KR20110016164A - 현가장치의 토션빔 제조공정 라인장치 및 이를 이용한 토션빔 성형 혼용 공법 - Google Patents

현가장치의 토션빔 제조공정 라인장치 및 이를 이용한 토션빔 성형 혼용 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 관모양(Tubular)을 갖는 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)의 성형 공정이 실온에서 냉간성형된 후 약 950℃ ~ 910℃ 온도로 가열된 다음, 재성형과 동시에 약 750℃ ~ 450℃로 1차 간접(금형)냉각을 실시한 후, 소재를 밖으로 끄집어내어 2차 수냉으로 소재 강도를 1000MPa ~1500Mpa로 올려주는 공법을 구현함으로써, 급랭이 일어나지 않는 낮은 온도로 퀀칭(Quenching)열처리된 상태에서 마르텐사이트(Martensite)와 베이나이트(Bainite) 및 페이라이드(Ferrite)를 혼용시킨 내부조직을 만들 수 있으므로, 퀀칭(Quenching)후 인성을 부여하고 피로 특성을 향상시키기 위해 적용되는 템퍼링(Tempering)과 같은 별도의 열처리 공정이 선택적으로 적용되는 특징을 갖는다.
토션빔, 간접냉각, 직접냉각, HPF(Hot Press Forming)

Description

현가장치의 토션빔 제조공정 라인장치 및 이를 이용한 토션빔 성형 혼용 공법{Suspension torsion beam manufacturing process line apparatus and hybrid press forming torsion beam thereof}
본 발명은 차량의 토션빔에 관한 것으로, 특히 현가장치의 토션빔 제조공정 라인장치 및 이를 이용한 토션빔 성형 혼용 공법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 현가 장치를 이루는 토션 빔(Torsion Beam)은 차량 선회시 차체의 평형을 유지해 차체 하중이 쏠리면서 기울어지는 현상을 방지하는 작용을 한다.
이와 같이 일종의 토션 바의 역할을 하는 토션빔은 양 쪽 차륜의 휠 센터 위상차 발생시 롤(Roll)의 제어를 위해 양 끝단 부위로 비틀림을 발생시키므로, 비틀림에 대한 강성 유지를 위해 보강재를 필요로 하고 구조도 다소 복잡한 단점도 갖는다.
이에 따라 토션빔에 사용되는 보강재를 줄이고 보강재부위를 보다 단순 구조로 만들기 위해 토션빔의 자체적인 강성 증대가 필요하고, 이를 위해 토션빔 성형시 토션빔 종류에 맞는 다양한 공법을 적용한다.
상기와 같은 토션빔중 관모양(Tubular)을 갖는 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)는 주로 중소형 승용차의 후방 현가장치에 적용되며, 성형 공정의 특정 단계에서 템퍼링(Tempering)이나 퀀칭(Quenching) 열처리해 자체적인 인장 강도를 높이고 강성도 강화시킨다.
이러한 열처리 방식은 가열후 성형시 금형내에서 냉각하는 간접냉각공정에 적용하는 방법과, 상온에서 제품성형후 가열후 물에서 냉각하는 직접냉각공정에 적용 방법으로 구분된다.
일례로, 상기 간접냉각공정에 적용된 열처리 방식은 인장강도 40Kg/㎟ ~ 60Kg/㎟인 원소재를 오스테나이트(Austenite)조직으로 만든 후, 프레스 성형함과 동시에 마르텐사이트(Martensite)조직으로 전환시킨 다음, 열처리를 다시 해 인장강도 100Kg/㎟ ~ 140Kg/㎟을 갖도록 하는 공정으로 수행된다.
이와 달리 상기 직접냉각공정(수냉)에 적용된 열처리 방식은 상온에서 프레스 성형된 인장강도 40Kg/㎟ ~ 60Kg/㎟인 원소재를 가열하여 오스테나이트(Austenite)조직으로 만든 후, 다시 수냉 급랭하여 마르텐사이트(Martensite)조직을 만들어 인장강도 140Kg/㎟을 갖도록 하는 공정으로 수행된다.
이와 같이 토션빔 특히, 관모양(Tubular)을 갖는 CTBA의 성형시 열처리를 추가함으로써, 인장강도 40Kg/㎟ ~ 60Kg/㎟인 원재료에서 CTBA 완제품을 인장강도 100Kg/㎟ ~ 140Kg/㎟으로 만들어 자체적인 강도와 강성을 강화시키는 장점을 갖는다.
하지만, 상기와 같은 열처리 방식은 고온 가열 후 짧은 시간에 물로 급랭함 으로써, 성형된 CTBA를 불량(제품규격에 미흡한) 상태로 만들어 주는 단점을 발생시킨다.
이와 같이 고온 가열 후 짧은 시간에 물로 급랭할 때 소재의 단면변화를 가져올 수 있으므로, 이러한 현상을 방지하는 지그(JIG)를 사용해야만 되는 단점을 발생시킨다.
또한, 성형중인 CTBA가 물로 급랭되면 마르텐사이트(Martensite)조직을 이루므로, 피로균열 방지를 위한 템퍼링(Tempering) 공정이 반드시 추가될 수밖에 없는 문제점도 발생된다.
