KR101313980B1 - 저항 가열을 이용한 국부 이종강도 핫스탬핑 공법 및 이를 위한 저항가열 장치 - Google Patents

Abstract

블랭크를 가열한 후 성형하는 핫스탬핑 공법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저항가열을 이용하여 국부 가열함으로써 국부적으로 부품의 강도를 조절할 수 있는 핫스탬핑 공법 및 이를 위한 저항가열 장치에 관하여 개시한다.
본 발명은, 블랭크 소재에 국부적으로 전류를 공급하여, 블랭크 소재에 Ac3 온도 이상인 영역과 Ac3 온도 이하인 영역이 공존하도록 가열하는 국부가열단계; 상기 국부가열단계를 통해 가열된 블랭크 소재를 프레스 성형하는 프레스 성형단계; 및 상기 프레스 성형단계와 동시에 또는 상기 프레스 성형단계 이후에 성형된 블랭크 소재를 급냉(Quenching)하는 열처리단계;를 포함하는 핫스탬핑 공법을 제공한다.

Description

저항 가열을 이용한 국부 이종강도 핫스탬핑 공법 및 이를 위한 저항가열 장치 {HOT STAMPING METHOD USING RESISTANCE HEATING AND RESISTANCE HEATING DEVICE FOR THE SAME}

본 발명은 블랭크를 가열한 후 성형하는 핫스탬핑 공법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저항가열을 이용하여 국부 가열함으로써 국부적으로 부품의 강도를 조절할 수 있는 핫스탬핑 공법 및 이를 위한 저항가열 장치에 관한 것이다.

차량의 고연비화와 경량화가 추구됨에 따라, 차량 부품들은 지속적으로 고강도화가 이루어지고 있다.

또한, 차량의 각 부분들은 구조적인 특성으로 어떤 부분은 높은 강도가 요구되며, 또 다른 부분은 높은 충격 인성이 요구되는 경우가 있다. 즉, 국부적으로 이종 강도(또는 물성)이 요구되는 부품들이 존재한다.

종래에는 이종 강도를 가지는 차량의 부품을 제조함에 있어서, 고강도가 요구되는 부분은 열처리 경화 강판을 이용하여 부품을 제조하고, 상대적으로 낮은 강도가 요구되는 부분은 일반 강판을 사용하여 제조한 후, 이들 부품을 용접에 의하여 접합하는 방법으로 차량을 제조하고 있었다.

관련선행기술로는 대한민국 공개특허 10-2011-0075732호(공개일자 2011년 7월 6일) 가 있다.

본 발명의 목적은 블랭크를 국부적으로 가열함으로써 단일 소재로 국부적으로 이종강도를 가지는 제품을 제조할 수 있는 핫스탬핑 공법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 저항가열을 이용하여 블랭크를 국부적으로 가열할 수 있는 저항가열 장치를 제공함에 있다.

본 발명은, 블랭크 소재에 국부적으로 전류를 공급하여, 블랭크 소재에 Ac3 온도 이상인 영역과 Ac3 온도 이하인 영역이 공존하도록 가열하는 국부가열단계; 상기 국부가열단계를 통해 가열된 블랭크 소재를 프레스 성형하는 프레스 성형단계; 및 상기 프레스 성형단계와 동시에 또는 상기 프레스 성형단계 이후에 성형된 블랭크 소재를 급냉(Quenching)하는 열처리단계;를 포함하는 핫스탬핑 공법을 제공한다.

상기 블랭크 소재의 양면에 서로 다른 극성을 가지는 전극을 배치하여 전류가 블랭크 소재의 두께방향으로 흐르도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 Ac3 온도 이하인 영역에는 커팅 될 부분 또는 천공 될 부분이 포함된다.

상기 국부가열단계 이전에, 상기 블랭크 소재 전체를 Ac3-500℃ ~ Ac3-200℃ 로 가열하는 예비가열단계를 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명은 블랭크 소재를 안착하는 하부플레이트; 상기 하부플레이트 상에 돌출 형성되는 복수개의 제1전극; 상기 하부플레이트와 대면하며 승하강하는 상부플레이트; 상기 상부플레이트 상에 돌출 형성되며 상기 복수개의 제1전극과 대향되는 위치에 형성되는 복수개의 제2전극; 및 상기 복수개의 제1전극 및 상기 복수개의 제2전극과 연결되어 전류의 공급을 조절하는 전원공급부;를 포함하는 핫스탬핑 블랭크 저항가열 장치를 제공한다.

