KR101049642B1 - 멀티 스테이지 공법을 이용한 성형성이 우수한 금속제 튜브제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속제 튜브 제조방법에 관한 것으로, 다양한 형상의 튜브 제조에 적용할 수 있는 멀티 스테이지 포밍(Multi-stage forming)을 이용한 성형성이 우수한 금속제 튜브 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 a) 제조하고자 하는 튜브의 전개도 형상으로 소재를 블랭킹하는 단계; b-1) 블랭킹된 소재의 양측 가장자리를 각각 30~40% 성형하여 전체적으로 60 ~ 80% 를 성형하는 제 1 프레스 성형 단계 b-2) 잔여 20~40% 부분을 성형하는 제 2 프레스 성형 단계; c) 롤러 클램핑으로 튜브의 외형을 교정하는 단계; 및 d) 튜브의 양측 가장자리가 맞닿는 이음부를 레이저 용접하는 단계; 를 포함하는 금속제 튜브 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 성형성이 우수한 금속제 튜브 제조방법은 제조하고자 하는 튜브의 전개도 형상에 대응하는 모양으로 블랭킹하여 절단 한 후, 프레스 성형으로 튜브의 형상으로 성형하는 방식을 취함으로써 소재의 가공경화를 최소화하는 형태로 성형작업을 수행할 수 있는 효과를 가져온다.

튜브, 코니컬 튜브, 성형성

Description

멀티 스테이지 공법을 이용한 성형성이 우수한 금속제 튜브 제조방법{High formablity metal tube manufacturing method using multi stage forming}

본 발명은 금속제 튜브 제조방법에 관한 것으로, 종래의 다단의 롤을 이용한 연속적인 제조방법을 탈피하여 블랭킹으로 먼저 소재를 절단한 후 소재의 위치를 변경하면서 프레스 성형으로 가공하는 멀티스테이지 포밍(multi-stage forming)방법을 사용함으로써 다양한 형상의 튜브 제조에 적용할 수 있으며 가공경화를 최소화하여 성형성이 우수한 금속제 튜브를 제조할 수 있는 제조방법에 관한 것이다.

일반적인 파이프 제조공정은 코일을 풀면서 연속적으로 다단의 성형롤을 거쳐 관의 형상으로 성형하고 용접하는 연속적인 작업으로 이루어진다.

그런데, 이러한 종래의 방식으로는 관의 직경이 일정한 직선관의 형태만 제조할 수 있어서, 관의 단면이 일정하지 않은 코니컬 튜브나 양단이 서로 다른 직경을 가지는 이종 직경 튜브는 제조할 수 없었다.

또한, 이러한 종래의 방식은 롤러를 이용하여 형상을 가공하는 것이어서 가 공경화를 최소하는 데 한계가 있고 강도가 강한 소재에는 적용되기 어려운 문제점을 가지고 있었다.

아울러, 코일 소재를 풀어서 연속적으로 가공하는 방식을 취하고 있어서 튜브의 길이방향과 소재의 길이방향이 일치하는 형태로 밖에 제조할 수 없어서 두께와 직경의 비율인 t/D 가 1/75 수준까지만 제조할 수 있었다.

본 발명은 성형성이 우수하고 다양한 형태를 가지는 차량 구조용 튜브 또는 하이드로 포밍용 튜브를 제조하기에 적합한 성형성이 우수한 금속제 튜브 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 고강도 소재를 이용하여 튜브를 제조할 수 있는 금속제 튜브 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 코팅된 소재의 표면 품질이 우수한 금속제 튜브 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 a) 제조하고자 하는 튜브의 전개도 형상으로 소재를 블랭킹하는 단계; b-1) 블랭킹된 소재의 양측 가장자리 40~80% 부분을 성형하는 제 1 프레스 성형 단계; b-2) 잔여 60~20% 부분을 성형하는 제 2 프레스 성형 단계; c) 롤러 클램핑으로 튜브의 외형을 교정하는 단계; 및 d) 튜브의 이음부를 레이저 용접하는 단계;를 포함하는 금속제 튜브 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 성형성이 우수한 금속제 튜브 제조방법은 제조하고자 하는 튜브의 전개도 형상에 대응하는 모양으로 블랭킹하여 절단 한 후, 프레스 성형으로 튜브의 형상으로 성형하는 방식을 취함으로써 소재의 가공경화를 최소화하는 형태로 성형작업을 수행할 수 있는 효과를 가져온다.

