KR101773803B1

KR101773803B1 - 멀티 성형 방법

Info

Publication number: KR101773803B1
Application number: KR1020150188959A
Authority: KR
Inventors: 김래형; 이문용
Original assignee: 주식회사 성우하이텍
Priority date: 2015-12-29
Filing date: 2015-12-29
Publication date: 2017-09-12
Also published as: DE102016115159B4; US20170182537A1; US10363593B2; CN106926437B; DE102016115159A1; CN106926437A; KR20170078439A

Abstract

멀티 성형 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티 성형 방법은 온간 성형 금형의 하형다이 상에 설치된 하형과, 상기 하형의 둘레에 대응하여 상기 하형다이 상에 쿠션 스프링을 통해 설치된 블랭크 홀더 상에 초소성 소재의 판재를 투입하는 소재 1차 공급단계; 상기 온간 성형 금형의 하형의 상부에서 슬라이더에 의해 구동되는 상형을 1차 하강하여 상기 판재의 가장자리를 상기 블랭크 홀더와 함께 홀딩한 상태로 상기 온간 성형 금형의 상형과 하형 및 블랭크 홀더 내부에 구성된 히팅 카트리지에 의해 상기 판재를 온간 성형 온도까지 가열하는 소재 온간가열단계; 상기 온간 성형 온도에서 상기 온간 성형 금형의 슬라이더의 구동에 의해 상형을 하형에 합형하여 하형 상의 하부 성형면을 따라 상기 판재를 소성변형시켜 제품의 최대 성형 깊이까지 성형하는 온간성형단계; 상기 온간 성형 금형에서 제품의 최대 성형 깊이까지 온간 성형된 판재를 취출하여 가열로 내에서 초소성(super plasticity) 온도까지 추가 가열하는 소재 초소성 가열단계; 블로우 성형 금형의 하형다이 상에 설치된 하형과, 상기 하형의 둘레에 대응하여 상기 하형다이 상에 쿠션 스프링을 통해 설치된 블랭크 홀더 상에 상기 가열로에서 초소성 온도까지 가열된 판재를 투입하는 소재 2차 공급단계; 상기 블로우 성형 금형의 하형의 상부에서 슬라이더에 의해 구동되는 상형을 하형에 일정 가압력으로 합형하여 상기 판재의 가장자리를 상기 블랭크 홀더와 함께 홀딩한 상태로 상기 블로우 성형 금형의 하형의 가장자리 둘레면을 따라 형성된 실링비드가 상기 상형과의 사이에 배치되는 상기 판재에 작용하여 상기 판재의 블로우 성형을 위한 성형가스의 누출을 방지하기 위한 실링을 진행하는 블로우 실링단계; 상기 블로우 성형 금형의 하형의 내부에 형성되는 가스통로를 통하여 상기 하형과 판재 사이에 성형가스를 공급하여 가스압으로 상기 상형의 상부 성형면을 따라 상기 판재를 제품의 최종 형상으로 성형하는 블로우 성형단계; 상기 블로우 성형 금형 내부에서 제품의 최종 형상으로 블로우 성형 후, 하형으로부터 상형을 이형시켜 최종 제품을 취출하는 제품취출단계를 포함한다.

Description

멀티 성형 방법{Method of Multi forming}

본 발명은 멀티 성형 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 온도조건을 갖는 온간 성형 및 블로우 성형을 하나의 금형 내에서 진행하여 성형 형상이 복잡하고 성형 깊이가 큰 성형품을 생산하는 멀티 성형 방법에 관한 것이다.

일반적으로 온간 성형 공법은 알루미늄합금 판재(Aluminium Alloy Sheet)보다 금속조직의 밀도가 낮은 경량재질의 마그네슘합금 판재(Magnesium Alloy Sheet)의 성형을 위해 개발된 공법으로, 최근, 북중미 등에서 차체 고강성 경량화를 목적으로 마그네슘합금 판재를 차체에 적용하기 위해 다양한 프레스 성형 공법의 요구에 의해 개발되어 적용되고 있다.

즉, 온간 성형 공법은 냉간 성형과 열간 성형의 중간범위에서 실시되며, 금형 내부에 적용된 가열원에 의해 가열된 고온의 금형으로부터 열량을 공급받아 소재의 항복강도를 낮추어 연신율을 높인 상태로 프레스 성형을 진행하는 공법이다.

이러한 온간 성형 공법이 적용되는 마그네슘합금 판재는 HCP(Hexagonal Closed Packed Structure) 금속의 결정격자구조를 가지며, 이러한 결정격자구조로 인해서 상온에서는 프레스 성형이 어렵고, 고온영역(200℃ 이상)에서 비저면 슬립계(Non-basal plane slip system)가 활성화되는 특성으로 성형성이 급격히 향상된다.

그런데 상기한 마그네슘합금은 비강도(specific strength)가 높은 경량구조용 재료로, 알루미늄합금에 비하여 30% 이상의 경량화가 가능하나, 알루미늄합금 등의 경쟁소재에 비하여 소재가격, 내식성, 성형성 및 용접성 등의 측면에서는 불리하다.

