KR101443439B1 - 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법 - Google Patents

Abstract

하이드로포밍을 이용한 부품 성형방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강관의 용접부와 모재부의 조직이 균일해 지도록 열처리한 후 고온에서 성형을 수행하는 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 성형방법에 관하여 개시한다.
본 발명은, 판재를 용접하여 강관을 마련하는 강관 마련 단계; 상기 강관을 열처리하여 강관의 용접부와 모재부의 조직을 재결정하는 열처리 단계; 및 상기 열처리된 강관을 성형금형에 구속한 상태로 성형온도에서 상기 강관의 내부에 압력유체를 주입하여 강관을 성형금형의 형상으로 성형하는 확관성형단계;를 포함하는 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법을 제공한다.

Description

고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법{HOT HYDROFORMING METHOD}

본 발명은 하이드로포밍을 이용한 부품 성형방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강관의 용접부와 모재부의 조직이 균일해 지도록 열처리한 후 고온에서 성형을 수행하는 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 성형방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 구성 소재는 차체와 샤시 부품에 이르기 까지 대부분 강판으로 이루어진다. 차체와 샤시 부품들은 철판을 접거나 금형을 이용하여 다양한 형태로 성형하여 사용한다.

이러한 부품을 성형하는 방법으로 금형으로 강관을 구속한 상태에서 강관의 내부에 압력유체를 주입하여 복잡한 형상을 일체로 성형하는 공법을 하이드로 포밍 공법이라고 한다.

종래의 하이드로 포밍 공법은 판재를 용접하여 파이프로 만들고, 파이프를 원하는 길이로 절단한 후, 절단된 파이르를 굽힘가고아여 기본적인 제품의 형상으로 만들고 압력유체를 주입하여 형상을 성형하게 된다.

그런데, 하이드로 포밍 공법은 강도가 높은 소재를 사용할 수록 모재가 아닌 용접부에서 크랙이 자주 발생하는 문제점을 가지고 있었다.

관련선행기술로는 대한민국 등록특허 제10-0963423호 (등록일자 2010년 6월 4일) '하이드로 포밍을 이용한 워터 파이프 제조 방법' 이 있다.

본 발명의 목적은 용접부의 크랙이나 터짐 현상을 감소시킬 수 있는 하이드로 포밍 성형 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 고온에서 하이드로 포밍을 수행하도록 함으로써, 압력유체의 압력을 낮출 수 있는 하이드로 포밍 성형 방법을 제공함에 있다.

본 발명은, 판재를 용접하여 강관을 마련하는 강관 마련 단계; 상기 강관을 열처리하여 강관의 용접부와 모재부의 조직을 재결정하는 열처리 단계; 및 상기 열처리된 강관을 성형금형에 구속한 상태로 성형온도에서 상기 강관의 내부에 압력유체를 주입하여 강관을 성형금형의 형상으로 성형하는 확관성형단계;를 포함하는 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법을 제공한다.

상기 열처리 단계는 800~850℃ 에서 10~20분간 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 확관성형단계의 성형온도는 300~400℃ 인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 확관성형단계에서 사용되는 압력유체로는 끓는 점이 상기 성형온도보다 높은 유체를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 확관성형단계에서, 상기 강관에 주입되는 압력유체의 압력은 200~300 bar 인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 확관성형단계에서 상기 금형은 상기 성형온도로 가열된 상태를 유지하도록 한다.

한편, 상기 열처리 단계의 이전 또는 이후에 상기 강관을 최종제품 형상에 유사한 형상으로 굽힙 가공하는 프리포밍 단계를 더 포함할 수 있으며,

상기 확관성형단계의 이후에, 성형된 제품을 상기 금형으로부터 분리하는 탈형단계; 및 상기 분리된 제품을 냉각하는 냉각열처리단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 용접된 강관을 이용하여 하이드로 포밍 공법으로 부품을 제조하되, 용접부의 조직이 모재부의 조직과 유사한 물성을 가지도록 열처리한 후 하이드로 포밍을 수행함으로써 용접부의 터짐 현상을 감소시킬 수 있는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명은 열처리 후 강관이 상온보다 높은 성형온도까지 냉각되면 성형온도에서 압력유체를 주입하여 형상을 성형함으로써 성형시의 압력을 감소시킬 수 있는 효과를 가져온다.

