보고서 정보
주관연구기관 |
세원물산 SEWON CORPORACION. LTD. |
연구책임자 |
신현일
|
참여연구자 |
조래순
,
송정한
,
박춘달
,
윤재웅
,
김형종
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2018-07 |
과제시작연도 |
2017 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO202200007278 |
과제고유번호 |
1415152352 |
사업명 |
산업소재핵심기술개발 |
DB 구축일자 |
2022-09-03
|
키워드 |
1.5GPa 냉간성형.스프링백.금형 내구성.서보프레스.
|
초록
▼
3. 개발결과 요약
최종목표
□ 최종목표 : 1.5GPa급 초고강도 차체부품 제조 혁신을 위한 변형제어 냉간 정밀 프레스 성형 기술 개발
ㅇ 차체부품의 복잡 형상 구현을 위한 금형/성형기술 개발
- 초고강도강 전단/성형용 금형구조 설계 최적화
- 서보/기계식 프레스를 이용한 양산적용 기술 개발
- 전단/성형 금형의 내구성 확보
(성형금형 : 150,000타, 전단금형 : 100,000타)
ㅇ 1.5GPa급 초고강도강 적용 센터플로어 부품 개발
- 냉간 정밀 성형을 통한 형상 정
3. 개발결과 요약
최종목표
□ 최종목표 : 1.5GPa급 초고강도 차체부품 제조 혁신을 위한 변형제어 냉간 정밀 프레스 성형 기술 개발
ㅇ 차체부품의 복잡 형상 구현을 위한 금형/성형기술 개발
- 초고강도강 전단/성형용 금형구조 설계 최적화
- 서보/기계식 프레스를 이용한 양산적용 기술 개발
- 전단/성형 금형의 내구성 확보
(성형금형 : 150,000타, 전단금형 : 100,000타)
ㅇ 1.5GPa급 초고강도강 적용 센터플로어 부품 개발
- 냉간 정밀 성형을 통한 형상 정밀도 확보
(치수정밀도 : 모듈 ±0.7mm/부품 ±0.5mm 이하)
- 양산적용에 적합한 생산속도 확보 (분당 타수 : 10회)
- 센터플로어 시제품의 내식 성능 확보 (내식성 : 720hr)
개발내용 및 결과
1. 1.5GPa급 냉연강판 거동 예측을 위한 정밀 해석기반 기술 개발
1) 1.5GPa급 초고강도강의 기계적 물성 D/B 구축
ㅇ MART1470재의 재료시험 및 기초물성 D/B 구축
ㅇ MART1470재의 탄성계수 변화 측정 및 모델화
ㅇ MART1470재의 성형한계도(FLD) 구성
▶ 1.5GPa급 냉연강판의 기계물성 D/B 구축
2) 재료 모델링 구축 및 해석 프로세스 개발
ㅇ 이동경화모델에 따른 파라미터 도출 및 스프링백 최적화 (AUTOFORM)
ㅇ Yoshida-Uemori 모델 파라미터 도출 및 스프링백 최적화 (PAM-STAMP)
ㅇ 실부품(사이드어퍼) 해석-실물 검증(AUTOFORM)
▶ 해석-실물 정합성 ±0.5mm-65%, ±1.0mm-35%
ㅇ 실부품(시트크로스) 해석-실물 검증(PAM-STAMP)
▶ 해석-실물 비교 최대 1.296mm에서 최소 0.425mm의 편차
2. 프레스 모션 및 변형제어에 따른 성형공정 기술 최적화
1) 폼 성형공정의 변형제어 스프링백 특성 평가
ㅇ 성형속도, 슬라이드 모션, 엠보싱 형상, 공정 패드압, 추가공정 적용에 따른 스프링백 특성 평가 실시
▶ 1.5GPa급 냉연강판의 폼 성형시 상부 평탄면에 엠보싱 인가하는 경우 스프링백 저감
▶ 엠보싱 형상은 1차 성형공정에서 적용하는 것이 유리
2) 폼-드로우 성형공정의 변형제어 스프링백 특성 평가
ㅇ 변형속도, 엠보싱 변형제어, 홀딩력에 따른 스프링백 특성 평가 실시
