KR20240060660A - 금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법 - Google Patents
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Abstract
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법, 예를 들면, 알루미늄 합금으로 부품을 성형하는 방법이 제공된다. 이 방법은 용체화 열처리를 달성하기 위해 합금의 용체화 열처리가 발생되는 온도로 금속 합금 박판을 가열하는 단계 (a)를 포함한다. 박판은 적어도 합금의 임계 냉각 속도로 냉각(B)되고, 이것을 부품으로 또는 부품을 향해 성형(C)하기 위해 다이들 사이에 설치된다.
Description
본 발명은 금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 것에 관한 것이다. 실시형태에서, 본 발명은 알루미늄 합금으로 부품을 성형하는 것에 관한 것이다.
자동차 및 항공우주 용도에서 사용되는 컴포넌트는 이들 컴포넌트의 최종 용도에 적합하도록 적은 수의 부품으로 제조되는 것이 대체로 바람직하다. 이러한 필요사항에 부합하는 부품을 제조하는 하나의 방법은 다이 세트를 사용하여 단일의 금속 박판으로 부품을 성형하는 것이다. 그러나, 이러한 방식으로 성형될 수 있는 부품의 형상의 복잡성은 이 다이 세트에서 성형되는 금속 박판의 기계적 특성에 의해 제한된다. 한편으로, 이것은 지나친 취성을 갖고, 다른 한편으로 이것은 지나친 전성을 갖는다. 어느 경우에서나, 성형성은 제한된다. 이전에, 본 발명자들은, 금속 박판을 용체화 열처리한 다음 이것을 냉간 다이 세트 내에서 부품으로 신속하게 성형하면, 금속의 성형성이 개선되므로, 단일 박판으로 더 복잡한 형상의 컴포넌트를 제조할 수 있다는 것을 발견하였다. 그러므로 이러한 컴포넌트는 더 이상 다중-부품 조립체로서 성형될 필요가 없다.
이러한 공정은 용체화 열처리, 냉간 다이 성형 및 ??칭(HFQ(RTM)) 공정을 이용하여 알루미늄 합금 박판 컴포넌트를 성형하는 방법을 개시하는 WO 2010/032002 A1에 개시되어 있다. 금속 합금 박판이 이러한 공정을 통과할 때 이 금속 합금 박판의 온도는 도 1에 도시되어 있다. 기본적으로, 이러한 기존의 HFQ(RTM) 공정은 다음의 단계를 포함한다.
(A) 금속 박판 피가공재를 이 금속의 용체화 열처리(SHT) 온도 범위로 또는 이 온도 범위를 초과하는 온도로 예열하는 단계;
(B) 이 재료가 완전히 용체화 열처리될 수 있도록 상기 예열 온도에서 피가공재를 소킹(soaking)하는 단계;
(C) 이 피가공재를 냉간 다이 세트로 이송하여 가능한 최고 온도 및 높은 성형 속도로 신속하게 성형하는 단계;
(D) 성형후 강도를 위해 바람직한 과포화 고용체(SSSS) 재료 미세구조를 달성하기 위해 신속한 냉각(냉간 다이 ??칭)을 위한 냉간 다이 세트 내에서 성형된 부품을 유지하는 단계; 및
(E) 열처리 가능한 재료의 개선된 강도를 얻기 위한 성형된 부품의 인공 시효 또는 자연 시효 단계.
단계 C에서, 피가공재는 재료의 높은 전성을 부품의 성형에서 사용할 수 있도록 SHT 온도에 근접한 온도에서 성형된다. 이러한 고온에서, 피가공재는 높은 연성 및 전성을 갖고, 용이하게 변형된다. 그러므로 이러한 방법은 이전의 방법에 비해 SSSS 미세구조를 구비하는 복잡한 형상(복잡한 부품)인 부품의 성형을 가능하게 하는 것을 포함하는 특정의 장점을 가지지만, 이것은 특정한 단점도 갖는다. 이하에서 이것에 대해 설명한다.
피가공재는 자신의 SHT 온도의 부근에 있는 경우에 취약하다. 복잡한 부품의 성형 중에, 피가공재의 어떤 영역은 다이에 의해 구속되고, 다른 영역은 다이의 상측으로 강제적으로 유동된다. 다이 내에 여전히 유지되어 있는 영역으로부터 스탬핑되고 있는 영역으로 재료의 유동은 제한된다. 이것은 피가공재의 국부적인 두께감소 및 인렬의 원인이 될 수 있다. 이것은 성형 공정이 변형 경화의 효과로부터 받는 이익이 작기 때문으로, 이 변형 경화는 특히 알루미늄 합금의 경우에 더 높은 온도에서 더 약하다. 변형은 금속을 경화시키므로 변형된 피가공재의 영역은 더 경화되어 더 강해지게 된다. 이것으로 인해 다른 재료를 변형된 영역 내로 끌어당기는 이러한 변형된 영역의 능력이 증가되고, 그 재료는 다이 내로 드로잉(drawing) 된다. 드로잉된 금속 자체는 변형되므로 경화된다. 박판의 전체를 통한 이러한 변형 및 경화는 국부적인 두께감소를 억제하고, 더 균일한 변형을 유발한다. 변형 경화가 크면 클수록, 균일한 변형의 경향도 더 커진다. 단지 약한 변형 경화에 있어서, 변형은 높은 전성의 영역에 국한되어, 드로우-인(draw-in)이 제한되므로, 국부적인 두께감소 및 파괴의 발생율은 증가될 수 있다. 이것은 성형성을 저하시킨다. 이러한 공정에서 성형성 및 강도를 증가시키기 위해, 변형율 경화의 효과를 최대화하여 고온에서 더 약한 변형 경화를 보상하도록 피가공재는 매우 빠른 속도로 다이 내에서 성형된다.
전성을 증가시키기 위한 고온 및 변형 경화 및 변형율 경화를 증가시키기 위한 빠른 성형 속도는 다음의 문제를 초래할 수 있다.
(i) 다량의 열이 피가공재로부터 다이 세트로 전달된다. 이 성형 공정은 SSSS 미세구조를 얻기 위해 요구되는 ??칭 속도를 달성하기 위해 다이가 저온에 유지되는 것을 필요로 하므로, 다이는 표면 상에서 또는 내부 냉각제-운반 채널(또는 다른 방식)에 의해 인공적으로 냉각되어야 한다. 반복되는 열 사이클은 다이의 더 빠른 열화 및 마모를 초래할 수 있다.
(ii) HFQ 성형된 부품의 대량 생산을 위해, 다이가 냉각되어야 한다는 요구사항은 다이의 설계, 작동 및 유지관리를 복잡하게 하고, 다이 세트의 비용을 증가시킨다.