도 1은 본 발명에 따른 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법을 나타낸 공정 순서도,
도 2는 본 발명에 따른 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법은 각 공정을 개략적으로 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법에서 부품의 온도 변화를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법에서 확관성형시 압력유체의 압력변화를 나타낸 그래프임.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우, 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법은 각 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법은,

판재를 용접하여 강관을 마련하는 강관 마련 단계(S-10)와, 상기 강관을 최종제품 형상에 유사한 형상으로 굽힙 가공하는 프리포밍 단계(S-20)와, 상기 강관을 열처리하여 강관의 용접부와 모재부의 조직을 재결정하는 열처리 단계(S-30)와, 상기 열처리된 강관을 성형금형에 구속한 상태로 성형온도에서 상기 강관의 내부에 압력유체를 주입하여 강관을 성형금형의 형상으로 성형하는 확관성형단계(S-40)와, 성형된 제품을 상기 금형으로부터 분리하는 탈형단계(S-50)와, 상기 분리된 제품을 냉각하는 냉각열처리단계(S-60)을 포함한다.

강관 마련 단계(S-10)는 강판을 U,O 포밍 성형 방법 또는 연속적인 굽힘성형을 통하여 관형상으로 성형한 후, 이음부를 용접하는 방식으로 이루어진다.

용접은 레이저 용접 방법 또는 ERW 용접 방법을 사용할 수 있다.

이렇게 용접을 통해서 제조된 강관은 용접된 부분인 용접부, 용접에 의하여 열영향을 받은 열영향부(HAZ, Heat Affect Zone)와, 용접에 의하여 영향을 받지 않은 모재부로 구분할 수 있으며, 각 부분마다 상이한 조직과 물성을 나타내게 된다.

그런데, 하이드로 포밍 가공을 통해 성형하는 과정에서는 모재부가 아닌 용접부에서 크랙이나 터짐 현상이 많이 발생한다.

본 발명은 열처리 단계(S-30)를 통해서 용접부의 조직이 모재부와 유사해 지도록 함으로써 용접부 또는 용접열영향부에서 크랙이나 터짐이 발생하는 현상을 감소시킬 수 있다.

열처리 단계(S-30)는 조직의 재결정이 일어날 수 있는 온도로 가열한 후 일정시간 동안 유지하는 방식으로 수행한다.

구체적으로 800~850℃ 에서 10~20분간 유지하는 것이 바람직하다.

열처리 온도가 상기 범위보다 낮거나, 상기 열처리 시간 보다 짧으면 원하는 수준의 재결정 효과를 달성할 수 없으며, 상기 온도 범위보다 높거나 상기 열처리 시간 보다 길면 재결정 효과는 동일하나 가열에 따른 에너지 소비가 증가하여 원가가 상승하는 문제점이 발생한다.

프리포밍 단계(S-20)는 직선의 관을 최종 성형 제품의 형성과 유사한 형태로 굽힘 가공하는 것으로, 최종제품의 형상이 직선 형상인 경우에는 프리포밍 단계(S-20)는 생략될 수 있다.

또한, 도시한 실시예의 경우 프리포밍 단계(S-20)가 열처리 단계(S-30) 이전에 실시되는 것으로 되어 있으나, 열처리 단계(S-30) 이후에 프리포밍 단계(S-20)를 수행할 수도 있다.

확관 성형 단계(S-40)는 성형금형 내부에 열처리된 강관(프리포밍을 거친 강관)을 배치하여, 성형금형으로 강관을 구속한 상태에서 강관의 내부에 압력유체를 주입하여 강관을 팽창시킴으로써 성형하게 된다.

성형금형의 내부에는 성형하고자 하는 완제품 형상에 대응하는 성형홈이 형성되어 있다.

본 발명은 고온에서 하이드로 포밍을 수행할 수 있도록 하기 위한 것으로, 성형금형도 성형온도까지 승온되어야 한다. 따라서, 성형금형에는 히터부 등의 가열수단이 연결될 수 있다.

성형온도는 300~400℃ 정도가 바람직한데. 성형온도가 이보다 높을 경우에는 압력유체를 선택하기가 곤란하고, 금형의 내구성이 저해되는 문제가 발생한다.

성형온도가 이보다 낮은 경우에는 압력유체의 높은 성형압력이 요구된다.

예를 들어, 성형온도를 300℃ 정도로 설정한 경우에는 압력유체로는 벙커C유 선택될 수 있다. 압력유체는 성형온도보다 높은 끓는 점을 가지는 유체로 선택되어야 한다.

