플로우포밍 공법 적용 부위 내구물성 확보를 위한

CAE 활용 및 내구시험 적용사례

현대자동차 샤시해석팀 신준탁 책임연구원

목차

1. 연구배경 및 목적

2. 본론

- 플로우포밍 공법 적용 알루미늄 휠

- 내구 물성 확보 실물시편 시험 제안

- CAE 이용 사전검증 및 플로우포밍 적용 부위 내구물성 확보

3. 결론 및 향후계획

1. 연구배경 및 목적

연구배경

1. 당사 샤시해석팀 CAE를 이용한 알루미늄 휠 내구강도 성능 예측 - CFT(회전굽힘내구) : 스포크

- RFT(반경방향내구) : 림

- 충격시험(ISO 13°법) : 스포크, 볼팅 부

2. 최근 플로우포밍 공법 적용 알루미늄 휠 제작 증가 추세 (주조 후 림 부를 국부적으로 추가 성형, 기계적 성질 향상 및 경량화)

3. 플로우포밍 적용 부위 내구물성 확보 필요 - RFT(반경방향내구) 해석 내구물성

플로우포밍 적용 후

플로우포밍 적용 전

주조 림부 플로우포밍 (2~3회)

마무리가공 및 열처리

롤러

1. 연구배경 및 목적

목적

1. 피로시편 시험 대체 가능한 실물시편 시험 제안 (피로시편 시험 불가능 부위)

2. 실물시편 시험 및 CAE 활용 알루미늄 휠 플로우포밍 공법 적용 부위 내구물성 확보

3. 제조 업체 별 플로우포밍 공법 적용 알루미늄 휠 내구 물성치 비교

크랙유도

S

N

ε

N

P

N

실물시편 시험장치 고안

실물시편

내구물성 확보 실물시편 시험 CAE 이용 사전해석 하중-수명 선도 확보 CAE 이용 Correlation

2. 본론

2-1. 플로우포밍 공법 적용 알루미늄 휠

- 플로우포밍 공정 : 1차 주조 후 롤러회전 및 이동, 림 부를 국부적으로 성형

- 적용목적 : 림 부의 기계적 성질 향상을 통한 경량화

- 중량절감량 : 18인치 휠 기준 대당 4~5kg 절감

- 고강도화 : 저압주조 대비 15% 강도상승

< 플로우포밍 공법 적용 알루미늄 휠 제작공정 >

회전

롤러

이동

구분 ‘A’ 18인치 ‘B’ 18인치

주조 11.2kg 12.4kg

플로우포밍 10.4kg 11.3kg

중량절감 0.8kg (개당) 1.1kg (개당)

4.0kg (대당) 5.5kg (대당)

구분 항복강도

(Mpa)

인장강도

(Mpa)

연신율

(%)

주조 200 270 10

플로우포밍 230 290 13

증가율(%) 15% 7.4% 30%

< 플로우포밍 공법 적용 후 중량 및 기계적 성질 변화 > < IFT(International Forming Technology, Inc.) 인용자료 >

2. 본론

2-1. 플로우포밍 공법 적용 알루미늄 휠

주조 림부 플로우포밍

(2~3회) 마무리가공 및 열처리

롤러

플로우포밍부

플로우포밍 적용 전

플로우포밍 적용 후

주조부

플랜지 (주조)

림 (플로우포밍)

플로우포밍 전 플로우포밍 후

플로우포밍 공법 적용 알루미늄 휠 제작 공정 플로우포밍 공법 적용 전,후 조직비교

2. 본론

2-2. 내구 물성 확보 실물시편 시험 제안

HKMC 알루미늄 휠 표준 피로시편 채취 위치

5mm

10mm

주조 플로우포밍

시편 채취

표준 피로시편 표준번호 : KS B ISO 1099 국제표준 : ISO 1099: 1975

3~4mm

플로우포밍 공법 적용 알루미늄 휠 피로시편 채취 불가

< 한국산업표준(KS) 국가표준인증종합정보센터 발췌 >

플로우포밍 공법 적용 부위 실물시편 제안

< RFT(반경방향내구) 시험 및 해석결과(취약 부) >

크랙유도 (림부 끝단)

실물시편

2. 본론

2-2. 내구 물성 확보 실물시편 시험 제안

실물시편 시험장치 고안

하중

고정

회전가능 회전가능

끝 단 파손방지

축 방향 이동

하중

크랙유도 (림부 끝단)

