[논문]샌드위치판재를 적용한 자동차 범퍼 빔 개발

김동규; 유정수; 박상언; 이규현; 김광희; 이문용

샌드위치판재를 적용한 자동차 범퍼 빔 개발
Development of Manufacturing Technology for Bumper Back Beam with Sandwich Plate 원문보기

김동규 (성우하이텍 기술연구소) , 유정수 (성우하이텍 기술연구소) , 박상언 (성우하이텍 기술연구소) , 이규현 (성우하이텍 기술연구소) , 김광희 (부경대학교 기계공학과) , 이문용 (성우하이텍 기술연구소)

In roll forming process, a sheet metal is continuously progressively formed into a product with required cross-section and longitudinal shape, such as a circular tube with required diameter, wall-thickness and straightness, by passing through a series of forming rolls in arranged in tandem. Tn this process, each pair of forming rolls installed in a forming machine play a particular role in making up the required cross-section and longitudinal shape of the product. In recent years, that process is often applied to the bumper rail in the automotive industries. In this study, a optimal Front Bumper Beam manufacturing technology, model deign and proper roll-pass sequences can be suggested by forming number of roll-pass and bending angle. And also effects of the process parameters on the final shape formed by roll forming defects were evaluated.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 롤 포밍 기술을 이용하여 차량 충돌시 승객 보호 역할을 수행하는 자동차 범퍼 부품을 제작하였으며, 경량화 및 안전성이 우수한 부품 제작을 목표로 본 연구를 추진하였습니다.
최근 기계, 자동차, 철강, 중공업 등의 업 계 에서 는 초경량 구조재의 활용에 의해 경량화, 고강성, 고강도, 고내충격성 등을 실현하여 에너지 효율을 높일 수 있고고 강성, 고내충격성 등의 성질은 내구성 및 안전성 향상과 같은 제품 성능 향상을 유도하고 있다. 본 연구는 내부에 대형 구조체를 갖는 샌드위치 판재(sandwich plate) 성형 기술에 관한 연구로서 고강성, 고기능성 스틸 샌드위치 판재를 설계적으로 구현하였다. 이를 바탕으로 샌드위치 판재의 핵심인 심재(Core)의 형상을 반영한 자동차 범퍼 빔 시스템에 적용을 하였고, 유한요소 해석법을 통한 제품 최적화 설계 및 샌드위치 판재의 특성을 감안하여 범퍼 시제품 제작 연구를 추진하였다.

제안 방법

(1) 공정별 변수를 예측하여 롤 포밍 공정을 설정함으로써 안정성과 경제적인 롤 금형 설계방식을 제시하였다.
(2) 샌드위치 판재를 이용한 자동차 범퍼 빔 제작 기술을 개발하였다.
(3) 롤 포밍 공정을 통해 고강도, 경량화 차체 부품 제작 기술을 확립하였다.
중요하다. 따라서 최적의 공정 조건 및 롤 금형 설계의 목적으로 table.1의 조건을 부여하여 공정 해석을 진행하였다.
영향을 최소화시켰다. 또한 성형시 길이 방향으로 발생하는 변형율 감소 목적으로 성형시 인장력을 부여하기 위해 롤 금형을 진행 방향으로 1mm씩 증가를 시키는 방식(upper hil!)을 적용하여 성형 조건을 개선하였다.
롤 플라워 설계를 기준으로 소재 특성을 감안하여 롤 금형 총 25단을 제작하였다.
본 연구에서 개발하는 샌드위치 범퍼 또한 곡률을 반영하여 설계되었고, 롤 포밍 공법을 통해 제작된 범퍼 빔에 2500R 곡률 성형의 목적으로 스트레치 밴딩(stretch bending)공법 을 사용하였다.
본 연구에서는 자동차용 냉연강판이 적용된 샌드위치 판재의 기초 물성과 성형 특성을 파악하여 높은 구조강성과 충돌에너지 흡수율을 갖도록 유도된 Fig.l 형상의 범퍼 빔 (bumper beam)을 설계하였다.
상업화된 롤 포밍 범퍼 빔의 각 단수별 평균 굽힘 각도는 10~12 °로 부여를 하고 있으나, 샌드위치 판재의 특성을 감안하여 3~4 °로 설계하였다.
샌드위치 소재가 25단의 롤 포밍 공정을 진행하면서 굽힘 성형을 받게 되면, 이때 롤 금형과 성형량 차이에 의한 마찰력이 초기 공정과 후 공정에서 인장 흑은 압축 하중을 받게 되며, 해당 롤 금형간의 속도차이에 의해 길이방향으로 변형률이 발생하는데 이 변형률을 기초로 롤 포_밍 공정을 설계하였고, Fig.2의 성형 그래프와 같이 소재 물성의 성형 한계점 이하에서 설계된 것을 알 수 있다.
샌드위치 판재 성형시 내부 코어의 압괴 및 용접부 탈착에 따른 대책안으로 변형률을 최소화하는 롤 포밍 공법을 적용하여 공정 설계를 진행하였다.
시제품 성형 이후 정밀도 측정 및 성형시 발생하는 국부적인 치수 편차를 예측하고 제품에 대한 신뢰성 향상의 목적으로 Fig.6의 접촉식 다관절 치수 측정기로 시제품을 측정하였다.
본 연구는 내부에 대형 구조체를 갖는 샌드위치 판재(sandwich plate) 성형 기술에 관한 연구로서 고강성, 고기능성 스틸 샌드위치 판재를 설계적으로 구현하였다. 이를 바탕으로 샌드위치 판재의 핵심인 심재(Core)의 형상을 반영한 자동차 범퍼 빔 시스템에 적용을 하였고, 유한요소 해석법을 통한 제품 최적화 설계 및 샌드위치 판재의 특성을 감안하여 범퍼 시제품 제작 연구를 추진하였다. 본 연구에 사용된 공법은 롤 포밍(roll forming) 공법으로 판재(sheet metal)를 다단의 롤 금형을 이용하여 점진적인 소성가공 공정을 통한 성형법으로 샌드위치 판재의 민감한 부분인 심재 (Core)의 파손 없이 최종 시제품 성형에 이점이 있는 기술이다.
측정 원리는 최종 제품 설계 DATA(CATIA V5 파일)를 측정 장비에 로드(load)시켜 측정 기준을 정하고, 장비 감지센서를 사용하여 해당 포인터를 인식 시켜 줌으로써 설계 DATA와의 오차를 측정/ 제시하는 원리를 사용하였다.

대상 데이터

Fig3은 롤 플라워 설계 및 공정 조건을 감안하여 롤 포밍 머신에 장착하였고, 샌드위치 판재 191mm(폭)x2500(길이) 사이즈의 소재를 장입하여 시제품을 제작하였다

후속연구

이러한 고강도 샌드위치 판재를 이용한 성형기술이 차체 부품에 적용 됨에 따라 보강재 (reinforcement)를 삭제한 일체화 부품 제조가 가능하고, 샌드위치 판재의 특징인 소음, 진동 등을 줄일 수 있는 효과를 기대 할 수 있다. 또한 금형 마모도가 낮기 때문에 수명 향상과 제품 정밀도개선 등의 효과를 기대 할 수 있다.

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