(iii) 성형된 부품이 원하는 온도로 냉각될 때까지 다이들 사이에 유지되어야 하므로, 다이 내에서의 유지 압력 및 시간이 더 커진다. 이것은 성형 시간 및 압력이 더 작은 공정보다 더 많은 에너지를 사용하고, 성형 효율 및 이에 따라 생산성을 감소시킨다.
(iv) 높은 성형 속도는 성형 중에 다이가 폐쇄되는 경우에 상당한 충격 하중을 유발할 수 있다. 반복된 하중은 다이의 손상 및 마모를 초래할 수 있다. 또한 높은 내구성 다이 재료의사용이 필요할 수 있고, 이것은 다이 세트의 비용을 증가시킨다.
(v) 다이의 폐쇄력을 제공하기 위한 공정의 경우에 특수 고속 유압 프레스가 요구된다. 이러한 유압 프레스는 고가이고, 이것은 HFQ 공정의 용도를 제한한다.
기존의 HFQ 공정에서 적어도 일부의 이러한 문제에 대처하는 것이 요망된다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법이 제공되고, 이 방법은 다음의 단계를 포함한다.
(a) 용체화 열처리를 달성하기 위해 상기 합금의 용체화 열처리가 실행되는 온도로 상기 박판을 가열하는 단계;
(b) 상기 합금의 임계 냉각 속도 이상으로 상기 박판을 냉각하는 단계; 및
(c) 상기 박판을 복잡한 부품으로 또는 복잡한 부품을 향해 성형하기 위해 다이들 사이에 상기 박판을 설치하는 단계.
[재료]
박판은 알루미늄 합금일 수 있다. 박판은 AA5XXX 합금일 수 있다. 박판은 AA6XXX 합금일 수 있다. 박판은 AA7XXX 합금일 수 있다. 이것은 알루미늄 합금 6082일 수 있다. 박판은 마그네슘 합금일 수 있다. 이것은 타이타늄 합금일 수 있다. 박판은 성형전에 용체화 열처리를 필요로 하는 임의의 합금일 수 있다. 박판은 템퍼링된 합금일 수 있다. 박판은 템퍼링되지 않은 합금일 수 있다. 박판은 어닐링된 합금일 수 있다.
[단계 (a)]
[SHT 온도]
단계 (a)에서 박판이 가열되는 온도는 합금 및 완성된 부품의 용도에 의존된다. 용체화 열처리(SHT)가 달성될 수 있는 다양한 온도가 존재한다. 그 범위의 하한은 합금의 솔버스(solvus) 온도일 수 있다. 이 솔버스 온도는 박판 내에서 석출될 합금 원소가 고용되거나 고용되기 시작하는 온도로서 정의될 수 있다. 그 범위의 상한은 합금의 솔리더스(solidus) 온도일 수 있다. 이 솔리더스 온도는 박판 내에서 합금 원소가 석출하는 온도로서 정의될 수 있다. 단계 (a)는 합금 내에서 석출물이 분해되는 온도 이상으로 박판을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 금속 합금 박판이 알루미늄 합금 6082인 경우, 단계 (a)는 520℃ 내지 575℃(575℃는 알루미늄 합금 6082의 솔리더스 온도임)로 박판을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 금속 합금 박판이 알루미늄 합금 6082인 경우, 단계 (a)는 520℃ 내지 565℃로 박판을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 금속 합금 박판이 알루미늄 합금 6082인 경우, 단계 (a)는 520℃ 내지 540℃로 박판을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 금속 합금 박판이 템퍼링된 알루미늄 합금 6082인 경우, 단계 (a)는 525℃로 박판을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 금속 합금 박판이 AA5XXX 합금인 경우, 단계 (a)는 480℃ 내지 540℃로 박판을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 합금이 AA7XXX 합금인 경우, 단계 (a)는 460℃ 내지 520℃로 박판을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
[소킹]
단계 (a)는 합금의 용체화 열처리가 발생되는 온도 범위 내의 온도로 박판을 가열하고, 적어도 15 초 동안 이 온도 범위 내에서 박판을 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 박판이 템퍼링된 금속 합금인 경우, 단계 (a)는 15 내지 25 초 동안 이 온도 범위에서 박판을 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 박판이 템퍼링된 금속 합금인 경우, 단계 (a)는 최소 1 분 이상 이 온도 범위에서 박판을 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 박판이 템퍼링되지 않은 금속 합금인 경우, 단계 (a)는 최소 5 분 이상 이 온도 범위에서 박판을 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 박판의 용체화 열처리 온도 범위 내에 박판을 유지시키면 합금 원소가 금속 매트릭스 내에 용해된다.
[효과]
박판이 성형되기 전에 이 박판을 용체화 열처리시킴으로써 SHT 단계를 포함하지 않는 공정에 비해 더 높은 전성이 얻어질 수 있다.
[단계 (b)]
이 방법은 다이들 사이에 박판을 설치하기 전에 용체화 열처리(SHT)가 발생되는 온도로 박판을 가열하는 단계 후에 합금의 임계 냉각 속도 이상으로 박판을 냉각 시키는 단계 (b)를 포함하는 점에서 적어도 WO 2010/032002 A1에 설명되어 있는 공정과 상이하다.
