KR102556134B1 - 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법 및 설비 - Google Patents

자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법 및 설비 Download PDF

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Abstract

실제로 발생하고 있는 복잡한 현상을, 프레스 성형과 충돌의 양방의 변형 이력을 고려한 단순한 방법으로 재현할 수 있고, 결과의 편차가 적은, 고정밀도의 충돌 성능 평가 시험을 실시할 수 있도록 하는 것을 목적으로 하여, 자동차 차체용 금속 판재의 내충돌 성능을 평가하는 시험 방법에 있어서, 먼저 프레스 가공 장치에 의해, 시험 대상의 금속 판재로 이루어지는 평탄한 시험편을 V 자형으로 1 차 굽힘 성형하고, 이어서 굽힘 시험 장치에 의해, 그 1 차 굽힘 성형한 시험편을 그 1 차 굽힘 성형 방향에 대한 교차 방향으로 2 차 굽힘 변형시키고, 그 2 차 굽힘 변형 중의 시험편의 굽힘 하중 및 굽힘 스트로크를 기록하여 평가하는 것을 특징으로 한다.

Description

자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법 및 설비{METHOD AND FACILITY FOR COLLISION PERFORMANCE EVALUATION TEST FOR METAL SHEET MATERIAL FOR AUTOMOBILE BODY}
본 발명은, 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능의 평가 시험을 실시하는 방법 및 설비에 관한 것이다.
자동차의 차체에 필요한 성능의 하나로서 충돌 성능이 있으며, 충돌시에는 차체의 손상을 경감시키면서 탑승자를 보호하는 것이 요구된다. 최근 차체 경량의 요구에 의해, 충돌 특성 및 경량화에 유리한 고강도 강판 등의 고강도 금속 판재의 적용이 진행되고 있지만, 재료의 고강도화에 수반하여 재료의 연성이 저하됨으로써, 충돌시에 파단이나 균열 진전이 발생할 위험성이 높아진다.
특히, 차체의 전후부에 배치하는 프론트 사이드 멤버나 리어 사이드 멤버에는, 차체가 충돌했을 때에 재료가 소성 변형함으로써 충돌 에너지를 흡수하여 탑승자에게 주는 충격력을 저감하는 기능이 요구되고 있다. 충돌 에너지의 흡수에 있어서는, 부품이 주름상자 모양으로 변형하는 축방향 압축 변형이 가장 에너지 흡수 효율에 효과적이지만, 축방향 압축 변형에서는, 국소적으로 변형이 발생하기 때문에, 재료에 발생하는 소성 변형량이 매우 높아지고, 재료의 연성 한계를 초과하여 파단이 발생해 버리는 경우가 많다. 특히, 강도가 980 ㎫ 를 초과하는 고강도 강판에 있어서는 파멸적인 파단이 발생하여, 충돌 에너지를 흡수할 수 없는 경우가 있으며, 이것이 차체에 대한 고강도 강판의 적용의 큰 과제로 되어 있다.
일반적으로 금속 판재의 연성은, 인장 시험에 의해 얻어지는 균일 신장이나 국부 신장 등의 지표에 의해 평가된다. 그러나, 이들 지표가 높아도 충돌시의 파단이 발생해 버리는 경우 많아, 보다 적확한 재료 개발 및 재료 선정을 위해서, 충돌시의 파단 발생의 유무를 판단할 수 있는 각종 재료 시험 방법이 제안되어 왔다.
예를 들어, 독일 자동차 공업회 규격 (Verband der Automobilindustreie : VDA) 에 규격화되어 있는 VDA238-100 굽힘 시험 방법에서는, 병치 (竝置) 한 2 개의 지점 롤 상에 판재를 건너질러 놓고, 그 판재를 상부로부터 예리한 펀치로 가압하여 굽힘 성형하고, 판재의 한계 굽힘 반경을 평가하는 방법이 제안되어 있으며, 이 방법에 의해 얻어진 한계 굽힘 반경은, 충돌시의 국소적 변형에 대응하는 것이 보고되어 있다.
또, 특허문헌 1 에서는, 상기의 VDA 규격 굽힘 시험 방법을 개량하여, 실험에 의해 얻어진 하중 스트로크 곡선으로부터 한계 굽힘 반경 이후의 균열 발생 상황을 평가함으로써, 부품 충돌시의 내균열성을 예측하는 것이 제안되어 있다.
일본 공개특허공보 2016-080464호
그런데 재료 시험 방법은, 실제로 발생하고 있는 복잡한 현상을 단순한 방법으로 재현할 수 있고, 결과의 편차가 적은, 고정밀도의 방법이 요구되고 있고, 종래의 방법보다 단순화된 시험 방법이 시도되어 왔지만, 실제의 현상을 충분히 재현할 수 없다는 문제가 있었다.
이들 과제를 해결하기 위해서 본 발명자들은, 부품의 축방향 압괴시에 발생하고 있는 변형 상태 및 파단 발생 상황을 상세하게 실험·해석하는 것을 실시하였다. 즉 본 발명자들은 후술하는 바와 같이, 고강도 강판으로 형성한 뒤판 (裏板) 이 부착된 해트형 부품의 축방향 압괴 시험을 실시하고, 실제로 파단이 발생하고 있는 부위를 분류하였다. 그 결과, 파단의 상당수는 국소적 굽힘 변형부에서 발생하는 확률이 높은 것을 알아냈다.
