[논문]고강도 차체부품 제작 기술에 대한 연구

박상언; 김동규; 이규현; 김광희; 이문용

고강도 차체부품 제작 기술에 대한 연구
The Study of Manufacturing Technology for Front Side Member Lower 원문보기

박상언 ((주)성우하이텍 기술연구소) , 김동규 ((주)성우하이텍 기술연구소) , 이규현 ((주)성우하이텍 기술연구소) , 김광희 (부경대학교 기계공학부) , 이문용 ((주)성우하이텍)

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. In recent years, that process is often applied to the bumper rail in the automotive industries. In this study, a optimal front side member 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

또한 단면 롤 플라워 분석과 성형 해석 결과를바탕으로 롤 포밍 공정 구축 및 3 차원 스트레치공정 (stretching bending)을 적용하여 높은 구조강성 및 공정 수 축소를 통한 연비 개선, 안정성이 우수한 프론트 사이드 멤버 로어 (fiont side member lower)용 차체 부품 개발을 하고자 한다.
본 연구는 이러한 자동차 추세를 감안한 고강도 차체 성형 기술의 일종인 롤 포밍 (roll forming) 기술을 이용하여 차량 충돌 시 충격 에너지 흡수및 차량의 엔진과 구동부를 지지하는 역할의 프론트 사이드 멤버 (front side member) 개발에 대한 연구로서, 유한요소 해석법을 통한 제품 최적화설계 및 소재 특성을 감안한 사이드 멤버 시스템제작을 진행하였다.

제안 방법

(1) 유한요소해석을 통해 각 공정별 변수를 예측하여 롤 포밍 공정 패턴 설계를 진행함으로서안정성과 경제성을 감안한 금형 설계 방식을 제시하였다.
(4) 980MPa급의 초고강력 소재를 이용하여 프론트 사이드 맴버 로어를 제작하였다.
사이드 멤버 로어(side member lower)에 적용한 소재는 Table. 1 의 두께 1.4mm 인장강도 980MPa 급의 초고장력 강을 사용하였고, 공정 특성에 대한 신뢰성 개선의 목적으로 Fig.l 의 시제품 단면에 대해서 롤 포밍 전용해석 tool 인 RE_COPRA 와 RE_SHAPE 를 이용하여 금형 설계 및 공정 조건 설정을 하였다.
Fig.2는 롤 포밍 전용 해석 Tool(RF_COPRA, RF_SHAPE)을 이용하여 롤 플라워 설계 및 공정해져 결과를 나타낸 것으로 성형 패턴 및 공정해석을 예측하여 최적의 공정 설계를 실시하였다.
금형 장치는 시제품의 형상을 감안하여 3차원의 시제품 곡률을 복측 성형방식을 이용하여 크게 4단계로 분류함으로서 단계별 성형을 진행하였고, 성형시 발생하는 높은 하중을 감안하여 유압 실린더 4개를 장치에 적용하였다. 또한 성형 시 발생하는 탄성회복 현상을 감안하여 6% 정도의 오버 벤딩량을 금형에 부여하였다.
또한 금형 형상 및 공정 조건은 소재의 물성에 의해 좌우되며, 경제성과 안정성을 위해서는 공정 해석이필수적이라고 할 수 있다. 따라서 롤 포밍 성형에대한 패턴 설계 tool 을 이용하여 금형 패턴을 설계하였고, 이 결과를 기초로 공정 해석을 진행 하였다.
또한 시제품 길이가 2m임을 감안하여 성형 이후 자중에 의한 처짐 현상 개선의 목적으로 보정장치를 제작하여 적용하였다. 최종 성형 시제품은간이 검사 치구 및 3차원 접촉식 측정 장비를 이용하여 실시간으로 측정 제어 함으로서 자동차에서 요구하는 차체 부품 공차인 ±0.
사이드 멤버 로어의 형상은 소재의 특성 및 성형 공법을 감안하여 1 차 설계를 진행하였고, 구조 분석 및 충돌 특성을 분석하여 Fig.l 과 같이 최종 설계안를 도출하였다. 사이드 멤버 로어(side member lower)에 적용한 소재는 Table.
4의 Pilot 롤 포밍 설비에 소재(coil)를 장입하고, 초기 1단에 소재가 금형으로 잘 유입이 될수 있도록 양끝 부분에 45°각도로 모떼기 작업을하였다. 시제품 성형 과정에서 소재 장입시 반발력에 의한 소재 이탈 현상을 보정하기 위해 금형설정을 실시간으로 진행하였다.
시제품을 제작하기 위한 롤 금형은 총 14단 이며, 초기 공정시 소재의 원활한 공급과 소재 이탈방지의 목적으로 평탄 롤을 설치하였다.
시제품을 제작하기 위해 필요한 롤 금형은 총 12단으로 구성되었지만, 판재 성형시 발생하는 탄성 회복(spring back)현상에 대한 개선 방안으로 2 단의 오버벤딩 (overbending)공정을 추가하였고, Fig.3 과 같이 총 14단의 금형을 제작하였다.
원활한 소재 성형을 위하여 진행 방향 롤 금형의 평균 반경을 1mm씩 중가시켜 원주 속도가 점차 중가됨에 따라 소재에 인장력이 부여 되어 길이 방향 변형율이 낮아지도록 설정 하였다.
일반적으로 형상이 단순하고 대칭인 제품의 경우 롤 포밍 공법을 이용하여 곡률을 성형하지만, 본 연구에서는 시제품 형상 특성에 의해 스트레칭 벤딩 장치를 이용하여 곡률을 성형하였다.
제작하여 적용하였다. 최종 성형 시제품은간이 검사 치구 및 3차원 접촉식 측정 장비를 이용하여 실시간으로 측정 제어 함으로서 자동차에서 요구하는 차체 부품 공차인 ±0.5mm를 만족하는 품질의 시제품을 제작하였다.

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