KR101324950B1 - 이형단면의 융합점진성형에 의한 일체화 연속 제조방법 - Google Patents

이형단면의 융합점진성형에 의한 일체화 연속 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 이형단면 연속 제조방법은 금속소재를 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면 형상의 성형하는 가변롤 성형단계; 상기 금속소재를 전기 에너지에 의해 유도코일에 유도자장을 발생시켜 전자기력을 이용하여 변형시키는 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계; 및 상기 금속소재에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속소재에 발생한 온도구배에 의한 열응력을 이용하여 성형하는 레이저 성형단계(LF, Laser Forming)를 포함하여 이형단면을 제조하는 것을 특징으로 한다.

Description

이형단면의 융합점진성형에 의한 일체화 연속 제조방법{A method for manufacturing various cross-sectional shapes by in-lined incremental forming}
본 발명은 이형단면의 융합점진성형에 의한 일체화 연속 제조방법에 관한 것이다.
1GPa급 고장력강판 적용 확대에 따른 차체용 부품제조를 위해 기존 프레스 성형공정과 함께 핫프레스성형, 롤성형 등의 공정이 응용되고 있으나, 고장력강의 경우 기존 프레스성형(스탬핑, Stamping)으로는 탄성 회복량이 과다 발생하여 형상 제어가 난해할 뿐만 아니라, 단면변화비가 높은 이형단면 부품 제조에 있어서 탄성회복량 과다, 치수공차 만족 불가, 부품 수 증대 등의 문제점을 지니며, 핫프레스성형(Hot Press Forming)은 강판을 900℃이상의 고온으로 가열 한 후 상온의 금형으로 성형함과 동시에 급냉하여 강도를 증가시켜 초고강도 부품을 제조하는 성형 방법으로, 성형성이 우수한 고온의 상태에서 성형이 이루어져 복잡한 형상의 부품을 성형할 수 있으나, 고가의 생산 장비 투자, 형상 별 금형제작과 함께 열간에서의 금형 수명저하, 일체화를 위한 후 공정 및 부품수 증대 등의 제약이 있다.
또한, 롤 성형(Roll Forming)은 연속적인 굽힘가공을 이용하여 부품을 성형하는 방법으로 소재를 연속적인 롤(Roll)을 지나면서 원하는 단면형상을 가지는 부품을 성형하는 공정으로 프레스 가공에 비해 투자비가 작고, 롤(Roll)의 형상 설계를 통해 복잡한 폐단면을 갖는 형상의 부품 성형이 가능하고, 특히 성형성이 매우 낮은 고강도강의 성형에 유리하여 범퍼 레일(Bumper rail)과 같이 일정한 단면을 가지는 부품에 주로 적용되며, 롤 성형(Roll Forming)은 일정한 단면을 가지면서 길이가 긴 부품을 대량생산하는데 적합하나, 길이 방향으로 단면 형상이 다른 부품을 일체화하여 생산하는데 제약이 있기 때문에 이형단면으로 이루어진 차체용 부재의 생산에 적용하기에는 한계가 있다.
대한민국 출원번호 제10-1999-0067479호 "차량용 범퍼빔 제조 방법"에서는 서로 다른 재질 또는 두께를 갖는 3개의 강판을 정해진 치수로 재단하여 절단하는 단계와, 강판 중 하나의 양단에 나머지 두 개의 강판을 레이저 용접을 사용하여 맞대기 용접하므로써 테일러 용접 블랭크를 형성하는 단계와, 상기 테일러용접 플랭크를 롤 포머를 통과시켜 양측변으로부터 여러 단계를 거쳐 소정의 형상으로 절곡시킨 후 양측변을 레이저 용접함으로써 단면으로 보아 적어도 1개의 폐단면 챔버를 확보하는 테일러 튜브를 제작하는 단계와, 상기 테일러 튜브를 다시 최적의 형상으로 설계된 폐쇄 금형에 장입후, 그 내부에 액체를 장입하여 고압을 가함으로서 테일러 튜브의 양끝에 작용하는 힘에 의해서 소재가 금형의 형상과 동일한 하나의 범퍼빔을 제조하는 방법을 개시하고 있으나, 이형단면 제품을 일체로 연속 제조하는 공정에 대해서는 제시하지 않는다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 이형단면 자동차 차체부품 일체화 점진성형기술로서, 단면이 일정한 부품만 성형이 가능한 기존 점진성형기술을 개선하여 폭/깊이 방향으로 단면 변화가 가능한 일체화 이형단면 부품을 제조할 수 있는 실 형상(Net Shape) 성형기술을 제안하는데 그 목적이 있다.
