KR20040031175A - 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

고강도 알루미늄 튜브소재의 온도에 따른 연신율 특성을 이용하여 설정 온도범위 내에서 충분한 성형성을 확보한 상태로 확관 액압 성형을 순차적으로 수행하도록,

액압 성형 장치의 금형 내에 투입되는 알루미늄 합금의 튜브소재를 그 양단에 각각 배치되는 액압 실린더의 자체 축압과 함께, 상기 튜브소재 내부로 공급되는 액압에 의해 상기 상형과 하형에 형성된 성형면을 따라 확관 성형시키는 액압 성형 방법에서, 상기 알루미늄 합금의 튜브소재 내에 액압이 충진된 상태로 확관 성형 직전에, 상기 튜브소재의 성형온도를 설정범위 내의 설정온도까지 올린 후, 마지막 성형 액압을 주입하여 상기 튜브소재가 온간상태로 액압 성형이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법을 제공한다.

Description

알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법 및 그 장치{A METHOD FOR WARM HYDRO-FORMING OF ALUMINIUM ALLOY AND DEVICE THEREOF}

본 발명은 알루미늄 합금의 액압 성형 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고강도 알루미늄 튜브소재의 온도에 따른 연신율 특성을 이용하여고온에서 그 성형성을 확보하여 확관 액압 성형을 순차적으로 수행할 수 있도록 하는 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 액압 성형(HYDRO-FORMING) 방법은 상온(10℃~30℃)에서 이루어지며, 액압(hydraulic pressure)을 이용하여 튜브소재를 확관 성형하는 기계 판금의 특수한 가공법 중의 하나로써, 자동차 산업 등에서 프론트 사이드 멤버류와 같이 크고 작은 단품패널의 조합으로 이루어지는 프레스 생산품의 경량화 및 성형 원가의 절감에 효과가 크다.

상기한 바와 같은 액압 성형(HYDRO-FORMING)에 적용되는 튜브소재에 있어서도, 경량화를 위하여 최근 철계 소재를 대신하여 고강도의 알루미늄 합금이 많이 사용되며, 이러한 고강도의 알루미늄 합금의 경우, 상온에서의 성형성은 철계 소재에 비하여 떨어지나, 성형 전에 연화처리를 통하여 성형성을 확보한 후, 단계별 액압 성형을 이루고 있다. 여기서 연화처리라 함은 알루미늄 소재의 강도를 낮추면서 연신율을 증가시키는 것으로 풀림(어닐링)열처리가 가장 흔하게 사용된다.

이 때, 상기 고강도 알루미늄 합금소재의 성형성 확보를 위해서는 성형품의 형상에 따른 변형량이 최대인 부위를 고려하여 충분한 연신율을 확보하여야 하며, 적어도 20% 이상의 연신율 확보를 위하여 상기의 연화처리과정은 필수공정이라 할 수 있다.

이와 같은 알루미늄 합금의 종래 액압 성형 방법을 도 8과 도 9 내지 도 12를 통하여 살펴보면, 먼저, 성형품의 형상에 따른 변형량을 고려하여 소재의 연신율을 충분히 확보할 수 있도록 상기 고강도 알루미늄 합금의 튜브소재(100)를 미리연화처리하게 된다.(S110)

이와 같이, 연화처리를 통하여 연신율을 확보한 상기 튜브소재(100)는 도 9에 도시된 바와 같은, 액압 성형용 프레스 금형의 하형(101)상에 로딩되며(S120), 이어서 도 10에서와 같이 그 상부의 상형(103)이 하강한 상태에서, 상기 튜브소재(100)의 양단에 각각 배치되는 액압 실린더(105,107)가 축방향으로 이를 가압하여 시일링(sealing)과 동시에, 축압(axial compress)을 가하여 금형의 합형 및 액압 실린더의 장착을 완료하게 된다.(S130)

이와 같이, 상기 튜브소재(100)는, 도 11에서와 같이, 상기 하형(101)과 상형(103) 및 양측 액압 실린더(105,107)에 의해 고정된 상태에서, 상기 액압 실린더(105,107)의 자체 축압과 함께, 상기 튜브소재(100)의 내부로 액압을 공급하여 내부에서 상형(103)과 하형(101)에 각각 형성된 성형면(109,111)을 따라 상기 튜브소재(100)를 확관 성형시킴으로써, 상온에서의 액압 성형을 이루게 된다.(S140)

상기한 바와 같이, 액압 성형이 완료된 상기 튜브소재(100)는, 도 12에서와 같이, 상기 하형(101) 및 상형(103)으로부터 취출되며, 상기 튜브소재는 상기의 연신율 확보를 위하여 연화처리 공정을 거치는 과정에서 약해진 상기 튜브소재(100)의 강도를 보강하기 위한 별도의 경화처리 공정을 수행하여 성형품으로서의 요구강도를 확보할 수 있도록 한다.(S150)