이어서, 수치 시뮬레이션 기술에 의해, 이 실험에서의 변형을 재현할 수 있는 수치 모델을 구축하고, 파단부의 변형 상태를 상세하게 해석하였다. 구체적으로는, 먼저 도 7 에 나타내는 바와 같이, 해트형 부품의 프레스 가공에 의한 발생 변형을 해석하고, 다음으로 도 8 에 나타내는 바와 같이, 뒤판이 부착된 해트형 부품의 축방향 압괴 거동을 해석하는 고도의 계산을 실시하였다. 또한, 부호 S 는 변형 부위, CS 는 변형 집중 부위를 나타낸다.
실험으로 균열이 발생한 부위의 변형을 시계열적으로 해석하면, 도 9 에 부분적으로 확대해서 나타내는 바와 같이, 먼저, 프레스 가공시에 굽힘 성형으로 부여된 코너부 (필레트부) 가 축방향 압괴시에 평탄화하고 (도 9 (a) ∼ (c)), 나아가서는 변형 방향에 대한 교차 방향 또한 반전 방향으로 굽힘 변형이 발생하여, 국소적인 굽힘부에서 파단에 이르는 것 (도 9 (d) ∼ (f)) 이 판명되었다. 이 검토에 의해 본 발명자들은, 충돌시의 파단을 평가하기 위해서는 프레스 가공시의 변형과 충돌시의 변형 이력을 고려하는 것이 중요한 것을 알아냈다.
자동차 차체용의 금속 판재, 특히 강판은, 소재 그대로 사용되는 경우가 거의 없고, 반드시 프레스 가공 등의 2 차 성형으로 부품 형상으로 성형되고 나서 사용되는 데 반해, 종래 제안되어 온 시험 방법에서는, 이와 같은 프레스 성형과 충돌의 변형 이력을 고려하지 않았기 때문에, 충돌시의 파단 평가로서 불충분한 것이었다.
그러므로 본 발명은, 상기 서술한 바와 같은 종래의 시험 방법의 과제를 유리하게 해결하는 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법 및 충돌 성능 평가 시험 설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법은,
자동차 차체용 금속 판재의 내충돌 성능을 평가하는 시험 방법으로서,
먼저 프레스 가공 장치에 의해, 시험 대상의 금속 판재로 이루어지는 평탄한 시험편을 V 자형으로 1 차 굽힘 성형하고,
이어서 굽힘 시험 장치에 의해, 그 1 차 굽힘 성형한 시험편을 그 1 차 굽힘 성형 방향에 대한 교차 방향으로 2 차 굽힘 변형시키고,
그 2 차 굽힘 변형 중의 시험편의 굽힘 하중 및 굽힘 스트로크를 기록하여 평가하는 것을 특징으로 하고 있다.
또, 상기 목적을 달성하는 본 발명의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비는,
시험 대상의 금속 판재로 이루어지는 평탄한 시험편을 V 자형으로 1 차 굽힘 성형하는 프레스 가공 장치와,
그 1 차 굽힘 성형된 시험편을 그 1 차 굽힘 성형 방향에 대한 교차 방향으로 2 차 굽힘 변형시킴과 함께, 그 2 차 굽힘 변형 중의 시험편의 굽힘 하중 및 굽힘 스트로크를 출력하는 굽힘 시험 장치,
를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법 및 충돌 성능 평가 시험 설비에 의하면, 먼저 프레스 가공 장치에 의해, 평탄한 시험편을 V 자형으로 1 차 굽힘 성형하고, 이어서 굽힘 시험 장치에 의해, 그 1 차 굽힘 성형한 시험편을 그 1 차 굽힘 성형 방향에 대한 교차 방향으로 2 차 굽힘 변형시키고, 그 2 차 굽힘 변형 중의 시험편의 굽힘 하중 및 굽힘 스트로크를 기록하여 평가하므로, 실제로 발생하고 있는 복잡한 현상을, 프레스 성형과 충돌의 양방의 변형 이력을 고려한 단순한 방법으로 재현할 수 있고, 결과의 편차가 적은, 고정밀도의 충돌 성능 평가 시험을 실시할 수 있다.
또한, 본 발명의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법 및 충돌 성능 평가 시험 설비에 있어서는, 굽힘 시험 장치에 의해, 상기 1 차 굽힘 성형한 시험편을 그 1 차 굽힘 성형 방향에 대한 교차 방향 또한 반전 방향으로 2 차 굽힘 변형시키고, 그 2 차 굽힘 변형 중의 시험편의 굽힘 하중 및 굽힘 스트로크를 기록하여 평가해도 된다.
또한, 본 발명의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법 및 충돌 성능 평가 시험 설비에 있어서는, 시험 대상의 금속 판재는, 강판, 바람직하게는 980 ㎫ 이상의 고강도 강판이어도 되고, 또, 굽힘 시험 장치는, VDA 규격 238-100 에 규정되는 굽힘 시험 방법에 사용하는 것이어도 된다.
또한, 본 발명의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 있어서는, 2 차 굽힘 변형 중의 시험편의 변형 상태를 카메라로 연속적으로 촬영하고, 그 촬영한 화상으로부터 파단 발생 과정을 해석해도 되고, 또, 본 발명의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비에 있어서는, 굽힘 시험 장치는, 2 차 굽힘 변형 중의 시험편의 변형 상태를 연속적으로 촬영하고, 그 촬영한 화상을 출력하는 카메라를 가져도 된다.
