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2019년 2월 석사학위 논문

자동차 부품의 AL6016 성형성 및 SPRING BACK 분석을 통한

품질 개선

조선대학교 대학원

용접·접합과학공학과

이 행 진

자동차 부품의 AL6016 성형성 및 SPRING BACK 분석을 통한

품질 개선

Quality improvement through analysis of AL6016 forming and SPRING BACK of automotive parts

2019년 2월 25일

조선대학교 대학원

용접·접합과학공학과

이 행 진

자동차 부품의 AL6016 성형성 및 SPRING BACK 분석을 통한

품질 개선

지도교수 방 희 선

이 논문을 공학 석사학위신청 논문으로 제출함

2018년 10월

조선대학교 대학원

용접·접합과학공학과

이 행 진

이행진의 석사학위논문을 인준함

위원장 조선대학교 특임교수 방한서 (인) 위 원 조선대학교 교수 방희선 (인) 위 원 조선대학교 조교수 손윤철 (인)

2018년 11월

조선대학교 대학원

CONTENTS

List of Figures · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Ⅲ List of Tables · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Ⅳ Abstract · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Ⅴ

1장. 서론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1

1.1 연구 배경 및 목적 ··· 1

2장. 기본 이론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6

2.1 프레스 금형의 이해 ··· 6

2.2 프레스 금형의 원리와 특징 ··· 8

2.3 자동차용 알루미늄합금의 특징 ··· 10

2.4 판재의 성형해석 ··· 11

2.5 프레스 금형 및 제품의 모델링 ··· 11

3장. 연구 방법 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 12

3.1 연구 방법 ··· 12

3.2 연구 내용 ··· 13

3.2.1 실험재료 ··············································································· 13

3.2.2 실험방법 ··············································································· 14

3.2.3 실험장비 ··············································································· 15

3.2.4 성형해석 ··············································································· 17

3.2.5 실험형상 및 소재사이즈 ··················································· 19

3.2.6 금형제작 ··············································································· 19

3.2.7 실험조건 ··············································································· 21

4장. 결과 및 고찰 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 22

4.1 성형성 해석의 결과 및 고찰 ··· 22

4.2 성형해석으로 본 FLD 분석 ··· 23

4.3 Al6016 성형 조건 ··· 25

4.4 Al6016 성형 결과 ··· 26

4.5 SPRING BACK 해석결과 ··· 27

4.6 SPRING BACK 보정치 적용 ··· 28

4.7 3차원 CMM 측정을 통한 보정 결과 분석 ··· 31

5장. 결론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 35

참고문헌 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 36

List of Figures

Fig. 1.1 The Trend of Aluminum in the Automotive Industry ···3

Fig. 1.2 Expanding the application of aluminium to automotive parts ···4

Fig. 1.3 Global Vehicle Lightening Status ···4

Fig. 2.1 Drawing Press Molding Principle and Structure ···8

Fig. 2.2 Virtual Simulation System ···11

Fig. 2.3 Press mold design & DIE structure ···11

Fig. 3.1 Hood OTR draw model ···14

Fig. 3.2 Hood OTR Draw die MODEL ···14

Fig. 3.3 1500ton Mechanical Press of DP-1500 ···15

Fig. 3.4 3D Shape Meter of TORO 40.16.21 ···16

Fig. 3.5 Autoform`s Virtual bead and material Set-up system ···17

Fig. 3.6 Autoform's Virtual Molding Pressure Set-up System ···18

Fig. 3.7 Hood OTR blank size designe ···19

Fig. 3.8 A molded section designed like a press ···20

Fig. 3.9 Upper die Design of the Air Vent Hall of the Dies ···20

Fig. 4.1 Simulation of HOOD OTR Formal Analysis ···22

Fig. 4.2 FLD data After Simulation Before Forming 10mm ···23

Fig. 4.3 FLD data After Simulation Forming close ···24

Fig. 4.4 Molding and Die sporting Conditions ···25

Fig. 4.5 Panel to determine material change ···26

Fig. 4.6 Result of HOOD OTR Spring back Molding Analysis ···27

Fig. 4.7 Seat and Section with Calibration ···28

Fig. 4.8 Spring back Approximate ···29

Fig. 4.9 Zebra-patterned skin curve ···30

Fig. 4.10 Comparison of measured values before and after modification (1) 31 Fig. 4.11 Comparison of measured values before and after modification (2) 32 Fig. 4.12 Final shape improvement figure graph ···34

List of Tables

Table. 1.1 Future Development Direction of Major Mold Related Technologies

···2

Table. 1.2 A Case Study on the Lightening of Vehicle Parts and the Rate of Lightening ···5

Table. 2.1 Average pressure of blank holder on various materials ···9

Table. 2.2 Types and Mechanical Properties of Aluminum Alloy Plate for Automotive Body ···10

Table. 3.1 Chemical compositions and mechanical properties of Al6016 HA2 13 Table. 3.2 Specification of DP-1500 ···15

Table. 3.3 Specification of TORO 40.16.21 ···16

Table. 4.1 Material Thickness Dimension ···26

Table. 4.2 Calibration Measurement Results(1) ···31

Table. 4.3 Calibration Measurement Results(2) ···32

Table. 4.4 Comparison dimension by 11 points ···33

Table. 4.5 Final shape improvement figures ···34

ABSTRACT

Quality improvement through analysis of AL6016 forming and SPRING BACK of automotive parts

Lee, Haeng-jin

Advisor : Prof. Bang, Hee-Seon, Ph.D.