이에 본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기위하여 발명된 것으로, 실온에서 냉간확관성형으로 원소재를 프리포밍(Free Forming)한 상태에서 가열한 후, 간접 방식으로 일정온도까지 냉각하면서 원하는 형상으로 프레스금형에서 재성형한 다음 다시 수냉 열처리함으로써, 고온성형에의한 스프링백 현상 문제점을 제거하고, 일정온도 이하에서 수냉 열처리로서 형상과 치수 변화를 방지하며, 부위별 냉각차로 인한 강도차이 형성을 방지할 수 있는 토션빔 성형 혼용 공법을 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 강성강화를 위한 열처리 공정중 템퍼링(Tempering) 공정을 선택적으로 수행함으로써, 완료를 위한 전체 공정을 보다 단축할 수 있는 토션빔 성형 혼용 공법을 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 강성강화를 위한 열처리 공정시 냉각수를 이용하더라도 급격하고 빠르게 냉각되지 않음으로써, 템퍼링(Tempering) 공정이 요구되지 않고, 마르텐사이트(Martensite)조직과 베이나이트(Bainite)조직과 페이라이드(Ferrite)조직이 혼용되어 인성을 갖는 내부 조직을 만들어 피로 특성을 향상시킨 토션빔 성형 혼용 공법을 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 냉간확관성형이 실온에서 이루어진 원소재를 이동하고 특정 온도로 가열하는 공정과, 가열된 원소재를 이동해 간접 냉각하면서 형상 마무리를 위한 재성형 후 수냉 열처리 공정으로 이동하는 공정과, 후처리 가공해 완제품 만들어 주는 공정들이 순차적으로 이루어짐으로써, 성형 혼용 공법을 이용해 토션빔을 제조할 수 있는 공정라인장치를 제공함에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 현가장치의 토션빔 제조공정 라인장치는 원재료(1)를 다이(12)에 올려 사이드펀치(13)로 측면을 펀치(11)로 위쪽을 성형하는 냉간성형 금형(10)을 이용해, 실온에서 냉간성형으로 프리 포밍소재(2,Pre Forming)로 성형하는 실온성형공정장치(A)와;
상기 프리 포밍소재(2)를 세팅하고 온도를 높일 수 있는 히터가 구비된 가열기(20)로 상기 프리 포밍소재(2)를 가열해, 반제품소재(3)로 만드는 가열공정장치(B)와;
상기 반제품소재(3)를 세팅하고 재성형해 가공 완제품(4)으로 만드는 성형 금형(31)과, 재성형시 상기 반제품소재(3)가 간접냉각되도록 상기 반제품소재(4)의 주변으로 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환라인(36)과, 냉각수의 순환을 제어하는 조작반(37)을 포함한 프레스 금형(30)을 이용해, 상기 반제품소재(3)를 간접냉각하면서 재성형해 가공 완제품(4)으로 만드는 재성형공정장치(C)와;
상기 가공 완제품(4)에 대한 열처리를 수행하여 열처리 완제품으로 만드는 열처리공정장치(D,E)와;
상기 열처리 완제품을 세팅하고 마무리 가공해 최종 완제품(8)으로 만드는 후처리공정장치(F,G)와;
상기 최종 완제품(8)을 실온에서 외부에 적재시키는 언로딩공정장치(H)가 순차적으로 이어진 설비 배열을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 실온성형공정장치(A)와 가열공정장치(B)의 사이로는 상기 프리 포밍소재(2)를 이송해 세척하는 세척설비와, 건조시키는 건조설비와, 갈라지거나 균열 상태를 육안 검사하는 검사설비를 갖춘 로딩공정장치(a)가 더 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 냉각수 순환라인(36)은 상기 성형금형(31)의 폭을 가로지르는 가로라인(36a)과, 상기 가로라인(36a)에 연결되어 세팅된 상기 반제품소재(3)의 전체 길이를 따라 형상이 달라지는 단면을 감싸는 냉각라인(36b)으로 이루어지고, 냉각수 가 유입되는 유입구 부위와 냉각수가 배출되는 배출구 부위에 각각 온도센서(38,39)가 설치된다.
상기 냉각라인(36b)은 트레일링암쪽에 직접 체결되는 부위에 이어지는 일부구간을 감싼 냉각수관이 타 부위에 비해 상대적으로 높은 단면형상 일치도와 촘촘한 간격밀도를 갖는다.
상기 열처리공정장치는 상기 가공 완제품(4)이 세팅되고 냉각수를 채울수 있는 공간을 갖춘 설비를 이용해, 상기 가공 완제품(4)이 냉각수에 완전히 담긴 상태에서 ??칭(Quenching)이 이루어져 1차 열처리 완제품(5)으로 만드는 1차 열처리공정장치(D)와, 상기 1차 열처리 완제품(5)이 세팅되고 냉각수를 공급할 수 있는 공간을 갖춘 설비를 이용해, 상기 1차 열처리 완제품(5)을 다시 가열후 공냉시키는 템퍼링(Tempering)이 이루어져 2차 열처리 완제품(6)으로 만드는 2차 열처리공정장치(E)로 구성한다.
또한, 본 발명은 토션빔 성형 혼형공법이 원재료(1)를 실온 조건에서 냉간확관성형으로 미완성된 토션빔 형상을 갖는 프리 포밍소재(2,Pre Forming)로 성형하는 실온성형단계; 상기 프리 포밍소재(2)를 고온으로 가열해 반제품소재(3)로 만드는 가열단계; 상기 반제품소재(3)의 주변으로 금형내 냉각수를 순환시키는 간접 방식으로 냉각하면서, 100% 토션빔 형상을 갖는 가공 완제품(4)으로 성형하는 재성형 단계; 상기 가공 완제품(4)을 적어도 1번 이상의 열처리를 수행해 열처리 완제품을 만드는 열처리단계; 상기 열처리 완제품을 숏트 브라스트(Shot Blast) 작업으로 표면 처리하고, 레이저 커팅(Laser Cutting)작업을 거쳐 최종 완제품(8)으로 만든 후 실온에 적재시키는 후처리 단계;로 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 실온성형단계와 가열단계사이에는 상기 프리 포밍소재(2)를 세척과 건조하고 외관 검사를 거쳐 불량상태를 가리는 로딩단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 프리 포밍소재(2)의 성형정도는 100% 토션빔 형상 대비 50% ~ 80% 정도로 성형한다.
상기 반제품소재(3)는 상기 프리 포밍소재(2)를 5분 ~ 10분 동안 가열해 950℃ ~ 910℃의 온도를 갖도록 한다.
상기 반제품소재(3)에 대한 냉각수 간접 냉각 방식은 반제품소재(3)의 전체 길이에 따른 구간별 단면 변화에 맞추어 감싼 상태에서 냉각수를 순환시키는 방식이며, 상기 냉각수는 입구부위에서 약 5℃ ~ 30℃ 온도를 유지하고, 출구부위에서 약 50℃ 이하로 유지된 조건에서 2초 ~ 15초 순환주기를 갖는다.
