할 수 있는 새로운 형상의 SPR을 설계하고자 하였다.(4,5) 또한 설계된 리벳을 제작하기 위하여 단조 공정 및 금형을 설계하고자 하였다.
판재의 접합조건은 경량화의 요구로 인해 자동차 판재에 적용되고 있는 소재로 선정하였다. 자동차용 냉간압연 고장력 강판과 알루미늄 합금을 이용하여 판재의 강도에 따른 접합 성형성을 예측하고자 하였다. 판재 접합 조건은 Table 1과 같이 총 3가지이며, 모두 이종재료 접합 조건이다.
가설 설정
3과 같이 나타내었다. 냉간 공정이므로 가공온도는 20 ℃를 적용하였으며, 소재의 온도, 물성 변화 및 열전달은 없다고 가정하였다. 펀치의 속도는 SPR접합기와 같은 속도인 20 mm/s이며, 리벳과 판재 사이의 마찰상수는 0.
모델링된 초기의 소재와 펀치 그리고 금형을 적용하고, 위치를 실제와 같이 재설정하였다. 소재를 제외한 펀치와 금형은 강체로 가정하였다. 펀치의 이동속도는 실제 단조 포머의 움직임과 같은 200 mm/s이다.
제안 방법
Fig. 1(a)와 같은 컵 형태의 SPR은 높은 강도의 판재를 피어싱하기 어려운 문제점이 발생하므로 고장력 강판을 접합할 수 있는 새로운 SPR을 설계하였다. Fig.
SPR 접합 해석 결과를 바탕으로 설계된 리벳의 형상을 제작하기 위하여 단조 공정설계를 하였다. SPR은 복잡한 형상을 가지고 있으므로 단일 공정으로 성형하기 어렵고 예비성형을 거치는 다단공정이 고려되어야 한다.
2를 적용하였다. SPR의 부품 중 리벳과 판재는 소성변형이 이루어져야 하기 때문에 강소성체로 적용하였고, 나머지 부품들은 변형이 되지 않는 강체로 설정하였다. 리벳의 요소 수는 30,000개이고, 판재의 요소 수는 두께에 따라 20,000∼30,000개로 분할하였다.
SPR은 복잡한 형상을 가지고 있으므로 단일 공정으로 성형하기 어렵고 예비성형을 거치는 다단공정이 고려되어야 한다. 공정 수는 예비성 형공정과 다단 포머 장비를 고려하여 3단으로 결정하였다. 1단 공정은 선재를 절단한 초기 형상을 가지고 다음 공정을 위한 예비성형으로 일부분이 압출된다.
단조 실험에서 제작된 리벳을 시뮬레이션과 동일한 세 가지 조건으로 접합 실험하였다. Fig.
유한요소해석 결과를 검증하기 위하여 시뮬레이션과 동일한 조건으로 실험하였다. 리벳 단조 시뮬레이션에서 예측한 하중과 공정설계를 바탕으로 실험하였다. Fig.
리벳 단조 실험은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 충분한 하중 용량을 가진 다단 포머를 선정하고 금형을 제작하여 실험하였다. 실험에 적용된 리벳의 소재는 AISI 4115이며, 해석과 실험에 사용된 소재는 동일하다.
9(b)는 리벳 단조를 위하여 공정설계를 바탕으로 제작된 금형과 펀치를 나타낸 것이다. 리벳 단조 후 녹아웃 할 때 리벳이 쉽게 빠지지 않으므로 금형에 베어링을 적용한 회전금형을 제작하여 리벳을 분리하였다. 금형의 재질은 AISI D2이며 기계적 특성을 Table 3에 정리하여 나타내었다.
리벳의 소재는 열처리가 쉽고 가공성이 우수한 AISI 4115로 선정하였다. 리벳을 열처리한 후 인장시험하여 기계적 성질을 분류하고 접합조건을 만족하는 경도를 결정하였다.
리벳이 접합된 판재의 전단강도를 측정하기 위하여 인장시험기를 이용하여 전단시험 하였다.
7은 단조해석을 위한 경계조건으로써 소재, 펀치, 금형을 나타내었다. 모델링된 초기의 소재와 펀치 그리고 금형을 적용하고, 위치를 실제와 같이 재설정하였다. 소재를 제외한 펀치와 금형은 강체로 가정하였다.