Department of Welding and Joining Science Engineering,

Graduate School of Chosun University

Mold refers to a product frame made using metal materials to mass produce the same standard of products, which are called 'tree' or 'type' as tools for producing the products, using the composition, annuity and liquidity of the materials. The mold industry is based on IT and electronics, as well as on the development of the automobile manufacturing industry in particular, and technology development is being carried out centering on the high value added mold. Based on the know-how of design and production, the global mold market is actively developing special mold, precision mold, and multi-process composite gold. These mold industries are gradually shifting to variant and variant production methods according to customer needs, and new mold demand is increasing as the frequency of model replacement in various fields is shortened and diversified. The fact that advanced countries are actively supporting the development of new technologies in the next generation of molds in order to strengthen the foundation of the mold industry, as well as standardization, standardization, and the tooling of new materials are also highly significant in the development of the mold

industry. In addition, mold processing technology, mold design technology, new material molding technology, and analytical technology are being transformed into converged technologies that are integrated with IT industry. In addition, the company needs to actively respond to these trends and continuously improve the high quality, high-speed processing, and high-precision of molds. Due to these changes, the development of special, precision, and multi-process composite molds and the enhancement of competitiveness in the form and quality of products resulting from these molds are also important tasks.

The high value added of the mold manufacturing industry is a core task for all industries, and the need for mold development is expected to increase further, making the quality and performance of all products produced in the mold could directly affect the pricing of the finished product, not the people that would affect the short-term production of the mold industry and the high-quality fixation of the mold. As a representative related industry, it is necessary to pay attention to the automobile. The automobile industry is strengthening its competitiveness by introducing IT to all processes for manufacturing molds, enhancing productivity of molds and improving customer service for domestic and export of molds, and promoting 3D simulation technology, 3D training technology, and global real-time quality management in R&D and production. It is expected that cooperation with small and medium-sized parts manufacturers in IT, electricity, and chemistry will further expand, and that technology will be secured in complex mold technology fields in order to produce parts.

The development of high-quality, high-quality, high-precision PNLs can become a global issue as it shifts to convergence technologies combined with the IT industry, such as mold design and processing technologies, simulation technologies, and new material molding and measurement technologies.

On the other hand, continued research on high fuel economy and high light weight is being carried out to support the mold industry, but recent developments in electric vehicles have shown a tendency to increase the weight of vehicles due to batteries and electric engines. Due to this problem, the use of high-strength steel and aluminum alloy materials is currently making the body lighter.

제1장 서 론

1.1 연구배경 및 목적

금형(金型, Die&mold)은 재료의 소성, 전영성, 유동성 등의 성질을 이용하여 재 료를 가공성형, 제품을 생산하는 도구로 ‘틀’ 또는 ‘형’ 이라 불리우며, 기술 적 의미에서 금형이란 동일규격의 제품을 대량으로 생산하기 위하여 금속재료를 사용하여 만들어진 제품 틀을 말하는 것이다. 금형산업은 IT 및 전자제품 뿐 아니 라 특히 자동차 제작의 산업의 발전에 따라 수요가 커지는 기반으로 하는 산업이 며 현재 고부가가치 금형을 중심으로 기술개발이 이루어지고 있으며, 이러한 세계 적인 금형시장은 설계 및 제작의 노하우를 바탕으로 각기 다른 종류별 설계기준이 적용된 시스템을 구축하고 있고, 특수금형, 정밀금형, 다공정&복합금형 등의 개발 이 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 금형산업은 고객의 요구에 따라 변종, 변형 생산방식으로 점차 전환되고 있으며, 여러 분야의 모델의 교체주기가 짧아지고 다 양화되면서 금형의 새로운 수요들도 증가하고 있는 추세이다. 금형 선진국들이 금 형산업의 기반을 강화하기 위해 차세대 금형개발 분야의 신기술 개발지원은 물론, 기반기술의 표준화, 규격화, 신소재의 금형적용 등도 적극적으로 추진하고 있는 점은 현 시대에 금형산업발전에 이바지하는 바가 크다. 그리고 금형의 가공기술 및 금형의 설계기술, 신소재의 성형기술, 해석기술 등이 IT산업과 접목되어 이러 한 융합 기술로 전환이 되고 있는 추세이며 이러한 추세의 변화에 적극적으로 대 응하면서 금형의 고품질, 고속가공, 고정밀화를 지속적으로 제고할 필요가 있다.

이러한 변화에 따라 특수금형, 정밀금형, 다공정&복합금형의 개발 및 이러한 금형 에 따른 제품의 성형 및 품질에 대한 경쟁력 강화도 중요한 숙제라 볼수 있겠다.

금형 제조산업의 고부가가치화는 모든 산업분야의 핵심과제가 되고 있으며 금형 육성의 필요성은 더욱 증가할 것으로 예상되며 이에 금형에서 대량 생산되는 모든 제품의 품질과 성능은 전 세계적으로 금형산업의 단시간 제작 및 고품질의 정착을 좌우할 분 아니라 완성된 제품의 가격결정에도 직접적인 영향을 미칠 수 있는 부

분이 되었다. 대표적인 관련 산업으로는 자동차산업을 주목할 필요가 있다. 자동 차 산업은 전세계적으로 모든 자동차 금형 제조공정 과정에 IT를 도입해 금형 품 질 및 금형의 생산성 향상, 금형 내수 및 수출에 대한 고객서비스 제고로 경쟁력 을 강화하고 R&D의 연구와 생산부문에서는 3D 시뮬레이션 기술, 3D 스케닝 기술, 글로벌화 된 실시간 품질관리시스템 등도 추진되고 있다. IT 전기, 화학 등 이종 산업에 속해있는 중소 및 중견기업의 부품업체와의 협력화가 더욱 확대될 전망이 며 부품생산을 위해 다금형&복합 금형 기술 분야에 대한 조기 기술 확보가 가속화 될 것으로 보인다.

신소재, 고정밀, 특수 금형의 개발로 금형의 설계 및 가공기술, 시뮬레이션 기 술, 신소재 성형 및 성형성과 이를 뒷받침 해줄 측정 기술 등, 이와 같이 IT 산업 과 접목된 융합 기술로 전환되면서 금형 및 성형PNL의 고품질, 고정밀화가 세계적 인 이슈가 될 수 있다.

