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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 자동차 차체 부품을 마그네슘 합금 판재를 적용하여 온간성형 후 고부가가치의 마그네슘 차체 제조공정을 확보하고자 한다. 이에 따라 마그네슘 미세조직에 따른 기계적 특성과 온간 성형 한계도(FLD)를 통한 성형 해석을 수행하여 마그네슘 판재를 적용한 Reinforced Dash 부품의 온간 금형과 시제품을 제작하고자 하였다.
- 본 연구는 마그네슘 합금 판재(AZ31B)를 활용하여 자동차 경량 차체 Reinforced Dash부품을 얻기 위하여 온간금형을 제작하였으며, 이로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
- 6°C로 확인되었다. 성형해석을 통하여 금형 내부온도(상온, 250°C)에 따른 제품 성형 가능성을 확인하였다.
- 1과 같은 자동차 차체 부품을 마그네슘 합금 판재를 적용하여 온간성형 후 고부가가치의 마그네슘 차체 제조공정을 확보하고자 한다. 이에 따라 마그네슘 미세조직에 따른 기계적 특성과 온간 성형 한계도(FLD)를 통한 성형 해석을 수행하여 마그네슘 판재를 적용한 Reinforced Dash 부품의 온간 금형과 시제품을 제작하고자 하였다.
제안 방법
- Reinforced Dash 금형조립 후 금형 트라이아웃을 진행하였다. 프레스는 1,000톤 기계식 프레스를 사용하였고, 프레스 속도는 12 SPM (stroke per minute), 다이쿠션 에어 0.
- Reinforced Dash 온간 금형을 제작하기 위하여 Auto-Form을 활용하여 성형해석을 수행하였으며, 재질은 AZ31B (두께 1 mm)로 금형 온도를 상온과 250°C에서 성형해석을 수행하였다.
- Reinforced Dash 온간 금형을 제작하기 전에 제품 형상과 곡면, 제품 높이 등을 고려한 후 히터를 설계하였다. 상형은 9개의 판 히터(plate heater)를 배치하였고, 하형은 8개의 판 히터를 배치하여 Reinforced Dash 열 해석을 수행하였다.
- Reinforced Dash 차체 부품의 온간 성형을 위해 AZ31B 온도별 고온인장시험을 실시하였다. 고온인장시험은 100°C, 200°C, 250°C, 300°C의 온도로 진행되었고 재료 방향별(0도, 45도, 90도)로 3회 실험하였다.
- Table 4는 AZ31B (1 mm)에 대한 소재물성이며, 항복강도와 R-Value, 성형한계선도 값을 적용하여 상온 성형과 250°C 온간 성형해석을 진행하였다.
- 고온인장시험은 100°C, 200°C, 250°C, 300°C의 온도로 진행되었고 재료 방향별(0도, 45도, 90도)로 3회 실험하였다.
- 그러나 제품 형상 문제로 인해 금형 내부 간섭을 피하여 설계하고, 판 히터를 제품 표면과 너무 가깝게 설치할 경우 성형 시 프레스 압력으로 인해 금형 내구성 문제가 예상되어 이를 고려하여 설계·제작하였다.
- 금형 구조에 따른 각각의 판 히터 열량 값과 대류조건 5 W/m2k, 주변공기온도 25°C, 최적화온도 260~280°C를 입력하였다.
- 금형 내부 온도가 외부로 방출 될 것으로 예상되어 단열재(HT250)를 Fig. 14와 같이 상·하형 외부에 삽입하도록 설계하였다.
- 금형 내부 온도의 외부 방출을 차단하기 위해 세라믹 단열재를 상형과 하형에 삽입하였다. Fig.
- 13과 같이 가로 970 mm, 세로 780 mm, 높이 350 mm로 설계하고, 금형에 판 히터(plate heater)를 상형 9개, 하형 8개 설치하였다. 금형 전체를 가열하기 위해 판 히터를 설치하였으며 상형과 하형에 균일한 온도분포를 얻을 수 있도록 설계하였다. 그러나 제품 형상 문제로 인해 금형 내부 간섭을 피하여 설계하고, 판 히터를 제품 표면과 너무 가깝게 설치할 경우 성형 시 프레스 압력으로 인해 금형 내구성 문제가 예상되어 이를 고려하여 설계·제작하였다.
- 돔 장출 시험은 Reinforced Dash 생산 방법과 유사한 시험으로 Fig. 4와 같이 시편을 200×65, 90, 115, 140, 163, 166, 135, 200, 200(윤활)로 3 Set를 제작한 후 ‘□’모양으로 전해마킹을 하였고, 270°C의 온도에서 실험하였다[8].
