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Kafe 바로가기주관연구기관 | (주)엠에스오토텍 |
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연구책임자 | 김장수 |
참여연구자 | 홍성태 , 박기영 , 소상우 , 유용문 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2018-10 |
과제시작연도 | 2017 |
주관부처 | 산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 | TRKO202200007062 |
과제고유번호 | 1415152934 |
사업명 | 산업소재핵심기술개발 |
DB 구축일자 | 2022-09-03 |
키워드 | 초고강도강 임팩트빔.알루미늄 도어 인너.통전소성.물성치 제어.통전가공시스템. |
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
1G급 초고강도강 및 알루미늄 차체부품 대응 통전 판재성형 기반기술 개발
◦ 통전성형 전류인가에 따른 소재특성 평가기술 개발
◦ 통전성형을 위한 전류인가 및 성형 장치 기술 개발
◦ 초고강도강 및 알루미늄 판재 통전성형 공정기술 개발
◦ 초고강도강 및 알루미늄합금 판재의 통전성형용 금형 제조 기술 개발
◦ 1단계 : 통전성형 적용 초고강도강 Impact Beam 부품 제조
◦ 2단계 : 통전성형 적용 알루미늄5000계 Door Inner 부품 제조
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
1G급 초고강도강 및 알루미늄 차체부품 대응 통전 판재성형 기반기술 개발
◦ 통전성형 전류인가에 따른 소재특성 평가기술 개발
◦ 통전성형을 위한 전류인가 및 성형 장치 기술 개발
◦ 초고강도강 및 알루미늄 판재 통전성형 공정기술 개발
◦ 초고강도강 및 알루미늄합금 판재의 통전성형용 금형 제조 기술 개발
◦ 1단계 : 통전성형 적용 초고강도강 Impact Beam 부품 제조
◦ 2단계 : 통전성형 적용 알루미늄5000계 Door Inner 부품 제조
□ 개발내용 및 결과
1. 초고장력강 임팩트빔 통전성형
가. 기초 물성 평가
1) 기초 물성 평가
- 1-3차년도 1180CP강/1180DP강의 통전소성 성형공정 개발 실시
- 일정 수준 이상의 변형율 속도(연신율 속도 0.1/sec 이상)에서 성형이 이루어져야함
- 적절한 통전변수의 선정이 이루어진다면 반복통전이 아닌 성형 중 혹은 성형 간 단회통전으로도 충분한 성형성 향상이 가능함
- 통전 전 pre-strain양은 necking strain의 80%정도가 적절함
- pre-strain의 크기가 클수록, 변형율 속도의 크기가 클수록 기계적 특성에 미치는 영향이 커짐
- pre-strain 시편의 통전 후 즉각적인 unloading 방식은 금형의 보호라는 측면에서 공정상의 이점을 제공함(servo방식 프레스 필요)
- 장비구현에 따란 통전 중 성형을 지속하는 방식, 통전과 성형을 분리하는 방식 모두 가능함
- 스프링백 저감 실읨은 소재의 강도 및 형상을 고려하여 기존의 U-bening 금형을 개선한 전용 시스템 구축
- 스프링백 저감 실험 시 시편을 금형에 장착 후 금형을 닫음으로서 시편을 U 형태로 변형하고 하중 제거 전 통전을 실시하여 스프링백 변화량 측정
- 1-3차년도 실험을 통하여 1180CP강 대상 정량적 목표를 월등히 초과하는 스프링백 감소량을 달성하였음(3차년도 정량적 목표 40%, 실험 결과 스프링백 감소량 64.5%)
- 이는 통전소성 현상이 판재성형 제품의 스프링백 제어, 치수정밀도 향상에 매우 효과적으로 활용될 수 있음을 보여줌
2) 미세 조직 분석
- 강재에 대한 통전 성형을 진행한 결과 강도저하, 연신율 증가, 온도 상승 특성을 파악하였으며, OM, SEM과 같은 미세조직 관찰을 통해서는 쉽게 확인할 수는 없었지만 TEM, XRD, 경도값 변화에 대한 분석을 통해 메커니즘을 확인하였음.
