KR20180027218A - 줄 히팅 기술을 적용 핫스탬핑 가열 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 줄 히팅 기술을 적용 핫스탬핑 가열 시스템에 관한 것이다.
이에 본 발명의 기술적 요지는 핫스탬핑 공정 상에 저항 가열 시스템(줄 히팅 기술)을 적용하여 차량 강판 가공을 수행하도록 함으로써, 종전의 열간 프레스 성형 공정 대비 60% 이상의 효율이 보장되도록 하는 것으로, 이는 별도의 예열구간 없이 신속한 가열 공정을 제공하도록 하는 바, 설비의 소형화 및 현장 축소화와 에너지 절감 효과가 우수하고 제품(완성품)의 품질이 크게 향상되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

줄 히팅 기술을 적용 핫스탬핑 가열 시스템{Technology Development of Hot Press Forming using Joule Heating System for Improving Energy Efficiency}
본 발명은 핫스탬핑 공정 상에 저항 가열 시스템(줄 히팅 기술)을 적용하여 차량 강판 가공을 수행하도록 함으로써, 종전의 열간 프레스 성형 공정 대비 60% 이상의 효율이 보장되도록 하는 것으로, 이는 별도의 예열구간 없이 신속한 가열 공정을 제공하도록 하는 바, 설비의 소형화 및 현장 축소화와 에너지 절감 효과가 우수하고 제품(완성품)의 품질이 크게 향상되도록 하는 것을 특징으로 하는 줄 히팅 기술을 적용 핫스탬핑 가열 시스템에 관한 것이다.
현재 차량 제조업계의 가장 커다란 화두 중 하나는 경량화 및 고강도화이며, 이러한 화두의 중심에는 핫스탬핑 기술이 자리 잡고 있다.
핫스탬핑 기술은 1970년대 초반 스웨덴 Norrbottens Jarnverk A.B.사에 의해 제안되었는데, 이 회사의 영국특허 제1490535호를 살펴보면 핫스탬핑 기술의 내용이 자세히 기술되어 있다.
도 14를 참조하면, 핫스탬핑 기술은 강판(1)을 가열로(10)에서 Ac3 이상의 고온으로 가열한 후 프레스(20) 내에서 성형과 동시에 열처리를 하여 1500Mpa 이상의 고강도 강판 부품(1b)을 제조하는 것을 특징으로 한다.
그리고 이러한 기술 특징으로 인해, 핫스탬핑은 핫포밍(Hot Forming), 핫프레싱(Hot Pressing) 등으로도 불리우며, 이의 소재로는 0.2중량% 내외의 탄소를 함유하며 열처리 성능 향상 위한 원소로서 Mn, B를 사용하는 이른바 보론강이 사용된다.
위와 같은 핫스탬핑 기술은 성형 및 열처리가 동시에 수행되므로 생산성이 우수할 뿐만 아니라 고온에서 강판이 성형되므로 성형성 및 치수 정밀도를 향상시키며 고강도 부품에서 특히 문제가 되는 스프링백이나 지연파괴가 현저하게 감소시킨다는 장점이 있다.
반면, 공정이 고온에서 이루어지므로, 강판 표면의 산화를 피할 수 없고, 따라서 성형이 완료된 제품은 도 1에서 보듯이 별도의 디스케일링(30)이 실시되어야 한다는 단점이 있다.
이러한 디스케일링 공정의 생략을 위해 제안된 것이 아르셀로나 신일본 제철에서 제공되는 Al 도금 강판 등이다.
한편, 핫스탬핑 기술의 적용에 있어, 종래에 사용되어왔던 가열로는 주로 전기로이었다. 핫스탬핑을 위해서 강판은 Ac3 이상의 880~950℃ 정도로 가열하여 완전히 오스테나이트화시켜야 하는데, 두께 1.2mm 강판의 경우 전기로 사용 시 적어도 12~17분 이상 소요된다.
이와 같이, 전기로나 가스로와 같은 종래 가열로는 가열시간의 증가 및 이로 인한 공정속도의 저하 및 생산비용의 증가를 야기하며, 나아가, 가열로의 길이가 23~30m 정도로 상당히 길고 또한 커야 하기에 설비의 대형화에 따른 비용 상승을 야기하는 문제점이 있다.
