KR20110035699A - 차량용 빔류 제작방법 및 이를 이용한 범퍼빔 - Google Patents

Abstract

본 발명은 페라이트 조직의 보론 강판을 소재로 롤 포밍 공정을 통하여 일체형 폐단면의 빔류를 생산하여 고주파 가열기의 전자 유도 전류에 의해 가열한 다음, 바로 급속 냉각(quenching)하여 마르텐사이트 조직의 고강도 일체형 폐단면 형상의 빔류를 제작함으로써, 부가적인 보강재 없이도 충돌 흡수 성능이 향상된 차량용 빔류를 제작할 수 있는 차량용 빔류 제작방법 및 이를 이용한 범퍼빔을 제공한다.

빔류 제작방법, 범퍼빔, 롤 포밍, 핫 스탬핑, 페라이트, 마르텐사이트, 금속조직, 강도

Description

차량용 빔류 제작방법 및 이를 이용한 범퍼빔{METHOD FOR FABRICATING A BEAM OF VEHICLE AND BUMPER BEAM PRODUCED BY THE SAME}

본 발명은 차량용 빔류 제작방법 및 이를 이용한 범퍼빔에 관한 것으로, 보다 상세하게는 페라이트 조직의 보론 강판을 소재로 롤 포밍 공정을 통하여 일체형 폐단면의 빔류를 생산하여 고주파 가열기의 전자 유도 전류에 의해 가열한 다음, 바로 급속 냉각(quenching)하여 마르텐사이트 조직의 고강도 일체형 폐단면 형상의 빔류를 제작하는 차량용 빔류 제작방법 및 이를 이용한 범퍼빔에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 메이커에서 최초로 신차 개발 시에는 개발된 차량의 안전도를 검증하기 위하여 다양한 안전성 시험을 하게 되는데, 이는 일정한 기준을 마련하고 이 기준에 합당한지 여부에 따라 완성도를 체크하게 된다.

차량에 있어서의 안전성은 특히, 승차자의 생명에 관련하는 바, 차량의 완성도에 가장 많은 영향을 미치는 요소라 할 수 있으며, 세계 여러 나라에서도 이와 같은 차량의 안전도에 가장 엄격한 기준을 적용시키고 있는 실정이다.

이러한 안전성 시험에서, 특히, 차량의 정면 충돌에 대비하기 위한 차량용 범퍼빔(101)은, 도 1에서 도시한 바와 같이, 그 양측 후단부가 스테이(103)와 크래 쉬 박스(105)를 통하여 양측 프론트 사이드 멤버(107)에 조립된다.

이와 같이 조립된 범퍼빔(101)은 전방 충돌 시, 그 충돌에너지(F)를 1차적으로 흡수하여 잔여 충돌 에너지(F)를 차체에 전달하는 기능을 하게 된다.

그런데, 종래의 범퍼빔(101)과 같은 차량용 빔류는 스틸(Steel)계 강판 소재를 프레스 성형하여 구성되는 전,후방 레일로 이루어져 그 강성과 경량화를 동시에 만족하기에는 한계가 있다.

이에 따라, 최근에는 강성과 경량화를 동시에 만족시킬 수 있는 신 성형공법과 고 강도 초경량 신소재에 대한 연구가 집중되고 있다.

이러한 연구 개발의 일환으로, 상기한 범퍼빔(101)에 적용되는 신 성형공법의 사례로는 프레스 성형(press stamping) 공법을 대체한 롤 포밍(roll forming) 공법으로 초고장력 강판의 성형이 가능하고, 상기 범퍼빔(101)을 일체형 폐단면으로 성형이 가능하여 적용소재의 두께를 낮추어 기존 프레스 성형품 대비 15%이상의 경량화를 가능하게 함과 동시에, 폐단면이 갖는 구조적 강성까지 확보할 수 있도록 하였다.

