KR101128314B1 - 금속판의 프레스 성형 방법 및 그것에 의해 제조된 차량용 골격 부품 - Google Patents

금속판의 프레스 성형 방법 및 그것에 의해 제조된 차량용 골격 부품 Download PDF

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Abstract

펀치나 다이스 등의 프레스 성형용 금형의 형상을 수정하거나, 블랭크의 형상이나 재질을 특수한 것으로 변경하지 않고, 금속판에 균열이 발생하는 성형 한계를 향상시킬 수 있고, 프레스 성형기 실기에도 적용이 용이하며, 게다가 저비용의 금속판의 프레스 성형 방법을 제공한다. 펀치 (10), 다이스 (20) 및 블랭크 홀더 (30) 로서, 표면의 조도가 산술 평균 조도 Ra 로 7.5㎛ 이하인 금형을 사용하고, 윤활제 (50) 로서, 동점도 500㎟/s 이하 (40℃) 의 액체를, 금속판 (100) 과 블랭크 홀더 (30), 금속판 (100) 과 펀치 (10), 금속판 (100) 과 다이스 (20) 사이에 공급하고, 성형 도중에 금형과 피가공재를 일단 떼어내고, 재차 성형함으로써 성형성을 향상시킨다.

Description

금속판의 프레스 성형 방법 및 그것에 의해 제조된 차량용 골격 부품{METHOD OF METAL SHEET PRESS FORMING AND SKELETAL PART FOR VEHICLE PRODUCED THEREBY}
프레스 성형이란, 펀치와 다이스 등의 한 쌍의 형 (대부분의 경우, 금형) 으로 금속판을 끼워 가압하여 원하는 형상으로 성형하는 것을 말한다. 본 발명은, 자동차 등 차량의 부품 등을 제조할 때의 금속판의 프레스 성형 방법에 관한 것이고, 금형의 형상 수정 (연삭 등) 이나, 금속판의 재질을 특수한 것으로 변경하는 등의 특별한 수단을 강구하지 않아도, 금속판에 균열이 발생하는 성형 한계를 향상시킬 수 있는 금속판의 프레스 성형 방법에 관한 것이고, 특히 드로잉 성형이라고 불리는 프레스 성형 방법에 관한 것이다. 또한 그 프레스 성형 방법을 사용하여 제조한 인장 강도 400㎫ 이상의 금속 재료를 소재로 한, 골격 구조용의 차량용 골격 부품에 관한 것이다.
프레스 성형에는, 도 9a, 도 9b 에 나타내는 바와 같이, 드로잉 성형과 스트레칭 성형 등이 있다. 도 9a 는 드로잉 성형의 예로서, 주위로부터 소재 금속판 (블랭크라고 칭한다) (100) 을 금형 (다이스 (20)) 내에 유입시킨다. 도 9b 는 스트레칭 성형의 예로서, 비드 (40) 를 형성하고 주위로부터 소재 금속판 (블랭크) (100) 을 금형 (20) 내에 유입시키지 않는다 (비특허 문헌 1). 한계 드로 잉비 LDR 에 대하여 동 문헌에 기재된 정의를 도 10a, 도 10b 에 나타낸다. 한계 드로잉비가 클수록 성형성이 우수한 것을 나타낸다. 도 10a, 도 10b 에 있어서, 10 은 다이스 (20) 와 함께 프레스용 금형을 구성하는 펀치, 30 은 블랭크 홀더이다.
도 11a 에 나타내는 바와 같이, 종래부터 일반적으로 프레스 성형은, 소재 금속판 (블랭크) (100) 이, 예를 들어 도면 중 상측에 있는 다이스 (20) 와, 도면 중 하측으로부터 상승해 오는 펀치 (10) 로 성형되도록, 최종 목표 형상에 이르기 (펀치 (10) 가 상사점에 도달하기) 까지, 성형이 진행되는 방향으로 (성형 높이가 높아지는 방향으로) 펀치 (10) 가 이동하거나, 다이스 (20) 가 이동하게 하여 행해졌다 (다이스 (20) 가 하측이고 펀치 (10) 가 상측인 경우도 있다. 그 경우에는, 펀치 (10) 가 하사점에 도달하여 성형이 완료된다). 그 동안, 블랭크 (100) 의 바깥 가장자리에 주름이 발생하는 것을 억제할 목적으로, 대부분의 경우, 블랭크 홀더 (30) 를 배치하고, 다이스 (20) 와의 사이에 금속판 (블랭크 (100)) 을 끼운 상태에서 펀치 (10) 를 이동시켜 성형을 완료시키도록 하였다.
블랭크 홀더 (30) 와 다이스 (20) 사이에 금속판 (블랭크 (100)) 을 끼우는 힘은, 블랭크 (100) 의 바깥 가장자리에 주름이 발생하는 것을 억제할 수 있는 정도면 충분하고, 과도하게 크게 할 필요는 없다. 도 9a 에 나타내는 드로잉 성형의 경우에는, 블랭크 홀더 (30) 와 다이스 (20) 사이에 끼워져 있는 금속판 (블랭크 (100)) 은, 블랭크 홀더 (30) 와 다이스 (20) 각각과 슬라이딩하면서 다이스 (20) 의 안쪽으로 끌려 들어가기 때문에, 블랭크 홀더력을 과도하게 크게 하면, 오 히려 슬라이딩이 방해가 되어, 프레스 성형 중인 금속판 (블랭크 (100)) 에 균열이 발생하기 쉬워 진다. 도 9b 에 나타내는 스트레칭 성형의 경우에는, 비드 (40) 에 의해 오히려 이 슬라이딩을 적극적으로 방해하여, 금속판 (블랭크 (100)) 이 다이스 (20) 의 안쪽으로 끌려 들어가는 것을 억제한다.