이를 위해, 종래에는 각각 이루어졌던 스탬핑(stamping), 트리밍(trimming), 벤딩(bending)의 판재성형을 가변 롤 성형(FRF, Flexible Roll Forming), 전자기 성형(EMF, Electro-Magnetic Forming)과 레이저 성형(LF, Laser Forming)을 연계하여 융합화함으로써, 연속공정을 이루는 기술을 제안한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 이형단면 연속 제조방법은 금속소재를 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면 형상의 성형하는 가변롤 성형단계; 상기 금속소재를 전기 에너지에 의해 유도코일에 유도자장을 발생시켜 전자기력을 이용하여 변형시키는 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계; 및 상기 금속소재에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속소재에 발생한 온도구배에 의한 열응력을 이용하여 성형하는 레이저 성형단계(LF, Laser Forming)를 포함하여 이형단면을 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 가변롤 성형단계에서 상기 가변롤 성형 수단을 이용하여 상기 금속소재의 회전, 굽힘, 이송을 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 가변롤 성형 수단은 상기 금속소재의 폭을 변화시키기 위한 좌우로 이송가능한 포밍 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 전자기 성형단계에서 상기 금속소재의 비드성형, 홀 성형, 또는 금속소재들을 접합시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 레이저 성형단계에서는 상기 금속소재의 변형시키고자 하는 지점에 상기 레이저 빔을 조사하여 변형시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 금속소재는 1GPa급 고장력강판인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 가변롤 성형단계는 레이저 빔을 상기 금속소재에 조사하여 상기 금속소재의 유연성을 향상시키는 레이저 빔 조사 보조공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 가변롤 성형 단계는 상기 금속소재에 전자기력을 이용하여 상기 비드, 홀, 금속소재들간의 접합을 하는 전자기 성형 보조공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계는 레이저 빔을 상기 금속소재에 조사하여 상기 금속소재의 유연성을 향상시키는 레이저 조사 보조공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계는 상기 금속소재를 상기 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면으로 성형하는 가변롤 성형 보조공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 레이저 성형단계는 상기 금속소재에 전자기력을 이용하여 상기 비드, 홀, 금속소재들간의 접합을 하는 전자기 성형 보조공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 레이저 성형단계는 상기 금속소재를 상기 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면으로 성형하는 가변롤 성형 보조공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 이형단면 연속 제조방법에 의해 제조된 이형 단면 구조 부재를 특징으로 한다.
본 발명은 이형단면 연속 제조 시스템에 관한 것으로서, 금속소재를 이형단면 형상으로 성형하기 위한 가변롤 성형 수단; 상기 금속소재를 전기 에너지에 의해 유도코일에 유도자장을 발생시켜 전자기력을 이용하여 변형시키는 전자기 성형 수단; 및 상기 금속소재에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속소재에 발생한 온도구배에 의한 열응력을 이용하여 성형하는 레이저 성형수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 가변롤 성형 수단은 상기 금속소재의 폭을 변화시키기 위한 좌우로 이송가능한 포밍 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 효과는 기술적 측면에서 보면, 융합점진성형 제조공정 기술개발을 통한 이형단면 차체부품 제조공정 수 감소, 원가절감, 에너지흡수율, 내구성, 충돌안전성 향상을 이룰 수 있고, 현재 자동차용 고강도 강판의 경우 범퍼(Bumper) 및 사이드 실(Side Sill) 등의 형상이 단순하고 길이 방향으로 일정한 형상을 가지는 제품에 한정되었지만, 본 발명을 통해 형상이 복잡하고, 길이 방향으로 다른 형상을 가지는 사이드(Side), 크로스(Cross), 루프(Roof), 바디-크로스(Body-cross)류와 같은 멤버, 윈도우(Window), 인테리어(Interior), 구조(Structure)류와 같은 프레임, 임펙트 케리어(Impact Carrier)류 등에 확대 적용할 수 있다.