Table. 1.1 Future Development Direction of Major Mold Related Technologies

한편, 이런 금형산업을 뒷받침 해주는 경량화가 적용된 자동차 개발을 위하여 고 연비, 고 경량화에 대한 지속적인 연구가 진행되고 있기는 하지만 최근 전기차 개 발로 인해 밧데리 및 전기식 엔진 등으로 인해 차량의 무게가 더욱 증가 되는 경 향을 볼 수 있다. 이러한 문제로 인하여 현재 특수강 및 고장력강 사용, 알루미늄

합금 소재의 사용으로 차체 경량화를 실현시키고 있는 추세이다.

차량경량화를 위해 알루미늄, 마그네슘 합금 및 초고장력강, CFRP 등의 소재를 사용하고 이와 같은 비철금속 등의 소재들을 혼용하여 FSW등을 적용한 다양한 자 동차 부품의 최적화 설계를 통한 차체 중량의 감소를 목표로 한 다양한 연구 활동 을 진행 하고 있으며 이러한 차량 경량화기술이 전 세계적으로 주목받고 있는 이 유는 이러한 경량화가 차량운행에 물질적 부담이 되는 연비 개선에 큰 힘을 주고 있기 때문이다. 이에 따라 각 나라의 자동차 회사들에서는 차체에 적용되는 알루 미늄합금 및 비철금속, 강화 플라스틱 등의 비율을 높이고 있는 실정이며 그 중 알루미늄합금은 비철금속중 성형성, 열전도율, 비강도가 높고 고장력강과 같이 자동차 산업에서의 사용량이 매우 높다. 하지만 일반 자동차용 철강소재에 비해 성형성이 우수하지 않으며 강도가 상대적으로 낮으나 리사이클성이 좋아 주로 자 동차의 외판이나 섀시 또는 엔진용 부품 측에 많이 사용되며 이로써 최근에 점점 적용이 확대되어 가는 추세로 보인다.

Fig. 1.1 The Trend of Aluminum in the Automotive Industry

Fig. 1.2 Expanding the application of aluminium to automotive parts

Fig. 1.3 Global Vehicle Lightening Status

이러한 다양화 된 자동차 부품 경량화에 따른 자동차 부품의 품질 문제점을 해 결하기 위한 방안으로 본 연구에는 기 적용중 소재인 알루미늄합금(AL6016)에 대 한 프레스 금형으로 판재의 성형성 및 S/BACK 해석기술을 사용 함으로써 초기 비 용 및 제작 및 개발기간 단축으로 알루미늄합금의 초기 품질 확보가능성을 연구 해보고자 한다. 본 실험에서는 자동차 산업에 적용되는 두께 0.95mm의 알루미늄합 금(AL6016) 성형성과 S/BACK 분석을 통한 품질 확보 가능성을 평가하고자 하며 최 적의 조건을 선정 후 알루미늄합금에 대한 성형품질 확보 및 S/BACK 분석을 통해 서 기계적 성질, 금속학적 특성평가를 진행하여 납기단축, 제작 원가 절감, 초기 고품질 확보진행에 어려움이 없을 것으로 판단 할 수 있겠다.

Table. 1.2 A Case Study on the Lightening of Vehicle Parts and the Rate of Lightening

제 2 장 기본 이론

2.1 프레스 금형의 이해

본 논문의 연구 내용을 이해하기 위해 간단하게 용어에 대해서 알아보겠다. 먼 저 드로우 다이(DRAW DIE)란 DRAWING DIE라고도 불리우며 BLANK HOLDER, PUNCH, UPPER로 구성되어 있으며 BLANK를 투입하여 원하는 제품형상으로 성형하는 DIE를 말한다. 그리고 블랭크홀더(Blank holder)는 DIE FACE라고 불리며 DRAWING 금형의 일부분으로 하형(LOWER DIE)의 구조로써 BLANK를 HOLDING하는 면으로 일명 주름억 제면 이라고도 하며 성형 시 재료의 유입을 조절하는 면이다.

펀치(PUNCH)도 마찬가지로 DRAWING 금형의 일부분으로 하형(LOWER DIE)의 구조 로써 HOLDING 되어있는 재료를 상형(UPPER DIE)과 함께 실제로 제품을 성형하는 형상 면이다.

비드(BEAD)는 DIE FACE면(BLANK HOLDER) 내에 설치되는 좁고 긴 돌기 형상으로 DRAWING 금형에 존재 하며 NEGA타입과 POSI타입의 방향에 따른 구조가 있으며 성 형 시 BLANK HOLDING POWER를 높이며 재료의 FLOW량을 조정하는 것이며 종류로는 원형비드, 각비드, STEP비드 등이 있다.

스프링백(SPRING BACK)이란 재료의 두께 내 응력 변형 분포의 불균일에 따라 생 기는 현상으로 성형부의 곡률 반경 각도가 성형 방향으로 되돌아 가는 것을 말한 다. 단축어로 S/BACK으로 표현하기도 한다. 스프링고(SPRING GO)는 재료의 두께 내 응력 변형 분포의 불균일에 따라 생기는 현상으로 Spring Back과 다르게 성형 부의 곡률 반경각도가 성형의 반대 방향으로 돌아가는 것을 말하며 작업 각도 보 다 판넬의 변형 및 응력의 변형으로 인해 줄어드는 것을 말한다.

보정치(Correction)는 금형을 제품 상태대로 만들어 성형하게 되면 SPRING BACK 또는 SPRING GO등의 영향으로 제품 상태로 동일하게 나오지 않는다. 이를 방지하 고자 초기에 미리 변형량을 예상하여 금형 제작 시 반영을 하면 성형 후 원하는 제품을 얻을 수 있는 실질적 수정작업을 의미한다. 이때 적용하는 예상 변형량을 보정치라 한다.