그런데, 프레스 성형에는 여러 종류의 성형 불량이 발생할 수 있는데, 특히, 프레스 성형하고자 하는 부품의 형상이 복잡하거나, 소재 금속판 (블랭크) 이 고강도이면, 블랭크에 균열이 발생하기 쉬워진다는 문제가 있다.
이것을 억제하기 위한 일반적인 방법으로는, 펀치나 다이스 등의 프레스 성형용 금형 (간단히 금형이라고도 한다) 의 형상을 수정하거나, 블랭크의 형상을 처음부터 상이한 형태로 변경시켜 성형하거나, 블랭크의 재질을 특수한 것으로 변경하는 등의 방법을 들 수 있다.
그러나, 금형의 형상을 수정하거나, 블랭크의 형상이나 재질을 변경하는 등의 방법을 취하려면, 막대한 시간, 노력, 게다가 비용 등을 필요로 하기 때문에, 이들 방법을 취하지 않고 균열의 발생을 억제할 수 있는 방법이 검토, 개발되고 있다.
발명자들은, 특허 문헌 1 에 있어서, 펀치가 금속판 (블랭크) 에 최초로 접촉하고, 성형이 개시된 후, 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 성형이 완료될 때까지의 사이에, 금속판 (블랭크) 으로부터 펀치를 일단 떼어내고, 펀치와 다이스를 사용하여 재차 금속판 (블랭크) 을 성형하는 방법을 제안하였다.
또한, 특허 문헌 2 에 있어서, 펀치가 금속판 (블랭크) 에 최초로 접촉하고, 성형이 개시된 후, 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 성형이 완료될 때까지의 사이에, 금속판 (블랭크) 으로부터 블랭크 홀더를 일단 떼어내고, 펀치와 다이스와 블랭크 홀더를 사용하여 재차 금속판 (블랭크) 을 성형하는 방법을 제안하였다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2005-199318호
특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 2005-199319호
비특허 문헌 1 : 일본 철강 협회편 「제 3 판 철강 편람 VI」 252 페이지, 259 페이지
비특허 문헌 2 : 일본 소성 가공 학회지 「소성과 가공」 제 39 권, 제 452 호 (1998-9), 22 ~ 26 페이지
발명의 개시
특허 문헌 1 과 같은, 블랭크로부터 펀치를 일단 떼어내고, 재차 성형하는 방법에서는, 블랭크로부터 펀치가 떼어내진 순간에 윤활제가 재유입되어 슬라이딩 특성이 개선되는 것이 성형성 향상의 작용을 하고 있지만, 금형의 표면 성상이나 윤활제의 종류 (동점도 (動粘度)) 에 영향받아, 금형의 표면 조도나 사용하는 윤활제의 동점도에 따라서는 충분히 효과가 발휘되지 않는 경우가 있어, 개선의 여지가 남아 있었다.
특허 문헌 2 와 같은, 블랭크로부터 블랭크 홀더를 일단 떼어내고, 재차 성형하는 방법에서도 동일하여, 블랭크와 블랭크 홀더가 떼어내진 순간에 윤활제가 재유입되어 슬라이딩 특성이 개선되는 것이 성형성 향상의 작용을 하고 있지만, 금형의 표면 성상이나 윤활제의 종류 (동점도) 에 영향받아, 금형의 표면 조도나 사용하는 윤활제의 동점도에 따라서는 충분히 효과가 발휘되지 않는 경우가 있어, 개선의 여지가 남아 있었다.
본 발명은, 상기와 같은 종래 기술에 있어서의 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 펀치나 다이스 등의 프레스 성형용 금형의 형상을 수정하거나, 블랭크의 형상이나 재질을 특수한 것으로 변경하지 않고, 프레스 성형하고자 하는 부품의 형상이 복잡한 경우나 소재 금속판이 고강도인 경우에도, 금속판에 균열이 발생하는 성형 한계를 향상시킬 수 있고, 또한, 대형 프레스 성형기 실기 (實機) 에도 적용이 용이하며, 게다가 저비용의 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한 본 프레스 방법에 의해 제조된, 에너지 흡수 특성이 우수한 차량용 골격 부품을 제공하는 것을 과제로 한다.
(1) 블랭크 홀더를 배치하고, 펀치와 다이스로 금속판을 끼워 가압하는 프레스 성형 방법에 있어서, 상기 블랭크 홀더와 상기 다이스로 상기 금속판을 끼운 상태에서 상기 펀치가 상기 금속판에 최초로 접촉하고, 성형이 개시된 후, 상기 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 성형이 완료될 때까지의 사이에, 상기 블랭크 홀더를 상기 금속판으로부터 일단 떼어내고, 상기 펀치와 상기 다이스와 상기 블랭크 홀더를 사용하여 재차 금속판을 성형한다는 동작을, 적어도 1 회 이상 거치게 하고, 또한, 상기 펀치, 상기 다이스 및 상기 블랭크 홀더로서, 표면의 조도가 산술 평균 조도 Ra 로 7.5㎛ 이하인 금형을 사용하고, 윤활제로서, 동점도 500㎟/s 이하 (40℃) 의 액체를, 금속판과 블랭크 홀더, 금속판과 펀치, 금속판과 다이스 사이에 공급함으로써 상기 과제를 해결한 것이다.
