[논문]1-Piece 알루미늄 도어 인너 냉간-열간 복합 성형공정 개발

남성우; 배기현

doi:10.5228/kstp.2021.30.5.242

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Aluminum alloy sheet is being applied to automobiles continuously for the purpose of reducing car body weight. However, due to low formability, there's a limit to application of products with a deep forming depth such as door inner parts. Therefore, the difficult-to-form parts are mainly segmented f...

Aluminum alloy sheet is being applied to automobiles continuously for the purpose of reducing car body weight. However, due to low formability, there's a limit to application of products with a deep forming depth such as door inner parts. Therefore, the difficult-to-form parts are mainly segmented formed then joined together, which is also disadvantageous as it increases the cost of manufacturing. This study proposes a hybrid cold-hot stamping method for the 1-piece door inner part to reduce cost. To design the stamping process, numerical simulation method is established by using the temperature-dependent mechanical properties of AA6016. The formability according to the hybrid cold-hot stamping method is evaluated using numerical analysis. The suitability of the proposed stamping method is then verified through the stamping tryout.

Keyword

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 Alumi num door modules with the segmented door inner part
그림 Fig. 2 Part integration of an aluminum door inner
그림 Fig. 3 Formability problem of AA6016 hot stamping (Heating temp. : 530 ℃)
그림 Fig. 4 Material testing system and strain distribution analysis: (a) Tension; (b) Bulge
그림 Fig. 5 Material test results: (a) Tension; (b) Bulge
그림 Fig. 6 Temperature history and tensile test condition of AA6016 in the hot stamping process of door inner
그림 Fig. 7 Tensile test specimen for the Gleeble system
그림 Fig. 8 Tensile test result according to the temperature and the strain rate : (a ) 200 ℃; (b) 250 ℃; (c) 300 ℃; (d) 350 ℃
그림 Fig. 9 FLD test result according to the temperature
표 Table 1 Anisotropic material properties for the sheet metal cold forming analysis
그림 Fig. 10 Modification of the die corner radius to secure the formability in the cold stamping process
그림 Fig. 11 Tool setup for the cold stamping process
그림 Fig. 12 Formability evaluation of the col d hot stamped door inner part: (a) OP10 - Drawing ( Cold stamping with trimming) trimming); (b) OP20 - Re-striking (Hot stamping)
그림 Fig. 13 Tryout result of 1-Piece door inner part using the hybrid cold-hot stamping process

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 알루미늄 도어 부품 일체화를 위하여 냉간-열간 복합 성형공법을 제안한다. 성형공정 설계를 위하여 온도에 따른 인장물성 및 성형한계도(Forming Limit Diagram) 평가를 수행하고, 냉간-열 간 성형공정 수치해석 기법을 정립한다.
본 논문에서는 1-Piece 알루미늄 도어 인너 부품의 일체화 성형을 위하여 냉간-열간 복합 성형공법 을 제안하였다.

