[논문]핫블로우 포밍을 이용한 고강도 알루미늄 루프 사이드 레일 설계

김민기; 이정흠; 고대철

doi:10.5228/kstp.2023.32.6.311

[국내논문] 핫블로우 포밍을 이용한 고강도 알루미늄 루프 사이드 레일 설계
Design of Roof Side Rail by Hot Blow Forming using High Strength Aluminum 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.32 no.6, 2023년, pp.311 - 320

김민기 (부산대학교 나노메카트로닉스공학과) , 이정흠 (대우공업(주) 기술연구소) , 고대철 (부산대학교 나노메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, lightweight of automotive parts has been required to solve environmental problems caused by global warming. Accordingly, research and development are proceeded on manufacturing of parts using aluminum that can replace steel for lightweight of the automotive parts. In addition, high strength aluminum can be applied to body parts in order to meet both requirements of lightening and improving crash safety of vehicle. In this study, hot blow forming of roof side rail is employed to manufacturing of the automotive parts with high strength aluminum tube. In hot blow forming, longer forming times and excessive thinning can be occurred as compared with conventional manufacturing processes. So optimization of process conditions is required to prevent excessive thinning and to uniformize thickness distribution with fast forming time. Mechanical properties of high strength aluminum are obtained from tensile test at high temperature. These properties are used for finite element(FE) analysis to investigate the effect of strain rate on thinning and thickness distribution. Variation of thickness was firstly investigated from the result of FE analysis according to tube diameter, where the shapes at cross section of roof side rail are compared with allowable dimensional tolerance. Effective tube diameter is determined when fracture and wrinkle are not occurred during hot blow forming. Also FE analysis with various pressure-time profiles is performed to investigate the their effects on thinning and thickness distribution which is quantitatively verified with thinning factor. As a results, optimal process conditions can be determined for the manufacturing of roof side rail using high strength aluminum.

Keyword

표/그림 (20)

그림 Fig. 1 Process sequence of hot blow forming using aluminum tube
그림 Fig. 2 Pressure - time profile
그림 Fig. 3 Experimental set-up for tensile test of Al7075-T6 at elevated temperature
그림 Fig. 4 Results of tensile test for Al7075-T6 at elevated temperature
그림 Fig. 5 FE-Modeling for hot blow forming of high strength aluminum tube
표 Table 1 Condition of tensile test at elevated temperature
표 Table 2 Material constant of Al7075-T6 in Cowper-Symonds model
그림 Fig. 6 Shapes of roof side rail and its cross section
그림 Fig. 7 Result of FE analysis for tube diameter of 36 mm
표 Table 3 FE-simulation condition of hot blow forming
그림 Fig. 8 Result of FE analysis for tube diameter of 37 mm
그림 Fig. 9 Result of FE analysis for tube diameter of 38 mm
그림 Fig. 10 Result of FE analysis for tube diameter of 39mm
그림 Fig. 11 Different pressure-time profile used in FE-analysis
그림 Fig. 12 Result of FE analysis according to T_r at P_max of 500 MPa and diameter of 37mm
표 Table 4 FE-simulation results according to T_r for diameter 37 mm and P_max of 500 MPa
그림 Fig. 13 Result of FE analysis according to T_r at P_max of 500 MPa and diameter of 38mm
그림 Fig. 14 Comparison of section d-d' according to maximum pressure at T_r = 5 sec
표 Table 5 FE-simulation results according to T_r for diameter 38 mm and P_max of 500 MPa
표 Table 6 FE-simulation results according to T_r for diameter 38 mm and P_max of 400 MPa

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 여러 부품의 접합으로 제작되던 루프 사이드 레일 부품에 대해 고강도 알루미늄 튜브를 적용한 핫블로우 포밍의 일체화 성형 공정 설계를 수행하였다. 루프 사이드 레일은 각 위치별 다양한 단면 형상을 갖기 때문에 초기 튜브 직경의 결정이 중요하며, 빠른 성형속도에서 과도한 두께 감소 방지 및 두께 분포 균일화를 위해 공정 변수의 최적화가 필수적으로 요구된다.
본 논문에서는 차체 사이드 모듈의 루프 사이드 레일 제조를 위한 고강도 알루미늄 튜브의 핫 블로우 포밍 공정 최적화에 관한 연구를 수행하였다. 최적 공정조건을 도출하기 위하여 유한요소 해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

가설 설정

유한요소 해석은 Crash forming과 블로우 포밍에 대한 성형해석을 순차적으로 진행하였다. 튜브 직경 및 압력-시간 Profile의 영향을 파악하기 위한 기준 공정의 최대 압력은 실제 장비 성능을 고려한 500 MPa, 총 성형 시간은 생산성을 고려하여 40 sec, 최대 압력까지 도달시간은 보수적인 설계를 위해 초기에 바로 최대 압력까지 도달하는 것으로 설정하였다. 이러한 유한요소 해석의 세부 조건들을 Table 3에 요약하여 나타내었다.

