계수 측정 번역(한국어 원본)오늘날 자동차 산업은 배기가스 감소에 의한 지구 환경 문제의 개선과 충돌 성능 향상에 의한 고안전성을 요구받고 있다. 차량 경량화와 고강성 차체를 실현하기 위해 고강도강(High strength steel), 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등의 신소재를 이용하거나, 하이드로포밍(hydroforming), 일체복합성형(simultaneous forming), 핫에어포밍(hot air forming)등과 같은 신공법을 사용하여 차체를 제작하고 있다. 일반적으로 신소재의 경우, 낮은 성형성 문제, 신공법은 과중한 초기 설비투자 비용으로 많은 제약이 있다[1~2]. 핫스템핑(Hot stamping)은 인장강도(Tensile strength)가 600MPa정도의 보론강을 900℃ 이상으로 가열하여 오스테나이트상(Austenite)에서 고온 성형(Hot stamping)을 하고, 성형 후 급격한 냉각 공정(quenching)으로 마르텐사이트조직(Martensite)으로 상변태(phase transformation)를 유도하여 소재의 인장강도를 1400MPa 이상으로 증가 시킨다. 또한 무게는 기
Fig. 1 Tensile strength and microstructure change of Boron steel during hot press forming
존 제품보다 40%까지 줄일 수 있다. Fig.1은 핫스템핑의 공정 중의 인장강도와 미세조직 변화를 도시하였다.
핫스템핑은 직접법(Direct hot stamping)과 간접법(Indirect hot stamping)으로 분류할 수 있다. 간접법(Indirect hot stamping)은 상온에서 대부분의 성형을 수행하며, 제품 상태에서 가열하고, 10% 미만의 나머지 공정을 고온성형(hot stamping)하며, 최종적으로 금형 밖의 수냉방식(water quenching)으로 냉각(cooling) 공정을 완료하는 방식이다. 수냉방식으로 인하여 급냉(rapid cooling)이 가능하고 완전 마르텐사이트 상변태가 가능하여 1500MPa의 초고강도 제품을 얻을 수 있지만, 상변태에 따른 체적변화(volume change)에 의한 후변형이 발생하므로 치수 정밀도가 낮은 단점이 있다.
반면에 직접법(direct hot stamping)은 성형 이전에 판재를 900℃이상의 고온으로 가열 한 후 성형공정( hot stamping process)을 수행하고, 금형(die)내에서 냉각채널(cooling channel)을 통한 퀜칭(quenching)공정이 수행되는 방식으로 간접법에서의 문제점인 후변형 문제를 금형냉각(die quenching) 방식을 통해 해결할 수 있는 장점이 있다. 하지만 금형 냉각 방식을 사용할 경우 900℃이상의 고온으로 가열된 소재의 온도를 급격히 떨어트릴 수 있는 냉각(cooling) 방법이 요구된다.
핫스템핑(Hot stamping)은 유럽 자동차 제조사와 강판 제조사에 의해 1975년 스웨덴의 SAAB Hardtech 사에서 개발된 이후 현재에도 활발한 연구가 진행되고 있다. A. Turetta등은[3] 22MnB5 소재를 이용하여 기계적 물성(Mechanical property) 및 상 변화 데이터 (Phase transformation)를 확인하고, 변형 중 및 변형 이후의 냉각 속도와 상 분포로 판재 성형공정 조건을 재현하면서 판재의 성형성(formability)을 결정하는 새로운 시험 방법을 개발하였다.
Geiger등은[4] 오스테나이트화하는 시간은 너무 짧거나 길지 않아야 함을 밝히고 냉각 속도가 접촉압력에 관계가 있음을 관찰하였다. M. Merklein등은[5] Arcelor에서 제조한 USIBOR 1500P를 사용하여 온도, 변형률 속도(strain rate) 및 냉각 속도 (cooling rate)가 오스테나이트 상태의 고온 성형 물성 값에 높은 영향을 미침을 실험적으로 확인하였으며, 전산 시뮬레이션의 경우에도 이러한 변수를 고려해야 한다고 제시하였다. Tekkaya등은[6] 열과 기계적 거동을 분리(decoupled)하여 두 개의 유한요소(Finite Element Method) 패키지(MARC 2005 및 PAM-STAMP 2G)로 핫스템핑 공정을 해석함으로써 열-기계적 거동 결합 시뮬레이션의 경우에 비하여 계산 시간을 80% 이상 단축하였다. 이상의 방법들에서는 열 및 상 변화를 결합한 방법들은 없었다. 핫스템핑의 경우, 공정 중 조직 변화가 광범위하게 일어나므로 상변태 (Phase transformation)를 고려하는 것이 바람직하다. 그러나 온도와 상의 변화에 따라, 그리고 변형율 속도(strain rate) 및 냉각 속도에 따라 재료의 고온 기계적 성질 데이터가 필요하고, 이를 얻기 위해서는 고온 거동을 측정하기 위해 특수 장비와 많은 시간, 그리고 비용이 요구된다.