- 강재에 대한 통전 성형의 경우 연신율이 증가하는 이유는 강재의 종류 및 인가되는 에너지에 따라 다르게 나타났으며, TEM 분석 결과 CP 1180 강경우 인가되는 전류에 의해 단위 격자단의 면간 거리가 줄어들면서 전위의 이동이 쉬워지고 이에 따라 전위 밀도가 감소하면서 연신율이 증가한 것으로 판단됨
- DP 1180 강재의 경우 인가되는 전류가 증가할수록 육안상 페라이트 조직(흰색 부위)의 분율이 증가하는 것을 확인할 수 있었으며 특히, multi pulse 시험에서 연신율이 증가한 경우 FWHM 값이 감소함에 따라 전위 밀도의 감소로 인해 연신율이 증가한 것으로 보임
- CP 1180 강재를 사용한 impact beam 통전 성형 제품에서 성형된 부위와 전류가 인가된 부위를 비교한 결과 성형된 부위의 경우에는 육안상 미세조직의 큰 차이가 없었지만 전류가 인가된 부분의 경우 grain size가 줄어든 것을 확인할 수 있음. 또한, 통전된 시험편의 전류 인가 부분 경도값이 감소하였음
- 강재의 통전 성형 메커니즘은 강재 종류에 따라 분석 방법은 다르지만 전위밀도 및 grain size 감소에 따라 연신율 증가가 가장 큰 원인임을 확인 할 수 있음
나. 기초 성형성 평가
- 초고강도강 1180CP 강재의 통전 성형성 평가 및 사각드로잉평가를 실시함
- 기초 물성평가에서 도출된 통전 시기를 적용하여 냉간실험을 통한 최대 성형 위치 도출 후 통전 시기를 결정함. 이는 시제품 제작에도 동일하게 적용되어 평가를 실시함
- 전류 밀도는 80~240A/mm²까지의 범위를 선정하여 초고강도강 성형성 향상율을 측정함
- 최대 175.2% 까지 향상율을 보이지만 전기소모량과 제품 제작의 안전성을 고려하여 125를 최적의 전류 밀도로 선정 할 수 있었음
다. 초고장력강 시제품 제작 및 평가
1) 시제품 성형 해석
- 전극위치, 형상에 따른 효과를 검증하기 위해 다양한 형태(센터필라, 돔테스트 형상, 원형전극, 전극상하배치, 전극대각선 배치 등)의 시편, 시제품 설계도면을 기준으로 전류밀도 분포를 분석함.
- 전류밀도 해석결과, 전극의 위치가 가깝고 전극의 크기가 클수록 전류밀도 집중도가 높음.
- 초고강도강의 성형성 및 스프링백 특성분석을 위해 HAT 금형, Cross Section 금형, Impact Beam 금형시편에 대한 성형성을 분석함.
- 상기금형에 대한 성형성 분석 결과, 성형성이 취약한 부위에 전류가 집중될 수 있도록 전극위치를 Parameter study함.
- 전극형상 설계에 따라 전류밀도 분포를 분석하고 통전조건에 따른 물성을 성형해석에 반영하여 성형성 검증
- 통전성형만으로 극복할 수 없는 설계형상을 일부 굴곡율을 설계변수로 두어 성형성 분석과 정강성 해석분석을 동시 진행하여 최적의 설계안 제시.
2) 금형 제작 및 시제품 평가
- 통전성형 평가 위한 기초 통전 시스템 제작 및 양산형 통전 시스템 구축
- 초고강도강 평가를 위한 기초 테스트 금형인 HAT 형상을 활용하여 시제품의 스프링백 감소(치수정밀도 향상) 효과를 확인함
- Cross Section 형상을 통하여 통전 전극 배치 및 형상, 전극 가압력 증대 통한 스파크 방지 등의 기초 공정 조건을 확립
- 또한 금형 제작시 전류 누설 방지를 위한 기초 구조를 확립하였으며, 이를 바탕으로 금형 설계/제작 능력을 확보함
- 통전 시 효과 측정을 위하여 전류계, LVDT, 로드셀 등의 측정 장비를 금형과 프레스에 설치 함으로써 통전 효과 분석이 가능함
- 초고강도강 1180CP 소재를 활용하여 시제품 임팩트빔 제작을 실시함
- 1~2차년도는 시제품 축소를 통한 테스트 금형을 제작 하였으며, 3차년도에는 양산형 금형으로 제작하여 엠에스오토텍에서 보유 중인 서보프레스 양산 장비를 이용하여 테스트 실시함
- 통전 시 전류 밀도 170A/mm²조건에서 무통전 시제품 대비 성형성 개선이 확인됨. 이 제품을 통한 성형하중 감소는 무통전 대비 36.2% 감소하였으며, 치수 정밀도는 96.7%로 무통전 시제품 80.6% 대비 우수한 것으로 확인됨
- 또한 기존 5공정으로 제품 제작하였으나 성형 공정을 1공정 축소 함으로 제품 제작 공정을 4공정으로 축소 가능함.