다이스포팅(Die Spotting)은 형합 이라고도 하며 간단하게 형대형 즉 상형과 하 형의 맞춤작업을 의미하는데 정확한 의미로는 NC가공 후 금형의 미세한 오차를 판 단하여 사상 작업을 통해 거칠기를 완화시키고 다이 간 재료의 두께를 확인하며 정상적으로 프레스에서 작업 할 수 있게 각 금형 공정의 제품 생산 전에 하는 작 업을 말한다.

2.2 프레스 금형의 원리와 특징

프레스 금형이란 금속으로 된 형을 사용하여 판상의 재료를 이용하여 원통형 또 는 반구형 또는 제품모양을 딴 이형의 형상을 상하 운동하는 슬라이드가 달린 프 레스에서 성형하는 금형을 말한다. 프레스 금형은 상형(UPPER DIE) 하형(LOWER DIE)를 기본적으로 사용하며 성형을 하는 드로잉(DRAWING) 프레스 금형의 일반적 인 구조는 상형(UPPER DIE) 하형(PUNCH % BLANK HOLDER)의 구조로 되어있으며 하 형(LOWER DIE)에 포함된 BLANK HOLDER에 판상의 재료를 놓고 강한 압력을 가하여 하형(LOWER DIE)의 PUNCH 및 상형(UPPER DIE)으로 성형하는 구조의 형틀이다.

Fig. 2.1 Drawing Press Molding Principle and Structure

일반적인 프레스 금형의 성형 기법으로 프레스 볼스터 내측에 장착되어져 있는 쿠션핀 장치의 상하 작동에 의해 BLANK가 BLANK HODER에 안착될 수 있게 PUNCH 위 로 올라와 프레스의 슬라이드 작동으로 상형(UPPER DIE)이 BLANK HLODER를 잡고 PUNCH 성형을 시키는 구조 이며 볼스터 내측에 장착되어있는 쿠션핀을 지지하고 있는 쿠션패드의 압력조정을 통해서 BLANK HOLDER의 HOLDING력을 조정 하게 된다.

자동차 부품 드로잉은 이형으로 성형되기 때문에 성형방향 즉 PUNCH 방향으로 수축시키려는 압축응력이 발생하므로 주름발생의 원인이 되며 이런 압축력 제어를 위해 일반적으로 자동차 프레스 성형 금형에는 BLANK HOLDER에 BEAD라는 판재의 유입억제 형상을 넣게 되며 BLANK HOLDING력(BHF) 및 유입을 조정하는 힘이 필요 로 한다.

블랭크 홀딩력(BLANK HOLDING FORCE(BHF))이란 판재를 고정해주는 힘 즉, 판재 를 고정하여 주름 발생을 방지 하고 판재의 연신율을 제어하는 역할을 한다. 예를 들어 BHF가 약하면 주름이 발생률이 높고 BHF가 강하면 판재의 유입억제에 따른 주름 발생률이 낮은 반면 연신율이 늘어나 NECK or CRACK 발생 확률이 높아 지게 된다. 자동차 부품 금형의 블랭크 홀딩력은 일반적으로 최대드로잉하중의 20% 전 후로 선정하거나 간단하게 면압을 이용하여 하중 계산식으로도 계산할 수 있다.

BHF = A X q, A = B/H 면적, q = 단위면적당 B/H 압력

Table. 2.1 Average pressure of blank holder on various materials

2.3. 자동차용 알루미늄합금의 특징

알루미늄합금은 Mg를 더하여 강도 및 성형성을 보강하였다. 그리고 자동차용 알 루미늄 합금 판재에는 주로 5000계열(Al-Mg), 6000계열(Al-Mg-Si) 합금이 주로 사 용 되는데 5000계열은 프레스 드로잉 성형 시 표면에 스트레인 마크가 발생하여 주로 내판으로 사용되며 외판재로는 강성과 내덴트성이 요구되는 차체의 외판으로 는 비교적 강도와 성형성이 높고 200도의 온도에서 표면도장성이 뛰어나고 소부경 화 처리 후 강도가 향상되는 6000계열 합금이 사용 되고 있으며 재활용성이 좋아 내판까지도 두루 적용이 가능하다고 한다. 아래 표에서는 지금까지 개발되어 자동 차에 상용화 되어있는 대표적인 알루미늄합금의 종류와 기계적 특성에 대하여 나 온 자료 이다.

Table. 2.2 Types and Mechanical Properties of Aluminum Alloy Plate for Automotive Body

2.4. 판재의 성형해석

판재가 네크, 크렉, 주름의 과다 또는 소성변형이 일어날 수 있는 부분에 대해 프로그램을 이용하여 분석하여 해당 판재의 성형의 적합성을 평가 하고 이를 규명 하는데 사용하며 프로그램에 정보를 입력하고 성형해석을 통해 FLD결과를 도출하 여 분석하여 성형하고자 하는 형상에 대하여 가상으로 재현하는 시뮬레이션 실험 이다.

Fig. 2.2 Virtual Simulation System

2.5. 프레스 금형 및 제품의 모델링

일반적으로 프레스 금형은 가이드포스트나 힐 가이드를 이용한 가이드 형식의 금형을 설계하여 사용하며 일반적으로 UG의 NX 프로그램 또는 CATIA등의 프로그램 을 이용하여 금형의 모델링을 진행한다.

Fig. 2.3 Press mold design & DIE structure

제 3 장 연구 방법

3.1 연구 방법

1장에서는 연구 배경 및 목적에 대하여 나타내었다.

2장에서는 본 논문의 구성을 보다 기본이론을 통하여 이해하기 쉽게 설명해 놓았 다. 일반적인 자동차 부품을 생산하는 금형을 이해하기 위한 정보 및 프레스 금형 구조, 프레스 금형의 특징을 알아보고 알루미늄 합금인 AL6016의 성질 및 특성을 알아보았다.