특히, 성형 형상이 복잡하거나 성형 깊이가 큰 제품을 생산하는 경우, 성형성의 한계로 공정수 및 부품수가 늘어나 성형 단가가 상승하고, 생산성이 저하되는 단점이 있다.

반면, 알루미늄합금은 마그네슘합금에 비하여 경량화 측면에서는 불리하나, 소재가격이나 성형성 측면에서 훨씬 유리하여 성형 형상이 복잡하거나 성형 깊이가 큰 제품은 알루미늄합금을 소재로 하여 다이 캐스팅 공법으로 생산하여 왔다.

그러나 상기한 다이 캐스팅 공법은 알루미늄합금을 용탕의 형태로 주형인 다이 내부에 주입하여 주조 성형하는 것으로, 대량 생산을 위해서는 설비비가 많이 들고, 공정수가 많아 여전히 생산성 측면에서는 불리한 단점이 있다.

이에, 최근에는 알루미늄합금 등의 물성적 특성인 초소성(super plasticity, 즉, 재료가 특정한 온도조건 하에서 변형 시, 국부적인 수축을 일으키지 않고, 수백 %의 연성을 보이는 성질)을 이용하여 새로운 성형공법의 개발이 주목받고 있다.

본 발명의 실시 예는 금형 내에서 온간 성형 조건으로 가열된 소재를 소성변형으로 최대 성형 깊이까지 온간 성형을 진행한 후, 상기 소재를 초소성(super plasticity) 온도까지 가열한 상태로, 성형가스를 이용하여 제품의 최종 형상으로 블로우 성형을 진행하여 성형 깊이가 깊고 표면이 복잡한 성형품을 생산하는 멀티 성형 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 온간 성형 금형의 하형다이 상에 설치된 하형과, 상기 하형의 둘레에 대응하여 상기 하형다이 상에 쿠션 스프링을 통해 설치된 블랭크 홀더 상에 초소성 소재의 판재를 투입하는 소재 1차 공급단계; 상기 온간 성형 금형의 하형의 상부에서 슬라이더에 의해 구동되는 상형을 1차 하강하여 상기 판재의 가장자리를 상기 블랭크 홀더와 함께 홀딩한 상태로 상기 온간 성형 금형의 상형과 하형 및 블랭크 홀더 내부에 구성된 히팅 카트리지에 의해 상기 판재를 온간 성형 온도까지 가열하는 소재 온간가열단계; 상기 온간 성형 온도에서 상기 온간 성형 금형의 슬라이더의 구동에 의해 상형을 하형에 합형하여 하형 상의 하부 성형면을 따라 상기 판재를 소성변형시켜 제품의 최대 성형 깊이까지 성형하는 온간성형단계; 상기 온간 성형 금형에서 제품의 최대 성형 깊이까지 온간 성형된 판재를 취출하여 가열로 내에서 초소성(super plasticity) 온도까지 추가 가열하는 소재 초소성 가열단계; 블로우 성형 금형의 하형다이 상에 설치된 하형과, 상기 하형의 둘레에 대응하여 상기 하형다이 상에 쿠션 스프링을 통해 설치된 블랭크 홀더 상에 상기 가열로에서 초소성 온도까지 가열된 판재를 투입하는 소재 2차 공급단계; 상기 블로우 성형 금형의 하형의 상부에서 슬라이더에 의해 구동되는 상형을 하형에 일정 가압력으로 합형하여 상기 판재의 가장자리를 상기 블랭크 홀더와 함께 홀딩한 상태로 상기 블로우 성형 금형의 하형의 가장자리 둘레면을 따라 형성된 실링비드가 상기 상형과의 사이에 배치되는 상기 판재에 작용하여 상기 판재의 블로우 성형을 위한 성형가스의 누출을 방지하기 위한 실링을 진행하는 블로우 실링단계; 상기 블로우 성형 금형의 하형의 내부에 형성되는 가스통로를 통하여 상기 하형과 판재 사이에 성형가스를 공급하여 가스압으로 상기 상형의 상부 성형면을 따라 상기 판재를 제품의 최종 형상으로 성형하는 블로우 성형단계; 상기 블로우 성형 금형 내부에서 제품의 최종 형상으로 블로우 성형 후, 하형으로부터 상형을 이형시켜 최종 제품을 취출하는 제품취출단계를 포함하는 멀티 성형 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 초소성 소재의 판재는 알루미늄합금 판재가 적용될 수 있다.

또한, 상기 가스통로는 가스 공급관을 통하여 외부의 가스공급기와 연결된 상태로, 고압의 가스를 공급받을 수 있다.

또한, 상기 온간 성형 금형의 하형의 하부 성형면은 소재의 제품의 최대 성형 깊이까지만 성형하도록 제품 형상면으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 블로우 성형 금형의 상형의 상부 성형면은 제품의 최종 형상을 성형하도록 최종 제품 형상면으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 소재 온간가열단계에서, 상기 온간 성형 온도가 초소성 소재의 조직내 전위밀도를 낮추는 어닐링 온도 이하에서 설정될 수 있다.