또한, 가변 롤 성형 단계를 통해, 회전, 벤딩, 이송등의 3차원 제어시스템의 적용분야 확대가 기대되고, 전자기의 효과를 이용하여 기존의 소성가공기술 분야, 즉 박판성형(Stamping, Piercing 등), 튜브(확관 및 축관), 접합(Mechanical Joining) 등의 다양한 분야에 적용 가능하고, 전자기를 이용한 고속 성형 기술은 소재의 성형성을 높이고, 탄성 복원을 낮추는 효과를 가져오므로 기존의 난성형 소재나 복잡 성형(예: 연료전지 분리판)이 적용되는 부품에 확대 적용 가능하다. 이종 재료의 기계적 접합을 위해서는 전자기를 이용한 고에너지가 유용할 수 있으므로 금속-금속 이종 접합이나 금속-고분자 이종 접합에도 응용이 가능하며, 레이저 성형기술은 제품 자체의 형상 성형 뿐만 아니라, 일반적인 스탬핑 공정제품, 롤포밍 공정 제품에 대하여 금형개발 후 트라이아웃 과정에서 시행착오를 통해 이루어져 왔던 스프링백 형상보정 기술로도 응용이 가능하다.
경제적 측면에서 보면, 1GPa 급 고강도강 적용확대가 용이한 차체부품 제조 신성형기술 개발을 통한 경량화 10% 이상, 연비향상을 통한 환경규제 대응력 강화되고, 가변 롤 포밍(FRF) 기술의 개발로 고강도화에 따른 자동차 경량화에 크게 기여하고 승객 안전성을 크게 향상시킬 수 있어 국내 자동차산업의 경쟁력 상승되며, 일체화 부품제조기술 확보를 통한 국내 자동차 부품의 가격경쟁력 확보 및 이를 통한 국내외시장점유율 상승하고, 기가급 고강도 자동차 차체, 건축용 자재, 배관 플랜트 등에 적용확대가 가능하며, 국부성형 및 표면개질에 의한 친환경적 제조공정 개발 응용가능하고, 고부가 다품종 소량생산을 요하는 의료, 항공우주, 국방산업의 유연적 생산기술로 활용가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 이형단면의 연속 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가변롤 성형 수단(100)의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 포밍 유닛(300)의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 가변롤 성형 수단(100')의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 가변롤 성형 수단(100'')이 금속소재를 굽히는 과정을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 가변롤 성형 수단(100'')의 개략도를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 전자기 성형단계에서 이용되는 전자기 성형수단(400)의 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 전자기 성형수단(400)의 일시예의 개략도이다.
도 9는 전자기 성형단계(S200)를 거쳐 금속 소재중 판재의 경우의 성형과, 관재의 경우의 축관 성형, 피어싱, 이종금속 소재간의 접합을 한 실시예를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 레이저 빔 조사에 의한 레이저 성형단계(S300)의 개략도이다.
도 11은 레이저 성형단계(S300)에 의해 성형된 성형품을 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 가변롤 성형단계(S100)의 보조공정의 순서도이다.
도 13은 본 발명에 따른 전자기 성형 단계(S200)의 보조공정의 순서도이다.
도 14은 본 발명에 따른 레이저 성형 단계(S300)의 보조공정의 순서도이다.
