KR102519239B1 - 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 제조 방법에 있어서, 원통형 알루미늄재 블랭크(B)를 제조하는 블랭크 제조 단계(S10)와; 상기 블랭크(B)를 용체화 열처리하는 1차 열처리 단계(S20)와; 상기 열처리된 블랭크(B)를 금형과 소착 현상 방지 및 유동성 향상을 위해 피막 처리제로 피막 처리하는 블랭크 피막 단계(S30)와; 상기 블랭크 피막 단계(S30)를 거친 블랭크(B)로부터, 상부 펀치부(110)와 하부 다이부(120)로 구성된 단조 금형(100)을 이용하여, 원통형 외주면(1a)에 테이퍼진 내주면(1b)을 갖는 하부몸체(1)와, 상기 하부몸체(1)의 중심에 형성된 가이드 핀 삽입공(3)과, 상기 하부몸체(1)의 상부에 위치하고 원통형 외주면(5a)에 육각형태의 내주면(5b)을 갖는 상부몸체(5),로 구성된 시트 가이드 성형체(S)를 성형하는 단조 성형 단계(S40);를 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하는 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법에 관한 것이다.

Description

친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법 { Regulator Seat Guide Cold Forging Method }

본 발명은 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스 시트 가이드 냉간 단조 방법에 괸한 것이다.

급격하게 진행되는 전 세계적인 환경규제 이슈로 인해 친환경차에 대한 수요는 급격하게 진행되고 있으며, 전기자동차와 함께 수소연료전지차에 대한 기술개발은 활발하게 추진되고 있다. 2016년 수소연료전지차는 전 세계적으로 약 3,100대가 판매되었으나, 2020년을 기점으로 세계 완성차 업체에서는 수소연료전지차를 양산할 계획에 있어 연 평균 82% 성장하여 2021년에는 약 6만 2천대가 판매될 것으로 예상되는 등 급격한 시장 확대가 예상된다.

<그림> 수소연료전지차

수소연료전지차는 현재 한국과 일본이 선도국으로서 정부의 강력한 추진 정책에 따라서 인프라 구축 및 차량 보급이 추진되고 있으며, 독일, 중국, 미국 등도 수소경제에 관련된 로드맵을 구축하고 관련 정책을 추진 중이다. 현재 세계 수소연료전지차 개발을 선도하는 있는 것은 일본 자동차업계로서, 도요타, 혼다, 닛산 등이 신형 수소연료전지차를 출시하고 있으며, 일본뿐만 아니라 독일(BMW), 미국(GM)의 완성차업체도 적극적으로 수소연료전지차 개발에 나서고 있다. 국내 수소연료전지차는 세계 최초로 현대자동차에서 개발(투산ⅳ)하였으며, 부품 국산화율이 95%에 이르는 등 기술 수준은 세계에서 선도그룹에 속한다.

수소연료전지차 사장 확대의 주요 저해 요인은 상대적으로 높은 가격과 인프라 구축이며, 시장 확대를 위해서는 제조원가 절감이 필수적으로 요구된다. 현재 수소연료전지차 시장 확대에는 내연기관 대비 2.5배 가량의 높은 가격과 인프라 구축의 미비함이 가장 장애가 되는 요인이다. 현재 정부에는 인프라구축을 구축하기 위한 정책적 노력을 기획하고 있어, 향후 수소연료전지차 보급에 가장 큰 장애 요소가 될 것은 가격 경쟁력으로 예측된다.

고압레귤레이터용 seat guide는 안전성 확보가 요구되는 중요 부품이나, 현재는 STS316L 소재를 절삭가공 하여 제조되고 있다. 수소연료전지차의 고압레귤레이터는 충전거리 확대를 위해 필요한 부품으로서, 안전성 확보가 동시에 요구되는 부품이다. 기존 내연기관 수준의 1회 충전거리를 확보하기 위해서는 수소기체를 압력용기에 700 bar이상의 고압으로 저장해야 하며, 충전된 고압의 수소를 연료전지에 공급하려면 16 bar 수준으로 감압해야 하며, 이를 위해 고압 레귤레이터가 사용된다.

(a) 수소저장탱크 (b) 고압 레귤레이터

Seat guide는 고압 레귤레이터에서 가이드 핀을 고정되도록 하는 부품으로서 고압의 실링 역할을 하는 중요 부품이다. 현재 고압 레귤레이터용 seat guide는 절삭 가공법으로 제조되고 있으며, 고압 수소 가스에 의한 수소취성을 방지하기 위해 STS 316L 재질을 사용하고 있다.