또한, 상기 소재 온간가열단계에서, 상기 온간 성형 온도는 알루미늄합금의 결정립이 증가하여 강도는 줄고, 연성은 확보되는 200℃ ~ 250℃의 범위 내에서 설정될 수 있다.

또한, 상기 온간성형단계에서, 상기 판재의 소성변형은 상형과 하형의 합형 시, 하형에 대한 상형의 가압력 없이 상형의 위치이동만으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 가열로는 고주파 유도 가열로 또는 전기 가열로일 수 있다.

또한, 상기 소재 초소성 가열단계에서, 상기 초소성 온도는 알루미늄합금의 초소성을 형성하는 500℃ ~ 540℃의 범위 내에서 설정될 수 있다.

또한, 상기 소재 2차 공급단계에서, 상기 블로우 성형 금형은 일정온도로 예열 상태를 유지할 수 있다.

또한, 상기 소재 2차 공급단계에서, 상기 블로우 성형 금형은 블로우 성형 전에 350℃ ~ 500℃의 범위 내에서 예열 상태를 유지할 수 있다.

또한, 상기 블로우 성형 금형의 실링비드는 상기 하형의 가장자리 둘레면을 따라 돌출 형성되어 상기 판재에 대하여 접촉선단이 초기 선접촉된 상태로 압입되는 내측 실링비드; 및 상기 하형의 가장자리 둘레면 상에 상기 내측 실링비드의 외측을 따라 돌출 형성되어 상기 판재에 대하여 접촉선단이 초기 면접촉된 상태로 압입되는 외측 실링비드로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 내측 및 외측 실링비드의 높이는 상기 판재 두께의 40% ~ 60%의 범위 내에서 설정될 수 있다.

또한, 상기 내측 실링비드는 제품의 트림라인을 따라 형성될 수 있다.

또한, 상기 블로우 실링단계에서, 상기 일정 가압력은 400ton일 수 있다.

또한, 상기 블로우 성형단계에서, 상기 하형과 판재 사이에 공급되는 성형가스의 가스압은 30bar일 수 있다.

본 발명의 실시 예는 온간 성형 금형 내에서 조직내 전위밀도를 낮추는 어닐링 온도 이하로 가열된 알루미늄합금 판재를 금형의 합형에 의한 소성변형으로 제품의 최대 성형 깊이까지 온간 성형을 진행한 후, 상기 알루미늄합금 판재를 초소성(super plasticity) 온도까지 가열로에서 가열한 상태로, 블로우 성형 금형 내에서 성형가스를 이용하여 제품의 최종 형상으로 블로우 성형을 진행하여 성형 깊이가 깊고 표면이 복잡한 성형품을 최소화된 금형으로 생산할 수 있다.

특히, 성형 깊이가 깊고 표면이 복잡한 성형 제품의 제조 시, 최소화된 공정으로 부품수를 줄여 원가 측면에서 유리한 이점이 있다.

또한, 형상이 복잡한 표면 부분은 블로우 성형을 통하여 금형과의 비접속에 의한 가스압으로 확대시켜 성형함으로써, 기존 다이케스팅 공법에 비하여 불량률을 최소화하는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 성형 방법에 따른 단계별 공정 블록도이다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 성형 방법에 따른 단계별 공정 상태도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시 예에서, 온간 성형 금형과 블로우 성형 금형의 동일한 명칭의 각 구성에 대해서는 도면부호를 통하여 구분한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 성형 방법에 따른 단계별 공정 블록도이고, 도 2 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 성형 방법에 따른 단계별 공정 상태도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 성형 방법은 초소성 소재인 알루미늄합금 판재를 제품의 최대 성형 깊이까지 온간 성형 후, 상기 알루미늄합금 판재를 가열로에서 초소성 온도까지 가열하여 제품의 최종 형상으로 블로우 성형을 진행한다.

여기서, 상기 초소성(super plasticity) 소재라 함은 물성적 특성이 특정한 온도조건 하에서 변형 시, 국부적인 수축을 일으키지 않고, 수백 %의 연성을 보이는 성질을 갖는 소재로, 본 발명의 실시 예에서는 알루미늄합금으로 이루어지는 판재를 소재로 한다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 성형 방법은 초소성 소재인 알루미늄합금 판재의 조직내 전위밀도를 낮추는 어닐링 온도 이하에서 금형의 단순 합형에 의한 알루미늄합금 판재의 소성변형으로 최대 성형 깊이까지 온간 성형을 진행한 후, 상기 알루미늄합금 판재의 초소성(super plasticity) 온도에서 제품의 최종 형상을 블로우 성형하는 공정을 통하여 성형 깊이가 깊고 단면 형상이 복잡한 성형품을 생산한다.