본 연구에서는 JMatPro[7]로 보론강 재료의 물성 값을 얻었다. 그리고 핫스템핑의 간접법을 이용하여 후륜현가 장치인 커플드 토션빔 액슬(coupled torsion beam axle : CTBA) 을 개발하기 위하여 상변태를 포함한 고온성형해석을 수행하였다. 실제 간접법을 이용해 Try-out을 수행하였으며, 해석결과와 비교분석을 통하여 튜브의 영역에 따라서 다른 열전달계수 (heat transfer coefficient)가 필요함을 확인하였다. 이에 Termo-Couple을 이용한 열전달 측정시험을 수행였다. 측정된 열전달 계수를 성형해석에 적용하여 열전달, 시간에 따른 상변태 및 후변형을 구하였으며, Try-out과 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다. |
계수 측정 번역(영어 번역본)Today’s automobile industry is required to improve environmental problems through emission reduction and to ensure high level of safety by improving collision performance. To achieve light-weight and highly rigid material, new materials such as high strength steel, aluminum alloy, and magnesium alloy or new processes such as hydroforming, simultaneous forming, and hot air forming are used to manufacture car bodies. Generally, low formability problem and excessive initial facility investment costs present limitations for new materials and new processes, respectively [1, 2]. In hot stamping, boron steel with a tensile strength of about 600MPa is heated to over 900℃, and hot stamping is performed in austenite state. After transformation, rapid quenching induces phase transformation into martensite to increase the material’s tensile strength to over 1400MPa. Also, the weight can be reduced by 40% of the original weight. reduced to 40% of the original weight)
Fig. 1 Tensile strength and microstructure change of Boron steel during hot press forming
Fig. 1 illustrates the change in tensile strength and microstructure during the hot stamping process.
Hot stamping can be categorized into direct and indirect hot stamping. In indirect hot stamping, most of transformation is performed at room temperature. Heating is done on pre-formed parts and less than 10% of rest of the process is hot stamped. Finally, water quenching is performed outside the die to complete the quenching process. Water quenching allows for rapid cooling and complete phase transformation into martensite, but dimensional accuracy is low due to post-deformation from volume change caused by the phase transformation.
In direct hot stamping, on the other hand, the plate is heated to over 900℃ prior to transformation by hot stamping. Quenching process is performed inside the die through cooling channel, thereby circumventing post-deformation problem in indirect hot stamping through die quenching. However, rapid cooling method is required for die quenching to quickly cool the material that is heated to over 900℃.
Hot stamping has been developed in 1975 by European automobile manufacturers and steel manufacturers in the Swedish company SAAB Hardtech, and is still being actively researched. A. Turetta et al. [3] used 22MnB5 to verify mechanical property and phase transformation data, and developed new test method determining plate’s formability by reproducing transformation conditions using cooling rate and phase distribution during and after transformation. \
Geiger et al. [4] showed that time for austenitization must be neither too short nor too long and cooling rate is dependent on the contact pressure. M. Merklein et al. [5] used USIBOR 1500P manufactured by Arcelor to experimentally confirm that material property from high-temperature transformation at austenite state is highly dependent on temperature, strain rate, and cooling rate, and suggested that these variables must be considered in simulations. Tekkaya et al. [6] decoupled heat and mechanical behavior and analyzed hot stamping process using two finite element method packages (MARC 2005 and PAM-STAMP 2G), thereby reducing calculation time by more than 80% compared to simulations that couple heat and mechanical behavior. Above methods did not couple heat and phase changes. In case of hot stamping, it is favorable to consider phase transformation because of extensive microstructural evolution during the processing. But material’s mechanical property data at high-temperature according to temperature/phase change, strain rate, and cooling rate is required, and special equipment, time, and cost is required to measure these high-temperature behaviors.
In this study, JMatPro[7] was used to measure material property of boron steel. Hot stamping analysis (including phase transformation) was performed using indirect hot stamping to develop CTBA (coupled torsion beam axle), a rear suspension equipment. Try-out was performed using actual indirect hot stamping and the result was compared to analysis result. Comparison showed that different heat transfer coefficients must be used according to zones in the tube. Then heat transfer measurement test was performed using thermocouple. Measured heat transfer coefficients were used in the forming analysis to obtain phase transformation and post-deformation according to heat transfer and time, which were highly similar to the results from the try-out. |