그러나 상기한 롤 포밍 공법은 범퍼빔의 소재 자체의 강성과 구조적 강성 및 경량화의 이점은 있으나, 그 소재로 초고장력 강판이 적용되어 롤 포밍 성형기에 과도한 응력을 가하여 그 내구성에 영향을 미치며, 초고장력 강판 자체의 텐션(tension)에 의해 제품 성형 후에도, 뒤틀림이나 스프링 백(spring back) 현상이 심하게 나타나는 등의 단점이 있다.

최근에는, 도 2에서 도시한 바와 같이, 보론 강판(111)을 이용한 열간 프레 스 성형 기술인 핫 스탬핑(hot stamping) 기술이 활발하게 연구되고 있다.

즉, 핫 스탬핑(hot stamping) 기술은 보론 강판(111)을 적정온도(약 900℃)로 가열하여 프레스 금형(113) 내에서 프레스 성형으로 한번에 성형한 후, 급속 냉각하여 고강도 부품(115)을 제조하는 성형기술이다.

여기에, 적용되는 보론 강판(111)은 미량의 보론(boron, B)을 첨가한 강판으로, 상기 적정온도 조건에서의 오스테나이트 결정입계에서 보론이 원자상태로 편석하여, 오스테나이트 결정입계의 자유에너지를 낮춤으로서 초석 페라이트 핵 생성을 억제시켜 강의 경화능(냉각 시, 마르텐사이트 형성으로 경화되는 강의 능력)을 현저히 개선하게 된다.

이러한 보론 강판(111)을 이용한 핫 스탬핑 성형은 기존의 고강도 강을 이용한 성형법과는 달리 성형 전 500~800MPa 정도의 인장강도를 가지는 페라이트 조직의 보론 강판(111)을 900℃ 이상의 고온에서 오스테나이트화하여 고온 성형한 후, 급속 냉각시켜 1300~1600MPa 정도의 고 인장강도를 갖는 마르텐사이트 조직의 성형품을 얻게 된다.

따라서 상기한 핫 스탬핑 성형품은 일반 강판 부품보다 강도가 4~5배 높으면서도 무게는 기존에 비하여 최대 40%까지 줄일 수 있어 상기한 바와 같은 차체의 경량화와 강도 향상을 동시에 이룰 수 있는 이점이 있다.

그러나 상기한 바와 같은 종래의 핫 스탬핑 기술은 고강도 경량화가 요구되는 상기한 범퍼빔(101)이나 필러 또는 프론트 사이드 멤버(107) 등의 생산에 적용되어 충돌에너지의 흡수성능을 더욱 높일 수는 있으나, 핫 스템핑 기술의 기본은 프레스 성형으로 오픈 단면의 성형품 생산에만 적용이 가능하여 롤 포밍 공법과 같이, 구조적 강성의 이점을 갖는 일체형 폐단면 형상의 성형품은 생산이 불가한 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 단점 및 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로써, 본 발명이 이루고자 하는 과제는 페라이트 조직의 보론 강판을 소재로 롤 포밍 공정을 통하여 일체형 폐단면의 빔류를 생산하여 고주파 가열기의 전자 유도 전류에 의해 가열한 다음, 바로 급속 냉각(quenching)하여 마르텐사이트 조직의 고강도 일체형 폐단면 형상의 빔류를 제작함으로써, 부가적인 보강재 없이도 충돌 흡수 성능이 향상된 차량용 빔류를 제작할 수 있는 차량용 빔류 제작방법 및 이를 이용한 범퍼빔을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 본 발명의 차량용 빔류 제작방법은 보론 강판 코일을 소재로 롤 포밍 성형하여 일체형 폐단면 형상의 빔류를 생산하는 롤 포밍 단계; 상기 일체형 폐단면 형상의 빔류를 고주파 가열기에서 전자 유도 전류에 의해 변태점 온도로 가열하는 고주파 가열단계; 상기 변태점 온도로 가열된 빔류를 일정 이상의 냉각속도로 급속 냉각하여 상기 빔류의 금속조직을 변태시키는 급랭단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 보론 강판 코일은 연신율 30% 이상의 페라이트 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 롤 포밍 단계는 언코일러를 이용하여 성형용으로 공급할 보론 강판 코일을 풀어주는 언코일 단계(S1); 상기 언코일러의 후방에서, 스트레이트너를 이용 하여 상기 언코일 단계로부터 풀려 나온 보론 강판 코일을 보론 강판으로 펴주는 스트레이트닝 단계(S2); 상기 스트레이트너의 후방에서, 브레이크 프레스를 이용하여 상기 스트레이트닝 단계로부터 공급되는 보론 강판에, 성형될 빔류의 조립을 위한 여러 용도의 구멍을 성형하는 피어싱 단계(S3); 상기 브레이크 프레스의 후방에서, 다단의 롤 포머를 이용하여 상기 피어싱 단계로부터 공급되는 보론 강판을 순차적으로 절곡 성형하여 얻고자 하는 일체형 폐단면 형상의 빔류로 롤 성형하는 성형 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 고주파 가열단계(S3)에서 상기 변태점 온도는 900℃로 하는 것을 특징으로 한다.

