KR101641786B1

KR101641786B1 - 하이드로포밍 성형 방법 및 이를 이용한 고강도 강관 제조 방법 그리고 그 시스템

Info

Publication number: KR101641786B1
Application number: KR1020140153895A
Authority: KR
Inventors: 류명인
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2016-07-22
Also published as: KR20160054721A

Abstract

본 발명에 의한 하이드로포밍 성형 방법 및 이를 이용한 고강도 강관 제조 방법 및 고강도 강관 제조 시스템은, 900℃ 이상으로 가열된 튜브형 강관 내부에 포화 수증기로 구성된 미스트를 공급하는 단계 및 상기 튜브형 강관 내부로 공급된 미스트가 상기 튜브형 강관으로부터 전달된 열로 가열되어 팽창하면서 상기 튜브형 강관의 내면을 가압하여 성형하는 단계를 포함한다.

Description

하이드로포밍 성형 방법 및 이를 이용한 고강도 강관 제조 방법 그리고 그 시스템 {METHOD OF HYDROFORMING WORK AND METHOD AND SYSTEM OF MAKING HIGH STRENGTH STEEL PIPE USING THEREOF}

본 발명은 하이드로포밍 성형 방법 및 이를 이용한 고강도 강관 제조 방법 및 고강도 강관 제조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성형시 포화 수증기의 팽창을 이용하는 하이드로포밍 성형 방법 및 이를 이용한 고강도 강관 제조 방법 및 고강도 강관 제조 시스템에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 하이드로포밍 성형 공정은 조관기(1), 프리포밍기(2), 하이드로포밍기(3), 레이저 커팅기(4)로 구성되어 있다. 조관기(1)에서는 강판을 심용접(seam welding) 또는 저항용접하여 튜브(강관)로 가공하고, 프리포밍기(2)에서는 하이드로포밍기(3)의 금형에 튜브형 강관을 안착시킬 수 있도록 금형의 형상에 맞게 튜브형 강관를 일부 가공한다.

이러한 하이드로포밍 기술은 종래의 스탬핑(stamping) 및 용접(welding)을 대체하는 방법으로서, 튜브형 강관의 양단을 펀치로 밀폐시키고 튜브 내부에 액체를 주입한 후, 수압을 상승시켜 원하는 형상으로 성형하는 기술이다.

부연하자면, 하이드로포밍 기술은 고압의 유체(물 등)를 튜브 내부에 담지시키고 더욱 압력을 가하여 상, 하부 금형의 틀에 맞추어 튜브를 확관시켜서 원하는 형상으로 성형하는 기술이다. 이러한 공정을 수행하기 위해서는 우선 튜브를 금형에 피딩(feeding)시켜야 하고 공정을 위해서는 튜브 내부에 소정의 유체(성형유)를 주입하고 이를 고압으로 가압하여 튜브를 확관시키게 된다.

일반적인 하이드로포밍을 위한 금형에는 성형하고자 하는 제품의 최종 형상에 대응되는 형상의 성형홈이 형성된다. 상세하게는 하부 금형과 상부 금형이 서로 대면할 수 있도록 배치되고, 하부금형과 상부금형의 각각 서로 대면하는 면에 성형홈이 형성되고, 하부금형과 상부금형에 각각 형성된 성형홈이 서로 맞대어지면서 제품의 최종 형상에 대응되는 형상이 완성된다.

한편, 하이드로포밍 기술은 기본적으로 튜브형 강관을 확관시켜 원하는 형상으로 성형하는 기술로서, 성형홈이 다양한 형상 및 크기로 형성될 수 있다. 튜브형 강관 중 확관되는 비율이 큰 영역에서는 확관되는 튜브와 금형과의 마찰로 인하여 튜브형 강관이 충분히 확관되지 않아 원하는 형상으로 성형되지 않는 일이 발생한다. 이로 인해 튜브형 강관의 내부에 성형액을 주입하고 성형액에 압력을 가하더라도 원하는 형상으로 성형되지 않은 결함부분이 발생하는 단점이 있었다.

그래서, 종래에는 튜브형 강관의 내부에 충진되는 성형액에 부가적인 압력을 부여하기 위하여 고압의 가압장치를 추가로 더 구비하여야 하는 필요가 있었고, 가압을 위해 오랜 시간이 소요되어 생산 시간, 즉 C/T(CYCLE TIME)가 과도하게 길어지는 원인이 되었다.