상기 강관에 주입되는 압력유체의 압력은 200~300 bar 범위인 것이 바람직하다. 일반적인 상온 하이드로포밍의 경우 압력유체의 압력이 1000bar 수준으로 대단히 높은 압력을 요구하고 있어서, 그에 따라 유체에 압력을 부여하기 위한 설비들이 많아지는데, 본 발명의 경우 고온에서 하이드로 포밍을 수행하도록 함으로써 비교적 낮은 압력에서도 하이드로 포밍 성형이 이루어 질 수 있다.

강관은 성형 온도에서 확관 성형 단계(S-40)에서 투입되는데, 이 때 금형도 성형온도를 유지하고 있는 것이 바람직하다. 금형이 성형온도를 유지하는 않게 되면, 강관이 금형에 의하여 국부적으로 냉각되며 열충격에 의한 손상을 입을 수 있으며 원활하게 성형되지 않을 수 있다.

상기 확관 성형 단계(S-40)의 이후에는 탈형 단계(S-50)와 냉각 열처리 단계(S-60)가 수행된다.

탈형단계(S-50)는 성형이 완료된 제품을 금형에서 분리하는 것이며, 냉각열처리단계(S-60)는 성형이 완료된 제품을 공기나 냉매등을 이용하여 상온까지 냉각하는 단계이다.

도 3은 본 발명에 따른 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법에서 부품의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 강관은 열처리 온도(800~850℃) 까지 가열된 후, 조직의 균질화를 위해서 열철리 온도에서 10~20분간 유지된다. 이후 냉각과정을 거치다가 성형온도(300~400℃)에 다다르게 되면, 성형 금형에 투입되어 성형 온도에서 압력 유체에 의해서 형상이 성형된 후, 탈형되고 냉각되는 과정을 거치게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법에서 확관성형시 압력유체의 압력변화를 나타낸 그래프이다.

도시한 실시예는 성형금형에 구속된 강관 내부의 압력변화를 나타낸 것이다.

성형온도의 강관이 성형금형에 구속된 후, 강관의 내부에 압력유체의 압력을 성형압력(200~300bar)까지 상승시키게 된다. 이후 성형압력을 일정시간(5~10) 동안 유지한 후, 압력유체를 제거한 후 성형금형에서 분리하게 된다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법은 강관의 용접부와 모재부가 균일한 조직을 가지도록 열처리 한 후, 고온에서 하이드로 포밍을 수행하도록 함으로써, 용접부에서 크랙이나 터짐이 발생하지 않도록 하는 효과를 가져오게 된다. 또한 고온에서 성형을 함으로써 상대적으로 낮은 압력으로 성형할 수 있어 공정 설비를 간소화할 수 있으며 원가를 절감하는 효과를 가져온다.

지금까지 본 발명에 따른 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.

그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

S-10 : 강관 마련 단계
S-20 : 프리 포밍 단계
S-30 : 열처리 단계
S-40 : 확관 성형 단계
S-50 : 탈형 단계
S-60 : 냉각 열처리 단계

Claims (8)

1. 판재를 용접하여 강관을 마련하는 강관 마련 단계;
   상기 강관을 800~850℃ 에서 10~20분간 열처리하고, 강관의 용접부와 모재부의 조직을 재결정하는 열처리 단계; 및
   상기 열처리된 강관을 성형금형에 구속한 상태로 성형온도에서 상기 강관의 내부에 압력유체를 주입하여 강관을 성형금형의 형상으로 성형하는 확관성형단계;를 포함하고,
   상기 확관성형단계는 상기 열처리 단계에서 냉각과정을 거친 후, 상온보다 높은 300~400℃의 성형온도에서 상기 강관의 성형이 이루어지도록 하고,
   상기 확관성형단계에서 상기 성형금형은 상기 성형온도로 가열된 상태를 유지하고, 상기 강관이 상기 성형온도로 가열된 상태에서 200~300 bar의 압력유체가 강관에 주입되어 상기 성형금형의 형상으로 성형되는 것을 특징으로 하는 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 확관성형단계에서 사용되는 압력유체로는 끓는 점이 상기 성형온도보다 높은 유체를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 열처리 단계의 이전 또는 이후에
   상기 강관을 최종제품 형상에 유사한 형상으로 굽힙 가공하는 프리포밍 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 확관성형단계의 이후에,
   성형된 제품을 상기 금형으로부터 분리하는 탈형단계 및,
   상기 분리된 제품을 냉각하는 냉각열처리단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍을 이용한 부품 제조방법.

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