그러나 상기한 바와 같은 종래의 액압 성형 방법에 의하여 고강도의 알루미늄 합금의 튜브소재를 액압 성형하기 위해서는 그 성형성을 확보하기 위하여 성형 전에 연화처리 공정이 필수적이나, 이러한 연화처리 공정은 상기 소재의 강도를 현저하게 떨어뜨리는 원인이 되어 성형 품질을 보장할 수 없으며, 성형 후에도, 상기 소재의 강도를 보강하기 위하여 별도의 경화처리 공정을 추가하고는 있으나, 이러한 추가공정단계로 인하여 성형 품질과 생산성에는 부정적인 영향을 미치는 등의 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고강도 알루미늄 튜브소재의 온도에 따른 연신율 특성을 이용하여 설정 온도범위 내에서 충분한 성형성을 확보한 상태로 확관 액압 성형을 순차적으로 수행하는 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명 실시예의 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법에 따른 단계별 공정을 도시한 블록도이다.

도 2 내지 도 6은 본 발명 실시예의 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법에 따른 액압 성형 장치의 각 단계별 공정 상태도이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 적용되는 알루미늄 합금 튜브소재(AL 7075 소재)의 온도에 따른 인장강도 및 연신율과의 상관관계를 도시한 그래프이다.

도 8은 종래 알루미늄 합금의 액압 성형 방법에 따른 단계별 공정을 도시한 블록도이다.

도 9 내지 도 12는 종래 알루미늄 합금의 액압 성형 방법에 따른 액압 성형 장치의 각 단계별 공정 상태도이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법은 알루미늄 합금으로 구성되는 튜브소재를 액압 성형 장치의 금형 상에 로딩하는 소재로딩단계와; 상기 금형의 상형 및 하형이 상기 튜브소재를 로딩한 상태로 합형되며, 상기 튜브소재의 양단에는 각각 액압 실린더가 축방향으로 이를 가압하여 시일링(sealing)과 동시에, 축압(axial compress)을 가하도록 장착되는 금형 합형 및 액압 실린더 장착단계와; 상기 액압 실린더를 통하여 상기 튜브소재 내부에 설정범위 내의 고온의 액압을 충진시킴과 동시에, 상기 금형 내부에 구성되는 히팅유닛을 통하여 상기 튜브소재를 설정온도까지 가열하는 액압 충진 및 소재가열단계와; 이어서, 상기 튜브소재가 설정온도까지 가열되면, 상기 액압 실린더의 자체 축압과 함께, 상기 튜브소재의 내부로 확관을 위한 성형 액압을 공급하여 내부에서 상형과 하형에 형성된 성형면을 따라 상기 튜브소재를 확관 성형시키는 성형 액압 주입단계와; 마지막으로 고온의 온간 상태에서 액압 성형이 완료된 상기 튜브소재를 상기 하형 및 상형으로부터 취출 냉각하는 소재취출단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기한 바와 같은 본 발명의 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법을 실현하기 위한 장치는 확관 성형할 튜브소재의 성형면을 형성하며, 상기 튜브소재의 상하부에서 이를 가압하는 상형 및 하형과; 상기 튜브소재의 양단에서 축방향으로 이를 가압하여 축압을 제공함과 동시에, 확관을 위한 액압을 제공하는 양측 액압 실린더를 포함하는 알루미늄 합금의 액압 성형 장치에서, 상기 상형 및 하형의 각 성형면에 대응하는 내부에는 히팅유닛을 장착하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 실시예의 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법에 따른 단계별 공정을 도시한 블록도이고, 도 2 내지 도 6은 본 발명 실시예의 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법에 따른 액압 성형 장치의 각 단계별 공정 상태도이다.

먼저, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법은, 고강도의 알루미늄 합금 튜브소재를 열처리에 의한 연화처리 공정을 수행하지 않고도, 알루미늄의 온도에 따른 연신율의 특성 즉, 알루미늄의 온도가 고온(약 50℃~300℃ 정도로 임의 설정함)으로 증가하면, 강도가 떨어지고, 연신율은 급격히 증가하였다가, 다시 온도가 상온(약 10℃~30℃ 정도의 작업장의 실내온도)으로 낮아지면, 상기 강도는 다시 높아지고, 연신률은 다시 낮아져 최초 상온 상태의 강도 및 연신율의 성질을 유지하는 특성을 이용하여 상기 튜브소재를 상기 고온(약 50℃~300℃까지) 상태에서의 온간 액압 성형을 통하여 성형성 및 요구 강도를 동시에 확보할 수 있도록 하기 위한 것이다.

