KR20190007843A - 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법 - Google Patents

Abstract

게시된 내용은 강판을 이용하여 자동차, 가전 부품 패널(panel) 등을 프레스 성형할 경우 성형 변형량을 간편하고 정확하게 측정 및 보정할 수 있도록 한, 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법에 관한 것으로,
본 명세서의 일 실시예에 따른 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법은
피금속판 표면에 레이저 마킹하여 상기 피금속판이 임의형상을 갖도록 성형하게 되는 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법에 있어서:
임의두께를 갖는 강판(steel sheet)에서 세로 1000mm, 가로 2000mm사이즈를 갖도록 블랭킹하여 블랭크를 성형하는 단계;
상기 블랭크 표면에 임의간격과 임의깊이를 갖는 마킹라인을 격자구조로 레이저마킹하는 단계;
프레스 포밍 금형에 의해 상기 블랭크가 임의형상을 갖도록 포밍 성형하는 단계;
성형된 상기 블랭크 자장자리에 나타나는 마킹라인에 의해 상기 블랭크의 X축 및 Y축 성형 변형량을 연산하는 단계;
연산된 X축 및 Y축 성형 변형량에 대응되는 보정값을 상기 블랭크에 적용하여 상기 프레스 포밍 금형에 의해 상기 블랭크를 포밍 성형하는 단계;
상기 보정값을 적용하여 성형시킨 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인을 확인하되, 상기 보정값을 적용시킨 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인이 보정값을 적용하지않은 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인과 일치되는 경우 종료하고, 상기 보정값을 적용시킨 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인이 보정값을 적용하지않은 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인과 일치되지않을 경우 상기 마킹라인이 형성된 블랭크를 포밍 성형하는 단계로 이동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법을 제공한다.

Description

레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법{press forming method of steel sheet using laser marking}

본 명세서는 금속판의 프레스 성형 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 설명하면, 강판을 이용하여 자동차, 가전(TV,냉장고,에어컨 등)의 부품 패널(pannel)을 프레스 성형할 경우 성형 변형량을 간편하고 정확하게 측정 및 보정하기 위한 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차, 가전 부품 패널은 코일을 절단하여 얻은 블랭크(blank)라 불리는 강판(steel sheet)을 금형에 장착하여 여러 공정을 거쳐 소형변형에 의해 성형하게 된다.

자동차, 가전 부품 패널을 프레스 성형하여 제작하기 위해서는 형상에 따라 차이는 있으나, 블랭킹(blanking), 한 차례 또는 그 이상의 드로잉(drawing), 피어싱(piercing), 리스트라이킹(restriking), 트리밍(trimming) 등의 일련의 공정을 거치게 된다.

이때, 굽힘(bending)이나 플랜지(flange) 공정을 수반하는 경우, 강판의 탄성복원에 의한 스프링백(springback) 현상을 초래하여 성형된 패널 형상이 제품의 형상을 벗어나게 된다.

스프링백은 주름(wrinkling), 크랙(crack)과 함께 프레스에 의한 판재의 성형 과정에서 발생하는 성형 불량이다.

스프링백 현상은 판재 성형 과정에서 금형에 의한 구속이 풀려 외력이 제거될 경우 판재 내의 잔류응력에 의해 정적 평형상태를 유지하기 위하여 탄성적으로 재편되면서 형상이 변하는 것을 의미한다.

스프링백은 제품의 치수 정밀도를 떨어뜨려 품질 저하 및 각 부품 사이의 외관 불량 및 조립 불량의 원인이 되므로 반드시 해결되어야 한다.

즉, 스프링백은 성형품의 기하학적 형상변수, 소재의 두께, 물성치 등의 재료변수, 블랭크 홀딩력, 펀치 속도, 마찰이나 윤활 상태와 같은 공정변수 등 여러가지 인자들로부터 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 그리고 형상 및 재료변수가 스프링백의 주 원인인 경우에는 변형 형상 및 각도, 항복강도, 탄성계수, 재료의 두께 등이 복합적으로 영향을 미친다.