상기 가공 완제품(4)의 최고온도는 반제품소재(3)의 가열 온도에 비해 79% ~ 82%의 범위이고, 상기 가공 완제품(4)의 최저 온도는 반제품소재(3)의 가열 온도에 비해 47% ~ 49%의 범위를 갖는다.
상기 가공 완제품(4)은 현가부품쪽에 직접 체결되는 부위에서 이어지는 일부구간이 타 부위에 비해 상대적으로 높은 마르텐사이트(Martensite)체적비율을 형성한다.
상기 열처리는 가공 완제품(4)을 냉각수에 담가 냉각하는 퀀칭(Quenching)열처리 후, 퀀칭(Quenching)처리된 상태에서 템퍼링(Tempering)열처리가 수행되는 두단계로 구분되되, 상기 템퍼링(Tempering)열처리는 선택적으로 수행된다.
상기 퀀칭(Quenching)열처리는 45℃ 이하의 온도를 유지한 냉각수를 이용해 수행되어, 퀀칭(Quenching)열처리된 가공 완제품(4)은 마르텐사이트(Martensite)조직과, 베이나이트(Bainite)조직 및 페이라이드(Ferrite)조직을 혼용한 내부조직을 갖는 1차 열처리 완제품(5)으로 만들어진다.
상기 템퍼링(Tempering)열처리는 상기 퀀칭(Quenching)열처리된 가공 완제품(4)의 피로특성을 증대시킬 때 만 수행되며, 200℃ ~ 500℃의 온도에서 3분 ~ 15분 동안 가열후 공냉(서냉)한다.
이러한 본 발명에 의하면, 실온에서 냉간확관성형한 후 형상 마무리를 위한 재성형이 높은 온도 상태에서 이루어져 스프링백 현상을 차단함으로써, 성형시 설계된 형상과 치수규격을 만족하는 토션빔을 성형할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 고온 상태에서 재성형이 이루어질 때 냉각수가 주변을 흐르면서 간접방식으로 온도를 낮추어줌으로써, 재성형 완료후 이어지는 열처리과정에서 고온으로부터 급격하고 빠른 급냉각이 없으므로, 열처리로 인한 형상과 치수 변화를 방지하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 고온 상태에서 재성형이 이루어질 때 냉각수를 이용해 수행되는 간접냉각방식에서 현가부품(트레일링암)쪽에 직접 체결되는 부위에서 이어지는 일부구간의 냉각율을 높임으로써, 타 부위에 비해 상대적으로 높은 마르텐사이트(Martensite)체적비율을 형성하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 재성형시 냉각수를 이용한 간접냉각을 거치므로 이어지는 퀀칭(Quenching) 열처리에서 고온으로부터 급격하고 빠른 급냉각이 없도록 함으로써, 열처리된 내부조직이 마르텐사이트(Martensite)와 베이나이트(Bainite)와 페이라이드(Ferrite)로 혼용되므로, 단 한번의 퀀칭(Quenching) 열처리만으로도 인성이 부여되어 피로 특성을 향상시킨 토션빔을 만들 수 있는 효과도 갖는다.
또한, 본 발명은 2차 냉각시 퀀칭(Quenching) 열처리가 냉각수에 완전히 담근 상태에서 이루어짐으로써, 굴곡진 단면을 갖는 복잡한 형상일 경우라도 부위별 냉각차가 형성되지 않으므로 전체적으로 균일한 강도 분포로 만드는 효과를 갖는 다.
또한, 본 발명은 최초로 수행되는 퀀칭(Quenching) 열처리시 급냉각에 따른 제반 문제를 발생시키지 않으므로, 퀀칭(Quenching) 열처리 후 필수적으로 거쳐야하는 템퍼링(Tempering) 열처리 공정이 생략될 수 있어 전체 공정을 보다 단축하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 퀀칭(Quenching) 열처리 후 템퍼링(Tempering) 열처리가 수행됨으로써, 퀀칭(Quenching) 열처리된 상태에 비해 신율이 더 증진된 상태로 만들 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 전체적인 토션빔이 성형 혼용 공법이 순차적이고 연속적인 공정라인으로 이어짐으로써, 전체적인 공정을 보다 편리하게 수행할 수 있는 효과를 갖는다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 현가장치의 토션빔 제조공정 라인장치의 구성도를 도시한 것인바, 본 발명의 제조공정 라인장치는 중공 원형 타입 원재료(1)를 실온에서 냉간확관성형(냉간성형)으로 프리 포밍소재(2,Pre Forming)하는 실온성형공정장 치(A)와, 상기 프리 포밍소재(2)를 가열해 반제품소재(3)로 만드는 가열공정장치(B)와, 상기 반제품소재(3)를 간접냉각하면서 재성형해 가공 완제품(4)으로 만드는 재성형공정장치(C)가 순차적으로 이어진다.
상기 실온성형공정장치(A)는 실온 상태에서 냉간성형 금형(10)을 이용해 이루어지며, 상기 냉간성형 금형(10)은 다이(12)에 올려진 원재료(1)의 측면을 사이드펀치(13)로 잡고, 원재료(1)의 위쪽에서 펀치(11)로 가공해 프리 포밍소재(2)로 성형시킨다.
본 실시예에서는 원재료(1)를 다양한 소재로 적용할 수 있지만, 보론(Boron)이 첨가된 열처리 소재를 적용한다.
상기 가열공정장치(B)는 프리 포밍소재(2)를 올려놓은 후 열을 가해줄 수 있는 구조를 갖춘 가열로(20)를 이용해 이루어지며, 상기 프리 포밍소재(2)의 가열을 약 5분 ~ 10분 동안 지속해 약 950℃ ~ 910℃까지 온도를 상승시킨 반제품소재(3)로 만들어준다.