먼저, 본 실시예에 따른 온간 액압 성형 장치의 구성을 살펴보면, 상기 도 2에서 도시한 바와 같이, 프레스 장비(미도시)의 하부에 장착되는 하형(1)과 그 상부에서 프레스 장비(미도시)에 의해 하부로 진행하여 상기 하형(1)과 함께 튜브소재(3)를 가압하는 상형(5)으로 이루어진다.

그리고 상기 튜브소재(3)의 양단에 대응하여 상기 하형(1)의 양측부에는 각각 좌,우측 액압 실린더(7,9)가 배치되어 상기 튜브소재(3)의 양단에 끼워져 각각 축방향으로 축압(axial compress)을 가할 수 있도록 이루어진다.

여기서 상기 상형(5) 및 하형(1)은 각 하부 및 상부 단면상에 확관 성형할 튜브소재(3)의 성형면(11,13)을 형성하여 이루어진다.

이러한 액압 성형 장치에서, 상기 상형(5) 및 하형(1)의 각 성형면(11,13)에 대응하여 그 내부에는 히팅유닛이 장착되며, 상기 히팅유닛은 외부 제어기(20)로부터 전기적인 신호에 의해 작동하여 설정온도까지 발열하는 히팅코일(21)로 구성된다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 장치를 통하여 그 온간 액압 성형 방법을 적용하면, 먼저, 액압 성형 장치의 금형(1,5) 내에 투입되는 알루미늄 합금의 튜브소재(3)를 그 양단에 각각 배치되는 액압 실린더(7,9)의 자체 축압과 함께, 상기 튜브소재(3) 내부로 공급되는 액압에 의해 상기 금형(1,5)에 형성된 성형면(13,11)을 따라 확관 성형시키게 되는데, 이 때, 상기 튜브소재 (3)내에 액압이 충진된 상태로 확관 성형 직전에, 상기 튜브소재(3)의 성형온도를 상기 히팅코일(21)에 의해 설정범위 내의 임의의 설정온도까지 올린 후, 마지막 성형 액압을 주입하여 상기 튜브소재(3)가 온간 상태로 액압 성형이 이루어지도록 하는 것이다.

즉, 본 실시예의 이러한 온간 액압 성형 방법은 상기 고강도 알루미늄 합금의 온도에 따른 연신율의 특성을 이용한 것으로, 상기 튜브소재(3)가 설정범위 내에서의 온도에서는 강도가 다소 떨어지나, 연신율이 급격히 증가하여 성형품의 변형량을 충분히 확보할 수 있도록 해줌으로, 상기 튜브소재(3)의 성형온도를 연신율이 급격히 증가하는 대략 50℃~300℃의 범위를 설정범위로 하게 된다.

도 7은 본 발명의 실시예에 적용되는 알루미늄 합금 튜브소재(AL 7075 소재)의 온도에 따른 인장강도 및 연신율과의 상관관계를 도시한 그래프로서, 상기 튜브소재의 온도에 따른 인장강도 및 연신율의 특성은 상온(25℃~100℃)의 범위 내에서는 인장강도가 570㎫에서 525㎫의 분포를 보이고, 이때의 연신율은 11%에서 14% 이내의 분포를 나타내고 있으나, 고온(150℃~370℃)의 범위 내에서는 상기 인장강도가 285㎫에서 40㎫의 분포상태로 급속히 떨어지게 되는 반면, 연신율은 23%에서 70% 이내의 분포상태로 급격히 상승하는 특성을 알 수 있다.

그리고 이와 같이 고온에서 이루어지는 액압 성형의 특성상 고온(150℃~370℃)에서도 안정성 있는 액압을 사용하여야 하며, 본 실시예에서는 실리콘 오일을 적용하여 상기 고온에 대응할 수 있도록 한다.

이러한, 고강도 알루미늄 합금의 액압 성형 방법을 단계별로 살펴보면, 먼저, 상기 알루미늄 합금으로 구성되는 튜브소재(3)를 액압 성형 장치의 금형(1,5) 상에 로딩한다.(S10)

상기 금형(1,5)은 상기 튜브소재(3)를 로딩한 상태로 상형(5) 및 하형(1)이 합형되며, 상기 튜브소재(3)의 양단에는 각각 액압 실린더(7,9)가 축방향으로 장착되어 시일링(sealing)과 동시에, 축압(axial compress)을 제공하게 된다.(S20)

이러한 상태에서, 상기 액압 실린더(7,9)를 통하여 상기 튜브소재(3) 내부에는 설정 온도범위 내의 고온의 액압을 충진시킴과 동시에, 상기 금형 내부에 구성되는 히팅코일(21)을 통하여 튜브소재(3)를 설정온도까지 가열하게 된다.(S30)

