[논문]접착-성형 공정의 개선을 통한 중첩된 박판간의 결합

정창균; 김태정; 양동열

접착-성형 공정의 개선을 통한 중첩된 박판간의 결합
Improvement of Form-joining Process with the Aid of Adhesive for Joining of a Sheet Metal Pair 원문보기

정창균 (한국과학기술원 기계공학과 대학원) , 김태정 (한국과학기술원 기계공학과 대학원) , 양동열 (한국과학기술원 기계공학과)

A new form-joining process with the aid of an adhesive is proposed in which an epoxy adhesive is applied to a sheet metal pair, and before it cures the pair is clinched to cause the geometric constraint in the form of a protrusion. In order to reduce the forming load and the height of protrusions, a new die and punch set with a very small clearance was devised to reduce the depth of drawing and the forming load. Taguchi method was employed to find the optimal values of design parameters. To implement each case of the orthogonal array, the finite element method was used. The experiments showed that on the tensile-shear test, the bonding strength of the new form-joining process with an epoxy adhesive is approximately the same as that of the resistance spot welding; and in comparison with the other two form-joining processes with an epoxy adhesive, the height of protrusions was reduced by more than 65 percent and the forming load by 50 percent.

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문제 정의

이는 비슷한 크기의 저항점용접의 강도를 능가하는 수준이다. 본 연구에서는 이러한 접착-성형 공정에 기존의 기계적 결합 방식을 쓰지 않고 접착-성형 공정의 장 점을 살릴 수 있도록 하는 전단을 이용한 성형결합 장치 를 설계, 제작하고 시험을 통해 그 강도 및 기계적 특성을 평가해 보았다.

가설 설정

접착제는 성형 결합 시 까지 액체상태이고, 점성이 매우 크며 매우 얇게 도포되므로 접착제를 박판간의 윤 활로 가정하였다. 접착제의 마찰 계수는 고속마찰시험기 (High-speed s* imulator) 이용하여 측정하였고 그 값은 0.

제안 방법

이는 상판이 얇아질 경우 결합부가 찢어지는 목형 파손을 유발하게 되고 하판이 얇아질 경우 하중을 견디지 못하고 결합부 가 이완되어 버튼형 파손(button failure)이 발생한다. 따라서 접착-성형공정의 평가특성치로 Fig. 2의 상판과 하 판이 중첩된 기하학적 구속의 크기 (Tg) 와 결합부 상판 의 최소 두께 (Tu), 그리고 결합부 최소 하판 두께(Tl) 을 선택하였다.
본 논문에서 전단을 이용한 접착-성형 공정을 다구 찌 기법과 유한요소법을 이용하여 설계 및 제작하였으며 제작된 장치로 접착-성형공정을 수행하고 그 결과를 비교 고찰하였다.
설계안에 따라 제작된 전단을 이용한 성형 결합 장 치를 이용하여 접착-성형 결합을 수행하였다. .
4에 정리 하였다 . 요인효과 분석을 통하여 상 호손실이 없는 적정수준으로 3가지의 설계안을 선정하였으며, 선정된 설계안에 대해 유한 요소해석을 통해 평가 특성치를 가장 잘 만족하는 변수 조합인 Al, B2, C₁,D3, E3, F3, G3, H1을 선정하였다
완성된 시편은 강도시험 후 접착지름에 따라 분류된다. 이때 강도를 평가하는 기준은 기계적 결합과 비슷한 강도를 가지는 접착지름 19+2 mm로 하였으며 접착지름 이 이 범위 내에 포함되는 시편만으로 결과를 도출하였다. 또한 시험시편의 규격은 점용접과의 비교를 위해 점 용접의 시험 규격인 KS B 0851를 이용하여 인장-전단 시험(tensile-shear test)을 수행하였다.
그러나 접착-성형 공정은 비슷한 크기의 저항점용접 의 결합강도를 능가함으로, 성형결합의 기하학적 구속 량을 줄일 수 있다. 이를 통해 돌출부를 감소시키고 성 형하중을 줄이면서도 저항점용접과 유사한 강도를 지닐 수 있도록 하는 새로운 접착 성형 공정을 제안하고, 이를 다구찌 기법을 통해 최적화하고 실험을 통해 결합강 도를 측정 비교해 보았다.
각 변수에 대한 수준은 Table 1 에 나타내었다. 정 의된 설계 변수를 8 직교 배열표에 따라 유한요소 해 석을 수행하였다.
제안된 공정은 기존의 기계적 성형결합과 달리 펀치 와 다이의 클리어런스(clearance)를 전단(shearing)수준 에 가깝도록 작게 준다. Fig.
직교 배열표에 따른 18가지 조합에 대하여 요인효과분석을 위해 유한요소해석을 수행하였다. 축대칭 조건의 격자는 4 절점 축대 칭 2차 요소(4-Node BiHnear Axisymmetric Quadrilateral elements) 를 이용하여, 성형 시 하판이 2차펀치에 의한 압축으로 변형량이 큰 점을 고려하여 상판 520 개, 하판 640 개로 모델링 하였으며 Abaqus (implicit)를 사용하였다.