소재의 요소분할은 프로그램에서 자동분할로 적용하였고, 요소 수는 30,000개로 분할하였다.
그러나 컵 형태의 일반적인 SPR은 SPFC780 이상의 고장력 강판 접합 시 리벳에서 좌굴이 발생하여 접합이 어렵다. 이에 따라 고장력 강판을 접합할 수 있는 새로운 형태의 SPR을 설계하였다. 새로운 SPR을 제작하기 위해서 냉간 단조 할 경우 형상이 복잡하므로 단일 공정으로 성형이 곤란하다.
이에 따라 헬리컬 리브의 적절한 각도를 찾기 위하여 SPFC440 1.6 mm와 SILAFONT 3.0 mm의 동일한 접합조건에서 Fig. 2의 리드각 30°, 45°, 60° 리벳을 적용하여 접합 해석을 하였다.
이를 위해 강소성 유한요소해석 프로그램인 DEFORM3D를 이용하여 해석하였다. 최적의 형상을 찾기 위해서 리벳의 형상을 수정하며 시뮬레이션을 반복하였다. 실험결과와 시뮬레이션 결과의 비교, 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
판재강도에 따른 접합 결과를 예측하기 위하여 다양한 강도의 판재와 SILAFONT를 접합하였다.
접합용 지그는 펀치와 홀더의 역할을 하는 부분으로 이루어져 있다. 펀치와 홀더사이에 우레탄을 적용하여 홀더가 판재에 적정하중을 가할 수 있도록 설계하였다. 프레스가 하강하면 중간에 위치한 우레탄이 눌려 홀더부에 힘을 가하게 되고 판재를 고정하게 된다.
대상 데이터
리벳 단조 후 녹아웃 할 때 리벳이 쉽게 빠지지 않으므로 금형에 베어링을 적용한 회전금형을 제작하여 리벳을 분리하였다. 금형의 재질은 AISI D2이며 기계적 특성을 Table 3에 정리하여 나타내었다.
유한요소해석을 통하여 실제 소재의 유동과 거의 유사하게 구현하기 위해서는 재료의 기계적 물성치를 알아야 한다. 리벳의 소재는 열처리가 쉽고 가공성이 우수한 AISI 4115로 선정하였다. 리벳을 열처리한 후 인장시험하여 기계적 성질을 분류하고 접합조건을 만족하는 경도를 결정하였다.
상부 판재의 소재는 자동차 판재에 적용되고 있는 냉간 압연 고장력 강판이며, 하부판재는 알루미늄 다이캐스팅 합금인 SILAFONT이다. 이에 해당하는 기계적 물성치를 DEFORM-3D에 적용하였다.
리벳 단조 실험은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 충분한 하중 용량을 가진 다단 포머를 선정하고 금형을 제작하여 실험하였다. 실험에 적용된 리벳의 소재는 AISI 4115이며, 해석과 실험에 사용된 소재는 동일하다.
판재의 접합조건은 경량화의 요구로 인해 자동차 판재에 적용되고 있는 소재로 선정하였다. 자동차용 냉간압연 고장력 강판과 알루미늄 합금을 이용하여 판재의 강도에 따른 접합 성형성을 예측하고자 하였다.
데이터처리
본 연구에서는 고장력 강판과 알루미늄 합금의 접합을 위한 헬리컬 SPR을 설계하였다. 이를 위해 강소성 유한요소해석 프로그램인 DEFORM3D를 이용하여 해석하였다. 최적의 형상을 찾기 위해서 리벳의 형상을 수정하며 시뮬레이션을 반복하였다.
이론/모형
상부 판재의 소재는 자동차 판재에 적용되고 있는 냉간 압연 고장력 강판이며, 하부판재는 알루미늄 다이캐스팅 합금인 SILAFONT이다. 이에 해당하는 기계적 물성치를 DEFORM-3D에 적용하였다. 리벳과 판재의 인장시험 결과를 정리하여 Table 2에 나타내었다.
성능/효과
(1) 헬리컬 SPR의 리드각을 30°, 45°, 60°로 적용한 접합 해석 결과, 리드각이 작은 30°의 리벳은 접합성이 좋지 않으며, 리드각 60°의 리벳은 좌굴이 발생하였다.