(2) 블랭크 홀더를 배치하고, 펀치와 다이스로 금속판을 끼워 가압하는 프레스 성형 방법에 있어서, 상기 블랭크 홀더과 상기 다이스로 상기 금속판을 끼운 상태에서 상기 펀치가 상기 금속판에 최초로 접촉하고, 성형이 개시된 후, 상기 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 성형이 완료될 때까지의 사이에, 상기 펀치를 상기 금속판으로부터 일단 떼어내고, 상기 펀치와 상기 다이스와 상기 블랭크 홀더를 사용하여 재차 금속판을 성형한다는 동작을, 적어도 1 회 이상 거치게 하고, 또한, 상기 펀치, 상기 다이스 및 상기 블랭크 홀더로서, 표면의 조도가 산술 평균 조도 Ra 로 7.5㎛ 이하인 금형을 사용하고, 윤활제로서, 동점도 500㎟/s 이하 (40℃) 의 액체를, 금속판과 블랭크 홀더, 금속판과 펀치, 금속판과 다이스 사이에 공급함으로써 상기 과제를 해결한 것이다.
(3) 블랭크 홀더를 배치하고, 펀치와 다이스로 금속판을 끼워 가압하는 프레스 성형 방법에 있어서, 상기 블랭크 홀더과 상기 다이스로 상기 금속판을 끼운 상태에서 상기 펀치가 상기 금속판에 최초로 접촉하고 성형이 개시된 후, 상기 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 성형이 완료될 때까지의 사이에, 상기 다이스를 상기 금속판으로부터 일단 떼어내고, 상기 펀치와 상기 다이스와 상기 블랭크 홀더를 사용하여 재차 금속판을 성형한다는 동작을, 적어도 1 회 이상 거침으로써 상기 과제를 해결한 것이다.
(4) 블랭크 홀더를 배치하고, 펀치와 다이스로 금속판을 끼워 가압하는 프레스 성형 방법에 있어서, 상기 블랭크 홀더와 상기 다이스로 상기 금속판을 끼운 상태에서 상기 펀치가 상기 금속판에 최초로 접촉하고, 성형이 개시된 후, 상기 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 성형이 완료될 때까지의 사이에, 상기 블랭크 홀더를 상기 금속판으로부터 일단 떼어내고, 추가로, 지그를 사용하여 상기 다이스로부터 상기 금속판을 일단 떼어내고, 이렇게 한 후, 상기 펀치와 상기 다이스와 상기 블랭크 홀더를 사용하여 재차 금속판을 성형한다는 동작을, 적어도 1 회 이상 거침으로써 상기 과제를 해결한 것이다.
(5) 상기 (1) ~ (4) 중 어느 하나 이상의 방법으로, 인장 강도 400㎫ 이상의 금속판을 프레스 성형함으로써 상기 과제를 해결하는 것이다.
(6) (5) 의 방법에 의해 프레스 성형된 것을 특징으로 하는 차량용 골격 부품을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 펀치나 다이스 등의 프레스 성형용 금형의 형상을 수정하거나, 블랭크의 형상이나 재질을 특수한 것으로 변경하지 않고, 금속판에 균열이 발생하는 성형 한계를 향상시킬 수 있고, 프레스 성형기 실기에도 적용이 용이하며, 게다가 저비용의 금속판의 프레스 성형 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 프레스 성형 방법을 사용함으로써, 소재로서 인장 강도 400㎫ 이상의 금속판을 사용한 에너지 흡수 특성이 우수한 차량용 골격 부품을 제공할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 원리를 설명하기 위한, 윤활제의 동점도와 LDR 향상대의 관계의 예를 나타내는 도면이다.
도 2 는, 동일하게, 금형 표면 조도와 LDR 향상대의 관계의 예를 나타내는 도면이다.
도 3 은, 본 발명의 적용 대상의 일례인 자동차용 골격 부품의 프론트 사이드 프레임의 예를 나타내는 사시도이다.
도 4a, 도 4b 는, 종래법과 본 발명법에 의한 성형 후의 프레스품의 판두께 측정 예를 비교하여 나타내는 도면이다.
도 5 는, 도 4 와 동일한 예에 있어서의 에너지 흡수비를 비교하여 나타내는 도면이다.
도 6a, 도 6b, 도 6c 는, 각 성형법에 의한 LDR 을 비교하여 나타내는 도면이다.
도 7a, 도 7b 는, 성형 도중에 다이스를 떼어내는 본 발명의 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 은, 본 발명에 의한 블랭크 압출 기구를 설명하는 도면이다.
도 9a, 도 9b 는, 드로잉 성형과 스트레칭 성형을 설명하는 도면이다.
도 10a, 도 10b 는, 한계 드로잉비를 설명하는 도면이다.
도 11a, 도 11b 는, 성형 도중에 블랭크 홀더를 떼어내는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 는, 펀치, 다이스, 블랭크 홀더를 떼어낸 경우의 작용을 추정하여 설명하기 위한 도면이다.