상기 급랭단계(S4)는 수냉 부스 내에서 냉각수를 분사하여 57℃/sec 이상의 냉각속도로 냉각하는 것을 특징으로 한다.

상기 급랭단계(S4)에서의 금속조직의 변태는 페라이트 조직에서 마르텐사이트 조직으로 변태되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 차량용 빔류 제작방법에 의하면, 페라이트 조직의 보론 강판을 소재로 롤 포밍 공정을 통하여 일체형 폐단면의 빔류를 생산하여 고주파 가열기의 전자 유도 전류에 의해 가열한 다음, 바로 급속 냉각(quenching)하여 마르텐사이트 조직의 고강도 일체형 폐단면 형상의 빔류 특히 범퍼빔을 제작할 수 있으며, 부가적인 보강재 없이도 충돌 흡수 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기의 차량용 빔류 제작방법에 의하면, 열처리 전 500~800MPa 정도의 인장강도를 갖는 페라이트 조직의 보론 강판은 연신률이 30% 이상으로, 상기 롤 포밍 공정에서, 롤 포밍 성형기에 응력의 영향을 줄이며, 성형성이 좋아 성형품으로 성형완료 후, 뒤틀림이나 스프링 백 현상이 적게 나타나는 효과가 있다.

또한, 상기한 종래의 핫 스탬핑 기술에서 구현할 수 없었던 일체형 폐단면 형상의 빔류를 보론 강판을 소재로 롤 포밍 공정을 통하여 먼저 제작한 후, 열처리에 의해 페라이트 조직을 고강도의 마르텐사이트 조직으로 금속조직을 변태시킴으로써, 경량이면서도 금속조직 자체가 갖는 고강성과 일체형 폐단면이 갖는 구조적 강성을 동시에 갖는 차량용 빔류를 제작할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 빔류 제작방법의 공정도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 빔류 제작방법에 적용되는 고주파 가열단계 및 급랭단계의 개념도이다.

본 실시예에 따른 차량용 빔류 제작방법을 설명하기 위하여, 차량용 빔류의 일례로, 도 5에서 도시한 바와 같이, 차량용 범퍼빔(1)를 예로 하여 설명한다.

상기한 차량용 범퍼빔(1)은 그 구조적 강성을 위한 형상으로 일체형 폐단면 구조를 갖도록 하기 위하여 롤 포밍 공법을 적용하였으며, 그 소재자체의 물리적 강성을 확보하기 위하여 열처리를 통해 금속조직의 경도를 높이도록 보론 강판(20) 을 그 소재로 적용하였다.

즉, 본 실시예에 따른 차량용 범퍼빔(1)의 본 실시예에 따른 제작방법에는 보론 강판 코일(10)을 그 소재로 적용한다.