3장에서는 이번 연구에 사용한 실험재료인 Al6016 HA2 성분 및 특성을 고찰하고 실험방법, 각종 실험장비, 및 검사장비, 금형의 제작까지의 연구에 필요한 내용을 기술하였다.

4장에서는 Autoform R7.0 프로그램을 이용한 알루미늄 합금 Al6016에 대한 성형성 고찰, S/BACK 보정치에 의한 개선방향 고찰 및 CMM 3차원 측정기의 chorus CAD 프 로그램을 이용하여 이를 측정하고 Spring BACK 및 Spring GO에 대한 보정의 결과 를 도출 하였다.

5장에서는 실험완료 후 결론을 서술하였다.

3.2 연구 내용

3.2.1 실험 재료

본 연구에 사용된 판재는 Al6016 HA2 0.95mm 알루미늄합금을 사용 하였고 이는 Al-Mg-Si 계열의 소재로 Al, Si, Fe, Cu, Mn, Mg, Cr, Zn, Ti등이 첨가되어 있으 며 내덴트성, 성형성이 뛰어나 외판 성형에 적합한 재료로 내판의 용도로도 사용 되고 있다. 마그네슘이 첨가 됨으로써 강도와 성형성이 적합하며 파단연신율도 좋 아 현재 국 내외 자동차용 외판재로 많이 사용하고 있는 재질이다.

아래 Table.3 은 이번 연구에서 사용된 알루미늄 합금 Al6016 HA2의 화학성분 함 유량과 기계적 물성치를 나타낸 표이다.

Table. 3.1 Chemical compositions and mechanical properties of Al6016 HA2

3.2.2 실험 방법

자동차의 외판인 HOOD OTR 드로우 모델링을 성형 해석을 통한 분석을 위해 CATIA V5를 이용하여 제품 DATA 기준 DRAW 모델링을 진행 하였다. 블랭크 홀더 측에 비 드(BEAD)는 R10, H:6mm 로 설정하였고 성형 시 제품 내에 발생 되는 주름 억제를 위해 성형 깊이가 깊은 곳 및 주름 예상 부위에 더블비드를 설정 하였다. 제품 상 단을 마스터 설정을 하고 금형의 상형과 하형에는 판재 두께인 0.95mm의 GAP을 주 어 원활한 제품이 성형 될 수 있는 조건으로 모델링 하였다.

Fig. 3.1 Hood OTR draw model

Fig. 3.2 Hood OTR Draw die MODEL

3.2.3 실험장비

가. 프레스

본 실험에서는 알루미늄 합금 Al6016의 성형성과 스프링백 DATA 분석을 위해 Hwail사의 DP-1500 1500ton Press를 사용하였으며 이는 양산형 PRESS가 아닌 TRY OUT PRESS로 MECHANICAL PRESS 이다. 다이쿠션의 최대 사용압력은 280톤이며, 최 대 성형력 1360톤의 가지고 있다. 이에 관련된 제원은 Table.4와 같다.

Table. 3.2 Specification of DP-1500

Fig. 3.3 1500ton Mechanical Press of DP-1500

나. 측정 장비

형상 측정에는 3차원 CMM측정기를 사용했으며 Φ2의 원형 프로브로 제품모델링을 프로그램에 입력하여 여러 방면의 각도에 따라 제품을 측정하는 기계로써 Hexagon Metrology 사의 TORO 40.16.21 모델의 장비를 사용하였으며 해당 검사 장비 내 프 로그램은 Chorus CAD를 이용하여 측정한다. 제원은 Table. 6 과 같다

Table. 3.3 Specification of TORO 40.16.21

Fig. 3.4 3D Shape Meter of TORO 40.16.21

MODEL TORO-40.16.21

Measuring Range 3000X2000X2000h

Controller FB-ll

Probe PH10-M / TP-20

MAKER Hexagon

3.2.4 성형해석

자동차 부품 판재의 성형에 있어서 블랭크 SIZE 및 비드 설정 조건은 매우 중요 한 변수 중 하나이다. Fig.13는 본 연구에서 사용된 비드 설정을 나타낸 것이다.

HOOD OTR의 블랭크홀더의 홀딩력(BHF) 및 주름 발생 최소화로 인한 모델링과 마찬 가지로 비드(BEAD)는 R10, H:6mm 로 해석설정, 성형해석 프로그램인 Autoform R7.0을 사용하여 재료는 Al6016 재질로 Table.3에 나와있던 물성치를 적용 하여 FLD 선도를 파악하고 주름 발생 및 파단 예상부를 시뮬레이션을 하였다.

(a) Bead setting simulation (b) matrial impomation setting sheet

Fig. 3.5 Autoform`s Virtual bead and material Set-up system

프레스 금형의 성형해석 및 실제 성형에서의 주요변수는 블랭크 홀딩압, 펀치압, 메인 압, 프레스 슬라이드 회전속도(SPM) 등이 있다. 본 연구에서는 Al6016의 성 형해석 후 실 성형 시 판재가 해석과 일치하는지의 영향을 고찰하기 위하여, 해석 과 실제 성형 조건을 같게 만들어 성형실험을 진행하였다.

먼저, 성형해석 툴인 AUTOFORM 프로그램을 사용하여 블랭크홀딩압력(180TON, 약 1765.2KN), 펀치압력(150TON, 약1463.4KN), 메인압력(약 330TON, 3228.5KN)으로 설정하였다. 설정 내용은 Fig.14와 같다.

Fig. 3.6 Autoform's Virtual Molding Pressure Set-up System

3.2.5 실험형상 및 소재사이즈

본 연구에서 사용된 외판적용 파트는 R사의 자동차 부품인 HOOD OTR 외판 부분 의 파트로써 비드 추가 부분을 감안한 소재 사이즈는 Fig.15와 같이 제품사이즈보 다 큰 1280 X 1770을 사용 하였으며 CROP부 “R”값은 제품 “R”과 유사한 1500 으로 설정했다.