또한, 철판의 특성 중에는 위에서 언급한 스프링 백(spring back)이란 현상이 존재하는데 이는 상온에서 철판을 굽힐 때 항복강도 이상의 외압을 가하여도 철판이 원래의 형상으로 되돌아 가려는 성질을 말한다.
즉, 원소재 강도가 강하면 강할수록 원상태로 되돌아 가려는 성질은 더욱 커지게 된다.
최근의 자동차 산업은 필수적으로 고강도 고성형성을 요구하는 부품을 필요로 하기 때문에 상기와 같은 성형 상의 문제점은 강도가 강한 원소재의 적용에 제약을 줄 수밖에 없다.
최근에 개발된 60kg/㎟급의 트립(trip) 강판이나 듀얼페이스(dual phase) 강판 소재는 강도와 성형성이 우수한 것으로 흔히 알려져 왔는데, 실상 현장에서는 60kg/㎟급 이상의 고강도 소재는 치수 정밀도가 제대로 나오지 않기 때문에 아주 단순한 형상의 부품제작에만 적용을 하고 있으며, 고정밀도가 요구되는 복잡한 부품의 제작에는 거의 적용되지 않고 있는 실정이다.
한편, 핫스탬핑 방식은 절단된 원소재(철판)를 고온으로 달군 후에 금형으로 성형함과 동시에 그 금형에 냉각(cooling) 효과를 주어 원소재의 온도를 급격하게 낮추는 칭(quenching) 효과를 통해 원소재의 강도를 원래보다 2~3배 이상으로 향상시키는 방식이다.
또한, 핫스탬핑 가공시 고온으로 철판을 가열하므로 철판의 성질이 매우 부드러워지고 늘어나는 성질이 탁월해져서 성형성이 우수해지게 된다.
이와 같이 핫스탬핑을 이용하여 철판의 초고강도를 확보함과 동시에 우수한 성형성으로 원하는 부품을 제조할 수 있다.
그러나, 종전의 핫스탬핑 방식을 이용하여 150kg/㎟급 이상의 자동차용 고강도 보강대를 제조하기 위해서는 부품 성능에 가장 큰 영향을 주는 소재 가열시의 열처리 공정 변수와 금형 내에서 소재를 급냉시킬 때 공정 변수의 설정 및 제어가 매우 중요하나 아직까지 핫스탬핑 방식을 이용하여 자동차용 고강도 보강대를 제조하기 위한 표준적인 데이터가 없어 자동차용 고강도 보강대를 제조하기에 많은 어려움이 있었다.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-1045839호(2011.06.27.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 핫스탬핑 공정 상에 저항 가열 시스템(줄 히팅 기술)을 적용하여 차량 강판 가공을 수행하도록 함으로써, 종전의 열간 프레스 성형 공정 대비 60% 이상의 효율이 보장되도록 하는 것으로, 이는 별도의 예열구간 없이 신속한 가열 공정을 제공하도록 하는 바, 설비의 소형화 및 현장 축소화와 에너지 절감 효과가 우수하고 제품(완성품)의 품질이 크게 향상되도록 하는 것을 특징으로 하는 줄 히팅 기술을 적용 핫스탬핑 가열 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 선택된 전류밀도와 가열시간에 의해 대상 모재에 대하여 저항 발열을 일으키도록 하되, 상측 면상에 대상 모재가 안착되도록 테이블(110)이 형성되고, 상기 테이블 외주면에 고정용 클램프가 형성되며, +,-전극 중 선택된 전극이 통전되도록 하는 하부 전극부(100)와; 상기 하부 전극부(100)와 대응되도록 상측에 형성되어 업다운 동작에 따라 하부 전극부(100)와 통전되면서 설정된 저항 가열 발열을 수행하도록 하는 상부 전극부(200)와; 상기 상부 전극부(200)의 업다운을 조장하도록 하되, 상부 전극부(200)의 상단 고정판(210) 일측에는 상하향 이송구(220)가 형성되고, 상기 이송구(220)는 업다운 슬라이더(310)와 결합되도록 형성되며, 상기 상단 고정판(210)은 업다운 로드(320)와 연결된 가동모터(330)에 의해 승하강이 이루어지도록 하는 구동장치(300)와; 상기 상,하부 전극부와 구동장치에 대하여 전원을 공급하면서 동작을 제어하도록 일측에 인버터 트랜스포머(410)가 구비되는 인버터 컨트롤러(400)가; 구성되어 이루어진다.