도 13a, 도 13b 는, 성형 도중에 펀치를 떼어내는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 펀치
20 : 다이스
30 : 블랭크 홀더
40 : 비드
50 : 윤활제
60 : 프론트 사이드 프레임
61 : 범퍼
62 : 충돌 하중 입력
70 : 블랭크 압출용 지그
100 : 블랭크 (소재 금속판)
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명의 작용에 대하여, 도 11a, 도 11b 에 나타낸 원통 컵 드로잉 성형의 예를 이용하여 설명한다. 원통 컵 드로잉 성형은, 소재 금속판 (블랭크) 의 딥드로잉성을 평가하기 위한 시험 방법으로서 널리 이용되고 있다. 원형 블랭크를 원하는 치수의 원통 컵으로 드로잉 성형하는 것으로서, 파단, 균열 혹은 주름을 발생시키지 않고 성형할 수 있는, 프레스 성형 개시 전의 원형 블랭크의 최대 치수 (직경) 를 성형 한계로 하여 평가하는 방법이다.
도 11a 에 나타낸 바와 같이, 본 발명 이전의 종래의 방법에 의하면, 블랭크 (100) 는 도면 중 상측에 있는 다이스 (20) 와 블랭크 홀더 (30) 사이에 끼워져 가 압되고, 블랭크 홀더력이 부여된 후, 펀치 (10) 가 블랭크 (100) 에 최초로 접촉함과 동시에 성형이 개시되고, 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 금속판 (블랭크 (100)) 의 성형이 완료될 때까지, 즉 펀치 (10) 가 성형 완료 예정 위치에 도달할 때까지, 일 방향으로 펀치 (10) 가 이동하고, 블랭크 홀더 (30) 와 블랭크 (100) 는 성형 개시부터 완료까지 접촉된 채의 상태에서 성형이 완료된다.
이에 대하여, 도 11b 에 나타낸 바와 같이, 특허 문헌 2 의 방법에 의하면, 펀치 (10) 가 블랭크 (100) 에 최초로 접촉하고, 성형이 개시된 후, 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 금속판 (블랭크 (100)) 의 성형이 완료될 때까지의 사이에, 블랭크 홀더 (30) 를 금속판 (블랭크 (100)) 으로부터 일단 떼어내고, 동일한 펀치 (10) 와 다이스 (20) 와 블랭크 홀더 (30) 를 사용하여 재차 금속판 (블랭크 (100)) 을 성형한다.
발명자들은, 본 발명의 방법에 의하면, 특허 문헌 2 의 방법에 필적할 만큼, 딥드로잉성이 향상되고, 성형 한계를 향상시킬 수 있음과 함께, 금형의 표면 성상이나 윤활제의 동점도를 최적으로 설정함으로써, 성형 한계를 확실히 향상시킬 수 있음을 알아내었다.
발명자들은, 블랭크로부터 블랭크 홀더를 일단 떼어내고, 재차 성형함으로써, 딥드로잉성이 향상되는 작용을 이하와 같이 추정하였다. 성형 도중 상태를 떠올리면, 블랭크 홀더 (30) 나 다이스 (20) 등의 금형 표면과, 블랭크 (100) 의 표면이, 가압되면서 슬라이딩된다. 이러한 점에서, 성형 개시시에 블랭크 홀더 (30) 와 블랭크 (100) 사이, 혹은 다이스 (20) 와 블랭크 (100) 사이에 존재하고 있던 윤활제 (50) 의 막이, 성형이 진행되는 과정에서 일시적으로 얇아져, 도 12 의 상단에 나타내는 바와 같이, 금속 끼리가 부분적으로 직접 접촉된다.
그 결과, 블랭크 홀더 (30) 나 다이스 (20) 등의 금형과, 블랭크 (100) 사이의 마찰 계수가 일시적으로 상승하고, 슬라이딩성이 저하되어 블랭크 (100) 에 균열이 발생하거나, 금형과 블랭크 (100) 사이에 응착이 일어나, 형 마모 등의 트러블이 발생하게 된다. 대체로, 금형과 블랭크 (100) 사이의 슬라이딩 거리가 긴 성형의 경우일수록, 이와 같은 성형 불량이 잘 발생한다는 경험적인 사실로부터 보아도, 상기 추정은 올바른 것이라고 생각된다.
그래서, 본 발명에서는, 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 금속판 (블랭크 (100)) 의 성형이 완료될 때까지의 사이에, 블랭크 (100) 와 블랭크 홀더 (30) 를 일단 떼어낸다. 이렇게 하면, 도 12 의 하단에 나타내는 바와 같이, 윤활제 (50) 의 막두께가 회복되고, 동일한 블랭크 홀더 (30) 를 사용하여 재차 금속판 (블랭크 (100)) 의 성형을 실시하는 동작에 들어갔을 때에, 슬라이딩성이 회복되어 블랭크 (100) 에 균열이 발생하거나, 형 마모가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
상기 서술한 윤활제의 막두께 회복은, 금형의 표면 성상이나 유체인 윤활제의 동점도에 영향을 미치는 것이 실험적인 검토로부터 밝혀져 있고, 어느 조건에서는, 그 효과가 충분히 발휘되지 않는 것을 알 수 있다.
예를 들어, 금형의 표면 조도가 산술 평균 조도 Ra 로 7.5㎛ 를 초과하는 거친 상태인 경우에는, 금형과 블랭크를 떼어내었을 때의 슬라이딩성 개선 효과는 작은 것이 실험적으로 판명되었다.
