KR20080057363A - 강판의 마찰 계수 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 HPF(Hot Press Forming) 공정과 같은 고온 상태로 신속하게 가열하여 판재 성형시 발생하는 강판의 마찰계수를 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 강판의 마찰계수 측정 장치에 관한 것으로서, 고주파 유도 가열장치를 이용하여 강판을 검사온도로 가열하고, 적정 압력으로 가압후 인발시키면서 마찰계수를 측정할 수 있도록 구성하여, 고온상태의 마찰 계수를 신속하게 측정할 수 있는 것이다.

HPF(Hot Press Forming), 강판, 마찰 계수, 고온, 고주파 유도 가열

Description

강판의 마찰 계수 측정 장치{Apparatus for detecting friction coefficient of strip}

도 1는 본 발명에 의한 강판의 마찰 계수 측정 장치를 도시한 구성도,

도 2는 본 발명에 의한 강판 마찰 계수 측정 장치의 동작 실험 결과를 보인 그래프,

도 3은 도 2에서 실험을 실시한 시편의 형상도, 그리고

도 4는 종래의 마찰 계수 시험 방식을 설명하는 개념도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

11: 고주파 유도 가열부 12: 작업대

13: 고정부 14: 시편

15: 금형부 16: 제1 유압실린더

17: 제1 로드셀 18: 제2 유압실린더

19: 제2 로드셀 20: 온도 측정 센서

21: 컴퓨터

본 발명은 강판의 마찰 계수 측정 방법에 관한 것으로서, 특히 Hot Press Forming(HPF: 열간 프레스 성형)용 강판을 사용하는 고온 상태의 스탬핑 성형공정 중 마찰불량에 의한 파단을 방지하기 위한 강판의 마찰특성을 평가시 두께에 구애받지 않으면서 고온 상태의 마찰 계수를 신속하게 측정할 수 있는 강판의 마찰계수 측정방법에 관한 것이다.

HPF 공법은 공강도강용 자동차 부품을 만들기 위하여 이용되는 최신 공법으로서, 이러한 HPF 공법에 의해 강판을 제조하는 경우, 고온 상태의 스탬핑 성형 공정중에 마찰불량에 의한 파단을 방지하기 위하여, HPF 공정에 사용될 강판에 대한 마찰 특성을 평가하여야 한다. 그런데, 상기 HPF 공정은 700℃ 이상의 고온 상태에서 이루어지기 때문에, 이와 유사한 환경하에서 마찰 계수를 측정하여야 마찰 특성 평가 결과에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.

기존에 알려진 마찰 계수 측정 방법 중에서, 고온 상태에서 마찰계수를 구할 수 있는 방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 핀온디스크(Pin-on-Disk)를 이용하는 것으로서, 핀온디스크(1) 위에 마찰계수를 측정할 대상 소재(2)를 올려놓고 상기 핀온디스크(1)를 원하는 회전 속도로 회전시키면서 원하는 온도까지 가열한 후, 상부 핀(3)에 일정하중을 가하여 측정되는 하중의 비로 마찰계수를 계산한다.

그러나 이런 방법은 소재(2)와 핀(3) 사이의 접촉하는 부분이 1회전마다 반복적으로 접촉하기 때문에 실금형의 HPF공정과는 큰 차이가 있으며, 반복적인 소재 마모로 인해 접촉면적에 변화가 생겨 정확한 마찰계수를 측정하기 힘들다.

또한, 핀온디스크의 경우에는 전기로 소재를 가열하기 때문에 HPF 공정과 같은 700℃이상의 고온 상태로 가열하기 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은, HPF 공정과 같은 고온 상태로 신속하게 가열하여 판재 성형시 발생하는 강판의 마찰계수를 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 강판의 마찰계수 측정 장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 강판의 마찰 계수 측정 장치는, 전자 유도 작용에 의하여 열을 발생시켜 마찰계수를 측정하고자 하는 강판을 가열하는 고주파 유도 가열부; 상기 강판을 가압하면서 가압하중을 측정하는 가압하중 측정부; 상기 강판을 소정 속도로 인발하면서 인발하중을 측정하는 인발하중 측정부; 상기 강판의 표면 온도를 측정하는 온도 측정 센서; 및 지정된 마찰 계수 측정 조건에 맞추어 상기 고주파 유도 가열부와 가압하중 측정부와 인발하중 측정부를 동작시키면서, 이때 측정되는 가압하중과 인발하중및 온도값을 입력받아 모니터링하며 해당 강판의 마찰계수를 산출하는 컴퓨터를 포함하여 이루어진다.