제안 방법

루프 사이드 레일은 각 위치별 다양한 단면 형상을 갖기 때문에 초기 튜브 직경의 결정이 중요하며, 빠른 성형속도에서 과도한 두께 감소 방지 및 두께 분포 균일화를 위해 공정 변수의 최적화가 필수적으로 요구된다. 이를 위해 고강도 알루미늄 튜브의 Crash forming 및 핫블로우포밍의 순차적인 유한요소 해석을 통해 초기 튜브 직경을 선정하고, 공정변수의 영향을 파악하여 최적 공정설계를 수행하였다.
5t의 Al7075-T6 소재를 사용하였다. 핫블로우 포밍은 고온에서 진행되므로 해당 온도에서 소재의 유동응력을 도출하기 위해 고온 인장시험을 통해 물성평가를 수행하였다. 인장 시험은 10 ton 용량의 MTS 장비를 사용하였고, 인장 시편은 ASTM-E8M subsize 규격을 참고하여 와이어 커팅(wire cutting)을 통해 제작하였으며[15] 이를 Fig.
또한 시편의 가열을 위해 가열로(furnace)를 이용하였다. 시험 조건은 실제 공정을 고려한 온도에서 3가지의 변형률 속도(strain rate) 0.1, 1, 3 /s로 시험을 수행하였으며, 세부 조건들을 Table 1에 나타내었다. 고온 인장시험을 통해 Fig.
고강도 알루미늄 튜브재를 핫블로우 포밍 공정에 적용하여 루프 사이드 레일을 제작하기 위해 핫 블로우 포밍 해석을 진행하였다. 유한요소 해석에서 전처리(pre-process) 및 후처리 과정(post-process)은 J-Stamp/NV를 이용하였으며, 해(solution)는 LS-Dyna Solver를 이용하여 구하였다.
5와 같이 유한요소 해석 모델을 구성하였으며, 튜브재 및 금형은 쉘 요소(shell element)로 모델링하였다. 핫블로우 포밍 공정은 금형 및 소재의 온도가 300 ℃일 때 공정이 진행되며, 온도를 고려한 해석 진행결과 열전달의 영향이 미비하므로 해석 시간 단축을 위한 등온해석(isothermal analysis)으로 수행하였다. 또한 튜브재의 두께는 2.
4[12, 18]로 적용하였다. 유한요소 해석은 Crash forming과 블로우 포밍에 대한 성형해석을 순차적으로 진행하였다. 튜브 직경 및 압력-시간 Profile의 영향을 파악하기 위한 기준 공정의 최대 압력은 실제 장비 성능을 고려한 500 MPa, 총 성형 시간은 생산성을 고려하여 40 sec, 최대 압력까지 도달시간은 보수적인 설계를 위해 초기에 바로 최대 압력까지 도달하는 것으로 설정하였다.
루프 사이드 레일은 각 위치별 단면 형상이 일정하지 않은 복잡한 형상을 가진다. 또한 주름 및 Jamming 등의 문제를 방지하기 위해 유한요소 해석을 수행하여 튜브 직경에 따른 영향을 확인하였다. 우선적으로 Fig.
최종 성형이 완료된 형상에서 최대 및 최소 두께의 위치와 수치를 표기하였다. 또한 Crash forming과 블로우 포밍의 각각 완료된 최종 결과를 각 구간의 단면도를 통해 확인하였다. Crash forming 해석결과, 큰 변형 없이 낮은 압축력으로 성형이 되며, 두께 증가가 매우 작았으나 블로우 포밍 결과에서 최종 형상까지의 성형이 불가하였다.
도출된 튜브 직경 38 mm에 대한 성형 압력에 따른 영향을 확인하기 위해, 최대 압력의 변화에 따른 유한요소 해석을 수행하였다. 동일한 시간 내에 적은 압력으로 성형을 완료할 수 있다면 제품의 두께 감소가 개선되고, 사용 장비의 하중을 낮출 수 있다.
(1) 핫블로우 포밍 공정을 해석적으로 구현하기 위해 Al7075-T6의 고온 인장시험을 통해 물성을 도출하였으며, Cowper-Symonds model을 이용하여 속도의 영향을 고려할 수 있는 재료상수를 구축하였다. 이를 기반으로 유한요소 해석 시, 속도와 시간의 영향을 고려하였으며 Crash forming과 가스 가압을 통한 블로우 포밍을 순차적으로 수행하였다.
(2) 루프 사이드 레일은 단면이 일정하지 않기 때문에, 초기 튜브 직경을 선정하기 위해 최소 단면을 기준으로 직경에 따른 유한요소 해석을 수행하였다. 직경에 따른 Crash forming 진행 시의 변형 거동을 확인하여 주름, Jamming 문제를 방지하며, 블로우 포밍 진행 시 확관을 통한 최종 성형, 허용 범위 내의 두께감소율을 고려한 유효 튜브 직경의 범위를 37, 38 mm로 선정하였다.
(3) 주요 공정변수로 압력-시간 Profile을 선정된 튜브 직경을 이용하여 핫블로우 포밍 해석 진행을 통해 최적화를 수행하였다. 또한 두께 분포의 균일함을 판단하기 위해 Thinning factor의 적용을 통해 비교하였다.
이를 고려하였을 때, 500 MPa의 최대 압력과 이에 도달하는 시간이 20 sec인 직경 38 mm의 튜브의 적용이 가장 적절한 공정 조건임을 확인하였다. 더불어 최대 압력 변화에 따른 해석결과 분석을 통해 위 조건이 강도저하를 방지하는 핫블로우 포밍 공정의 가장 최적의 조건으로 결정하였다.