도 1 은, 본 발명의 일 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 사용되는, 본 발명의 일 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비를 구성하는 굽힘 시험 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2 의 (a) ∼ (d) 는, 상기 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 있어서의 시험편의 1 차 굽힘 성형 과정을 순차적으로 나타내는 설명도이다.
도 3 의 (a) ∼ (d) 는, 상기 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 있어서의 시험편의 2 차 굽힘 변형 과정을 순차적으로 나타내는 설명도이다.
도 4 는, 상기 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 있어서의 시험편의 2 차 굽힘 변형 과정에서 측정한 펀치 하중과 펀치 스트로크의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 5 의 (a) 및 (b) 는, 상기 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법 및 충돌 성능 평가 시험 설비로 시험을 실시한 것과 동일 재료로 제조한 자동차 차체용 뒤판이 부착된 해트형 부품의 형상을 나타내는 단면도 (端面圖) 및 평면도이다.
도 6 은, 도 5 에 나타내는 자동차 차체용 뒤판이 부착된 해트형 부품의 축방향 압괴 시험 후의 상태를 비스듬한 상방에서 보아 나타내는 설명 사진이다.
도 7 은, 상기 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법 및 충돌 성능 평가 시험 설비의 검토를 위해서 실시한, 도 5(a) 에 나타내는 것과 동일한 자동차 차체용 뒤판이 부착된 해트형 부품의 1 차 굽힘 성형 과정의 FEM 시뮬레이션에 있어서의 1 차 굽힘 성형 후의 부품 형상을 나타내는, 뒤판을 생략한 사시도이다.
도 8 은, 도 5(a) 에 나타내는 것과 동일한 자동차 차체용 뒤판이 부착된 해트형 부품의 2 차 굽힘 변형 과정의 FEM 시뮬레이션에 있어서의 2 차 굽힘 변형 후의 부품 형상을 나타내는 사시도이다.
도 9 의 (a) ∼ (c) 는, 도 8 에 나타내는 자동차 차체용 뒤판이 부착된 해트형 부품의 2 차 굽힘 변형 과정의 FEM 시뮬레이션에 있어서의 코너부의 평탄화 변형 상태를 확대해서 순차적으로 나타내는 설명도이고, (d) ∼ (f) 는, 그 후의 코너부의 반전 굽힘 변형 상태를 확대해서 순차적으로 나타내는 설명도이다.
도 10 의 (a), (b) 는, 도 1 및 도 3 에 나타내는 굽힘 각도 90° 인 경우의 굽힘 변형 전후의 시험편의 상태, (c), (d) 는, 굽힘 각도 70° 인 경우의 굽힘 변형 전후의 시험편의 상태, (e), (f) 는, 굽힘 각도 60° 인 경우의 굽힘 변형 전후의 시험편의 상태를 각각 나타내는 설명도이다.
도 11 은, 본 발명의 다른 일 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 사용되는, 본 발명의 다른 일 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비를 구성하는 굽힘 시험 장치를 나타내는 사시도이다.
도 12 의 (a) ∼ (d) 는, 상기 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 있어서의 시험편의 2 차 굽힘 변형 과정을 카메라로 연속적으로 촬영하고, 그 일부를 발췌하여 순차적으로 나타내는 설명도이다.
도 13 은, 상기 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 있어서의 시험편의 2 차 굽힘 변형 과정에서 측정한 펀치 하중과 펀치 스트로크의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 14 는, 본 발명의 또 다른 일 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 사용되는, 본 발명의 또 다른 일 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비를 구성하는 굽힘 시험 장치를 나타내는 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서, 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 여기에, 도 1 은, 본 발명의 일 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 사용되는, 본 발명의 일 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비를 구성하는 굽힘 시험 장치를 나타내는 사시도이다.
이 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비를 구성하는 굽힘 시험 장치는, 자동차 차체용의 부품을 형성하는 금속 판재로서의 고강도 강판의 2 차 굽힘 시험을, VDA 규격 238-100 굽힘 시험 방법에 준거하여, 단 평탄한 시험편이 아니라 후술하는 바와 같이 V 자 형상으로 1 차 굽힘 성형한 시험편을 사용하여 실시하기 위한 것이며, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 기대 (1) 상에 마주보게 배치 고정된 2 쌍의 베어링 (2) 으로 각각의 축 단부 (端部) 를 회전 가능하게 지지되어 수평으로 또한 서로 간극을 두고 병치된 2 개의 지점 롤 (3) 과, 선단부 (4a) 가 그들 2 개의 지점 롤 (3) 의 축선간의 중앙의 위치에서 2 개의 지점 롤 (3) 의 축선에 대하여 평행하게 연장되도록 지지된 펀치로서의 벤딩 티스 (4) 와, 그 벤딩 티스 (4) 를 수직으로 연장시켜 지지하는 벤딩 티스 홀더 (5) 와, 그 벤딩 티스 홀더 (5) 에 형성되고, 벤딩 티스 (4) 로부터 하향으로 시험편 (T) 에 가해지는 굽힘 변형 하중의, 시험편 (T) 으로부터의 반력을 검출하여 출력하는 로드 셀 (6) 과, 시험편 (T) 의 가장자리부에 맞닿아 2 개의 지점 롤 (3) 상의 소정 위치에, 1 차 굽힘 성형에 의한 굽힘부가 상향이 되도록 시험편 (T) 을 위치 결정하는 도시되지 않은 위치 결정 지그, 를 구비하고 있다.
