KR101754767B1

KR101754767B1 - 알루미늄 휠의 제조방법

Info

Publication number: KR101754767B1
Application number: KR1020150175448A
Authority: KR
Inventors: 이준민; 김영찬; 윤광민; 조영래; 김민수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2017-07-06
Also published as: KR20170068344A

Abstract

본 발명은 알루미늄 휠의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원심주조 금형으로서, 상형 및 측하형에 의해 형성된 내부의 용탕 충진부에 용탕을 충진하는 제1단계; 상기 용탕 충진부에 충진된 용탕을 예비성형체가 될 때까지 냉각하는 제2단계; 상기 상형을 예비성형체로부터 제거하는 제3단계; 상기 예비성형체의 림부를 플로우포밍 단조하여 알루미늄 휠을 제조하는 제4단계; 상기 플로우포밍 단조된 알루미늄 휠을 측하형으로부터 분리하는 제5단계; 상기 측하형으로부터 분리된 알루미늄 휠을 열처리하는 제6단계; 및 상기 열처리된 알루미늄 휠을 후가공하여 후가공부를 제거하는 제7단계; 등을 포함함으로써, 종래기술과 달리 예열설비를 삭제하고, 금형의 갯수를 줄임으로써, 예열과정 없이 플로우포밍 단조를 실시하여, 원가 및 생산 속도 등을 향상시킬 수 있는 효과가 있는 알루미늄 휠의 제조방법에 관한 것이다.

Description

알루미늄 휠의 제조방법{THE METHOD FOR MANUFACTURING ALLOY WHEEL}

본 발명은 알루미늄 휠의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측면 금형과 하형 금형을 일체화 하고, 예열과정의 없이 플로우포밍 단조를 실시함으로써, 공정의 효율을 향상시킬 수 있는 알루미늄 휠의 제조방법에 관한 것이다.

통상적으로, 알루미늄 휠은 차량의 브레이크 드럼 또는 디스크에 장착되어, 타이어의 장착자리면이 되는 부품으로서, 전면에는 외관을 고려한 디자인면(스포크부) 및 플랜지부가 구성되어 있고, 그 둘레면에는 타이어가 장착되는 림부 등이 구성되어 있다.

종래의 알루미늄 휠은 중력주조방법에 의한 알루미늄 휠, 저압주조 공법에 의한 알루미늄 휠, 간접가압 공법에 의한 알루미늄 휠, 열간단조 공법에 의한 알루미늄 휠 등으로 나눌 수 있다. 상기 중력주조 공법과 저압주조 공법에 의한 알루미늄 휠은 가격이 저렴하지만, 고강도화가 어렵고, 경량화가 힘든 단점이 있으며, 상기 간접가압 공법과 열간단조 공법에 의한 알루미늄 휠은 고강도화는 가능하나, 공정이 복잡하고 장비가격이 비싸며 품질관리도 어렵다는 단점이 있다.

보다 구체적으로, 저압주조 공법은 용탕이 아래에서부터 저압(2-3 bar)으로 주입되므로 제품의 충진이 아래에서부터 위쪽으로 충진되는 방식으로서, 충분한 압력이 가해지지 않아 제품의 고강도화가 어렵고 그에 따라 추가 경량화가 어려운 단점이 있다.

또한, 중력주조 공법은 상부에서 금형의 내부로 용탕이 1bar의 압력으로 주입되므로 알루미늄 휠의 강도가 낮고 품질이 열악하며 경량화에 어려운 단점이 있다.

또한, 간접가압주조 공법은 하부에서부터 강한 1100-1200bar의 압력으로 용탕이 금형 내로 주입되므로, 알루미늄 휠의 고강도화가 가능하나, 강한 압력을 발생시키기 위한 유압장치 등의 장비가 고가이고, 생산성이 낮다는 단점과 함께 대형 알루미늄 휠의 생산에 어려움이 있는 단점이 있다.