더하여, 상기 본 발명에 의한 강판의 마찰계수 측정 장치에 있어서, 상기 가압하중 측정부는, 상기 강판의 상단에서 강판을 가압하는 금형부; 상기 금형부에 의해 강판에 가해지는 가압하중을 측정하기 위하여 상기 금형부와 대향하도록 상기 강판의 하부에 설치되는 제1 유압실린더; 및 상기 제1 유압실린더에 가해지는 가압하중을 측정하는 제1 로드셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 강판의 마찰 계수 측정 장치에 있어서, 상기 인발하중 측정부는, 상기 강판의 일단을 고정시키기 위한 고정부; 상기 고정부를 통해 상기 강판에 연결되어 상기 강판을 인발시키는 제2 유압실린더; 및 상기 제2 유압실린더에 의한 인발하중을 측정하는 제2 로드셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

더하여, 상기 강판의 마찰 계수 측정 장치에 있어서, 상기 컴퓨터는, 지정된 검사 조건에 맞추어 상기 고주파 유도 가열부와 제1,2 유압실린더를 동작시킨 후 제1,2 로드셀에서 측정된 가압하중 및 인발하중과 온도 측정기에서 측정된 온도 값을 전달받아 표시 및 저장하고, 상기 측정된 인발하중과 가압하중을 이용하여 마찰 계수를 계산하는 것을 특징으로 하며, 측정하고자하는 강판의 이송 속도 및 온도에 맞추어 상기 고주파 유도 가열부의 전류 및 전압을 설정하고, 상기 강판이 정지상태에서 처음 운동 상태로 변환될 때 설정된 온도에 도달하기까지의 초기 구간에서는 마찰 계수를 산출하지 않는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한 다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '전기적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에 의한 마찰 계수 측정 장치는, 고주파 유도 가열 장치를 이용하여 강판을 고온 상태로 신속하게 가열시켜 마찰 계수를 측정하는 장치로서, 특히 HPF 용 강판의 마찰계수를 측정하는데 유리하며, 이외는 열간 및 온간에서 성형되는 판재에 대한 판재에 대한 마찰 계수 측정에도 이용될 수 있다. 즉, 아주 짧은 시간(예를 들어, 1초 이내)내에 이용자가 원하는 설정 온도로 재연성있게 소재를 가열하기 위하여, 시간성, 합리성, 작업성 모든 측면에서 진공관 방식보다 훨등한 효과를 갖는 고기능의 Power MOS FET를 주 변환소자로 사용하는 반도체 방식을 채택한 고주파 유도 가열 장치를 사용한다. 상기 고주파 유도 가열 장치는, 전자유도(電磁誘導) 작용에 의하여 교류(고주파) 전류가 흐르는 코일속에 위치하는 금속 등의 도 전체는 와전류 손실과 히스테리시스(Hysteresis) 손실(磁性體의 경우)의 저항(抵抗)에 의하여 열(熱)이 발생하는 원리를 이용한 것으로, 이때 발생하는 열에너지를 이용하여 피가열(금속 또는 도전체) 물질을 가열하는 장치를 말한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 강판의 마찰 계수 측정 장치를 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 강판 마찰 계수 측정 장치는, 전자 유도 작용에 의하여 열을 발생시켜 마찰계수를 측정하고자 하는 강판을 가열하는 고주파 유도 가열부(11)와, 상기 강판(14)의 일단을 고정시키기 위한 고정부(12)와, 상기 강판(14)의 상단에서 상기 강판(14)을 가압하는 금형부(15)와, 상기 금형부(15)에 의해 강판(14)에 가해지는 가압하중을 측정하기 위하여 상기 강판(14)의 하부에 설치되는 제1 유압실린더(16)와, 상기 제1 유압실린더(16)에 가해지는 가압하중을 측정하는 제1 로드셀(17)과, 상기 고정부(12)를 통해 상기 강판(14)에 연결되어 상기 강판(14)을 인발시키는 제2 유압실린더(18)와, 상기 제2 유압실린더(18)에 의한 인발하중을 측정하는 제2 로드셀(19)과, 상기 강판(14)의 표면 온도를 측정하는 온도 측정 센서(20)와, 지정된 검사 조건에 맞추어 상기 고주파 유도 가열부(11)와 제1,2 유압실린더(16,18)를 동작시킨 후 제1,2 로드셀(17,19)에서 측정된 가압하중 및 인발하중과 온도 측정기(20)에서 측정된 온도 값을 전달받아 표시 및 저장하고, 상기 측정된 인발하중과 가압하중을 이용하여 마찰 계수를 계산하는 컴퓨터(21)를 포함하여 이루어진다.