VDA 규격 238-100 굽힘 시험 방법의 규정에 따르는 이 굽힘 시험 장치는, 도시되지 않은 통상적인 압축 시험기 혹은 프레스 장치의 발판에 기대 (1) 를 부착함과 함께, 그 압축 시험기의 예를 들어 유압 실린더 구동의 슬라이드에 벤딩 티스 홀더 (5) 를 부착하여, 가대 (架臺) 에 대한 슬라이드의 승강 작동에 의해, 벤딩 티스 (4) 를, 선단부 (4a) 가 2 개의 지점 롤 (3) 의 상방에 위치하는 대기 위치와, 선단부 (4a) 가 2 개의 지점 롤 (3) 사이의 간극에 위치하는 하강 위치의 사이에서 승강 이동시킴으로써, 후술하는 시험편의 2 차 굽힘 변형을 실시시킬 수 있다.
즉 이 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법은, 평탄한 상태로부터 미리 프레스 장치에 의한 프레스 가공에 의해 V 자형으로 1 차 굽힘 성형된 강판으로 이루어지는 시험편 (T) 을, VDA 규격 238-100 에 규정되는 상기 굽힘 시험 장치에 의해, 그 1 차 굽힘 성형의 굽힘 방향에 대한 교차 방향, 바람직하게는 직교 방향에서, 또한 반전 방향으로 2 차 굽힘 변형시키고, 그 2 차 굽힘 변형 중의 시험편 (T) 의 굽힘 하중을 시험편 (T) 으로부터의 반력으로서 로드 셀 (6) 로 검출함과 함께, 그 2 차 굽힘 변형 중의 벤딩 티스 (4) 의 굽힘 스트로크를 상기 압축 시험기로 슬라이드의 승강 이동량으로서 검출하여, 그들 굽힘 하중과 굽힘 스트로크의 데이터를 시간 경과적으로 기록하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 의하면, 프레스 가공 공정을 모의하는 1 차 굽힘 성형에 의해, 시험편에 파단의 데미지가 되는 소성 변형을 간단한 방법으로 부여할 수 있다. 다음으로, VDA 규격 238-100 에 규정되는 굽힘 시험 장치를 사용하여 상기의 V 자형의 시험편에 2 차 굽힘 변형을 부여함으로써, 1 차 굽힘 성형으로 부여된 코너부가 평탄화하고, 이어서 그 코너부에 교차 방향 또한 반전 방향의 굽힘 변형이 발생하여, 실제 부품의 국소적인 굽힘부에서 파단하는 현상을 시험편으로 재현할 수 있다.
이 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법은, 통상적인 굽힘 금형과, VDA 규격 238-100 으로 사용되는 굽힘 시험 장치로 이루어지는 설비를 사용하고 있고, 그 굽힘 시험 장치를 작동시키는 시험기도 일반적인 압축 시험기로 대응 가능하므로, 경제 합리성도 높다. 시험편도 사방 50 ㎜ 정도의 작은 면적의 것으로 시험이 가능하고, 실험실 레벨로 시작 (試作) 한 개발 재료의 평가도 가능하다. 따라서, 이 실시형태의 충돌 성능 평가 시험 방법에 의하면, 강판의 내충돌 특성을 간편한 방법으로 고정밀도로 예측하는 것이 가능해진다.
구체적으로는, 이 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에서는, 제 1 스텝으로서, 평탄한 강판으로 이루어지는 시험편 (T) 에 대하여 자동차 차체 부품의 프레스 가공에 상당하는 1 차 굽힘 성형을 실시한다. 1 차 굽힘 성형에는, 일반적인 V 굽힘 금형을 사용할 수 있다. 시험편 (T) 은 50 ㎜ × 50 ㎜ 로 전단 가공하여 준비한다.
도 2(a) ∼ 도 2(d) 는, 시험편 (T) 의 1 차 굽힘 성형 과정을, V 굽힘 금형을 투시 상태로서 순차적으로 나타내고 있으며, 도 2(a) ∼ (d) 중, 부호 7 은 V 굽힘 펀치, 8 은 V 굽힘 다이, S 는 변형부를 나타낸다. 굽힘 (R) 은, 실제의 자동차 차체 부품에 대응하여 조정할 수 있고, 일반적으로는 R5 ∼ R10 (굽힘 반경 5 ㎜ ∼ 10 ㎜) 의 범위로 조정된다. 굽힘 각도에 대해서도 실제의 자동차 차체 부품의 형상에 맞추는 것이 바람직하지만, 일반적으로는 60° ∼ 90° 의 범위로 설정된다. 1 차 굽힘 성형된 시험편 (T) 에는, 굽힘 (R) 부의 둘레 방향을 향해서, 굽힘의 외측은 인장 변형, 굽힘의 내측은 압축 변형이 도입된다.