도 15는 본 발명에 따른 일관 라인에서의 이형단면 부재 생산 시스템에 관한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 이형단면의 연속 제조방법의 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이형단면 연속 제조방법은 금속소재를 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면 형상의 성형하는 가변롤 성형단계(S100), 금속소재를 전기 에너지에 의해 유도코일에 유도자장을 발생시켜 전자기력을 이용하여 변형시키는 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계(S200), 금속소재에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속소재에 발생한 온도구배에 의한 열응력을 이용하여 성형하는 레이저 성형단계(LF, Laser Forming)(S300)를 포함한다.
여기서, 가변롤 성형단계(S100), 전자기 성형단계(S200), 레이저 성형단계(S300)은 순서와 무관하게 적용가능하며, 도 1에 도시된 순서에 한정되는 것은 아니다.
즉, 금속소재를 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면 형상의 성형하는 가변롤 성형단계(S100), 가변롤 성형 수단에 의해 성형된 이형단면을 전기 에너지에 의해 유도코일에 유도자장을 발생시켜 전자기력을 이용하여 변형시키는 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계(S200), 전자기 성형 단계에서 성형된 금속소재에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속소재에 발생한 온도구배에 의한 열응력을 이용하여 성형하는 레이저 성형단계(LF, Laser Forming)를 거쳐 이형단면을 제조하는 제1실시예가 있을 수 있고,
금속소재를 전기 에너지에 의해 유도코일에 유도자장을 발생시켜 전자기력을 이용하여 성형시키는 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계(S200), 전자기 성형단계에 의해 성형된 금속소재를 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면 형상의 성형하는 가변롤 성형단계(S100), 상기 가변롤 성형 수단에 의해 성형된 이형단면에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속소재에 발생한 온도구배에 의한 열응력을 이용하여 성형하는 레이저 성형단계(LF, Laser Forming)(S300)를 거쳐 이형단면을 제조하는 제2실시예가 있을 수 있으며,
금속소재에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속소재에 발생한 온도구배에 의한 열응력을 이용하여 성형하는 레이저 성형단계(LF, Laser Forming)(S300), 상기 레이저 성형단계에 의해 성형된 금속소재를 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면 형상의 성형하는 가변롤 성형단계(S100); 상기 가변롤 성형 수단에 의해 성형된 이형단면을 전기 에너지에 의해 유도코일에 유도자장을 발생시켜 전자기력을 이용하여 변형시키는 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계(S200)를 거쳐 이형단면을 제조하는 제3실시예,
금속소재를 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면 형상의 성형하는 가변롤 성형단계(S100), 상기 가변롤 성형 수단에 의해 성형된 이형단면에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속소재에 발생한 온도구배에 의한 열응력을 이용하여 성형하는 레이저 성형단계(LF, Laser Forming)(S300), 상기 레이저 성형단계에 의해 성형된 이형단면을 전기 에너지에 의해 유도코일에 유도자장을 발생시켜 전자기력을 이용하여 변형시키는 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계(S200)를 거쳐 이형단면을 제조하는 제4실시예,
금속소재를 전기 에너지에 의해 유도코일에 유도자장을 발생시켜 전자기력을 이용하여 변형시키는 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계(S200), 상기 전자기 성형단계에 의해 성형된 금속소재에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속소재에 발생한 온도구배에 의한 열응력을 이용하여 성형하는 레이저 성형단계(LF, Laser Forming)(S300), 상기 레이저 성형 단계에서 성형된 금속소재를 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면 형상의 성형하는 가변롤 성형단계(S100)를 거쳐 이형단면을 제조하는 제5실시예,
금속소재에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속소재에 발생한 온도구배에 의한 열응력을 이용하여 성형하는 레이저 성형단계(LF, Laser Forming)(S300), 상기 레이저 성형단계에 의해 성형된 금속소재를 전기 에너지에 의해 유도코일에 유도자장을 발생시켜 전자기력을 이용하여 변형시키는 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계(S200), 상기 전자기 성형단계에서 성형된 금속소재를 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면 형상의 성형하는 가변롤 성형단계(S100)를 거쳐 이형단면을 제조하는 제6실시예가 가능하다.
