KR20170092891A - 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소재(고강도 강판)의 탄성계수, 항복강도, 인장강도 및 연신율과, 상기 소재의 집합조직 결정립들의 형상분포와 결정배향성을 토대로, 상기 소재 중 스프링백이 최소가 되는 방향을 블랭크의 방향으로 설정하여, 상기 소재의 프레스 가공을 실시하도록 해, 금형 보정횟수를 대폭 감축하고, 금형 보정 비용을 절감하여 금형 제작일정을 단축시킬 수 있고, 사용된 고강도강 소재 및 사이드실 금형과 유사한 다른 제품에 적용이 가능하여 높은 제조 경쟁력을 보장할 수는 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법을 제공한다.

Description

집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법{Method for reducing springback of high strength steel using texture analysis}

본 발명은 고강도 강판을 적용한 자동차 차체 부품 중 단면이 U형 또는 V형 형상의 프레스 성형시, 발생하는 성형불량인 스프링백을 저감시키는 방법에 관한 것으로, 소재(고강도 강판)의 탄성계수, 항복강도, 인장강도 및 연신율과, 상기 소재의 집합조직 결정립들의 형상분포와 결정배향성을 토대로, 상기 소재 중 스프링백이 최소가 되는 방향을 블랭크의 방향으로 설정하여, 상기 소재의 프레스 성형시, 상기 소재의 스프링백이 저감되는 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법에 관한 것이다.

최근 자동차 차체 부품 생산 분야에서는 환경오염에 따른 배출량 규제 강화와 충돌 안전성 향상 및 차량 경량화를 위한 부품 고강도화가 가장 큰 이슈가 되고 있다.

이러한 이유로 차체를 제조하는 판재성형 공정에서 소재의 스프링백으로 인해 발생되는 금형과 성형품 간의 치수 차이는 차체가 더욱 복잡해짐에 따라 그 중요도가 높아져 왔으며, 자동차 경량화를 위한 고강도 소재(HSLA, Trip강 등) 및 경량합금 소재(Al-, Mg- 합금) 등의 적용이 시도되고 있어 관심이 집중되고 있다.

프레스 성형 부품의 고강도 소재 적용은 자동차 경량화에는 효과가 있으나, 대체적으로 성형이 매우 어려운 난가공성 소재로서 금형제작 측면에서 대표적인 성형불량인 파단, 주름, 스프링백, 금형마모 등이 다발적으로 발생하여 제품 형상정밀도 문제를 야기하고 있다.

특히 굽힘(Bending)이나 플랜지(flange) 공정을 수반하는 경우, 강판의 탄성복원에 의한 스프링백(springback) 현상으로 인해 성형된 패널 형상이 금형의 형상에서 벗어나게 된다.

이러한 성형 불량 중에 화두가 되는 것이 스프링백이다.

상기한 스프링백은 주름(wrinkling), 크랙(crack)과 함께 프레스에 의한 판재 성형과정에서 발생하는 대표적인 성형불량으로, 상기 스프링백 현상은 판재 성형과정에서 금형에 의한 구속이 풀려 외력이 제거되었을 때, 판재 내의 잔류응력에 의해 정적 평형상태를 유지하기 위하여 탄성적으로 재편되면서 형상이 변하는 것을 말한다.

또한 성형품의 형상함수, 소재의 두께 및 물성치 등의 재료변수, 블랭크 홀딩력, 펀치속도, 마찰이나 윤활 상태와 같은 공정변수 등 여러 인자들로부터 복합적인 영향을 받는 것으로 알려져 있다.

스프링백은 제품의 치수정밀도를 떨어뜨려 품질 저하 및 각 부품 사이의 외관 불량, 조립 불량의 원인이 되므로 반드시 해결하여야 한다.

스프링백에 의해 발생되는 치수 불량은 금형의 보정을 통해 제거해야 하며, 결국 요구 치수를 만족시킬 수 있을 때까지 금형 치수를 반복하여 수정작업을 계속해야 하는 만큼 금형 개발, 더 나아가 신제품 개발에 소요되는 시간과 비용을 증가시키게 된다.

더욱이 자동차 경량화를 위한 고강도 소재와 경량화 소재들은 모두 스프링백이 상대적으로 큰 소재들이고 경험적 데이터가 거의 없는 실정이기 때문에 신소재 적용 시기가 늦어지고 있는 요인 중의 하나이다.

