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 !!