한편, 열간단조 공법은 빌렛트를 대형 프레스로 가압하여 대략적인 형상의 소재를 제조하는 소성가공공법으로서, 가압에 의하여 금속조직은 연신되고, 내부의 작은 미세공들을 압착시켜 결함을 최소화하여 강도와 인성을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

그러나 코너 라운드가 크고, 가공 경화 발생으로 복잡한 형상을 한번에 제조하지 못하여 여러 단계별 반복적인 공정을 통하여 제품 성형이 이루어짐에 따라, 제조비용이 증가하고 설비의 규모 및 초기투자가 늘어나야 하는 단점이 있다.

이러한 열간단조 공법의 단점을 보완하기 위하여 개발된 공법이 회전단조 공법이다. 상기 회전단조 공법은 크게 2단계의 공정으로 구분되는데, 첫 번째 프리-포밍(Pre-Forming) 단조공정은 비교적 작은 압력을 활용한 응력집중적인 회전단조 단계로서 기본 골격을 만드는 공정이고, 두 번째 플로우포밍(Flow Forming) 단조공정은 세부 부위를 만드는 공정이다. 그러나 회전단조 공법은 전체 공정의 시간과 비용이 많이 소요되고, 생산성이 낮은 단점이 있었다.

이러한 점들을 고려하여, 저압주조 공법으로 알루미늄 휠의 형상을 만들고, 플로우포밍 단조공정으로 마무리하여 알루미늄 휠을 제조하는 방법이 개발되었다. 그러나 이러한 방법은 플로우포밍 단조를 하기 전에 예열을 해야 하는 불편함이 있었다.

이에, 본 발명자는 예열하는 과정 및 관련 설비를 없애기 위하여, 저압주조 공법 대신 원심주조 공법으로 알루미늄 휠의 형상을 만들고, 예열 단계 없이 바로 플로우포밍 단조를 하는 방법을 개발하고자 하였다.

등록특허공보 제10-0757582호 (2007.09.12. 공고) 공개특허공보 제10-2013-0123653호 (2013.11.13. 공개)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 설비 및 금형의 수를 줄이고, 예열과정 없이 플로우포밍 단조를 실시함으로써, 원가 및 생산 속도 등을 향상시킬 수 있는 알루미늄 휠의 제조방법을 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄 휠의 제조방법은 원심주조 금형으로서, 상형 및 측하형에 의해 형성된 내부의 용탕 충진부에 용탕을 충진하는 제1단계; 상기 용탕 충진부에 충진된 용탕을 예비성형체가 될 때까지 냉각하는 제2단계; 상기 상형을 예비성형체로부터 제거하는 제3단계; 상기 예비성형체의 림부를 플로우포밍 단조하여 알루미늄 휠을 제조하는 제4단계; 상기 플로우포밍 단조된 알루미늄 휠을 측하형으로부터 분리하는 제5단계; 상기 측하형으로부터 분리된 알루미늄 휠을 열처리하는 제6단계; 및 상기 열처리된 알루미늄 휠을 후가공하여 후가공부를 제거하는 제7단계; 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 원심주조 금형의 회전 속도는 약 450~600rpm인 것이 바람직하며, 상기 용탕 충진부에 충진되는 용탕의 양은 완성된 알루미늄 휠 중량의 약 105~115중량%인 것이 바람직하다.

또한, 상기 상형을 예비성형체로부터 제거한 이후, 상기 예비성형체의 림부를 플로우포밍으로 단조를 시작하는 시간은 약 10~15초이며, 상기 플로우포밍으로 단조를 하기 위한 예비성형체의 온도는 약 300~450℃인 것이 바람직하다.