제 2 스텝에서는, 상기 제 1 스텝에서 V 자형으로 1 차 굽힘 성형된 시험편 (T) 에 2 차 굽힘 변형을 가한다. 도 3(a) ∼ 도 3(d) 는, 상기 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 있어서의 시험편의 2 차 굽힘 변형 과정을, 굽힘 시험 장치를 투시 상태로서 순차적으로 나타내고 있으며, 도 3(a) ∼ (d) 중, 부호 3 은 지점 롤, 4 는 벤딩 티스, S 는 변형부, CS 는 변형 집중부를 나타낸다. 2 차 굽힘 변형에는, 상기 굽힘 시험 장치를 사용한 VDA 규격 238-100 에 규정되는 굽힘 시험이 추장 (推奬) 되지만, 그 외의 굽힘 시험으로도 가능하다. 도시 예에서는 상기 제 1 스텝에서 성형된 굽힘 능선이 벤딩 티스 (4) 의 선단부 (4a) 와 직교하도록 시험편 (T) 을 지점 롤 (3) 상에 설치하고, 시험편 (T) 의 굽힘부의 상부로부터 굽힘 성형을 실시한다.
먼저 V 자형으로 성형된 시험편 (T) 은, 이 제 2 스텝에 있어서, 먼저, 도 3(a), (b) 에 나타내는 바와 같이 굽힘부가 평탄화하는 변형이 부여되고, 그 후, 도 3(c), (d) 에 나타내는 바와 같이, 펀치가 되는 벤딩 티스 (4) 가 지점 롤 (3) 사이에 압입되면, 시험편 (T) 은 앞의 제 1 스텝에서 도입된 변형 방향에 대한 직교 방향 또한 반전 방향으로 굽힘 가공되고, 그 후 추가로 변형이 진행되어, 시험편 (T) 의 중앙부에 변형이 집중하여 그 변형 집중부 (CS) 가 파단에 이른다.
이 과정에 있어서의 펀치 하중 (Force) 과 펀치 스트로크 (Stroke) 의 관계를 나타내는 데이터가, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터 등으로 구성되는 도시되지 않은 기록 장치에 기록되고, 그 기록 장치가, 도 4 에 예시하는 바와 같은 스트로크-하중 곡선을 출력한다. 이 스트로크-하중 곡선으로 펀치 하중이 피크값을 맞이한 점 (P) 이 시험편 (T) 의 파단 발생 포인트이며, 파단 발생 후에 급격하게 펀치 하중이 저하된다. 또한, 상기 기록 장치는, 펀치 하중의 미분값으로부터 펀치 하중이 상승에서 하강으로 변곡하는 파단 스트로크값 (점 (P) 의 스트로크값) 을 구하여 출력하도록 구성해도 되고, 나아가서는, 그 파단 스트로크값을 소정의 기준값과 비교하여, 대상 부품에 대한 강판 재료의 적부를 판단하여 출력하도록 구성해도 된다.
실시예 1
상기 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 기초하여, 각종 특성의 강판의 파단 스트로크를 평가하였다. 먼저, 코일재로부터 재료를 전단하고, 시험편 (T) 을 60 ㎜ × 60 ㎜ 의 치수로 가지런히 했다. 시험편 (T) 의 단면 (端面) 은 기계 가공하여 버 (burr) 나 전단면을 제거하였다.
제 1 스텝에서는, V 굽힘 금형을 사용하여, 상부의 V 굽힘 펀치 (7) 와 하부의 V 굽힘 다이스 (8) 로 상기의 시험편 (T) 을 사이에 끼우고, 능력 50 톤의 프레스 가공 장치 (프레스기) 로 가압하여 굽힘 성형하였다. V 굽힘 펀치 (7) 의 굽힘 (R) (반경) 은 5 ㎜ 와 8 ㎜ 의 조건으로 하였다.
제 2 스텝에서는, VDA 규격 238-100 에 규정되는 상기 굽힘 시험 장치를 사용하여 굽힘 성형을 실시하였다. 굽힘 변형한 시험편 (T) 이 2 개의 지점 롤 (3) 의 간극에 들어가도록, 판두께마다 지점 롤 (3) 의 간격을, 판두께 × 2 ＋ 0.5 ㎜ 로 조정하였다. 벤딩 티스 (4) 의 선단부의 반경 (펀치 (R)) 은, VDA 규격에 따라 0.2 ㎜ 로 하였다. 이 실험의 결과를 표 1 에 나타낸다. 제 2 스텝에서 계측되는 하중-스트로크 곡선으로부터 하중 피크값을 파단 발생점으로 정의하였다.
또, 검증을 위해서 상기의 실험과 동일 재료의 강판을 사용하여, 도 5(a) 의 단면도 및 도 5(b) 의 평면도로 나타내는 바와 같이 40 ㎜ × 40 ㎜, 길이 200 ㎜의 자동차 차체용 해트형 부품을 제조하고, 그것과 동일 재료의 뒤판을 플랜지부에 대한 스폿 용접으로 고착하여 폐단면 (閉斷面) 구조의 뒤판이 부착된 해트형 부품으로 하였다. 뒤판의 고착 전의 해트형 부품의 성형에는 프레스 브레이크 방식의 굽힘 성형을 채용하였다. 그리고 이 뒤판이 부착된 해트형 부품을, 유압식 고속 변형 시험기를 사용하여 속도 10 m/s 로 스트로크 100 ㎜ 까지 압괴하는 축방향 압괴 시험을 실시하였다. 도 6 은, 도 5 에 나타내는 해트형 부품의 축방향 압괴 시험 후의 상태를 비스듬한 상방에서 보아 나타내는 설명 사진이며, 이 해트형 부품이 축방향 압괴할 때의 국소적 변형부에서의 파단 발생의 유무에 대해 확인하고, 그 결과를 정리하였다.