▶ 서보모션제어를 동일한 성형속도 및 블랭크 홀딩력에 드로우 공정 시작점 위치를 상승시켰을 경우 스프링백 제어에 유리
▶ 엠보싱 인가 및 드로우 시 쿠션압을 증가시킴에 따라 스프링백 저감효과 있음
3) 드로우 성형공정의 변형제어 스프링백 특성 평가
ㅇ 속도 및 홀딩력 제어, 모션 제어에 따른 스프링백 특성 평가 실시
▶ 성형속도가 증가함에 따라 스프링백 양은 감소하며 서보운동 조건에 따른 스프링백은 변화 미비
4) V-bending 시험 성형 R 반경에 따른 치수변화 특성 평가
ㅇ MART1470 강판의 굽힘성 평가
ㅇ 곡률반경 3, 5, 7, 10mm 별 스프링백 특성 평가
▶ 곡률반경 0.5mm와 1mm, 2mm와 3mm에서 크랙 발생
▶ 곡률반경이 증가할수록 스프링백 양이 증가
3. 금형 내구수명 확보를 위한 사전 수명 검증 개발
1) 금형강 열처리 및 강종별 특성평가
ㅇ 강종 별 열처리 전/후 미세조직 분석, 경도시험, 내충격 시험, 마모시험, Pin on Disc 마모시험, Ball on Disc 마모시험, Ring on Disc 마모시험, 평면(편면) 마찰시험 실시
ㅇ Strip Drawing Test : 성형시 금형 수명과 블랭크 표면에 영향을 미치는 galing 손상기구를 고찰하기 위한 시험
▶ Strip Drawing Test 20타 후 성형금형 조도 측정 결과
STD11(SPFC980)-0.115, STD11(MART1470)-0.128, K종(MART1470)-0.083
2) 금형 코팅층 특성평가
ㅇ TiAlCrN 코팅층에 대한 코팅층 경도시험, 스크래치 시험, Spiral 마모시험 실시
ㅇ 성형용 금형의 내구성 향상을 위한 CrN 및 CrWTiN+윤활 코팅(HLP) 적용 연구
- 코팅층 구조, 두께 및 성분분석, 경도시험, 밀착력시험, 스크래치 시험, 마모시험, Pin on Disc 마모시험, Ball on Disc 마모시험, Spiral 마모시험, 평면(편면)마찰시험 실시
ㅇ Strip Drawing Test를 통한 성형금형 내구성 평가
▶ Strip Drawing Test 20타 후 성형금형 조도 측정 결과
STD11+H.L.P(SPFC980)-0.08,
STD11+H.L.P(MART1470)-0.08,
STD11+CrN(MART1470)-0.23
3) 전단금형 내구성 평가
ㅇ 금형강 열처리 조건별 전단내구시험 실시
▶ STD11종 35,000타, DC53종 47,000타
ㅇ 금형강종별 전단내구시험 실시
ㅇ 전단 전용 강종(열처리 공정 최적화) 전단내구시험 실시
ㅇ 서보프레스 슬라이드 모션 적용을 통한 저진동 효과
▶ T2종 104,000타, K종 104,000타 이상
4) 피어싱 펀치 내구성 평가
ㅇ 펀치 3종에 대한 파손 및 마모도, 스크랩 버 분석
▶ T사의 "E"강종 피어스 펀치 가장 우수
4. 고속마찰 및 서보모션 제어를 통한 성형성 향상
1) Crank motion에서의 성형성 한계
ㅇ 서보프레스의 슬라이드 모션 제어를 통한 드로잉성 분석
▶ 30spm, 20spm의 경우 성형 깊이 18mm 가능
▶ 10spm, 5spm의 경우 각각 19mm, 20mm까지 성형 가능
2) Slide motion에서의 성형성 한계
ㅇ 멀티스텝 모션 적용시의 성형성 한계
▶ 펄스의 상승 높이 5mm에서 성형 우수
5. 금형 구조설계 최적화 및 표준화 기술 개발
1) AG(아슬란)차종 사이드어퍼 금형구조 최적화
ㅇ 성형공정-금형구조 연계해석 개발
▶ 상형 : 응력 133MPa, 높이[z] 방향 최대 변형량 0.115mm