산업현장에서 프레스 금형 숙련자의 오랜 작업 경험, 또는 트라이 아웃(try out) 과정에서 성형을 위한 적정 조건을 구하거나, 금형을 수정하는 시행착오를 겪으며 금형을 수정, 보완하여 스프링백 발생량을 줄이게 된다.

또한, 형상 동결성 확보를 위하여 리스트라이크 공정 등을 추가하여 해결하고 있으나, 공정이 추가되는 경우 신차 개발비, 개발 시간 증가 등의 악역향을 미치게 된다.

특히, 연비 향상을 위하여 700MPa 이상의 인장강도를 갖도록 사용되는 고강도 강판은 일반 강판에서 경험하지 못하는 피어싱, 트리밍 공정에서도 스프링백이 발생되는 등 판이한 성형 특성을 보이므로, 고강도 강판의 스프링백을 보다 정확하게 예측하여 스프링백 발생량을 저감시켜야만 고강도 강판의 적용 확대를 통한 차량 경량화를 실현할 수 있다.

한편, 리스트라이크 보정 방법은 스프링백을 제거하기 위하여 현재 프레스 금형 설계시 가장 보편적으로 적용하는 공법이다.

즉, 강판을 제1공정에서 블랭킹하여 블랭크를 제작한 후, 두 차례에 포밍공정(제2공정 및 제3공정)을 통하여, 1차 포밍 공정에서 스프링백을 제거하고 감소시키는 동시에 2차 포밍 공정에서 경험적으로 스프링백 양을 추정하여 미리 약 1∼2°를 보정한다. 그리고 마지막으로 제4공정에서 측면에서 다시 리스트라이킹 공정으로 스프링백 양을 최종적으로 보정한다.

전술한 바와 같이 자동차, 가전 부품 패널을 프레스 성형하여 제작하기 위해서는 블랭킹 공정 이외에 두 번의 포밍 공정, 리스크라이크 공정 등 총 4번의 작업공정이 요구된다.

이로 인해, 자동차, 가전 부품 패널을 프레스 성형하는 작업공정수가 증가되므로 당연히 금형의 수 및 제작비용이 증가된다. 즉 리스트라이크 공법은 금형 개발 비용의 증가, 금형 개발 기간의 증가, 완성차 업체에서의 자동차 차체 패널 성형을 위한 스탬핑 공수 증가 및 자동차, 가전 부품 패널의 정밀도 저하로 인해 총제적인 경쟁력 확보가 어렵게 되는 단점이 있다.

도 1에서와 같이, 종래 기술에 의해 피금속판을 프레스 금형에 의해 성형하는 경우, 강판을 임의크기로 블랭킹시킨 블랭크(1) 표면에 작업자가 직접 수동으로 자(scale)와 핸드 마킹기를 이용하여 마킹한 후, 프레스 금형(미 도시됨)에 의해 임의형상을 갖도록 포밍 성형하게 된다.

이때, 프레스 금형 해당분야에서 오래된 숙련자도 블랭크(1)에 마킹라인을 정확하게 형성하기가 어렵고, 블랭크(1)에 마킹라인을 형성하는 작업시간이 오래 걸려 작업효율이 떨어지는 문제점을 갖게 된다.

또한, 임의형상을 갖도록 포밍 성형되는 블랭크(1)의 성형변형 데이터값을 작업자가 원하는 만큼 찾을 수 없게 된다. 이로 인해 블랭크(1)를 성형시 가장자리에 발생되는 스프링백 량이 일정치않게 된다.

따라서, 작업자가 작업현장에서 터득한 오랜 경험, 수 많은 시행착오 과정을 거쳐 블랭크(1) 측면에 발생되는 스프링백 량을 보정하여 완성품을 최종적으로 성형하게 되므로 성형품의 불량 발생율이 높아져 생산성이 떨어지는 문제점을 갖게 된다.

일 예로서, 피금속판으로 자동차, 가전 부품 패널을 성형하기 위한 금형을 제작할 경우 발생되는 비용 중, 블랭크의 성형변형 데이터값을 얻기 위한 작업비용이 약 40%이상을 차지하고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허공보 등록번호 10-15918741호(등록일자 2016.1.29.)에 더블 크로스 패드 금형 구조에 의한 자동차 차체 패널 금형 보정 장치 및 방법이 게시되어 있다.

