핫스탬핑 범퍼빔의 최적화 설계를 위한 해석적 연구

Abstract

본 연구는 열간 프레스성형기술의 장점을 활용하고 나아가 양산에 적용할 수 있도록 본 기술에 활용되는 소재의 특성을 규명하고 제반 성형조건을 파악하며 실제 제품 생산에 활동하기 위한 기초자료로 활용하고자 하였다. 또한, 열간 프레스성형에 적용되는 보론 강판의 기본특성을 분석하고 그 분석된 물성을 통해 성형 및 충돌해석의 기초자료로 활용 할 수 있도록 공정표준을 정립하고자 하였다. 아울러 실 제품의 개발을 위한 설계, 해석 및 시제품 개발을 통해 해석과 시험의 신뢰성을 평가하여 실제 제품생산에 활용할 수 있는 해석기술 확보에 중점을 두고 연구를 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. (1) 보론이 첨가된 핫스탬핑 강판은 900℃에서 수냉시 마르텐사이트 조직으로 변태하였고, 미소 경도값은 500Hv로 나타났다. (2) 핫스탬핑 강판의 냉각속도는 대략 57℃/sec 이상에서는 마르텐사이트 조직으로 변태가 가능한 것으로 나타났다. (3) 상온 인장시험 결과, 두께에 따른 인장강도의 변화는 관찰할 수 없었으며 열처리온도가 낮을수록 인장강도는 낮아졌다. 이는 열처리시에 소재가 충분히 오스테나이트화하지 못한 상태로서, 이 상태에서 급랭 시 마르텐사이트 변태량이 충분치 못한 것으로 판단된다. (4) 고온인장 시험결과 시험온도가 증가함에 따라 유동응력은 감소하고 총연신율은 증가하였다. 800℃에서 시험한 경우 항복강도는 60MPa로 상온에 비해 약 70% 정도 감소하였고 총연신율은 123%로 상온에 비해 약 4배 정도 증가하였다 (5) 핫스탬핑 범퍼레일의 용접 열영향부 내에서는 합금성분과 무관하게 용접열에 의해 공통적으로 페라이트 조직으로 변태하였다. 이는 핫스템핑 소재가 마르텐사이트로 변태된 조직이 간접적인 용접열에 의해 페라이트로 변태하였기 때문이다. 따라서 금속조직의 연화로 충돌시에 파괴되는 현상이 나타나는 것으로 사료되며, 또한 용접부의 조직 변태에 따른 노치현상도 검토되어야 할 것으로 사료된다. (6) 프레스 공법으로 생산할 수 있는 최적의 범퍼빔 단면을 찾기 위하여 Pugh 기법을 통한 개념도출이 이루어졌고, 1~2차에 걸친 개념개발을 통하여 M자형의 단면 형상이 충돌성능 및 제품 성형적인 측면에서 가장 유리할 것으로 판단되었다. (7) 개념개발에 의해 선정된 범퍼빔 단면에 대하여 성능에 영향을 미치는 8가지 제어인자를 도출해 내었고, 2수준 제어인자 1개와 3수준 제어인자 7개를 정의하였다. 4374회 시험을 거쳐야 하지만, 실험계획법을 사용하여 18가지 조합으로 대체할 수 있었고, 범퍼빔에 대한 충돌해석을 시행함으로써 각각의 인자들에 대한 S/N비와 β값을 얻을 수 있었다. 영향도 분석결과, A인자의 2수준, B인자의 2수준, C인자의 2수준, D인자의 3수준, E인자의 1수준, F인자의 1수준, G인자의 3수준, H인자의 2수준이 최적 수준으로 결정되었다. (8) 8가지 제어인자에 대한 최적 수준대로 범퍼빔이 설계되었으며, 양산에 적용될 수 있도록 범퍼시스템을 재구성하였다. 적용 차종이 SUV 차량이므로 충돌성능평가는 유럽법규에 해당되며, 해석을 통한 성능 검증이 이루어졌다. 해석결과, center/offset/corner pendulum 시험에 모두 합격하는 결과가 나타났다. (9) 법규성능뿐만 아니라, 상품성 시험인 IIHS 평가도 충돌해석을 통하여 성능을 검증해 보았다. 범퍼빔 중심부에 변형이 있었으나 꺾임 현상은 없었으며, 언더라이딩이나 오버라이딩과 같은 실제 차량 충돌에서 수리비가 많이 나오는 이상 변형은 일어나지 않았고, 변형량(INT)이나 밀림량(DEF) 모두 허용 범위(SPEC)안에 모두 포함되는 것을 확인할 수 있었다. (10) 최적 설계를 바탕으로 CAE 해석을 통해 핫스탬핑 금형 및 공정을 설계하였다. 성형성을 검토한 결과 평균적으로 20% 정도의 변형률을 나타내었으며, 다만 제품 끝단에 65%의 국부변형량을 나타내었지만 위치상 제품의 끝단에 위치하여 성형에는 큰 문제가 없을 것으로 판단되었다. (11) 제작된 범퍼시스템에 대한 성능 평가는 국가 구속력을 가지는 ECE R42 유럽법규와 보험업체에서 주관하는 상품성을 평가하는 IIHS시험 두가지 종류로 진행되었다. 시험속도 4.1km/h에 준하는 법규시험에서는 전방 보강재의 변형이외에 큰 결함이 발견되지 않았으며, 실제 완성차 시험에서도 무리없이 합격될 수 있을 것으로 판단되었다. (12) IIHS 시험에서는 범퍼빔의 곡률변화와 함께 약 40mm의 영구변형이 생겼으며, 좌측 범퍼 스테이에서도 플랜지가 꺾이는 현상이 발견되었다. 하지만, 변형량이 모두 요구조건에 만족되는 결과를 나타내며, 언더라이딩이나 오버라이딩과 같은 이상 변형이 발견되지 않음으로써 향후 완성차 시험에서도 유리한 결과가 나올 것으로 기대된다.