상기 복수개의 제1전극 및 상기 복수개의 제2전극은 배치위치가 조절가능한 것이 바람직하고, 상기 하부플레이트 및 상기 상부플레이트는 절연체로 형성되거나, 절연코팅층을 구비하면 더욱 바람직하다.

본 발명은 단일 소재를 이용하여 열처리 과정에서 국부적으로 다른 온도 분포를 가지도록 함으로써, 단일 소재를 이용하여 제조된 부품이 국부적으로 우수한 강도와, 우수한 연성을 각각 가질 수 있도록 하는 효과를 가져온다.

따라서, 차량 부품에서 고강도가 필요한 부분과, 연성이 필요한 부분을 단일 소재로 이루어진 블랭크를 이용하여 제조할 수 있다.

아울러, 트리밍 가공이나 홀 가공이 필요한 부분은 강도가 높아지지 않도록 하여 금형 트리밍이 가능하게 함으로써 레이저를 이용한 후가공을 최소화 하여 가공 비용을 절감할 수 있는 효과도 있다.

또한, 가열속도가 빨라 생산 싸이클 타임을 단축할 수 있으며 설비를 컴팩트화 할 수 있는 효과도 가져온다.

도 1은 본 발명에 적용되는 저항가열을 원리를 설명하기 위한 개념도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 저항 가열을 이용한 국부 이종강도 핫스탬핑 공법을 나타낸 순서도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 저항 가열을 이용한 국부 이종강도 핫스탬핑 공법을 나타낸 순서도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 블랭크 저항가열 장치의 구성도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 블랭크 저항가열 장치의 작동을 나타낸 공정순서도임.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명에 적용되는 저항가열을 원리를 설명하기 위한 개념도이다.

저항가열(低抗加熱, resistance heating)이란, 전기저항을 이용하여 가열하는 방법으로 직접가열방법과 간접가열방법 두 가지가 있다.

전기에 의해 가열하는 방법 중에서, 피가열물 자체에 전류를 흘리는 방법을 직접 저항가열이라고 하고, 피가열물에 접근해서 금속저항선 또는 탄화규소와 같은 비금속 발열체에 전류를 흘릴 때 생기는 열을 방사, 전도 등에 의해 피가열물에 전해서 가열하는 방법을 간접 저항가열이라고 한다.

본 발명은 이 둘 중, 직접 저항가열을 통해 블랭크 소재를 가열하는 방법을 사용한다.

직접 가열에서는 피가열물이 금속류와 같이 저항률이 낮은 것은 저전압·대전류로, 또 물과 같이 저항률이 높은 것은 고전압으로 가열한다. 본 발명은 저항률이 낮은 강재 블랭크를 가열하는 것으로 저전압 고전류로 가열하게 된다.

도시된 바와 같이, 블랭크 소재(10)의 양면에 양극전극(12)과 음극전극(14)을 접촉시키고, 상기 양극전극(12)과 음극전극(14)이 연결된 전원공급부(16)를 통해 상기 양극전극(12)과 음극전극(14)에 높은 전류를 흘려주면 상기 전극들 사이 부분(A)의 블랭크 소재가 국부적으로 가열된다.

본 발명은 이러한 원리를 이용하여, 블랭크 소재의 가열이 필요한 부분들에 전극을 배치하여, 국부적인 가열을 수행한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 저항 가열을 이용한 국부 이종강도 핫스탬핑 공법을 나타낸 순서도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 핫스탬핑 공법은 마련된 블랭크 소재에 국부적으로 전류를 공급하여 블랭크 소재를 국부적으로 가열하는 국부가열단계(S-12)와, 상기 국부가열단계를 통해 가열된 블랭크 소재를 프레스 성형하는 프레스 성형단계(S-14)와, 상기 프레스 성형단계와 동시에 또는 상기 프레스 성형단계 이후에 성형된 소재를 급냉하는 열처리 단계(S-16)를 포함한다.

이하 각각의 단계에 관하여 상세하게 살펴본다.

국부가열단계(S-12)는 블랭크 소재가 국부적으로 다른 온도분포를 가지도록 가열하는 단계이다. 일반적인 핫스탬핑 공법은 블랭크 소재 전체를 Ac3 온도 이상으로 가열한 후, 성형하고 급냉함으로써 1000MPa 이상의 고강도를 가지는 부품을 제조하는 것이다. 그런데, 부품에 따라서는 국부적으로는 연성이 필요한 부품이 있다. 전체가 고강도가 되면 차체 충돌시 부품이 깨질 수 있는 부분들이다.

