Design of Roof Side Rail by Hot Blow Forming using High Strength Aluminum

핫블로우 포밍을 이용한 고강도 알루미늄 루프 사이드 레일 설계

Abstract

Recently, lightweight of automotive parts has been required to solve environmental problems caused by global warming. Accordingly, research and development are proceeded on manufacturing of parts using aluminum that can replace steel for lightweight of the automotive parts. In addition, high strength aluminum can be applied to body parts in order to meet both requirements of lightening and improving crash safety of vehicle. In this study, hot blow forming of roof side rail is employed to manufacturing of the automotive parts with high strength aluminum tube. In hot blow forming, longer forming times and excessive thinning can be occurred as compared with conventional manufacturing processes. So optimization of process conditions is required to prevent excessive thinning and to uniformize thickness distribution with fast forming time. Mechanical properties of high strength aluminum are obtained from tensile test at high temperature. These properties are used for finite element(FE) analysis to investigate the effect of strain rate on thinning and thickness distribution. Variation of thickness was firstly investigated from the result of FE analysis according to tube diameter, where the shapes at cross section of roof side rail are compared with allowable dimensional tolerance. Effective tube diameter is determined when fracture and wrinkle are not occurred during hot blow forming. Also FE analysis with various pressure-time profiles is performed to investigate the their effects on thinning and thickness distribution which is quantitatively verified with thinning factor. As a results, optimal process conditions can be determined for the manufacturing of roof side rail using high strength aluminum.

1. 서론

전세계적으로 연비와 가스 배출에 대한 지속적이고 엄격한 규제 강화로 인해 차량의 경량 설계를 촉진시키고 있다[1, 2]. 최근 차체 경량화의 수단으로 철강소재를 대체할 수 있는 알루미늄이나 마그네슘과 같은 경량금속을 이용한 부품 제조에 관한 연구들이 진행되고 있다[3, 4]. 이와 더불어 차량의 충돌 안전성 확보가 중요하며 구조적, 안전적인 요구를 만족시키기 위해 고강도 소재의 사용이 필수적임과 동시에 새로운 재료 처리기술의 활용이 중요하다[5]. 따라서 경량화와 차량의 충돌 안정성 향상이라는 상반된 요구조건을 모두 충족할 수 있는 방안으로 차체 부품에 고강도 알루미늄(High strength aluminum) 소재가 적용될 수 있다면 효과를 보다 극대화할 수 있을 것으로 기대된다[6]. 일반적으로 루프 사이드 레일(Roof side rail)과 같은 차체 부품은 스탬핑 공정으로 제작한 여러 부품들을 용접으로 조립하여 생산하기 때문에 차량 충돌 시 용접부의 응력 집중으로 인한 파단을 야기하는 단점이 있다[7]. 이러한 단점을 보완하기 위해 핫블로우 포밍(Hot blow forming)을 통한 일체화 성형을 진행한다면 차체 부품의 단순화가 가능하다. 핫블로우 포밍은 고온에서 알루미늄의 높은 연신율을 이용하여 성형하는 방법으로 성형 자유도와 치수정밀도가 우수한 장점을 가지며, 공정수 감소를 통한 생산비용의 절감이 가능하다. 하지만 기존의 제조공정 보다 성형시간이 많이 소요되기 때문에 생산성에 문제가 있고 과도한 두께 감소로 인해 두께 분포의 불균일에 영향을 미칠 가능성이 있으며, 이는 곧 제품 강도의 감소를 야기할 수 있다[8-11].

상기 문제를 해결하기 위해 Quick plastic forming이나Hybrid superplastic forming등과 같은 성형 속도를 증가시킨 공정이 적용되고 있다. 또한 공정변수에 따라 발생되는 주름(Wrinkling)이나 파단(Fracture)과 같은 여러 문제들로 인해 공정변수 최적화에 관한 다양한 연구들이 수행되고 있다.

Majidi등[12]은 Crash forming을 적용하여 성형 속도를 증가시켰으며, 과도한 두께감소를 피하기 위해 압력-시간 Profile에 따른 두께 변화를 확인하였다. 또한 Liu등[13]은 Pre-forming을 수행한 이후 블로우포밍을 수행함으로써 성형속도와 온도 측면에서 장점을 확보하였으며, Luo등[14]은 Hot drawing 공정을 통한 가성형을 적용하여 성형속도를 높이는 방안을 제안하였다. 하지만 대부분의 연구들은 판재를 이용한 성형공정으로 튜브 소재를 이용한 차체 부품의 일체화 성형에 적용하기에는 한계가 있다. 또한 루프 사이드 레일과 같이 복잡한 단면 형상을 갖는 제품에 핫블로우 포밍을 적용하기 위해서는 공정변수 최적화에 관한 연구가 필요하다.