< 실물시편 시험장치 하중 및 경계조건 >

하중

time

2. 본론

실물시편 시험 재현해석 및 취약 부 확인

2-2. 내구 물성 확보 실물시편 시험 제안

“A”사 휠 (18인치)

“B”사 휠 (18인치)

60°

60°

“A”

시험결과 Strain (1.0 E-06)

Gage #1 Gage #2

“A” 사 휠 10,529 7,630

“B” 사 휠 15,229 9,095

“B”

Gage #1

< 제조 업체 별 실물시편 선정 > < 실물시편 재현해석 및 취약 부 확인 >

Gage #1 Gage #2

Gage #2

Gage #1

Gage #2

88mm

82mm

2. 본론

2-3. CAE 이용 사전검증 및 플로우포밍 적용 부위 내구물성 확보

크랙

실물시편 시험장치

실물시편 시험 및 CAE를 이용한 내구물성 확보과정

Output

P

N

하중-수명 선도

사전해석

CAE

Output

S

N

ε

N

내구물성 확보

< 응력-수명 선도 >

< 변형률-수명 선도 >

Correlation

- 시편규격 설정 - 시험하중 설정

④ ①

②

③

2. 본론

실물시편 시험결과

“A” “B”

< 실물시편 시험 파손위치 확인 >

< 실물시편 시험을 통한 하중-수명 선도 >

크랙 발생

크랙 발생

2-3. CAE 이용 사전검증 및 플로우포밍 적용 부위 내구물성 확보

2. 본론

CAE 재현해석을 통한 내구물성 확보 (응력-수명 선도)

< CAE 재현해석을 통한 응력-수명 선도 확보 >

b)(N SRI S

2-3. CAE 이용 사전검증 및 플로우포밍 적용 부위 내구물성 확보

∆S : Stress Rnage

SRI : Stress Range Intercept of the line

b : Slope of the line

N : Life (Cycles)

2. 본론

CAE 재현해석을 통한 내구물성 확보 (변형률-수명 선도)

< CAE 재현해석을 통한 변형률-수명 선도 확보 >

2-3. CAE 이용 사전검증 및 플로우포밍 적용 부위 내구물성 확보

cff

b

f

fNN

E22

2

∆ε : Strain Amplitude

σf' : fatigue strength coefficient (피로강도계수)

b : fatigue strength exponent (피로강도지수)

εf‘ : fatigue ductility coefficient (피로연성계수)

c: fatigue ductility exponent (피로연성지수)

Nf : Reversals to failure

fN2

2. 본론

- 내구물성 확보결과 제조 업체 별 플로우포밍 공법 적용 알루미늄 휠 내구 물성 상이함

- 소성영역에서 내구 물성의 차이가 큰 편

- 제조 업체 별 플로우포밍 공법 적용 시 초기 성형 체적 및 압축률 관리를 다르게 하고 있음 (업체 별 공법 노하우)

CAE 재현해석을 통한 내구물성 확보 (제조 업체 간 비교)

2-3. CAE 이용 사전검증 및 플로우포밍 적용 부위 내구물성 확보

< 응력-수명 선도 > < 변형률-수명 선도 > fN2

2. 본론

확보된 플로우포밍 내구물성 활용

RFT(반경방향내구) 해석결과

(MSC. Nastran & Fatigue)

기존재질 내구물성

내구지수: 0.86

플로우포밍 내구물성

내구지수: 1.05

RFT(반경방향내구) 해석결과

(MSC. Nastran & Fatigue)

기존재질 내구물성

내구지수: 0.89

플로우포밍 내구물성

내구지수: 1.09

XX (18인치) YY (18인치)

RFT 시험결과

200만회 시험 후 OK

(시험성적서 첨부참조)

RFT 시험결과

200만회 시험 후 OK

(시험성적서 첨부참조)

2-3. CAE 이용 사전검증 및 플로우포밍 적용 부위 내구물성 확보

3. 결론 및 향후계획

결론

1. 피로시편 시험 불가능한 플로우포밍 공법 적용 부위 실물시편 시험방법 제안

2. CAE를 이용하여 실물시편 시험 사전검증 및 플로우포밍 공법 적용 부위 내구물성 확보

3. 플로우포밍 공법 적용 제조 업체 별 내구물성 확보

향후계획

1. 확보된 내구물성의 신뢰성 향상 위하여 해석-시험 간 Correlation 추가 필요

(현 RFT 시험은 한계 내구시험 결과 확보 어려워 Correlation 작업 한계)

2. 신뢰성 확보 후, 플로우포밍 공법 적용 알루미늄 휠 해석대응 시 제조 업체 별 대응

감사합니다 !!