[냉각 속도]
단계 (b)의 임계 냉각 속도는 합금에 따라 다르다. 단계 (b)는 합금 내에서 미세구조의 석출이 방지되는 속도 이상으로 박판을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 임계 냉각 속도에서 또는 임계 냉각 속도를 초과하는 냉각에 의해 성형후 강도를 감소시킬 수 있는 조대한 입계 석출물의 형성이 방지된다. 금속 합금 박판이 제 1 질량 비율의 Mg 및 Si를 포함하는 알루미늄 합금인 경우, 단계 (b)는 최소 10℃/초 이상으로 박판을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (b)는 최소 20℃/초 이상으로 박판을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 금속 합금 박판이 제 1 질량 비율의 Mg 및 Si보다 높은 제 2 질량 비율의 Mg 및 Si를 포함하는 알루미늄 합금인 경우, 단계 (b)는 최소 50°C/초 이상으로 박판을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 금속 합금 박판이 알루미늄 합금 6082인 경우, 최소 이 속도 이상으로 냉각시키면 금속 내에서 조대한 석출이 방지된다. 단계 (b)는 박판 상의 하나 이상의 위치에서 박판의 온도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이 온도 또는 온도들은 연속적으로 또는 주기적으로 측정될 수 있다. 단계 (b)는 이 측정된 온도 또는 온도들에 기초하여 박판의 냉각 속도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
[냉각의 지속시간]
단계 (b)는 10 초 미만 동안 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (b)는 5 초 미만 동안 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (b)는 3 초 미만 동안 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (b)는 2 초 미만 동안 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (b)는 1 초 미만 동안 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (b)는 0.5 초 미만 동안 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (b)는 0.1 초 미만 동안 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 금속 합금 박판이 AA6082인 경우, 단계 (b)는 1 초 내지 3 초 동안 박판을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
[표적 온도]
단계 (b)는 표적 온도에 도달될 때까지 박판을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 박판을 냉각하는 단계 (b)는 실질적으로 동일한 온도로 전체 박판을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
단계 (c) 전에 박판이 냉각되는 표적 온도는 성형될 부품의 형상, 부품이 성형되는 재료, 완성된 부품의 요구되는 기계적 특성에 의존한다. 박판은 부품의 성형을 여전히 허용하는 최저 온도로 냉각될 수 있다. 박판은 부품이 원하는 특성을 가지도록 부품의 성형을 여전히 허용하는 최저 온도로 냉각될 수 있다. 예를 들면, 만일 박판이 지나치게 낮은 온도로 냉각되면, 허용할 수 없는 탄성 복원이 발생될 수 있다. 박판은 파괴를 수반하지 않는 성형 중에 발생되는 최대 변형에 저항할 수 있도록 하는 최저 온도로 냉각될 수 있다. 박판은 50℃ 내지 300℃로 냉각될 수 있다. 박판은 100°C 내지 250℃로 냉각될 수 있다. 박판은 150°C 내지 200℃로 냉각될 수 있다. 박판은 200°C 내지 250℃로 냉각될 수 있다. 박판이 알루미늄 합금 6082으로 성형되는 경우, 박판은 200°C 내지 300°C로 냉각될 수 있다. 박판이 알루미늄 합금 6082으로 성형되는 경우, 박판은 300°C로 냉각될 수 있다.
[냉각 수단]
박판의 냉각은 단지 정적인 대기에 의해서 보다는 상당한 인공 수단에 의해 실시되는 것이 구상된다. 단계 (b)는 박판에 냉각 매체를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (b)는 가열된 박판에 냉각 매체를 안내하는 단계를 포함할 수 있다.
[유체에 의한 냉각]
냉각 매체는 유체일 수 있다. 유체는 기체, 예를 들면, 공기일 수 있다. 유체는 액체, 예를 들면, 물일 수 있다. 유체는 기체 및 액체, 예를 들면, 공기와 물을 포함할 수 있다. 유체는 가압된 유체 유동으로서 안내될 수 있다. 유체는 제트로서 안내될 수 있다. 유체는 미스트 스프레이(mist spray)로서 안내될 수 있다. 유체는, 박판이 합금의 임계 냉각 속도 이상으로 냉각되도록 된, 지속시간, 온도 및/또는 질량 유량으로 안내될 수 있다.
[고체에 의한 냉각]
냉각 매체는 공기보다 높은 열전도율을 가진 고체일 수 있다. 냉각 매체는 물보다 높은 열전도율을 가진 고체일 수 있다. 고체는, 박판이 합금의 임계 냉각 속도 이상으로 냉각되도록 된, 압력 및/또는 지속시간으로 적용될 수 있다. 고체는 구리 운반 그립(grip)일 수 있다. 고체는 ??칭 블록(quenching block)일 수 있다. 고체는 전도성 플레이트일 수 있다. 고체는 블록 상에 박판을 위치시키는 것을 용이화하도록 배치되는 후퇴가능한 롤러를 포함할 수 있다. 고체는 박판에 적어도 부분적으로 접촉되도록 배치되는 표면을 포함할 수 있고, 이 표면은 진공 유닛에 접속되도록 배치되는 하나 이상의 개구를 형성하므로 하나 이상의 개구 내의 압력은 대기압보다 작다. 이러한 방식으로, 박판은 하나 이상의 개구의 음의 계기 압력(gauge pressure)에 의해 고체 상에 유지될 수 있다. 고체는, 스트립이 단계 (c) 전에 박판의 냉각 온도에 도달한 경우, 이 고체로부터 박판을 적어도 부분적으로 상승시키도록 배치되는 바이메탈 스트립을 포함할 수 있다. 박판 상의 고체의 압력을 증가시키기 위해 고체에 하중이 가해질 수 있다.
[대류 냉각]
단계 (b)는 온도-제어식 체임버에 박판을 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 온도-제어식 체임버는 합금의 임계 냉각 속도 이상으로 박판을 냉각시키도록 배치될 수 있다. 온도-제어식 체임버는 300℃ 미만의 온도일 수 있다. 온도-제어식 체임버는 250°C 또는 그 미만의 온도일 수 있다. 온도-제어식 체임버는 200°C 또는 그 미만의 온도일 수 있다. 온도-제어식 체임버는 150°C 또는 그 미만의 온도일 수 있다. 온도-제어식 체임버는 100°C 또는 그 미만의 온도일 수 있다. 온도-제어식 체임버는 50°C 또는 그 미만의 온도일 수 있다. 단계 (b)는 표적 온도에 도달될 때까지 온도-제어식 체임버에 박판을 유지시키는 단계를 포함할 수 있다.
[비균일 냉각]
박판을 냉각하는 단계 (b)는 박판의 나머지 영역과 상이한 온도로 박판의 하나 이상의 영역을 선택적으로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (b)는 박판의 적어도 제 2 영역의 냉각 온도인 제 2 온도보다 낮은 제 1 온도로 박판의 적어도 제 1 영역을 선택적으로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 냉각은 비균일할 수 있다. 이러한 방식으로, 적어도 제 1 영역 및 제 2 영역의 냉각 온도는 이들 영역에서 다이의 기하학적 형상의 복잡성에 따라 선택될 수 있다. 예를 들면, 제 1 온도로 냉각되는 제 1 영역은 국부적인 두께감소가 발생하는 것을 방지하기 위해 제 2 영역보다 높은 강도가 요구되는 박판의 영역일 수 있다. 적어도 제 1 영역 및 제 2 영역의 냉각 온도는 이들 영역이 다이 내에서 받게 될 힘에 따라 선택되거나, 성형 후 사용 중에 이들 영역이 받게 될 힘에 따라 선택될 수 있다. 적어도 제 1 영역 및 제 2 영역의 냉각 온도는 피가공재로 성형된 부품의 제어된 파괴를 제공하도록 선택될 수 있다. 제 1 온도로 냉각되는 제 1 영역은 제 2 온도로 냉각되는 제 2 영역보다 두꺼운 박판의 영역일 수 있다. 단계 (b)는, 완성된 부품이 박판의 하나 이상의 제 2 영역에 비해 감소된 강도의 영역 및/또는 증가된 전성의 영역 중 하나 이상을 갖도록, 박판의 적어도 제 2 영역과 상이한 온도로 박판의 하나 이상의 영역을 선택적으로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 이것은 충돌 완성된 부품의 조건 하에서의 제어된 파괴를 제공할 수 있다.