상기 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 의한 파단 스트로크와, 상기 축방향 압괴 시험시의 균열 발생의 유무의 관계를 표 1 에 나타낸다. 뒤판이 부착된 해트형 부품의 축방향 압괴 시험에서는, 대부분의 재료에서 파단이 발생했지만, No.2, No.4, No.5, No.14 의 재료에 대해서는 파단이 발생하지 않고 뒤판이 부착된 해트형 축방향 압괴였다. 이들 파단이 발생하지 않고 뒤판이 부착된 해트형 부품이 축방향 압괴한 재료의 각각에 대한 시험편의 파단 스트로크값은, 대략 34 ㎜ 이상을 나타내고 있으며, 본 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 있어서의 평가 지표로서의 파단 스트로크값과 해트형 부품의 파단 발생의 유무는 상관이 높은 것이 확인되었다.
Figure 112021062759208-pct00001
도 10(a), (b) 는, 도 1 및 도 3 에 나타내는 교차 각도 90° 인 경우의 굽힘 변형 전후의 시험편의 상태, 도 10(c), (d) 는, 교차 각도 70° 인 경우의 굽힘 변형 전후의 시험편의 상태, 도 10(e), (f) 는, 교차 각도 60° 인 경우의 굽힘 변형 전후의 시험편의 상태를 각각 나타내는 설명도이다. 이들 도에 예시하는 바와 같이, 이 발명의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에서는, 굽힘 시험 장치에 의해, V 자형으로 1 차 굽힘 성형한 시험편을 그 1 차 굽힘 성형 방향에 대한 교차 방향 또한 반전 방향으로 2 차 굽힘 변형시킬 때에, 시험편의 1 차 굽힘 성형 방향 (능선의 연장 방향) 에 대한 벤딩 티스 (4) 의 교차 각도는 90° 에 한정되지 않고, 예를 들어 충돌 성능 평가 시험을 실시하는 재료로 형성하는 부품의 자동차 차체에서의 배치나 충돌시의 변형 상황 등에 따라 적절히 설정함으로써, 보다 적절한 평가를 실시할 수 있다.
도 11 은, 본 발명의 다른 일 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 사용되는, 본 발명의 다른 일 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비를 구성하는 굽힘 시험 장치를 나타내는 사시도이다.
이 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비를 구성하는 굽힘 시험 장치는, 도 1 에 나타내는 굽힘 시험 장치와 마찬가지로, 기대 (1) 상에 마주보게 배치 고정된 2 쌍의 베어링 (2) 으로 각각의 축 단부를 회전 가능하게 지지되어 수평하게 또한 서로 간극을 두고 병치된 2 개의 지점 롤 (3) 과, 선단부 (4a) 가 그들 2 개의 지점 롤 (3) 의 축선간의 중앙의 위치에서 2 개의 지점 롤 (3) 의 축선에 대하여 평행하게 연장되도록 지지된 펀치로서의 벤딩 티스 (4) 와, 그 벤딩 티스 (4) 를 수직으로 연장시켜 지지하는 벤딩 티스 홀더 (5) 와, 그 벤딩 티스 홀더 (5) 에 형성되고, 벤딩 티스 (4) 로부터 하향으로 시험편 (T) 에 가해지는 굽힘 변형 하중의, 시험편 (T) 으로부터의 반력을 검출하여 출력하는 로드 셀 (6) 과, 시험편 (T) 의 가장자리부에 맞닿아 2 개의 지점 롤 (3) 상의 소정 위치에 시험편 (T) 을 위치 결정하는 도시되지 않은 위치 결정 지그를 구비하고 있다.
또한 이 굽힘 시험 장치는, 앞의 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법과 마찬가지로 제 1 스텝에서 V 자형으로 1 차 굽힘 성형된 시험편 (T) 에 제 2 스텝에서 2 차 굽힘 변형을 가할 때에, 그 2 차 굽힘 변형 중의 시험편 (T) 의 변형 상태를 2 개의 지점 롤 (3) 의 사이로부터 연속적으로 촬영하기 위해서, 기대 (1) 의 중앙부에 관통공이 형성되고, 그 관통공의 축선 상에 촬영 광학계가 위치하도록, 기대 (1) 의 하측에 연속 촬영형의 카메라로서 예를 들어 동영상 촬영용의 디지털 비디오 카메라 (9) 가 배치되어 있고, 그 비디오 카메라 (9) 가, 2 차 굽힘 변형 중의 시험편 (T) 을 촬영하여 출력한 화상 데이터가, 도 1 에 나타내는 굽힘 시험 장치에 있어서와 마찬가지로, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터 등으로 구성되는 기록 장치에 기록되고, 그 기록 장치가, 도 12 및 도 13 에 예시하는 바와 같이, 시험편 (T) 의 화상을 2 차 굽힘 변형 중의 시험편 (T) 의 스트로크-하중 곡선과 동기시켜, 예를 들어 도시되지 않은 디스플레이 장치의 화면 상에 출력한다.
도 12(a) ∼ 도 12(d) 는, 상기 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 있어서의 시험편 (T) 의 2 차 굽힘 변형 과정을 비디오 카메라 (9) 로 연속적으로 촬영하고, 그 일부를 발췌하여 순차적으로 나타내는 설명도, 또, 도 13 은, 도 12 에 나타내는 시험편 (T) 의 2 차 굽힘 변형 과정에서 측정한 펀치 하중과 펀치 스트로크의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 시험편 (T) 의 재료는, 자동차 차체용의 부품을 형성하는 금속 판재로서의 980 ㎫ 의 고강도 강판으로, 판두께 1.2 ㎜t 의 것이다.