이에, 상기 상,하부 전극부는 가압부 10mm에 전류밀도=75A/mm2 이고, 가열주기는 8 pulse 이며, 대상 모재 온도는 1000℃ 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 인버터 트랜스포머(410)는 AC전원을 DC전원으로 변경하는 것으로, 용량은 23,000A인 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명은 핫스탬핑 공정 상에 저항 가열 시스템(줄 히팅 기술)을 적용하여 차량 강판 가공을 수행하도록 함으로써, 종전의 열간 프레스 성형 공정 대비 60% 이상의 효율이 보장되도록 하는 것으로, 이는 별도의 예열구간 없이 신속한 가열 공정을 제공하도록 하는 바, 설비의 소형화 및 현장 축소화와 에너지 절감 효과가 우수하고 제품(완성품)의 품질이 크게 향상되도록 하는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 줄 히팅 시스템을 이용한 저항 발열기의 예시도,
도 4는 종전 핫스탬핑 공정을 나타낸 예시도,
도 5는 본 발명에 따른 줄 히팅 기술을 적용 핫스탬핑 가열 시스템의 개념도,
도 6은 도 5에 따른 시편단위 줄 히팅 실험시 각 변수 별 영향 분석도,
도 7은 도 5에 따른 줄 히팅 특성 평가도,
도 8은 도 5에 따른 인버터 트랜스포머의 설계 및 제작도,
도 9는 도 5에 따른 히팅 가압부 설계 및 제작도,
도 10은 도 5에 따른 대전류 발열 전극 설계 및 제작도,
도 11 내지 도 13은 본 발명에 따른 시험 성적서,
도 14는 종래의 핫스탬핑 공정도이다.
다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.
먼저, 도 1 내지 도 13에서 보는 바와 같이 본 발명은 저항 발열기로 하여금 운영되는 것으로, 상기 저항 발열기는 하부 전극부와 상부 전극부 그리고 구동장치와 인버터 컨트롤러로 구성된다.
이에, 상기 하부 전극부(100)는 선택된 전류밀도와 가열시간에 의해 대상 모재에 대하여 저항 발열을 일으키도록 하되, 상측 면상에 대상 모재가 안착되도록 테이블(110)이 형성되고, 상기 테이블 외주면에 고정용 클램프가 형성되며, +,-전극 중 선택된 전극이 통전되도록 형성된다.
이때, 상기 상부 전극부(200)는 +,-전극 중 선택된 전극이 통전되도록 하되, 상기 하부 전극부(100)와 대응되도록 상측에 형성되어 업다운 동작에 따라 하부 전극부(100)와 통전되면서 설정된 저항 가열 발열을 수행하도록 형성된다.
이에, 상기 구동장치(300)는 상기 상부 전극부(200)의 업다운을 조장하도록 하되, 상부 전극부(200)의 상단 고정판(210) 일측에는 상하향 이송구(220)가 형성되고, 상기 이송구(220)는 업다운 슬라이더(310)와 결합되도록 형성되며, 상기 상단 고정판(210)은 업다운 로드(320)와 연결된 가동모터(330)에 의해 승하강이 이루어지도록 형성된다.
이때, 상기 인버터 컨트롤러(400)는 상기 상,하부 전극부와 구동장치에 대하여 전원을 공급하면서 동작을 제어하도록 일측에 인버터 트랜스포머(410)가 구비된다.
이에, 상기 상,하부 전극부는 가압부 10mm에 전류밀도=75A/mm2 이고, 가열주기는 8 pulse 이며, 대상 모재 온도는 1000℃ 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 인버터 트랜스포머(410)는 AC전원을 DC전원으로 변경하는 것으로, 용량은 23,000A인 것이 바람직하다.