또한, 변형에 저항성이 강한 고강도 강재로 제작된 튜브형 강관에 소정의 압력이상으로 성형액에 압력이 부가되면 튜브형 강관의 용접부가 성형액의 압력을 견디지 못하고 터지는 크랙 현상이나 일부분이 접히는 넥킹 현상이 발생하기 때문에 일정 이상의 고강도 소재 채택이 어려워 폭넓은 적용에 걸림돌이 되고 있다.

한편, 종래에도 하이드로포밍 성형시 튜브형 강관의 터짐을 방지하는 기술이 제안되어 사용되고 있었다. 이러한 기술은 예를 들어 "튜브의 터짐 결함 방지를 위한 하이드로포밍 방법(대한민국등록특허 10-0785250)" 등에서 구체적으로 공지되어 있다.

하지만, 특허문헌 1과 같은 방법은 튜브의 절곡부에서 발생되는 튜브의 터짐 결함을 방지하는 효과를 기대할 수는 있으나, 성형 시간을 감소시킬 수는 없었고, 고강도로 제작된 튜브형 강관이 고압의 성형액에 의해 터지는 결함을 방지할 수는 없었다.

대한민국등록특허 10-0785250

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 하이드로포밍 성형시 튜브형 강관의 터짐과 접힘을 방지하고, 성형 시간을 감축할 수 있는 하이드로포밍 성형 방법 및 이를 이용한 고강도 강관 제조 방법 및 고강도 강관 제조 시스템을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍 성형 방법은, 900℃ 이상으로 가열된 튜브형 강관 내부에 포화 수증기로 구성된 미스트를 공급하는 단계 및 상기 튜브형 강관 내부로 공급된 미스트가 상기 튜브형 강관으로부터 전달된 열로 가열되어 팽창하면서 상기 튜브형 강관의 내면을 가압하여 성형하는 단계를 포함한다.

삭제

본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍 성형 방법을 이용한 고강도 강관 제조 방법은, 튜브형 강관을 900℃ 이상으로 가열하여 조직을 오스테나이트화시키는 단계; 가열된 상기 튜브형 강관 내부에 포화 수증기로 구성된 미스트를 공급하는 단계; 상기 튜브형 강관 내부로 공급된 미스트가 상기 튜브형 강관으로부터 전달된 열로 가열되어 팽창하면서 상기 튜브형 강관의 내면을 가압하여 성형하는 단계; 및 성형된 상기 튜브형 강관을 급랭시켜 조직을 마르텐사이트화시키는 단계;를 포함한다.

삭제

상기 튜브형 강관은, HPF(Hot Press Forming)강인 것을 특징으로 한다.

상기 오스테나이트화시키는 단계 이전에, 스틸 플레이트를 구부려 용접하여 튜브형 강관을 제조하는 단계; 및 상기 튜브형 강관을 하이드로포밍의 금형에 안착시키기 위한 예비 성형을 하는 프리포밍 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍 성형 방법을 이용한 고강도 강관 제조 시스템은, 튜브형 강관을 가열하는 가열로; 상기 가열로에서 가열된 상기 튜브형 강관 내부에 포화수증기로 구성된 미스트를 공급하고, 상기 튜브형 강관으로부터 전달받은 열로 가열되어 팽창되는 상기 미스트의 압력을 이용하여 상기 튜브형 강관을 성형하는 하이드로포밍기; 및 상기 하이드로포밍기의 금형을 냉각시키는 냉각기를 포함한다.

상기 하이드로포밍기는, 상기 튜브형 강관이 안착되는 상부 금형 및 하부 금형, 상기 튜브형 강관을 축 방향으로 가압할 수 있도록 상기 상부 금형과 하부 금형 사이로 삽입되는 액셜 펀치, 상기 액셜 펀치를 관통하여 형성된 미스트 공급로, 성형 종료시 상기 튜브형 강관을 상기 상, 하부 금형으로부터 분리시키는 이젝트 펀치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

스틸 플레이트를 구부려 용접하는 조관기; 상기 조관기에서 생산된 튜브형 강관을 하이드로포밍기의 상, 하부 금형에 안착시킬 수 있도록 선가공하는 프리포밍기; 및 상기 하이드로포밍기에서 성형된 튜브형 강관을 절단하는 레이저 커팅기; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 하이드로포밍 성형 방법 및 이를 이용한 고강도 강관 제조 방법 및 고강도 강관 제조 시스템에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 하이드로포밍 성형에 필요한 가공 시간을 감축할 수 있다.