따라서 본 연구에서는 여러 부품의 접합으로 제작되던 루프 사이드 레일 부품에 대해 고강도 알루미늄 튜브를 적용한 핫블로우 포밍의 일체화 성형 공정 설계를 수행하였다. 루프 사이드 레일은 각 위치별 다양한 단면 형상을 갖기 때문에 초기 튜브 직경의 결정이 중요하며, 빠른 성형속도에서 과도한 두께 감소 방지 및 두께 분포 균일화를 위해 공정 변수의 최적화가 필수적으로 요구된다. 이를 위해 고강도 알루미늄 튜브의 Crash forming 및 핫블로우포밍의 순차적인 유한요소 해석을 통해 초기 튜브 직경을 선정하고, 공정변수의 영향을 파악하여 최적 공정설계를 수행하였다.

2. 핫블로우 포밍 공정 개요

2.1 핫블로우 포밍의 메카니즘

핫블로우 포밍은 가스 주입구와 금형과 소재 사이의 성형되는 공간을 제외한 전체를 가스의 누출이 없도록 밀봉하고, 가스를 주입하면서 시작된다. 일반적으로 상부와 하부의 고정된 금형을 사용하여 소재를 금형 형상에 따라 가스 압력을 통해 변형시킴으로써 공정이 진행된다. Fig. 1에 공정 개략도를 나타내었다. 일반적으로 4단계로 수행되며 첫 단계에서 튜브는 하부 금형에 안착되며 목표 온도까지 도달된다. 두번째 단계에서 상부 금형이 내려오며 Crash forming이 진행된 후, 금형이 닫히며 고정된다. 마지막으로 가스 가압을 통해 블로우 포밍이 수행되며 최종 형상으로 성형이 완료된다.

Fig. 1 Process sequence of hot blow forming using aluminum tube

2.2 핫블로우 포밍의 주요 공정변수

2.2.1 튜브 직경

튜브 직경은 Crash forming 단계에서 단면 형상의 변형 양상에 큰 영향을 미치는 인자이다. 이에 따라 튜브 직경은 금형에 안착될 수 있는 조건으로 가능한 크게 선정하는 것이 높은 성형성을 확보하기 위한 가장 효과적인 방법이다. 이를 위해 Crash forming의 변형 거동과 블로우 포밍을 통한 확관 시에 나타나는 변형 양상을 파악하는 것이 중요하다. 튜브 직경이 작다면 최종 성형까지 높은 연신율을 요구하기에 두께 감소가 크게 나타나며, 성형시간도 증가한다. 이와 반대로 튜브 직경이 크다면 튜브 벽의 과도한 주름 발생으로 인해 확관 후에도 두께가 균일하지 않거나 좌굴(Buckling)과 같은 현상으로 성형 불량의 문제가 발생한다. 또한 금형이 닫힐 때, 튜브의 간섭 방해로 인해 Jamming 현상이 일어날 수 있다. 본 연구에서 고려한 루프 사이드 레일은 단면 형상이 복잡하고 일정하지 않기 때문에 유효한 튜브 직경의 선정이 필수적이다.

2.2.2 압력-시간 Profile

핫블로우 포밍에서 압력-시간 Profile은 최종적인 제품의 성형완료와 제품의 품질, 즉 두께 감소 및 두께 분포에 큰 영향을 미친다. 핫블로우 포밍은 공정수 감소를 통한 생산 비용 측면에서 장점이 있지만, 성형시간의 단축 및 두께 분포의 개선이 필요하므로 이를 위해서는 적절한 압력-시간 Profile 선정이 중요하다. Fig. 2에 알루미늄 튜브의 핫블로우 포밍에 적용할 압력-시간 Profile을 나타내었으며, P_max, T_rising(T_r), T_total(T_t)는 각각 최대 압력, 압력 증가 후 최대 압력에 도달하기까지의 시간, 그리고 최종 블로우 포밍 공정의 완료시간을 나타낸다. 압력은 최대 압력까지 선형적으로 증가하는 것으로 정의하였으며, 최대 압력 도달 후 일정시간 유지를 포함한다.

