하이브리드 부품의 인터로킹을 위한 냉간 압연 강판 상 언더컷이 있는 양면 표면 구조

본 소개 자료는 "[Machines]"에서 발행한 "[Double-Sided Surface Structures with Undercuts on Cold-Rolled Steel Sheets for Interlocking in Hybrid Components]" 논문을 기반으로 합니다.

1. 개요:

• 제목: 하이브리드 부품의 인터로킹을 위한 냉간 압연 강판 상 언더컷이 있는 양면 표면 구조 (Double-Sided Surface Structures with Undercuts on Cold-Rolled Steel Sheets for Interlocking in Hybrid Components)
• 저자: Aron Ringel, Sindokht Shayan and David Bailly
• 발행 연도: 2024
• 발행 학술지/학회: Machines
• 키워드: 인터로킹(interlocking); 복합 재료 부품(multi-material components); 구조화 냉간 압연(structured cold rolling); 유한요소 모델링(FE-modelling)

2. 초록:

수송 부문에서 온실가스 배출을 줄이거나 전기 자동차의 주행 거리를 늘리기 위해서는 중량 감소 전략이 필수적입니다. 경량 조립 전략 분야에서는 복합 재료 설계가 큰 잠재력을 제공합니다. 자동차 부문에서 일반적으로 사용되는 알루미늄 및 강철과 같은 재료를 접합하는 것은 용융 용접과 같은 기존 공정이 부적합하여 어려움을 야기합니다. 따라서 새로운 기술이 설계 옵션을 확장할 수 있습니다. 이전 연구에서는 강판 상 언더컷이 있는 냉간 압연 표면 구조와 다이캐스트 알루미늄 간의 기계적 인터로킹이 제시되었습니다. 이 방법은 이제 양면 시트 표면에 접합부가 있는 더 복잡한 응용을 위해 양면 구조로 확장되었습니다. 양면 구조의 제조를 조사하기 위해 수치 시뮬레이션과 검증 실험이 수행되었습니다. 또한, 상부 및 하부 구조의 서로에 대한 정렬이 결과적인 구조 형상 및 압연 하중에 미치는 영향이 분석되었습니다. 시프트(shifted) 배열에서 더 유리한 기하학적 파라미터(예: 24% 더 큰 언더컷)와 약 24.1% 낮은 성형력(20% 높이 감소 시)이 관찰되었습니다. 그러나 해당 실험에서는 구조화 롤러의 마모가 훨씬 더 높게 발생했습니다.

3. 서론:

경량 구조는 온실가스 배출 감소 및 전기 자동차 주행 거리 증가 요구를 충족시키면서도 강성 및 충돌 안전성과 같은 부품 특성을 유지하기 위해 운송 부문에서 필수적입니다[1, 2]. 특히 저밀도 알루미늄과 고강도 강철을 결합한 복합 재료 설계는 매력적인 솔루션입니다[3]. 그러나 이러한 이종 재료를 접합할 때 용접과 같은 일반적인 기술은 취성 금속간화합물(IMP)을 생성할 수 있습니다[4]. 따라서 리벳팅이나 클린칭과 같은 기계적 접합 및 하이브리드 몰딩 또는 주조 공정을 포함한 성형 접합 공정이 대안으로 제시됩니다[5, 6, 7, 8]. 특히 하이브리드 주조는 복잡한 부품 형상과 대량 생산을 가능하게 하며, 야금학적 결합[9] 또는 기계적 인터로킹[7]을 달성할 수 있습니다. 기계적 인터로킹은 일반적으로 표면 구조화 후 조립 단계를 포함합니다. 넓은 강판 표면을 구조화하는 유망한 방법 중 하나는 다단 냉간 압연 공정을 사용하여 언더컷이 있는 채널 구조를 생성하고, 이후 예를 들어 다이캐스트 알루미늄으로 채우는 것입니다[15, 16]. 이 공정은 이전에 단면 구조에 대해 연구되었으며 최대 45 MPa의 접합 강도를 달성했습니다[16]. 초기 구조 압연 단계와 후속 평탄화 압연 단계를 통해 언더컷(Figure 1)을 형성합니다. 본 연구는 루프 크로스 빔 단면(Figure 2)을 기반으로 한 데모 부품과 같이 더 복잡한 부품에 필요한 양면 구조로 개념을 확장하여 강판 인서트 양면에 구조를 형성하는 제조 공정을 조사합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

특히 강철과 알루미늄을 결합한 경량 복합 재료 부품 개발은 자동차 산업에 매우 중요합니다. 용융 용접에서 흔히 발생하는 취성 금속간화합물 형성을 피하는 효과적인 접합 방법이 필요합니다. 하이브리드 주조(예: 고압 다이캐스팅 - HPDC) 전 표면 구조화를 통한 기계적 인터로킹이 실행 가능한 대안입니다.