그 원인으로서, 금형 표면의 요철이 크기 때문에 윤활제가 오목부에 유지되지 않고, 금형을 떼어내었을 때에 막두께가 회복되지 않기 때문이라고 추정된다. 동일하게, 윤활제의 동점도가 500㎟/s 를 초과하는 경우에도, 금형과 블랭크를 떼어내었을 때의 슬라이딩성 개선 효과는 작은 것이 실험적으로 판명되었다.
이것은, 동점도가 큰 윤활제는 유동성이 열등하기 때문에, 펀치, 다이스, 블랭크 홀더와 같은 금형을 떼어내었을 때에, 오목부로부터 윤활제가 금속면으로 되돌아오기 어렵고, 막두께가 회복되지 않기 때문이라고 추정된다.
여하튼, 본 발명의 효과를 충분히 발휘하기 위해서는, 펀치, 다이스, 블랭크 홀더와 같은 금형을 떼어내었을 때에 발생하는 윤활제의 막두께 회복이 확실히 일어나는 조건을 선정하는 것이 중요하다.
그러기 위해서는, 표면 조도가 산술 평균 조도 Ra 로 7.5㎛ 이하인 금형을, 펀치, 다이스, 블랭크 홀더로서 사용하고, 동점도가 500㎟/s 이하인 윤활제를 적용하는 것이 바람직하다.
상기 효과는, 블랭크 홀더를 블랭크로부터 떼어내는 경우에도, 도 13b 에 나타낸 펀치를 블랭크로부터 떼어내는 경우 (특허 문헌 1) 에도 동일한 효과가 얻어진다.
펀치 (10) 가 블랭크 (100) 에 최초로 접촉하고, 성형이 개시된 후, 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 금속판 (블랭크 (100)) 의 성형이 완료될 때까지의 사이에, 도 7b 에 나타낸 바와 같이, 다이스 (20) 를 금속판 (블랭크 (100)) 으로부터 일단 떼어내고, 동일한 펀치 (10) 와 다이스 (20) 와 블랭크 홀더 (30) 를 사용하 여 재차 금속판 (블랭크 (100)) 을 성형하는 방법도 성형성을 향상시키는 데에는 효과적이다. 특히, 드로잉 성형의 경우, 블랭크 홀더 (30) 와 다이스 (20) 에 의해 사이에 끼워진 블랭크 (100) 는, 다이스 숄더부에서 구부리고 되구부림 변형을 받은 후, 펀치와 다이스 사이 (클리어런스) 에 진입된다. 다이스 숄더부는 통상 1㎜ ~ 30㎜ 정도의 곡률 반경을 갖고 있고, 다이스 숄더부에 감긴 블랭크에 부하되는 면압은, 일반적으로 블랭크 홀더부에 비해 높아진다. 그 때문에, 금형과 블랭크 사이의 윤활제의 막두께가 얇아져, 금속 끼리의 접촉이 발생하기 쉬워진다. 드로잉 성형시의 형 마모가 다이스 숄더부를 기점으로 하여 발생하기 쉬운 것도 이 때문이다. 따라서, 다이스와 블랭크 사이의 윤활제의 막두께를 회복시키는 것은, 드로잉 성형성을 향상시키는 것에 매우 효과적이다.
다이스를 블랭크로부터 떼어낼 때에, 가공된 재료가 스프링백하고, 다이스에 끼워져, 다이스로부터 벗어나지 않아, 본 발명의 효과가 발휘되지 않는 경우가 있다.
이와 같은 경우에는, 다이스에 도 8 에 나타내는 블랭크 압출용 지그 (70) 를 장착하여, 다이스 (20) 를 떼어낼 때에 피가공재를 압출하도록 하면 된다. 피가공재를 압출하는 힘을 발생시키기 위한 기구는, 스프링식이어도 되고, 유압이나 공기압 실린더를 사용해도 된다. 본 발명의 효과는, 그 기구를 특별히 한정하는 것은 아니고, 확실히 피가공재를 다이스로부터 떼어낼 수 있으면 된다.
이들 성형 방법은, 각각 단독으로 실시해도 효과가 얻어지고, 펀치, 블랭크 홀더, 다이스 등을 순차적으로 블랭크로부터 떼어내도록 조합하여 성형해도 된다. 블랭크 홀더면에서 블랭크가 슬라이딩되는 드로잉 성형과 펀치나 다이스에 의한 스트레칭 성형이 혼재되는 프레스 패널에 대해서는, 펀치, 블랭크 홀더, 다이스를 블랭크로부터 떼어내는 본 발명에 의한 성형 방법을 조합하여 적용하는 것이 바람직하다. 그 조합은, 부품의 형상이나 그 성형 방법 등에 따라, 부품마다 적절히 선택하면 된다. 양산 개시 전의 사전 프레스 트라이얼로 각종 성형 방법의 효과를 확인한 후, 적용할 성형 방법을 선택하면 보다 효율적이다.
그런데, 발명자들은 이들 성형 방법에 의해, 자동차 차체를 구성하는 골격 부품을 프레스 성형하고, 그 충돌 에너지 흡수 특성을 평가한 결과, 종래의 프레스 방법에 의해 성형된 부품에 대하여, 충격 흡수 특성이 우수한 것을 알아내었다.
발명자들은, 상기 성형 방법에 의해 성형된 골격 부품의 충격 에너지 흡수능이 향상되는 작용을 이하와 같이 생각하였다.