이러한 성형단계의 순서는 금속소재의 특성에 따라 조절하여 최적의 이형단면을 제조하는데 바람직하게 적용될 수 있다.
이형단면의 제조에 있어서, 가변롤 성형단계(S100)에서 가변롤 성형 수단(100)을 이용하여 금속소재를 회전시키거나 굽히거나 이송할 수 있으므로 연속적 이형단면 제조에 있어 금속소재의 길이방향 이송을 가능하게 하여 하나의 제조라인(in line)에서 모든 성형공정을 처리할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 가변롤 성형 수단(100)의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가변롤 성형 수단(100)은 상하의 롤러(200)에 의해 폭방향으로 단면을 성형하고, 일부 단면에 있어 서로 다른 폭을 지닌 이형단면을 제조하기 위해서 금속 소재의 폭 방향으로 좌우 이송이 가능한 포밍 유닛(300)을 포함한다.
포밍 유닛(300)을 폭 방향으로 이송은 포밍 유닛(300)의 하단부에 설치된 스핀들 드라이브(301)상의 언더가이드(302)를 따라 모터(303)가 제공하는 동력이 클러치(304)에 의해 전달되어 이루어진다.
도 3은 본 발명에 따른 포밍 유닛(300)의 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 포밍 유닛(300)은 금속소재의 내부와 외부에 각각의 내부롤(305)과 외부롤(306)이 포함되어 내부롤(305)과 외부롤(306)의 금속소재의 폭방향으로 동시에 변동되면서 금속소재의 폭을 확장시키거나 축소시킴으로써 이형단면을 제조할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 가변롤 성형 수단(100')의 개략도이다.
또 다른 가변롤 성형 수단(101')은 도 4에 도시된 바와 같이, 경사면을 갖는 상하롤이 금속소재에 대해 경사지게 설치되어 있어, 금속소재의 폭 방향으로 경사를 이루면서 단면이 변화하는 경우에 효과적으로 이형단면을 제조할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 가변롤 성형 수단(100'')이 금속소재를 굽히는 과정을 도시하고, 도 6은 본 발명에 따른 가변롤 성형 수단(100'')의 개략도를 도시한다.
도 2 내지 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가변롤 성형 수단(100,100',100'')은 본 발명의 도면에 도시된 수단 이외에도 금속소재의 서로 다른 단면 형상을 제조하기 위해 폭 방향으로 변동이 가능하다면 이형단면의 형상에 따라 다양한 종류의 가변롤 성형 수단이 적용가능하다.
즉, 본 발명에 따른 가변롤 성형 수단(100,100',100'')은 금속소재 물성 및 롤의 가변 방향 및 스트로크, 롤의 이송율(feed rate) 등의 공정 변수를 감안하여 다양한 형태가 설계되어 적용가능하다.
도 7은 본 발명에 따른 전자기 성형단계에서 이용되는 전자기 성형수단(400)의 개략도이다.
도 7에 도시된 바와 같이 전자기 성형수단(400)은 유도코일(401)에 전기 에너지를 공급하여 유도자장을 발생시킴으로써 이러한 유도자장의 전자기력에 의해 금속소재를 고속으로 변형시키는 성형기술로서 전자기 성형단계 중 금속소재가 100m/sec. 수준으로 초고속 변형되어 성형이 완성되므로 성형성이 탁월하고, 금속소재의 탄성 회복량(springback)이 감소되는 장점이 있다.
도 8은 본 발명에 따른 전자기 성형수단(400)의 일시예의 개략도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 유도코일(tool coil)에 공급되는 전기 에너지에 의해 유도자장이 발생되고, 이러한 유도자장에 의한 전자기력은 금속소재(work piece)에 외력을 가하고, 금속 소재는 양 끝단이 드로잉 링(drawing ring)과 같은 클램프에 의해 고정됨으로써 초기단계 성형 모습(initial geometry)로부터 점차 변형이 확대되면서 중간 단계(intermediate geometries)를 거쳐 최종 성형품(final geometry)의 모습으로 성형이 되게 된다.