본 실시예에 따른 상기 실온성형공정장치(A)와 가열공정장치(B)의 사이로는 프리 포밍소재(2)를 이송하는 로딩공정장치(a)가 더 구비되며, 상기 로딩공정장치(a)는 프리 포밍소재(2)를 올려놓고 세척과 건조시키는 과정과 갈라지거나 터진 상태에 대한 육안 검사 과정을 포함하며, 이를 위한 각각의 설비들이 설치된다.
일례로, 프리 포밍소재(2)를 올려놓고 이송하기 위한 롤러 컨베이어와 프리 포밍소재(2)를 집어 올릴 수 있는 로봇팔과 같은 장비들이 적용될 수 있다.
그리고, 상기 재성형공정장치(C)는 본 실시예에서 주요 핵심 공정으로서, 이 를 통해 퀀칭(Quenching)열처리시 급냉을 방지하므로 이후 템퍼링(Tempering) 열처리공정이 없이도 균일한 강성을 갖는 품질을 얻을 수 있다.
상기와 같은 재성형공정장치(C)는 냉각수 순환이 이루어지는 프레스 금형(30)을 이용하며, 이는 도 2에 도시된다.
도시된 바와 같이, 상기 프레스 금형(30)은 고온 가열된 반제품소재(3)를 올려 재성형하는 성형 금형(31)과, 상기 반제품소재(3)의 주변으로 냉각수가 순환되는 냉각수 순환라인(36)과, 냉각수의 순환을 제어하는 조작반(37)을 갖춘다.
상기와 같은 프레스 금형(30)은 소재를 성형하기 위해 필요한 설비들을 갖추며, 이러한 설비들은 통상적인 프레스 금형과 동일하다.
본 실시예에 따른 상기 성형금형(31)은 하부·상부 다이(32,33)를 갖추고, 상기 하부·상부 다이(32,33)의 양쪽으로는 반제품소재(3)의 양쪽을 성형하는 한쌍의 사이드펀치금형(34,35)를 갖춘 구성으로서, 반제품소재(3)를 완전한 토션빔 형상으로 재성형해 낮은 온도로 가열된 상태의 가공 완제품(4)으로 만들어 준다.
이때, 약 950℃ ~ 910℃ 온도로 가열된 반제품소재(3)는 약 880℃ ~ 800℃ 정도로 온도가 낮추어진 상태에서 가공 완제품(4)으로 성형이 개시되고, 성형된 가공 완제품(4)은 약 750℃ ~ 450℃ 온도로 낮추어진 상태에서 성형완료된다.
본 실시예에 따른 상기 냉각수 순환라인(36)은 반제품소재(3)를 간접 방식으로 냉각시키도록 설치되며, 이는 도 2에 도시된다.
도시된 바와 같이, 상기 냉각수 순환라인(36)은 세팅된 반제품소재(3)의 형상을 따라 주변을 감싸도록 배열된 다수의 냉각수관으로 이루어지며, 재성형공정시 냉각수 순환시간은 약 2초 ~ 15초 정도를 갖는다.
도 3에는 상기 냉각수 순환라인(36)의 배열 상태가 보다 상세히 나타나는데, 도시된 바와 같이 성형금형(31)의 폭을 가로지르는 가로라인(36a)에 연결되어 토션빔의 전체 길이를 따라 형상이 달라지는 단면을 감싸는 냉각라인(36b)으로 이루어진다.
상기 가로라인(36a)은 냉각수 유입구에서 배출구사이를 일정한 간격으로 배열되며, 상기 냉각라인(36b)은 일부는 하부 다이(32)쪽으로 설치되고 나머지는 상부 다이(33)쪽으로 설치된다.
본 실시예에서는 상기 냉각라인(36b)은 도3에서 도2의 단면 B-B를 나타낸 바와 같이, 단면형상에 거의 일치시키고 타부위에 비해 상대적으로 촘촘한 냉각수관 간격을 갖도록 한다.
이는 도2의 단면 B-B를 나타낸 부위가 타부위에 비해 상대적으로 마르텐사이트(Martensite) 체적비율을 높여줌으로써, 트레일링암쪽으로 체결된 상태에서 받는 하중에 대한 내구성을 증대할 수 있는 보다 강한 강성을 부여하기 위함이다.
본 실시예에 따른 상기 조작반(37)은 구동신호와 정지신호 및 인터럽트(Interrupt)신호와 같은 제어 신호를 발생함과 더불어, 냉각수의 온도를 제어하도록 온도센서(38,39)와 회로를 구성한다.
상기와 같은 온도센서(38,39)는 냉각수 순환라인(36)으로 냉각수가 유입되는 유입구 부위와, 냉각수 순환라인(36)에서 냉각수가 배출되는 배출구 부위에 각각 설치한다.
이와 더불어 본 발명의 제조공정 라인장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 가공 완제품(4)에 열처리를 수행하여 열처리 완제품(5,6)으로 만드는 열처리공정장치가 더 이어진다.
상기와 같은 열처리공정장치는 가공 완제품(4)을 1차 열처리 완제품(5)으로 만들도록 물로 직접 냉각하는 2차 냉각인 퀀칭(Quenching)이 이루어지는 1차 열처리공정장치(D)와, 1차 열처리 완제품(5)을 다시 2차 열처리 완제품(6)으로 만드는 템퍼링(Tempering)이 이루어지는 2차 열처리공정장치(E)로 구분된다.
본 실시예에서는 1차 열처리공정후 2차 열처리공정이 요구되지 않는데, 이는 1차 열처리공정장치(D)가 수행되기전 만들어진 가공 완제품(4)이 금형에서 간접방식으로 1차 냉각되면서 성형됨으로써, 약 950℃ ~ 910℃ 온도를 갖는 반제품소재(3)에 비해 가공 완제품(4)이 상대적으로 낮은 약 750℃ ~ 450℃ 온도이므로, 물에 직접 담가 냉각하는 2차 냉각이 이루어지더라도 급격한 급냉각이 없음에 기인한다.