제안 방법

본 논문에서는 알루미늄 도어 부품 일체화를 위하여 냉간-열간 복합 성형공법을 제안한다. 성형공정 설계를 위하여 온도에 따른 인장물성 및 성형한계도(Forming Limit Diagram) 평가를 수행하고, 냉간-열 간 성형공정 수치해석 기법을 정립한다. 구성된 수치해석 기법을 활용하여 냉간-열간복합 성형공정에 따른 성형성을 확인한다.
성형공정 설계를 위하여 온도에 따른 인장물성 및 성형한계도(Forming Limit Diagram) 평가를 수행하고, 냉간-열 간 성형공정 수치해석 기법을 정립한다. 구성된 수치해석 기법을 활용하여 냉간-열간복합 성형공정에 따른 성형성을 확인한다. 최종적으로 냉간-열간 복 합 성형공법을 적용한 시제품 제작하고, 제안한 성형기법을 통한 1-Piece 타입 일체형 도어 인너의 알루미늄 합금 판재 양산 가능성을 검증한다.
구성된 수치해석 기법을 활용하여 냉간-열간복합 성형공정에 따른 성형성을 확인한다. 최종적으로 냉간-열간 복 합 성형공법을 적용한 시제품 제작하고, 제안한 성형기법을 통한 1-Piece 타입 일체형 도어 인너의 알루미늄 합금 판재 양산 가능성을 검증한다.
Fig. 3 에 제시한 바와 같이 열간성형 단일공정에서 발생하는 성형성 문제를 개선하기 위하여 냉간열간 복합 성형공법을 제안하였다. 1 공정에서 냉간 성형성을 확보하기 위하여 Fig.
이후 2 공정에서 성형품의 열처리 후 고온 스트레칭 성을 활용하여 최종 곡률부 형상을 성형하였다. 이와 같이 1-Piece 도어 인너 부품 성형을 위한 냉간열간 2 공정 복합성형 공법을 제안하였으며, 수치해석을 통하여 제안한 성형공정의 유효성을 확인하였다.
실제 성형품의 성형성을 확인함으로써 제안한 성형공법을 검증하기 위하여 공정별 시작금형을 제작 하고 1-piece 도어 인너 성형 트라이아웃(Tryout)을 을 수행하였다. 1 차 드로잉(Drawing) 냉간성형을 통해 예비형상을 문제없이 확보하였으며, 불필요한 영역을 레이저 트리밍(Trimming)한 후 2차 리스트라이 킹(Restriking) 열간성형을 통해 최종 곡률부 형상을 확보하였다.
(1) AA6016-O 1.2t 소재의 상온/고온 물성평가를 이용하여 온도효과를 고려한 물성모델 및 수치해석 모델을 구성하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 알루미늄 도어 인너 제조단가 절감을 위한 성형공법을 제안하기 위하여 1-Piece 도 어 인너 부품을 대상 제품으로 선정하였다. Fig.
인장시험은 Fig. 7 과 같이 글리블 시험용 도그본 (dob-bone) 규격시편을 사용하였다. 이와 같은 시험조 건에 따라 온도 및 변형률 속도에 따른 인장시험을 수행하였으며, Fig.

데이터처리

2t 의 인장 및 벌지시험을 수행하였다. 인장시험은 MTS810 에서 수행하였으며, ARAMIS 영상분석(Digital Image Correlation)을 통하여 변형률 이력을 측정하였다. 시편은 압연 방향으로부터 45 도 간격으로 채취하였다.
대변형 벌지시험은 만능 성형성 평가 장치에서서 수행하였으며, 펀치속도는 10 mm/s 로 선정하였다. 인장시험과 동일하게 ARAMIS 영상분석을 통하여 변형률을 측정하였다. Fig.
온도에 따른 성형성 판정을 위하여 고온 성형한계 도 평가를 수행하였다. 성형한계도 시험은 ISO 규격 시편을 사용하였으며, Gun 타입 그리드 분석장치를 이용하여 시험 후 변형률을 측정하였다.
온도에 따른 성형성 판정을 위하여 고온 성형한계 도 평가를 수행하였다. 성형한계도 시험은 ISO 규격 시편을 사용하였으며, Gun 타입 그리드 분석장치를 이용하여 시험 후 변형률을 측정하였다. 카트리지 히터(Cartridge Heater)를 이용하여 금형내에서 시편을 접촉식 가열하였으며, 소재 목표온도 도달 후 5분의 유지 시간 이후 시험을 수행하였다.

이론/모형

도어 인너 냉간 성형공정 해석을 위하여 AA6016-O 1.2t 의 인장 및 벌지시험을 수행하였다. 인장시험은 MTS810 에서 수행하였으며, ARAMIS 영상분석(Digital Image Correlation)을 통하여 변형률 이력을 측정하였다.
도어 인너 열간 성형공정 해석을 위하여 AA6016-O 1.2t 의 고온 인장물성 평가를 수행하였다. 열간성형 시에 승온-용체화-급냉-성형 구간의 온도이력을 고려 하여 Fig.
6 과 같이 온도 및 변형률속도에 따른 인장 시험 조건을 제시하였다. 고온 인장시험은 글리블 (Gleeble) 3500 을 이용하여 수행하였으며, 전기저항발 열을 이용하여 매우 정밀한 온도이력 제어가 가능하다. 인장시험은 Fig.