도 9는 전자기 성형단계(S200)를 거쳐 금속 소재중 판재의 경우의 성형과, 관재의 경우의 축관 성형, 피어싱, 이종금속 소재간의 접합을 한 실시예를 도시한다.
전자기 성형단계(S200)는 박판성형(Stamping, Piercing 등), 튜브(확관 및 축관) 성형, 접합(Mechanical Joining) 등 매우 다양한 분야에 적용이 될 수 있으며, 가변 롤 성형단계(S100)를 거친 1차 성형품에 대하여 일관 라인 상에서 피어싱, 비드와 같은 성형을 하기 위해 거쳐야 하는 단계이다.
이미 앞서 설명한 바와 같이, 성형품이나 금속소재 자체의 특성에 공정 설비의 배열에 따라 전자기 성형단계, 가변 롤 성형단계의 순서는 가변적일 수있고 이에 따라 1차 성형품이 가변롤 성형단계(S100)를 거쳐 나온 제품일 수도 있고, 전자기 성형단계(S200)를 거쳐 나온 제품일 수도 있다.
전자기 성형단계(S200)를 통해서는 이종 금속의 접합, 비드, 홀 성형등이 이루어지므로, 최종 성형품이 이종 금속으로 이루어지고, 비드나 홀이 이종 단면을 따라 형성되어 있는 경우에는 금속 소재에 미리 비드나 홀을 가공하거나 이종 금속을 접합시킨 상태에서 가변롤 성형수단(100, 100',100'')을 이용하여 단면을 가공하는 것이 생산성 면에서 유리할 수 있다.
그러나, 최종 성형품에 비드나 홀 등이 부분적으로 있는 경우에는 가변롤 성형수단(100,100',100'')에 의해 먼저 이형 단면을 완성한 1차 성형품이 하나의 라인상에서 전자기 성형단계(S200)를 거치는 것이 가변롤에 의한 이형단면 제조시 비드의 변형을 방지할 수 있다.
따라서, 최종 성형품이나 금속소재의 특성에 따라 성형단계는 적절한 변경이 가능하다.
도 10은 본 발명에 따른 레이저 빔 조사에 의한 레이저 성형단계(S300)의 개략도이다.
도 10에 도시되 바와 같이, 레이저 성형단계(S300)에서는 레이저 빔을 금속소재에 조사함으로써 금속소재에 발생하는 열응력의 차이로 인한 굽힘 모멘트를 이용하여 원하는 금속 소재의 성형을 이루게 된다.
레이저 성형단계(S300)에서 금속소재의 일단을 클램프에 의해 고정되고 타단은 자유단으로 함으로써, 자유단이 열응력에 의해 변형되는 것이다.
도 11은 레이저 성형단계(S300)에 의해 성형된 성형품을 도시한다.
레이저 성형단계(LF, Laser Forming)(S300)는 레이저 빔이 판재 표면에 조사될 때 두께 방향으로의 불균일한 온도구배에 의해 발생하는 열응력을 이용하여 성형하는 단계로서 기존 접촉식 프레스 성형과 비교하여 금형의 제작이 필요없으며, 성형하중을 요구하지 않아 다양한 제품의 생산 및 빈번한 제품 사양 변경에 적합한 판재 부품의 성형 및 프레스 성형 후 제품의 형상보정에 응용이 가능하다.
본 발명에 따른 레이저 성형단계(S300)에서 금속 소재의 내부에 열응력을 발생시키기 위하여 레이저를 사용함으로써 기존 접촉식 프레스 성형과 비교하여 피로 균열 및 부식에 대한 금속 성분의 내성을 향상시킬 수 있고, 금속 가공품의 한쪽에 레이저 유도 쇼크를 가하여, 정밀하고 국부적인 만곡을 만들어낼 수도 있으며, 보다 넓은 영역에 더많은 레이저를 전반적으로 가하거나 또는 같은 영역에 여러차례 가함으로써, 더욱큰 크기의 만곡을 이룰 수도 있다.