또한 본 발명에 따른 금속제 튜브는 레이저 용접을 사용함으로써 용접부 주위의 열영향부를 최소화할 수 있어, 제조된 금속제 튜브가 원소재 강판의 성형성과 유사한 수준의 성형성을 가지는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명에 따른 튜브 제조방법은 튜브의 길이 방향이 코일 소재의 폭방향과 일치하는 형태로 제조할 수 있으며, 이로 인해 튜브의 성형성이 향상되는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명에 따른 튜브 제조방법은 직선형태의 튜브 뿐만 아니라 코니컬 튜브, 이종 직경 튜브와 같은 형태의 튜브를 제조할 수 있는 효과도 가져온다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 성형성이 우수한 금속제 튜브 제조방법의 실시예를 설명한다.

이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.

그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 코일의 권취 방향과 제조되는 튜브의 방향을 나타낸 개념도이다.

본 발명에 따른 튜브 제조방법은 먼제 코일 소재를 풀어서 제조하고자 하는 튜브의 전개도 형상에 대응되는 형상으로 블랭킹 한 후, 프레스 성형을 거쳐 튜브의 형상으로 제조하게 된다.

원소재(10)는 코일 형태로 권취되어 있으며, 제조 공정의 특성상 길이방향의 성형성 보다 폭방향이 성형성이 더 우수한 특성을 가진다.

원소재(10) 코일로 튜브를 제조하는 경우, 튜브(12)의 길이 방향과 코일 소재의 길이 방향이 일치하는 형태로 제조할 수도 있고, 튜브(14)의 길이 방향과 코일 소재의 폭 방향이 일치하는 형태로 제조할 수도 있다.

종래의 다단의 롤을 이용한 성형은 경우에는 튜브의 길이방향과 코일 소재의 길이 방향이 일치하는 형태로 제조할 수 밖에 없었으며, 그 경우 제조된 튜브를 이용하여 추가적인 성형을 할 경우 팽창률(circumferential expansion rate)은 12.85% 정도의 수준이었다.

본 발명에 따른 방법을 이용할 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 튜브(12)는, 원소재(10)가 권출 되는 방향으로 길게 배치되는 상기 원소재(10)의 길이방향으로 배치될 경우에 팽창률은 14.85%로 향상되어 성형성이 우수한 효과를 가져 온다.

본 발명에 따른 방법으로 제조된 튜브가 성형이 우수한 이유는 튜브 형상으로 가공할 때 후술하는 바와 같이 프레스 성형방법을 이용하여 소재의 위치를 자유롭게 변경하면서 가공할 수 있기 때문에 가공경화를 최소화 할 수 있고, 따라서 전 체적인 성형성이 향상되는 것이다.

성형이 가장 우수한 경우는 튜브(14)의 길이 방향과 코일 소재의 폭 방향이 일치하도록 제조하는 것이고, 이 경우 팽창률은 21.18% 수준으로 나타난다.

도 2는 본 발명에 따른 제조할 수 있는 다양한 튜브의 형태를 나타낸 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법으로는 도면 좌측의 직선관(21)의 형태, 직경이 일정하게 변화하는 코니컬 튜브(22)(conical tube) 형태, 양측이 서로 다른 직경을 가지는 이종 직경 튜브(23)(Multi-diameter tube) 형태를 모두 제조할 수 있으며, 이 외에도 다양한 형태의 튜브들을 제조할 수 있다.

종래의 롤 성형 방식을 이용하는 경우에는 직선관의 형태밖에 제조할 수 없었으나, 먼저 전개도 형상으로 블랭킹 한 후 프레스 성형 과정을 거쳐 튜브 형태로 성형하는 본 발명의 제조방법을 사용하면 다양한 형태의 튜브를 제조할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 성형성이 우수한 금속제 튜브의 제조방법에 관해서 구체적으로 살펴본다.

도 3은 본 발명에 따른 직선관 형태의 튜브 제조방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 4는 각 공정단계별 소재의 단면을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 튜브 제조방법은

a) 제조하고자 하는 튜브의 전개도 형상으로 소재를 블랭킹하는 단계;

b-1) 블랭킹된 소재의 양측 가장자리를 전체적으로 40~80%를 성형하는 제 1 프레스 성형 단계;를 갖는데, 양측 가장자리를 전체적으로 40~80% 성형하는데 있어서, 성형비율이 40% 미만일 경우에는, 여러 번에 걸쳐 성형을 해야하기 때문에 성형비율이 낮아 생산속도가 저하되는 문제점이 있고, 성형비율이 80%를 초과할 경우에는, 가공 경화에 의하여 성형품질이 저하되는 문제점이 있다.

b-2) 잔여 20~60% 부분을 성형하는 제 2 프레스 성형 단계;를 갖는데, 잔여 20~60% 부분을 성형하는데 있어서, 잔여 20~60%의 성형비율은, 상기 제 1 프레스성형 단계에서 미비 된 나머지 부분을 성형하는 작업이고, 이때, 잔여 성형 비율이 20% 미만일 경우에는 성형의 완성이 안 되는 문제점이 있고, 잔여 성형 비율이 60%를 넘을 수는 없게 된다.