[유체에 의한 비균일 냉각]
냉각이 비균일하고, 냉각 유체가 가열된 박판에 안내되는 경우에, 박판을 이 박판의 제 2 영역의 냉각 온도인 제 2 온도보다 낮은 제 1 온도로 냉각시키기 위해, 유체는 박판의 제 1 영역에 더 긴 지속시간, 더 낮은 온도 및/또는 더 큰 질량 유량으로 안내될 수 있다.
[고체에 의한 비균일 냉각]
냉각이 비균일하고, 공기보다 높은 열전도율을 가진 고체가 박판에 적용되는 경우, 단계 (b)는, 제 2 영역보다 제 1 영역에 더 큰 압력으로 고체를 적용함으로써, 박판의 적어도 제 2 영역의 냉각 온도인 제 2 온도보다 낮은 제 1 온도로 박판의 적어도 제 1 영역을 선택적으로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
고체는 박판과 접촉되도록 배치되는 표면을 포함할 수 있고, 이 표면의 하나 이상의 제 1 영역은 하나 이상의 제 2 영역에 대해 융기(relief)된다. 이러한 방식으로, 고체가 박판에 적용되는 경우, 하나 이상의 제 1 영역은 하나 이상의 제 2 영역보다 큰 압력으로 박판에 접촉된다. 단계 (b)는, 제 2 영역이 아닌 제 1 영역에 고체를 적용함으로써, 박판의 적어도 제 2 영역의 냉각 온도인 제 2 온도보다 낮은 제 1 온도로 상기 박판의 적어도 제 1 영역을 선택적으로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 고체는 박판에 적어도 부분적으로 접촉하도록 배치되는 표면을 포함할 수 있다. 즉, 이 표면의 적어도 일부는 박판의 적어도 일부에 접촉하도록 배치될 수 있다. 이 표면은 제 1 열전도율을 가진 제 1 재료 및 제 1 열전도율보다 낮은 제 2 열전도율을 가진 제 2 재료로 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 이 표면이 박판과 접촉된 경우, 제 1 재료는 제 2 재료보다 신속하게 박판을 냉각시킨다.
고체가 박판에 접촉하도록 배치된 표면을 포함하는 경우, 이 표면은 진공 유닛에 접속되도록 배치되는 하나 이상의 개구를 형성하므로 이 하나 이상의 개구 내의 압력은 대기압보다 낮고, 단계 (b)는 제 1 개구에 제 2 개구의 제 2 압력보다 낮은 제 1 압력을 가하도록 진공 유닛을 작동시키는 단계를 포함할 수 있고, 제 1 압력 및 제 2 압력은 대기압보다 낮다. 이러한 방식으로, 제 1 개구에 인접하는 박판의 영역은 제 2 개구에 인접하는 박판의 영역보다 큰 힘으로 박판으로 흡인되므로, 이 제 1 영역이 제 2 영역보다 더 신속하게 고체에 의해 냉각된다.
[냉각의 경우]
단계 (b)는 냉각 스테이션에서 표면 상의 박판을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 냉각 스테이션은 다이로 박판을 이송하도록 배치되는 장치의 일부를 형성할 수 있다. 단계 (b)는 박판이 다이로 이송되는 중에 박판을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 이것은 노(furnace)로부터 다이로 박판을 이송하기 위한 그립(grip) 내에 박판이 유지되어 있는 동안에 박판을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (b)는 다이 내에서 박판을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (b)가 다이 내에서 박판을 냉각하는 단계를 포함하는 경우, 다이는 박판에 유체를 안내하도록 배치될 수 있다. 유체는 다이를 세정하기 위해 사용될 수 있다.
[효과]
(박판의 SHT 온도 범위 범위 내로 박판을 가열한 후에 이 박판을 다이들 사이에 설치하기 전에) 합금의 임계 냉각 속도 이상으로 박판을 냉각시킴으로써, 합금 내에서 미세구조의 석출이 방지되고, 박판은 다이 내에 설치된 경우에 냉각 단계 (b)를 수반하지 않는 공정에서보다 더 냉각된다. 그러므로 박판은 WO 2010/032002 A1에 기재된 기존의 HFQ(RTM) 방법에서 보다 더 낮은 온도에서 성형될 수 있다. 박판이 더 낮은 온도에서 성형되므로, 박판의 강도는 더 크고, 변형 경화 효과가 더 크고, 더 큰 재료의 드로-인(draw-in)이 촉진된다. 다시 말하면, 변형 경화 효과는 박판의 변형을 더 균일화하고, 변형된 영역의 강도는 더 커지고, 다른 영역에서의 변형을 유발하고, 이것의 강도도 더 커지게 된다. 이것에 의해 국부적인 두께감소의 가능성이 감소되고, 박판의 성형성이 강화된다. 따라서 기존의 HFQ(RTM) 공정에 냉각 단계 (b)를 도입하면 단점을 완화시키면서 HFQ(RTM) 성형의 이익을 더 강화시킬 수 있다.
따라서 합금의 임계 냉각 속도 이상에서 박판을 냉각시키는 특징에 의해 성형될 수 있도록 박판의 충분한 전성을 유지하면서 성형된 부품의 강도가 향상된다.
[단계 (c)]
박판을 복잡한 부품으로 또는 복잡한 부품을 향해 성형하기 위해 박판을 다이들 사이에 설치하는 단계 (c)에서, 다이는 박판의 국부적 두께감소의 원인이 되는 형상을 가질 수 있다. 다시 말하면, 박판과 접촉되도록 배치되는 다이의 표면은 성형된 부품의 두께 형상에 일치되는 형상을 가질 수 있다. 다이는 냉간 다이일 수 있다. 다이는 냉각될 수 있다. 따라서, 박판은 다이 내에서 더 ??칭될 수 있다.
[효과]
냉간 다이 내에서 박판을 성형함으로서, 낮은 비용-효율(박판과 다이 세트의 가열에 기인됨)의 온간 성형의 문제 및 피가공재의 미세구조 파괴(성형후 강도를 열화시킴)의 가능성이 방지된다.
