KR101881893B1 - 열간 성형부품 제조방법 - Google Patents

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Abstract

도금 피막을 갖는 강판 블랭크를 이용한 열간 성형부품 제조방법이 소개된다. 그 방법은 a) 블랭크를 두께가 서로 다른 2 이상의 영역을 갖도록 압연하는 단계; b) 압연된 블랭크를 트리밍하는 단계; c) 트리밍된 블랭크를 열간 프레스 성형 및 냉각하는 단계;를 포함한다. 압연될 블랭크에는 홀이 구비되며, 홀 위치에 대응하는 가장자리 영역에 돌출 형성된 플랜지가 구비된다.

Description

열간 성형부품 제조방법{MEFHOD FOR MANUFACTURING HOT FORMED PARTS}
본 발명은 열간 성형, 즉 핫스탬핑에 의해 고강도의 차량 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 지원한 '지역특화산업육성사업'으로 수행된 연구결과이다.
차량 제조업계의 가장 커다란 화두 중 하나는 경량화 및 고강도화이며, 최근 이러한 화두의 중심에 핫스탬핑 기술이 자리 잡고 있다. 핫스탬핑 기술 및 소재에 관해서는 영국특허 제1490535호에 소개된 바 있다.
핫스탬핑은 강판을 900~950℃의 고온으로 가열한 후 프레스 내에서 성형과 동시에 급냉함에 의해 고강도 경량 부품을 제조한다. 핫스탬핑 소재로는 0.2중량% 내외의 탄소를 함유하며 열처리 성능 향상 위한 원소로서 Mn, B를 사용하는 이른바 보론강이 사용된다.
이러한 핫스탬핑은 성형 및 열처리가 동시에 수행되므로 생산성이 우수할 뿐만 아니라 고온에서 강판이 성형되므로 성형성 및 치수 정밀도를 향상시키며 고강도 부품에서 특히 문제가 되는 스프링백이나 지연파괴가 현저하게 감소시킨다는 장점이 있다.
핫스탬핑은 공정이 고온에서 비도금 강판을 사용하는 경우 성형 후 디스케일링 공정이 수반되어야 한다. 번거로운 디스케일링 공정의 생략을 위해 제안된 것이 Al이나 Zn 도금 강판이다. Al 도금강판에 관해서는 미국특허 제6296805호가 참고될 수 있다.
경량화 및 충돌 안전성 향상을 위한 차량 부품의 제조에 적용되고 있는 기술로 맞춤식 재단용접(Tailor Welded Blanks, TWB) 공법이 있다. TWB는 두께나 재질이 서로 다른 강판을 적절한 크기와 형상으로 절단한 후 레이저로 용접하여, 원하는 형태의 제품을 만드는 기술이다.
TWB와 함께 경량화와 안전성 향상을 위해 차량 부품의 제조에 적용하고자 하는 기술로 맞춤형 재단 블랭크(Tailer Rolled Blank, TRB) 기술이 있다. 도 1에서 보듯이, TRB는 코일 강판(3)의 압연과정에 상하 롤(1,2)의 갭을 조정하면서 강판의 두께를 조절한다.
TRB는 코일 강판에 대해서 이의 길이방향, 즉 압연방향으로만 두께 변화를 줄 뿐이고 제강 또는 금속가공업체에 의해 일률적으로 제조되기에, 다양한 차량 부품의 제조에 적용하기에는 한계가 있다. TWB는 바디 부품의 제조에 이용되나, 도금 강판의 경우에는 용접성이 문제된다.
본 발명은 위와 같은 종래기술에 관한 인식에 기초한 것으로, 점차 다양해지고 높아지는 충돌 성능 요구에 대응할 수 있는 개선된 차량 부품 제조방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 표면에 도금층을 갖는 강판을 핫스탬핑함에 의해, 예로서 도 2에 도시된 것과 같이 두께가 다른 복수의 파트(P1~P4)가 일체화된 차량 부품을 한꺼번에 성형하는 것을 목적 중 하나로 한다.
도 2에 도시된 사이드 패널은 센터필러, 프론트필러 등 각 파트를 별도 성형한 후, 서로 용접함에 의해 제조될 수 있을 것이다. 이러한 바디 부품을 제조하기 위해 사용될 수 있는 기술이 TWB이다. 압연방향으로만 두께 변화가 가능한 TRB에 의해서는 이러한 바디 부품은 얻어질 수 없다.
