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JWJ > Volume 34(2); 2016 > Article
분리형 섕크를 갖는 SPR의 형상 설계를 위한 유한요소해석

Abstract

SPR(Self-Piercing rivet) is mechanical element of joining sheet metal components without the need for pre-punched or pre-drilled holes. Newly designed SPR is developed for high joining strength and shearing strength than semi-tubular rivet. In this study, divided shank of self-piercing rivet were designed for joining DP440 and SILAFONT. Newly designed SPR was simulated by using FEM code DEFORM-3D. In simulations of SPR process, various shape of self-piercing rivet were considered for semi-tubular and newly designed SPR. In other to examine the joinability, joining load and lap-shear load of newly designed SPR were compared with semi-tubular by simulated results and experimental ones.

1. 서 론

SPR(self-piercing rivet)은 자동차 차체 제조과정에서 용접이 난해한 이종재료 접합조건에 유용하게 적용된다1-3). 주로 사용되는 SPR의 형상으로 세미 튜우블러 리벳이 있다4-6). 헤드와 중공섕크로 구분되는 세미 튜우블러 리벳은 축대칭 형상이므로 판재의 피어싱 및 접합력 저하와 접합부에서 판재간의 회전이 발생될 수 있다7). 따라서 리벳의 섕크가 잘 벌어져 접합력이 우수하고 재료 간의 회전을 구속시킬 수 있는 새로운 리벳 형상을 설계하고자 하였다. 새롭게 설계된 리벳의 형상은 기존의 세미 튜우블러 리벳의 섕크가 세 부분으로 갈라진 형상이다. 3 갈래로 나뉘어진 섕크는 접합 시에 벌어짐량 향상과 접합 판재간의 회전을 구속할 수 있도록 고안하였다.
본 연구에서는 새로운 리벳 설계를 위해 기존의 세미 튜우블러 SPR과 분리형 섕크의 SPR을 적용하여 동일조건의 접합 시뮬레이션과 실험하였다. 또한 접합부의 단면조사와 전단시험으로 그 결과를 비교, 분석하여 새롭게 설계된 SPR의 접합성 향상을 검증하고자 하였다. 적용된 판재의 소재는 인장강도가 500 MPa이고 연신율이 30%인 DP440의 상판과 SILAFONT 하판이고 중심부가 볼록한 형상의 앤빌을 적용하였다. 리벳의 접합 시뮬레이션을 위해 유한요소해석 프로그램인 DEFORM-3D를 이용하였다.

2. SPR 접합의 유한요소해석

2.1 SPR과 앤빌 모델링

접합성 향상과 재료 간의 회전 구속이 가능한 리벳은 기존의 세미 튜우블러 리벳의 형상을 참고하여 설계하였다. 섕크가 3갈래로 나뉘어진 형 상은 접합 시에 섕크의 벌어짐량 향상과 상부판재가 완전히 전단되지 않아 세미 튜우블러 리벳과 비교하였을 때, 접합성 향상과 낮은 접합 하중 등을 기대할 수 있다. AutoCAD와 3D 모델러인 Pro/ENGINEER를 이용하여 Fig. 1 (a)(b) 같이 리벳을 모델링하였다. 또한 (c)와 같이 중심에 볼록한 돌기가 있는 앤빌을 모델링하였다. 접합 해석으로 접합성을 비교, 분석하기 위해 모델링된 리벳과 앤빌을 해석에 적용시켰다.
Fig. 1
Newly designed SPR and convex anvil
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2.2 소재의 기계적 물성

판재의 소재는 자동차 차체에 적용되고 있는 인장강도가 500 MPa이고 연신율이 30%인 고장력강과 알루미늄 합금인 SILAFONT로써 이종재료 접합조건으로 설정하였다. 리벳의 소재는 기계구조용 탄소강으로써 경도가 HV450인 AISI 1045이다. 이에 대한 각각의 기계적 물성을 시뮬레이션에 적용하여 접합 시에 재료의 소성유동을 예측하고자 하였다.