[용도]
이 방법은 복잡한 부품을 성형하는 방법일 수 있다. 이 방법은 자동차용 부품을 성형하는 방법일 수 있다. 이 방법은 항공우주용 부품을 성형하는 방법일 수 있다. 이 방법은 항공우주용 패널 부품을 성형하는 방법일 수 있다. 이 방법은 내부의 구조적 박판 컴포넌트, 하중-지지용 부품, 또는 정적 구조물이나 동적 구조물에서 하중을 지탱하도록 적응된 부품을 성형하는 방법일 수 있다.
도면의 간단한 설명
이하에서 본 발명의 특정의 실시형태가 예시로서만 첨부한 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 기존의 HFQ(RTM) 공정을 경유할 때의 금속 합금 박판의 온도를 도시한 그래프이고;
도 2a는 사전의 SHT를 실시한 상태 및 실시하지 않은 상태의 금속 합금 박판의 300℃에서의 일축 인장 시험을 위해 사용되는 온도 이력을 도시하고;
도 2b는 단계 (b)의 효과를 시뮬레이션하기 위해 사전의 SHT를 실시한 상태 및 실시하지 않은 상태의 금속의 300℃에서의 기계적 거동, 및 종래의 HFQ(RTM) 공정을 시뮬레이션하기 위해 사전의 SHT를 실시한 상태의 금속의 450℃에서의 거동의 비교를 도시하고;
도 3은 금속 합금 박판으로 복잡한 부품을 성형하는 방법의 일 실시형태를 위한 공정도를 도시하고;
도 4는 진공 덕트를 구비한 전도성 냉각 플레이트 상의 금속 합금 박판(피가공재)의 개략도를 도시하고;
도 5는 공기와 물의 미스트(mist)로 피가공재를 냉각시키기 위한 노즐 조립체를 구비한 냉각 스테이션에서의 피가공재를 도시하고;
도 6은 상부 ??칭 블록 및 하부 ??칭 블록의 형태로 전도성 플레이트를 구비하는 냉각 스테이션에서의 피가공재를 도시한다.
도 2a는 사전의 SHT를 실시한 상태 및 실시하지 않은 상태의 금속 합금 박판의 300℃에서의 일축 인장 시험을 위해 사용되는 온도 이력을 도시하고;
도 2b는 단계 (b)의 효과를 시뮬레이션하기 위해 사전의 SHT를 실시한 상태 및 실시하지 않은 상태의 금속의 300℃에서의 기계적 거동, 및 종래의 HFQ(RTM) 공정을 시뮬레이션하기 위해 사전의 SHT를 실시한 상태의 금속의 450℃에서의 거동의 비교를 도시하고;
도 3은 금속 합금 박판으로 복잡한 부품을 성형하는 방법의 일 실시형태를 위한 공정도를 도시하고;
도 4는 진공 덕트를 구비한 전도성 냉각 플레이트 상의 금속 합금 박판(피가공재)의 개략도를 도시하고;
도 5는 공기와 물의 미스트(mist)로 피가공재를 냉각시키기 위한 노즐 조립체를 구비한 냉각 스테이션에서의 피가공재를 도시하고;
도 6은 상부 ??칭 블록 및 하부 ??칭 블록의 형태로 전도성 플레이트를 구비하는 냉각 스테이션에서의 피가공재를 도시한다.
도 1에는 WO 2010/032002 A1에 기재된 용체화 열처리, 냉간 다이 성형 및 ??칭(HFQ(RTM)) 방법을 위한 시간에 대한 피가공재 온도의 그래프가 도시되어 있다. 간단히 말하면, 이 방법은 금속 박판 피가공재를 자신의 SHT 온도 또는 이 온도를 초과하는 온도로 가열하는 단계; 이 온도에서 피가공재를 소킹하는 단계; 피가공재를 냉간 다이 세트로 이송하는 단계; 및 피가공재를 부품의 형상으로 신속하게 성형하는 단계를 포함한다. 다음에 이 성형된 부품은 다이 내에서 ??칭되고, 다음에 인공적으로 또는 자연적으로 시효된다. 위에서 논의된 바와 같이, 이 기존의 방법에서 중요한 고려사항은 금속 합금 박판이 성형될 때 가능한 자신의 SHT 온도에 근접해야 한다는 것이다.
이에 반해, 이하에서 설명될, 그리고 본 개시의 일 실시형태인 본 방법은, 박판이 다이 내에 설치되기 전에, 합금의 임계 냉각 속도 이상으로 박판을 냉각하는 추가의 단계를 포함한다.
이하 도 3을 참조하면, 금속 합금 박판(본 실시형태에서는 템퍼링된 AA6082("피가공재")의 박판임)으로 복잡한 부품을 성형하는 본 방법은, 개괄적으로, 다음의 단계를 포함한다: (A) 피가공재를 용체화 열처리하는 단계; (B) 피가공재를 그 성형 온도까지 신속하게 냉각시키는 단계; (C) 다이 내에서 피가공재로 부품을 성형하고, 다이 내에서 더 ??칭하는 단계; 및 (D) 다이를 개방하여 성형된 부품을 제거하는 단계.
이하, 계속해서 도 3을 참조하여 이들 단계의 각각을 더 상세히 설명한다.
[단계 (a)]
단계 (a)는 피가공재의 용체화 열처리를 포함한다. 피가공재는 합금의 용체화 열처리가 실시되는 온도까지 가열된다. 본 실시형태에서, 피가공재는 525℃로 가열된다. 피가공재를 가열하기 위해 노가 사용되지만, 다른 실시형태에서는 다른 가열 스테이션, 예를 들면, 대류 오븐이 사용될 수도 있다. 피가공재는 알루미늄 매트릭스 내에 가능한 다량의 합금 원소를 용해시키도록 이 온도에서 소킹된다. 이것에 의해 피가공재는 완전히 용체화 열처리될 수 있다. 본 실시형태에서, 피가공재는 15 내지 25 초 동안 소킹된다. 그러나, 이 온도 및 시간은 이하에서 논의되는 많은 인자에 따라 변화된다.
선택된 온도 및 시간은 합금 계열에 의존된다.
온도 및 시간은 또한 피가공재가 템퍼링되었는지의 여부에도 의존된다. 본 실시형태에서, 위에서 언급한 바와 같이, 피가공재는 템퍼링되었다. 피가공재가 템퍼링되지 않은 실시형태(예를 들면, 복잡한 부품을 성형하는 방법이 박판을 압연한 후 또는 박판을 어닐링한 후의 금속 합금 박판 상에서 실시되는 실시형태)에서, 용체화 열처리는 15 내지 25 초를 초과하는 시간 동안 위에서 설명된 실시형태의 템퍼링된 알루미늄 합금 6082의 피가공재를 위해 사용되는 온도 범위 내에서 피가공재를 유지시킴으로써 달성된다. 예를 들면, 특정의 실시형태에서, 피가공재는 1 분 이상 동안 상기 온도 범위 내에 유지되고, 다른 실시형태에서, 피가공재는 10 분 이상 동안 상기 온도 범위 내에 유지된다.