Fig. 2 Pressure – time profile

최대 압력까지 도달 시간의 차이는 성형 시간의 차이를 초래한다. 이는 곧 변형률 속도에 차이가 있다는 것을 의미하며 두께 변화에 큰 영향을 미친다. 또한 공정 완료시간까지의 압력 유지는 최종 형상의 성형에 영향을 미친다. 만약 동일한 압력이 작용할 경우, 최대 압력 도달시간이 짧을수록 최종 형상까지 성형 완료에 이점이 있지만 두께 감소가 크게 나타나며 파단을 유발할 수 있다. 대조적으로 최대 압력 도달시간이 증가한다면 두께 감소를 최소화할 수 있지만 최종 형상은 성형되지 못할 수 있기 때문에 최종 성형까지 압력 유지시간의 증가가 필요하다. 즉, 총 성형시간의 증가로 인해 생산성에 불리하게 작용한다.

따라서 두께 감소의 최소화 및 두께 분포의 균일화 정도를 파악하기 위해 압력-시간 Profile에 따른 영향을 조사하여 최적화할 필요가 있다. 또한 빠른 시간내에 성형이 완료될 수 있는 최적 조건을 도출하는 것이 중요하다.

3. 핫블로우 포밍 공정 해석

3.1 고강도 알루미늄의 물성평가

루프 사이드 레일의 핫블로우 포밍 공정의 유한 요소해석을 수행하기에 앞서 고강도 알루미늄 소재의 기계적 물성 확보가 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 두께 2.5t의 Al7075-T6 소재를 사용하였다. 핫블로우 포밍은 고온에서 진행되므로 해당 온도에서 소재의 유동응력을 도출하기 위해 고온 인장시험을 통해 물성평가를 수행하였다. 인장 시험은 10 ton 용량의 MTS 장비를 사용하였고, 인장 시편은 ASTM-E8M subsize 규격을 참고하여 와이어 커팅(wire cutting)을 통해 제작하였으며[15] 이를 Fig. 3에 나타내었다. 또한 시편의 가열을 위해 가열로(furnace)를 이용하였다. 시험 조건은 실제 공정을 고려한 온도에서 3가지의 변형률 속도(strain rate) 0.1, 1, 3 /s로 시험을 수행하였으며, 세부 조건들을 Table 1에 나타내었다. 고온 인장시험을 통해 Fig. 4와 같은 응력-변형률 선도를 도출할 수 있었으며, 시험 결과 300 ℃의 모든 변형률 속도 조건에서 연신율이 30 % 이상임을 확인하였고, 변형률 속도가 빠를수록 유동응력이 증가함을 확인하였다.

Fig. 3 Experimental set-up for tensile test of Al7075-T6 at elevated temperature

Table 1 Condition of tensile test at elevated temperature

Fig. 4 Results of tensile test for Al7075-T6 at elevated temperature

앞서 도출된 시험 결과를 바탕으로 성형속도를 고려할 수 있는 유한요소 해석을 위해 응력-변형률 속도 관계식은 Cowper-Symonds Equation model을 이용하여 나타내었다. 해당 모델은 점소성을 고려할 수 있는 모델이므로 변형률 속도의 영향을 효과적으로 모사할 수 있으며, 식 (1)과 같이 표현된다[16].

\(\begin{aligned}\bar{\sigma}=\bar{\sigma}_{0} \times\left\{1+(\dot{\varepsilon} / C)^{1 / p}\right.\end{aligned}\)       (1)

여기서 \(\begin{aligned}\bar{\sigma}_{0}\end{aligned}\)는 변형률 속도 0.1 /s일 때의 정적 응력(Static stress), \(\begin{aligned}\dot{\varepsilon}\end{aligned}\)는 유효 변형률 속도이다. C와 p는 변형률 속도에 따라 변형 거동을 고려할 수 있는 재료 상수이며[17], 변형률 속도에 따른 고온 인장시험 결과를 통해 값이 결정된다. 따라서 300℃의 온도조건에 대한 재료상수 C와 p의 값을 도출하였으며 이를 Table 2에 나타내었다. 위 실험 및 계산을 통해 Al7075-T6의 물성을 구축하였으며, 유한요소 해석에 적용하여 속도 및 시간이 고려된 핫블로우 포밍 공정해석을 수행하였다.