(2) 단조 시뮬레이션 결과에서 성형하중은 200 kN으로 예측되었다. 금형수명과 하중분배 등을 고려하면 3단 공정으로 리벳을 단조해야 한다.
(3) 기존의 컵 형태의 SPR로는 고장력 강판의 접합이 불가능하므로 SPFC780이상 고장력 강판의 접합에서는 헬리컬 SPR을 사용하는 것이 바람직하다.
6 kN으로 적정 요구하중을 만족한 것을 볼 수 있다. 따라서 고장력 강판과 알루미늄 합금의 접합이 가능하고, 접합 품질에 만족하는 최적의 SPR을 설계할 수 있었다. 헬리컬 SPR은 고장력 강판과 알루미늄 합금의 접합에 유용하게 사용될 것이다.
01 mm의 오차가 발생하였으나, 실험과 시뮬레이션 결과를 비교·분석하였을 때 형상과 치수가 잘 일치함을 알 수 있다. 따라서 제시된 공정 설계안으로 리벳을 제작하는 것이 적합하다고 판단된다.
리벳의 길이에서 0.01 mm의 오차가 발생하였으나, 실험과 시뮬레이션 결과를 비교·분석하였을 때 형상과 치수가 잘 일치함을 알 수 있다.
실험과 시뮬레이션의 결과를 비교·분석한 결과 비교적 잘 일치함을 볼 수 있다.
첫 번째에서 최종 공정까지의 유한요소해석 결과, 형상과 치수를 만족하고, 전체 성형하중은 200 kN으로 예측되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Self-piercing rivet란 무엇인가?
Self-piercing rivet(SPR)은 이종재료 접합을 위해 사용되는 결합용 기계요소로써, 대표적으로는 알루미늄 합금과 강판 등 용융점이 서로 다른 재료의 접합에 사용된다. SPR 접합은 일반 리벳접합과 달리 스스로 홀을 가공하며 삽입되기 때문에 사전의 홀 가공이 필요 없다.
SPR 접합이 차체의 경량화를 위해서 필요한 이유는?
차체의 경량화를 위해서는 알루미늄 합금과 같은 경량소재의 사용이 요구되며, 이에 따라 이종재료 접합 조건이 발생된다. 그러나 알루미늄 합금과 강판은 용융점이 다르므로 스틸 차체 결합방법으로 이용되고 있는 저항 점용접으로는 접합이 불가능하 다. 따라서 용융점이 다른 이종재료 접합에는 저항점용접 방식이 아닌 기계적인 결합방법의 하나인 SPR 접합이 요구된다.
Self-piercing rivet의 대표적인 활용으로 무엇이 있는가?
Self-piercing rivet(SPR)은 이종재료 접합을 위해 사용되는 결합용 기계요소로써, 대표적으로는 알루미늄 합금과 강판 등 용융점이 서로 다른 재료의 접합에 사용된다. SPR 접합은 일반 리벳접합과 달리 스스로 홀을 가공하며 삽입되기 때문에 사전의 홀 가공이 필요 없다.
참고문헌 (6)
Mori, K., Kato, T., Abe, Y. and Ravshanbek, Y., 2006, "Plastic Joining of Ultra High Strength Steel and Aluminium Alloy Sheets by Self Piercing Rivet," CIRP Annals-Manufacturing Technology, Vol. 55, Issue 1, pp. 283-286.
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Kim, D. B., Cho, H. Y., Lee, M. Y., Park, B. J. and Park, J. K., 2012, "Forging Process Design of Self-Piercing Rivet for Joining dissimilar Sheet Metals," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 36, No. 6, pp. 802-807.
Hoang, N. H., Porcaro, R., Langesth, M. and Hanssen, A.-G., 2010, "Self-Piercing Riveting Connections Using Aluminium Rivets," International Journal of Solids and Structures, Vol. 47, pp. 427-439.
Atzeni, E., Ippolito, R. and Settineri, L., 2009, "Experimental and Numerical Appraisal of Self- Piercing Riveting," CIRP Annals- Manufacturing Technology, Vol. 58, pp. 17-20.
Byun, H. S., 2009, "Finite Element Analysis for the Forging Process Design of a Blind Rivet," Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 10, No. 10, pp. 2577-2582.
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