Recently, the optimal process has been conducted on to reduce the cost and cycle time for a serial production. The conventional the study about hot stamping is mostly studies on the metallurgical and mechanical properties by boron additive in the room temperature and high temperature. To develop the bumper system in this study, the hot stamping process added in boron was applied. It means one of the optimal methods for the absorption of impact energy by applying DFSS techniques. The hot stamping technique is the forming work to manufacture the high strength parts by cooling rapidly after the press forming in heating as about 950℃ of optimum temperature for boron steel. Boron steel has a very small amount of boron in order to improve hardenability of the steel. This boron exists as the solid solution in austenite, and it plays an important role to improve hardenability. The hot stamping technique is expected to be able to confront each other effectively for the required property at parts of car body, the safety and the light weight. Therefore, a purpose of this study is an application for mass production by using the merit of hot stamping technique. Material properties of the boron steel used in this study are need to the application of hot stamping. These property values obtained from various methods were applied as the basic data for the forming condition and working. Also, the obtained material properties of boron steel were used as the basic data for the impact analysis. The results obtained from this study are given as follows. (1) The hot stamping steel plate by boron additive indicated martensite structure by water cooling after heating of 900℃, micro hardness has 500 Hv. The cooling rate in above about 57℃/sec for the hot stamping steel plate makes martensite structure. (2) From the results of room temperature tensile test, the variation of tensile strength by the thickness difference was not shown. However, tensile strength was decreased when the heat treatment temperature is lower. It is considered that the transformation to martensite structure did not complete because of the insufficient formation of austenite structure in the material by the heat treatment. (3) From the results of high temperature tensile test, the stress decreases and the total strain increases when the test temperature increases. In case of 800℃ of test temperature, yield strength indicated 60 MPa reduced about 70%, but the total strain increased about 4 times compared with the result of room temperature. (4) The structure of heat affected zone of the hot stamping bumper rail was transformed as ferrite structure regardless of the alloy compositions. Therefore, it may be fracture by the softening of metal structure when occurs a crash. (5) In order to make the section of the optimal bumper beam by press method of construction Pugh technique was applied. The section of M shape is considered that advantages from the viewpoint of the impact performance and forming. (6) The control factors of kinds of 8 for the bumper beam section selected by the concept development were obtained. Also, from the impact analysis for the bumper beam, S/N ratio and β value were obtained from each control factor. (7) In IIHS (Insurance Institute for Highway Safety) test, the deformation occurred in the centre of bumper beam, but the turn-down phenomenon did not occur. Also, the uncommon deformation such as underriding and overriding did not occur. (8) The mold and process of the hot stamping were designed through CAE analysis in the based on optimal design. From the analysis result the degree of forming indicated deformation average about 20%. (9) The performance test for the manufactured bumper system was conducted by ECE R42 Europe rule and IIHS test method. From the rule test by 4.1km/h of the test speed, the large scale defect did not observe except for the deformation in front reinforcement material.