둘째, 하이드로포밍 성형 과정에서 터짐이나 접힘 현상을 방지할 수 있다.

셋째, 하이드로포밍 성형에 고강도 강재를 사용할 수 있다.

넷째, 부가적인 가압장비 없이도 고압 성형이 가능하다.

도 1은 기존의 하이드로포밍 시스템을 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍 시스템을 나타낸 개략도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍기를 이용한 가공 방법을 나타낸 개략적인 공정도이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 하이드로포밍 성형 방법 및 이를 이용한 고강도 강관 제조 방법 및 고강도 강관 제조 시스템에 대하여 설명하기로 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 하이드로포밍 성형 방법은, 가열된 튜브형 강관(100)의 내부에 미스트(15)를 공급하여, 이 미스트(15)를 팽창시켜 성형하고, 그 이후 급랭시킴으로써 튜브형 강관을 성형하는 것이다.

종래의 하이드로포밍 성형 방법은 인장강도 340MPa급의 소재를 이용하여 튜브형 강관(100)를 성형하고, 프리포밍을 거쳐 최종적으로 하이드로포밍 성형이 끝난 이후에는 가공경화에 의해 400~600MPa의 강도를 가지게 된다. 이 과정에서 고압을 형성하기 위한 가압 설비가 필요하고, 공정 시간이 길어지며, 성형성을 위해 고강도 소재를 채택할 수 없었다.

본 발명이 물이나 작동유 대신 미스트(15)를 사용하는 것은, 가압하는데 오랜 시간이 걸리는 액체 대신, 팽창에 시간이 거의 소모되지 않는 기체를 이용하여 가공에 소모되는 시간을 줄이기 위함이다. 또한 급격한 팽창에도 균열 등의 결함이 발생하지 않도록, 튜브형 강관(100)를 미리 가열하여 가공성을 향상시키는 것이다. 이하 후술하겠지만, 튜브형 강관(100)을 가공시킨 이후 급랭시킴으로써 조직을 마르텐사이트화하여 보다 고강도를 달성할 수 있는 것이다.

이러한 미스트(15)는 포화 수증기를 사용하는 것이 바람직하다.

미스트(15)로 포화 수증기를 사용하는 이유는, 잠열 가열에 따른 빠르고 균일한 가열이 가능하고, 압력과 온도관계를 정확하게 설정할 수 있어 정밀한 가공이 가능하며, 열전도율이 높아 전열면적의 최소화로 설비투자를 경감시킬 수 있는 장점이 있는데 더불어, 기본적으로 안전하며 저비용으로 조달할 수 있기 때문이다.

튜브형 강관(100)를 가열하는 온도는 섭씨 900도 이상이 바람직한데, 이는 강재의 조직을 오스테나이트(Austenite)화 시키기 위해서이다. 일반적으로 강재가 펄라이트 및 페라이트에서 오스테나이트로 변태하는 온도는 섭씨 730~900도 내외이므로, 섭씨 900도 이상으로 가열하면 튜브형 강관(100)의 조직이 오스테나이트화되어 가공성이 향상되는 것이다.

이러한 하이드로포밍 성형 방법을 사용하여 고강도 강관을 제조하는 방법은, 튜브형 강관(100)의 조직을 오스테나이트화시키는 가열 단계 및 가열 단계에서 가열된 튜브형 강관(100)를 미스트(15)의 팽창을 이용하여 성형하고 급랭시키는 하이드로포밍 단계를 포함한다.

상술한 바와 같이, 튜브형 강관(100)를 가열하여 오스테나이트화시키는 이유는 성형성을 높이기 위한 이유도 있지만, 하이드로포밍 성형 이후에 급랭시켜 조직을 마르텐사이트화시켜 강도를 상승시키기 위한 이유도 있다. 펄라이트+페라이트 조직에 비해 마르텐사이트 조직은 최소 두 배에서 최대 세 배 이상의 인장강도를 가지므로, 고강성이 요구되는 부품에도 활용할 수 있게 되는 것이다.