소킹 시간은 선택된 온도 및 그 온도를 향한 가열 속도에도 의존된다. 합금에 따라, 단시간 동안 더 고온에서의 소킹은, 더 장시간 동안 더 저온에서의 SHT에 비해, 실온에서 전성과 같은 부품의 최종 기계적 특성의 저하를 초래할 수 있다. 그러나, 더 단시간 동안 고온으로의 가열은 이 공정을 사용하는 부품 성형 속도를 증가시킨다. AA6082(본 실시형태의 합금)은 결정립 성장을 저지하는 첨가물을 포함한다. 그러므로 이것은 완성된 부품의 기계적 특성을 손상시키지 않고 더 고온에서 더 단시간 동안 가열될 수 있다. 그러므로, 다른 실시형태에서, 피가공재는 525℃보다 높은 온도, 예를 들면, 560℃로 가열된다. 최종 원하는 온도까지의 가열에 이 설명된 실시형태보다 장시간이 소요되는 실시형태에서는 추가의 소킹이 불필요하다. 예를 들면, 대류 오븐에서 560℃까지 피가공재를 가열하는 데는 약 10 분이 소요될 수 있다. 이 경우, 가열 단계 중에 SHT가 달성되었으므로 피가공재는 이 온도에서 유지되지 않는다.
일부의 실시형태에서, 피가공재가 최종 온도를 향해 가열되는 중에 SHT가 달성될 수 있으므로 피가공재는 전형 소킹될 필요가 없다.
[단계 (b)]
[균일한 냉각]
단계 (b)에서, 피가공재는 이것이 성형될 온도까지 냉각된다. 본 실시형태에서, 피가공재는 300℃까지 균일하게 냉각된다. 블랭크의 냉각 온도 및 블랭크의 냉각 시간은 피가공재의 두께 뿐만 아니라 사용되는 특정한 냉각 방법에 의존된다. 상이한 온도 및/또는 변형률에서 피가공재 금속의 기계적 특성은 진보된 재료 시험 기법을 사용하여 평가될 수 있다. 특정된 성형 조건에서 재료의 성형 한계를 예측하기 위해 진보된 재료 모델링 및 유한 요소(FE) 모델링이 사용된다. 이 모델링 예측에 기초하여 대부분의 적절한 성형 파라미터가 선택된다. 일부의 실시형태에서, 성형 공정의 FE 모델은 부품 내의 최대 변형 수준을 확인하도록 도와주고, 이러한 변형이 달성될 수 있는 온도 및 냉각 시간이 선택된다. 예를 들면, 피가공재가 Aa6082이고, 2mm 두께를 가지는 대안적 실시형태에서, 피가공재는 350℃까지 냉각되고, 냉각 시간은 약 1 내지 3 초이다
이하 도 5를 참조하면, 본 실시형태에서, 피가공재(52)는 노와 다이 사이에서 피가공재(52)를 이송하기 위한 시스템(도시되지 않음)의 일부로서 노와 다이(도시되지 않음) 사이의 생산 라인(도시되지 않음) 상의 냉각 스테이션(50)에서 냉각된다. 냉각 스테이션(50)에서, 피가공재(52)는 피가공재 홀딩 유닛(55)의 표면 상에 배치되어 공기와 물의 미스트에 의해 냉각된다. 가압수가 노즐 조립체(51)로부터 미세한 분무로서 방출된다. 사용되는 노즐의 수는 요구되는 냉각 속도 및 컴포넌트의 크기에 따라 선택된다. 대형 피가공재 전체의 고속 냉각이 필요한 경우, 요구되는 노즐의 수는, 예를 들면, 소형의 피가공재를 저속으로 냉각하는데 요구되는 노즐의 수보다 많다.
피가공재는 합금의 임계 냉각 속도 이상으로, 불필요한 석출물의 형성 및 성장을 방지하지만 높은 전성을 유지하는 속도로 냉각된다. 본 실시형태에서, 50℃/초의 냉각 속도가 이러한 효과를 달성한다. 다른 합금의 경우, 합금의 임계 냉각 속도는 상이하다.
피가공재(52)의 냉각을 모니터링하고 조절하기 위해 제어 루프가 사용된다. 피가공재(52)의 온도는 서모커플(53)에 의해 측정된다. 노즐 조립체(51)로부터의 가압수의 분무의 질량 유량은 유량 제어 유닛(54)에 의해 제어된다. 유량 제어 유닛(54)은 서모커플(53)에 의해 측정된 온도를 기준 온도(즉, 불필요한 석출물의 형성 및 성장을 방지하지만 높은 전성을 유지하는 냉각 속도를 규정하는 온도)와 비교한다. 유량 제어 유닛(54)은, 서모커플(53)에 의해 측정되는 온도가 기준 온도보다 낮은 속도로 감소되는 경우, 노즐 조립체(51)로부터의 가압수의 분무의 질량 유량을 증가시킨다. 반대로, 유량 제어 유닛(54)은, 서모커플(53)에 의해 측정되는 온도가 기준 온도의 감소 속도보다 높은 속도로 감소되는 경우, 노즐 조립체(51)로부터의 가압수의 분무의 질량 유량을 감소시킨다. 또한 노즐 조립체(51)가 피가공재(52) 상에 가압수의 분무를 방출하는 지속시간은 서모커플(53)에 의해 측정되는 온도에 따라 유량 제어 유닛(54)에 의해 제어된다. 피가공재(52)가 원하는 온도까지 냉각된 것을 측정된 온도가 표시하는 경우(본 실시형태에서, 피가공재(52)가 300℃로 균일하게 냉각된 경우), 유량 제어 유닛(54)은 피가공재(52) 상으로의 가압수의 분무를 중지한다.
[단계 (c)]
도 3을 한번 더 참조하면, 단계 (c)에서 냉간 다이 세트 내에서 피가공재로부터 부품이 성형된다. 본 실시형태에서, 부품은 또한 이것을 더 냉각시키기 위해 다이 세트 내에서 고압 하에 유지된다.