상기 성형 방법의 성형성 향상 효과는, 금형과 피가공재 사이의 슬라이딩성의 회복이 그 주요인이다. 슬라이딩성이 회복됨으로써, 금속판의 유입 저항이 저감되고, 프레스 성형시의 성형 하중이 저감되기 때문에, 프레스 성형시에 패널의 세로벽부에 작용하는 인장력이 감소하여, 통상적인 성형품에 비해 세로벽부의 판두께가 두꺼워진다. 일반적으로 골격 구조 부품의 충격 흡수 에너지, 즉, 변형시의 흡수 에너지 E 와, 부품의 소재 인장 강도 TS 및 판두께 t 사이에는, 하기와 같은 관계가 있는 것이 알려져 있다 (비특허 문헌 2).
E ∝ TSa * tb ??? (1)
여기서, a, b : 정 (正) 의 상수
따라서, 성형 후의 부재의 판두께가 두꺼울수록, 충격 흡수 에너지는 커져, 차체의 충돌 안전 성능이 향상되는 것은 분명하고, 성형 도중의 슬라이딩성이 현저히 개선됨으로써, 세로벽부의 판두께가 두꺼워져, 충돌 에너지의 흡수 특성이 향상된 것이라고 생각할 수 있다. 또한, 판두께가 두꺼워짐으로써, 부품의 굽힘 강성, 비틀림 강도 등의 특성이 향상되는 것도 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 골격 구조 부품을 성형하는 방법에서는, 성형 도중에 블랭크 홀더 (30) 또는 펀치 (10) 또는 다이스 (20) 를 금속판 (블랭크 (100)) 으로부터 일단 떼어내고, 다시 성형을 재개한다는 동작을 반복하기 때문에, 드로잉 성형된 패널의 세로벽에는, 프레스 성형시에 발생하는 가공 흔적이 성형을 반복한 횟수만큼 발생하는 것을 발견하였다.
통상적인 성형의 경우에는, 상기 가공 흔적은, 성형 개시시의 펀치 숄더 근방에 밖에 발생하지 않기 때문에, 통상 세로벽부는 평탄하다. 이에 대하여, 본 발명의 성형 방법에 의하면, 상기 반복분만큼 가공 흔적이 발생하여, 그 부위에는 미소한 단차가 발생한다.
따라서, 본 발명의 골격 부품에는, 세로벽부에 미소한 단차 (요철) 가 있기 때문에, 통상적인 성형에 의한 평탄한 세로벽에 비해, 부품으로서의 강성이 높아지는 것이라고 추정되며, 변형시의 에너지 흡수능을 향상시키는 하나의 요인이 되는 것이라고 추정된다.
자동차 차체용 골격 부품은, 차체 경량화, 충돌 안전 특성의 향상을 도모하 기 위해서, 인장 강도 400㎫ 이상의 금속판을 사용하여 구성되어 있는 것이 일반적이다. 따라서, 본 발명의 적용은, 인장 강도 400㎫ 이상의 금속판을 사용한 자동차 차체 골격 부품에 적용하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 또한, 자동차 이외의 차량 일반의 골격 부품에도 적용할 수 있다.
실시예 1
펀치, 다이스 및 블랭크 홀더의 표면 조도 및 윤활제의 동점도를 각종 변경하여 성형 시험을 실시하였다. 공시재에는, 표 1 에 나타내는 기호 B 의 인장 강도 440㎫ 급의 냉연 강판을 사용하여 원통 컵 성형을 실시하였다.
펀치 (10) 는, 직경 φ 33㎜, 숄더 반경을 3㎜ 로 하였다. 다이스 (20) 의 숄더 반경은 5㎜ 로 하였다. 원통 컵 드로잉 성형에 있어서의 성형 한계의 평가는 LDR (한계 드로잉비) 을 사용하였다.
공시재의 기계 특성치
기호 YP (㎫) TS (㎫) EL (%) 판두께 (㎜)
A 151 280 48 1.2
B 323 470 32 1.2
C 630 1035 10 1.2
먼저 최초로, 표면의 산술 평균 조도 Ra 로 1.0㎛ 의 금형을 사용하고, 동점도를 변경한 여러 종류의 윤활제를 사용하여 성형 시험을 실시하였다. 성형 도중에 펀치를 떼어내는 경우와, 성형 도중에 블랭크 홀더를 떼어내는 경우의 한계 드로잉비의 향상대 (improvement allowance) (종래의 통상 성형에 대한 LDR 의 증가량) 를 도 1 에 나타낸다. 동점도가 500㎟/s 를 초과하면, 거의 효과가 없는 것을 알 수 있었다.
다음으로, 동점도 20㎟/s 의 윤활제를 사용하고, 펀치, 다이스 및 블랭크 홀더의 표면 조도를 여러 가지로 변경하여 성형 시험을 실시하였다. 성형 도중에 펀치를 떼어내는 경우와, 성형 도중에 블랭크 홀더를 떼어내는 경우의 한계 드로잉비의 향상대 (종래의 통상 성형에 대한 LDR 의 증가량) 를 도 2 에 나타낸다. 금형 표면 조도가 산술 평균 조도 Ra 로 7.5㎛ 를 초과하면, 성형성 향상 효과가 거의 얻어지지 않는 것을 알 수 있었다.