TWB는 핫스탬핑용 도금 강판, 예로서 Al 도금강판에 적용될 수 없다. 레이저 용접 시 Al 도금층으로 인해 용접부에 상당한 강도 저하가 발생되기 때문이다. 미국특허공개 제2015-0030382호에서 용접부의 도금층을 미리 벗겨 내는 방안이 제안되기도 했으나, 양산 적용이 쉽지 않다.
지금까지 핫스탬핑용 도금 강판을 이용하여 도 2에 도시된 것과 같은 차량 부품을 제조하고자 하는 기술은 제안된 바 없다. 미국특허공개 제2015-0030382호에서 제안된 방식을 이용해 볼 수는 있을 것이나, 앞서 언급한 바와 같이 양산 적용은 어렵다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 수 있을 것이다.
본 발명과 관련하여 한국특허출원 제2015-0106952호의 '열간 성형된 차량용 강부품 및 제조방법'이 제안된 바 있다. 이 출원발명은 두께 조절을 위한 압연 전에, 블랭크를 예비가열하여 표면의 피막을 미리 산화시키는 것을 특징 중 하나로 한다.
압연 전 블랭크를 표면에 산화층을 형성하는 이유 중 하나는 압연 과정 중에 발생될 수 있는 표면의 미세크랙의 방지를 위한 것이었다. 본 발명자들은 위 출원발명에서 제안된 예비가열을 생략하기를 원했고, 이를 위한 연구개발의 결과로 본 발명이 도출되었다.
본 발명에 따른 열간 성형부품 제조방법은 a) 도금 피막을 갖는 강판 블랭크를 두께가 서로 다른 2 이상의 영역을 갖도록 압연하는 단계; b) 압연된 블랭크를 프레스 성형에 필요한 형상으로 절단하는 단계; c) 절단된 블랭크를 가열하여 열간 프레스 성형 및 냉각하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 의하면 강판 블랭크는 압연 전 예비가열되지 않을 수 있다. 실험결과에 의하면 핫스탬핑용 강판, 예로서 Al 도금강판은 잘 제어된 냉간 압연에 의할 경우 표면의 미세크랙이 문제되지 않는다. 오스테나이트 온도범위로 가열하는 과정에 도금층이 용융되어 표면 크랙 문제는 완화될 수 있다.
냉간압연으로 인한 블랭크의 변형이 문제가 되나 이는 본 발명에 따라 압연이 이루어지는 블랭크 영역 내에 홀을 형성함에 의해 해결 가능하다. 본 발명에 의하면 a) 단계에서 압연될 블랭크에는 홀이 구비되며, 홀의 위치는 적어도 그 일부가 압연이 이루어지는 영역 내에 있도록 설계될 수 있다.
본 발명에 의하면, a) 단계에서 압연될 블랭크에는, 홀 위치에 대응하는 가장자리 영역에 돌출 형성된 플랜지가 구비되며, b) 단계에서 플랜지가 절단될 수 있다. 플랜지는 블랭크에 형성된 홀로 인하여 동일한 압연 영역에서의 블랭크 두께에 편차가 발생하는 것을 방지한다.
또한 본 발명에 의하면, a) 단계에서, 블랭크는 2 방향 이상의 서로 다른 방향으로 압연될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 별도의 예비가열 없이 냉간에서의 압연을 통해 두께가 다른 복수의 영역을 갖는 차량 부품을 제조할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 통상적으로 제공되는 도금 강판을 이용하여 두께가 서로 다른 2 이상의 영역을 갖는 처량 부품을 자유롭게 제조할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 도 2에 도시된 것과 같이 두께가 다른 복수의 파트(P1~P4)가 일체화된 바디 부품을, 단일의 블랭크를 이용하여 한꺼번에 제조할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 부품의 설계 및 제조가 자유로워 다양한 충돌 성능의 요구에 대응할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 어느 압연영역에서 목표로 하는 블랭크 두께에 편차가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 TRB의 설명을 위한 모식도,
도 2는 TWB에 의해 제작 가능한 차량 부품의 예를 보인 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열간 성형부품 제조공정의 흐름도,
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 블랭크 압연공정을 보인 개략도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 길이방향(LD) 방향으로 압연된 블랭크의 예,
도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 블랭크의 두께 분포를 보인 도면으로, 도 6a는 길이방향(LD)을 따라서의 두께 분포를 보인 것, 도 6b는 폭방향을 따라서의 두께 분포를 보인 것,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 블랭크의 예,
도 8a 및 도 8b는 도 7에 도시된 블랭크의 압연방향을 따라서의 두께 분포를 보인 도면이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도면들에서 동일한 구성요소 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시된다.