Fig. 3.7 Hood OTR blank size design

3.2.6 금형 제작

드로잉 금형에 알루미늄합금을 적용할 금형을 Fig.16 과 같이 제품 및 생산 할 수 있는 프레스의 슬라이드, 볼스터 기준으로 금형 사이즈를 결정 하여 설계하고 주물 재질은 FCD300 계열을 사용하였다. 그리고 대형 머시닝 기계를 이용하여 상

형, PUNCH, BLANK HOLDER를 형상가공을 진행 하였다. 그리고 형상 내부에 에어가 투입이 되어 형상 변형을 방지 하고자 상형(UPPER DIE)에 Fig.17과 같이 에어벤트 홀을 추가로 가공 하였다. 특히 외판의 경우 알루미늄 합금재 뿐아니고 일반, 고 장력등의 강판도 마찬가지로 에어에 의한 변형이 많기 때문에 에어벤트 홀은 반드 시 성형에 영향을 미치지 않는 비 성형부에 가공을 하는 것이 가장 중요하다.

Fig. 3.8 A mold section designed like a press

Fig. 3.9 Upper die Design of the Air Vent Hall of the Dies

3.2.7 실험조건

이 실험에서는 해석의 정확성 검증을 위해 모델에 맞는 금형을 제작설계 하고 그 금형을 사상(polishing) 즉, 판재의 재료T가 정확하게 맞는지 가공 후 형 내 의 판재 두께 작업이 정확하게 되었는지 검증을 한 다음 추가 맞춤 사상 작업을 하고 조건을 성형해석과 비슷하게 만든다. 그리고 TRY OUT을 해보았다. 여기서 우 리는 간단하게 금형 제작 방법 및 TRY OUT을 진행하기까지의 과정을 한번 보겠다.

최종 실험하기 전까지의 과정은 초기 LAYOUT의 작성부터 TRYOUT의 전까지 내용이 다 여기서 집중적으로 다룰 부분은 시뮬레이션 즉, 성형해석 단계이며 TRY OUT 후 측정하여 결과 고찰하는 순서로 진행 되겠다.

제 4 장 결과 및 고찰

4.1 성형성 해석의 결과 및 고찰

본 연구에서 수행한 알루미늄합금 Al6016의 성형 해석 결과를 토대로 성형성을 검증 하였다. Fig.18의 그림에서 성형 공정의 초기 블랭크 홀딩상태에서부터 Close 상태까지 프레스 스트로크 별 성형과정이 보여 지고 있으며 이에 따른 주름 및 소재두께의 변화량까지 나타 내주고 있다. -10mm 전부터 하단 코너부 L/R 쪽과 사이드 비드 쪽의 L/R 동일부에 재료t 변화가 일어났으며 완성형 후에도 –10mm 보 다 약간 더 얇아지기는 하지만 거의 비슷한 조건을 보이고 있다.

Fig. 4.1 Simulation of HOOD OTR Formal Analysis

4.2 성형해석으로 본 FLD 분석

가: 해석상 –10mm전

FLD(Foming Limit Diagram)는 성형한계도라 칭하고 이에 대한 해석결과 인장은 Fig.19에서 보이는 것과 같이 –10mm부터 일어 났으며 주로 PUNCH 형상에서 급변 하는 코너부 및 제품 깊이가 깊으며 측벽 형상이 있어 유입 억제를 시켜주는 블랭 크 홀더 비드 측에서 재료T의 변화가 일어났다. FLD 시트에서 보이는 것과 같이 안전구간에는 있으나 소재두께의 변화가 많이 일어난 구간이 블랭크 홀더 측 SIDE 부 L/R가 인장 변화를 많이 일으킨 것으로 볼 수 있다.

Fig. 4.2 FLD data After Simulation Before Forming 10mm

나: 해석상 최종 CLOSE 상태의 분석

해석결과 CLOSE 상태의 두께변화는 Fig.20 에서 보이는 것과 같이 –10mm과 같은 곳에 두께변화가 일어났으며 측벽 형상이 있어 유입 억제를 시켜주는 블랭크 홀더 비드 측에서의 두께변화가 일어났다. Fig.16에서 보면 추가로 FLD에서 보이는 것 과 같이 안전구간에는 있으나 두께변화가 많이 일어난 구간이 SIDE부 L/R 쪽으로 두께변화를 많이 일으킨 것으로 실 성형 시 NECK나 CRACK의 위험도를 한번 확인 해 볼 수 있는 것으로 판단된다. 수치적으로는 PUNCH 형상 코너 부 MAX: 0.278, MIN: -0.168), 블랭크홀더면 사이드 부 MAX: 0.285, MIN: -0.164 로 나왔다.

Fig. 4.3 FLD data After Simulation Forming close

4.3 Al6016 성형 조건 (소재T: 0.95mm)

본 연구에서 수행한 성형해석을 토대로 Al6016 의 성형성 및 두께변화 수치를 직접적으로 확인 해보았다. 이러한 특성을 고찰하기 위해 최적조건을 선정하기 위 한 TRY OUT 이전에 블랭크홀더 & 상형 형상과 PUNCH측이 국부적으로 소재T보다 GAP이 넓거나 좁거나 하는 조건이 있나 사전 사상 작업 및 다이스포팅을 진행하였 다. 프레스 슬라이드 속도(SPM)는 15로 설정 하였으며 성형해석에 적용한 블랭크 홀딩력, 펀치파워, 최종 성형압을 일치시켜 Fig.21 과 같이 작업을 하였다.

Fig. 4.4 Molding and Die sporting Conditions

4.4 Al6016 성형 결과

자동차에 적용하는 Al6016의 파단 연신율은 약 28%정도 이며 실 판넬의 두께 변 화의 안전구간은 소재두께의 최대 25% 이내로 보고 있으며 최소 20%로 보고 있다.