이러한 급냉각이 없음은 2차 냉각시 수행되는 퀀칭(Quenching) 공정시 마르텐사이트(Martensite)조직뿐아니라, 베이나이트(Bainite)조직과 페이라이드(Ferrite)조직도 함께 형성됨을 의미하며, 이러한 내부 조직 다양성이 인성을 부여하고 피로 특성을 향상시키므로 템퍼링(Tempering)과 같은 별도의 열처리 공정이 필요하지 않게 된다.
상기 1차 열처리공정장치(D)는 상기 가공 완제품(4)이 냉각수에 완전히 담긴 상태에서 퀀칭(Quenching)이 이루어지도록, 상기 가공 완제품(4)이 세팅되고 냉각 수를 채울수 있는 공간을 갖춘 설비를 이용한다.
상기와 같은 1차 열처리공정장치(D)는 물에 완전히 담가 냉각하는 방식이므로, 이를 위한 냉각 장치를 별도로 설치할 수 있지만, 가공 완제품(4)을 수용하고 냉각수가 채워질 수 있도록 상기 프레스 금형(30)에 설치할 수 있다.
본 실시예에따른 2차 열처리공정장치(E)는 템퍼링(Tempering)을 수행하는 장치로서, 200℃ ~ 500℃의 온도에서 3분 ~ 15분 동안 가열후 공냉(서냉)하여 2차 열처리 완제품(6)으로 만들어준다.
상기 2차 열처리공정장치(E)는 상기 1차 열처리 완제품(5)이 세팅되고 가열될 수 있는 공간을 갖춘 설비를 이용한다.
이에 더해 본 발명의 제조공정 라인장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1·2열처리 완제품(5,6)을 최종 완제품(8)으로 만드는 후처리공정장치와, 상기 최종 완제품(8)을 공냉시키는 언로딩공정장치(H)가 순차적으로 더 이어진다.
상기 후처리공정장치는 브라스트(Shot Blast)공정장치(F)와 커팅공정장치(G)가 순차적으로 수행되며, 상기 브라스트(Shot Blast)공정을 거친 제1열처리 완제품(5)이나 또는 제2열처리 완제품(6)은 표면처리된 후처리 완제품(7)으로 만들어진 다음, 상기 커팅공정장치(G)에서 레이저 커팅(Laser Cutting) 작업을 통해 최종 완제품(8)으로 만들어진다.
상기 최종 완제품(8)은 토션빔으로서, 특히 관모양(Tubular)을 갖는 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)이다.
본 실시예에 따른 상기 언로딩공정장치(H)는 레이저 커팅(Laser Cutting) 작 업을 통해 만들어진 최종 완제품(8)을 실온에서 외부에 적재하기 위한 설비이다.
도 4는 본 실시예에 따른 토션빔 제조공정 라인장치를 이용해 관모양(Tubular) CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)을 성형하는 공정을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 준비된 인장강도 약 40Kg/㎟ ~ 60Kg/㎟인 보론(Boron)이 첨가된 원재료(1)를 실온성형공정(A)을 수행하는 냉간성형금형(10)에 세팅한 후, 실온 조건에서 냉간확관성형해 토션빔 형상을 갖는 프리 포밍소재(2,Pre Forming)로 성형한다.
상기 냉간성형 금형(10)은 다이(12)에 올려진 원재료(1)의 측면을 사이드펀치(13)로 잡고, 원재료(1)의 위쪽에서 펀치(11)로 가공하는 방식이며, 이는 일반적으로 적용되는 냉간확관성형을 위한 구성이다.
상기 프리 포밍소재(2)의 성형정도는 실제적인 토션빔 형상의 약 50% ~ 80% 정도이다.
냉간확관성형된 상기 프리 포밍소재(2)는 냉간성형 금형(10)에서 인출되어 로딩공정장치(a)쪽으로 이동되며, 이러한 로딩공정장치(a)로 이동된 프리 포밍소재(2)는 세척과 건조 과정을 거친 후 외관 검사를 거쳐, 다음 단계로 넘어가기 위한 절차를 수행하고 불량품이 다음 단계로 넘어가지 않도록 한다.
검사를 마친 상기 프리 포밍소재(2)는 가열로(20)에 세팅되어 고온으로 가열되는 가열공정장치(B)를 거쳐 반제품소재(3)로 만들어 준다.
이러한 가열공정장치(B)를 이용한 가열공정은 약 5분 ~ 10분 동안 지속해 약 950℃ ~ 910℃까지 프리 포밍소재(2)의 온도를 상승시키고, 이러한 고온 상태의 반제품소재(3)를 만든다.
상기와 같이 최대 950℃까지 프리 포밍소재(2)를 가열하는 것은 내부조직을 오스테나이드(Austenite)화시키는 A3변태점 온도에 기인하며, 이로 인해 반제품소재(3)는 오스테나이드(Austenite)조직을 갖는다.
약 950℃ ~ 910℃까지 가열된 반제품소재(3)는 재성형공정장치(C)를 거쳐 100% 완전한 토션빔 형상으로 성형되며, 이를 위한 프레스 금형(30)은 도 2에 도시된다.
도시된 바와 같이, 반제품소재(3)를 올려놓고 성형하는 한쌍의 하부·상부 다이(32,33)와 더불어, 성형되는 반제품소재(3)의 양쪽을 가공하는 한쌍의 사이드펀치금형(34,35)를 갖춘 구성이며, 이러한 구성에 더해 통상적인 프레스 금형과 같은 여러 설비들을 갖춘다.
상기와 같은 프레스 금형(30)은 작동은 성형금형(31)과 좌·우 실린더(34,35)를 작동시키는 조작반(37)을 통해 이루어지며, 작업 완료후 100% 완전한 토션빔 형상으로 성형된 가공 완제품(4)을 얻는다.
본 실시예에 따른 가공 완제품(4)은 도 5에 도시되며, 이러한 토션빔은 관모양(Tubular)을 갖는 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)의 일반적인 구조를 나타낸다.
상기와 같은 재성형공정장치(C)를 이용한 재성형공정에서는 반제품소재(3)와 가공 완제품(4)간 온도차이를 갖는데, 일례로 반제품소재(3)는 약 950℃ ~ 910℃인 데 반해 성형 완료된 가공 완제품(4)은 약 750℃ ~ 450℃ 온도로 떨어져, 가공 완제품(4)의 온도가 낮아진 상태로 된다.