또한, 여기서 말하는 Ra 는, JIS B 0601-2001, JIS B 0651-2001 에 준거하여 측정한 것으로서, 촉침식 표면 조도 측정기를 샘플 표면에 대고, 펀치, 다이스 및 블랭크 홀더에 대하여 블랭크가 슬라이딩하는 방향으로 이동시켜 측정하였다. 조도 곡선용 기준 길이 1r (λc) 와 단면 곡선용 기준 길이, 즉, 평가 길이 1n 등의 조도 파라미터는 JIS B 0633-2001 에 준거하여 설정하고, 산술 평균 조도 Ra 를 측정한 값을 나타내고 있다 (구체적으로는 0.1 < Ra ≤ 2㎛ 의 경우에는, 1r = 0.8㎜, 1n = 4㎜ 로 하고, 2 < Ra ≤ 10㎛ 의 경우에는, 1r = 2.5㎜, 1n = 12.5㎜ 로 하여 측정하고 있다).
실시예 2
표 1 에 나타내는 2 종류의 냉연 강판 B, C 를 사용하여 프레스 성형을 실시하였다. 공시재 B 는, 인장 강도 440㎫ 급의 냉연 강판이며, 공시재 C 는, 인장 강도 980㎫ 급의 냉연 강판이다.
대상 부품은, 도 3 에 나타내는 자동차용 골격 부품의 하나인 프론트 사이드 프레임 (60) 으로 하였다. 이 프론트 사이드 프레임 (60) 은, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 자동차의 전면 (前面) 충돌시의 에너지 (충돌 하중 입력이라고 표시) (62) 를 흡수하는 역할을 담당하는 부재이며, 당연히, 에너지 흡수 특성이 우수한 것이 중요한 부품이다. 도 3 에 있어서 61 은 범퍼이다.
드로잉 성형한 프레스품의 이면에, 고정판 (flat sheet panel) 을 스폿 용접하여 폐단면 구조 부품을 제작하고, 부재의 압궤 시험 (crush test) 을 실시하였다. 시험편 B1 은, 공시재 B 를 사용하여 종래의 성형 방법에 의해 성형한 부품, 시험편 B2 는, 공시재 B 를 사용하여 본 발명에 기재된 성형 방법에 의해 성형한 부품이다. 시험편 C1 은, 공시재 C 를 사용하여 종래의 성형 방법에 의해 성형한 부품, 시험편 C2 는, 공시재 C 를 사용하여 본 발명에 기재된 성형 방법에 의해 제작한 부품이다. 공시재 B, C 의 기계 특성치를 표 1 에 나타낸다.
압궤 시험 전에 성형 후의 프레스품의 판두께를 조사하였다. 도 4b 에 각 부품의 세로벽부 판두께를 측정한 결과를 나타낸다. 측정 지점은 도 4a 에 나타내는 바와 같이 성형품 세로벽의 중앙으로 하였다. 본 발명을 적용한 B2, C2 의 부품은, 종래의 방법에 의해 성형된 B1, C1 의 부품에 대하여, 판두께가 10% 정도 두꺼워졌다.
이들 부재의 축 방향의 일단면에, 추를 속도 50㎞/h 로 정면 충돌시켜, 발생하는 하중을 로드 셀로 계측함과 함께, 충돌단의 변위를 레이저 변위계로 계측하여, 하중 - 변위 곡선을 구하고, 그 곡선을 이용하여 0 ~ 150㎜ 범위의 하중을 변위로 적분함으로써, 변형 (축 방향의 압궤 길이) 이 150㎜ 에 도달할 때까지 부재에 흡수된 에너지량을 산출하였다.
시험 결과를 도 5 에 나타낸다. 종래의 방법에 의해 성형된 시험편 B1, C1 에 대하여, 본 발명의 방법에 의해 성형된 시험편 B2, C2 가, 에너지 흡수량이 각각 약 20% 향상되는 것이 검증되었다.
실시예 3
표 1 에 나타내는 3 종류의 냉연 강판을 사용하여 원통 컵 성형을 실시하였다.
공시재 A 는, 인장 강도 (TS) 가 270㎫ 급의 냉연 강판이고, 공시재 B 는, 인장 강도 (TS) 가 440㎫ 급의 냉연 강판, 공시재 C 는, 인장 강도 (TS) 가 980㎫ 급의 냉연 강판이다.
펀치 (10) 는, 직경 φ 33㎜, 숄더 반경을 3㎜ 로 하였다. 다이스 (20) 의 숄더 반경은 5㎜ 로 하였다. 원통 컵 드로잉 성형에 있어서의 성형 한계의 평가는 LDR (한계 드로잉비) 을 사용하였다.
표면의 산술 평균 조도 Ra 로 1.0㎛ 인 금형을 사용하고, 동점도 20㎟/s 의 녹방지 오일을 윤활제로서 적용하고, 원통 컵 성형 시험을 실시하였다. 종래의 통상 성형 방법과, 성형 도중인 블랭크로부터 일단 펀치를 떼어내는 성형 방법, 성형 도중인 블랭크로부터 일단 블랭크 홀더를 떼어내는 성형 방법, 성형 도중인 블랭크로부터 일단 다이스를 떼어내는 성형 방법의 3 종류의 본 발명의 성형 방법에 의해 시험을 실시하였다.
블랭크로부터 펀치, 다이스 혹은 블랭크 홀더를 떼어내는 타이밍은, 어떠한 방법에 있어서도 하사점 바로 전 5㎜ 의 위치로 하였다. 도 6a, 도 6b, 도 6c 에 각 공시재마다 각 성형 방법에 의한 LDR 을 나타내었다. 본 발명의 적용에 의해 한계 드로잉비가 향상되고, 성형성이 향상되는 것이 검증되었다.