상기 보론 강판(20)은 미량의 보론(boron, B)을 첨가한 강판으로, 본 실시예에서는 산화피막 발생을 방지하기 위해 Al+Si을 도금처리한 USIBOR 1500P 소재로서 일반적으로 22MnB5로 알려져 있는 보론 첨가강을 사용할 수 있다.

이러한 보론 강판(20)은 900℃의 온도 조건(즉, 변태점 온도)에서 오스테나이트 결정입계에 보론이 원자상태로 편석하여, 오스테나이트 결정입계의 자유에너지를 낮춤으로서 초석 페라이트 핵 생성을 억제시켜 강의 경화능을 현저히 개선하게 된다.

이와 같은 보론 강판(20)의 물리적 특징과 롤 포밍 공법의 성형성을 이용하여 본 실시예에 따라 차량용 범퍼빔(1)를 제작하기 위한 제작방법은, 도 3과 도 4에서 도시한 바와 같이, 보론 강판 코일(10)을 소재로 롤 포밍 성형하여 일체형 폐단면 형상의 빔류를 생산하는 롤 포밍 단계(S1)를 진행한다.

이때, 소재로 적용되는 상기 보론 강판 코일(10)은, 열처리 전 500~800MPa 정도의 인장강도를 갖는 페라이트 조직에서는 통상 연신률이 30% 이상으로, 상기 롤 포밍 단계(S1)에서, 롤 포밍 성형기(9; 즉, 다수의 롤 포머)의 각 성형롤에 걸리는 응력의 영향을 줄여서 롤 포밍 성형기의 내구성을 보존하면서도, 성형성이 좋아 성형품으로 성형 완료된 후에도 뒤틀림이나 스프링 백 현상이 적게 나타나는 특징이 있다.

즉, 상기한 롤 포밍 단계(S1)는, 도 3에서 도시한 바와 같이, 먼저, 공정라인의 전방에서, 언코일러(3)를 이용하여 성형용으로 공급할 보론 강판 코일(10)을 풀어주는 언코일 단계(S11)를 진행한다.

상기 언코일 단계(S11)에 이어서, 상기 언코일러(3)의 후방에서는 스트레이트너(5)를 이용하여 상기 언코일 단계(S11)로부터 풀려 나온 보론 강판 코일(10)을 보론 강판(20)으로 평평하게 펴주는 스트레이트닝 단계(S12)를 진행한다.

상기 스트레이트너(12)의 후방에서는 브레이크 프레스(7)를 이용하여 상기 스트레이트닝 단계(S12)로부터 공급되는 보론 강판(20)에 성형될 빔류의 조립을 위한 여러 용도의 구멍을 미리 성형하는 피어싱 단계(S13)를 진행한다.

이어서, 상기 브레이크 프레스(7)의 후방에서는 롤 포밍 성형기(9)인 다단의 롤 포머(R1,R2,R3.. R6,R7; 일부 미도시)를 이용하여 상기 피어싱 단계(S13)로부터 공급되는 보론 강판(20)을 각각 순차적으로 절곡 성형하여 얻고자 하는 일체형 폐단면 구조의 성형빔(30)의 형상으로 롤 성형하는 성형 단계(S14)를 진행한다.

이와 같이, 롤 포밍 단계(S1)를 통하여 보론 강판(20)을 소재로 한 일체형 폐구간 형상의 성형빔(30)은 고주파 가열기(11)에서 전자 유도 전류에 의해 상기한 변태점 온도인 900℃까지 가열되는 고주파 가열단계(S2)를 거치게 된다.

이때, 상기한 고주파 가열단계(S2)는 보론 강판(20)의 변태점 온도인 900℃ 이상의 고온이 형성된 전기로에서 진행할 수도 있으나, 공정 사이클을 최단화하고 효율적인 공정관리를 위하여 고주파 가열기(11)를 적용하는 것이 이상적이다.

이러한 고주파 가열에 의해 변태점 온도까지 가열된 성형빔(30)은 급속 냉각 하여 금속조직이 고 강도의 마르텐사이트 조직을 갖도록 하는 급랭단계(S3)를 진행한다.