대상 데이터

루프 사이드 레일의 핫블로우 포밍 공정의 유한 요소해석을 수행하기에 앞서 고강도 알루미늄 소재의 기계적 물성 확보가 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 두께 2.5t의 Al7075-T6 소재를 사용하였다. 핫블로우 포밍은 고온에서 진행되므로 해당 온도에서 소재의 유동응력을 도출하기 위해 고온 인장시험을 통해 물성평가를 수행하였다.
상기 결과들을 토대로 튜브 직경에 따른 영향을 파악하였으며, 모든 Case에서 두께감소율 25 % 이내를 만족하지만 직경 37 mm 이상일 때 목표 형상까지 성형이 가능한 것을 확인하였다. 또한 주름 발생, Jamming 문제, 그리고 두께 분포의 균일화를 고려하여 두께 증가 수치가 작은 튜브 직경 37, 38 mm를 유효한 직경 범위로 선정하였다.
(2) 루프 사이드 레일은 단면이 일정하지 않기 때문에, 초기 튜브 직경을 선정하기 위해 최소 단면을 기준으로 직경에 따른 유한요소 해석을 수행하였다. 직경에 따른 Crash forming 진행 시의 변형 거동을 확인하여 주름, Jamming 문제를 방지하며, 블로우 포밍 진행 시 확관을 통한 최종 성형, 허용 범위 내의 두께감소율을 고려한 유효 튜브 직경의 범위를 37, 38 mm로 선정하였다.
2021R1I1A3A04037420) 및 2022년도 교육부의 재원으로 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥센터의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2021R1A6C101A449).

데이터처리

(3) 주요 공정변수로 압력-시간 Profile을 선정된 튜브 직경을 이용하여 핫블로우 포밍 해석 진행을 통해 최적화를 수행하였다. 또한 두께 분포의 균일함을 판단하기 위해 Thinning factor의 적용을 통해 비교하였다. 해석결과, 최대 압력까지 도달 시간 증가에 따라 두께감소율이 줄어들며 두께 분포가 더 균일한 경향성을 나타내지만 압력 유지시간의 부족으로 성형이 미완료되는 조건 또한 도출되었다.

이론/모형

앞서 도출된 시험 결과를 바탕으로 성형속도를 고려할 수 있는 유한요소 해석을 위해 응력-변형률 속도 관계식은 Cowper-Symonds Equation model을 이용하여 나타내었다. 해당 모델은 점소성을 고려할 수 있는 모델이므로 변형률 속도의 영향을 효과적으로 모사할 수 있으며, 식 (1)과 같이 표현된다[16].
고강도 알루미늄 튜브재를 핫블로우 포밍 공정에 적용하여 루프 사이드 레일을 제작하기 위해 핫 블로우 포밍 해석을 진행하였다. 유한요소 해석에서 전처리(pre-process) 및 후처리 과정(post-process)은 J-Stamp/NV를 이용하였으며, 해(solution)는 LS-Dyna Solver를 이용하여 구하였다. 이를 위해 Fig.
(1) 핫블로우 포밍 공정을 해석적으로 구현하기 위해 Al7075-T6의 고온 인장시험을 통해 물성을 도출하였으며, Cowper-Symonds model을 이용하여 속도의 영향을 고려할 수 있는 재료상수를 구축하였다. 이를 기반으로 유한요소 해석 시, 속도와 시간의 영향을 고려하였으며 Crash forming과 가스 가압을 통한 블로우 포밍을 순차적으로 수행하였다.