성능/효과

1 차 드로잉(Drawing) 냉간성형을 통해 예비형상을 문제없이 확보하였으며, 불필요한 영역을 레이저 트리밍(Trimming)한 후 2차 리스트라이 킹(Restriking) 열간성형을 통해 최종 곡률부 형상을 확보하였다. 이와 같이 냉간-열간 복합성형 공정을 이용하여 1-Piece 도어 인너 일체화 부품 성형성 확보가 가능한 것을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 냉간-열간 복합 성형공법을 활용할 경우, 도어 인너 부품과 같이 성형 깊이가 깊은 난성형성 차체 부품에도 알루미늄 합금 판재를 적절히 적용함으로써 차량경량화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
(2) 단일 열간성형 공정의 성형성 문제를 극복하기 위하여 냉간 드로잉-열간 스트레칭 복합 성형공 법을 제안하고, 수치해석을 통하여 성형성 확보 가능성을 확인하였다.
(3) 시제품 성형을 통하여 냉간-열간 복합 성형공법의 유효성을 검증하였으며, 알루미늄 합금 판재의 난성형성 극복을 위한 성형공법으로 활용 가능함을 확인하였다.

후속연구

이와 같이 냉간-열간 복합성형 공정을 이용하여 1-Piece 도어 인너 일체화 부품 성형성 확보가 가능한 것을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 냉간-열간 복합 성형공법을 활용할 경우, 도어 인너 부품과 같이 성형 깊이가 깊은 난성형성 차체 부품에도 알루미늄 합금 판재를 적절히 적용함으로써 차량경량화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (7)

J. Mendiguren, E. S. D. Argandona, L. Galdos, 2016, Hot Stamping of AA7075 Aluminum Sheets, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., Vol. 159, pp. 012026. doi:10.1088/1757-899X/159/1/012026

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G. D. Amours, A. Ilinich, 2018, Development of a Material Model for AA7075 Aluminum Hot Stamping, IOP Conf. Ser.: J. Phys., Vol. 1063, pp. 012033. doi:10.1088/1742-6596/1063/1/012033

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Y. Liu, Z. Zhu, Z. Wang, B. Zhu, Y. Wang, Y. Zhang, 2017, Formability and Lubrication of a B-pillar in Hot Stamping with 6061 and 7075 Aluminum Alloy Sheets, Procedia Eng., Vol. 207, pp. 723~728. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.819

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P. F. Bariani, S. Bruschi, A. Ghiotti, F. Michieletto, 2013, Hot Stamping of AA5083 Aluminum Alloy Sheets, CIRP Annals - Manuf. Technol., Vol. 62, pp. 251~254. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2013.03.050

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J.S. Jin, X.Y. Wang, H.E. Hu, J.C. Xia, 2012, HighTemperature Deformation Behavior and Processing Map of 7050 Aluminum Alloy, Met. Mater. Int., Vol. 18, No. 1, pp. 69-75. https://doi: 10.1007/s12540-012-0009-y

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J. Lee, H.J. Bong, D. Kim, Y.S. Lee, Y. Choi, M.G. Lee, 2020, Mechanical Properties and Formability of Heat-Treated 7000-Series High-Strength Aluminum Alloy: Experiments and Finite Element Modeling, Met. Mater. Int., Vol. 26, pp. 682-694. https://doi.org/10.1007/s12540-019-00353-9

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Y. Liu, B. Zhu, K. Wang, S. Li, Y. Zhang, 2020, Friction Behaviors of 6061 Aluminum Alloy Sheets in Hot Stamping Under Dry and Lubricated Conditions Based on Hot Strip Drawing Test, Tribol. Int., Vol. 151, pp. 106504. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106504

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