도 3 내지 도 4d를 참조하여 실시예에 따른 열간 성형부품 제조방법에 대해 살펴본다.
도 3에서 보듯이, 실시예에 의하면 열간 성형부품은 블랭킹, 압연, 1차 트리밍, 가열, 열간 성형 및 냉각, 2차 트리밍을 거쳐 제조될 수 있다. 소재로는 핫스탬핑용 Al 도금강판이 사용될 수 있다.
블랭킹 공정(S1)
도 4a에서 보듯이, Al 도금강판은 프레스 성형을 위해 미리 설정된 크기와 형상의 블랭크(10)로 절단된다. 블랭킹 라인의 설계 시, 압연에 의한 연신량과 성형 마진 등이 고려될 수 있다.
절단 시, 블랭크(10)에 홀(11)이 형성된다. 홀(11)은 프레스 성형 후의 부품에서 외관상 잘 노출되지 않는 부위이거나, 어차피 프레스 성형 후의 제품으로부터 제거해야 하는 부위에 형성될 수 있다.
홀(11)은 압연에 의한 블랭크(10)의 변형을 흡수하며, 압연이 이루어지는 영역 내에 혹은 그 영역과 중첩되는 위치에 마련된다. 홀(11) 위치는 압연방향이나 폭, 두께 등을 고려하여 압연에 의해 두께가 증가하고 변형이 발생되는 부위로 설정될 수 있다.
도 7을 참조하면, 실시예에 따른 블랭크(20)에는 홀(21)과 함께, 홀(21) 위치에 대응하는 가장자리 영역에 돌출 형성된 플랜지(22a,22b: 22)가 마련될 수 있다. 플랜지(22)는 동일한 두께 목표를 갖는 압연 영역 내에서 발생 가능한 두께 편차의 해소를 위한 것으로, 상세내용은 후술된다.
압연 공정(S2)
도 4b 내지 도 4d에서 보듯이, 두께가 서로 다른 2 이상의 영역, 나아가 3 이상의 영역을 갖도록 블랭크(10)를 압연한다. 두께가 다른 영역들은 일방향으로 배열되지는 않는다. TRB에 의해 얻어지는 블랭크와 달리, 2 이상의 서로 다른 방향으로 배열된다.
도 4b에서 보듯이, 준비된 블랭크(10)의 두께가 1.4mm인 경우, 먼저 압연롤(R)로 A방향으로 압연하여 압연 부위의 두께를 1.2mm로 감소시킨 후, 도 4c에서 보듯이, 압연롤(R)로 A방향과 다른 B방향으로 압연하여 압연 부위의 두께를 1.0mm로 감소시킨다.
위와 같은 압연에 의해 도 4d에 도시된 것과 같이 두께가 서로 다른 3개의 영역을 갖는 블랭크(10)를 얻을 수 있다. 압연방향의 변경은 예로서 블랭크(10)를 회전하여 압연롤(R)에 진입시킴에 의해 가능하며, 홀(11)은 서로 다른 압연방향(A, B)이 중첩되는 영역에 배치될 수 있다.
실시예에 의하면, 압연은 블랭크(10)의 가장자리로부터 내측을 향해 수행된다.
어느 영역을 목표로 하는 두께로 감소시키기 위해 압연하는 경우, 그 압연은 1회로 완료될 수 있도록 하는 것이 좋다. 이를 위해 롤갭, 압연하중 등이 적절하게 조절될 필요가 있다. 압연에 의한 블랭크 표면의 경화로 인해, 동일 영역에 대한 압연 횟수가 증가하는 경우 압연하중의 커지고 도금층의 손상이 문제될 수 있다.
완전히 배제하는 것은 아니나 블랭크(10)는 압연 전 가열되지 않는다.
한편 실시예에 의하면, 압연롤(R)은 길비방향으로 직경이 상이한 구간을 가질 수 있다. 이러한 압연롤(R)를 사용한느 경우, 블랭크(10)를 일방향 압연함에 의해 폭방향(압연방향에 대해 수직한 방향)으로도 두께가 서로 상이한 영역이 발생되도록 할 수 있다.