본 실시형태에서, 다이는 피가공재의 국부적 두께감소의 원인이 되는 형상을 갖는다. 다이의 제조 전에, 국부적 두께감소를 포함하는 다이 내에서 성형될 부품의 두께에 따라 다이의 평면적 표면 기하학적 형상을 개선하기 위해 시뮬레이션이 사용된다. 기존의 방법에서, 다이 표면은 다이에 의해 성형될 박판이 균일한 두께를 가진다는 가정 하에 설계 및 기계가공된다. 예를 들면, 다이 표면은 공칭 박판 두께 + 10%(허용오차)의 박판을 위해 설계 및 기계가공된다. 이에 반해, 본 실시형태에서, 공구 표면은 성형된 부품의 두께 형상에 일치되는 형상을 갖는다. 이것은 다이로의 열전도도를 향상시키기 위해 피가공재와 다이 사이의 접촉을 증가시킨다.
[단계 (D)]
단계 (D)에서, 다이는 개방된다. 부품이 충분히 저온으로 냉각된 후(본 실시형태에서, 부품이 약 100℃로 냉각된 후), 부품은 제거된다.
컴포넌트의 최종 강도는 성형 공정 후에 인공 시효(도 3에 도시되지 않음)에 이해 강화된다.
[효과 및 장점]
기존의 HFQ(RTM) 공정에 비해, 본 방법의 장점은 다음과 같이 요약될 수 있다:
(i) 더 낮은 성형 온도는 더 낮은 다이 온도 및 더 낮은 강도의 열 사이클을 가져오고, 다이 수명을 증가시킨다.
(ii) 다이에 더 적은 열이 전달된다. 많은 실시형태에서, 자연 대류/전도는 다이 내에서 피가공재를 냉각시키는데 충분하므로 다이 냉각의 필요성이 제거된다. 이것은 다이 세트의 설계를 단순화할 수 있고, 비용을 감소시킨다. 예를 들면, 항공우주 용도에서, 부품은 통상적으로 천천히 성형(생산성이 낮음)되므로, 피가공재의 자연 다이 냉각이 충분하다.
(iii) 다이 내의 성형된 부품의 유지 압력 및 유지 시간은 요구되는 더 작은 온도 변화에 기인되어 더 작으므로, 에너지 사용은 감소되고, 생산성은 증가된다.
(iv) 변형 경화 효과는 더 저온에서 더 커지므로, 부품은 기존의 HFQ(RTM) 공정에 비해 더 느린 속도로 성형될 수 있다. 그러므로 성형을 위해 표준 기계식 프레스가 사용될 수 있다.
(v) 이러한 더 느린 성형 속도는 다이 상의 충격 하중을 감소시킬 수 있으므로 다이 수명을 증가시킨다.
(vi) 더 저온에서 더 큰 변형 경화 효과는 다이 내에서 피가공재의 더 큰 인발성(drawability)을, 따라서 향상된 성형성을 유발할 수 있다. 용체화 열처리 후에 달성되는 우수한 전성(연강의 파괴 진변형과 동등한 30% 내지 60%의 범위 내의 파괴 진변형(εf)을 가짐)과 조합되어, 더 낮은 성형 온도에서도 복잡한 형상의 부품이 성형될 수 있다.
(vii) 단계 (b)에서 피가공재가 비균일하게 냉각되는 실시형태에서, 성형성을 최대화하고, 국부적 두께감소를 감소시키는데 요구되므로 피가공재의 다양한 영역에 걸쳐 온도가 변화될 수 있다.
이하 도 2a 및 도 2b를 참조하여 SHT(단계 (a)) 및 냉각 단계 (b)의 피가공재의 기계적 특성에 미치는 효과에 대해 간단히 설명한다.
사전 SHT를 실시한 상태에서, 그리고 사전 SHT를 실시하지 않은 상태에서 300℃에서 알루미늄 합금에 대해 일축 인장 시험이 실시되었다. 도 2a는 이러한 시험을 위해 사용된 온도 이력을 도시한다. 동그라미 영역은 시편이 변형되었을 경우를 표시한다. 도 2b는 도 2a에 도시된 시험 조건 하에서의 합금에 대한 일축 인장 시험의 결과를 도시한다. 그러므로 이것은 SHT를 실시한 상태 및 실시하지 않은 상태에서 합금의 기계적 거동의 비교를 도시한다. 이것은 또한 사전 SHT를 실시한 상태(종래의 HFQ(RTM) 공정)의 450℃에서 합금에 대한 시험 결과를 도시한다.
상이한 온도에서 파괴 시험된 재료의 변형 거동이 SHT 온도로부터 동일한 온도까지의 신속한 냉각 후에 시험된 재료의 변형과 비교되었다. 그 결과 기계적 특성에 미치는 사전 SHT의 이점이 밝혀졌다. 시험은 1/초의 변형률에서 실시되었고, 압연 방향과 하중 방향은 평행하였다. (SHT 온도에서의) 용체화 열처리 및 냉간 다이 세트로의 이송 후, 변형 전의 피가공재 온도가 450℃라는 가정하에, HFQ(RTM) 조건에서 실시된 시험 결과가 또한 비교되었다. 그 결과 종래의 HFQ(RTM) 공정에 냉각 단계를 도입한 것의 이점이 밝혀졌다.
도 2b로부터 사전 SHT를 실시한 상태의 피가공재의 전성은 사전 SHT를 실시하지 않은 경우에 비해 강화된다는 것을 알 수 있다. 이것은 복잡한 형체의 성형을 위한 충분한 수준까지 도달된다. 사전 SHT를 실시한 상태에서 300℃에서의 변형은 전성을 약 80% 만큼 증가시켰다. HFQ(RTM) 조건에 비교했을 때, 변형 경화가 강화되었다. 데이터의 멱법칙 표현을 취하면, 변형 경화 지수(n값)는 0.04로부터 0.12로 증가되었다. 또한 유동 응력은 HFQ(RTM) 조건에 비해 훨씬 크다는 것을 알 수 있다. 300℃에서 변형 하에서의 인장 강도는 HFQ(RTM) 조건에서 달성된 인장 강도의 2 배를 초과하였다. 그러므로, 이 냉각 단계는 변형 경화 및 강도를 증진시키고, 동시에 복잡한 형상의 부품의 성형을 위해 충분한 전성을 유지하고, 그 결과 금속 박판의 성형성을 향상시킨다는 것을 알 수 있다. 도 2b에 도시된 결과로부터 또한 알 수 있는 바와 같이, SHT를 실시한 상태의 300℃의 유동 응력 곡선과 SHT를 실시한 상태의 450℃의 유동 응력 곡선의 비교로부터, 변형 경화 효과는 300℃에서 더 현저하다. 그러므로, 부품이 300℃에서 성형되는 경우, 부품 내의 두께 분포는 450℃에서 성형된 부품의 경우에 비해 더 균일해질 것이다.
