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문제 정의
- 실러 패치워크(Sealer Patchwork) 기술은 금속 패치를 구조용 접착제를 이용하여 모재에 결합함으로써 제진성과 국부 보강을 동시에 확보하는 기술이다[4]. 또한 구조용 접착제를 이용하여 보강재를 접합함으로써 고강도 강판 사이 접착제가 진동 에너지를 열 에너지로 발산하는 제진 강판의 원리를 적용하여 고강도 패치워크 패널에 의한 구조 보강 및 접착 수지에 의한 진동 저감을 동시에 충족하는 기술이다. 그러나 성형 공정에서 공정수 감소를 위해 패치워크 패널과 카울 로워를 동시에 성형하는 경우, 구조용 접착제 도포 후 점용접을 통해 패치워크 패널을 카울 로워블랭크에 고정시킨 후 스탬핑 성형을 한다.
- 본 연구에서는 자동차 차체 중 카울 모듈의 성형 공정과 제진 특성 향상을 위한 실러 패치워크 적용에 대한 사전 검토 방안에 대해 고찰하였다. 실러 패치워크 기술적용 시 중량의 증가를 최소화하여 효율적으로 강성 및 제진 특성이 향상될 수 있다.
- 성형성 평가를 통해 성형한계도(Forming Limit Diagram)를 도출하여 판재 성형 시 파단이 예상되는 부위를 파악하고 설계에 적용하고자 하였다. 성형한계도는 파단을 유발하는 판면상의 임계 주·부변형률의 값을 평면도상에 도시한 것으로 성형 공정 개발 시 성형 난이도의 평가도구로써 이용되고 있다.
- 카울 모듈 부품 중 실러 패치워크 적용에 의해 성형 시 주름 및 크랙 제어가 가장 어려운 카울 로워 패널의 성형 해석을 실시하고, 성형성 평가를 통해 도출한 FLD를 기준으로 성형 시 주름 및 결함 발생을 예측하여 설계 개선을 진행하고자 하였다. Fig.
제안 방법
- 또한 Draw type 스탬핑 공정으로 주름 및 크랙 발생의 제어가 난해함을 확인하였다. Draw type의 경우 제품 형상에 의해 성형 깊이가 일정하지 않고 금형의 R값이 커서 현재의 공법으로 결함을 제어하기 어렵기 때문에 블랭크의 양 측면을 개방시켜 성형하는 Form type으로 공정을 변경하여 성형 해석을 진행하였다. 기존 draw type에서 판재를 고정시키는 부위가 감소하면서 Fig.
- 성형 해석에 적용할 물성 데이터를 도출하기 위해 각 소재의 기계적 물성 평가를 진행하였다. KS B 0801 규격에 따라 인장시편을 제작하여 10ton 만능재료시험기를 이용하여 카울 모듈의 각 구성 부품에 적용되는 소재의 인장시험을 실시하였다. 인장 속도는 3mm/min이고, 각 소재의 인장강도와 항복강도, 연신율을 측정하여 True Stress-True Strain 곡선을 도출하였다.
- 카울 모듈의 고유진동수 측정 시험을 통해 실러 패치워크 적용 시 1차 고유진동수의 향상을 확인하여 강성 증대 및 제진 특성 향상을 분석하였다. 고유진동수는 단위시간당 진동하는 회수를 의미하며, 자동차 부품의 고유진동수는 강성에 비례하고 질량에 반비례하는 특성을 가지며, 구속위치에서 멀리 떨어진 위치에 있는 집중된 질량은 관성효과로 인해 고유진동수를 크게 감소시키므로 해당 논문에서는 비구속조건에서 고유진동수 측정 시험을 진행하였다[7]. 기존 공정으로 제작된 제품과 실러패치워크를 적용한 개발 제품에 대해 구조 해석을 진행하여 비교한 결과, 기존품의 1차 고유진동수는 20 Hz이고 개발품은 27 Hz로 강성이 향상되었음을 확인하였다.