1차 트리밍 공정(S3)
압연 완료된 블랭크(10)는 프레스 성형에 필요한 형상으로 외곽라인을 따라 절단된다. 최대한 최종 성형품에 가까운 형상으로 절단되는 것이 좋다. 절단에는 레이저가 이용될 수 있으며, 이 공정(S3)에서 앞서 언급된 플랜지(22)가 절단된다.
가열 공정(S4)
핫스탬핑을 위해 블랭크(10)를 오스테나이트화 온도 이상으로 가열한다. 예로서 Al 도금강판을 약 550℃ 정도로 가열하여 표면에 산화층을 형성한 후, 950℃로 가열한다. 직접 통전에 의한 가열, 고주파유도가열, 전기로 등이 단독 또는 복합으로 이용될 수 있다.
한편, 홀(11)과 적절한 압연 제어의 의해 변형량을 최소화할 수 있으나, 압연 과정(S2)에 블랭크(10)가 어느 정도 변형될 수 있다. 따라서 압연공정(S2)과 가열공정(S4) 사이에 블랭크(10) 평탄화를 위한 레벨링 공정이 배치될 수 있다. 레벨링은 다중 롤러를 이용한 통상의 기술이 사용될 수 있다.
열간 성형 및 냉각 공정(S5)
오스테나이트화된 블랭크(10)를 원하는 형태의 제품으로 프레스 성형함과 동시에 급냉시키는 공정이다. 급냉을 통해 마르텐사이트상을 갖는 고강도 강부품이 얻어질 수 있다.
2차 트리밍 공정(S6)
열간 프레스 성형 후에는 성형된 제품의 가장자리에 존재하는 제품 외의 여분을 제거하기 위한 트리밍 공정이 수행될 수 있다. 블랭크(10)의 낭비 및 생산효율의 향상 등을 위해 2차 트리밍 공정은 생략되는 것이 바람직하다. 다만 아직까지는 프레스 성형 후 트리밍이 실시된다.
도 5 내지 도 6b를 참조하여 압연에 따른 블랭크의 두께 변화를 살펴본다.
도 5에 도시된 블랭크(10')는 도어 측 사이드 패널의 제작을 위해 이와 유사한 형태로 블랭킹된 것이다. 블랭크(10')는 프론트 및 센터필러 등 사이드 패널을 구성하는 파트들을 구비하며, 중앙부에는 압연 시 블랭크(10')의 변형 방지를 위한 홀(11)이 형성된다.
블랭크(10')의 후방에는 루프 레일 측의 연장부(12a)와 사이드실 측의 연장부(12b)가 돌출 형성되며, 이들 연장부(12a,12b)와 센터필러부(14)에 의해 규정되는 절개부(14)가 마련된다. 이 절개부(14)는 변형 흡수를 위한 것이 아니다. 다만, 블랭크(10')의 형상이나 압연영역 등의 설계에 따라서는 이와 같은 부위에 의도적으로 홀이 형성될 수는 있을 것이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 블랭크(10')를 우측방향으로 압연하였을 때의 압연방향(길이방향, LD)과 이 방향에 수직한 방향(폭방향, WD)에 따른 압연영역의 두께 분포를 보인 그래프이다.
압연 전 블랭크(10')의 두께는 1.4mm이고, 목표로 하는 압연 후 두께는 1.2mm이다. 압연은 블랭크의 후단(좌측 가장자리)으로부터 내측(우측) 방향으로 수행되었으며, 롤갭 조건은 0.2~0.6mm의 범위에서 변화되었다.
도 6a는 도 5에서 길이방향(LD)을 따라서의 두께 분포를 보인 그래프이다.
도 6a에서 보듯이, 절개부(14)가 있는 (a) 구간이나 홀(11)이 형성되어 있는 (c) 구간의 경우, 블랭크(10') 두께는 목표로 하는 1.2mm로부터 상당한 편차를 보인다. (a) 구간에서 최대 0.5mm 정도의 두께 편차가 발생된다. 센터필러부(13)에 대응하는 (b) 구간의 경우 두께 목표 1.2mm에 근접하며, 0.1mm 정도의 편차를 보인다. 롤갭 조건에 따라 차이가 있기는 하나, 경향적으로 위와 같은 현상이 발생된다.