- 돔 장출시험은 고온에서 크기별로 성형시험이 진행되었고, 블랭크 홀더와 펀치의 압력은 각각 6.8 kN, 14.6 kN을 적용하여 파단 되기까지 펀치를 가동하였다. 시험 후 시편을 채취하여 GPA (Grid Pattern Analyzer) 소프트웨어를 활용하여 성형한계도(FLD)를 측정하였다.
- 마그네슘 합금 소재(AZ31B)를 활용하여 냉간 성형 대비 온간 성형 후 생산된 제품 형상 정밀도를 측정하였다. Fig.
- AZ31B (1 mm) 소재는 ASTM E8M 규격으로 시편을 제작하였고, SRPC340과 AZ31B (2 mm) 소재는 KS 0801 13B호 규격으로 시편을 제작하였다. 상온 인장 시험은 유압식 피로재료시험기를 활용하여 판재 압연방향에 대해 0도, 45도, 90도의 시편을 제작하여 실험하였다. 소재의 항복강도와 인장강도, 연신율 평균값은 Table 1에 나타내었다[2].
- Reinforced Dash 온간 금형을 제작하기 전에 제품 형상과 곡면, 제품 높이 등을 고려한 후 히터를 설계하였다. 상형은 9개의 판 히터(plate heater)를 배치하였고, 하형은 8개의 판 히터를 배치하여 Reinforced Dash 열 해석을 수행하였다. 금형 구조에 따른 각각의 판 히터 열량 값과 대류조건 5 W/m2k, 주변공기온도 25°C, 최적화온도 260~280°C를 입력하였다.
- 6 kN을 적용하여 파단 되기까지 펀치를 가동하였다. 시험 후 시편을 채취하여 GPA (Grid Pattern Analyzer) 소프트웨어를 활용하여 성형한계도(FLD)를 측정하였다. Fig.
- 고온인장시험은 100°C, 200°C, 250°C, 300°C의 온도로 진행되었고 재료 방향별(0도, 45도, 90도)로 3회 실험하였다. 시험속도는 2 mm/min로 하였으며, 시험편에 써모커플(thermocouple)을 장착한 후 온도를 제어하도록 하였고, 시험은 지정온도 도달 후 10분간 유지하여 실시하였다[6,7].
- 현재 SPRC340 소재(두께 1 mm)는 자동차 Reinforced Dash 제품에 적용되고 있으며, 마그네슘 합금 판재의 적정성과 기본 물성치를 확인하기 위해 상온 인장 시험을 실시하였다. AZ31B (1 mm) 소재는 ASTM E8M 규격으로 시편을 제작하였고, SRPC340과 AZ31B (2 mm) 소재는 KS 0801 13B호 규격으로 시편을 제작하였다.
대상 데이터
- 현재 SPRC340 소재(두께 1 mm)는 자동차 Reinforced Dash 제품에 적용되고 있으며, 마그네슘 합금 판재의 적정성과 기본 물성치를 확인하기 위해 상온 인장 시험을 실시하였다. AZ31B (1 mm) 소재는 ASTM E8M 규격으로 시편을 제작하였고, SRPC340과 AZ31B (2 mm) 소재는 KS 0801 13B호 규격으로 시편을 제작하였다. 상온 인장 시험은 유압식 피로재료시험기를 활용하여 판재 압연방향에 대해 0도, 45도, 90도의 시편을 제작하여 실험하였다.
- Fig. 20과 같이 Reinforced Dash 제품에 3개 포인트를 선정하여 스테레오 스캐닝 치수측정기를 사용하여 측정하였다.
- HT250 단열재는 최대 단열 온도 400°C와 유지사용온도 250°C, 열전도도 0.23 W/mk까지 단열이 가능하여 Reinforced Dash 온간 금형의 온도 방출 차단에 활용하였다.
- Reinforced Dash 온간 금형 제작은 Fig. 13과 같이 가로 970 mm, 세로 780 mm, 높이 350 mm로 설계하고, 금형에 판 히터(plate heater)를 상형 9개, 하형 8개 설치하였다. 금형 전체를 가열하기 위해 판 히터를 설치하였으며 상형과 하형에 균일한 온도분포를 얻을 수 있도록 설계하였다.
- 9~1 kg/mm2로 설정하였다. 사용된 피가공 소재는 폭 500 mm, 길이 500 mm, 두께 1 mm와 폭 500 mm, 길이 500 mm, 두께 2 mm 2종류의 블랭크를 사용하였다. 금형 내 판 히터를 삽입하여 금형온도를 270°C로 설정하였고, 상온에서 목표온도까지 도달시간은 약 2시간 30분이 소요되었다.