Table 2 Material constant of Al7075-T6 in CowperSymonds model

3.2 유한요소 모델링

고강도 알루미늄 튜브재를 핫블로우 포밍 공정에 적용하여 루프 사이드 레일을 제작하기 위해 핫 블로우 포밍 해석을 진행하였다. 유한요소 해석에서 전처리(pre-process) 및 후처리 과정(post-process)은 J-Stamp/NV를 이용하였으며, 해(solution)는 LS-Dyna Solver를 이용하여 구하였다. 이를 위해 Fig. 5와 같이 유한요소 해석 모델을 구성하였으며, 튜브재 및 금형은 쉘 요소(shell element)로 모델링하였다. 핫블로우 포밍 공정은 금형 및 소재의 온도가 300 ℃일 때 공정이 진행되며, 온도를 고려한 해석 진행결과 열전달의 영향이 미비하므로 해석 시간 단축을 위한 등온해석(isothermal analysis)으로 수행하였다. 또한 튜브재의 두께는 2.5t, 마찰계수는 참고문헌을 이용하여 0.4[12, 18]로 적용하였다. 유한요소 해석은 Crash forming과 블로우 포밍에 대한 성형해석을 순차적으로 진행하였다. 튜브 직경 및 압력-시간 Profile의 영향을 파악하기 위한 기준 공정의 최대 압력은 실제 장비 성능을 고려한 500 MPa, 총 성형 시간은 생산성을 고려하여 40 sec, 최대 압력까지 도달시간은 보수적인 설계를 위해 초기에 바로 최대 압력까지 도달하는 것으로 설정하였다. 이러한 유한요소 해석의 세부 조건들을 Table 3에 요약하여 나타내었다.

Fig. 5 FE-Modeling for hot blow forming of high strength aluminum tube

Table 3 FE-simulation condition of hot blow forming

4. 핫블로우 포밍 공정 설계

4.1 고강도 알루미늄 튜브의 직경선정

루프 사이드 레일은 각 위치별 단면 형상이 일정하지 않은 복잡한 형상을 가진다. 또한 주름 및 Jamming 등의 문제를 방지하기 위해 유한요소 해석을 수행하여 튜브 직경에 따른 영향을 확인하였다. 우선적으로 Fig. 6에서 루프 사이드 레일을 단면이 일정한 구간 별로 나누었으며, 각 단면의 둘레 치수를 측정 후 계산을 통해 기준 직경을 예측하였다. 각 구간 별 단면 확인 결과, C구간의 단면 c-c’가 최소 수치인 직경 37.5 mm로 도출되었다. 이를 통해 금형 Jamming을 방지하기위한 기준 직경을 37.5 mm로 선정하였으며, 직경에 대한 영향을 파악하기 위해 예측된 기준 직경을 바탕으로 직경Case를 구성하였다.

Fig. 6 Shapes of roof side rail and its cross section

첫번째, 기준 직경보다 작은 튜브 직경 36 mm의 핫블로우 포밍 해석결과를 Fig. 7에 나타내었다. 최종 성형이 완료된 형상에서 최대 및 최소 두께의 위치와 수치를 표기하였다. 또한 Crash forming과 블로우 포밍의 각각 완료된 최종 결과를 각 구간의 단면도를 통해 확인하였다. Crash forming 해석결과, 큰 변형 없이 낮은 압축력으로 성형이 되며, 두께 증가가 매우 작았으나 블로우 포밍 결과에서 최종 형상까지의 성형이 불가하였다. 이는 단면이 큰 B와 D 구간에서 많은 변형량을 필요로 하기 때문으로 판단된다. 또한 곡률 변화가 큰 부분에서 국부적으로 높은 최대 두께 감소율 22.6 %가 예측되며, 이는 실제 제품의 내구성 및 파단을 고려한 허용치인 25 %에 근접한 수치이다. 최종 형상을 만족하기 위해 압력 혹은 유지 시간의 증가가 필요하지만 두께 감소율 및 성형시간이 증가하는 문제가 있다. 이러한 이유로 직경 36 mm는 해당 공정 적용에 한계가 있으며, 동일조건에서 더 큰 튜브 직경의 적용이 필요함을 확인하였다.

Fig. 7 Result of FE analysis for tube diameter of 36 mm

이에 따른 튜브 직경 37 mm의 해석 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 직경 36 mm의 결과와 유사하게 두께 증가는 작은 것으로 예측되었고 B구간의 곡률부에서 최대 두께 감소율 21.3 %가 도출되었다. 해당 수치는 비교적 높지만 허용범위 내에 있으며, 각 구간의 블로우 포밍 결과 단면도를 통해 최종 형상이 도출되는 것을 확인하였다.