가열 단계에서 튜브형 강관(100)를 섭씨 900도 이상으로 가열하는 것은 상술한대로 오스테나이트화를 위한 것이므로 상세한 내용은 생략한다.

하이드로포밍 단계는, 튜브형 강관(100) 내부에 포화 수증기 미스트(15)를 공급하는 과정, 미스트(15)가 섭씨 900도 이상으로 가열되어 급격히 팽창하는 과정, 미스트(15)의 팽창을 통해 튜브형 강관(100)의 내면을 가압하는 과정을 포함하는 것이 바람직하다.

포화 수증기 미스트(15)의 주입량과, 하이드로포밍 중에 유지시키는 온도에 따라 튜브형 강관(100)의 내부에 가해지는 압력이 결정되므로, 이는 공정과 강재의 종류에 따라 다양하게 설정될 수 있을 것이다.

이러한 튜브형 강관은 HPF(Hot Press Forming)강인 것이 바람직하다.

HPF강의 한 예를 들어보면, C 0.27wt% 이하(0제외), Mn 2.00wt% 이하(0제외), Si 0.50wt% 이하(0제외), P 0.015wt% 이하(0제외), W 0.05wt% 이하(0제외), Ti 0.05wt% 이하(0제외), B 0.003wt% 이하(0제외), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물의 조성을 갖는다.

가열 단계 이전에, 스틸 플레이트를 구부려 용접하는 조관 단계 및 조관 단계에서 생산된 튜브형 강관을 하이드로포밍의 금형에 안착시키기 위한 예비 성형을 하는 프리포밍 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이는 일반적인 하이드로포밍 성형에도 있는 과정이지만, 튜브형 강관(100)를 가열하는 단계 이전에 수행하는 것이 효율적이다. 가열 시점이 빠르면 빠를수록 후속 공정의 가공성이 좋아지는 장점은 있지만, 가열된 상태를 유지하기 위해서는 많은 열원이 필요하고, 공정 중 열에 의한 안전사고의 위험이 상존하기 때문에 가열 상태를 유지하는 공정을 최소화하는 것이 바람직하기 때문이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하이드로포밍 성형 방법을 이용한 고강도 강관 제조 시스템은, 튜브형 강관(100)을 가열하는 가열로(6), 가열로에서 가열된 튜브형 강관(100)을 성형하는 하이드로포밍기(3) 및 하이드로포밍기의 금형을 냉각시키는 냉각기(7)를 포함하는 것이 바람직하다.

후술할 프리포밍기(2)와 하이드로포밍기(3) 사이에 가열로(6)가 설치되어 튜브형 강관을 가열하고, 성형이 끝난 이후 튜브형 강관(100)을 냉각시키기 위해 하이드로포밍기의 금형을 냉각시키는 것이다.

가열로(6)는 튜브형 강관(100)이 오스테나이트로 변태될 수 있도록 섭씨 900도 이상으로 가열하고, 냉각기(7)는 튜브형 강관(100)이 마르텐사이트로 변태될 수 있도록 하이드로포밍기의 금형에 물이나 오일 등을 분사하는 형식인 것이 바람직하나, 구체적인 기구나 방법으로 한정하지는 않는다.

도 3에 도시된 바와 같이, 하이드로포밍기(3)는 튜브형 강관(100)이 안착되는 상부 금형(12) 및 하부 금형(11), 튜브형 강관(100)을 축 방향으로 가압할 수 있도록 상부 금형(12)과 하부 금형(11) 사이로 삽입되는 액셜 펀치(13), 액셜 펀치를 관통하여 형성된 미스트 공급로(16), 성형 종료시 튜브형 강관(100)을 상, 하부 금형(11)으로부터 분리시키는 이젝트 펀치(14)를 포함하는 것이 바람직하다.

이는 일반적인 하이드로포밍기와 유사하나, 액체를 고압으로 가압하는 가압 장치가 생략되고, 미스트 공급로를 통해 액체가 아닌 미스트 형태의 기체를 주입하는 것이 다르다.