도 2를 참조하면, 이러한 본 발명의 기술적 특징을 구현하기 위한 실시 예에 따른 멀티 성형 방법에 따른 온간 성형을 위한 온간 성형 금형(10)은 하형다이(1), 하형(3), 상형(5), 블랭크 홀더(7)를 포함한다.

상기 하형다이(1)는 공정의 볼스터(미도시) 상에 설치되며, 중앙에 금형 설치부(9)가 형성된다.

상기 하형(3)은 상기 하형다이(1)의 금형 설치부(9) 상면에 장착되고, 상면에는 하부 성형면(3a)이 형성된다. 여기서, 상기 하부 성형면(3a)은 제품의 최대 성형 깊이까지만 성형하도록 제품 형상면으로 형성된다. 이때, 상기 제품 형상면이라 함은 제품의 최종 형상에 포함되는 돌출부, 굴곡부 등의 세부 형상이 삭제된 제품의 최대 성형 깊이까지만 성형하기 위한 형상면을 지칭한다.

여기서, 상기 하부 성형면(3a)을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지(HC)가 내설되어 하형(3)을 일정온도까지 가열하도록 구성된다.

그리고 상기 상형(5)은 상기 하형다이(1)의 상부에서, 상기 하형(3)에 대응하여 승하강 작동하도록 상부의 슬라이더(11)에 장착된다. 또한, 상기 상형(5)은 상기 하형(3)에 대응하는 하면에 상부 성형면(5a)이 형성되고, 상기 상부 성형면(5a)의 둘레에 상형 페이스면(5b)이 형성된다.

여기서, 상기 상부 성형면(5a)과 상형 페이스면(5b)을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지(HC)가 내설되어 상형(5)을 일정온도까지 가열하도록 구성된다.

이때, 상기 상부 성형면(5a)도 제품의 최대 성형 깊이까지만 성형하도록 제품 형상면으로 형성될 수 있다.

그리고 상기 블랭크 홀더(7)는 상기 금형 설치부(9)에 대응하여 중앙에 형성된 관통홀(H)을 통하여 상기 금형 설치부(9) 둘레에 끼워진 상태로, 상기 하형다이(1)와의 사이에 쿠션 스프링(CS)을 통하여 상하방향으로 거동 가능하도록 설치된다.

이러한 블랭크 홀더(7)는 상기 상형 페이스면(5b)과 함께, 성형 초기에 알루미늄합금 판재(P)를 규제하는 홀더 페이스면(7a)을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지(HC)가 내설되어 블랭크 홀더(7)를 일정온도까지 가열하도록 구성된다.

여기서, 상기 각 히팅 카트리지(HC)는 제어기(C)의 제어신호에 따른 전원공급기(15)로부터 전원을 공급받아 작동된다.

그리고 도 5를 참조하면, 상기 가열로(30)는 고주파 유도 가열로 또는 전기 가열로로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 적외선 램프 가열로 등 필요에 따라 적용될 수 있다.

이러한 가열로(30)는 알루미늄합금 판재(P)의 초소성 온도인 약 500℃ 이상 소재를 가열할 수 있는 일반적으로 공지된 기술이 적용된 가열로를 적용할 수 있으며, 구체적인 가열로의 구성은 생략한다.

그리고 도 6을 참조하면, 상기 블로우 성형을 위한 블로우 성형 금형(20)은 상기 온간 성형 금형(10)과 마찬가지로 하형다이(21), 하형(23), 상형(25), 블랭크 홀더(27)를 포함한다.

상기 하형다이(21)는 공정의 볼스터(미도시) 상에 설치되며, 내부에 공간부(SP)를 갖는 금형 설치부(29)가 중앙에 형성된다.

상기 하형(23)은 상기 하형다이(21)의 금형 설치부(29) 상면에 장착되고, 내부에 상하방향으로 가스통로(L1)가 형성되고, 상면에는 하부 성형면(23a)이 형성된다. 또한, 상기 가스통로(L1)는 가스 공급관(L2)을 통하여 외부에서 고압의 성형가스를 공급하는 가스공급기(33)와 연결된다.

여기서, 상기 하부 성형면(23a)은 성형가스의 공급을 원활하게 하기 위하여 제품의 최대 성형 깊이보다 낮은 형상면으로 형성되고, 상기 하부 성형면(23a)을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지(HC)가 내설되어 하형(23)을 일정온도까지 가열하도록 구성된다.

또한, 상기 가스 공급관(L2)은 외부의 가스공급기(31)와 연결된 상태로, 상기 금형 설치부(29)의 공간부(SP)를 통하여 상기 가스통로(L1)에 연결된다.

그리고 상기 블로우 성형 금형(20)의 하형(23)에는 가장자리 둘레면을 따라 내,외측으로 실링비드가 형성되는데, 내측 실링비드(B1)는 상기 하형(23)의 가장자리 둘레면을 따라 돌출 형성되어 상기 알루미늄합금 판재(P)에 대하여 접촉선단이 초기 선접촉된 상태로 압입되도록 구성되고, 외측 실링비드(B2)는 상기 하형(23)의 가장자리 둘레면 상에 상기 내측 실링비드(B1)의 외측을 따라 돌출 형성되어 상기 알루미늄합금 판재(P)에 대하여 접촉선단이 초기 면접촉된 상태로 압입되도록 구성된다.