Fig. 8 Result of FE analysis for tube diameter of 37 mm

Fig. 9은 직경 38 mm에 대한 해석 결과를 나타내었다. 최대 두께 감소율은 20.7 %로 약간 감소하였지만 최소 단면인 C 구간에서 두께가 증가하는 것을 확인하였다. 이는 최소 단면 기준 직경보다 크기가 증가되었기 때문에 압축력 증가에 따른 변형량이 커지는 것으로 판단되며, Crash forming 단면도 c-c’를 통해 확인하였다. 하지만 최종 형상까지 성형이 완료되고 두께 증가율이 10% 미만의 수치로 큰 영향은 미치지 않을 것으로 예측하였다.

Fig. 9 Result of FE analysis for tube diameter of 38 mm

다음으로 직경 39mm일 때의 해석결과를 Fig. 10에 나타내었으며, Crash forming의 c-c’ 단면도를 통해 앞선 결과들 보다 변형량이 많아지며 최종 두께 증가율이 13.3 %로 크게 도출되는 것을 확인하였다. 이에 따라 변형량이 감소하기 때문에 두께 감소율은 줄어들지만, 주름 및 Jamming과 같은 문제 발생 여부가 존재한다. 또한 두께 분포가 고르지 못하므로 차후 강도 확보에 어려움이 있다고 판단하였다.

Fig. 10 Result of FE analysis for tube diameter of 39mm

상기 결과들을 토대로 튜브 직경에 따른 영향을 파악하였으며, 모든 Case에서 두께감소율 25 % 이내를 만족하지만 직경 37 mm 이상일 때 목표 형상까지 성형이 가능한 것을 확인하였다. 또한 주름 발생, Jamming 문제, 그리고 두께 분포의 균일화를 고려하여 두께 증가 수치가 작은 튜브 직경 37, 38 mm를 유효한 직경 범위로 선정하였다.

4.2 핫블로우 포밍의 공정변수 최적화

선정된 튜브 직경 범위 및 해석조건을 기반으로 공정변수 최적화를 위해 유한요소 해석을 수행하였다. 압력-시간 Profile의 변화에 따라 해석을 진행하였으며, 예측된 형상을 분석하였다. 본 연구에서는 Fig. 2에 나타난 압력-시간 Profile에서 최대 압력까지 도달하는 시간인 T_r을 5 sec부터 30 sec까지 증가시켰으며, Tt는 40 sec, P_max는 500 MPa로 고정시켰다. 해당 조건들을 Fig. 11에 그래프로 나타내었다. 이러한 T_r의 변화를 통해 두께 감소율을 최소화하며, 두께 분포를 균일하게 하는 최적화를 수행하였다. 이 때, 두께 분포의 균일함의 정도를 정량적으로 표현하기 위해 Thinning factor (T_f)[19]를 이용하였으며, 아래 식 (2)와 같이 도출될 수 있다.

Fig. 11 Different pressure-time profile used in FE-analysis

T_f = t_min / t_ave (0 < T_f < 1)       (2)

여기서 t_min과 t_ave는 각각 변형된 부품의 최소두께, 평균 두께이다. T_f는 Thinning factor를 나타내는 계수이며, 최소 두께와 평균 두께의 비율로 정의된다. 식 (2)를 통해 T_f의 값이 1에 가까울수록 두께 분포의 균일성을 판단하는 기준이 될 수 있다. Thinning factor를 적용하기 위해 t_min은 해석결과를 토대로 확인하였으며, t_ave는 성형완료 형상의 각 Node별 두께의 평균 값을 추출하여 전체 평균을 계산하였다. 이후 식 (2)를 적용하여 T_f 값을 도출하였다.