- Reinforced Dash 금형조립 후 금형 트라이아웃을 진행하였다. 프레스는 1,000톤 기계식 프레스를 사용하였고, 프레스 속도는 12 SPM (stroke per minute), 다이쿠션 에어 0.9~1 kg/mm2로 설정하였다. 사용된 피가공 소재는 폭 500 mm, 길이 500 mm, 두께 1 mm와 폭 500 mm, 길이 500 mm, 두께 2 mm 2종류의 블랭크를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 마그네슘 합금(AZ31B)에 대한 100°C, 200°C, 250°C, 300°C의 온도별 인장강도와 연신율을 확인할 수 있었다.
- (2) Reinforced Dash 금형의 열 해석을 통하여 온간 금형의 상형 최고 절점 온도는 279.1°C, 하형 최고 절점온도는 276.4°C로 확인되었다.
- (3) AZ31B에 대한 Reinforced Dash 금형의 온간 성형을 통해 금형 및 소재온도 250~270°C에서 Reinforced Dash 부품에 대한 성형 가능성을 확인하였다.
- 100°C에서 고온인장시험 결과 평균항복강도 153 MPa, 평균최대인장강도 200 MPa, 평균연신율 60%로 나타났으며, 200°C 일 때 평균항복강도 78 MPa, 평균최대인장강도 92 MPa, 평균연신율 80%로 나타났다.
- 250°C의 경우 평균항복강도 56 MPa, 평균최대인장강도 61 MPa, 평균연신율 83%, 300°C일 때 평균항복강도 38 MPa, 평균최대인장강도 40 MPa, 평균연신율 135%로 나타났다.
- 20과 같이 Reinforced Dash 제품에 3개 포인트를 선정하여 스테레오 스캐닝 치수측정기를 사용하여 측정하였다. 3개 제품에 대한 평균 측정값으로 첫 번째 포인트는 -0.003 mm, 두 번째 포인트 0.119 mm, 세 번째 포인트 0.136 mm의 결과값을 얻을 수 있었다. 측정된 값은 Reinforced Dash 제품 도면 기준으로 ±0.
- 상형과 하형 온도는 260~280°C 정도의 균일한 온도로 나타났고, 상온 25°C에서 최적화 온도까지의 승온 시간은 상형 2시간 19분, 하형 2시간 33분으로 예상되었다. Fig. 10과 같이 하형의 판 히터 교체에 따른 승온 시간은 2시간 30분으로 예상되며, 판 히터 형상 및 열용량 변경으로 온도분포는 좋아지나 목표온도까지 승온 시간 절감은 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다.
- 18은 피가공 소재를 1분 30초간 예열한 후 성형된 Reinforced Dash(두께 1 mm)의 최종 제품을 보여주고 있다. Reinforced Dash(두께 1 mm)의 최종 제품을 통해 기계식 프레스를 활용한 마그네슘 합금 판재 성형 가능성을 확인 할 수 있었다.
- (1) 마그네슘 합금(AZ31B)에 대한 100°C, 200°C, 250°C, 300°C의 온도별 인장강도와 연신율을 확인할 수 있었다. 또한 FLD 성형성 시험으로 Safety 구간의 주변형률 0.4~0.6과 부변형률 -0.2~0.3의 결과 값을 얻을 수 있었다.
- 6은 돔 장출 시험 후 시편을 보여주고 있다. 또한 성형 후 한계 돔 높이(LDH; Limit Dome Height)를 측정한 결과 무윤활의 경우 38 mm로 측정되었고, 그라파이트(graphite) 윤활을 적용했을 때 40 mm로 나타났다[3-5].
- 마그네슘 합금 소재의 고온인장시험에서 이방성이 미미한 것으로 나타났고, 시험 온도 250~300°C는 마그네슘 소재 용융점 (650°C)에서 중간 온도로 소재가 연화되어 연신율이 증가되며 인장강도는 낮아짐을 확인할 수 있었다.
- 마그네슘 합금 판재 성형을 위해 가장 중요한 사항은 연신율로서 마그네슘 합금에 대한 상온 연신율을 확인한 결과 SPRC340에 비해 연신율이 매우 낮음을 보여주고 있다. Fig.
- 측정된 값은 Reinforced Dash 제품 도면 기준으로 ±0.5 mm 이내로 측정되어 우수한 성형 정밀도를 얻을 수 있었다.
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