- 카울 모듈은 엔진룸으로부터 실내로 유입되는 열, 진동, 소음을 차단하고 차량 충돌 시 차량 전면부에 강성을 부여함으로써 충격 흡수를 통해 탑승객을 보호하는 역할을 한다. 그러므로 실러 패치워크 패널 적용에 따른 강성 향상 및 소음, 진동 성능 향상을 위한 구조적인 개선 여부를 확인하기 위해 고유진동수 측정 시험 및 해석을 실시하였다. 고유진동수 시험은 임팩트 해머를 이용한 가진 시험을 통해 1차 고유진동수를 측정하고 해당 주파수에서 공진을 피하기 위한 설계를 가능하게 한다.
- 기존 공정으로 제작된 제품과 실러패치워크를 적용한 개발 제품에 대해 구조 해석을 진행하여 비교한 결과, 기존품의 1차 고유진동수는 20 Hz이고 개발품은 27 Hz로 강성이 향상되었음을 확인하였다. 또한 개발품에 대한 고유진동수 측정 시험을 통해 3차 고유진동수까지 측정하여 시험/해석 간 정확도 검증을 실시하였다. 시험 결과 1차 22 Hz, 2차 49 Hz, 3차 61Hz로 나타났고, 해석 결과는 1차 27 Hz, 2차 44 Hz, 3차63 Hz로 시험/해석 간 오차는 1차 5 Hz, 2차 5 Hz, 3차2 Hz로 나타났다.
- 본 연구에서는 실러 패치워크 패널의 위치 이탈을 제어하기 위해 FEM 성형 해석을 진행하였고, 해석을 통해 저항 점용접 조건 및 스탬핑 성형 조건을 결정하여 카울 로워 패널을 제작하였다. 또한 실러 패치워크 기술 적용에 따른 제진 특성 및 강성의 향상 여부를 확인하기 위해 카울 모듈의 고유 진동수 측정하였다[5].
- 1과 같이 개발 기술을 적용하는 경우, 카울 로워 패널에 패치워크 블랭크를 접합한 상태로 성형함으로써 공정 수 삭제를 통한 생산 비용 절감 효과를 기대할 수 있다. 로워 패널 블랭크와 패치워크 블랭크의 접합은 구조용 접착제와 저항 점용접을 동시에 적용하였다. 패치워크 블랭크의 위치가 접합 방법, 블랭크 홀딩력(Blank Holding Force), 성형 압력 등에 의해 달라지기 때문에 양호한 제품 품질을 얻기 위한 방안이 필요하다.
- 본 연구에서는 실러 패치워크 패널의 위치 이탈을 제어하기 위해 FEM 성형 해석을 진행하였고, 해석을 통해 저항 점용접 조건 및 스탬핑 성형 조건을 결정하여 카울 로워 패널을 제작하였다. 또한 실러 패치워크 기술 적용에 따른 제진 특성 및 강성의 향상 여부를 확인하기 위해 카울 모듈의 고유 진동수 측정하였다[5].
- 설계 및 제작된 금형에서 시험 작업을 통해 측정한 각 부분의 주·부변형률을 성형 한계도 상에 표시하여 성형의 가부 및 성형 난이도를 평가하였다[6].
- Case 3의 경우 양 끝단에서 발생하는 이탈을 저하하기 위해 상단에 2개, 하단에 4개의 용접으로 고정하였다. 성형 해석 결과, 펀치에 의한 이탈 현상을 최소화하면서 패치워크 패널을 고정시킴으로써 용접점 위치를 최적화하였다.
- 성형 해석에 적용할 물성 데이터를 도출하기 위해 각 소재의 기계적 물성 평가를 진행하였다. KS B 0801 규격에 따라 인장시편을 제작하여 10ton 만능재료시험기를 이용하여 카울 모듈의 각 구성 부품에 적용되는 소재의 인장시험을 실시하였다.
- 카울 로워 성형 조건을 정립하기 위해 성형 해석을 통한 최적 조건을 정립하였다. 성형 해석은 Autoform 프로그램을 사용하였고, Stroke 값은 250mm, 블랭크 홀딩력(Blank Holding Force)는 140 ton으로 설정하였다. 성형성 평가를 통해 도출한 FLD 선도를 해석 결과에 대입하여 성형 시 크랙, 두께 감소의 발생을 통해 성형성 검증을 실시하였다.