c) 롤러 클램핑으로 튜브의 외형을 교정하는 단계; 및

d) 튜브의 양측 가장자리가 맞닿는 이음부를 레이저 용접하는 단계;

를 포함하는 금속제 튜브 제조방법을 제공한다.

a) 단계에서는 소재를 제조하고자 하는 튜브의 전개도 형상으로 블랭킹 재단한다. 직선관의 경우에는 블랭킹 된 소재는 직사각형의 형태를 가지며, 일측의 길이는 튜브의 길이에 대응하고, 타측의 길이는 튜브의 원주에 대응하도록 절단된다. 이 때, 튜브의 길이 방향과 코일 소재의 폭 방향이 일치하도록 재단하면 앞에서 살펴본 바와 같이 코일 소재 재질의 특성상 성형성이 더욱 우수해 진다. 도 4를 참조하면 a) 단계는 블랭킹 작업만 수행되고 성형은 이루어지지 않기 때문에 소재의 단면은 평평한 상태를 유지한다.

a) 단계에서 사용되는 소재의 표면품질은 클래스 A 표면인 것이 바람직하다.

"클래스 A" 표면(class A surface quality)은 다음과 같이 정의된다.

레이저 광학 반사 영상 분석기(LORIA, Laser Optical Reflected Image Analyzer)로 측정되는 표면 품질(SQ)은 세종류의 척도로 결정된다: 앳슈랜드(Ashland) 지수(AI), 화상 선명성(DOI, Distinctness of Image), 및 오렌지필(OP, Orange Peel). 클래스 A 표면품질을 갖는 강판은 AI<80, DOI≥70(스케일 0- 100), 및 OP≥7.0(스케일 0-10)을 갖는 것으로서 정의된다.

b-1) 제 1 프레스 성형 단계에서는 소재의 가장자리 양측의 30~40% 부분을 각각 프레스로 성형한다. 여기서 비율은 폭 전체의 길이에 대하여 곡면으로 성형된 부분의 길이의 비율을 의미한다. 양측을 각각 30~40% 성형하는 것으로, 전체적으로는 60~80% 가 성형된다. 도 4를 참조하면 b) 단계를 거친 상태에서는 양측 가장자리 30~40%만이 원형의 단면으로 성형되며 중앙부는 평평한 상태를 유지하고 있다.

도시된 바와 같이 한꺼번에 많은 양을 성형하지 않고 일부분씩 점차적으로 성형하도록 함으로써 성형부위의 가공경화를 최소하는 것이 바람직하다. 가공 경화를 최소화 해야 완성된 튜브가 우수한 성형품질을 나타낼 수 있다.

b-2) 제 2 프레스 성형 단계에서는 잔여 부분을 성형하는 데, 양측 가장자리가 성형되어 있으므로 나머지 부분은 소재의 중심부분이 된다. 소재의 중심부분의 성형을 마치면 양측 가장자리가 근접하고 있는 튜브의 형상이 된다. 4를 참조하면 b-2) 단계를 거친 상태에서는 전체적으로 원형의 단면으로 성형되었으나 이음부가 완전히 밀착되지 않은 상태가 된다.

이 때 튜브의 외경은 완제품의 103~108% 범위인 것이 바람직하다. 튜브의 외경은 상기의 범위내에서 소재의 종류나 제조하는 튜브의 직경에 따라서 결정된다.

이 때, b-1) 단계와 b-2) 단계의 성형은 튜브의 내면 형상에 대응하는 상부 금형(31)과, 튜브의 외면 형상에 대응하는 하부금형(32), 그리고 하부금형(32)의 양측에 배치되는 가이드암(33,34)에 의하여 이루어진다.

가이드암(34)이 소재를 상부금형(31)과 하부금형(32)에 위치시키면, 상부금형(31)과 하부금형(32)이 밀착되며 소재의 외형을 성형하게 된다. 본 발명에 따른 방법은 소재가 이미 절단된 상태이기 때문에 소재의 위치를 쉽게 변경하면서 전체적으로 균일하게 성형할 수 있는 효과를 가져온다.

c) 단계에서는 벌어져 있는 튜브의 이음부를 밀착시키면서 튜브의 외형을 교정하는 것으로, 제조하고자 하는 튜브의 외형에 대응하는 홈 형상을 가지는 다단의 롤러를 통과하면서 이루어지는 것이 바람직하다. 도 4를 참조하면, c) 단계를 거치면 단면은 완전한 원형으로 형성되며 이음부는 서로 밀착된다.

d) 단계에서는 c) 단계에서 밀착된 이음부를 레이저 용접으로 연결하여 튜브의 제조가 완료된다. 레이저 용접을 사용하게 되면 열영향부가 적어져서 성형성의 측면에서 유리하며, 용접부에 대한 별도의 열처리가 불필요하게 된다.