또한, 다이스를 블랭크로부터 떼어내는 성형 방법에서는, 금속 접촉이 발생하기 쉬운 고면압의 다이스 숄더부를 블랭크로부터 떼어내기 때문에, 비교적 저면압의 펀치나 블랭크 홀더를 떼어내는 방법에 비해, 성형성 향상 효과가 현저한 것이 확인되었다.
펀치와 다이스로 금속판을 끼워 가압하는 프레스 성형 방법에 있어서, 펀치나 다이스 등의 프레스 성형용 금형의 형상을 수정하거나, 블랭크의 형상이나 재질을 특수한 것으로 변경하는 등의 수단을 강구하지 않고, 프레스 성형하고자 하는 부품의 형상이 복잡한 경우나 소재 금속판이 고강도인 경우에도, 금속판에 균열이 발생하는 성형 한계를 향상시킬 수 있고, 또한 대형 프레스 성형기 실기에도 적용이 용이하며, 게다가 저비용의 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 성형 방법에 의해 인장 강도 400㎫ 이상의 금속판을 소재로 한 자동차용 골격 구조 부재를 제작함으로써, 종래의 부재에 비해 충돌시의 에너지 흡수능이 우수한 부품을 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 블랭크 홀더를 배치하고, 펀치와 다이스로 금속판을 끼워 가압하는 프레스 성형 방법에 있어서,
    상기 블랭크 홀더와 상기 다이스로 상기 금속판을 끼운 상태에서 상기 펀치가 상기 금속판에 최초로 접촉하고, 성형이 개시된 후, 상기 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 성형이 완료될 때까지의 사이에, 상기 블랭크 홀더를 상기 금속판으로부터 일단 떼어내고, 상기 펀치와 상기 다이스와 상기 블랭크 홀더를 사용하여 재차 금속판을 성형하는 동작을, 적어도 1 회 이상 거치게 하고,
    또한, 상기 펀치, 상기 다이스 및 상기 블랭크 홀더로서, 표면의 조도가 산술 평균 조도 Ra 로 7.5㎛ 이하인 금형을 사용하고,
    윤활제로서, 동점도 (動粘度) 500㎟/s 이하 (40℃) 의 액체를, 금속판과 블랭크 홀더, 금속판과 펀치, 금속판과 다이스 사이에 공급하는 것을 특징으로 하는 금속판의 프레스 성형 방법.
  2. 블랭크 홀더를 배치하고, 펀치와 다이스로 금속판을 끼워 가압하는 프레스 성형 방법에 있어서,
    상기 블랭크 홀더와 상기 다이스로 상기 금속판을 끼운 상태에서 상기 펀치가 상기 금속판에 최초로 접촉하고, 성형이 개시된 후, 상기 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 성형이 완료될 때까지의 사이에, 상기 펀치를 상기 금속판으로부터 일 단 떼어내고, 상기 펀치와 상기 다이스와 상기 블랭크 홀더를 사용하여 재차 금속판을 성형하는 동작을, 적어도 1 회 이상 거치게 하고,
    또한, 상기 펀치, 상기 다이스 및 상기 블랭크 홀더로서, 표면의 조도가 산술 평균 조도 Ra 로 7.5㎛ 이하인 금형을 사용하고,
    윤활제로서, 동점도 500㎟/s 이하 (40℃) 의 액체를, 금속판과 블랭크 홀더, 금속판과 펀치, 금속판과 다이스 사이에 공급하는 것을 특징으로 하는 금속판의 프레스 성형 방법.
  3. 블랭크 홀더를 배치하고, 펀치와 다이스로 금속판을 끼워 가압하는 프레스 성형 방법에 있어서,
    상기 블랭크 홀더와 상기 다이스로 상기 금속판을 끼운 상태에서 상기 펀치가 상기 금속판에 최초로 접촉하고, 성형이 개시된 후, 상기 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 성형이 완료될 때까지의 사이에, 상기 다이스를 상기 금속판으로부터 일단 떼어내고, 상기 펀치와 상기 다이스와 상기 블랭크 홀더를 사용하여 재차 금속판을 성형하는 동작을, 적어도 1 회 이상 거치는 것을 특징으로 하는 금속판의 프레스 성형 방법.
  4. 블랭크 홀더를 배치하고, 펀치와 다이스로 금속판을 끼워 가압하는 프레스 성형 방법에 있어서,
    상기 블랭크 홀더와 상기 다이스로 상기 금속판을 끼운 상태에서 상기 펀치 가 상기 금속판에 최초로 접촉하고, 성형이 개시된 후, 상기 펀치가 스트로크 종단에 도달하여 성형이 완료될 때까지의 사이에, 상기 블랭크 홀더를 상기 금속판으로부터 일단 떼어내고, 추가로, 지그를 사용하여 상기 다이스로부터 상기 금속판을 일단 떼어내고, 이렇게 한 후, 상기 펀치와 상기 다이스와 상기 블랭크 홀더를 사용하여 재차 금속판을 성형하는 동작을, 적어도 1 회 이상 거치는 것을 특징으로 하는 금속판의 프레스 성형 방법.
  5. 적어도 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로, 인장 강도 400㎫ 이상의 금속판을 프레스 성형하는 것을 특징으로 하는 금속판의 프레스 성형 방법.
  6. 제 5 항에 기재된 방법에 의해 프레스 성형된 것을 특징으로 하는 차량용 골격 부품.
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