상기한 문제점을 해소하기 위해 종래에도 다양한 방법이 제안되었는데, 그 중 한 기술을 살펴보면, 공개특허 제10-2015-0017935호(2015.02.23)에서는 최종 제품보다 끝단이 남도록 블랭크 형상과 크기를 결정하는 블랭크 설정단계와, 변위센서로 스프링백 발생량을 측정하면서 플랜지 금형으로 포밍하는 포밍단계 및 상기 변위센서로 측정한 스프링백 발생량에 따라 제어장치로 전동 스크루를 구동하여 하부금형을 밀어 올리면서 업포밍하는 업포밍단계로 이루어진 자동차 차체 패널의 스프링백 저감을 위한 가변 업폼 방법을 제공하였다.

하지만 스프링을 해소하기 위해 수차례의 금형 보정이 이루어져, 금형 보정에 따른 비용 증가뿐만 아니라, 금형 제조기한 역시 계획 전보다, 상당히 많이 소요되는 문제점을 안고 있었다.

본 발명은 소재(고강도 강판)의 탄성계수, 항복강도, 인장강도 및 연신율과, 상기 소재의 집합조직 결정립들의 형상분포와 결정배향성을 토대로, 상기 소재 중 스프링백이 최소가 되는 방향을 블랭크의 방향(소재가 프레스 금형 상에 놓여지는 방향)으로 설정하여, 상기 소재의 프레스 가공을 실시하도록 해, 금형 보정횟수를 대폭 감축하고, 금형 보정 비용을 절감하여 금형 제작일정을 단축시킬 수 있고, 사용된 고강도강 소재 및 사이드실 금형과 유사한 다른 제품에 적용이 가능하여 높은 제조 경쟁력을 보장할 수는 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법은 a)자동차 차체 부품을 이루는 소재의 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율을 측정하는 단계와, b)집합조직 해석을 통해 상기 소재에 발달한 집합성분을 파악하여, 집합조직 결정립들의 형상분포와 결정배향성을 해석하는 단계 및 c)상기 a)단계 및 b)단계에 의한 상기 소재의 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율 및 집합조직 결정립들의 형상분포와 결정배향성을 토대로, 상기 소재의 압연방향을 기준하여 소재 중 스프링백이 최소가 되는 방향을 판독한 후, 소재 중 스프링백이 최소가 되는 방향을 블랭크의 방향(소재가 프레스 금형 상에 놓여지는 방향)으로 설정하는 단계를 포함한다.

이때 본 발명에 따른 상기 c)단계인 블랭크의 방향을 설정하는 단계에서는 CAE(Computer Aided Engineering)기술을 기반으로 한 상용 유한요소 시뮬레이션을 통해 압연방향에 따른 블랭크의 방향을 전산 모사하여, 상기 소재의 스프링백 감소를 예측한다.

그리고 본 발명에 따른 상기 소재는 250MPa급의 IF steel 내지 1200MPa급의 Trip강의 고장력 강판을 적용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 블랭크의 방향은 프레스 가공을 실시하는 금형의 길이방향과 직각을 이룰 수 있다.

본 발명의 실시에 따른 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 소재(고강도 강판)의 탄성계수, 항복강도, 인장강도 및 연신율과, 상기 소재의 집합조직 결정립들의 형상분포와 결정배향성을 토대로, 상기 소재 중 스프링백이 최소가 되는 방향을 블랭크의 방향으로 설정하여, 상기 소재의 프레스 가공을 실시하도록 해, 금형 보정횟수를 대폭 감축하고, 금형 보정 비용을 절감하여 금형 제작일정을 단축시킬 수 있는 효과를 가진다.