아울러, 상기 플로우포밍 단조는 롤러를 포함하는 플로우포밍 단조 장치에 의해 수행되며, 상기 롤러의 이동속도는 약 2~2.8cm/s인 것이 바람직하다. 또한, 상기 롤러의 소재는 상형 및 측하형의 소재와 동일한 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명은 종래기술과 달리 플로우포밍 단조를 하기 위한 예열설비를 삭제하고, 총 4개의 금형을 2개로 줄임으로써, 예열을 위한 설비 및 시간을 절약할 수 있으며, 결국 제조원가와 생산 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

보다 구체적으로, 종래기술의 저압주조는 예열과정이 별도로 필요한 반면, 본원발명은 예열과정을 삭제하기 위하여 원심주조와 플로우포밍 단조를 일체화함으로써, 공정을 단순화 하였기 때문에 종래기술의 저압주조의 사이클 타임은 약 250~350초인 반면, 본 발명의 사이클 타임은 약 50~70초에 불과한 것이다.

아울러, 본 발명은 종래기술과 달리 필요한 예열 설비가 없고 필요로 하는 금형의 수가 적을 뿐만 아니라, 맨드렐 금형도 필요하지 않으므로 생산원가를 줄일 수 있는 것이다.

도 1은 원심주조 및 플로우포밍 단조 등을 통한 알루미늄 휠의 제조과정을 보여주는 공정도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 원심주조 및 플로우포밍 단조 등을 통한 알루미늄 휠의 제조과정을 보여주는 공정도이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 휠의 제조방법은 원심주조 금형으로서, 상형(10) 및 측하형(20)에 의해 형성된 내부의 용탕 충진부에 용탕(30)을 충진하는 제1단계; 상기 용탕 충진부에 충진된 용탕(30)을 예비성형체(40)가 될 때까지 냉각하는 제2단계; 상기 상형(10)을 예비성형체(40)로부터 제거하는 제3단계; 상기 예비성형체(40)의 림부(41)를 플로우포밍 단조하여 알루미늄 휠(50)을 제조하는 제4단계; 상기 플로우포밍 단조된 알루미늄 휠(50)을 측하형(20)으로부터 분리하는 제5단계; 상기 측하형(20)으로부터 분리된 알루미늄 휠(50)을 열처리하는 제6단계; 및 상기 열처리된 알루미늄 휠(50)을 후가공하여 후가공부(60)를 제거하는 제7단계; 등을 포함하는 것이 바람직하다.

원심주조는 로터리(70)를 중심으로 조인트(71)에 의해 고정되어 있는 금형인 상형(10) 및 측하형(20) 등을 회전시켜 형성된 원심력을 이용함으로써, 상형(10)의 중앙에 존재하는 용탕 주입구(31)를 통해 주입되는 용탕(30)을 금형 내부의 용탕 충진부에 충진하는 방법이다.

여기서, 원심주조 금형의 회전 속도는 약 450~600rpm인 것이 바람직하다. 상기 금형의 회전 속도가 약 450rpm 미만일 경우, 충분한 원심력의 확보가 어려워 용탕의 충진이 완료되지 않아 미성형 부분이 발생할 수 있다. 그러나 상기 원심주조 금형의 회전속도가 약 600rpm 초과일 경우, 원심력이 지나치게 강하여 용탕 충진 시 와류의 발생으로 적합한 형상을 가지기 어려울 수 있다.

또한, 상기 용탕 충진부에 충진되는 용탕(30)의 양은 완성된 알루미늄 휠(50) 중량의 약 105~115중량%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 용탕(30)의 충진량이 약 105중량% 미만일 경우, 예비성형체(40) 형성 후 플로우포밍 단조 시, 림부(41)의 두께가 지나치게 얇아져 최종 가공수치 등을 만족할 수 없고, 내충격성 등의 물성이 저하될 수 있다. 반면, 상기 용탕(30)의 충진량이 약 115중량% 초과일 경우, 예비성형체(40)의 림부(41) 두께가 지나치게 두꺼워서 플로우포밍 단조 시 림부(41)의 균일한 소성변형 효과가 부족하다.