여기서, 상기 내측 실링비드(B1)와 외측 실링비드(B2)의 높이는 상기 판재 두께의 40% ~ 60%의 범위 내에서 설정되는 것이 이상적이며, 특히, 상기 내측 실링비드(B1)는 제품의 트림라인을 따라 형성될 수 있다.

이러한 2중 실링비드(B1,B2)는 상기 알루미늄합금 판재(P)의 블로우 성형 시, 성형가스의 누출을 방지하기 위해, 하형(23)과 알루미늄합금 판재(P) 사이에 실링 기능을 한다.

그리고 상기 상형(25)은 상기 하형다이(21)의 상부에서, 상기 하형(23)에 대응하여 승하강 작동하도록 상부의 슬라이더(29)에 장착된다.

또한, 상기 상형(25)은 상기 하형(23)에 대응하는 하면에 상부 성형면(25a)이 형성되고, 상기 상부 성형면(25a)의 둘레에 상형 페이스면(5b)이 형성된다.

여기서, 상기 상부 성형면(25a)과 상형 페이스면(25b)을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지(HC)가 내설되어 상형(25)을 일정온도까지 가열하도록 구성된다.

또한, 상기 상부 성형면(25a)은 제품의 최종 형상을 성형하도록 최종 제품 형상면으로 형성된다.

여기서, 상기 각 히팅 카트리지(HC)는 제어기(C)의 제어신호에 따른 전원공급기(35)로부터 전원을 공급받아 작동된다.

그리고 상기 블랭크 홀더(27)는 상기 금형 설치부(29)에 대응하여 중앙에 형성된 관통홀(H)을 통하여 상기 금형 설치부(29) 둘레에 끼워진 상태로, 상기 하형다이(21)와의 사이에 쿠션 스프링(CS)을 통하여 상하방향으로 거동 가능하도록 설치된다.

이러한 블랭크 홀더(27)는 상기 상형 페이스면(25b)과 함께, 성형 초기에 소재를 규제하는 홀더 페이스면(27a)을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지(HC)가 내설되어 블랭크 홀더(27)를 일정온도까지 가열하도록 구성된다.

이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 성형 방법에 대하여 공정 단계별로 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 성형 방법에 따른 단계별 공정은 소재 1차 공급단계(S1), 소재 온간가열단계(S2), 온간성형단계(S3), 소재 초소성 가열단계(S4), 소재 2차 공급단계(S5), 블로우 실링단계(S6), 블로우 성형단계(S7), 제품취출단계(S8)를 순차적으로 진행한다.

도 2를 참조하면, 상기 소재 1차 공급단계(S1)는 상기 온간 성형 금형(10)의 하형다이(1) 상에 설치된 하형(3)의 둘레에 대응하여 상기 하형다이(1) 상에 쿠션 스프링(CS)을 통해 설치된 블랭크 홀더(7) 상에 초소성 소재인 알루미늄합금 판재(P)를 투입한다.

이어서, 도 3을 참조하면, 상기 소재 온간가열단계(S2)는 상기 온간 성형 금형(10)의 하형(3)의 상부에서 슬라이더(11)에 의해 구동되는 상형(5)을 1차 하강하여 상기 알루미늄합금 판재(P)의 가장자리를 상기 블랭크 홀더(7)와 함께 홀딩한 상태로, 상기 온간 성형 금형(10)의 상형(5)과 하형(3) 및 블랭크 홀더(7) 내부에 구성된 히팅 카트리지(HC)에 의해 상기 알루미늄합금 판재(P)를 온간 성형 온도까지 가열한다.

여기서, 상기 알루미늄합금 판재(P)의 가장자리는 상기 상형(5)과 블랭크 홀더(7) 사이에서, 상형 페이스면(5b)과 홀더 페이스면(7a)에 의해 홀딩되고, 상기 온간 성형 온도는 초소성을 갖는 알루미늄합금 판재(P)의 조직내 전위밀도를 낮추는 어닐링 온도 이하에서 설정된다.

즉, 상기 소재 온간가열단계(S2)에서, 상기 온간 성형 온도는 알루미늄합금 판재(P)의 결정립이 증가하여 강도는 줄고, 연성은 확보되는 200℃ ~ 250℃의 범위 내에서 설정되는데, 본 발명의 실시 예에서는 상온의 알루미늄합금 판재(P)를 온간 성형 금형(10) 내에서 250℃로 가열되는 것이 바람직하다.