대상 데이터

직교 배열표에 따른 18가지 조합에 대하여 요인효과분석을 위해 유한요소해석을 수행하였다. 축대칭 조건의 격자는 4 절점 축대 칭 2차 요소(4-Node BiHnear Axisymmetric Quadrilateral elements) 를 이용하여, 성형 시 하판이 2차펀치에 의한 압축으로 변형량이 큰 점을 고려하여 상판 520 개, 하판 640 개로 모델링 하였으며 Abaqus (implicit)를 사용하였다.

이론/모형

이때 강도를 평가하는 기준은 기계적 결합과 비슷한 강도를 가지는 접착지름 19+2 mm로 하였으며 접착지름 이 이 범위 내에 포함되는 시편만으로 결과를 도출하였다. 또한 시험시편의 규격은 점용접과의 비교를 위해 점 용접의 시험 규격인 KS B 0851를 이용하여 인장-전단 시험(tensile-shear test)을 수행하였다.
접착-성형공정에 깊게 관여하는 설계 변수들을 선정 하면 압축펀치의 압하량[A], 드로잉 펀치의 오목부 깊이 [B], 드로잉 펀치의 오목부의 폭[C], 드로잉 펀치의 돌출 부의 폭[D], 드로잉 펀치의 라운드[E], 압축펀치의 반지 름[F]등이다. 이 8가지의 변수를 제어 인자로 설정하여 다구찌 기법을 적용하였다. 각 변수를 Fig 3에 나타내었다.

성능/효과

(1) 전단을 이용한 성형결합장치의 설계에서 다구찌 기법을 통해 얻어진 결과와 이를 이용한 요인효과 분석을 통해, 설계변수 중 결합강도에 중요한 영향을 미치는 인자는 드로잉 펀치의 오목부의 형상과 압축펀 치의 경사각 그리고 압축펀치의 압축 양 임을 확인하였다.
(2) 제안된 장치에서 다이와 펀치의 클리어런스가 줄어 들수록 기하학적 구속을 발생시키기 위한 드로잉의 양을 줄일 수 있었으며 이를 통해 접착-성형공정을 수행하여 발생되는 돌출부를 기존 성형결합방식에 비해 65%이상 성형 하중은 최대 50% 까지 감소시켰다.
(3) 제안된 성형결합 장치를 이용한 접착-성형공정은 인 장-전단 강도가 40% 향상 되었다.
4.2 실험 결과

결합부의 단면 형상으로부터 기하학적 구속이 발생함 을 확인할 수 있었으며 측정된 구속 양은 0.16 mm로 유한요소 해석을 통한 기하학적 구속 양인 0.21 mm에 비해 약 28% 의 오차를 가진다.
기존의 기계적 결합이 80 - 120 kN의 성형하중이 필요한 반면 제안된 공정은 67 kN의 성형 하중만으로도 성형이 가능하다. 이는 접착제의 사용으로 기하학적 구 속을 작게 발생시켜도 충분한 결합 강도를 가질 수 있기 때문이다.
(3) 접착-성형 공정은 결합될 부위를 미리 접착제로 접착한 후 접착제가 경화되기 전 성형결합을 부과하여 경화시킨다. 기존의 성형-결합 공정을 이용하여 성형-결 합 공정을 수행한 결과 인장-전단 결합 강도가 기존의 성형 결합 공정인 T0X 공정 및 2단계 성형 공정과 비교하여 30 % 이상 향상 되었다.
제안된 공정의 인장-전단 강도는 4.2 kN으로 이는 단순히 성형 결합을 하였을 때 보다 강도가 40% 정도 향상된 수치이며 저항 점용접의 검사 합격 기준 강도인 4.17 kN과 유사한 강도를 나타내었다.

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