2.3 접합해석 경계조건

SPR 접합 시뮬레이션에 적용되는 모든 부품들은 3D로 모델링 되었다. 상온에서 접합되는 SPR 공정 해석에서 초기 소재 온도는 20°C를 적용시켰고, 접합 동안의 온도변화에 따른 소재들의 물성변화와 열전달은 없다고 가정하였다. 펀치의 속도는 SPR 접합기의 펀치속도와 같은 10 mm/s이며, 마찰상수는 스틸과 스틸에서 일반적으로 사용하는 0.12를 적용하였다.
SPR의 부품 중 리벳과 판재는 소성변형이 이루어져야 하기 때문에 강소성체로 적용하였고, 나머지 부품들은 변형되지 않는 강체로 설정하였다. 리벳의 요소 수는 15,000개이고, 판재는 두께에 따라 15,000∼20,000개로 분할하였다.

2.4 해석 결과 및 고찰

인장강도가 500 MPa이고 연신율이 30%인 고장력강 상부판재와 알루미늄 합금인 SILAFONT 하부판재의 접합 해석에서 세미 튜우블러 리벳과 새로운 형상의 리벳을 적용하여 접합성 및 접합 하중 등의 차이를 예측하고자 하였다. Fig. 2(a)는 세미 튜우블러 리벳을 적용시킨 결과이고, (b)는 새로운 형상의 리벳을 적용한 접합해석 성형결과이다. 리벳 섕크와 하부판재간의 결합체인 인터락(interlock)은 새롭게 설계된 리벳을 적용했을 때 더 큰 것을 볼 수 있으며, 인터락이 크므로 접합성 평가에서도 더 우수한 성능을 낼 수 있을 것이다.
Fig. 2
Simulated results for self-piercing riveting DP440 and SILAFONT with semi-tubular rivet and newly des
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Fig. 3은 리벳팅 시뮬레이션에서 (a)의 세미 튜우블러 리벳과 (b)의 섕크가 세 갈래로 나뉜 리벳에 발생되는 상당응력 결과를 나타낸 것이다. 발생응력은 세 갈래로 나뉜 리벳의 경우 섕크 끝단에서 집중되어 발생되는 반면, 세미 튜우블러 리벳의 경우에는 응력이 섕크 하단부에 고르게 분포됨을 알 수 있다. 따라서 (b)의 섕크가 세 갈래로 나뉜 경우에 리벳 섕크의 벌어짐량 향상과 접합하중 감소의 효과가 기대된다. 또한 접합 시에 하강하는 펀치에서 새롭게 설계된 리벳의 접합 하중은 세미 튜우블러 리벳 보다 13% 낮은 것으로 조사되었다. 따라서 인장강도가 500 MPa이고 연신율이 30%인 상판과 SILAFONT 하판의 접합에서는 섕크가 세 부분으로 갈라진 리벳으로 적용하는 것이 바람직하다. 두 가지 조건의 해석 결과에서 접합 하중을 Table 1에 정리하였다.
Fig. 3
Comparisons of effective stress of rivet with (a) semi-tubular rivet and (b) newly designed rivet
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Table 1
Comparisons of riveting loads (unit : kN)
Semi-tubular rivet Punch 90.96
Anvil 100.74
Newly designed rivet Punch 80.70
Anvil 100.08

3. 접합성 평가

3.1 SPR 접합시험

접합시험은 시뮬레이션과 동일조건으로 실시하였으며 판재 접합에 사용된 SPR 전용 프레스를 이용하였다. 펀치는 유압으로 리벳을 가압하며 속도는 시뮬레이션과 동일한 10 mm/s이다.
Fig. 4에 인장강도가 500 MPa이고 연신율이 30 %인 상판과 SILAFON 하판의 접합시험과 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타내었다. (a)는 세미 튜우블러 리벳으로 적용된 해석과 실험 결과이며, (b)는 새로운 형상의 리벳이 적용된 해석과 실험 결과이다. 단면부 형상 및 각부 치수는 해석과 실험이 비교적 잘 일치하였다. 치수 비교에서의 값 차이는 절단위치의 오차로 인하여 발생된 것으로 생각된다. 또한 Fig. 5와 같이 섕크가 세 부분으로 갈라진 리벳의 접합부 아랫면의 형상을 비교하였을 때 해석과 실험이 잘 일치하였다.
Fig. 4
Comparisons of cross-sectional views for rivet joint of DP440 and SILAFONT
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Fig. 5
Comparisons of (a) simulated result and (b) experimental one for bottom of the rivet joint with three-legged SPR
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3.2 SPR 접합부 전단시험