상기에서 미설명된 부호 13는 검사대상 강판이 위치하여 작업이 이루어지는 작업대를 나타낸다.

상기 금형부(15)와, 제1 유압실린더(16)와, 제1 로드셀(17)은 상기 강판을 지정된 조건의 압력으로 가압하면서, 그 가압하중을 측정하기 위한 가압하중 측정부를 구성하고, 상기 고정부(12)와, 제2 유압실린더(18)와, 제2 로드셀(19)은 상기 강판에 지정된 조건의 인발하중을 가하며, 가해지는 인발하중을 측정하는 인발하중 측정부를 구성한다.

다음으로 상술한 구성의 마찰계수 측정장치를 통해 강판의 마찰 특성을 측정하는 방법에 대하여 설명한다.

먼저 마찰 특성을 측정하고자 하는 강판의 시편의 한쪽 끝을 상기 마찰 계수 측정 장치의 고정부(12)에 고정한 후, 상기 컴퓨터(21)를 통해 고주파 유도 가열부(11)를 동작시켜, 측정하고자 하는 이송 속도(예를 들어, HPF용 강판인 경우에는 5~30mm/s) 및 온도(예를 들어, HPF용 강판인 경우에는 350~1000℃)에 맞게 적정 출력이 발생하도록 상기 고주파 유도 가열부(11)의 전류 및 전압을 설정한다. 이때 목표 온도 및 속도에 맞는 전류 및 전압 값은 일반적으로 알려져 있다.

또한, 상기 고주파 유도 가열부(11)의 실제 열이 발생하는 부분과 상기 강판(14)의 간격을 강판(14)의 이동시 간섭이 발생하지 않는 범위내로 유지하면서 최대한 가깝게 붙인다.

그 다음, 상기 강판(14)과 금형부(15) 사이에 일정한 가압력이 가해지도록 제1 유압실린더(16)를 작동시키고, 더하여 제2 유압실린더(19)를 이용하여 일정 속도로 시편(14)을 인발시킨다.

이때, 상기 컴퓨터(21)는 제2 유압실린더(19)에 의한 인발거리 및 인발하중과, 상기 제1 유압실린더(16)에 의한 가압하중과, 고주파 유도 가열부(11)에 의해 가열된 온도를 실시간으로 모니터링하여 디스플레이하고, 모니터링 데이터를 저장한다. 더 구체적으로는, 제1 로드셀(17)에서 제1 유압 실린더(16)에 의해 강판(14)에 수직방향으로 가해지는 가입하중(N)을 측정하고, 제2 로드셀(19)에서 상기 제2 유압실린더(18)에 의해 강판(14)에 수평방향으로 가해지는 인발하중(F)를 측정하고, 온도측정기(20)가 상기 강판(14)의 가열온도를 측정하면, 상기 컴퓨터(21)는 상기 제1 로드셀(17)로부터 가압하중(N)신호를 입력받고, 제2 로드셀(19)로부터 인발하중(F) 신호를 입력받고, 온도측정기(20)로부터 온도 신호를 입력받는다.

컴퓨터(21)는 상기 가압하중신호와 인발하중신호는 온도신호는 컴퓨터(21)에서 처리가능하도록 증폭후 디지털 데이터로 변환한 후, 상기 변환된 가압하중 데이터, 인발하중 데이터, 온도 데이터를 디스플레이장치(예를 들어, 모니터)에 디스플레이하고, 저장한다. 이때, 검사자의 상태 파악이 용이하도록, 상기 가압하중, 인발하중, 온도 데이터의 시간에 따른 변화를 그래프 형태로 표현할 수 있다.

그리고 상기 컴퓨터(21)는 상기 저장된 인발 하중(F)와 가압 하중(N)을 이용하여 쿨롬 마찰계수(coulomb friction coefficient, μ=F/N)를 계산한다.