이로써, 상기한 성형빔(30)은 그 금속조직이 고주파 가열 전 500~800MPa 정도의 강도를 가지는 페라이트 조직에서, 900℃ 이상의 고온에서 오스테나이트화하여 고온화된 후, 급속 냉각에 의해 1300~1600MPa 정도의 고 강도를 갖는 마르텐사이트 조직을 갖게 된다.

여기서, 상기 성형빔(30)의 급속 냉각은, 도 4에서 도시한 바와 같이, 수냉 부스(13) 내에서 냉각수를 분사하여 57℃/sec 이상의 냉각속도로 급속 냉각하는 것이 바람직하나, 상기 냉각수 대신 냉각 오일을 직접 분사하는 유냉의 방법을 적용할 수도 있으며, 냉각수 또는 오일을 적용하기 곤란한 경우에는 공기를 강제 분사하여 57℃/sec 이상의 냉각속도로 급속 냉각하는 강제 공냉 등의 방법을 적용할 수도 있다.

이와 같은 차량용 빔류 제작방법은 충분한 연신률을 확보할 수 있는 페라이트 조직의 보론 강판(20)을 소재로 롤 포밍 공정을 통하여 일체형 폐단면의 성형빔(30)을 먼저 제작하여 폐단면이 갖는 구조적 안전성을 이용한 강성을 확보하고, 이를 고주파 가열기(11)의 전자 유도 전류에 의해 가열한 다음, 바로 수냉 부스(13) 내에서 급속 냉각(quenching)하여 마르텐사이트 조직의 고경도(Hv 500 내외)의 금속조직을 갖도록 하여 소재자체의 물리적 강성을 높일 수 있도록 한다.

한편, 이러한 제작방법을 통하여 제작된 성형빔(30)을, 도 5에서 도시한 바와 같이, 그 중앙부를 따라 용접(W)하고, 적절한 규격으로 절단 및 곡률 성형하여 차량용 범퍼빔(1)으로 적용하게 되면, 별도의 보강재를 적용하지 않고도 그 두께를 얇게 하여 경량으로 제작하여도 전방 충돌에 대한 충돌 흡수 성능을 향상시킬 수 있다.

이상에서는 현재로서 실질적이라 고려되는 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것으로 이해되어서는 아니 되며, 오히려, 전술한 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 일반적인 차량용 범퍼빔 어셈블리의 조립 사시도이다.

도 2는 일반적인 핫 스탬핑 공정의 개념도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 빔류 제작방법의 공정도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 빔류 제작방법에 적용되는 고주파 가열단계 및 급랭단계의 개념도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 빔류 제작방법에 따라 제작된 범퍼빔의 사시도이다.

Claims (15)

1. 차량용 빔류 제작방법에 있어서,

   보론 강판 코일을 소재로 롤 포밍 성형하여 일체형 폐단면 형상의 빔류를 생산하는 롤 포밍 단계;

   상기 일체형 폐단면 형상의 빔류를 고주파 가열기에서 전자 유도 전류에 의해 변태점 온도로 가열하는 고주파 가열단계;

   상기 변태점 온도로 가열된 빔류를 일정 이상의 냉각속도로 급속 냉각하여 상기 빔류의 금속조직을 변태시키는 급랭단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 빔류 제작방법.
2. 제1항에서,

   상기 보론 강판 코일은

   연신율 30% 이상의 페라이트 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 빔류 제작방법.
3. 제1항에서,

   상기 롤 포밍 단계는

   언코일러를 이용하여 성형용으로 공급할 보론 강판 코일을 풀어주는 언코일 단계(S1);

   상기 언코일러의 후방에서, 스트레이트너를 이용하여 상기 언코일 단계로부터 풀려 나온 보론 강판 코일을 보론 강판으로 펴주는 스트레이트닝 단계(S2);