즉, 본 발명은 현재 핫스탬핑 공정 시스템에서 적용되는 수입용 대형 가열로를 대체하기 위함으로 에너지 효율을 향상시키기 위해 줄(Joule Heating) 기술을 적용함에 주된 특징이 있다.
이에, 상기 저항 발열기는 선택된 전류밀도와 가열시간에 의해 대상 모재에 대하여 저항 발열을 일으키도록 형성된다.
다음은 본 발명에 따른 실시예를 보다 자세히 설명한다.
본 발명의 핫스탬핑 적용 부품군은 대부분 고강도가 필요한 차체 보강 부품으로, 본 과제에서는 효과적인 에너지 효율 분석을 위해 주관기관에서 양산 중인 중형급 SUV의 사이드 실(1.4t)을 개발 부품으로 선정하였다.
일반 핫스탬핑의 경우 고온 가열 시 소재의 코팅층 산화 문제로 인해 Al-Si coated 보론강을 사용하나, Joule Heating은 국내 최초 적용 기술로써 현재 표준 적용된 소재가 미비한 상태로 핫스탬핑에 주로 사용되는 아래 세 가지 소재의 코팅 산화층 및 강도 특성을 확인 후 선정 진행하였다.
Non Coated, Al-Si Coated, Zn Coated 보론강을 각각 시편단위 Joule Heating 공정 후 강도 측정과 현미경 통해 표면 관찰을 진행하였다.
Zn coated의 경우 미세 크랙이 관찰되며 강도도 떨어지는 것으로 확인되었고, 나머지 두 소재는 안정적인 산화층을 형성하였으며, 1.5GPa 이상의 강도를 나타냈다.
그러나 Non coated 보론강은 소재 수급이 원활하지 않아 본 개발에서는 Al-Si coated 보론강으로 대상 소재 선정 후 기술 개발 진행하였다.
Joule Heating 기술 적용 가능성을 검토하면, 시편 및 Blank 단위 Joule Heating 특성 분석을 통해 공정 적용 가능성 검토에서 실험 데이터를 변수별로 종합하여 Joule Heating 공정에 치명적인 변수 도출 결과, 전류밀도, 가압부, 가열주기(전류인가시간)로 요약된다.
전류밀도 및 가열주기의 경우 승온량에 비례하고, 가압부는 반비례하나, 적정 수준 이상의 변수값은 가열 소재 열변형으로 성형 공정 및 제품의 치수정밀도에 부정적인 영향을 끼칠 것으로 예측된다.
이에, 실험 및 분석 결과 최적 Joule Heating 조건 도출: 전류밀도=75A/mm2, 가압부: 10mm, 가열주기=8pulse, 소재온도=1000℃ 이다.
Blank 형상에 따른 Joule Heating 가열성을 검토하면, Joule Heating 실험 장비는 소재를 길이방향으로 가열하여 단순 사각 Blank의 경우 뛰어난 가열성을 보이지만, 이형 Blank의 경우 균일 가열에 단점 확인하였다.
이에 따라 최종 Joule Heating 시스템의 컨셉 도출: 소재 두께방향 가열이 합리적이고, 상기 실험 분석 결과 Joule Heating 적용 핫스탬핑 기술의 가능성 검증 완료하였다.
Joule Heating 가열 시스템 개발 및 기반 시스템의 구축은 Lab-scale Joule Heating 장비 적용하여 1차 가열 시스템을 개발하였다.
이에, 1차 가열 시스템 장비 사양: 최대 60,000A, Duty rate 10% 이고, 1차 가열로 적용 소재 승온시간 및 온도상승률 측정: 목표치 달성하였다.
개발 대상부품 3D 모델링 및 성형 공정 해석 통한 모사금형 컨셉 확정: Form die[negative]이고, SKD11, SS45C 소재 적용하여 모사 금형 제작 완료하였다.
아울러 냉각 효과 분석 및 노즐부 냉각수 직접 분사 제어 위한 시스템 개발하였다. 상기 장비 연동 및 Joule Heating test 라인 구축 후 1차 T/O 진행하였다.