이전 연구 현황:

이전 연구에서는 다이캐스트 알루미늄과의 기계적 인터로킹을 위해 강판에 언더컷이 있는 단면 표면 구조를 생성하는 다단 냉간 압연 공정(구조 압연 후 평탄화 압연)을 확립했습니다[15]. 연구들은 공정 변수, 결과 형상(언더컷 Wf-uc, 내부 노치 Wf-no), 접합 강도(최대 45 MPa)[16], 공정의 유한요소 모델링[17], 후속 굽힘의 영향[20]을 조사했습니다. 양면 구조가 필요한 데모 부품이 개념화되었고 주조 변수에 초점을 맞춘 복합 강도가 분석되었습니다[21]. 그러나 성형 공정 분석은 단면 구조에 국한되었습니다.

연구 목적:

주요 목적은 확립된 냉간 압연 및 평탄화 기술을 사용하여 양면 표면 구조를 제조하는 동안의 재료 유동 및 구조 형성을 이해하는 것이었습니다. 구체적으로, 양면에서 동시에 압인을 가하는 것이 채널 및 언더컷 형성에 미치는 영향을 조사하고, 두 가지 뚜렷한 배열, 즉 "대칭(mirrored)" 배열과 "시프트(shifted)" 배열(Figure 3)을 비교하고자 했습니다. 목표는 이 이해를 바탕으로 언더컷 폭 및 결과적인 접합 강도 측면에서 공정을 최적화하는 것이었습니다.

핵심 연구:

본 연구는 DC04 강판에 양면 구조를 생성하기 위해 냉간 압연 및 평탄화 방법을 확장했습니다. 두 가지 구성이 조사되었습니다: 대칭 배열(리브 대 리브, 채널 대 채널)과 시프트 배열(리브 대 채널). 유한 요소(FE) 시뮬레이션(Abaqus 사용)이 개발되었고 물리적 압연 실험을 통해 검증되었습니다. 연구는 배열이 결과적인 구조 형상(채널 깊이 ∆hs, 언더컷 폭 Wf-uc, 내부 노치 길이 Wf-no) 및 구조 압연 및 평탄화 압연 단계 동안 필요한 압연 하중에 미치는 영향을 분석했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 양면 표면 구조에 대한 두 가지 다른 배열(대칭 및 시프트)을 조사하는 비교 연구 설계를 사용했습니다. 방법론은 수치 시뮬레이션(2D FE 모델링)과 실험적 검증(구조 냉간 압연 실험)을 결합했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• FE 시뮬레이션: 이전 단면 모델[17]을 기반으로 Abaqus 2017에서 2D FE 모델을 개발했으며, 평면 변형률 조건을 가정했습니다. 모델은 강성 롤러(펀치)를 사용한 구조 압연과 후속 평탄화를 시뮬레이션했으며, 임의 라그랑지안-오일러리안(ALE) 메싱 및 단계 간 필드 변수(응력, 변형률) 매핑[23]을 통합했습니다. 마찰 계수 µ = 0.07이 사용되었습니다[22]. 메쉬 크기 및 마찰 민감도에 대한 수렴 연구가 수행되었습니다. 기하학적 특징(∆hf, Wf-uc, Wf-no)은 Python 스크립트를 사용하여 평가되었습니다. 2D 시뮬레이션의 압연 하중은 실험과의 비교를 위해 식 (6)을 사용하여 변환되었습니다.
• 실험 검증: 압연은 Dreistern P3.160 롤 포밍 기계를 사용하여 DC04 강판(ho = 2.0 mm)으로 수행되었습니다. 프로파일 롤러(반경 92.5 mm)가 초기 구조를 생성하고, 평탄 롤러(반경 93.0 mm)가 5.8 m/min에서 평탄화 압연을 수행했습니다. 측면 가이드 레일이 사용되었습니다. 압연 하중은 로드셀을 사용하여 측정되었습니다. 단면은 워터젯 절단, 연마 및 3% 나이탈 에칭을 통해 준비되었습니다. 형상은 Keyence VHX-7000 디지털 현미경을 사용하여 측정되었습니다. 높이 감소율(ɛh,1, ɛh,2) 및 평균 기하학적 특징(Wf-uc, Wf-no)은 식 (1, 3, 4, 5)를 사용하여 계산되었습니다.

연구 주제 및 범위:

연구는 구조화 냉간 압연 및 평탄화를 통한 냉간 압연 DC04 강판 상 양면 언더컷 구조의 제조 공정에 초점을 맞췄습니다. 범위는 다음을 포함합니다:

• 양면 구조 생성 가능성 조사.
• 상부 및 하부 구조의 "대칭" 대 "시프트" 배열 비교.
• FE 시뮬레이션(PEEQ) 및 실험 단면을 사용한 재료 유동 분석.
• 공정 변수(높이 감소율)의 함수로서 결과 형상(채널 깊이, 언더컷 폭, 내부 노치 길이) 정량화.
• 두 배열 및 공정 단계에 대한 압연 하중 측정 및 시뮬레이션.
• 실험 데이터로 시뮬레이션 결과 검증.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 재료 유동: FE 시뮬레이션(Figure 6)과 에칭된 실험 단면(Figure 7)은 두 배열에 대해 다른 재료 유동 패턴을 나타냈습니다. 대칭 배열은 채널에서 리브로의 측면 및 수직 유동을 시사했으며, 시프트 배열은 채널과 리브 사이의 교차점에서 전단의 증거를 보였습니다.
• 구조 압연: 양면 구조에 대한 실험적 채널 깊이 형성은 이전 단면 연구[17]에 비해 시뮬레이션과 더 나은 일치를 보였습니다(Figure 8). 총 채널 깊이(∆hs = ∆hs,up + ∆hs,low) 1.0 mm는 대칭 배열의 경우 약 27% 높이 감소율(ɛh,1)에서, 시프트 배열의 경우 26%에서 달성되었습니다(Table 1). 실험적으로 대칭 배열은 시프트 배열에 비해 상당히 높은 압연 하중(20% ɛh,1에서 약 24.1% 더 높음)을 필요로 했습니다(Figure 10a). 이는 잠재적으로 다른 재료 유동 메커니즘 때문일 수 있습니다.
• 평탄화: 시뮬레이션된 언더컷 폭(Wf-uc)과 실험적 언더컷 폭 사이에 좋은 일치가 발견되었습니다(Figure 9a). 시프트 배열은 일관되게 더 큰 언더컷을 생성했습니다(실험적 최대 ~84 µm 대 대칭 배열의 ~68 µm). 내부 노치(Wf-no) 발달은 시뮬레이션에서 두 배열에 대해 유사하게 예측되었지만, 실험에서는 시프트 배열에 대해 더 큰 내부 노치를 보였습니다(Figure 9b). 실험적 평탄화 하중은 일정(~48 kN)하고 시뮬레이션보다 높았는데, 이는 아마도 더 넓은 실험 롤러가 변형되지 않은 재료와 접촉했기 때문일 것입니다. 실험적으로 배열 간에 힘의 유의미한 차이는 관찰되지 않았습니다(Figure 10b).
• 롤러 마모: 특히 판재 압연 시 시프트 배열에 대해 실험 롤러에서 상당한 마모, 특히 롤러 리브 가장자리의 전단이 관찰되었습니다(예압 및 탄성 롤 갭 변화에 기인).

그림 이름 목록:

• Figure 1. Scheme of the rolling process for surface structures (as proposed by Senge et al. [15]); view in the normal direction (ND) and transverse direction (TD).
• Figure 2. Examples of surface structures on steel sheets after (a) rolling and cutting, (b) bending, and (c) casting of the demonstrator part.
• Figure 3. Investigated alignments of the double-sided surface structure.
• Figure 4. 3D scheme of the rolling process and 2D simplification in the FE simulation.
• Figure 5. Cross-section preparations of (a) structural rolling, mirrored, (b) flattening, mirrored, (c) structural rolling, shifted, (d) flattening, shifted.
• Figure 6. Exemplary material flow in FE simulations by equivalent plastic strain (PEEQ) after structural rolling and flattening.
• Figure 7. Close-up cross-section measurement examples of (a) structural rolling, mirrored, (b) flattening, mirrored, (c) structural rolling, shifted, (d) flattening, shifted.
• Figure 8. Channel depth after structural rolling for simulations vs. experiments of both alignments.
• Figure 9. (a) Undercut width and (b) inner notch length after flattening for simulations vs. experiments of both alignments.
• Figure 10. Max. rolling forces for (a) channel rolling and (b) flattening for simulations vs. experiments of both alignments.

7. 결론:

본 연구는 강판에 언더컷 특징을 생성하기 위한 양면 구조 압연 공정을 성공적으로 시뮬레이션하고 실험적으로 검증했습니다. 특히 평탄화 중 언더컷 폭에 대해 시뮬레이션과 실험 간에 좋은 일치가 달성되었습니다. 실험에서는 시트 가장자리에서 중간 채널에 비해 덜 이상적인 채널 형성이 나타났습니다. 대칭 배열은 시프트 배열에 비해 구조 압연 중 더 높은 압연 하중을 보였습니다. 반대로, 시프트 배열은 더 큰 언더컷(잠재적으로 접합 강도에 유리)을 생성했지만, 실험적으로 더 큰 내부 노치 경향을 보였고 판재를 사용한 실험 설정에서 상당한 롤러 마모를 유발했습니다. 배열 선택에는 장단점이 있습니다: 시프트 배열은 더 큰 언더컷과 낮은 구조 압연 하중을 제공하지만, 마모 및 내부 노치 형성을 증가시킬 수 있습니다. 향후 연구에서는 운동학 및 가이드 레일이 구조 균일성에 미치는 영향을 분석하고, HPDC 알루미늄과 결합된 시프트 배열 구조의 복합 강도를 테스트할 것입니다.

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9. 저작권:

• 본 자료는 "Aron Ringel, Sindokht Shayan and David Bailly"의 논문입니다. "Double-Sided Surface Structures with Undercuts on Cold-Rolled Steel Sheets for Interlocking in Hybrid Components"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.3390/machines12080562

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