이후, 상기 온간성형단계(S3)가 진행되는데, 도 4를 참조하면, 상기 온간성형단계(S3)는 상기 온간 성형 온도에서 상기 온간 성형 금형(10)의 슬라이더(11)의 구동에 의해 상형(5)을 하형(3)에 합형하여 하형(3) 상의 하부 성형면(3a)을 따라 상기 알루미늄합금 판재(P)를 소성변형시켜 제품의 최대 성형 깊이까지 성형한다.

이러한 온간 성형으로, 상기 알루미늄합금 판재(P)는 성형부가 제품의 최대 성형 깊이까지 소성변형되어 1차적인 성형형상을 가지게 된다.

또한, 상기 온간성형단계(S3)에서, 상기 알루미늄합금 판재(P)의 소성변형은 상형(5)과 하형(3)의 합형 시, 하형(3)에 대한 상형(5)의 가압력은 작용하지 않으며, 하형(3)에 대하여 합형되는 방향으로 상형(5)의 위치이동만으로 이루어지며, 이에 따라 상기 상형(5)과 블랭크 홀더(7) 사이에서, 상형 페이스면(5b)과 홀더 페이스면(7a)에 의해 홀딩된 상기 알루미늄합금 판재(P)의 가장자리가 하부 성형면(3a)을 따라 상형(5)과 하형(3) 내부로 원활하게 소재유입되면서 성형된다.

이와 같이, 제품의 최대 성형 깊이까지 온간 성형이 이루어진 알루미늄합금 판재(P)는 가열로(30)로 투입되어 상기 소재 초소성 가열단계(S4)가 진행된다.

도 5를 참조하면, 상기 소재 초소성 가열단계(S4)는 상기 온간 성형 금형(10)으로부터 제품의 최대 성형 깊이까지 온간 성형된 알루미늄합금 판재(P)를 취출하여 상기 가열로(30) 내에서 투입하여 초소성(super plasticity) 온도까지 추가 가열한다.

상기 가열로(30)는 공지의 고주파 유도 가열로 또는 전기 가열로 등을 적용할 수 있다.

또한, 상기 소재 초소성 가열단계(S4)에서, 상기 초소성 온도는 알루미늄합금 판재(P)의 초소성을 형성하는 500℃ ~ 540℃의 범위 내에서 설정될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에서는 이동 중, 열량손실을 고려하여 가열로(30) 내에서 적어도 510℃까지 가열할 수 있다.

상기 가열로(30)에서 초소성 온도까지 가열된 알루미늄합금 판재(P)는 소재 2차 공급단계(S5)를 진행하는데, 도 6을 참조하면, 상기 소재 2차 공급단계(S5)는 블로우 성형 금형(20)의 하형다이(21) 상에 설치된 하형(23)의 둘레에 대응하여 상기 하형다이(21) 상에 쿠션 스프링(CS)을 통해 설치된 블랭크 홀더(27) 상에 초소성 온도까지 가열된 상기 알루미늄합금 판재(P)를 투입한다.

이러한 소재 2차 공급단계(S5)에서는 상기 블로우 성형 금형(20)이 일정온도로 예열 상태를 유지하여 초소성 온도까지 가열된 상기 알루미늄합금 판재(P)의 급속한 냉각을 방지하는데, 상기 블로우 성형 금형(20)은 블로우 성형 전에 상기 상형(25)과 하형(23) 및 블랭크 홀더(27) 내부의 각 히팅 카트리지(HC)에 의한 가열로 350℃ ~ 500℃의 범위 내에서 예열 상태를 유지한다.

이와 같이, 상기 블로우 성형 금형(20)의 내부로 초소성 온도까지 가열된 알루미늄합금 판재(P)가 투입되면, 블로우 실링단계(S6)가 진행된다.

도 7을 참조하면, 상기 블로우 실링단계(S6)는 상기 블로우 성형 금형(20)의 하형(23)의 상부에서 슬라이더에 의해 구동되는 상형(25)을 하형(23)에 약 400ton의 가압력으로 합형하여 상기 알루미늄합금 판재(P)의 가장자리를 상기 블랭크 홀더(27)와 함께 홀딩한 상태로, 상기 블로우 성형 금형(20)의 하형(23)의 가장자리 둘레면을 따라 형성된 내측 및 외측 실링비드(B1,B2)가 상기 상형(25)과의 사이에 배치되는 상기 알루미늄합금 판재(P)에 압입 작용하여 상기 알루미늄합금 판재(P)의 블로우 성형을 위한 성형가스의 누출을 방지하기 위한 실링을 진행한다.

이때, 내측 실링비드(B1)는 제품의 트림라인을 따라 알루미늄합금 판재(P)에 대하여 초기 선접촉 상태로 압입되고, 상기 외측 실링비드(B2)는 상기 제품의 트림라인 외측을 따라 알루미늄합금 판재(P)에 대하여 초기 면접촉 상태로 압입되어 2중으로 실링기능을 한다.