(a) 고압 레귤레이터 (b) seat guide

<그림> 고압 레귤레이터용 seat guide

Seat guide를 냉간성형 공정으로 제조 시에는 60% 이상의 비용절감이 예측되나, 난 성형재질인 STS316L 재질을 정밀성형할 수 있는 성형기술과 함께수소취성 방지 및 비자성 확보라는 난제를 극복해야 상용화가 가능하다.

STS 316L 재질은 난가공 재질로서 절삭가공에 의한 seat guide를 제조 시에 많은 비용이 소요된다. 절삭가공으로 제조되는 seat guide를 냉간성형 공정으로 전환하여 제조하게 되면 기존 제조비용의 40% 이하의 가격으로 제조가 가능할 것으로 예측되고 있어, 수소연료전지차 보급 확대를 위해 반드시 요구되는 비용절감을 위해 완성차업체에서는 냉간성형법을 사용한 seat guide 제조 기술 개발이 필요하다.

냉간단조 seat guide 제조 기술 확립을 위해서는 냉간단조 성형성 확보와 수소취성 및 재질의 자화 방지를 위한 제조기술 개발이 요구된다. STS 316L 재질은 오스테나이트계 스테인리스강으로서, 소성가공 시 급격한 가공경화가 발생함으로써 냉간가공도가 높을 경우에는 성형이 불가하거나 금형 파손을 야기시킬 수 있다.

또한 고압의 수소 가스 환경에서는 오스테나이트 스테인레스강이라도 수소환경취화가 발생할 경우가 있으며, 30% 이상의 단면 감소율을 야기시키는 냉간 성형을 STS316L에 부가하게 된다면 가공경화에 의한 고강도화와 함께 수소환경취화 경향이 증가하는 것이 보고되고 있기 때문에 냉간성형 공정을 사용하여 seat guide를 제조 시 고강도화를 방지하기 위한 제조 기술 개발이 요구된다.

또한 레귤레이터의 구조적 특성상 구동 부위의 구조 부품은 비자성을 유지할 필요가 있으나, 과도한 냉간성형을 부가하게 되면 오스테나이트 조직은 변형 유기 마르텐사이트로 변태를 하기 때문에 자성을 가지게 되므로 이를 제어할 수 있는 제조기술 개발이 동시에 요구된다.

본 발명은 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 제조 방법에 있어서, 원통형 스테인리스 강으로 되는 블랭크(B)를 제조하는 블랭크 제조 단계(S10)와; 상기 블랭크(B)를 용체화 열처리하는 1차 열처리 단계(S20)와;

상기 열처리된 블랭크(B)를 금형과 소착 현상 방지 및 유동성 향상을 위해 피막 처리제로 피막 처리하는 블랭크 피막 단계(S30)와;

상기 블랭크 피막 단계(S30)를 거친 블랭크(B)로부터, 상부 펀치부(110)와 하부 다이부(120)로 구성된 단조 금형(100)을 이용하여, 원통형 외주면(1a)에 테이퍼진 내주면(1b)을 갖는 하부몸체(1)와, 상기 하부몸체(1)의 중심에 형성된 가이드 핀 삽입공(3)과, 상기 하부몸체(1)의 상부에 위치하고 원통형 외주면(5a)에 육각형태의 내주면(5b)을 갖는 상부몸체(5),로 구성된 시트 가이드 성형체(S)를 성형하는 단조 성형 단계(S40)와;

상기 시트 가이드 성형체(S)를 스케일 제거를 위해 쇼트 처리하는 쇼트 처리단계(S50)와; 쇼트 처리된 상기 시트 가이드 성형체(S)를 다시 용체화 열처리하는 2차 열처리 단계(S60)와; 2차 열처리된 상기 시트 가이드 성형체(S)를 최종 설계 형으로 후 가공하는 후 가공단계(S70);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르는 경우, STS 316L 재질은 난가공 재질임에도 불구하고 절삭가공에 의해 제조되었던 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드를 냉간성형 공정으로 전환하여 제조함으로써 기존 제조비용의 40% 이하의 가격으로 제조가 가능하고 가공경화에 의한 고강도화와 함께 수소환경 취화 경향이 증가현상을 억제하고 비자성을 유지할 수 있는 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법 흐름도.
도 2는 본 발명의 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법에 의해 제조된 성형체 단면구성도, 평면 구성도.
도 3는 본 발명의 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법에 사용되는 단조 금형 구성도.
도 4는 본 발명의 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법에 의해 제조된 최종 가공체 단면구성도, 평면 구성도.