하형 : 응력 590MPa, 높이[z] 방향 최대 변형량 0.420mm
ㅇ 금형 취약부 분석 및 금형 내구성 개선 설계/검증
ㅇ 다구찌 기법 활용 공정변수들의 영향력과 최적의 공정변수 예측
2) BD(K3 후속)차종 사이드어퍼 금형구조 최적화
ㅇ 성형공정-금형구조 연계해석 개발
▶ 상형 : 응력 0.8GPa, 높이[z] 방향 최대 변형량 0.06mm
하형 : 응력 0.85GPa, 높이[z] 방향 최대 변형량 0.22mm
6. 성형금형 마모수명 예측모델 개발
1) AG(아슬란)/BD(K3 후속) 금형 시험 조건 도출
2) 코팅층 기초 분석(CrN, TiAlCrN, MoS2TiCr(w)N)
3) 고하중 저속 마모 시험 실시
▶ 수직하중이 증가함에 따라 핀과 상대재간에 마찰력 증가
▶ 시험속도가 증가할수록 마모량은 감소
▶ 코팅층의 두께가 동일하다고 가정할 때 TiAlCrN 내마모성 우수
7. 성형금형 마모수명 모의금형 예측모델 개발
1) 기초 마모 예측식 구성
ㅇ 직교배열표 구성 및 마모시험 실시
ㅇ 분산분석 및 반응표면 분석 실시
ㅇ CrN 코팅의 기초마모 예측식 도출
ㅇ TiAlCrN 코팅의 기초마모 예측식 도출
ㅇ MoS2TiCr(w)N 코팅의 기초마모 예측식 도출
2) 기초 마모 예측식을 활용한 코팅층별 15만타 기준 마모깊이 도출
3) Archard wear model을 활용한 코팅층 마모 깊이 예측
▶ 완전 마모 기준 각 코팅별 타발 수
- CrN 약 15만타, TiAlCrN 약 4만타, MoS2TiCr(w)N 약 12만타
8. 1.5GPa급 초고강도강 센터플로어 앗세이 개발
1) 국내/외 부품개발 동향 조사 분석
2) AG(아슬란)/BD(K3)차종 사이드어퍼 부품 설계 및 제작
ㅇ 금형 스프링백 설계 보정, 공법 설계 및 금형 T/O
3) 사이드어퍼 부품 금형 구조검토
ㅇ 취약부 설계 변경/검증, 블랭킹 금형 취약부 개선, 피어싱버 저감 공법 적용, 성형금형 주물부 강성증대
4) 시트크로스 부품 설계 및 제작
ㅇ 금형 공법 설계 및 제작, 부품 제작 및 평가
5) 센터플로어 앗세이 조립
ㅇ 조립 모델 선정 및 부품 설계, T/O, 양산 품질검사
9. 개발 시제품 신뢰성 평가
1) 적용 소재 강도 : 목표) 1.5GPa 이상, 결과) 1.56GPa
2) 성형부품 인장강도 : 목표) 1.5GPa 이상, 결과)
사이드어퍼-1.63GPa, 시트크로스-1.59GPa
3) 성형 금형 내구성 : 목표) 150,000타, 결과) 154,534타
4) Strip Drawing Test : 목표) 100%, 결과) 100%
5) 전단 금형 내구성 : 목표) 100,000타, 결과) 100,400타
6) 치수정밀도
① 사이드어퍼 : 목표) ±0.5mm 이하, 결과) -0.3471~0.4403
② 시트크로스 : 목표) ±0.5mm 이하, 결과) -0.3852~0.3904
③ 센터플로어 : 목표) ±0.7mm 이하, 결과) -0.3252~0.2530
7) S.P.M : 목표) 10SPM, 결과) 18SPM
8) 개발 시제품 내식성 : 목표) 720hr, 결과) 720hr 만족
기술개발 배경
□ 각 국의 자동차 산업은 에너지 및 온실가스 관련 환경규제와 충돌안전 규제에 효과적으로 대응하기 위해 초고강도강판의 적용비율을 지속적으로 증대시키고 있는 추세
ㅇ 강화되는 연비기준 및 CO2 배출량을 충족하기 위해서는 자동차 중량을 감소시키는 것이 가장 효과적인 방법이며 일반적으로 차량 중량을 10% 경량화하면 5~7%의 연비향상 효과가 있음