- 성형 해석은 Autoform 프로그램을 사용하였고, Stroke 값은 250mm, 블랭크 홀딩력(Blank Holding Force)는 140 ton으로 설정하였다. 성형성 평가를 통해 도출한 FLD 선도를 해석 결과에 대입하여 성형 시 크랙, 두께 감소의 발생을 통해 성형성 검증을 실시하였다. Fig.
- 실러 패치워크 적용 시 카울 로워 블랭크와 패치워크 패널 사이의 용접점 위치에 따라 성형 후 패치워크 패널의 형상 및 위치가 변화함을 파악하여 최적 용접점을 선정하기 위해 용접점 위치 별 성형 해석을 실시하였다.
- 그러나 부변형률이 음인 Simple tension의 경우, 두 소재가 비슷한 주변형률을 보이는 것으로 확인되었다. 이러한 성형 특성을 바탕으로 제품 성형 시 발생하는 변형률을 고려하여 설계에 반영하였으며, 성형 한계선 이상의 변형률이 발생하는 부위의 R값을 조정하여 주름이나 크랙을 제어하였다.
- KS B 0801 규격에 따라 인장시편을 제작하여 10ton 만능재료시험기를 이용하여 카울 모듈의 각 구성 부품에 적용되는 소재의 인장시험을 실시하였다. 인장 속도는 3mm/min이고, 각 소재의 인장강도와 항복강도, 연신율을 측정하여 True Stress-True Strain 곡선을 도출하였다.
- 카울 로워 성형 조건을 정립하기 위해 성형 해석을 통한 최적 조건을 정립하였다. 성형 해석은 Autoform 프로그램을 사용하였고, Stroke 값은 250mm, 블랭크 홀딩력(Blank Holding Force)는 140 ton으로 설정하였다.
- 카울 로워 패널에 적용되는 실러 패치워크 패널의 성형성 분석을 위해 FLD(Forming Limit Diagram) 선도를 도출하였다. 카울 로워 패널과 패치워크 패널을 각각 100mm 반구형 펀치를 이용하여 성형하였고, 시편에 표기된 Grid Marking의 변형률을 측정하여 각 소재의 성형성 분석을 진행하였다. 네킹 또는 파단 주변의 주변형률과 부변형률 값의 분포를 측정하여 주요 부품에 적용되는 소재의 성형한계도 측정 결과를 Fig.
- 4와 같이 금형과 블랭크 홀더, 펀치를 강체로 설정하였고, 블랭크는 Piecewise Linear Plasticity 모델을 적용했고 소재 물성 평가를 통해 도출한 True Stress-True Strain 곡선을 적용하여 해석의 정확도를 향상시켰다. 카울 로워 패널과 패치워크 패널의 접합은 구조용 접착제의 경화가 성형 공정이 완료된 후 진행되므로 성형 해석 시 저항 점용접 모사만 적용하였다. 카울 로워의 최종 성형 조건에 적용하여 주름과 크랙 발생 여부를 확인하였다.
- 카울 로워 패널에 적용되는 실러 패치워크 패널의 성형성 분석을 위해 FLD(Forming Limit Diagram) 선도를 도출하였다. 카울 로워 패널과 패치워크 패널을 각각 100mm 반구형 펀치를 이용하여 성형하였고, 시편에 표기된 Grid Marking의 변형률을 측정하여 각 소재의 성형성 분석을 진행하였다.
- 카울 로워 패널과 패치워크 패널의 접합은 구조용 접착제의 경화가 성형 공정이 완료된 후 진행되므로 성형 해석 시 저항 점용접 모사만 적용하였다. 카울 로워의 최종 성형 조건에 적용하여 주름과 크랙 발생 여부를 확인하였다.
- 카울 모듈의 고유진동수 측정 시험을 통해 실러 패치워크 적용 시 1차 고유진동수의 향상을 확인하여 강성 증대 및 제진 특성 향상을 분석하였다. 고유진동수는 단위시간당 진동하는 회수를 의미하며, 자동차 부품의 고유진동수는 강성에 비례하고 질량에 반비례하는 특성을 가지며, 구속위치에서 멀리 떨어진 위치에 있는 집중된 질량은 관성효과로 인해 고유진동수를 크게 감소시키므로 해당 논문에서는 비구속조건에서 고유진동수 측정 시험을 진행하였다[7].