스틸 플레이트를 구부려 용접하는 조관기(1), 조관기(1)에서 생산된 튜브형 강관(100)을 하이드로포밍기(3)의 상, 하부 금형(11,12)에 안착시킬 수 있도록 선가공하는 프리포밍기(2), 하이드로포밍기(3)에서 성형된 튜브형 강관(100)을 절단하는 레이저 커팅기(4)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이는 하이드로포밍 성형 공정에 필수적인 구성으로, 판재를 관재로 가공하는 조관기와, 금형에 안착시킬 수 있도록 예비적으로 가공하는 프리포밍기, 가공이 끝난 후 실질적으로 사용할 부분만을 절단하는 레이저 커팅기이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 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. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 조관기 2: 프리포밍기
3: 하이드로포밍기 4: 레이저 커팅기
5: 로봇암 6: 가열로
7: 냉각기
11: 하부 금형 12: 상부 금형
13: 액셜 펀치 14: 이젝트 펀치
15: 미스트 16: 미스트 공급로
100: 튜브형 강관

Claims

900℃ 이상으로 가열된 튜브형 강관 내부에 포화 수증기로 구성된 미스트를 공급하는 단계; 및
상기 튜브형 강관 내부로 공급된 미스트가 상기 튜브형 강관으로부터 전달된 열로 가열되어 팽창하면서 상기 튜브형 강관의 내면을 가압하여 성형하는 단계;를 포함하는, 하이드로포밍 성형 방법.
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튜브형 강관을 900℃ 이상으로 가열하여 조직을 오스테나이트화시키는 단계;
가열된 상기 튜브형 강관 내부에 포화 수증기로 구성된 미스트를 공급하는 단계;
상기 튜브형 강관 내부로 공급된 미스트가 상기 튜브형 강관으로부터 전달된 열로 가열되어 팽창하면서 상기 튜브형 강관의 내면을 가압하여 성형하는 단계; 및
성형된 상기 튜브형 강관을 급랭시켜 조직을 마르텐사이트화시키는 단계;를 포함하는, 하이드로포밍 성형 방법을 이용한 고강도 강관 제조 방법.
삭제
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청구항 4에 있어서,
상기 튜브형 강관은, HPF(Hot Press Forming)강인 것을 특징으로 하는, 하이드로포밍 성형 방법을 이용한 고강도 강관 제조 방법.
청구항 4 또는 청구항 7에 있어서,
상기 오스테나이트화시키는 단계 이전에,
스틸 플레이트를 구부려 용접하여 튜브형 강관을 제조하는 단계; 및
상기 튜브형 강관을 하이드로포밍의 금형에 안착시키기 위한 예비 성형을 하는 프리포밍 단계;를 더 포함하는, 하이드로포밍 성형 방법을 이용한 고강도 강관 제조 방법.
튜브형 강관을 가열하는 가열로;
상기 가열로에서 가열된 상기 튜브형 강관 내부에 포화수증기로 구성된 미스트를 공급하고, 상기 튜브형 강관으로부터 전달받은 열로 가열되어 팽창되는 상기 미스트의 압력을 이용하여 상기 튜브형 강관을 성형하는 하이드로포밍기; 및
상기 하이드로포밍기의 금형을 냉각시키는 냉각기를 포함하는, 하이드로포밍 성형 방법을 이용한 고강도 강관 제조 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 하이드로포밍기는, 상기 튜브형 강관이 안착되는 상부 금형 및 하부 금형, 상기 튜브형 강관을 축 방향으로 가압할 수 있도록 상기 상부 금형과 하부 금형 사이로 삽입되는 액셜 펀치, 상기 액셜 펀치를 관통하여 형성된 미스트 공급로, 성형 종료시 상기 튜브형 강관을 상기 상, 하부 금형으로부터 분리시키는 이젝트 펀치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이드로포밍 성형 방법을 이용한 고강도 강관 제조 시스템.
청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
스틸 플레이트를 구부려 용접하는 조관기;
상기 조관기에서 생산된 튜브형 강관을 하이드로포밍기의 상, 하부 금형에 안착시킬 수 있도록 선가공하는 프리포밍기; 및
상기 하이드로포밍기에서 성형된 튜브형 강관을 절단하는 레이저 커팅기; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이드로포밍 성형 방법을 이용한 고강도 강관 제조 시스템.