따라서, 본 명세서의 실시예는, 강판이 임의형상을 갖도록 프레스 성형하는 경우, 작업자가 피금속판 표면에 격자구조로 레이저 마킹 후 성형시킴에 따라 작업시간이 단축되어 작업성을 향상시킬 수 있도록 한, 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법과 관련된다.

본 명세서의 실시예는, 피금속판을 프레스 성형할 경우 발생되는 성형 변형량을 간편하고 정확하게 측정 및 보정함에 따라 숙련자 경험에 의해 성형 변형량을 측정 및 수정하는 작업방법을 탈피하여 프레스 성형품의 정밀도를 향상시킬 수 있도록 한, 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법과 관련된다.

상기 및 기타 본 명세서의 목적을 달성하기 위하여 본 명세서의 일 실시예에 따르면,

피금속판 표면에 레이저 마킹하여 상기 피금속판이 임의형상을 갖도록 성형하게 되는 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법에 있어서:

임의두께를 갖는 강판(steel sheet)에서 세로 1000mm, 가로 2000mm사이즈를 갖도록 블랭킹하여 블랭크를 성형하는 단계;

상기 블랭크 표면에 임의간격과 임의깊이를 갖는 마킹라인을 격자구조로 레이저마킹하는 단계;

프레스 포밍 금형에 의해 상기 블랭크가 임의형상을 갖도록 포밍 성형하는 단계;

성형된 상기 블랭크 자장자리에 나타나는 마킹라인에 의해 상기 블랭크의 X축 및 Y축 성형 변형량을 연산하는 단계;

연산된 X축 및 Y축 성형 변형량에 대응되는 보정값을 상기 블랭크에 적용하여 상기 프레스 포밍 금형에 의해 상기 블랭크를 포밍 성형하는 단계;

상기 보정값을 적용하여 성형시킨 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인을 확인하되, 상기 보정값을 적용시킨 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인이 보정값을 적용하지않은 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인과 일치되는 경우 종료하고, 상기 보정값을 적용시킨 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인이 보정값을 적용하지않은 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인과 일치되지않을 경우 상기 마킹라인이 형성된 블랭크를 포밍 성형하는 단계로 이동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법을 제공한다.

전술한 바와 같이 구성되는 본 명세서의 실시예는 아래와 같은 이점을 갖는다.

피금속판을 프레스 성형하여 자동차, 가전 부품 패널 등을 제작하는 경우, 작업자가 레이저장비를 이용하여 피금속판 표면에 임의간격과 임의깊이를 유지하여 격자구조로 마킹 후 성형시킴에 따라 작업시간이 대폭 단축되어 작업성을 향상시킴에 따라 원가비용 및 제작비용이 절감되어 실용성을 갖게 된다.

또한, 피금속판을 프레스 성형할 경우 스프링백 현상에 따른 성형 변형량을 간편하고 정확하게 측정 및 보정하여 성형함에 따라, 숙련자의 오랜 경험치에 의해 성형 변형량을 반복하여 측정 및 수정하는 작업방법, 또는 고가의 측정장비를 이용하여 측정하는 작업방법을 탈피할 수 있어, 영세규모의 중소기업 작업현장에서 적은 비용으로써 프레스 성형품의 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술에 의한 피금속판을 프레스 성형시 발생되는 성형 변형을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 명세서의 바람직한 실시예에 따른 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법을 나타내는 흐름도,
도 3은 도 2에 도시된 프레스 성형 방법에서, 피금속판 표면에 레이저 마킹후 프레스 성형하는 과정을 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 3에 도시된 레이저 마킹 후 프레스 성형시 피금속판에 발생되는 변형량을 보정하는 것을 설명하기 위한 도면,
도 5는 도 2에 도시된 프레스 성형 방법에서, 피금속판에 격자구조로 마킹하는 레이저장비의 사용상태도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 명세서의 바람직한 실시예에 따른 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법을 상세하게 설명하기로 한다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법은

피금속판 표면에 레이저 마킹하여 상기 피금속판이 임의형상을 갖도록 성형하게 되는 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법에 있어서:

임의두께를 갖는 강판(steel sheet)에서 세로 1000mm, 가로 2000mm사이즈를 갖도록 블랭킹하여 블랭크(10)를 성형하는 단계(S100);

블랭크(10) 표면에 임의간격과 임의깊이를 갖는 마킹라인을 격자구조로 레이저마킹하는 단계(S200);

프레스 포밍 금형(미 도시됨)에 의해 블랭크(10)가 임의형상을 갖도록 포밍 성형하는 단계(S300);

성형된 블랭크(10) 자장자리에 나타나는 마킹라인에 의해 블랭크(10)의 X축 및 Y축 성형 변형량을 연산하는 단계(S400);

연산된 X축 및 Y축 성형 변형량에 대응되는 보정값을 블랭크(10)에 적용하여 프레스 포밍 금형에 의해 블랭크(10)를 포밍 성형하는 단계(S500);

보정값을 적용하여 성형시킨 블랭크(10)의 가장자리 마킹라인을 확인하되, 보정값을 적용시킨 블랭크(10)의 가장자리 마킹라인이 보정값을 적용하지않은 블랭크(10)의 가장자리 마킹라인과 일치되는 경우 종료하고, 보정값을 적용시킨 블랭크(10)의 가장자리 마킹라인이 보정값을 적용하지않은 블랭크(10)의 가장자리 마킹라인과 일치되지않을 경우 마킹라인이 형성된 블랭크(10)를 포밍 성형하는 단계(S300)로 이동하는 단계(S600);를 포함한다.

이때 더욱 바람직하게는, 블랭크(10) 표면에 레이저마킹되는 임의간격은 0.5∼1.0mm이고, 임의깊이는 0.05∼0.1mm 범위내로 형성될 수 있다.

이때, 블랭크(10)의 표면에 형성되는 임의간격이 0.5mm이하일 경우 작업자에 의한 마킹라인 판별이 쉽지 않고, 블랭크(10)의 표면에 형성되는 임의간격이 1.0mm이상일 경우에는 블랭크(10)를 포밍성형후 성형 변형을 측정시 오차가 발생되어 정밀도가 떨어지게 된다.

또한, 블랭크(10)의 표면에 형성되는 임의깊이가 0.05mm이하일 경우 작업자가 마킹라인을 쉽게 판별할 수 없고, 블랭크(10)의 표면에 형성되는 임의깊이가 0.1mm이상일 경우에는 블랭크(10)를 포밍성형시 마킹라인으로 인해 블랭크(10)에 크랙이 발생되거나 절단될 수 있어 불량품이 발생될 수 있다.

블랭크(10) 표면에 격자구조로 레이저마킹하는 장비로써 금속마킹이 가능한 파이버레이저(fiber laser) 기계(A), 또는 블랭크(10) 표면에 써마크 스프레이 또는 도료를 도포시킨 후 격자구조로 레이저마킹하는 CO₂레이저 기계(미 도시됨)가 사용될 수 있다.

이하에서, 본 명세서의 일 실시예에 의한 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법의 사용예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2 내지 도 5에서와 같이, 자동차, 가전 부품 패널 등을 프레스 성형하기 위하여 임의두께를 갖는 강판(steel sheet)에서 세로 1000mm, 가로 2000mm사이즈를 갖도록 블랭킹하여 블랭크(10)를 성형한다(S100 참조).

S200에서와 같이, 도 5에 도시된 금속마킹이 가능한 파이버레이저(fiber laser) 기계(A)를 사용하여 블랭크(10) 표면에 0.5∼1.0mm범위내의 임의간격과, 0.05∼0.1mm 범위내의 임의깊이를 갖도록 마킹라인을 격자구조로 레이저마킹한다.

이때, 파이버레이저 기계(A), 또는 CO₂레이저 기계를 사용하여 금속판재인 블랭크(10)에 마킹라인을 격자구조로 형성하는 것은 당해분야에서 사용되는 기술내용이므로 이들의 상세한 설명은 생략한다.

S300에서와 같이, 표면에 마킹라인이 형성된 블랭크(10)를 프레스 포밍 금형(미 도시됨)에 의해 임의형상을 갖도록 포밍 성형한다.