ㅇ 경량화 요구와 상충되는 충돌안전 법규 및 상품성 규제가 지속적으로 강화되고 있어 이에 대한 적극적인 대응이 필요
- ‘스몰 오버랩’ 테스트는 차량을 40mph 속도로 달려 1.5m 높이 장애물에 운전석 앞부분 25%를 충돌시키는 시험으로 충격을 운전석에 국소적으로 집중시키며 차량 전단부 및 플로어 부에 극심한 변형을 부과하므로 높은 안전성 평가를 받기 어려움
- 환경 및 안전 규제가 계속적으로 강화됨에 따라 자동차 산업의 경량 고강도 차체 개발 경쟁은 가속화되고 있으며 자동차의 70% 이상을 수출하는 국내의 경우 강화되는 규제를 충족시키지 못할 경우 기업뿐만 아니라 국가에도 매우 큰 타격이 예상됨
ㅇ 연비향상, 배출가스 감소 및 충돌안전성 강화의 상충되는 차량개발 요구사항에 대응하기 위하여 국내외 완성차 업체에서는 고안전 경량차체 개발을 위한 노력으로 GIGA급 초고강도강판 적용 비율을 계속적으로 증가시키고 있으며 최근에는 최대 인장강도 1.5GPa급의 초고강도강판을 사용하고 있음
- 일반강을 초고강도강판으로 대체 적용할 경우 부품의 두께를 감소 및 보강재 삭제 효과가 있어 대폭적인 차체 경량화가 가능함 (차량 중량 100kg 경량화 시, 1~15km/l 연비 향상 효과)
ㅇ 1.5GPa급 초고강도강의 경우 기존 프레스성형(스탬핑, Stamping)으로는 탄성 회복량이 과다 발생하여 형상 제어가 난해할 뿐만 아니라, 급격한 단면변화를 갖는 난성형 부품을 제조함에 있어 치수공차 만족 불가, 부품 수 증대 등의 문제점을 지니고 있음
ㅇ GIGA급 초고강도강판 적용 확대에 따른 차체용 부품제조를 위해 기존 프레스 성형 공정과 함께 핫스탬핑(Hot Stamping), 롤포밍(Roll Forming) 등의 공정이 이용되고 있으나, 국내의 경우 1.5GPa급 초고강도강판 성형은 핫스탬핑 부품에만 의존하고 있음
- 핫스탬핑 부품 제조는 경화능이 우수한 보론(Boron) 강판을 900℃ 이상의 고온에서 열간성형 후 급속 냉각하는 방식으로 최종적으로 인장강도 1.5GPa급의 제품 성형이 가능하지만 성형 후 레이저 트리밍(Trimming), 피어싱 (Piercing) 등의 고가의 후가공이 필요함
ㅇ 1.5GPa급 초고강도강판은 항복강도가 높고 연신율이 최대 7~8% 미만으로 냉간 프레스성형을 실시할 경우 파단/주름 등 성형성 불량 문제, 스프링백 현상으로 인한 형상정밀도 불량, 과도한 성형하중에 의한 금형 내구수명 및 금형변형 등의 문제가 발생됨
- 초고강도강의 금형 손상 및 내구성 저하 관련한 연구는 대학 등의 연구실 단위로 수행되고 있으며, 양산공정 기준의 금형 수명, 내구예측 기법 등이 전무한 상황으로 현장에서 금형 파손/손상이 발생될 경우 생산이 중단되는 문제가 발생함
ㅇ 1.5GPa급 초고강도강판의 냉간성형을 위해서는 쿠션압 및 성형 속도 제어, 슬라이드 모션 제어 등을 통해 소재의 성형성 및 탄성회복을 제어할 수 있는 서보프레스 기술의 적용이 필수적인 대안로 요구됨
- 1.5GPa급 초고강도강 차체모듈 부품 제조를 위한 냉간 정밀 프레스 성형 기술은 핫 스탬핑과 같은 소재 및 장비의 해외 종속적인 산업구조에서 탈피하여 국내 주력산업의 기술경쟁력을 갖추고 차체 부품 시장에서 생산성 및 비용 측면의 비교우위를 점하여 국내 자동차 산업이 주도권을 확보할 수 있는 핵심 원천기술임
- 차세대 그린카용 차체부품 시장에서의 기술 선진국과의 기술격차 해소 및 주도권 확보를 위해서는 점차적으로 수요가 늘고 있는 1.5GPa급 초고강도강 적용 차체부품 냉간 정밀 성형기술을 위한 핵심기술 확보가 매우 중요함