실 판넬 성형 결과 해석과 동일한 부위에 실질적으로 두께변화가 많이 일어났으며 Fig.22 에 1번 펀치의 형상은 성형해석과 대비하여 2%이내의 오차가 있다는 것을 알 수 있었으며 2번 부위는 해석에서 1번부 보다 두께변화가 더 심할 것으로 판단 했는데 실제 성형된 판넬에서는 블랭크홀더 측에 있는 면압이나 거칠기의 차이로 비드 유입이 일어나 두께변화의 효과를 덜 본 것으로 확인 되었다. Table.6의 1번 부위인 c가 MAX: -0.267, 2번 부위인 b가 -0.224 의 소재 두께변화가 일어났으며 이는 마이크로메터를 이용해 측정하였다. 이와 같은 실험을 통해 구조상 펀치 형 상 내 두께변화의 비교수치는 성형해석 상태와 거의 유사함을 알 수 있었고 블랭 크 홀딩력을 조정하는 블랭크홀더 구조에는 비드 및 다이페이스의 사상의 정도에 따라 유입조건이 변하여 소재의 두께변화에 영향을 미칠 수 있다는 것을 볼 수 있 었다.

Table. 4.1 Material Thickness Dimension

Fig. 4.5 PNL to determine material change

① ②

a 0.815 0.704

b 0.782 0.683

c 0.726 0.697

d 0.803 0.716

4.5 SPRING BACK 해석 결과

Al6016의 성형성은 좋으나 성형 후 일반 스틸 판재 대비 변형양이 많다. 이러한 이유로 이 판넬을 스프링 백(SPRING BACK) 해석을 통해 나온 결과를 Fig.23과 같 이 관찰하였다. MIN : -7.149, MAX : 1.973 의 수치가 나왔다. 분석결과 가운데 오목구간과 볼록 구간이 만나는 구간은 녹색의 수치 “0”에 가까운 수치를 보였 으며 오목부에는 (-) 수치인 스프링 고(SPRING GO)의 경향이 보여지고 있으며, 서 변 되어지는 볼록 부분에는 (+) 수치인 스프링 백(SRING BACK)의 경향이 보였다.

Fig. 4.6 Result of HOOD OTR Spring back Molding Analysis

4.6 SPRING BACK 보정치 적용

Fig. 18처럼 나온DATA를 바탕으로 형상 SPRING BACK 보정을 적용해 보았다.

보정치는 하형(LOWER DIE)인 PUNCH 면에 적용 하였고 성형해석에서는 많은 변형양 을 보였지만 SPRING BACK은 MAX：1.974 으로 이 구간에는 거의 비슷한 수치인 -2mm의 역보정을 주었고 SPRING GO는 MIN: -7.149 으로 이 구간에는 +7mm의 역보 정을 주었다. 그리고 측벽부 MIN: -4.629 구간은 L/R 양 비교 후 평균값인 +4mm의 역보정을 적용 하였다. Fig.24에서 보이는 단면과 같이 총 편차 9mm의 편차를

“0”LINE 기준 HOOD 부분 앞측과 뒷측으로 보정치를 적용하였다.

Fig. 4.7 Calibration data sheet and the product Section

일반적인 측벽 단면 및 “R” 보정에서는 Fig.25의 스프링 백을 예측하여 보정 치를 적용하는 근사식이 있습니다. 하지만 이러한 식으로 적정 스프링 백 근사치 의 양을 구하는 건 사실 어려운 것이다. 즉, 전체형상에 오목, 볼록, 평면구간 및 여러 형상으로 이루어진 제품의 알루미늄 보정에서는 단순 벤딩에 대한 스프링 백 예측 근사식을 적용할 수가 없습니다. 그래서 형상에 나온 스프링 백을 해석상에 나오는 거의 근사치에 가까운 보정양을 통해 모델링에 감안하여 직접 적용해 보았 습니다.

Fig. 4.8 Springback Approximate

1)　SPRING BACK 근사식 













2)　SPRING BACK Factor



_

_

 

















 













Fig.24 에서 보여주는 보정치는 제품으로 성형된 기준으로 나온 해석상 스프링 백 양으로 보정치를 설정하여 모델링을 진행 하였으며 외판의 특성상 외관의 굴곡 관리가 중요한 문제로 얼룩말 무늬의 굴곡 곡선을 확인하면서 조금씩 보정값으로 제시된 값 대비 수준으로 모델링 보정을 추가 하게 된다. 그래서 해당 보정치의 정확한 수치로의 모델링 작업이 안될 수 있지만 거의 비슷한 값을 적용하게 된다.

Fig.26 의 그림을 보면 모델링 후 얼룩말 무늬로 최종 모델링에 굴곡 곡선을 확인 할 수 있다.

Fig. 4.9 Zebra-patterned skin curve design

4.7 3차원 CMM측정을 통한 보정 결과 분석

HAXAGON사의 TORO 40.16.21 모델명의 CMM 측정기를 이용하여 측정한 DATA 이며 동일조건 및 동일한 포인트를 측정기준을 통해 보여준 개선 내용이다.(A)수정 전 의 내용을 보면 세팅 후 측정변형을 최소화 하기 위해 제품을 뒤집어서 측정하여 측정 수치는 반대로 되어 있는 모습이다. 제품방향으로 보았을 때 빨간색이 (-)경 향 파란색이 (+) 경향이다. PASS의 기준은 OTR의 비매칭 기준으로 +0.70~-0.70의 기준을 적용하고 매칭 기준으로는 +0.5~-0.5의 기준을 적용하여 PASS는 녹색으로 설정하였고 보정치의 “0”구간으로 설정되어있는 파란색으로 표시된 6개의 포인 트가 그대로 PASS가 안되는 경향을 볼수 있으며 수치적으로도 0.21mm 변화량이 있 었다. 빨간색으로 표시된 양도 2.53mm의 변화량이 있어 보정치로 개선 확인이 가 능했다. Fig.27, 28과 같이 이런 경향을 수치적으로 알아보기 쉽게 표시 해 보았 고 색으로도 PASS의 기준을 쉽게 볼 수 있게 해보았다. 이러한 변화량 시트의 MAX 와 MIN의 양은 Table.7, Table.8의 비교 수치를 보면 알 수 있다.

