자동차의 성형기술

자동차 에서의 성형기술 이란 기존의 철강 기술 한계 돌파를 위한 초고강도/고연석/저온인성 임계형 기술과 고 변형능/초내식성/용접성/전자파 차폐/생체적합성 신기능 창출을 위한 융합형 기술 간 통합 접목을 통한 신기능성 고강도 철강소재를 의미하며 고강도 철강소재의 범위는 화학조성, 핵 생성 및 성장, 변형 및 가공(기계가공, 소성가공, 용접/접합, 주조/단조, 재활용 등)의 임계 제어를 통한 불술 문 및 나노 석출물 입자의 순기능 화이며, 신기능 창출 기술은 복합상화 구현 및 새로운 강화기구 응용 기술이라고 말할 수 있다.

 

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1. 차체부품 성형 기술

성형기술들은 주로 정부 지원 정책은 소재부품 전문 기업 등의 육성에 관한 특별 조치법을 제정하여 소재부품 산업 발전을 위한 본격적인 육성정책 추진이 이루어지고 있는데 전후방 산업의 연관효과가 가장 크고 부가가치가 매우 높은 산업으로 생산유발계수, 고용유발계수가 큰 국가산업의 중심적 위치를 하고 있다. 소재부품 전문 기업 등의 육서에 관한 특별조치법을 제정하여 소재 부품 산업 발전을 위한 본격적인 육성 정책이 추진되고 있으며 전후방 산업의 연관 효과가 가장 크고 부가가치가 매우 높은 산업으로 생산유발계수, 고용유발계수가 큰 국가산업의 중심적 위치에 있다고 볼 수 있다.

 

일정 수준의 강도와 가공성이 요구되는 구조부재의 경우 최근 DP, FB강으로 전환되고 있고, sill side등에 780급 DP강이 채용 되고 있으나, 향후 1 GPa급 CP, DP 등이 사용될 것으로 전망 B-pillar 등을 포함한 pillar 부품 역시 기존의 HSS에서 내 충돌 특성이 우수한 HPF 또는 1 GPa급 TWIP 또는 TRIP강이 사용될 것이며, 충격에너지 흡수가 필요한 HSS 및 일부 TRIP강이 사용되고 있으나, 향후 1 GPa급 이상의 고장력 강판이 채용될 가능성이 높을 것으로 볼 수 있다.

 

2. 성형기술 원리

일반적으로 고강도 소재의 적용은 안전성 증대, 두께 축소 및 보강제 삭제에 의해 경량화, 비용 절감 등의 효과를 얻을 수 있으며 일반 소재에 비해 낮은 연신율, 높은 성형하중, 항복강도, 스프링 백 등의 영향으로 금형 마모, 제품 정밀도 저하, 공수 증가 등의 사항이 발생하기 때문에 기존 성형 방식인 프레스 방식으로는 한계가 있어 대체 성형법인 다단 성형공법이 검토되고 있고 다단 성형 공법은 박판 소재를 다단의 롤 금형에 통과시켜 점진적인 소성 변형을 이용한 성형법으로 강성 증대를 통한 안전성 강화 및 경량화를 동시에 이룰 수 있는 기술이다.

 

이러한 다단 성형 기술이 차체 부품에 적용됨에 따라 보강재를 삭제한 일체화 부품 제조가 가능하고, 프레스 공정의 소재 회수율 70% 내외에 비해 90% 이상의 소재 회수율로 재료비 절감의 효과를 기대할 수 있으며 또한 금형 마모도가 낮기 때문에 수명 향상과 제품 정밀도 개선 및 단면이 일정한 형상의 제품을 경제적으로 생산할 수 있는 이점으로 건축, 선박, 항공, 자동차 등의 여러 분야에 확대 적용 되고 있다고 볼 수 있다. 이러한 미래형 자동차의 핵심 제조기술인 다단 성형기술을 적용하여 1 GPa급 이상 MS강을 적용하여 고강도 경량 차체부품 개발이 필요하다.

 

3. 성형기술 종류

고안전 초경량 차체부품 개발에 필요한 기술 파악에 주력을 해야하며 차체 기술은 중요도에 있어서 구동이나 전장에 비해 상대적으로 낮게 취급되어 왔다. 하지만 최근 안전과 연비에 대한 고객의 요구가 강화됨에 따라 고강도 소재의 비율이 증가되는 추세이며, 이에 따른 성형성 개선의 목적으로 기존의 프레스 성형 방식에서 다단 성형 기술을 이용한 고강도 경량 차체부품개발 능력을 확보해야 한다. 당사에서는 공법에 적합한 제품 설계기술, 공정에 대한 예측능력, 금형 설계 및 평가 기술 등이 있으며, 이 중에서 주요 기술인 공법에 대한 공정해석 능력 및 이러한 공법을 감안한 부품 설계 기술 등이다.

 

이러한 기술들이 성공적으로 개발된다면 부가가치 높은 차체부품 설계 능력을 보유하게 되고, 기술 표준화를 통해 고안전 및 경량 차체 부품 설계 기술의 체계적인 확립이 가능해지며 이러한 기술 표준화의 목적으로 수년간의 연구개발을 통해 다단 성형법을 이용한 고강도 차체 제품 설계, 공정 해석, 금형 설계 및 평가 기술을 축척해 왔으며, 자동차 충돌 시 승객 안전을 보호하는 목적의 범퍼 빔에 대하여 다단 성형법으로 양산화에 성공하였고, 본 연구를 통해 다소 부족한 소재 거동 특성 및 시초 시험, 공법 분석 등을 통해 성형기술에 대한 표준화를 구축하고, 신뢰성을 확보해 가고 있다. 크게 다단 롤 성형에는 직선 빔을 성형 방식이 있고, 다음으로 곡률을 만드는 곡률 다단 롤 성형 방식으로 나누어지며 고강도 소재별 원소재 특성 분석은 다음과 같은 특성 분석이 필요하다고 말할 수 있으며

 

다단 성형기술은 고강도 소재를 성형하는 데 있어서 가장 합리적인 성형 방법으로 알려져 있으나 부품 제조 업체의 경우 제품 생산에 초점을 맞춰 기초기술에 대한 연구가 미흡한 것이 현실이고 기초기술은 다단 성형 플라워 설계, 금형설계, 성형성 해석 등의 기본기 술과 함께 가공 속도, 윤활, 마찰, 소재강도, 이방성 계수, 가공 경화 등 다양한 인자에 따른 영향도를 함께 고려하여야 한다. 다단 성형 제품의 불량 사례로는 Waviness, Crack, 곡률 불량 등이 있으며 이는 점진적 소성 가공량의 제어 불량에 따른 불량유형으로 이를 해결하기 위해서는 소재에 대한 기초 물성 평가를 실시하여 DB를 구축하고, 이를 바탕으로 공정 제어 인자를 얻는 방식이 최적 안이며 소재가 개발되어 양산 제품에 적용이 되는 기간이 짧고, 소재 수급이 어려운 성형업체에서는 소재의 특성에 대한 자료가 부족하여 초기 부품 개발 및 안정화에 많은 시간과 노력 그리고 자금이 투입되는 문제점을 항상 반복하고 있는 실정이다.

 

 

 

※참조문헌 : 자동차 차체부품 차세대 경량화 (정희태 2019)