핵심개발 기술의 의의
□ 1.5GPa급 냉연강판의 냉간성형 기술은 세계최고 수준의 냉간 프레스 성형기술로 국내에서 사용하는 핫스탬핑 공법을 대체할 수 있는 유일한 기술임
ㅇ 제조속도가 일반 고강도강판(590~780MPa급) 생산속도와 동일하게 프레스 생산이 가능하며, 후공정이 필요없어 핫스탬핑 공법 대비 약 30%의 원가절감이 가능한 기술
ㅇ 국내의 경우 1.5GPa급 냉연강판의 냉간성형 기술을 양산화한 사례가 전무하며 해외 또한 시작품 제작 단계에 있는 기술로 본 과제 기술을 통해 GIGA급 초고강도강판 차체부품 성형기술의 선두진입이 가능한 기술임
적용 분야
□ 1.5GPa급 냉간성형기술은 기존 핫스탬핑 부품의 형상설계 최적화, 공법 개선을 통해 모든 부위에 대체 적용이 가능
ㅇ RAIL-ROOF CTR, EXTN RR FLR RR, RR FLR SIDE FR, CTR PLR INR, FR SEAT RR, FR SEAT FR, CTR FLR SIDE UPR, FRT SIDE RR LWR, DASH CROSS, FRT PLR OTR, FRT PLR INR, SILL SIDE INR, FRT OTR UPR, ROOF SIDE OTR
□ 상용차, 특수차, 항공, 선박에 적용이 가능
(출처 : 초록 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 최종보고서 초록 ... 3
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 24
- 목차 ... 31
- 제 1 장 서론 ... 32
- 제 1 절 과제의 개요 ... 32
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 46
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 46
- 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 52
- 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 58
- 제 4 절 수행결과의 보안등급 ... 93
- 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 93
- 제 3 장 결과 ... 94
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 94
- 1. 연구개발 추진 일정 ... 94
- 2. 연구개발 추진 실적 ... 100
- 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 전체를 기재 ... 441
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 446
- 제 3 절 고용 창출 효과 ... 458
- 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 459
- 제 4 장 사업화 계획 ... 465
- 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 465
- 제 2 절 사업화 계획 ... 469
- 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획 ... 473
- 끝페이지 ... 474
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