본 발명에 따른 제조방법으로 제작된 튜브는 레이져 용접이 적용됨으로써 레이져 용접에 의한 용접부 주위의 영향부가 최소화될 수 있어 거의 원소재 철판의 성형성과 유사한 수준의 성형성을 나타내게 된다.

반면에 기존의 연속조관 방식으로 제조된 강관은 용접부를 중심으로 30도 정도는 열의 영향으로 경화되어 성형성이 거의 10%이상 떨어지게 된다.

또한 본 발명의 제조방법의 경우 레이저 용접 방법을 사용하기 때문에 용접 에 의한 비드형상도 저항 용접처럼 제거 작업이 필요없이 깔끔하게 생성되는 효과를 가져온다.

레이저 용접단계 이후에, 추가적으로 용접부를 검사하고, 용접부 표면을 마감처리 하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 필요한 경우 튜브의 양끝단부를 절삭하거나 튜브를 절단하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

본 발명은 블랭킹으로 절단된 소재를 프레스 성형하여 튜브 형상으로 성형하기 때문에 소재의 두께와 튜브의 직경의 비율이 낮은 극박육 튜브의 제조가 가능하다. 종래에는 두께와 직경의 비율 t/D가 1/75 수준까지 제조할 수 있었으나, 본 발명에 따른 방법을 이용하면 t/D가 최대 1/250 인 극박육의 튜브를 제조할 수 있다.

또한, 튜브로 성형할 때 가공경화를 최소할 수 있도록 서서히 단계적으로 단면의 형상을 원형으로 변화시키는 방법을 사용한다. 따라서 본 발명의 방법에 따라 제조된 튜브는 종래의 롤을 이용한 연속 조관 방식으로 제조하던 튜브보다 성형성이 우수한 효과를 가져온다.

또한, 본 발명은 프레스 성형 방법으로 형상을 성형하기 때문에 강도가 높은 DP(Dual phase)강, CP(Complex phase)강, TRIP(TRansformation Induced Plasticity) 소재를 사용하여 튜브를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명은 GA, GI 강판 소재를 이용할 수 도 있으며 도금 소재 강판의 경우 스크래치, 덴트, 롤마크 등을 감소시켜 우수한 표면 품질을 제공한다.

본 발명은 상기한 강판 소재들 뿐만 아니라 알루미늄 재질, 스테인레스 스틸 재질에도 적용될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

도 1은 코일의 권취 방향과 제조되는 튜브의 방향을 나타낸 개념도,

도 2는 본 발명에 따른 제조할 수 있는 다양한 튜브의 형태를 나타낸 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 직선관 형태의 튜브 제조방법을 나타낸 공정 순서도,

도 4는 각 공정단계별 소재의 단면을 나타낸 도면임.

Claims (8)

1. a) 제조하고자 하는 튜브의 전개도 형상으로 소재를 블랭킹하는 단계;

   b-1) 블랭킹된 소재의 양측 가장자리 40~80% 부분을 성형하는 제 1 프레스 성형 단계;

   b-2) 잔여 60~20% 부분을 성형하는 제 2 프레스 성형 단계;

   c) 롤러 클램핑으로 튜브의 외형을 교정하는 단계; 및

   d) 튜브의 이음부를 레이저 용접하는 단계;

   를 포함하고,

   상기 b-1) 단계와 b-2) 단계는 제조하고자 하는 튜브의 내면 형상에 대응하는 상부금형과, 제조하고자 하는 튜브의 외면 형상에 대응하는 하부금형으로 블랭킹된 소재의 양측 가장자리와 중앙부분을 순차적으로 가압하여 이루어지며,

   상기 a) 단계는 코일 소재의 가로방향과 제조하고자 하는 튜브의 길이 방향이 일치하도록 블랭킹하고,

   상기 c) 단계는 튜브의 외형에 대응하는 홈 형상을 가지는 다단의 롤러를 통과하며 이루어지는 것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 공법을 이용한 성형성이 우수한 금속제 튜브 제조방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 a) 단계는 클래스 A 표면 품질(Class A Surface Quality)을 가지는 소재를 사용하는 것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 공법을 이용한 성형성이 우수한 금속제 튜브 제조방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 d) 단계 이후에,

   용접부를 검사하고, 용접부 표면을 마감처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 공법을 이용한 성형성이 우수한 금속제 튜브 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 d) 단계 이후에,

   튜브의 양끝단부를 절삭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 스테이지 공법을 이용한 성형성이 우수한 금속제 튜브 제조방법.

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