이때, 반제품소재(3)가 프레스금형(30)에 세팅되면 약 950℃ ~ 910℃에서 약 880℃ ~ 800℃로 온도가 낮추어지는데, 이는 반제품소재(3)의 이동과 세팅에 따른 공냉에 기인한다.
이와 같이 약 880℃ ~ 800℃의 높은 온도에서 반제품소재(3)가 성형됨으로써, 스프링백 현상이 없이 가공될 수 있어 성형 완료된 가공 완제품(4)은 치수 정밀도가 매우 높게 유지될 수 있다.
상기 가공 완제품(4)의 온도가 약 750℃ ~ 450℃로 구체화되었지만, 실제적으로 가공 완제품(4)의 온도 범위는 반제품소재(3)의 가열 온도에 따른 온도 범위를 갖는다.
일례로, 약 950℃ ~ 910℃인 반제품소재(3)를 기준으로 할 때, 가공 완제품(4)의 최고온도가 750℃인 경우 상기 가공 완제품(4)은 반제품소재(3)의 가열 온도에 비해 79% ~ 82%의 범위이고, 상기 가공 완제품(4)의 최저 온도가 450℃인 경우 반제품소재(3)의 가열 온도에 비해 47% ~ 49%의 범위에서 맞추어진다.
또한, 전술한 바와 같이 상기 재성형공정에서는 냉각수를 반제품소재(3)의 주변으로 순환시켜 온도를 낮추는 조건하에서 반제품소재(3)를 가공 완제품(4)으로 성형함으로써, 성형완료된 가공 완제품(4)은 약 880℃ ~ 800℃에 비해 상대적으로 낮은 약 750℃ ~ 450℃ 온도를 가지므로, 열처리 단계에서 급격한 온도 변화로 인한 급랭 현상 없이 1차 퀀칭(Quenching)작업을 수행할 수 있는 특징을 갖는다.
상기와 같이 반제품소재(3)의 온도를 낮추어 1차 냉각하는 냉각수 공급은 도2,3에 도시된 바와 같이, 반제품소재(3)의 주위를 감싸는 냉각수 순환라인(36)을 통해 이루어져 공급후 약 2초 ~ 15초 순환주기를 갖으며, 이러한 주기는 필요에 따라 반복 수행된다.
상기 냉각수는 출구부위에서 약 50℃ 이하로 유지된 조건이 요구되며, 이를 위해 입구 부위와 출구부위에 설치되어 냉각수 온도를 측정하는 온도센서(38,39)를 이용한다.
이와 같이 간접냉각방식으로 냉각되면서 100% 형상으로 성형이 이루어진 가공 완제품(4)의 온도가 약 750℃ ~ 450℃로 낮추어짐으로써, 전술한 바와 같이 이후 단계에서 수행되는 2차 냉각이면서 1차 열처리인 퀀칭(Quenching)열처리시 급격한 급냉 현상을 줄일 수 있고, 이로 인해 퀀칭(Quenching)처리 후 다시 템퍼링(Tempering)처리를 요구하지 않는다.
이는 냉각수에 완전히 담가주는 열처리시 약 880℃ ~ 800℃ 온도에서 이루어지는 것에 비해, 온도차이에 따른 급격한 급냉 비율을 크게 낮출 수 있는 상대적으로 낮은 온도인 약 750℃ ~ 450℃에서 이루어짐에 기인한다.
이러한 퀀칭(Quenching)작업시 약 45℃ 이하의 온도를 유지한 냉각수를 이용한다.
본 실시예에서는 상기와 같은 금형내에서 간접냉각방식이 수행되면, 마르텐사이트(Martensite)조직의 체적비율이 타 부위에 비해 상대적으로 높게 형성된 가공 완제품(4)을 만들 수 있게 된다.
이는 냉각수가 흐르는 냉각라인(36b)이 도3에 도시된 도2의 단면 B-B와 같이, 단면형상에 거의 일치되고 타부위에 비해 상대적으로 촘촘한 냉각수관 간격을 갖춤으로써, 상대적으로 단면형상 일치성과 냉각수관 간격의 밀집도가 덜한 냉각라인(36b)이 감싼 단면 A-A나 단면 C-C 부위에 비해 단면 B-B 부위쪽에서 보다 높은 마르텐사이트(Martensite) 체적비율을 형성할 수 있게 된다.
이와 같이 가공 완제품(4)의 단면 B-B를 부위에서 마르텐사이트(Martensite) 체적비율이 타부위에 비해 상대적으로 높게 되면, 마르텐사이트(Martensite)조직의 물성으로 인해 현가부품(트레일링암)쪽에 체결된 상태에서 외력에 대한 내구성을 높이는 강한 강성을 갖을 수 있다.
이어, 상기한 바와 같이 약 750℃ ~ 450℃ 온도로 낮추어진 가공 완제품(4)은 2차 냉각으로서 물에 완전히 담가 냉각하는 퀀칭(Quenching)작업으로 1차열처리공정이 수행되며, 이를 통해 1차 열처리 완제품(5)은 마르텐사이트(Martensite)조직만 갖는 급격한 급냉 조건을 회피한 상태에서 만들어진다.
도 6은 1차 열처리 완제품(5)에 대한 내부 조직 분포를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 마르텐사이트(Martensite)조직과 더불어 베이나이트(Bainite)조직과 페이라이드(Ferrite)조직도 함께 형성된다.
상기 베이나이트(Bainite)조직 비율은 약 1%이내이며, 상기 페이라이드(Ferrite)조직 비율은 약 5% 이내로 분포된다.
상기와 같이 마르텐사이트(Martensite)조직과 베이나이트(Bainite) 및 페이라이드(Ferrite)조직이 함께 혼용되면, 이로 인하여 인성이 부여되어 피로 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 1차 열처리 완제품(5)을 만드는 퀀칭(Quenching)작업이 냉각수에 완전히 담근 상태로 이루어짐으로써, 도 5와 같이 내부 공간이 있는 단면 구조라도 균일하게 냉각되어 +/- 50정도의 미소한 강도 편차만을 갖는 균일한 상태를 갖는다.