튜브 직경 37mm의 T_r변화에 따른 결과를 Fig. 12에 나타내었다. 해석결과, 최대 압력까지 도달시간이 증가함에 따라 두께 감소율은 낮아지지만 두께 증가에는 큰 영향이 없는 것으로 확인하였다. 가장 큰 단면인 d-d’를 통해 최종 형상까지의 성형 여부를 확인한 결과, T_r = 20, 30 sec일 때 성형이 완료되지 않은 것을 확인하였으며, 최대 압력 도달 후 유지시간의 부족함을 주된 원인으로 판단하였다. 반면, T_r = 10 sec의 경우, 성형이 완료되었으며 최대 두께감소율 또한 25 % 이내인 20 %로 예측되었다. 두께 분포의 균일화 정도를 파악하기 위해 해석결과 별 T_f 값을 도출하였으며, 이를 포함한 결과들을 Table 4에 요약하였다. Thinning factor를 통해 압력까지의 도달 시간이 증가할수록 두께 분포가 더 균일해지는 경향성을 띄는 것을 파악하였다. 상기 언급된 두께 감소율과 성형완료를 만족하기 위한 조건은 T_r = 10 sec이고 수치 또한 0.846으로 비교적 크기 때문에, 해당 조건이 튜브 직경 37 mm에서의 최적 조건임을 해석적 결과를 바탕으로 알 수 있었다.

Fig. 12 Result of FE analysis according to T_r at P_max of 500 MPa and diameter of 37mm

Table 4 FE-simulation results according to T_r for diameter 37 mm and P_max of 500 MPa

다음으로 튜브 직경 38 mm의 T_r에 따른 해석결과를 Fig. 13에 나타내었다. Crash forming의 영향으로 인해 직경 37 mm의 결과보다 전체적으로 3~4 % 정도 두께가 높게 예측되나, 최대 두께 감소율은 전체적으로 20 % 미만의 결과를 도출하였다. 해석결과를 바탕으로 T_r = 30 sec의 경우 성형이 완료되지 않은 것을 확인할 수 있었으며, 앞선 결과와 마찬가지로 최대 압력 도달 후 유지시켜주는 시간이 짧으므로 성형성이 좋지 않은 것으로 판단하였다. 반면 T_r = 5, 10, 20 sec의 경우 최종 형상까지 성형이 완료되며, Thinning factor를 포함한 전체 결과들을 Table 5에 나타내었다. 두께 분포 파악을 위해 T_f 값을 성형 가능한 조건 내에서 비교하였을 경우, T_t = 20 sec일 때 T_f 수치가 0.894로 가장 높으며, 최대 두께 감소율은 13.5 %로 가장 낮은 값을 가지는 것을 확인하였다. 이에 따라 튜브 직경 38 mm의 경우, T_r = 20 sec일 때 가장 적절한 조건임을 알 수 있었다.

Fig. 13 Result of FE analysis according to T_r at P_max of 500 MPa and diameter of 38mm

Table 5 FE-simulation results according to T_r for diameter 38 mm and P_max of 500 MPa

각 직경 Case에서 선정한 압력-시간 Profile 중에 최적 조건을 선정하기 위한 비교 결과, 직경 38 mm의 조건에서 3.7 %의 차이로 최대 두께는 더 크지만 두께 감소율의 경우 6.6 % 더 낮게 예측되며 개선되었다. 또한 T_f 값이 더 큰 수치가 도출되므로 두께 분포가 더 균일하다고 판단된다. 따라서 압력-시간 Profile은 두께 변화에 영향을 크게 미치는 주요 공정변수라는 것이 확인되었으며, 튜브 직경 38 mm에서 최대 압력까지 도달시간이 20 sec일 경우를 가장 유효한 조건으로 선정해야 함을 알 수 있었다.

도출된 튜브 직경 38 mm에 대한 성형 압력에 따른 영향을 확인하기 위해, 최대 압력의 변화에 따른 유한요소 해석을 수행하였다. 동일한 시간 내에 적은 압력으로 성형을 완료할 수 있다면 제품의 두께 감소가 개선되고, 사용 장비의 하중을 낮출 수 있다.

본 연구에서는 기준 공정인 500 MPa 뿐만 아니라 400, 300 MPa을 압력 변수로 선정하여 핫블로우 포밍 해석을 수행하였다. 기준 공정보다 압력을 작게 적용하기 때문에 T_r = 20 sec 이내의 조건일 때 성형이 완료되는 앞선 결과를 기반으로 최대 압력까지 도달하는 시간 T_r은 20, 10, 5 sec로 선정하였으며 최종 성형시간은 동일하게 설정하였다.

300 MPa의 압력-시간 Profile에 따른 해석결과, 모든 조건에서 두께 증가 수치는 유사하였으며, 두께 감소율의 경우 10 % 미만으로 개선되었다. 하지만 단면 비교 결과, 성형이 완료되지 않음으로 300 MPa의 압력 적용은 적합하지 않다고 판단하였다. 이를 Fig. 14(a)에 나타내었다.