   상기 스트레이트너의 후방에서, 브레이크 프레스를 이용하여 상기 스트레이트닝 단계로부터 공급되는 보론 강판에, 성형될 빔류의 조립을 위한 여러 용도의 구멍을 성형하는 피어싱 단계(S3);

   상기 브레이크 프레스의 후방에서, 다단의 롤 포머를 이용하여 상기 피어싱 단계로부터 공급되는 보론 강판을 순차적으로 절곡 성형하여 얻고자 하는 일체형 폐단면 형상의 빔류로 롤 성형하는 성형 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 빔류 제작방법.
4. 제1항에서,

   상기 고주파 가열단계에서 상기 변태점 온도는

   900℃로 하는 것을 특징으로 하는 차량용 빔류 제작방법.
5. 제1항에서,

   상기 급랭단계는

   수냉 부스 내에서 냉각수를 분사하여 57℃/sec 이상의 냉각속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 차량용 빔류 제작방법.
6. 제1항에서,

   상기 급랭단계에서의 금속조직의 변태는

   페라이트 조직에서 마르텐사이트 조직으로 변태되는 것을 특징으로 하는 차량용 빔류 제작방법.
7. 상기 제1항 내지 제6항 중, 어느 한 항의 차량용 빔류 제작방법에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 범퍼빔.
8. 차량용 빔류 제작방법에 있어서,

   제1금속조직의 보론 강판 코일을 소재로 롤 포밍 성형하여 일체형 폐단면 형상의 빔류를 생산하는 롤 포밍 단계;

   상기 일체형 폐단면 형상의 빔류를 고주파 가열기에서 전자 유도 전류에 의해 변태점 온도로 가열하여 제2금속조직으로 변태시키는 고주파 가열단계;

   상기 변태점 온도로 가열된 빔류를 일정 이상의 냉각속도로 급속 냉각하여 제3금속조직으로 변태시키는 급랭단계;

   상기 빔류를 컷팅 프레스를 이용하여 일정규격으로 절단하는 컷팅단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 빔류 제작방법.
9. 제8항에서,

   상기 제1금속조직은

   연신율 30% 이상의 페라이트 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량 용 빔류 제작방법.
10. 제8항에서,

    상기 롤 포밍 단계는

    언코일러를 이용하여 성형용으로 공급할 보론 강판 코일을 풀어주는 언코일 단계(S1);

    상기 언코일러의 후방에서, 스트레이트너를 이용하여 상기 언코일 단계로부터 풀려 나온 보론 강판 코일을 보론 강판으로 펴주는 스트레이트닝 단계(S2);

    상기 스트레이트너의 후방에서, 브레이크 프레스를 이용하여 상기 스트레이트닝 단계로부터 공급되는 보론 강판에, 성형될 빔류의 조립을 위한 여러 용도의 구멍을 성형하는 피어싱 단계(S3);

    상기 브레이크 프레스의 후방에서, 다단의 롤 포머를 이용하여 상기 피어싱 단계로부터 공급되는 보론 강판을 순차적으로 절곡 성형하여 얻고자 하는 일체형 폐단면 형상의 빔류로 롤 성형하는 성형 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 빔류 제작방법.
11. 제8항에서,

    상기 제2금속조직은

    오스테나이트 조직인 것을 특징으로 하는 차량용 빔류 제작방법.
12. 제8항에서,

    상기 고주파 가열단계에서 상기 변태점 온도는

    900℃인 것을 특징으로 하는 차량용 빔류 제작방법.
13. 제8항에서,

    상기 급랭단계는

    수냉 부스 내에서 냉각수를 분사하여 57℃/sec 이상의 냉각속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 차량용 빔류 제작방법.
14. 제8항에서,

    상기 제3금속조직은

    마르텐사이트 조직인 것을 특징으로 하는 차량용 빔류 제작방법.
15. 상기 제8항 내지 제14항 중, 어느 한 항의 차량용 빔류 제작방법에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 범퍼빔.

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