여기서 상기 튜브소재(3)가 설정온도까지 가열되면, 상기 튜브소재(3)는 그 강도가 다소 떨어지는 반면, 그 연신율은 현저하게 상승하여 상기 액압 실린더(7,9)로부터의 축압과 함께, 상기 튜브소재(3) 내부로 공급되는 성형 액압에 의해 상형(5)과 하형(1)에 형성된 성형면(11,13)을 따라 확관 성형되어 온간에서의 액압 성형을 이루게 된다.(S40)

마지막으로 고온의 온간에서의 액압 성형이 완료된 상기 튜브소재(3)를 상기 금형(1,5)으로부터 취출하여 냉각시키면, 상기 알루미늄 합금의 튜브소재(3)는 최초 상온에서의 강도를 회복하며, 연신율 또한, 현저하게 낮아져 최소 상온 상태의기계적 특성을 다시 유지하게 된다.(S50)

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법 및 그 장치에 의하면, 고강도 알루미늄 합금의 튜브소재를 그 온도에 따른 연신율 특성을 이용하여 설정 온도범위 내에서 충분한 성형성을 확보한 상태로 확관 액압 성형을 실시함으로, 종래 고강도 소재의 액압 성형시 연화처리를 통하여 연신율을 높여 성형성을 좋게 하던 공정 및 별도의 경화처리를 위한 추가공정 등을 삭제할 수 있어 공정이 단순해지며, 이로 인한 성형 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.

Claims (9)

1. 액압 성형 장치의 금형 내에 투입되는 알루미늄 합금의 튜브소재를 그 양단에 각각 배치되는 액압 실린더의 자체 축압과 함께, 상기 튜브소재 내부로 공급되는 액압에 의해 상기 상형과 하형에 형성된 성형면을 따라 확관 성형시키는 액압 성형 방법에 있어서,

   상기 알루미늄 합금의 튜브소재 내에 액압이 충진된 상태로 확관 성형 직전에, 상기 튜브소재의 성형온도를 설정범위 내의 설정온도까지 올린 후, 마지막 성형 액압을 주입하여 상기 튜브소재가 온간상태로 액압 성형이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 온도의 설정범위는

   50℃~300℃의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 액압은

   50℃∼300℃의 온도에서 압력전달매체로 사용이 가능한 물, 수용성 액체 및 유성 액체를 사용하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 튜브소재는

   튜브로 만들 수 있는 순수알루미늄과 합금을 포함한 모든 알루미늄 소재를 적용하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법.
5. 알루미늄 합금의 액압 성형 방법에 있어서,

   알루미늄 합금으로 구성되는 튜브소재를 액압 성형 장치의 금형 상에 로딩하는 소재로딩단계와;

   상기 금형의 상형 및 하형이 상기 튜브소재를 로딩한 상태로 합형되며, 상기 튜브소재의 양단에는 각각 액압 실린더가 축방향으로 이를 가압하여 시일링 (sealing)과 동시에, 축압(axial compress)을 가하도록 장착되는 금형 합형 및 액압 실린더 장착단계와;

   상기 액압 실린더를 통하여 상기 튜브소재 내부에 설정범위 내의 고온의 액압을 충진시킴과 동시에, 상기 금형 내부에 구성되는 히팅유닛을 통하여 상기 튜브소재를 설정온도까지 가열하는 액압 충진 및 소재가열단계와;

   이어서, 상기 튜브소재가 설정온도까지 가열되면, 상기 액압 실린더의 자체 축압과 함께, 상기 튜브소재의 내부로 확관을 위한 성형 액압을 공급하여 내부에서 상형과 하형에 형성된 성형면을 따라 상기 튜브소재를 확관 성형시키는 성형 액압 주입단계와;

   마지막으로 고온의 온간 상태에서 액압 성형이 완료된 상기 튜브소재를 상기 하형 및 상형으로부터 취출 냉각하는 소재취출단계;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 설정온도는

   50℃~300℃의 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법.
7. 청구항 5에 있어서, 상기 액압은

   물, 수용성 액체 및 유성액체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 방법.
8. 확관 성형할 튜브소재의 성형면을 형성하며, 상기 튜브소재의 상하부에서 이를 가압하는 상형 및 하형과;

   상기 튜브소재의 양단에서 축방향으로 이를 가압하여 축압을 제공함과 동시에, 확관을 위한 액압을 제공하는 양측 액압 실린더를 포함하는 알루미늄 합금의 액압 성형 장치에 있어서,

   상기 상형 및 하형의 각 성형면에 대응하는 내부에는 히팅유닛을 장착하여 액체를 가열하고 가열된 액체를 통해 알루미늄 및 알루미늄 합금 소재를 가열하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 장치.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 히팅유닛은

   외부 제어기로부터 전기적인 신호에 의해 작동하여 설정온도까지 발열하는히팅코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 온간 액압 성형 장치.