위와 같은 블랭크 길이방향(LD)으로의 두께 분포는, 변형 방지를 위해 블랭크(10')에 홀(11)을 하는 경우에, 두께 편차의 해소를 위한 방안이 강구될 필요가 있다는 점을 알려준다. 또한 블랭크(10')의 형상 설계, 압연방향이나 압연영역의 설계에 있어, 위 결과는 참고될 필요가 있다.
도 6b는 도 5에서 (b) 구간에서의 폭방향(WD) 두께 분포를 보인 그래프이다.
도 6b에서 보듯이, 롤갭에 따라 편차가 있으나 대체로 압연 후 두께는 1.2mm에 근접하며, 최대편차는 약 0.1~0.15 정도였다. 롤갭이 작을수록 목표 두께에 가까운 결과를 보임을 확인할 수 있다.
도 7에는 위와 같은 결과를 반영한 개선된 블랭크의 형상 설계안이 도시되어 있다.
도 7에서 보듯이, 블랭크(20)의 중앙부에 홀(21)이 형성되며, 이 홀(21)에 대응하는 블랭크(20)의 가장자리 영역에는 플랜지(22a,22b)가 돌출 형성된다. 플랜지(22a,22b)는 홀(21)에 의해 제거된 면적을 보상하고 압연 시 홀(21)로 인한 두께 편차를 방지한다.
플랜지(22a,22b)는 홀(21) 면적과 동일 면적을 가지며 좌우 가장자리에 면적의 1/2씩 형성될 수 있다. 압연방향이 상방향이고 홀(21)이 xy의 면적을 가질 때, 각 플랜지(22)의 돌출 길이(z)는 1/2x이고, 각 플랜지(22)의 압연방향으로의 길이는 1/2y일 수 있다.
플랜지(22a,22b)는 홀(21) 면적보다 작은 면적을 가지며 좌우 가장자리에 대칭적으로 형성될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 도 7에서 블랭크(20) 길이방향(LD)을 따라서 압연영역의 두께 분포를 보인 그래프이다. 블랭크(20)는 1.4mm이며, 목표 압연 두께는 1.2mm이다. 도 8a는 롤갭 0.3mm이 일 때, 도 8b는 롤갭 0.1mm일 때의 두께 분포 그래프이다.
도 8a 및 도 8b에서, 실시예(case) 1 내지 3은 플랜지(22)와 홀(21)의 크기에 따른 압연 후 두께 분포를 보인 그래프이다. 실시예 1은 z = 1/2x인 경우, 실시예 2는 홀(21) 면적이 실시예보다 큰 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 경우, 실시예 3은 z < 1/2x인 경우이다.
도 8a 및 도 8b에서 보듯이, 플랜지(22)의 크기가 홀(21) 크기보다 작은 실시예 3보다는, 서로 동일한 조건인 실시예 1 및 2에서 (a) 구간과 (b) 구간의 두께 편차가 적게 나타남을 알 수 있다.
위와 같은 실시예들에서 보듯이, 블랭킹 공정(S1)에서 블랭크의 형상을 설계할 때, 압연에 따른 변형 흡수를 위해 홀(11,21)이 마련될 필요가 있으며 홀(11,21) 위치에 가장자리 영역에 플랜지(22)가 마련될 필요가 있다. 플랜지(22)는 압연방향에 수직한 방향, 혹은 압연롤 길이방향으로 형성된다.
이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 또는 변형될 수 있다는 것이 이해될 필요가 있다.
10,20: 블랭크 11,21: 홀
22a,22b: 플랜지

Claims (3)

  1. a) 도금 피막을 갖는 강판 블랭크를 두께가 서로 다른 2 이상의 영역을 갖도록 압연하는 단계;
    b) 압연된 블랭크를 프레스 성형에 필요한 형상으로 절단하는 단계; 및
    c) 절단된 블랭크를 가열하여 열간 프레스 성형 및 냉각하는 단계;를 포함하며,
    a) 단계에서,
    압연될 블랭크에는 홀이 구비되며, 홀의 위치는 적어도 그 일부가 압연이 이루어지는 영역 내에 있도록 설계되고,
    홀 위치에 대응하는 블랭크의 가장자리 영역에 돌출 형성된 플랜지가 마련된 것을 특징으로 하는 열간 성형부품 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 b) 단계에서 플랜지가 절단되는 것을 특징으로 하는 열간 성형부품 제조방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 a) 단계에서,
    블랭크는 2 방향 이상의 서로 다른 방향으로 압연되는 것을 특징으로 하는 열간 성형부품 제조방법.
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