이하에서 본 발명의 일실시예에 따른 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법 흐름도, 도 2는 본 발명의 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법에 의해 제조된 성형체 단면구성도, 평면 구성도, 도 3는 본 발명의 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법에 사용되는 단조 금형 구성도이고, 도 4는 본 발명의 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법에 의해 제조된 최종 가공체 단면구성도, 평면 구성도이다.

도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법은, 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 제조 방법에 있어서, 원통형 스테인리스 강으로 되는 블랭크(B)를 제조하는 블랭크 제조 단계(S10)와, 상기 블랭크(B)를 용체화 열처리하는 1차 열처리 단계(S20)와, 열처리된 블랭크(B)를 금형과 소착 현상 방지 및 유동성 향상을 위해 피막 처리제로 피막 처리하는 블랭크 피막 단계(S30)와, 단조 성형 단계(S40)를 포함하여 구성된다.

단조 성형 단계(S40)에서, 블랭크 피막 단계(S30)를 거친 블랭크(B)로부터, 상부 펀치부(110)와 하부 다이부(120)로 구성된 단조 금형(100)을 이용하여, 원통형 외주면(1a)에 테이퍼진 내주면(1b)을 갖는 하부몸체(1)와, 상기 하부몸체(1)의 중심에 형성된 가이드 핀 삽입공(3)과, 상기 하부몸체(1)의 상부에 위치하고 원통형 외주면(5a)에 육각형태의 내주면(5b)을 갖는 상부몸체(5),로 구성된 시트 가이드 성형체(S)를 성형한다.

도 1, 도 2, 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법은, 단조 성형 단계(S40) 이후에, 시트 가이드 성형체(S)를 스케일 제거를 위해 쇼트 처리하는 쇼트 처리단계(S50)와, 쇼트 처리된 상기 시트 가이드 성형체(S)를 다시 용체화 열처리하는 2차 열처리 단계(S60)와, 2차 열처리된 상기 시트 가이드 성형체(S)를 최종 설계 형상의 최종 가공체(S2)로 후 가공하는 후 가공단계(S70)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법에 있어서, 상부 펀치부(110)는, 프레스에 의해 승강하는 상부펀치 프레임(미도시)과, 상부펀치 프레임에 고정되는 상부펀치 몸체부(112)와, 상부펀치 몸체부(112)에 일체로 하향 직립되게 형성되고 상부 외주면에 육각면(113a)을 형성되고 하부에 테이퍼진 선단면(113b)이 형성되는 펀치 선단부(113)을 포함하여 구성된다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법에 있어서, 하부 다이부(120)는, 상부펀치 프레임(111)의 하부에 대향되게 위치한 하부다이 프레임(121)와, 하부다이 프레임(121)의 상부에 설치된 하부다이(122)와, 하부다이(122)의 중앙에 움푹 패여 하부다이 내주면(123a)에 의해 둘러싸인 원통형 성형실(123)과, 원통형 성형실(123)의 하부에 연통되어 형성된 이젝팅 공구용 홈(125)과, 이젝팅 공구용 홈(125)에 상향 삽입되어 카운터 펀치 기능을 동시에 하는 원통형 이젝팅 툴(127)을 포함하여 구성된다.

쇼트처리단계(S30)에서는, 상기 소둔열처리된 소재를 쇼트기에 넣고 숏볼(shot ball)을 이용하여 30분이상 쇼트처리하고 외관검사를 행한다. 이러한 쇼트처리는 소재의 표면에 부착되어 있는 강력한 이물질 및 스케일(scale)을 제거하여 적당한 조도를 표면에 작용하게 함으로써, 이후의 윤활처리 및 피막형성을 효율적이고 원할하게 하도록 하기 위함이다.