(A) Before (B) After

Fig. 4.10 Comparison of measured values before and after modification (1)

Table. 4.2 Calibration Measurement Results(1) (A) Before (B) After

(A) 수치

MAX +1.52

MIN -3.13

(B) 수치

MAX +1.73

MIN -0.60

(A-1) Before (B-1) After

Fig. 4.11 Comparison of measured values before and after modification (1)

Table. 4.3 Calibration Measurement Results(2) (A-1) Before (B-1) After

(A-1) 수치

MAX -1.45

MIN -0.79

(B-1) 수치

MAX +0.69

MIN -0.15

그리고 Table.9와 같이 같은 포인트 기준으로 수정 전 및 수정 후의 수치 변화 량을 임의의 위치인 11개 포인트 기준으로 나열해 보았다. 보정치 대비 개선이 많 이 되어있는 수치이다. Table.9에서 보이는 Max: 6.62mm부터 Min: 0.41mm까지의 개선효과를 볼 수 있었다. 이러한 수치는 Fig.24에서 보정 적용한 Max: 7.0mm 의 보정 수치와 비슷한 수치로 보정치에 대한 개선율은 약 91.4%정도로 이다.

Table. 4.4 Comparison dimension by 11 points

수정 전 수정 후

1 -3.56 +0.15

2 -1.08 +0.07

3 +1.53 -1.00

4 +1.42 -1.02

5 -1.07 -0.02

6 -3.85 +0.30

7 -0.65 -0.34

8 +6.42 -0.20

9 -0.83 -0.42

10 +3.13 +0.61

11 +2.04 +0.69

이로써 최종 스프링 백 보정 결과를 Table.10과 같이 간단하게 정리해 보았다.

형상 측정 포인트는 총 300포인트를 측정해 보았고 수정 전 DATA보다 SPRING BACK 의 보정으로 많은 개선효과가 있었다는 결론을 내릴 수 있었다. 비록 100%의 개선 효과를 보이진 못했지만 초기 대비 64%의 개선효과가 있었으며 이러한 개선 효과 로 인한 프레스 자동차 부품인 알루미늄합금의 품질을 정확한 해석과 SPRING BACK 분석을 통해 납품 일정, 제작 일정 축소, 품질육성에 대한 원가 절감효과가 가능 한 것으로 확인 되었다.

Table. 4.5 Final shape improvement figures

수정 전 수정 후

SURFACE

PASS % 24% 88%

PASS POINTS 71 261

TOTAL POINTS 300 300

Fig. 4.12 Final shape improvement figure graph

제 5 장 결론

본 연구에서는 차체 경량화에 적용되는 가장 대표적인 알루미늄 합금 6016 소재 를 자동차 프레스금형 HOOD OTR에 적용하여 이 소재의 성형성과 스프링백 성형해 석을 통해 분석해 보고 이를 개선 시켜 보았다. 본 연구뿐 아니라 다른 연구들을 통해서 Al6016의 성형성은 검증이 된 내용이나 Autoform R7.0을 사용하여 성형성 재 분석을 통해 비유동부인 드로우 금형의 하형인 PUNCH측은 해석의 차이와 2% 이 내의 차이를 보여준 반면 블랭크 홀더측은 마찰력이 감이된 금형의 폴리싱의 상 태, 거칠기의 정도 또는 다이스포팅을 통한 미세한 차이에 따라서도 성형해석과 양이 달라질 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다. 물론 이와 같은 알루니늄 합금을 사용한 금형 드로잉체계는 명확한 표준은 없다. 형상의 크기, 형상의 모양에 따라 서 성형성이 지금과 다르게 달라질 수 있으며 모든 드로잉성형이 프레스 금형의 특성상 경험상의 수치로 제작이 이루어지고 있는 실정이기에 이를 완벽하게 개선 한다는 것은 정말 변형양이 많은 알루미늄 합금 소재에 매우 어려운 일이다. 하지 만 성형해석조건을 명확하게 확인하고 이를 성형해석을 하여 통계적 분석방법을 통한 FLD선도를 분석해보면 고정된 형상에서의 성형해석은 거의 일치한다는 결론 이다. 그리고 블랭크를 홀딩하는 부분은 이러한 해석을 통해 참고하여 개선이 가 능 할 것으로 판단된다. 그리고 SPRING BACK 해석을 통해 알루니늄합금 Al6016이 자동차 외판 부품인 HOOD OTR라는 제품에 미치는 SPRING BACK의 경향에 대해서 실 험을 수행하였다. 보정치의 결론으로 분석양 가장 높은 곳인 +7.0mm 의 적용구간 에서 100% 기준으로 약 91.4%의 개선율을 보여줬으며 보정수치가 낮은 곳인 – 1.5mm 적용구간에서도 약 51.4%의 개선율을 측정결과로 보여주었다. 총 300포인트 를 측정해본 결과 수정 전 24%의 형상 PASS 수치에서 수정 후 88%의 형상 PASS 수치로 한번에 64%의 개선효과를 보였으며 이러한 개선 효과로 인한 프레스 자동 차 부품인 알루미늄합금의 품질을 정확한 해석과 SPRING BACK 분석 및 보정을 통 해 알류미늄을 자동차의 외판부분에 사용한 부품의 고품질 초기 확보, 납품 일정, 제작 일정 축소, 품질육성 단축, 원가절감효과가 가능한 것으로 기대 된다.

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