금속 표면을 심각하게 왜곡시키지 않고 두꺼운 금속 부분에 상대적으로 큰 만곡이 각인될 수 있다.
또한 레이저 피닝 기술을 이용하여 바람직하지 못한 만곡을 가진 성분들을 정교하게 펼칠 때에도 사용될 수도 있다.
도 12는 본 발명에 따른 가변롤 성형단계(S100)의 보조공정의 순서도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 가변롤 성형단계(S100) 도중에 또는 이전에 금속소재에 전자기력을 이용하여 비드, 홀, 금속소재들간의 접합을 하는 전자기 성형 보조공정(S101)을 포함할 수 있고, 이는 최종 성형품 및 금속소재의 특성에 따라 달라 질 수 있다.
또한, 가변롤 성형단계(S100) 도중에 또는 이전에 레이저 빔을 금속소재에 조사하여 금속 소재의 유연성을 향상시킨 상태에서 이형단면을 성형할 수도 있고, 레이저 빔에 의해 금속소재를 커팅한 상태에서 이형단면을 성형할 수도 있는 레이저 빔 조사 보조공정(S102)을 포함할 수도 있다.
여기서 전자기 성형보조공정(S101) 및 레이저 빔 조사 보조공정(S102)은 순서에 관계없이 최종성형품의 특성이나 금속소재의 특성에 따라 둘 다 적용될 수도 있고 하나의 보조공정만이 적용될 수도 있다.
도 13은 본 발명에 따른 전자기 성형 단계(S200)의 보조공정의 순서도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 전자기 성형단계(S200) 도중에 또는 이전에 금속소재에 가변롤 성형 수단(100,100',100'')을 이용하여 이형단면을 만드는 가변롤 성형 보조공정(S203)을 포함할 수도 있고, 레이저 빔 조사 보조공정(S202)을 포함하여 레이저 빔을 금속소재에 조사하여 금속 소재의 유연성을 향상시킨 상태에서 전자기 성형을 할 수도 있다.
여기서 가변롤 성형보조공정(S203) 및 레이저 빔 조사 보조공정(S202)은 순서에 관계없이 최종성형품의 특성이나 금속소재의 특성에 따라 둘 다 적용될 수도 있고 하나의 보조공정만이 적용될 수도 있다.
도 14은 본 발명에 따른 레이저 성형 단계(S300)의 보조공정의 순서도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 레이저 성형 단계(S300) 도중에 또는 이전에 금속소재에 가변롤 성형 수단(100,100',100'')을 이용하여 이형단면을 만드는 가변롤 성형 보조공정(S303)을 포함할 수도 있고, 전자기력을 이용하여 비드, 홀, 금속소재들간의 접합을 하는 전자기 성형 보조공정(S301)을 포함할 수 있고
여기서 가변롤 성형보조공정(S303) 및 전자기 성형 보조공정(S301)은 순서에 관계없이 최종성형품의 특성이나 금속소재의 특성에 따라 둘 다 적용될 수도 있고 하나의 보조공정만이 적용될 수도 있다.
도 12 내지 도 14에서는 각 성형단계 도중에 가변롤 성형보조공정(S203,S303), 전자기 성형보조공정(S101, S301), 레이저 성형보조공정(S102,S202)이 포함될 수 있음을 도시하고 있고, 가변롤 성형단계(S100), 전자기 성형단계(S200), 레이저 성형단계(S300)의 주요 성형 단계 자체의 순서도 최종성형품의 특성이나 금속소재의 특성에 따라 다양하게 적용가능하고 반복 적용될 수도 있다.
본 발명에 따른 금속소재는 1GPa급 고장력강판에서 효율적 연속 제조공정을 위해 적용될 수 있으며, 본 발명에 따른 이형단면 연속 제조방법에 의해 단가 및 경량화를 이룬 이형 단면 구조 부재를 생산제조할 수 있다.