결과 분석: Draw Type 시제품 10EA 제작 완료에 따른 시편 제작 후 인장강도 시험 진행하였다.
직접 냉각 적용 통한 제품 측벽부 강도 균일성 확보하였으나, 유량 부족으로 인해 목표 강도 도달 실패하였다.
이에, 노즐부 사양 변경(기존: 0.33mm, 변경: 2.0mm) 통해 2차 T/O 진행하였다. 결과 분석은 Draw Type 시제품 10EA 제작 완료에 따른 시편 제작 후 인장강도 시험 진행하였다.
직접 냉각 적용 통한 제품 측벽부 강도 균일성 확보 및 목표 강도 달성하였다.
이와 함께 이형 및 진Blank 사용 가열 위한 2차 가열 시스템(두께방향) 제작 진행 中이고, 개발 Target: 출력 전류 150kA, 가압력 10,000kgf/cm2, 발열체 사양 - 그라파이트이며, Inverter 제어기 및 Transformer 개발과 가압부 개발 완료되었다.
1~5차 전극 설계 및 제작, 실험 진행으로 두께방향 가열 컨셉에 따른 소재 균일 가열 기술 가능성 검증 완료되었고, 9월 中, 6차 전극 제작에 따른 두께 방향 가열로 제작 완료 예정이다.
에너지 효율 절감량 측정은 개발 대상 부품과 동일한 제품 양산라인의 Lot별 가열로 전력량 측정하였다. 양산 라인 대당 전력소비량 = 2.93kWh/EA 이고, 전류 센서 통해 개발 장비의 출력 전류 측정 후 전력 소비량을 측정하였다.
Joule Heating Line 대당 전력소비량 = 1.09kWh/EA이고, 기존 대형 전기 가열로 대비 약 63% 정도의 에너지 효율을 개선 확인하였다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100 ... 하부 전극부 110 ... 테이블
200 ... 상부 전극부 210 ... 상단 고정판
220 ... 이송구 300 ... 구동장치
310 ... 업다운 슬라이더 320 ... 업다운 로드
330 ... 가동모터 400 ... 인버터 컨트롤러
410 ... 인버터 트랜스포머

Claims (3)

  1. 선택된 전류밀도와 가열시간에 의해 대상 모재에 대하여 저항 발열을 일으키도록 하되, 상측 면상에 대상 모재가 안착되도록 테이블(110)이 형성되고, 상기 테이블 외주면에 고정용 클램프가 형성되며, +,-전극 중 선택된 전극이 통전되도록 하는 하부 전극부(100)와;
    상기 하부 전극부(100)와 대응되도록 상측에 형성되어 업다운 동작에 따라 하부 전극부(100)와 통전되면서 설정된 저항 가열 발열을 수행하도록 하는 상부 전극부(200)와;
    상기 상부 전극부(200)의 업다운을 조장하도록 하되, 상부 전극부(200)의 상단 고정판(210) 일측에는 상하향 이송구(220)가 형성되고, 상기 이송구(220)는 업다운 슬라이더(310)와 결합되도록 형성되며, 상기 상단 고정판(210)은 업다운 로드(320)와 연결된 가동모터(330)에 의해 승하강이 이루어지도록 하는 구동장치(300)와;
    상기 상,하부 전극부와 구동장치에 대하여 전원을 공급하면서 동작을 제어하도록 일측에 인버터 트랜스포머(410)가 구비되는 인버터 컨트롤러(400)가;
    구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 줄 히팅 기술을 적용한 핫스탬핑 가열 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상,하부 전극부는 가압부 10mm에 전류밀도=75A/mm2 이고, 가열주기는 8 pulse 이며, 대상 모재 온도는 1000℃ 인 것을 특징으로 하는 줄 히팅 기술을 적용한 핫스탬핑 가열 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 인버터 트랜스포머(410)는 AC전원을 DC전원으로 변경하는 것으로, 용량은 23,000A인 것을 특징으로 하는 줄 히팅 기술을 적용한 핫스탬핑 가열 시스템.
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