도 12(a) 에 나타냄과 함께 도 13 에 화살표 A 로 나타내는 단계에서는, 시험편 (T) 의 이면 (裏面) 에 아직 균열은 발생되어 있지 않지만, 도 12(b) 에 나타냄과 함께 도 13 에 화살표 B 로 나타내는 단계에서는, 시험편 (T) 의 이면에 아직 균열은 발생되어 있지 않기는 하지만 표면측의 벤딩 티스 (4) 의 선단을 따라 잘록해짐 (necking) 이 발생되어 있고, 도 12(c) 에 나타냄과 함께 도 13 에 화살표 C 로 나타내는 단계에서는, 시험편 (T) 의 이면에 표면측의 벤딩 티스 (4) 의 선단을 따라 균열이 약간 발생되어 있고, 도 12(d) 에 나타냄과 함께 도 13 에 화살표 D 로 나타내는 단계에서는, 시험편 (T) 의 이면의 균열이 진전되어 있다.
따라서, 이 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비를 사용한 이 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 의하면, 시험편 (T) 의 2 차 굽힘 변형 과정에 있어서의 펀치 하중 (Force) 과 펀치 스트로크 (Stroke) 의 관계를 나타내는 그래프의 데이터 (도 13) 와, 비디오 카메라 (9) 에 의해 굽힘 변형부의 상태를 연속 촬영한 화상의 데이터 (도 12) 를 맞댐으로써, 시험편 (T) 의 2 차 굽힘 변형 과정에 있어서의 재료의 신장, 잘록해짐, 균열 발생 및 균열 진전을 포함하는 파단 발생 과정을 상세하게 해석하여, 파단 한계 스트로크를 보다 고정밀도로 평가할 수 있다.
도 14 는, 본 발명의 또 다른 일 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 사용되는, 본 발명의 또 다른 일 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비를 구성하는 굽힘 시험 장치를 나타내는 사시도이고, 이 도 14 중, 앞의 실시형태에 있어서와 동일한 부분은 그것과 동일한 부호로 나타낸다.
즉, 이 실시형태에 있어서의 굽힘 시험 장치도, 기대 (1) 상에 마주보게 배치 고정된 2 쌍의 베어링 (2) 으로 각각의 축 단부를 회전 가능하게 지지되어 수평하게 또한 서로 간극을 두고 병치된 2 개의 지점 롤 (3) 과, 선단부 (4a) 가 그들 2 개의 지점 롤 (3) 의 축선간의 중앙의 위치에서 2 개의 지점 롤 (3) 의 축선에 대하여 평행하게 연장되도록 지지된 펀치로서의 벤딩 티스 (4) 와, 그 벤딩 티스 (4) 를 수직으로 연장시켜 지지하는 벤딩 티스 홀더 (5) 와, 그 벤딩 티스 홀더 (5) 에 형성되고, 벤딩 티스 (4) 로부터 하향으로 시험편 (T) 에 가해지는 굽힘 변형 하중의, 시험편 (T) 으로부터의 반력을 검출하여 출력하는 로드 셀 (6) 과, 시험편 (T) 의 가장자리부에 맞닿아 2 개의 지점 롤 (3) 상의 소정 위치에 시험편 (T) 을, 앞의 실시형태와 달리 1 차 굽힘 성형에 의한 굽힘부가 하향이 되도록 위치 결정하는 도시되지 않은 위치 결정 지그를 구비하고 있다.
그리고, 이 실시형태에 있어서의 굽힘 시험 장치에서는, 평탄한 상태로부터 미리 프레스 장치에 의한 프레스 가공에 의해 V 자형으로 1 차 굽힘 성형된 강판으로 이루어지는 시험편 (T) 을, VDA 규격 238-100 에 규정되는 상기 굽힘 시험 장치의 지점 롤 (3) 상에, 1 차 굽힘 성형에 의한 굽힘부가 하향이 되도록 설치하고, 상기 굽힘 시험 장치에 의해, 그 1 차 굽힘 성형의 굽힘 방향에 대한 교차 방향, 바람직하게는 직교 방향에서, 또한 앞의 실시형태와 달리, 1 차 굽힘 성형의 굽힘 방향에 대한 반전 방향이 아니라 동일 방향으로, 시험편 (T) 의 스커트부의 상부로부터 2 차 굽힘 변형시키고, 그 2 차 굽힘 변형 중의 시험편 (T) 의 굽힘 하중을 시험편 (T) 로부터의 반력으로서 로드 셀 (6) 로 검출함과 함께, 그 2 차 굽힘 변형 중의 벤딩 티스 (4) 의 굽힘 스트로크를 상기 압축 시험기로 슬라이드의 승강 이동량으로서 검출하여, 그들 굽힘 하중과 굽힘 스트로크의 데이터를, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터 등으로 구성되는 도시되지 않은 기록 장치로 시간 경과적으로 기록하고, 평가를 위해서 그래프 등으로서 출력한다.
이 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비를 사용한 이 실시형태의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법에 의해서도, 앞의 실시형태와 마찬가지로, 실제로 발생하고 있는 복잡한 현상을, 프레스 성형과 충돌의 양방의 변형 이력을 고려한 단순한 방법으로 재현할 수 있고, 결과의 편차가 적은, 고정밀도의 충돌 성능 평가 시험을 실시할 수 있다.