상기 상형(10)을 분리 고리(11)를 이용하여 상방으로 들어올려 예비성형체(40)로부터 제거한 이후, 상기 예비성형체(40)의 림부(41)를 플로우포밍으로 단조를 시작하는 시간은 약 10~15초인 것이 바람직하며, 상기 플로우포밍으로 단조를 하기 위한 예비성형체(40)의 온도는 약 300~450℃인 것이 바람직하다.

보다 구체적으로, 상형(10)을 예비성형체(40)로부터 제거하면, 공랭에 의해 예비성형체(40)의 온도가 급격하게 하강하게 된다. 따라서, 상형(10) 제거한 후 약 10초 내지 약 15초 내에 플로우포밍 단조를 시작해야 한다. 그래야 예비성형체(40)의 온도가 약 300~450℃의 범위에 들어오기 때문이다.

보다 구체적으로, 상기 상형(10)을 제거한 후 약 10초 미만의 시간에서 예비성형체(40)의 온도가 약 450℃를 초과함으로써, 플로우포밍 단조 시 상기 예비성형체(40)의 변형 정도가 과도하여 최종 형상을 성형하는데 어려움이 있다.

반면, 상기 상형(10)을 제거한 후 약 15초 초과의 시간에서 예비성형체(40)의 온도가 약 300℃ 미만으로 내려감으로써, 플로우포밍 단조 시 상기 예비성형체(40)의 경도가 증가하여 상기 예비성형체(40)에 충분한 압력을 가하여도 소성 변형의 효과를 가질 수 없는 문제가 있다.

아울러, 상기 플로우포밍 단조는 롤러(81)를 포함하는 플로우포밍 단조 장치(80)에 의해 수행되며, 상기 폴로우포밍 단조 장치(80)의 롤러(81)는 상기 예비성형체(40)의 회전에 의해 회전하고, 상기 예비성형체(40)에 압력을 가할 수 있다. 또한, 상기 롤러(81)의 중앙부를 관통하여 위아래의 가드(82)와 체결됨으로써, 상기 롤러(81)을 가드(82)에 고정하는 동시에 회전할 수 있도록 하는 회전축(83) 등을 더 포함한다.

여기서, 상기 예비성형체(40)를 플로우포밍 단조를 할 경우, 상기 폴로우포밍 단조 장치(80)에 의한 롤러(81)의 이동속도는 약 2~2.8cm/s인 것이 바람직하다. 상기 롤러(81)의 이동속도가 약 2cm/s 미만일 경우, 플로우포밍 단조 시간이 길어질 뿐만 아니라, 예비성형체(40)의 림부(41)가 플로우포밍 단조 전에 냉각되어 림부(41)의 균일한 소성변형의 효과를 가질 수 없는 문제가 있다.

반면, 상기 롤러(81)의 이동속도가 약 2.8cm/s 초과일 경우, 예비성형체(40)의 림부(41) 전체에 균일한 압력을 가하지 못하여, 역시 림부(41)의 균일한 소셩변형의 효과를 가질 수 없는 문제가 있다.

또한, 상기 제6단계의 열처리는 T6열처리를 의미하는 것으로, 상기 T6는 약 540~560℃의 온도에서 약 160~260분 동안 용체화 처리를 하고, 약 80℃까지 냉각 후 약 60~180초 동안 유지한다. 그 이후 약 140~160℃의 온도에서 약 110~190분 동안 시효처리 후 상온으로 냉각하는 열처리 방법이다.