성능/효과

고온 인장시험을 통해 Fig. 4와 같은 응력-변형률 선도를 도출할 수 있었으며, 시험 결과 300 ℃의 모든 변형률 속도 조건에서 연신율이 30 % 이상임을 확인하였고, 변형률 속도가 빠를수록 유동응력이 증가함을 확인하였다.
3 %가 도출되었다. 해당 수치는 비교적 높지만 허용범위 내에 있으며, 각 구간의 블로우 포밍 결과 단면도를 통해 최종 형상이 도출되는 것을 확인하였다.
9은 직경 38 mm에 대한 해석 결과를 나타내었다. 최대 두께 감소율은 20.7 %로 약간 감소하였지만 최소 단면인 C 구간에서 두께가 증가하는 것을 확인하였다. 이는 최소 단면 기준 직경보다 크기가 증가되었기 때문에 압축력 증가에 따른 변형량이 커지는 것으로 판단되며, Crash forming 단면도 c-c’를 통해 확인하였다.
상기 결과들을 토대로 튜브 직경에 따른 영향을 파악하였으며, 모든 Case에서 두께감소율 25 % 이내를 만족하지만 직경 37 mm 이상일 때 목표 형상까지 성형이 가능한 것을 확인하였다. 또한 주름 발생, Jamming 문제, 그리고 두께 분포의 균일화를 고려하여 두께 증가 수치가 작은 튜브 직경 37, 38 mm를 유효한 직경 범위로 선정하였다.
또한 두께 분포의 균일함을 판단하기 위해 Thinning factor의 적용을 통해 비교하였다. 해석결과, 최대 압력까지 도달 시간 증가에 따라 두께감소율이 줄어들며 두께 분포가 더 균일한 경향성을 나타내지만 압력 유지시간의 부족으로 성형이 미완료되는 조건 또한 도출되었다. 이를 고려하였을 때, 500 MPa의 최대 압력과 이에 도달하는 시간이 20 sec인 직경 38 mm의 튜브의 적용이 가장 적절한 공정 조건임을 확인하였다.
해석결과, 최대 압력까지 도달 시간 증가에 따라 두께감소율이 줄어들며 두께 분포가 더 균일한 경향성을 나타내지만 압력 유지시간의 부족으로 성형이 미완료되는 조건 또한 도출되었다. 이를 고려하였을 때, 500 MPa의 최대 압력과 이에 도달하는 시간이 20 sec인 직경 38 mm의 튜브의 적용이 가장 적절한 공정 조건임을 확인하였다. 더불어 최대 압력 변화에 따른 해석결과 분석을 통해 위 조건이 강도저하를 방지하는 핫블로우 포밍 공정의 가장 최적의 조건으로 결정하였다.

후속연구

이와 더불어 차량의 충돌 안전성 확보가 중요하며 구조적, 안전적인 요구를 만족시키기 위해 고강도 소재의 사용이 필수적임과 동시에 새로운 재료 처리기술의 활용이 중요하다[5]. 따라서 경량화와 차량의 충돌 안정성 향상이라는 상반된 요구조건을 모두 충족할 수 있는 방안으로 차체 부품에 고강도 알루미늄(High strength aluminum) 소재가 적용될 수 있다면 효과를 보다 극대화할 수 있을 것으로 기대된다[6]. 일반적으로 루프 사이드 레일(Roof side rail)과 같은 차체 부품은 스탬핑 공정으로 제작한 여러 부품들을 용접으로 조립하여 생산하기 때문에 차량 충돌 시 용접부의 응력 집중으로 인한 파단을 야기하는 단점이 있다[7].
하지만 대부분의 연구들은 판재를 이용한 성형공정으로 튜브 소재를 이용한 차체 부품의 일체화 성형에 적용하기에는 한계가 있다. 또한 루프 사이드 레일과 같이 복잡한 단면 형상을 갖는 제품에 핫블로우 포밍을 적용하기 위해서는 공정변수 최적화에 관한 연구가 필요하다.
(4) 해석을 통해 결정된 최적 조건을 적용한 핫블로우 포밍을 통해 루프 사이드 레일 제조 시, 생산 비용에 이점이 있으며 우수한 강도를 가지는 일체형 제품을 제조할 수 있을 것으로 기대된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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