- 카울 모듈의 성형 및 구조해석 시 정확한 모사를 위해 True Stress-True Strain 곡선을 적용하였고, 시험/해석 상관관계 분석을 통해 해석 정확도를 고정도화하여 성형해석을 통한 설계 방안을 정립하고자 하였다.
- 패치워크 블랭크의 위치가 접합 방법, 블랭크 홀딩력(Blank Holding Force), 성형 압력 등에 의해 달라지기 때문에 양호한 제품 품질을 얻기 위한 방안이 필요하다. 패치워크의 위치 이탈에 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 저항 점용접의 위치와 블랭크 홀딩력을 변수로 선정하였다. 해당 변수에 대한 성형 해석을 통해 최적 점용접 위치와 블랭크 홀딩력 조건을 도출하였다.
- 패치워크의 위치 이탈에 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 저항 점용접의 위치와 블랭크 홀딩력을 변수로 선정하였다. 해당 변수에 대한 성형 해석을 통해 최적 점용접 위치와 블랭크 홀딩력 조건을 도출하였다.
대상 데이터
- 시편은 카울 로워 패널 성형에 사용할 SPFC 590 0.7t 판재를 180mm × 25, 50, 75, 100, 125, 130, 135, 150,180mm의 크기로 준비하였다.
- 9는 용접점 위치에 따른 패치워크 패널의 위치 변화를 나타낸 것이다. 총 3개의 Case로 위치를 선정하였고, 설계 상 패치워크 패널 위치는 흰색 점선이고 실제 성형 해석 후 패치워크 패널의 위치가 벗어난 정도를 확인하였다. Case 1은 상단에 4개, 양 끝에 2개의 용접으로 고정하여 성형하였고, 상단 방향으로 약 20mm 정도 이탈하였다.
데이터처리
- 카울 모듈 각 구성품에 적용되는 소재는 표 1과 같다. 인장시험을 통해 각 구성품의 소재에 대한 변위-하중 데이터를 얻을 수 있었고 Fig. 5에 나타난 것과 같이 해석에 적용할 True stress-True strain 곡선을 도출하였다.
이론/모형
- 성형성 평가를 통해 도출한 FLD 선도를 해석 결과에 대입하여 성형 시 크랙, 두께 감소의 발생을 통해 성형성 검증을 실시하였다. Fig. 4와 같이 금형과 블랭크 홀더, 펀치를 강체로 설정하였고, 블랭크는 Piecewise Linear Plasticity 모델을 적용했고 소재 물성 평가를 통해 도출한 True Stress-True Strain 곡선을 적용하여 해석의 정확도를 향상시켰다. 카울 로워 패널과 패치워크 패널의 접합은 구조용 접착제의 경화가 성형 공정이 완료된 후 진행되므로 성형 해석 시 저항 점용접 모사만 적용하였다.
성능/효과
- 1. 각 부품에 적용되는 소재의 인장시험과 성형성 평가를 통해 도출한 기계적 물성을 유한요소해석에 적용하여 해석 정확도를 향상시키고, 성형 해석을 통해 초기 설계의 문제점을 파악하여 개선할 수 있다.
- 2. 스탬핑 공정에서 제품의 R값은 소재의 성형한계선에 따라 개선함으로써 주름 및 크랙 발생을 억제하고, 카울 모듈의 경우 Draw type보다 양 측면을 개방시키는 Form type 성형 공정을 적용함으로써 크랙 발생을 완화시켰다.
- 3. 실러 패치워크 적용 시 구조용 접착제는 성형 후 경화시키므로 성형 시 점용접을 통해 카울 로워 블랭크에 패치워크 패널을 접합시킨 상태에서 성형해야 한다. 그러므로 성형 해석 시 패치워크 패널의 형상과 위치가 설계 상과 동일한 조건을 도출하여 성형 조건에 적용해야 한다.
- 4. 실러 패치워크 적용 시 강성 증대 및 제진 특성 향상을 확인하기 위해 고유진동수 측정 시험과 해석을 진행한 결과, 실러 패치워크 적용 시 기존보다 약 7Hz 정도 향상됨을 확인하였다.