<세부 개발내용>

(1) seat guide 냉간성형 공정 설계

· Seat guide 냉간 단조용 소재 및 치수 선정

· 내측 육각 형상의 상대물과 조립에 준한 단조 설계

· 단조 성형 압출비 75% 이내의 내측 육각치수 결정

(2) 금형파손방지를 위한 금형설계 및 제작

· 육각 성형시 금형의 취약 부위 보완 및 금형설계

(응력 집중 최소화를 위한 설계 반영)

<그림> 금형 설계 (예 2D/ 3D)

· 금형 가이드 방식 선정

(직접 가이드 방식 / 간접 가이드 방식)

· 프로파일 휠 가공에 적합하도록 설계 및 제작

(방전가공에 의한 파손 방지)

· 내구성 및 고 압축에 변형 방지를 위한 금형재 선정

(고속도강과 텅스텐 카바이드 금형재 사용)

<그림> 프로파일 휠 가공

· 최적의 성형구간 길이 선정

(성형해석을 이용한 분석)

(3) 단조 전처리 주요기술인자(열처리/피막) 도출 및 공정기술 최적화

· STS316L 단조재 열처리 조건 확립

(용체화 열처리 진행 / 한국생산기술연구원 협력)

· STS316L 냉간단조 피막 / 윤활 조건 최적화

(단조재가 금형에 소착 현상 방지 및 유동성 향상 피막재 적용)

· Seat guide 냉간 단조 제조 기술 확보

<그림> 열처리 / 피막 설비

(4) 이형 중공 단조부위 형상 왜곡 방지를 위한 전조 금형 개발

· 전조 금형 설계 및 제작

· 전조 성형시 발생되는 내측 변형 방지를 위한 금형 설계 및 제작

<그림> 전조금형 및 전조 JIG (예)

(5) Seat Guide 나사(M24 pitch 1.0 가는 나사) 전조 제조 공정 기술 개발

· 전조성형을 위한 외경치수 결정

· 나사조도 향상을 위한 절삭유 선정

· 피성형재 투입 방향성 확립 및 양산성을 위한 금형 제작

<그림> 전조 작업 (예)

(6) Seat Guide 강도 및 비자성 확보를 위한 열처리 기술 개발

· 최적 강도 확보를 위한 단조/전조 공정 연계 열처리 기술 개발

· 비자성 부품 제조를 위한 단조/전조 공정 연계 열처리 기술 개발

(7) Seat Guide 양산화 기술 개발

· Seat Guide 수요업체로부터 외관 및 치수 평가 승인

* 품질보증을 위한 나사 GO/NOT GAUGE 검사

* 나사 산, 골치수 검사

* 직각도, 평면도등 치수 검사

· 개발 시제품 신뢰성 평가 (수요기업 연계)

<그림> 나사 게이지 (예)