종래에는 이종의 소재를 용접하여 TWB(Tailor welded blank) 공법으로 국부적인 강도를 조절하기도 하였으나, 이 경우 공정시간이 길어지고 제작원가가 상승하는 단점이 있었다.

본 발명은 단일 소재의 블랭크를 사용하되 직접 전기저항가열을 이용하여 국부적으로 가열하는 방법을 사용한다. 직접 전기저항 가열은 순간적으로 높은 전류를 흘려보내 소재를 가열하는 방법으로 가열시간이 짧아 열이 소재의 다른 부분으로 전달되기 전에 국부적인 가열이 완료되므로 블랭크 소재가 원하는 온도 분포를 가지도록 할 수 있다.

블랭크 소재에서 가열할 영역을 선정하고, 가열 영역의 양면에 서로 다른 극을 가지는 전극을 배치한 후, 전류가 블랭크 소재의 두께 방향으로 흐르도록 함으로써 전극이 배치된 가열 영역을 국부적으로 가열한다. 이 때 가열영역 온도는 Ac3 온도 이상이되고, 비가열 영역의 온도는 Ac3 온도 미만이 되도록 가열한다. Ac3 온도 미만인 부분은 상대적으로 낮은 강도와 높은 연성을 가지게 되어, 충돌시 부품 전체의 깨짐(취성)을 방지할 수 있다.

또한, 트리밍이나 홀가공이 이루어져야 되는 부분의 경우 비가열영역이 되도록 하는 것이 바람직하다. 열처리 강도가 1000MPa 이상으로 상승하게 되면 프레스에 의한 트리밍 또는 홀 가공이 어려워 레이저 가공을 해야 하는데, 레이저 가공은 비용과 공정시간의 측면에서 불리하기 때문이다.

프레스 성형단계(S-14)는 국부가열단계(S-12)를 통해 가열영역이 Ac3 온도 이상으로 가열된 블랭크 소재를, 금형 사이에서 가압하여 소정의 형태로 가공하여 형상을 변화시키고, 열처리를 통하여 물성을 변화시키는 단계이다.

열처리 단계(S-16)는 소재를 프레스로 구속한 상태에서 급냉하여 부품의 강도를 향상시킨다. 열처리는 프레스 성형과 동시에 이루어지거나, 프레스 성형 후 재가열하였다가 이루어질 수도 있다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 저항 가열을 이용한 국부 이종강도 핫스탬핑 공법을 나타낸 순서도이다.

제2실시예는 국부가열단계(S-12)의 이전에, 예비가열단계(S-11)를 수행하는 것을 특징으로 한다. 국부가열단계(S-12)는 전류를 사용하여 블랭크 소재를 가열하는 것으로, 전력의 사용량이 많다.

예비가열단계(S-11)는 블랭크 소재 전체를 Ac3-500℃(예를 들어 Ac3 온도가 950℃ 이면, Ac3-500℃는 450℃) ~ Ac3-200℃(예를 들어 Ac3 온도가 950℃ 이면, Ac3-200℃는 750℃)로 가열한다. 예비가열단계(S-11)는 일반적인 유도 가열 방법을 사용할 수 있다. 국부가열단계(S-12)이전에 예비가열단계(S-11)를 수행하게 되면, 전력의 사용량을 절감할 수 있고 전기저항에 의한 급속가열 과정에서 소재의 뒤틀림이나 잔류응력 발생을 저하 시킬 수 있다.

예비가열단계(S-11)의 완료 온도가 Ac3-500℃ 미만이 되면, 전력 사용량 절감효과가 미미하며, Ac3-200℃ 를 초과하면 국부가열단계에서 비가열영역이 Ac3 온도에 근접하게 되어 소재의 연성 확보가 어려워진다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 블랭크 저항가열 장치의 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 블랭크 저항가열 장치(100)는 블랭크를 안착하는 하부플레이트(110)와, 하부플레이트(110) 상에 돌출형성되는 복수개의 제1전극(112)과, 하부플레이트(110)와 대면하며 승하강하는 상부플레이트(120)와, 상부플레이트 상에 돌출형성되며 복수개의 제1전극(112)에 대응되는 위치에 형성되는 복수개의 제2전극(122)과, 제1전극(112) 및 제2전극(122)에 연결되어 전류의 공급을 조절하는 전원공급부(130)를 포함한다.