- 시험 결과 1차 22 Hz, 2차 49 Hz, 3차 61Hz로 나타났고, 해석 결과는 1차 27 Hz, 2차 44 Hz, 3차63 Hz로 시험/해석 간 오차는 1차 5 Hz, 2차 5 Hz, 3차2 Hz로 나타났다. 고유진동수 측정 시험을 통해 실러 패치워크에 의한 강성 증대를 확인할 수 있었으며, 제진 특성과 강성 증대 효과를 필요로하는 타제품 적용에 대한 검토를 해석을 통해 확인할 수 있다.
- Draw type의 경우 제품 형상에 의해 성형 깊이가 일정하지 않고 금형의 R값이 커서 현재의 공법으로 결함을 제어하기 어렵기 때문에 블랭크의 양 측면을 개방시켜 성형하는 Form type으로 공정을 변경하여 성형 해석을 진행하였다. 기존 draw type에서 판재를 고정시키는 부위가 감소하면서 Fig. 8과 같이 기존의 크랙이 발생한 위치의 성형성은 개선되었음을 확인하였다.
- 고유진동수는 단위시간당 진동하는 회수를 의미하며, 자동차 부품의 고유진동수는 강성에 비례하고 질량에 반비례하는 특성을 가지며, 구속위치에서 멀리 떨어진 위치에 있는 집중된 질량은 관성효과로 인해 고유진동수를 크게 감소시키므로 해당 논문에서는 비구속조건에서 고유진동수 측정 시험을 진행하였다[7]. 기존 공정으로 제작된 제품과 실러패치워크를 적용한 개발 제품에 대해 구조 해석을 진행하여 비교한 결과, 기존품의 1차 고유진동수는 20 Hz이고 개발품은 27 Hz로 강성이 향상되었음을 확인하였다. 또한 개발품에 대한 고유진동수 측정 시험을 통해 3차 고유진동수까지 측정하여 시험/해석 간 정확도 검증을 실시하였다.
- 에 나타낸 것과 같이, 초기 설계 상 R값이 매우 큰 부위에서 크랙이 발생했다. 또한 Draw type 스탬핑 공정으로 주름 및 크랙 발생의 제어가 난해함을 확인하였다. Draw type의 경우 제품 형상에 의해 성형 깊이가 일정하지 않고 금형의 R값이 커서 현재의 공법으로 결함을 제어하기 어렵기 때문에 블랭크의 양 측면을 개방시켜 성형하는 Form type으로 공정을 변경하여 성형 해석을 진행하였다.
- 실러 패치워크 기술적용 시 중량의 증가를 최소화하여 효율적으로 강성 및 제진 특성이 향상될 수 있다. 또한 기존 공정에 비해 공정수가 감소하여 양산 시 원가 절감과 생산성 향상 효과를 동시에 얻을 수 있다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- 또한 개발품에 대한 고유진동수 측정 시험을 통해 3차 고유진동수까지 측정하여 시험/해석 간 정확도 검증을 실시하였다. 시험 결과 1차 22 Hz, 2차 49 Hz, 3차 61Hz로 나타났고, 해석 결과는 1차 27 Hz, 2차 44 Hz, 3차63 Hz로 시험/해석 간 오차는 1차 5 Hz, 2차 5 Hz, 3차2 Hz로 나타났다. 고유진동수 측정 시험을 통해 실러 패치워크에 의한 강성 증대를 확인할 수 있었으며, 제진 특성과 강성 증대 효과를 필요로하는 타제품 적용에 대한 검토를 해석을 통해 확인할 수 있다.
- 고유진동수 시험은 임팩트 해머를 이용한 가진 시험을 통해 1차 고유진동수를 측정하고 해당 주파수에서 공진을 피하기 위한 설계를 가능하게 한다. 카울 모듈에 대해 비구속 조건에서 가진하여 측정한 1차 고유진동수와 동일한 조건을 ANSYS 해석 프로그램을 통해 모사하여 도출된 1차 고유 진동수를 비교하고, 시험/해석 상관관계 분석을 통해 실러 패치워크 패널 적용에 의한 강성 증대 효과를 확인하였다.
- 6에 나타내었다. 크랙 발생 부위에 변형이 집중되고 주변형률 방향의 수직 방향으로 파단이 발생하였으나, 크랙이 발생하지 않는 부위에서는 비교적 변형률 분포가 균일한 것을 확인할 수 있었다. 부변형률이 양인 Biaxial Stretching 경우, SGARC 440 1.
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