본 실시예에서는 1차 열처리 완제품(5)에 대한 2차 열처리인 템퍼링(Tempering)작업이 선택적으로 적용될 수 있다.
이는 템퍼링(Tempering)을 적용해 2차 열처리 완제품(6)을 만들게 되면, 2차 열처리 완제품(6)은 1차 열처리 완제품(5)에 비해 단지 베이나이트(Bainite)조직 비율이 최대로 약 10%로 상승될 뿐 현저한 물성 변화가 없음에 기인한다.
상기 베이나이트(Bainite)조직 비율의 상승폭은 템퍼링(Tempering)의 처리시간과 온도에 좌우되며, 통상 약 200℃ ~ 500℃ 온도에서 약 3 ~ 15분 동안 가열후 공냉(서냉)한다.
상기와 같이 본 실시예에 따른 공정을 거쳐 열처리가 완료된 1차 열처리 완제품(5)과 2차 열처리 완제품(6)은 높은 물성 특성을 갖는데, 일례로 1차 열처리 완제품(5)은 인장강도가 약 120Kg/㎟(1200MPa) ~ 145Kg/㎟(1400MPa)로 증가하고, 신율은 약 11%를 갖는다.
상기와 같은 물성을 갖는 1차 열처리 완제품(5)을 템퍼링(Tempering)처리한 2차 열처리 완제품(6)은 인장강도가 약 90Kg/㎟(900MPa) ~ 110Kg/㎟(1000MPa)로 증가하고, 신율은 약 12% ~ 14%를 갖는다.
이와 같이 1차 열처리 완제품(5)이나 또는 2차 열처리 완제품(6)은 다음 단 계로 이송되어 후처리 장치를 이용해 이후 공정을 수행한다.
상기 후처리 작업 공정은 브라스트(Shot Blast)공정장치(F)를 이용해 표면을 가공하는 브라스트(Shot Blast)공정을 거쳐 1차 열처리 완제품(5)이나 또는 2차 열처리 완제품(6)을 후처리 완제품(7)으로 만들고, 커팅공정장치(G)를 이용해 상기 후처리 완제품(7)에 레이저 커팅(Laser Cutting)작업을 가하는 커팅공정을 거친 후, 최종 완제품(8)으로 만들어 준다.
상기와 같이 커팅공정을 통해 만들어진 최종 완제품(8)은 언로딩공정장치(H)쪽으로 옮긴 후, 실온에서 적재시킨다.
설명된 바와 같이 관모양(Tubular)을 갖는 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)를 성형할 때, 실온에서 냉간확관성형된 후 고온 가열된 상태에서 재성형시 금형내에서 간접 냉각으로 온도를 낮춘 다음 물속에 담그는 2차 냉각을 이용한 퀀칭(Quenching)열처리됨으로써, 단면 공간에 관계없이 균일한 냉각이 이루어져 편차가 거의 없는 균일한 강도를 갖고, 마르텐사이트(Martensite)조직만 형성되는 급격한 급냉 현상이 방지되어져 퀀칭(Quenching)후 피로특성을 향상시키기 위한 템퍼링(Tempering)과 같은 별도의 열처리 공정을 선택적으로 적용할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 현가장치의 토션빔 제조공정 라인장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 토션빔의 재성형을 위한 프레스 금형의 구성도
도 3은 도 2의 섹션 단면 구성도
도 4는 본 발명에 따른 현가장치의 토션빔 제조공정 라인장치를 이용한 토션빔 성형 혼용 공법의 흐름도
도 5는 도 4를 이용해 제조된 관모양(Tubular)을 갖는 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)의 구성도
도 6은 본 발명에 따른 도 5에 따른 CTBA의 내부 조직도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 원재료 2 : 프리포밍소재
3 : 반제품소재 4 : 가공 완제품
5 : 1차 열처리 완제품 6 : 2차 열처리 완제품
7 : 후처리 완제품 8 : 최종 완제품
10 : 냉간성형 금형 11 : 펀치
12 : 다이 13 : 사이드펀치
20 : 가열로 30 : 프레스 금형
31 : 성형 금형 32,33 : 하부·상부 다이
34,35 : 좌·우 사이드펀치금형
36 : 냉각수 순환라인
37 : 조작반 38,39 : 온도센서
A : 실온성형공정장치 a : 로딩공정장치
B : 가열공정장치 C : 재성형공정장치
D : 1차 열처리공정장치 E : 2차 열처리공정장치
F : 브라스트(Shot Blast)공정장치
G : 커팅공정장치 H : 언로딩공정장치

Claims (18)

  1. 원재료를 다이에 올려 사이드펀치로 측면을 성형하고, 펀치로 측면을 제외한 부위를 성형하는 냉간성형 금형을 이용해, 실온에서 냉간성형으로 프리 포밍소재(Pre Forming)로 성형하는 실온성형공정장치와;
    상기 프리 포밍소재를 세팅하고 온도를 높일 수 있는 히터가 구비된 가열기로 상기 프리 포밍소재를 가열해, 반제품소재로 만드는 가열공정장치와;
    상기 반제품소재를 세팅하고 재성형해 가공 완제품으로 만드는 성형 금형과, 재성형시 상기 반제품소재가 간접냉각되도록 상기 반제품소재의 주변으로 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환라인과, 냉각수의 순환을 제어하는 조작반을 포함한 프레스 금형을 이용해, 상기 반제품소재를 간접냉각하면서 재성형하여 가공 완제품으로 만드는 재성형공정장치와;
    상기 가공 완제품에 대한 열처리를 수행하여 열처리 완제품으로 만드는 열처리공정장치와;
    상기 열처리 완제품을 세팅하고 마무리 가공해 최종 완제품으로 만드는 후처리공정장치와;