이형 단면 구조 부재로서는 기가급 고강도 자동차 차체, 건축용 자재, 배관 플랜트 등에 적용이 가능하다.
도 15는 본 발명에 따른 일관 라인에서의 이형단면 부재 생산 시스템에 관한 블록도이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 하나의 일관 라인 상에 가변롤 성형 수단(100,100',100''), 전자기 성형수단(400), 레이저 성형수단(500)을 배열하여 이형단면의 부재를 생산할 수 있는 이형단면 연속 제조 시스템(1)을 나타낸다.
이상에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변경, 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
1: 이형단면 연속 제조 시스템
100, 100',100'': 가변롤 성형 수단(100,100',100'')
200: 롤러 300: 포밍 유닛
301: 스핀들 드라이브 302: 언더가이드
303: 모터 304: 클러치
305: 내부롤 306: 외부롤
400: 전자기 성형수단 401: 유도코일
500: 레이저 성형수단
S100: 가변롤 성형단계 S200: 전자기 성형단계
S300: 레이저 성형단계 S101, S301: 전자기 성형보조공정
S102, S202: 레이저 성형보조공정 S203, S303: 가변롤 성형보조공정

Claims (15)

  1. 금속소재를 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면 형상의 성형하는 단계로서, 레이저 빔을 상기 금속소재에 조사하여 상기 금속소재의 유연성을 향상시키는 레이저 빔 조사 보조공정을 포함하는 가변롤 성형단계;
    상기 금속소재를 전기 에너지에 의해 유도코일에 유도자장을 발생시켜 전자기력을 이용하여 변형시키는 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계; 및
    상기 금속소재에 레이저 빔을 조사하여 상기 금속소재에 발생한 온도구배에 의한 열응력을 이용하여 성형하는 레이저 성형단계(LF, Laser Forming)를 포함하여 이형단면을 제조하고,
    상기 가변롤 성형단계에서 상기 가변롤 성형 수단을 이용하여 상기 금속소재의 회전, 굽힘, 이송을 하는 것을 특징으로 하는 이형단면 연속 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서
    상기 가변롤 성형 수단은 상기 금속소재의 폭을 변화시키기 위한 좌우로 이송가능한 포밍 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 이형단면 연속 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전자기 성형단계에서 상기 금속소재의 비드성형, 홀 성형, 또는 금속소재들을 접합시키는 것을 특징으로 하는 이형단면 연속 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 레이저 성형단계에서는 상기 금속소재의 변형시키고자 하는 지점에 상기 레이저 빔을 조사하여 변형시키는 것을 특징으로 하는 이형단면 연속 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속소재는 1GPa급 고장력강판인 것을 특징으로 하는 이형단면 연속 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제4항에 있어서,
    상기 가변롤 성형 단계는 상기 금속소재에 전자기력을 이용하여 상기 비드, 홀, 금속소재들간의 접합을 하는 전자기 성형 보조공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이형단면 연속 제조방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계는 레이저 빔을 상기 금속소재에 조사하여 상기 금속소재의 유연성을 향상시키는 레이저 조사 보조공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이형단면 연속 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전자기(EMF, Electro-Magnetic Forming) 성형 단계는 상기 금속소재를 상기 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면으로 성형하는 가변롤 성형 보조공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이형단면 연속 제조방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 레이저 성형단계는 상기 금속소재에 전자기력을 이용하여 상기 비드, 홀, 금속소재들간의 접합을 하는 전자기 성형 보조공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이형단면 연속 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 성형단계는 상기 금속소재를 상기 가변롤 성형 수단을 이용하여 이형단면으로 성형하는 가변롤 성형 보조공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이형단면 연속 제조방법.
  13. 제1항, 제3항 내지 제6항 및 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 이형단면 연속 제조방법에 의해 제조된 이형 단면 구조 부재.
  14. 삭제
  15. 삭제
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