2. 알루미늄 도어 인너 통전성형
가. 기초 물성 평가
1) 기초 물성 평가
- 5182-O 알루미늄 합금의 통전소성 특성 평가 실험의 결과는 단회통전 인장 실험에서의 통전 후 상온에서 재인장을 할 경우에도 일반적으로 유동응력이 감소하며 연신율이 증가함을 보여줌(통전풀림 현상 발생)
- 5182-O 알루미늄 합금은 전류밀도가 증가 할수록 통전풀림 효과가 증가함을 보여주나, 전류밀도 150 A/mm2의 경우에는 실험결과들의 산포도가 급격하게 상승함을 보여주며 이는 통전성형 공정의 설계 시 최적 공정변수 조합의 도출이 필요함을 보여줌
- 실험결과에 기인하여 5182-O 알루미늄 합금의 통전성형 시 적정한 최대 통전변형율을 75%로, 적정한 최대 전류밀도를 125 A/mm2로 제안함(0.75초 통전시간 기준)
- 적정 전류밀도 125 A/mm2는 통전시간 0,75초를 기준으로 도출된 값이며, 이 때 가해지는 전기에너지밀도와 동일한 크기의 전기에너지밀도를 다른 통전시간동안 혹은 복수의 통전횟수로 나누어서 적용하여도 매우 비슷한 결과를 얻을 수 있음
- 7075-T6 알루미늄 합금의 단회통전 인장시험 결과는 통전 후 상온에서 재인장을 할 경우에도 일반적으로 유동응력이 감소하며 연신율이 증가함을 보여줌(통전풀림)
- 7075-T6 알루미늄 합금의 경우에는 전류밀도 125 A/mm2 조건에서 전류 밀도 100 A/mm2의 경우에 비하여 연신율이 상승하고 유동응력 및 최대 인장강도가 모두 감소함을 보여주나 전류밀도 140 A/mm2 조건에서는 전류밀도 125 A/mm2의 경우에 비하여 유동응력의 크기는 거의 변하지 않으면서 연신율과 최대인장강도들만 모두 확연히 증가하는 현상을 보여줌. 이는 실험에 사용된 7075-T6 소재에 통전에 의하여 통전풀림 이외의 미세구조적인 변화가 발생하였음을 강하게 시사함
- 6061-T6 알루미늄 합금은 전류밀도 140 A/mm2, 통전변형율 75% 조건에서 연신율이 현격하게 상승하고 유동응력 크게 감소하나 5182 알루미늄 합금의 경우와 마찬가지로 실험결과들의 산포도가 매우 크게 나타남
- 실험결과에 의해 6061-T6 알루미늄 합금의 통전소성을 이용한 two stage forming에 적절한 통전변수를 통전변형율 76%, 전류밀도 125-140A/mm2, 통전시간 0.75초로 제안함
- 실험결과는 통전을 통한 알루미늄 판재 성형품의 스프링백의 제어가 가능함을 보여줌
- 실험결과는 설정된 정량적 목표 만족함(무통전 대비 31.3% 감소)
2) 미세 조직 분석
- 알루미늄 합금의 경우에도 강재와 마찬가지로 화학성분 및 열처리 조건 등에 따라 통전의 효과가 다르게 나타나는 경우는 존재하지만, 기본적으로 알루미늄 합금의 통전 메커니즘은 철강 재료와 마찬가지로 결정립을 미세화시키면 파괴강도 증가율이 항복강도 증가율보다 크기 때문에 재료의 연성이 증가하고 성형성이 좋아지는 것임
- 이는, 식 (1)에 제시된 Hall-Petch equation으로 설명이 가능함
σ0 = σi + k’D-1/2 -------------------------------- - (1)
(D : 결정립의 지름, σ0 : 항복응력, σi : 내부마찰 응력, k’: 상수)
- 또한, 알루미늄 합금의 경우에도 강재와 마찬가지로 XRD 분석을 통해 확보된 FWHM 값이 감소하면서 전위 밀도의 분포가 낮아지면서 소성 변형이 쉽게 발생하기 때문으로 확인됨
나. 기초 성형성 평가
- 알루미늄 5182 및 6061 소재를 활용 하여 전류 밀도는 100~150A/mm²까지 범위를 선정하여 초고강도강 성형성 향상율을 측정하엿음
- 전류밀도 150A/mm²의 경우 최대 성형성 향상율은 30.65%로 극대화 되었으나 성형 시 균일한 효과 보기 어려움(과전류로 인한 파손 발생)
- 또한 150A/mm²이상의 전류 통전 시에도 동일한 현상을 보임
- 알루미늄 통전 성형의 최적 성형성 향상율은 전류 밀도 125A/mm²의 15.03%로 선정할 수 있었음
다. 알루미늄 시제품 제작 및 평가
1) 시제품 성형 해석
- 알루미늄 판재의 성형성 분석을 위해 사각드로우 금형 성형해석을 수행하여, 블랭크 사이즈, 성형깊이, 비드유무, 홀드력 등의 재료특성에 따른 성형성을 분석함.