<추가 세부기술개발 내용>

(1) 고가공경화형 소재 변형 특성 분석

· 소재 물성 확보를 위한 압축 시험 수행

· 단조 전 원소재의 가공 경화능 분석

· 냉간 단조 성형 해석을 위한 STS316L 유동응력 확보

· 가공경화에 의한 수소취성 위험도달 변형률(30%)에서의 경도 값 확보

(2) 이형 중공부 성형 공정 해석

· 육각 홈 부위 후방 압출모드 성형 공정 해석

· 성형공정 및 금형 설계 지원을 위한 성형하중 예측

· 수소취성 취약(누적 소성변형률 30% 초과) 부위 예측

<그림> 후방 압출 모드 단조 공정 유한요소 해석 예

(3) 금형 파손 방지를 위한 냉간 단조 금형 구조 해석

· STS316L 소재의 급격한 가공경화에 따라 금형에 부가되는 하중변화 예측

· 금형 파손 방지를 위한 강도해석

· 펀치 형상 변화에 따른 성형하중 저감 가능성 분석

<그림> 단조 금형 구조 해석 예

(4) 냉간 단조 공정 및 열처리 공정 최적화를 위한 분석평가

· 가공유기 자성 제거를 위한 열처리 공정 최적화 분석평가 지원

· 수소취성 방지를 위한 베이킹 초과 조건의 용체화 열처리 공정 확립지원

· 단조 정 중 단조재 특성 분석을 통한 최적 단조공정 확립 지원

· 금형 내구성 향상을 위한 금형 파손원인 분석

<그림> 고장 분석 예

(5) Seat Guide 단조 시제품 분석 평가

· 단조 시제품의 소재 유동 분석

· 변형 집중 부위 조직 및 경도분포 관찰

· 단조품 및 열처리 제품의 수소취성 임계변형률 상당 경도값 초과여부 분석 후 참여기업의 성형공정 설계 개선 지원

<그림> 단류선 관찰 예

(6) 전조 공정 최적화를 위한 분석평가 및 Seat Guide 전조 시제품 분석 평가

· 공정 중 전조재 특성 분석을 통한 최적 전조 공정 확립 지원

· 시제품 전조 부위의 소재 유동 분석

· 변형 집중 부위 조직 및 경도분포 관찰

<그림> Austenite계 Stainless Steel 가공유기 변태 관찰 예

기술적 기대효과

1) 기술적인 기대 효과

2) 단조 개발에 따른 가공품 대비 효과

원가 절감 : 3.5억원/년

생산성 향상 : 267% 향상

원자 재 투입량 : 46% 절감

<표> 공정 구분에 따른 제품 대비

본 발명은 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명됐지만, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위에 의하여 정하여지는 것으로 본 발명과 균등 범위에 속하는 다양한 수정 및 변형을 포함할 것이다.

아래의 특허청구범위에 기재된 도면부호는 단순히 발명의 이해를 보조하기 위한 것으로 권리범위의 해석에 영향을 미치지 아니함을 밝히며 기재된 도면부호에 의해 권리범위가 좁게 해석되어서는 안될 것이다.

S : 시트 가이드 성형체 S2 : 최종 가공체
1 : 하부몸체 3 : 가이드 핀 삽입공
5 : 상부몸체 110 : 상부 펀치부
112: 상부펀치 몸체부 113 : 펀치 선단부
120 : 하부 다이부
121 : 하부다이 프레임
122 : 하부다이
123 : 원통형 성형실
125 : 이젝팅 공구용 홈
127 : 이젝팅 툴

Claims (4)

1. 친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 제조 방법에 있어서,
   원통형 스테인리스 강으로 되는 블랭크(B)를 제조하는 블랭크 제조 단계(S10)와;
   상기 블랭크(B)를 용체화 열처리하는 1차 열처리 단계(S20)와;
   상기 열처리된 블랭크(B)를 금형과 소착 현상 방지 및 유동성 향상을 위해 피막 처리제로 피막 처리하는 블랭크 피막 단계(S30)와;
   상기 블랭크 피막 단계(S30)를 거친 블랭크(B)로부터, 상부 펀치부(110)와 하부 다이부(120)로 구성된 단조 금형(100)을 이용하여, 원통형 외주면(1a)에 테이퍼진 내주면(1b)을 갖는 하부몸체(1)와, 상기 하부몸체(1)의 중심에 형성된 가이드 핀 삽입공(3)과, 상기 하부몸체(1)의 상부에 위치하고 원통형 외주면(5a)에 육각형태의 내주면(5b)을 갖는 상부몸체(5)로 구성된 시트 가이드 성형체(S)를 성형하는 단조 성형 단계(S40)를 거쳐 제조되면서,
   
   상기 단조 성형 단계(S40) 이후에,
   상기 시트 가이드 성형체(S)를 스케일 제거를 위해 쇼트 처리하는 쇼트 처리단계(S50)와;
   쇼트 처리된 상기 시트 가이드 성형체(S)를 다시 용체화 열처리하는 2차 열처리 단계(S60)와;
   2차 열처리된 상기 시트 가이드 성형체(S)를 최종 설계 형상의 최종 가공체(S2)로 후 가공하는 후 가공단계(S70);를 더 포함하며,
   
   상기 상부 펀치부(110)는,
   프레스에 의해 승강하는 상부펀치 프레임(미도시)과;
   상기 상부펀치 프레임에 고정되는 상부펀치 몸체부(112)와;
   상기 상부펀치 몸체부(112)에 일체로 하향 직립되게 형성되고, 상부 외주면에 육각면(113a)을 형성되며, 하부에 테이퍼진 선단면(113b)이 형성되는 펀치 선단부(113)을 포함하여 구성되고,
   
   상기 하부 다이부(120)는,
   상기 상부 펀치부(110)의 하부에 대향되게 위치한 하부다이 프레임(121)과;
   상기 하부다이 프레임(121)의 상부에 설치된 하부다이(122)와;
   상기 하부다이(122)의 중앙에 움푹 패여 하부다이 내주면(123a)에 의해 둘러싸인 원통형 성형실(123)과;
   상기 원통형 성형실(123)의 하부에 연통되어 형성된 이젝팅 공구용 홈(125)과;
   상기 이젝팅 공구용 홈(125)에 상향 삽입되어 카운터 펀치 기능을 동시에 하는 원통형 이젝팅 툴(127)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는,
   친환경 연료전지수소차 레귤레이터용 스테인레스강 시트 가이드 냉간 단조 방법.
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