이상, 도시예에 기초하여 설명했지만, 본 발명은 상기 서술한 예에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 상기 실시형태에서는 시험 대상의 금속판을 고강도 강판으로 했지만, 이 대신에 통상적인 강판이나 다른 판재, 예를 들어 알루미늄판 등으로 할 수도 있다.
또, 상기 실시형태에서는 시험편을 1 차 굽힘 성형 방향에 대한 교차 방향으로 2 차 굽힘 변형시키는 굽힘 시험 장치로서 VDA 규격 238-100 에 규정되는 굽힘 시험 장치를 사용하였지만, 이 대신에 다른 구성, 예를 들어 프레스기에 통상적인 굽힘 성형 금형을 부착한 것을 사용할 수도 있다.
또한, 연속 촬영형의 카메라로서, 비디오 카메라 (9) 대신에 예를 들어 고속 연사 가능한 디지털 스틸 카메라 등을 사용함으로써, 보다 고정밀도의 화상을 얻도록 해도 된다.
또, 도 14 에 나타내는 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비를 구성하는 굽힘 시험 장치에, 도 11 에 나타내는 바와 같이 카메라를 조합하여 설비를 구성해도 된다.
이렇게 하여 본 발명의 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법 및 충돌 성능 평가 시험 설비에 의하면, 먼저 프레스 가공 장치에 의해, 평탄한 시험편을 V 자형으로 1 차 굽힘 성형하고, 이어서 굽힘 시험 장치에 의해, 그 1 차 굽힘 성형한 시험편을 그 1 차 굽힘 성형 방향에 대한 교차 방향으로 2 차 굽힘 변형시키고, 그 2 차 굽힘 변형 중의 시험편의 굽힘 하중 및 굽힘 스트로크를 기록하여 평가하므로, 실제로 발생하고 있는 복잡한 현상을, 프레스 성형과 충돌의 양방의 변형 이력을 고려한 단순한 방법으로 재현할 수 있고, 결과의 편차가 적은, 고정밀도의 충돌 성능 평가 시험을 실시할 수 있다.
1 : 기대
2 : 베어링
3 : 지점 롤
4 : 벤딩 티스
4a : 선단부
5 : 벤딩 티스 홀더
6 : 로드 셀
7 : V 굽힘 펀치
8 : V 굽힘 다이
9 : 비디오 카메라
T : 시험편
CS : 변형 집중부
S : 변형부

Claims (10)

  1. 자동차 차체용 금속 판재의 내충돌 성능을 평가하는 시험 방법에 있어서,
    먼저 프레스 가공 장치에 의해, 시험 대상의 금속 판재로 이루어지는 평탄한 시험편을 V 자형으로 1 차 굽힘 성형하고,
    이어서 굽힘 시험 장치에 의해, 상기 1 차 굽힘 성형한 시험편을 상기 1 차 굽힘 성형 방향에 대한 교차 방향으로 2 차 굽힘 변형시키고,
    상기 2 차 굽힘 변형 중의 시험편의 굽힘 하중 및 굽힘 스트로크를 기록하여 평가하고,
    상기 2 차 굽힘 변형에서, 상기 1 차 굽힘 성형한 시험편의 굽힘부를 평탄화한 후, 상기 1 차 굽힘 성형 방향에 대한 교차 방향 또한 반전 방향으로 2 차 굽힘 변형시키는 것을 특징으로 하는 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 시험 대상의 금속 판재는, 980 ㎫ 이상의 고강도 강판인 것을 특징으로 하는 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 굽힘 시험 장치는, VDA 규격 238-100 에 규정되는 굽힘 시험 방법으로 사용하는 것인 것을 특징으로 하는 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 차 굽힘 변형 중의 시험편의 변형 상태를 카메라로 연속적으로 촬영하고, 상기 촬영한 화상으로부터 파단 발생 과정을 해석하는 것을 특징으로 하는 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법.
  6. 시험 대상의 금속 판재로 이루어지는 평탄한 시험편을 V 자형으로 1 차 굽힘 성형하는 프레스 가공 장치와,
    상기 1 차 굽힘 성형된 시험편을 상기 1 차 굽힘 성형 방향에 대한 교차 방향으로 2 차 굽힘 변형시킴과 함께, 상기 2 차 굽힘 변형 중의 시험편의 굽힘 하중 및 굽힘 스트로크를 출력하는 굽힘 시험 장치,
    를 구비하고,
    상기 2 차 굽힘 변형에서, 상기 1 차 굽힘 성형한 시험편의 굽힘부를 평탄화한 후, 상기 1 차 굽힘 성형 방향에 대한 교차 방향 또한 반전 방향으로 2 차 굽힘 변형시키는 것을 특징으로 하는 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 시험 대상의 금속 판재는, 980 ㎫ 이상의 고강도 강판인 것을 특징으로 하는 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 굽힘 시험 장치는, VDA 규격 238-100 에 규정되는 굽힘 시험 방법에 사용하는 것인 것을 특징으로 하는 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 굽힘 시험 장치는, 상기 2 차 굽힘 변형 중의 시험편의 변형 상태를 연속적으로 촬영하고, 상기 촬영한 화상을 출력하는 카메라를 갖는 것을 특징으로 하는 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 설비.
KR1020217016620A 2018-12-17 2019-12-16 자동차 차체용 금속 판재의 충돌 성능 평가 시험 방법 및 설비 KR102556134B1 (ko)

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