- 알루미늄 사각드로우를 기준으로 전류밀도에 따른 통전물성을 반영하는 프로세스를 제시함.
- 알루미늄 도어인너의 블랭크 사이즈, 형상, 다이형상, 홀드형상, 홀드력, 패드 형상, 패드력 등의 다양한 조건에 따른 제품의 성형성 분석함.
- 알루미늄 도어인너의 전극위치와 성형 중 전류밀도에 따른 통전물성을 동시에 반영하는 프로세스를 제시하고, 도어인너의 통전성형성을 분석함.
2) 금형 제작 및 시제품 평가
- 통전성형 공정을 이용하여 알루미늄 도어 인너 시제품을 4차년도에는 2공정으로 제작 하였으며, 5차년도에는 1공정의 시제품 제작함
- 통전을 위한 전극 배치는 최대한 가압력의 손실이 없는 위치로 선정 하였으며, 또한 성형 중의 지속적인 가압력을 위하여 전극하단부에 가스 스프링을 활용하여 작동식 전극 구조를 적용 하였고, 제품의 플랜지(홀더)부는 비드에 전극을 설치 가능한 구조를 확보함. 또한 초고강도강 통전 금형에서도 적용된 전극부 절연을 위한 Peek 소재를 적용함.
- 알루미늄 소재의 통전 성형 시 최적의 전류 밀도는 125A/mm²이며, 추가로 전류를 상승하여 통전 시 주름이 발생함.
- 통전 시 전류 밀도 125A/mm²조건에서 무통전 시제품 대비 성형성 개선이 확인됨. 이 제품을 통한 성형하중 감소는 무통전 대비 36.8% 감소하였으며, 치수 정밀도는 95.2%로 목표 만족함.
- 또한 기존 5공정으로 제품 제작하였으나 성형 공정을 1공정 축소 함으로 제품 제작 공정을 4공정으로 축소 가능함.
□ 기술개발 배경
자동차 경량화 및 전기차 수요 증대, 또한 안전법규 강화로 인하여 차체 부품에 대한 안전성 및 경량화 요구 → 초고강도강 및 알루미늄 부품 수요 증대 → 생산 효율이 높은 라인 필요성 증대 → 성형성 향상을 기술 개발 필요성 대두
□ 핵심개발 기술의 의의
1960년대 통전 소성 현상의 존재에 대하여 알려졌으나, 미국 펜스테이츠대학에서의 기초 연구를 진행 하였으나 이를 양산에 적용된 사례는 없음. 본 개발을 통하여 초고강도강 및 알루미늄 통전 성형 및 트림 기술을 개발 함. 그러나 본격적인 양산을 위해서는 절연 및 금형 내구성 향상, 대형 전원장치의 지속적인 개발이 필요함
□ 적용 분야
승용차, SUV 자동차 및 친환경 자동차의 차체 부품 및 프레임 전반의 초고강도강 성형 / 트림 및 알루미늄 성형 / 트림 등의 공정에 적용 가능
(출처 : 최종보고서 초록 5p)
과제명(ProjectTitle) : | - |
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연구책임자(Manager) : | - |
과제기간(DetailSeriesProject) : | - |
총연구비 (DetailSeriesProject) : | - |
키워드(keyword) : | - |
과제수행기간(LeadAgency) : | - |
연구목표(Goal) : | - |
연구내용(Abstract) : | - |
기대효과(Effect) : | - |
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