S400에서와 같이, 포밍 성형된 블랭크(10) 자장자리에 나타난 마킹라인 변형에 의해 블랭크(10)의 X축 및 Y축 성형 변형량을 연산한다.

S500에서와 같이, 블랭크(10)의 연산된 X축 및 Y축 성형 변형량에 대응되는 보정값을 블랭크(10)에 적용하여 프레스 포밍 금형에 의해 블랭크(10)를 포밍 성형한다.

S600에서와 같이, 보정값을 적용하여 포밍 성형시킨 블랭크(10)의 가장자리 마킹라인을 확인하되, 보정값을 적용시킨 블랭크(10)의 가장자리 마킹라인이 보정값을 적용하지않은 블랭크(10)의 가장자리 마킹라인과 일치되는 경우 종료한다.

이와 반면에, 보정값을 적용하여 포밍 성형시킨 블랭크(10)의 가장자리 마킹라인을 확인하되, 보정값을 적용시킨 블랭크(10)의 가장자리 마킹라인이 보정값을 적용하지않은 블랭크(10)의 가장자리 마킹라인과 일치되지않을 경우 마킹라인이 형성된 블랭크(10)를 포밍 성형하는 단계(S300)로 이동한다.

도 4에서와 같이, 본 명세서의 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법에 의하면, 강판에서 임의크기로 블랭킹된 블랭크(10)에 파이버레이저 기계(A)를 사용하여 격자구조로 마킹라인을 형성한 후 프레스 포밍 금형(미 도시됨)에 의해 자동차 차체 패널에서와 같이 곡면부를 포함하는 임의형상을 갖도록 포밍 성형하게 된다.

이때, 블랭크(10)의 X축 및 Y축 가장자리에 적색으로 빗금친 부위(a,c)와 같이 성형 변형량(소위, "스프링백" 현상을 말함)이 발생된다.

따라서, 작업자에 의해 청색으로 빗금친 부위(b,d)만큼 보정하여 포밍 성형할 경우, 곡면부를 포함하는 임의형상을 갖도록 블랭크(10)를 포밍 성형하는 경우에도 블랭크(10)의 가장자리가 강판에서 블랭킹시킨 블랭크(10)의 가장자리와 일치하게 된다.

여기에서, 전술한 본 명세서에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 명세서의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 명세서를 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 피금속판 표면에 레이저 마킹하여 상기 피금속판이 임의형상을 갖도록 성형하게 되는 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법에 있어서:
   임의두께를 갖는 강판(steel sheet)에서 세로 1000mm, 가로 2000mm사이즈를 갖도록 블랭킹하여 블랭크를 성형하는 단계;
   상기 블랭크 표면에 임의간격과 임의깊이를 갖는 마킹라인을 격자구조로 레이저마킹하는 단계;
   프레스 포밍 금형에 의해 상기 블랭크가 임의형상을 갖도록 포밍 성형하는 단계;
   성형된 상기 블랭크 자장자리에 나타나는 마킹라인에 의해 상기 블랭크의 X축 및 Y축 성형 변형량을 연산하는 단계;
   연산된 X축 및 Y축 성형 변형량에 대응되는 보정값을 상기 블랭크에 적용하여 상기 프레스 포밍 금형에 의해 상기 블랭크를 포밍 성형하는 단계;
   상기 보정값을 적용하여 성형시킨 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인을 확인하되, 상기 보정값을 적용시킨 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인이 보정값을 적용하지않은 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인과 일치되는 경우 종료하고, 상기 보정값을 적용시킨 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인이 보정값을 적용하지않은 상기 블랭크의 가장자리 마킹라인과 일치되지않을 경우 상기 마킹라인이 형성된 블랭크를 포밍 성형하는 단계로 이동하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 블랭크 표면에 레이저마킹되는 임의간격은 0.5∼1.0mm이고, 임의깊이는 0.05∼0.1mm 범위내로 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 블랭크 표면에 격자구조로 레이저마킹하는 장비로써 금속마킹이 가능한 파이버레이저 기계,
   또는 상기 블랭크 표면에 써마크 스프레이 또는 도료를 도포시킨 후 격자구조로 레이저마킹하는 CO₂레이저 기계가 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 마킹을 이용한 금속판의 프레스 성형방법.

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