제1전극(112)은 하부플레이트(110)에 탈부착 가능하게 형성되어, 배치위치를 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 성형되는 제품에 따라서 높은 강도가 요구되는 부위가 서로 상이할 수 있기 때문에 이에 대응하여 제1전극(112)의 설치위치를 조절할 수 있도록 한 것이다. 마찬가지로 제2전극(122)도 상부플레이트(120)에 탈부착 가능하게 형성되어 배치 위치를 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 제1전극(112)과 하부플레이트(110)는 통전되지 않도록 절연되며, 제2전극(122)과 상부플레이트(120)도 마찬가지로 통전되지 않도록 절연된다. 이를 위하여 하부플레이트(110) 및 상부플레이트(120)는 전체가 세라믹과 같은 부도체로 이루어지거나, 금속과 같은 소재의 표면에 절연층을 코팅하여 사용할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 블랭크 저항가열 장치의 작동을 나타낸 공정순서도이다.

도 5에서는 도면의 간략화를 위하여 전원공급부(도 4의 130)의 도시는 생략하였다.

(a)는 상부플레이트(120)를 상승시켜 하부플레이트(110)와 상부플레이트(120) 사이로 블랭크 소재(10)를 로딩한 상태를 나타낸 것이다. 블랭크 소재(10)가 하부플레이트(110) 상에 로딩되면, 블랭크 소재(10)의 저면에는 제1전극(112)이 접촉하게 된다.

(b)는 상부플레이트(120)를 하강시켜 제2전극(122)이 블랭크 소재(10)의 상면에 접촉시킨 상태를 나타낸 것이다. 도시한 바와 같이 제1전극(112)과 제2전극(122)은 서로 대응하는 위치에 배치되어 전류가 블랭크 소재(10)의 두께 방향으로 흐를수 있게 된다. 전류는 제1전극(112)과 제2전극(122)이 블랭크 소재와 접속한 후에 공급되는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면 아크가 발생하여 블랭크 소재의 표면을 손상시킬 수 있다.

(c)는 블랭크 소재(10)의 국부 가열이 완료된 후 상부플레이트(120)를 상승시키고, 가열된 블랭크 소재(10)를 인출하는 상태를 나타낸 것이다.

상기와 같은 과정을 통해 블랭크 소재(10)를 국부적으로 가열한 후, 프레스 성형과 열처리를 거쳐 부품을 제조하게 되며, 제조된 부품은 국부적으로 Ac3 이상으로 가열된 부분은 고강도를 가지고, Ac3 미만인 나머지 부분은 연성을 가지게 된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10 : 블랭크
110 : 하부플레이트
112 : 제1전극
120 : 상부플레이트
122 : 제2전극

Claims (7)

1. 블랭크 소재를 안착하는 하부플레이트와, 상기 하부플레이트 상에 돌출 형성되는 복수개의 제1전극과, 상기 하부플레이트와 대면하며 승강하는 상부플레이트와, 상기 상부플레이트 상에 돌출 형성되어 상기 복수개의 제1전극과 대향되는 위치에 형성되는 복수개의 제2전극 및, 상기 복수재의 제1전극 및 상기 복수개의 제2전극과 연결되어 전류의 공급을 조절하는 전원공급부를 포함하는 핫스탬핑 블랭크 저항가열 장치를 이용하여, 블랭크 소재 전체를 Ac3 - 500℃ ~ Ac3 - 200℃로 유도 가열하는 예비가열단계와,
   가열 영역을 선정하고, 상기 블랭크 소재의 양면에 선정한 가열 영역에 서로 다른 극성을 가지는 전극을 배치하여 전류가 블랭크 소재의 두께방향으로 흐르도록 함으로써, 직접 전기저항 가열을 통해 블랭크 소재에 국부적으로 전류를 공급하여, 블랭크 소재에 Ac3 온도 이상인 가열 영역과 Ac3 온도 이하인 비가열 영역이 공존하도록 가열하는 국부가열단계와,
   상기 국부가열단계를 통해 가열된 블랭크 소재를 프레스 성형하는 프레스 성형단계 및,
   상기 프레스 성형단계와 동시에 또는 상기 프레스 성형단계 이후에 성형된 블랭크 소재를 급냉(Quenching)하는 열처리단계를 포함하되,
   상기 복수개의 제1전극 및 상기 복수개의 제2전극은 배치위치가 조절가능하고, 상기 하부플레이트 및 상기 상부플레이트는 절연체로 형성되거나, 절연코팅층을 구비하며, 상기 Ac3 온도 이하인 영역에는 커팅 될 부분 또는 천공 될 부분이 포함되는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 공법.
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