    상기 최종 완제품을 실온에서 외부에 적재시키는 언로딩공정장치가 순차적으로 이어진 설비 배열을 갖는 것을 특징으로 하는 현가장치의 토션빔 제조공정 라인장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 실온성형공정장치와 가열공정장치의 사이로는 상기 프리 포밍소재를 이송해 세척하는 세척설비와, 건조시키는 건조설비와, 갈라지거나 균열 상태를 육안 검사하는 검사설비를 갖춘 로딩공정장치가 더 포함된 것을 특징으로 하는 현가장치의 토션빔 제조공정 라인장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각수 순환라인은 상기 성형금형의 폭을 가로지르는 가로라인과, 상기 가로라인에 연결되어 세팅된 상기 반제품소재의 전체 길이를 따라 형상이 달라지는 단면을 감싸는 냉각라인으로 이루어지고, 냉각수가 유입되는 유입구 부위와 냉각수가 배출되는 배출구 부위에 각각 온도센서가 설치된 것을 특징으로 하는 현가장치의 토션빔 제조공정 라인장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 냉각라인은 트레일링암쪽에 직접 체결되는 부위에 이어지는 일부구간을 감싼 냉각수관이 타 부위에 비해 상대적으로 높은 단면형상 일치도와 촘촘한 간격밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 현가장치의 토션빔 제조공정 라인장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 열처리공정장치는 상기 가공 완제품이 세팅되고 냉각수를 채울수 있는 공간을 갖춘 설비를 이용해, 상기 가공 완제품이 냉각수에 완전히 담긴 상태에서 퀀칭(Quenching)이 이루어져 1차 열처리 완제품으로 만드는 1차 열처리공정장치와, 상기 1차 열처리 완제품이 세팅되고 가열될 수 있는 공간을 갖춘 설비를 이용해, 상기 1차 열처리 완제품을 다시 가열후 공냉시키는 템퍼링(Tempering)이 이루어져 2차 열처리 완제품으로 만드는 2차 열처리공정장치로 구분된 것을 특징으로 하는 현가장치의 토션빔 제조공정 라인장치.
  6. 원재료를 실온 조건에서 냉간확관성형으로 미완성된 토션빔 형상을 갖는 프리 포밍소재(Pre Forming)로 성형하는 실온성형단계;
    상기 프리 포밍소재를 고온으로 가열해 반제품소재로 만드는 가열단계;
    상기 반제품소재의 주변으로 금형내 냉각수를 순환시키는 간접 방식으로 냉각하면서, 100% 토션빔 형상을 갖는 가공 완제품으로 성형하는 재성형단계;
    상기 가공 완제품을 적어도 1번 이상의 열처리를 수행해 열처리 완제품을 만드는 열처리단계;
    상기 열처리 완제품을 숏트 브라스트(Shot Blast) 작업으로 표면 처리하고, 레이저 커팅(Laser Cutting)작업을 거쳐 최종 완제품으로 만든 다음, 실온에 적재시키는 후처리 단계; 로 수행되는 것을 특징으로 하는 토션빔 성형 혼형공법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 실온성형단계와 가열단계사이에는 상기 프리 포밍소재를 세척과 건조하고 외관 검사를 거쳐 불량상태를 가리는 로딩단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토션빔 성형 혼형공법.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 프리 포밍소재의 성형정도는 100% 토션빔 형상 대비 50% ~ 80% 정도인 것을 특징으로 하는 토션빔 성형 혼형공법.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 반제품소재는 상기 프리 포밍소재를 5분 ~ 10분 동안 가열해 950℃ ~ 910℃의 온도를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 토션빔 성형 혼형공법.
  10. 청구항 6에 있어서, 상기 반제품소재에 대한 냉각수 간접 냉각 방식은 반제품소재의 전체 길이를 따른 단면 변화에 맞추어 감싼 상태에서 냉각수를 순환시키는 방식인 것을 특징으로 하는 토션빔 성형 혼형공법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 냉각수는 입구부위에서 약 5℃ ~ 30℃ 온도를 유지하고, 출구부위에서 약 50℃ 이하로 유지된 조건에서 2초 ~ 15초 순환주기를 갖는 것을 특징으로 하는 토션빔 성형 혼형공법.
  12. 청구항 6에 있어서, 상기 가공 완제품의 최고온도는 반제품소재의 가열 온도에 비해 79% ~ 82%의 범위이고, 상기 가공 완제품의 최저 온도는 반제품소재의 가열 온도에 비해 47% ~ 49%의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 토션빔 성형 혼형공법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 가공 완제품은 현가부품쪽에 직접 체결되는 부위에서 이어지는 일부구간이 타 부위에 비해 상대적으로 높은 마르텐사이트(Martensite)체적비율을 형성하는 것을 특징으로 하는 토션빔 성형 혼형공법.
  14. 청구항 6에 있어서, 상기 열처리는 가공 완제품을 냉각수에 담가 냉각하는 퀀칭(Quenching)열처리 후, 퀀칭(Quenching)처리된 상태에서 템퍼링(Tempering)열처리가 수행되는 두단계로 구분되되, 상기 템퍼링(Tempering)열처리는 선택적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 토션빔 성형 혼형공법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 퀀칭(Quenching)열처리는 45℃ 이하의 온도를 유지한 냉각수를 이용하는 것을 특징으로 하는 토션빔 성형 혼형공법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 퀀칭(Quenching)열처리된 가공 완제품은 마르텐사이트(Martensite)조직과, 베이나이트(Bainite)조직 및 페이라이드(Ferrite)조직을 혼용한 내부조직을 갖는 1차 열처리 완제품으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 토션빔 성형 혼형공법.
  17. 청구항 14에 있어서, 상기 템퍼링(Tempering)열처리는 상기 퀀칭(Quenching)열처리후 피로특성을 증대시킬 때 만 수행되는 것을 특징으로 하는 토션빔 성형 혼형공법.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 템퍼링(Tempering)열처리는 200℃ ~ 500℃의 온도에서 3분 ~ 15분 동안 가열후 공냉(서냉)으로 온도를 낮추는 것을 특징으로 하는 토션빔 성형 혼형공법.
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