또한, 상기 열처리된 알루미늄 휠(50)을 후가공하여 후가공부(60)를 제거하는 제7단계는 플로우포밍으로 단조된 림부(41)의 면과 반대되는 면의 후가공부(60)를 절삭 제거함으로써, 후가공을 완성하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 롤러(81)의 소재는 상형(10) 및 측하형(20)의 소재와 동일하며 특히, C 0.32~0.42중량%, Si 0.80~1.20중량%, Mn 0.50중량% 이하, P 0.030중량% 이하, S 0.030중량% 이하, Ni 0.25중량% 이하, Cr 4.50~5.50중량%, Mo 1.00~1.50중량% 이하 및 V 0.80~1.20중량% 등을 포함하는 SKD61 열간공구강 등인 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

본 발명에 따라 제조된 알루미늄 휠의 물성을 확인하기 위하여, 하기 표 1과 같이 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 알루미늄 휠인 실시예의 단면(A)과 저압 주조 등 종래 기술에 따른 제조방법으로 제조된 알루미늄 휠인 비교예의 단면(B)을 현미경으로 관찰하였다.

구분	단면 비교
실시예
비교예

상기 표 1에 표현되어 있듯이, 상기 실시예와 비교예의 단면을 다시 네 부분으로 구분하였으며, 각각의 부분에서 플로우포밍 단조에 의한 소성변형 조직을 확인하였다.

확인결과, 비교예의 단면(B)에서 B2부분, B3부분 및 B4부분에서 소성변형 조직의 존재를 확인하였으며, 이와 마찬가지로 실시예의 단면(A) 중에서 A2부분, A3부분 및 A4부분에서 소성변형 조직의 존재를 확인하였다. 또한, 상기 실시예와 비교예 모두 비파괴 검사에서 1등급을 받았다.

이와 같은 결과로부터 본 발명을 적용한 실시예는 예열과정을 삭제하였음에도 비교예와 실질적으로 동일한 소성변형 조직을 가졌다. 또한, 실시예의 림부의 강도 및 연실율 등의 물성도 비교예와 대등한 수준을 나타내었다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

10 : 상형
11 : 분리 고리
20 : 측하형
30 : 용탕
31 : 용탕 주입구
40 : 예비성형체
41 : 림부
50 : 알루미늄 휠
60 : 후가공부
70 : 로터리
71 : 조인트
80 : 플로우포밍 단조 장치
81 : 롤러
82 : 가드
83 : 회전축

Claims

원심주조 금형의 상형(10) 및 측하형(20)에 의해 형성된 내부의 용탕 충진부에 용탕(30)을 충진하는 제1단계;
상기 용탕 충진부에 충진된 용탕(30)을 예비성형체(40)가 될 때까지 냉각하는 제2단계;
상기 상형(10)을 예비성형체(40)로부터 제거하는 제3단계;
상기 예비성형체(40)의 림부(41)를 플로우포밍 단조하여 알루미늄 휠(50)을 제조하는 제4단계;
상기 플로우포밍 단조된 알루미늄 휠(50)을 측하형(20)으로부터 분리하는 제5단계;
상기 측하형(20)으로부터 분리된 알루미늄 휠(50)을 열처리하는 제6단계; 및
상기 열처리된 알루미늄 휠(50)을 후가공하여 후가공부(60)를 제거하는 제7단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 휠의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 원심주조 금형의 회전 속도는 450~600rpm인 것을 특징으로 하는 알루미늄 휠의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 용탕 충진부에 충진되는 용탕(30)의 양은 완성된 알루미늄 휠(50) 중량의 105~115중량%인 것을 특징으로 하는 알루미늄 휠의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 상형(10)을 예비성형체(40)로부터 제거한 이후, 상기 예비성형체(40)의 림부(41)를 플로우포밍으로 단조를 시작하는 시간은 10~15초인 것을 특징으로 하는 알루미늄 휠의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 플로우포밍으로 단조를 하기 위한 예비성형체(40)의 온도는 300~450℃인 것을 특징으로 하는 알루미늄 휠의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 플로우포밍 단조는 롤러(81)를 포함하는 플로우포밍 단조 장치(80)에 의해 수행되며, 상기 롤러(81)의 이동속도는 2~2.8cm/s인 것을 특징으로 하는 알루미늄 휠의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 롤러(81)의 소재는 상형(10) 및 측하형(20)의 소재와 동일한 것을 특징으로 하는 알루미늄 휠의 제조방법.