Fig. 14 Comparison of section d-d’ according to maximum pressure at T_r = 5 sec

다음으로 압력 400 MPa을 적용한 결과 T_r = 10, 20 sec 일 때, 두께 감소율은 각각 11.3 %, 10.3 %로 낮게 예측되지만 최종 형상까지의 성형이 이루어지지 않는 것을 확인하였다. 반면 T_r = 5 sec 조건은 두께 감소율 15.8 %로 예측되며, Fig. 14(b)와 같이 최종 형상까지 성형이 완료되었다. 또한 T_f 값의 경우, 0.87로 비교적 균일한 수치로 모든 요구조건을 만족함을 확인하였으며, 결과를 Table 6에 요약하였다.

Table 6 FE-simulation results according to T_r for diameter 38 mm and P_max of 400 MPa

이러한 각 변수의 영향 확인을 통한 최적 조건을 결정하기 위해 P_max = 500 MPa에서 도출한 가장 유효한 조건인 T_r = 20 sec일 경우와 비교 및 분석을 수행하였다. 비교 결과 P_max = 500 MPa, T_r = 20 sec의 조건이 두께감소율은 2.3 % 더 낮았으며, T_f 수치 또한 더 높은 값을 나타내므로 두께 분포의 균일화의 측면에서도 해당 조건이 보다 더 타당하다고 판단되었다. 따라서 공정변수의 최적화 결과, 전체 성형시간 40 sec 기준에서 최대 압력 500 MPa, 최대 압력까지 도달시간 20 sec일 때 강도 저하를 방지하는 루프 사이드 레일 제조를 위한 핫블로우 포밍의 최적 공정 조건으로 결정하였다.

5. 결론

본 논문에서는 차체 사이드 모듈의 루프 사이드 레일 제조를 위한 고강도 알루미늄 튜브의 핫 블로우 포밍 공정 최적화에 관한 연구를 수행하였다. 최적 공정조건을 도출하기 위하여 유한요소 해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 핫블로우 포밍 공정을 해석적으로 구현하기 위해 Al7075-T6의 고온 인장시험을 통해 물성을 도출하였으며, Cowper-Symonds model을 이용하여 속도의 영향을 고려할 수 있는 재료상수를 구축하였다. 이를 기반으로 유한요소 해석 시, 속도와 시간의 영향을 고려하였으며 Crash forming과 가스 가압을 통한 블로우 포밍을 순차적으로 수행하였다.

(2) 루프 사이드 레일은 단면이 일정하지 않기 때문에, 초기 튜브 직경을 선정하기 위해 최소 단면을 기준으로 직경에 따른 유한요소 해석을 수행하였다. 직경에 따른 Crash forming 진행 시의 변형 거동을 확인하여 주름, Jamming 문제를 방지하며, 블로우 포밍 진행 시 확관을 통한 최종 성형, 허용 범위 내의 두께감소율을 고려한 유효 튜브 직경의 범위를 37, 38 mm로 선정하였다.

(3) 주요 공정변수로 압력-시간 Profile을 선정된 튜브 직경을 이용하여 핫블로우 포밍 해석 진행을 통해 최적화를 수행하였다. 또한 두께 분포의 균일함을 판단하기 위해 Thinning factor의 적용을 통해 비교하였다. 해석결과, 최대 압력까지 도달 시간 증가에 따라 두께감소율이 줄어들며 두께 분포가 더 균일한 경향성을 나타내지만 압력 유지시간의 부족으로 성형이 미완료되는 조건 또한 도출되었다. 이를 고려하였을 때, 500 MPa의 최대 압력과 이에 도달하는 시간이 20 sec인 직경 38 mm의 튜브의 적용이 가장 적절한 공정 조건임을 확인하였다. 더불어 최대 압력 변화에 따른 해석결과 분석을 통해 위 조건이 강도저하를 방지하는 핫블로우 포밍 공정의 가장 최적의 조건으로 결정하였다.

(4) 해석을 통해 결정된 최적 조건을 적용한 핫블로우 포밍을 통해 루프 사이드 레일 제조 시, 생산 비용에 이점이 있으며 우수한 강도를 가지는 일체형 제품을 제조할 수 있을 것으로 기대된다.

후기

본 연구는 2021년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원(No. 2021R1I1A3A04037420) 및 2022년도 교육부의 재원으로 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥센터의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2021R1A6C101A449).