둘째, 사용된 고강도강 소재 및 사이드실 금형과 유사한 다른 제품에 적용이 가능하여 높은 제조 경쟁력을 보장할 수는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로 제작할 자동차 차체 부품인 Side sill reinforcement의 위치를 나타낸 예시도이다.
도 2은 EBSD(Electron Back Scatter Diffraction)로 본 발명에 적용된 소재인 SGAFC1180Y강의 집합조직을 극점도를 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SGAFC1180Y강의 역극점도를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사이드실(Sill side reinforcement)금형은 OP10공정에서 OP40공정 중, OP10공정의 금형 단면을 예시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사이드실(Sill side reinforcement)금형은 OP10공정에서 OP40공정 중, OP20공정의 금형 단면을 예시한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 사이드실(Sill side reinforcement)의 모델링을 3차원으로 보인 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 소재(고강도 강판)의 탄성계수, 항복강도, 인장강도 및 연신율과, 상기 소재의 집합조직 성분을 분석해 발달한 집합조직의 소성이방성을 토대로, 스프링백이 최소화되는 방향을 판독해, 상기 소재의 프레스 가공시, 스프링백이 최소화되는 방향으로 블랭크가 배치되게 소재를 성형하여 스프링백을 저감하는 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법에 관한 것으로, 도면을 참조하여 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

단면이 U형 또는 V형 형상의 자동차 차체 부품을 프레스 가공할 시, 발생하는 치수불량의 대표적인 원인 중 하나인 스프링백을 저감시키는 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법은 자동차 차체 부품을 이루는 소재의 물리적 특성평가를 통해 소재의 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율을 측정하는 단계, EBSD(Electron Back Scatter Diffraction)를 이용한 집합조직 해석을 통해 상기 소재의 발달한 집합성분을 파악하며, 결정립들의 형상분포와 결정배향성을 해석하는 단계, 상기 소재의 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율 및 집합조직 결정립들의 형상분포와 결정배향성을 토대로, 상기 소재의 압연방향을 기준하여 소재 중 스프링백이 최소가 되는 방향을 판독한 후, 소재 중 스프링백이 최소가 되는 방향을 블랭크의 방향(성형될 소재의 진입방향)으로 설정하는 단계를 포함하는 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시에 따른 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법을 채용하여 차체 패널의 제작을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 실시로 제작할 자동차 차체 부품은 도 1에 도시한 바와 같이 사이드실(Side sill reinforcement)로, 먼저 a)단계로, 자동차 차체 부품을 이루는 소재의 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율을 측정한다.

이때 본 발명의 실시예에 적용된 고강도강 소재는 SGAFC1180Y 강종으로 합금화아연도금강판의 등급에 속하고, 고내식성을 요하는 자동차에 가장 많이 사용되는 제품이다.

이러한 SGAFC1180Y의 물리적 특성은 인장시험을 통해 아래의 [표 1]에 나타낸 바와 같은 측정값을 얻었다.

압연방향	탄성계수(GPa)	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	연신율(%)
0°	200	852	1139	10.57
45°	198	848	1131	10.65
90°	210	844	1160	9.41
평균	202.7	848	1143	10.21

[표 1]에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 소재인 SGAFC1180Y의 압연방향에 따른 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율 등 물리적 특성이 상이하여 상기 소재는 이방성을 띄고 있는 것을 알 수 있다.

다음은 b)단계로, 집합조직 해석을 통해 상기 소재에 발달한 집합성분을 파악하여, 집합조직 결정립들의 형상분포와 결정배향성을 해석한다.

이때 집합조직의 해석은 EBSD(Electron Back Scatter Diffraction)를 이용한 집합조직 해석을 통해 극점도 및 역극점도를 이용하여 상기 소재에 발달한 집합성분을 파악하여, 집합조직 결정립들의 형상분포와 결정배향성을 해석한다.

도 2은 본 발명에 적용된 소재인 SGAFC1180Y강을 EBSD를 사용하여 측정한 극점도를 도시한 사진이다.

본 발명에 따른 소재의 집합조직은 전형적인 냉연 집합조직 α-fiber가 발달하였으며 {110}//ND의 방위가 우선적으로 성장하는 것으로, 도 2에서 보면 시편의 RD방향으로는 {110}방향의 방위가 랜덤하게 분포되어 있다.

이때 시편의 RD방향으로 항복점 이상의 응력을 가할 경우 슬립이 일어날 수 있는 확률이 높아 강도가 약해지고 연신율이 증가하게 된다.

그리고 TD방향으로의 방위분포를 살펴보면, 3개의 집합조직이 발달한 것을 볼 수 있으며, 마찬가지로 TD방향으로 항복점 이상의 응력을 가할 경우 3군데의 방향으로만 국부적으로 슬립이 일어나게 된다.