또한, 상기 내측 및 외측 실링비드(B1,B2)는 높이가 상기 알루미늄합금 판재(P) 두께의 40% ~ 60%의 범위 내에서 설정되어 알루미늄합금 판재(P)를 절단하지는 않으며, 상형(25)에 대하여 알루미늄합금 판재(P)의 트림라인과 트림라인의 외측을 따라 압흔을 형성하여 하형(23)과 알루미늄합금 판재(P) 사이에 기밀상태를 유지하게 된다.

이러한 블로우 실링단계(S6)의 진행이 완료된 상태로, 상기 블로우 성형단계(S7)가 진행된다.

도 8을 참조하면, 상기 블로우 성형단계(S7)는 상기 블로우 성형 금형(20)의 하형(23)의 내부에 형성되는 가스통로(L1)를 통하여 상기 하형(23)과 알루미늄합금 판재(P) 사이에 성형가스를 공급하여 가스압으로 상기 상형(25)의 상부 성형면(25a)을 따라 상기 알루미늄합금 판재(P)를 제품의 최종 형상으로 블로우 성형한다.

이때, 상기 하형(23)과 알루미늄합금 판재(P) 사이에 공급되는 성형가스의 가스압은 30bar로 공급될 수 있으며, 상기 가스압에 의해 상기 알루미늄합금 판재(P)가 상형(25)의 상부 성형면(25a)을 따라 부풀려져 표면이 복잡한 제품의 최종 형상으로 성형된다.

이때, 상기 성형가스는 외부의 가스공급기(33)로부터 가스 공급관(L2)을 통해 공급되어 별도의 히팅유닛(미도시)을 거지면서 고온으로 가열되어 상기 하형(23) 내부의 가스통로(L1)를 통해 고온고압으로 공급될 수 있다.

이러한 성형가스의 가스압은 알루미늄합금 판재(P)의 두께에 따라 조정될 수 있다.

이와 같이, 알루미늄합금 판재(P)의 블로우 성형이 완료되면, 제품취출단계(S8)가 진행된다.

도 9를 참조하면, 상기 제품취출단계(S8)는 상기 블로우 성형 금형(20) 내부에서 제품의 최종 형상으로 블로우 성형이 완료된 후, 하형(23)으로부터 상형(25)을 이형시켜 상기 하형(23)으로부터 최종 알루미늄합금 제품(PP)을 취출하게 된다.

이러한 멀티 성형 방법에 따른 단계별 공정 중에, 온간 성형 금형(10)과 블로우 성형 금형(20)은 각 금형(10,20)의 외측면에 미세다공성 단열판재로 이루어지는 단열 케이스(미도시)를 설치하여 열량 손실을 최소화하면서 공정을 진행할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 멀티 성형 방법에 의하면, 온간 성형 금형(10) 내에서 조직내 전위밀도를 낮추는 어닐링 온도 이하로 가열된 알루미늄합금 판재(P)를 온간 성형 금형(10)의 단순 합형에 의한 소성변형으로 제품의 최대 성형 깊이까지 온간 성형을 진행한 후, 상기 알루미늄합금 판재(P)를 초소성(super plasticity) 온도까지 가열로(30)에서 가열한 상태로, 블로우 성형 금형(20) 내에서 성형가스를 이용하여 제품의 최종 형상으로 블로우 성형을 진행하여 성형 깊이가 깊고 표면이 복잡한 제품을 최소화된 금형으로 생산할 수 있다.

또한, 성형 깊이가 깊고 표면이 복잡한 제품의 제조 과정에, 최소화된 공정을 통하여 부품수를 줄여 원가 측면에서도 유리하다.

또한, 형상이 복잡한 표면 부분은 블로우 성형을 통하여 금형과의 비접속에 의한 가압력으로 확대시켜 성형함으로써, 기존 다이케스팅 공법에 비하여 불량률을 최소화할 수 있다.

이상으로 본 발명의 하나의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

10: 온간 성형 금형
20: 블로우 성형 금형
1,21: 하형다이
3,23: 하형
5,25: 상형
7,27: 블랭크 홀더
9,29: 금형 설치부
11,31: 슬라이더
15,35: 전원공급기
30: 가열로
33: 가스공급기
3a,23a: 하부 성형면
5a,25a: 상부 성형면
5b,25b: 상형 페이스면
7a,27a: 홀더 페이스면
C: 제어기
SP: 공간부
L1: 가스통로
L2: 가스 공급관
H: 관통홀
HC: 히팅 카트리지
CS: 쿠션 스프링
B1: 내측 실링비드
B2: 외측 실링비드
P: 알루미늄합금 판재
PP: 알루미늄합금 제품