접합부의 접합력을 조사하기 위해 시험편을 제작하고 INSTRON사인 8801을 이용하여 2 mm/min 속도로 전단 시험하였다. 세미 튜우블러 리벳과 섕크가 세 갈래로 나뉜 리벳을 이용하여 인장강도가 500 MPa이고 연신율이 30%인 초고장력강과 SILAFONT의 판재를 겹치기 이음 방식으로 결합하여 시험편을 제작하였다. 시험 후 결과를 Table 2에 정리하였다. 세미 튜블러 리벳이 적용된인장강도가 500 MPa이고 연신율이 30%인 초고장력강과 SILAFONT의 접합부 전단하중은 4.1 kN, 새롭게 설계된 리벳의 접합부 전단하중은 약 5.1 kN으로 약 25% 향상되었다. 따라서 섕크가 세 갈래로 나뉜 리벳의 체결력이 더 높은 것을 알 수 있으며 시험편의 파단형상을 Fig. 6에 나타내었다.
Table 2
Lap-shear load for joining DP440 and SILAFONT (unit : kN)
Shape of SPR Lap-shear load
Semi-tubular rivet 4.1
Newly designed rivet 5.1
Fig. 6
Photograph of a lap-shear tested specimen
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Fig. 7은 인장강도가 500 MPa이고 연신율이 30%인 상판과 SILAFONT 하판의 접합부에서 리벳을 제거시킨 상태의 모습을 나타낸 것이다. 이를 통해 리벳을 제거한 상부판재의 전단 여부를 판단하였다. (a)는 세미 튜우블러 리벳의 접합부이며 (b)는 새롭게 설계된 리벳의 접합부이다. (a)를 보면 상부 판재가 완전히 전단 되었음을 볼 수 있다. 그러나 (b)를 보면 상부판재가 완전하게 전단되지 않은 것을 볼 수 있다. 따라서 섕크가 세 갈래로 나뉜 리벳을 적용한 접합은 판재간의 회전 구속과 체결력이 더 우수할 것으로 기대된다.
Fig. 7
Photographic illustrations of sheared upper sheets with (a)semi-tubular rivet and (b)newly designed rivet
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4. 결 론

본 연구에서는 세미 튜우블러 리벳과 같이 기존의 SPR보다 접합력이 우수한 분리형 섕크의 SPR을 설계하고자 하였다. 인장강도가 500 MPa이고 연신율이 30%인 초고장력강과 SILAFONT의 이종재료 판재접합에 관한 해석과 실험을 하였고 접합성 평가를 통하여 새롭게 설계된 SPR의 접합성 향상을 조사하였다. 세미 튜우블러 리벳과 새로운 리벳의 접합 시뮬레이션과 실험결과를 비교, 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
1) 세미 튜우블러 리벳과 섕크가 세 갈래로 나뉜 리벳의 접합부 전단시험에서 하중은 각각 4.1 kN, 5.1 kN으로 조사되었다. 따라서 인장강도가 500 MPa이고 연신율이 30%인 두께 0.7 mm의 상판과 두께 3.0 mm의 SILAFONT 하판의 접합에서는 경도가 HV450, 길이가 6 mm이며 섕크가 세 갈래로 나뉜 형상의 리벳이 보다 적합하고, 리벳의 길이는 접합 판재의 두께에 따라 다양하게 적용되어야 한다.
2) 접합시험 후 리벳을 제거하여 상부판재의 형상을 관찰하였다. 세미 튜우블러 리벳으로 접합한 판재는 완전 전단되었고 세 갈래로 나뉜 리벳으로 접합한 판재는 완전 전단되지 않은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 섕크가 세 갈래로 나뉜 리벳이 적용된 접합부에서는 판재간의 회전 구속이 가능하고 우수한 체결력을 기대할 수 있다.
3) 접합 시뮬레이션을 통하여 리벳과 판재의 소성거동을 예측하였다. 리벳팅 과정에서 리벳에 발생되는 응력을 조사하였고 접합하중을 예측하였다. 새롭게 설계된 섕크가 세 갈래로 나뉜 리벳은 세미 튜우블러 리벳보다 응력분포가 적고, 접합하중은 낮게 예측되었다. 따라서 분리형 섕크의 SPR은 낮은 접합하중으로도 접합성을 향상 시킬 수 있을 것이다.

후 기

본 연구는 산업원천기술개발사업 “Eco/Bio 산업의 기능성 부품 생산용 차세대 융복합 가공시스템 개발, No. 10039982” 과제의 지원으로 수행되었으며 관계자 여러분께 감사드립니다.

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