상기 마찰 측정 장치의 실시 예로서, 도 2는 폭 44mm, 길이 350mm의 HPF소재를 이용하여 800℃의 고온상태하에서 가압하중 318kg, 인발속도 20mm/sec로 하여 마찰 측정 실험을 실시하고, 그 결과를 표시한 것이다. 그리고 도 3은 상기 실험에서 사용된 샘플 시편을 촬영한 사진이다.

이 실험에서 상기 측정된 인발하중과 가압하중들을 이용하여 측정된 쿠롬 마찰계수는 0.5169였으며, 상기 판재에 대하여 3회 반복하여 실험한 결과, 마찰계수의 측정 반복오차는 0.0176 이내였다.

단, 도 2와 도 3에서 알 마찰계수 계산시 시편이 정지상태에서 운동상태로 변환할때 설정 온도까지 도달하기 위한 정상 상태에 요구되는 최소의 시간이 필요하므로, 이 시간은 계산구간에서는 제외한다.

즉, 도 2의 그래프를 보면, 본 발명에 의한 마찰 계수 측정 장치에서는, 목표 온도(여기서는 800℃)까지 도달되는데 수초의 시간이 소요됨을 알 수 있으며, 실제 HPF 공정과 유사한 환경을 재연한 상태에서 마찰 계수를 측정할 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 마찰 계수 측정 장치를 이용함으로써, 열 간 및 온간 상태하에 있는 소재를 아주 짧은 시간내에 가열하여 이용자가 원하는 설정 온도로 재연성 있게 마찰 시험이 가능하며, 또한 동일한 강판에 대한 반복 마찰 계수 측정에서 오차가 ±0.0176 이내로 통상의 방법보다 재현성 및 신뢰성이 우수하다.

Claims (6)

1. 전자 유도 작용에 의하여 열을 발생시켜 마찰계수를 측정하고자 하는 강판을 가열하는 고주파 유도 가열부;

   상기 강판을 가압하면서 가압하중을 측정하는 가압하중 측정부;

   상기 강판을 소정 속도로 인발하면서 인발하중을 측정하는 인발하중 측정부;

   상기 강판의 표면 온도를 측정하는 온도 측정 센서;

   지정된 마찰 계수 측정 조건에 맞추어 상기 고주파 유도 가열부와 가압하중 측정부와 인발하중 측정부를 동작시키면서, 이때 측정되는 가압하중과 인발하중및 온도값을 입력받아 모니터링하며 해당 강판의 마찰계수를 산출하는 컴퓨터를 포함하는 강판의 마찰계수 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가압하중 측정부는

   상기 강판의 상단에서 강판을 가압하는 금형부;

   상기 금형부에 의해 강판에 가해지는 가압하중을 측정하기 위하여 상기 금형부와 대향하도록 상기 강판의 하부에 설치되는 제1 유압실린더; 및

   상기 제1 유압실린더에 가해지는 가압하중을 측정하는 제1 로드셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 강판의 마찰 계수 측정 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 인발하중 측정부

   상기 강판의 일단을 고정시키기 위한 고정부;

   상기 고정부를 통해 상기 강판에 연결되어 상기 강판을 인발시키는 제2 유압실린더; 및

   상기 제2 유압실린더에 의한 인발하중을 측정하는 제2 로드셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 강판의 마찰 계수 측정 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 컴퓨터는

   지정된 검사 조건에 맞추어 상기 고주파 유도 가열부와 제1,2 유압실린더를 동작시킨 후 제1,2 로드셀에서 측정된 가압하중 및 인발하중과 온도 측정기에서 측정된 온도 값을 전달받아 표시 및 저장하고, 상기 측정된 인발하중과 가압하중을 이용하여 마찰 계수를 계산하는 것을 특징으로 하는 강판의 마찰 계수 측정 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 컴퓨터는

   측정하고자하는 강판의 이송 속도 및 온도에 맞추어 상기 고주파 유도 가열부의 전류 및 전압을 설정하는 것을 특징으로 하는 강판의 마찰 계수 측정 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 컴퓨터는

   상기 강판이 정지상태에서 처음 운동 상태로 변환될 때 설정된 온도에 도달하기까지의 초기 구간에서는 마찰 계수를 산출하지 않는 것을 특징으로 하는 강판의 마찰 계수 측정 장치.

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