Claims

온간 성형 금형의 하형다이 상에 설치된 하형과, 상기 하형의 둘레에 대응하여 상기 하형다이 상에 쿠션 스프링을 통해 설치된 블랭크 홀더 상에 초소성 소재의 판재를 투입하는 소재 1차 공급단계;
상기 온간 성형 금형의 하형의 상부에서 슬라이더에 의해 구동되는 상형을 1차 하강하여 상기 판재의 가장자리를 상기 블랭크 홀더와 함께 홀딩한 상태로 상기 온간 성형 금형의 상형과 하형 및 블랭크 홀더 내부에 구성된 히팅 카트리지에 의해 상기 판재를 온간 성형 온도까지 가열하는 소재 온간가열단계;
상기 온간 성형 온도에서 상기 온간 성형 금형의 슬라이더의 구동에 의해 상형을 하형에 합형하여 하형 상의 하부 성형면을 따라 상기 판재를 소성변형시켜 제품의 최대 성형 깊이까지 성형하는 온간성형단계;
상기 온간 성형 금형에서 제품의 최대 성형 깊이까지 온간 성형된 판재를 취출하여 가열로 내에서 초소성(super plasticity) 온도까지 추가 가열하는 소재 초소성 가열단계;
블로우 성형 금형의 하형다이 상에 설치된 하형과, 상기 하형의 둘레에 대응하여 상기 하형다이 상에 쿠션 스프링을 통해 설치된 블랭크 홀더 상에 상기 가열로에서 초소성 온도까지 가열된 판재를 투입하는 소재 2차 공급단계;
상기 블로우 성형 금형의 하형의 상부에서 슬라이더에 의해 구동되는 상형을 하형에 일정 가압력으로 합형하여 상기 판재의 가장자리를 상기 블랭크 홀더와 함께 홀딩한 상태로 상기 블로우 성형 금형의 하형의 가장자리 둘레면을 따라 형성된 실링비드가 상기 상형과의 사이에 배치되는 상기 판재에 작용하여 상기 판재의 블로우 성형을 위한 성형가스의 누출을 방지하기 위한 실링을 진행하는 블로우 실링단계;
상기 블로우 성형 금형의 하형의 내부에 형성되는 가스통로를 통하여 상기 하형과 판재 사이에 성형가스를 공급하여 가스압으로 상기 상형의 상부 성형면을 따라 상기 판재를 제품의 최종 형상으로 성형하는 블로우 성형단계;
상기 블로우 성형 금형 내부에서 제품의 최종 형상으로 블로우 성형 후, 하형으로부터 상형을 이형시켜 최종 제품을 취출하는 제품취출단계;
를 포함하는 멀티 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 초소성 소재의 판재는 알루미늄합금 판재가 적용되는 것을 특징으로 하는 멀티 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 가스통로는 가스 공급관을 통하여 외부의 가스공급기와 연결된 상태로, 고압의 가스를 공급받는 것을 특징으로 하는 멀티 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 온간 성형 금형의 하형의 하부 성형면은 소재의 제품의 최대 성형 깊이까지만 성형하도록 제품 형상면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 블로우 성형 금형의 상형의 상부 성형면은 제품의 최종 형상을 성형하도록 최종 제품 형상면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 소재 온간가열단계에서, 상기 온간 성형 온도가 초소성 소재의 조직내 전위밀도를 낮추는 어닐링 온도 이하에서 설정되는 것을 특징으로 하는 멀티 성형 방법.
제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 소재 온간가열단계에서, 상기 온간 성형 온도는 알루미늄합금의 결정립이 증가하여 강도는 줄고, 연성은 확보되는 200℃ ~ 250℃의 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 멀티 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 온간성형단계에서, 상기 판재의 소성변형은 상형과 하형의 합형 시, 하형에 대한 상형의 가압력 없이 상형의 위치이동만으로 이루어지는 멀티 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 가열로는 고주파 유도 가열로 또는 전기 가열로인 것을 특징으로 하는 멀티 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 소재 초소성 가열단계에서, 상기 초소성 온도는 알루미늄합금의 초소성을 형성하는 500℃ ~ 540℃의 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 멀티 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 소재 2차 공급단계에서, 상기 블로우 성형 금형은 일정온도로 예열 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 멀티 성형 방법.
제11항에 있어서,
상기 소재 2차 공급단계에서, 상기 블로우 성형 금형은 블로우 성형 전에 350℃ ~ 500℃의 범위 내에서 예열 상태를 유지하는 멀티 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 블로우 성형 금형의 실링비드는
상기 하형의 가장자리 둘레면을 따라 돌출 형성되어 상기 판재에 대하여 접촉선단이 초기 선접촉된 상태로 압입되는 내측 실링비드; 및
상기 하형의 가장자리 둘레면 상에 상기 내측 실링비드의 외측을 따라 돌출 형성되어 상기 판재에 대하여 접촉선단이 초기 면접촉된 상태로 압입되는 외측 실링비드;
로 이루어지는 멀티 성형 방법.
제13항에 있어서,
상기 내측 및 외측 실링비드의 높이는 상기 판재 두께의 40% ~ 60%의 범위 내에서 설정되는 멀티 성형 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 내측 실링비드는 제품의 트림라인을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 블로우 실링단계에서, 상기 일정 가압력은 400ton인 것을 특징으로 하는 멀티 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 블로우 성형단계에서, 상기 하형과 판재 사이에 공급되는 성형가스의 가스압은 30bar 인 것을 특징으로 하는 멀티 성형 방법.