일반적으로 집합조직이 모여있게 되면 강도가 올라가고 연신율이 떨어지는 현상을 보이므로 RD방향보다 TD방향이 강도가 비교적 강한 것을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시에 따른 SGAFC1180Y강의 역극점도을 보인 사진으로, 역극점도 역시, {110}//ND의 방위가 상대적으로 크게 발달 된 것을 알 수 있다.

다음은 c)단계로, 상기 a)단계 및 b)단계에 의한 상기 소재의 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율 및 집합조직 결정립들의 형상분포와 결정배향성을 토대로, 상기 소재의 압연방향을 기준하여 소재 중 스프링백이 최소가 되는 방향을 판독한 후, 소재 중 스프링백이 최소가 되는 방향을 블랭크의 방향(성형될 소재의 진입방향)으로 설정한다.

이때 상기 c)단계인 블랭크의 방향을 설정하는 단계에서는 CAE(Computer Aided Engineering) 기술을 기반으로 한 상용 유한요소 시뮬레이션 프로그램을 이용해 압연방향에 따른 블랭크의 방향을 전산 모사하여 스프링백 감소를 측정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 사이드실(Sill side reinforcement) 금형은 OP10공정부터 OP40공정으로 구성되고, 그 중 스프링백에 영향을 주는 공정은 도 4 및 도 5에 도시한 OP10공정과 OP20공정이다.

이를 참고하여 스프링백 예측을 위한 성형해석 프로그램으로는 동적 외연적 상용 유한요소 프로그램인 PAM-STAMP 2G를 사용하였고, OP10공정과 OP20공정을 합하여 드로우 공정을 설계하며, 드로우 공정 후 트리밍공정을 추가하여, 도 6은 사이드실(Sill side reinforcement)의 모델링을 보인 것이다.

상기한 과정으로 본 발명의 소재 중 스프링백이 과다하게 발생하는 방향은 Y축 방향에 평행하게 발생하는 경향이 있으므로, Y축 방향에 대하여 스프링백이 최소가 되는 방향으로 블랭크의 방향을 설정하여 압연방향을 기준으로 블랭크를 배치한다.

스프링백은 항복강도가 높을수록, 탄성계수가 작을수록, 인장강도가 작을수록 커지며, 연신율이 클수록 스프링백이 증가하는데, 위의 [표 1]을 참조하면 소재의 압연방향이 90°일 경우, 강도가 높게 나타나고, 집합조직 해석 결과 역시, 시편의 TD방향(압연방향이 90°인 방향)일 때 강도가 가장 높게 나타난다.

강도가 높을수록 스프링백은 감소하는 경향이 있으므로, 따라서 압연방향이 90°인 방향인 제품의 Y축에 평행하도록 블랭크의 방향(소재가 프레스 금형 상에 놓여지는 방향)을 설정하면 스프링백을 감소시킬 수 있게 된다.

여기서 블랭크의 방향은 프레스 가공을 실시하는 금형의 길이방향과 직각을 이룬다.

그러므로 상기한 과정에 의해 스프링백이 저감되는 해석결과를 보였으며, 사이드실 금형 제작 후, 트라이아웃 결과 스프링백이 저감된 제품을 제작할 수 있었다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

1. a)자동차 차체 부품을 이루는 소재의 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율을 측정하는 단계;
   b)집합조직 해석을 통해 상기 소재에 발달한 집합성분을 파악하여, 집합조직 결정립들의 형상분포와 결정배향성을 해석하는 단계; 및
   c)상기 a)단계 및 b)단계에 의한 상기 소재의 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율 및 집합조직 결정립들의 형상분포와 결정배향성을 토대로, 상기 소재의 압연방향을 기준하여 소재 중 스프링백이 최소가 되는 방향을 판독한 후, 소재 중 스프링백이 최소가 되는 방향을 블랭크의 방향으로 설정하는 단계를 포함하는 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 c)단계인 블랭크의 방향을 설정하는 단계에서
   CAE(Computer Aided Engineering)기술을 기반으로 한 상용 유한요소 시뮬레이션을 통해 압연방향에 따른 블랭크의 방향을 전산 모사하여, 상기 소재의 스프링백 감소를 예측하는 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 소재는
   250MPa급의 IF steel 내지 1200MPa급의 Trip강의 고장력 강판인 것을 특징으로 하는 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 블랭크의 방향은
   프레스 가공을 실시하는 금형의 길이방향과 직각을 이루는 집합조직을 이용한 고강도 강판 스프링백 저감방법.

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