[단계 (b) - 대안적 실시예]
도 3을 한번 더 참조하면, 대안적 실시형태에서, 냉각 단계 (b)는 전술한 방식과 다르게 실시된다. 다른 점에서는, 본 공정은 제 1 실시형태의 공정과 동일할 수 있다. 이하에서 이 대안적 실시형태에 대해 설명한다.
[미스트 분무에 의한 대안적인 균일한 냉각]
하나의 대안적 실시형태에서, 피가공재는 냉각 스테이션(50)에서 어떤 표면 상에 배치되지 않지만, 노로부터 다이로의 이송 중에 그립으로 홀딩된 상태에서 (전술한 바와 같은) 공기와 물의 미스트에 의해 냉각된다. 다른 실시형태에서, 피가공재는 이것이 다이로 전달된 후에 계속해서 공기와 물의 미스트에 의해 냉각된다. 이것은, 전술한 바와 같이, 미세한 분무로서 가압수를 방출하는 다이 세트에 내장되어 있는 노즐에 의해 달성된다. 또 다른 실시형태에서, 피가공재는 이것이 다이로 전달된 후에만 냉각된다. 피가공재가 다이로 전달된 후에 냉각되는 일부의 실시형태에서, 다이를 냉각 및 세정하기 위해 공기-물의 미스트가 사용된다.
[공기류에 의한 균일한 냉각]
다른 실시형태에서, 피가공재는 공기 블레이드 조립체로부터의 제어된 공기류에 의해 냉각된다. 일부의 실시형태에서, 이것은 노와 다이 사이의 냉각 스테이션에서 수행되고, 여기서 피가공재는 일 표면 상에 배치되어 공기류에 의해 냉각된다. 다르게는, 피가공재는 이것을 이송하기 위해 사용되는 그립으로 홀딩된 상태에서 노와 다이 사이에서 전달되는 중에 냉각된다.
[전도성 플레이트에 의한 균일한 냉각]
도 6을 참조하면, 또 다른 실시형태에서, 피가공재(52)는 상부 ??칭 블록(63) 및 하부 ??칭 블록(65)의 형태의 전도성 플레이트를 사용하여 냉각된다. 공기와 물의 미스트를 사용하여, 또는 공기 블레이드에 의해 피가공재가 냉각되는 실시형태와 같이, 피가공재는 노와 다이 사이의 생산 라인 상의 냉각 스테이션에서 또는 노와 다이 사이에서의 이송 중에 전도성 플레이트를 사용하여 냉각될 수 있다. 양 실시형태에서, 피가공재는 전도성 플레이트들 사이에 유지되고, 피가공재가 원하는 온도로 냉각될 때까지 균일한 압력이 가해진다.
이 대안적 실시형태에서, 피가공재(52)는 노와 다이(도시되지 않음) 사이의 생산 라인(역시 도시되지 않음) 상의 냉각 스테이션(60)에서 냉각된다. 단계 (a)(피가공재의 용체화 열처리)가 수행된 후에 배치 로봇(61)은 피가공재(52)를 회수한다. 배치 로봇(61)은 피가공재(52)를 투입 컨베이어(64) 상에 적재한다. 투입 컨베이어(64)는 피가공재(52)를 하부 ??칭 블록(65)의 롤러(69) 상으로 이송한다. 이들 롤러(69)는 후퇴가능하고, 피가공재(52)가 상부 ??칭 블록(63)의 직하에 위치된 후에 롤러(69)는 후퇴된다. 다음에 상부 ??칭 블록(63)이 피가공재(52) 상으로 하강된다. 상부 ??칭 블록(63)에 의해 가해지는 압력은 압력 제어 유닛(66)에 의해 조절된다. 일반적으로, 가해지는 압력이 크면 클수록 피가공재(52)의 냉각 속도가 빨라진다. 하중 하의 ??칭 블록들 사이에서 이러한 방식의 냉각은 500℃/초를 초과하는 냉각 속도를 가능하게 한다. 그러므로, 본 실시형태에서, 블록(63)과 블록(65) 사이에서 냉각 시간은 0.5초 미만이다. 그러나, 더 빠른 냉각이 달성될 수도 있다. 예를 들면, 이 장치에서 0.1초의 냉각 시간이 가능하다.
또 다른 대안적 실시형태에서, 피가공재(52)의 온도는 도 5와 관련하여 설명된 실시형태에서와 동일한 방식으로 서모커플(도시되지 않음)을 이용하여 모니터링된다. 이 대안적 실시형태에서 압력 제어 유닛(66)은 전술한 유량 제어 유닛(54)과 유사한 방식으로 작동한다. 구체적으로는, 압력 제어 유닛(54)은 서모커플(53)에 의해 측정된 온도를 기준 온도와 비교한다. 압력 제어 유닛(54)은, 서모커플(53)에 의해 측정된 온도가 기준 온도보다 느린 속도로 감소되는 경우, 상부 ??칭 블록(63)에 의해 피가공재(52)에 가해지는 압력을 증가시킨다. 반대로, 압력 제어 유닛(54)은, 서모커플(53)에 의해 측정된 온도가 기준 온도보다 빠른 속도로 감소되는 경우, 상부 ??칭 블록(63)에 의해 피가공재(52)에 가해지는 압력을 감소시킨다. 또한 상부 ??칭 블록에 의해 압력이 가해지는 지속시간은 서모커플(53)에 의해 측정된 온도에 따라 유량 제어 유닛(54)에 의해 제어된다. 피가공재(52)가 원하는 온도까지 냉각된 것을 측정된 온도가 표시하는 경우(본 실시형태에서, 피가공재(52)가 300℃로 균일하게 냉각된 경우), 압력 제어 유닛(56)에 의해 상부 ??칭 블록(63)은 피가공재(52)로부터 상승된다.
전술한 대안적 양 실시형태에서, 피가공재(52)가 특정의 시간 동안 냉각된 후(또는, 제 2 실시형태에서, 측정된 특정의 온도까지 냉각 된 후), 상부 ??칭 블록(63)은 피가공재(52)로부터 상승된다. 다음에 하부 ??칭 블록(65)의 롤러(69)는 재연장되어 피가공재(52)를 배출 컨베이어(67) 상으로 이송한다. 배출 컨베이어(67)는 피가공재(52)가 이송 로봇(68)에 의해 상승될 수 있도록 피가공재(52)를 위치시킨다. 이송 로봇(68)은 피가공재(52)를 단계 (c)를 위해 다이(도시되지 않음)로 이송한다.
[진공 플레이트 상에서의 냉각]
이하 도 4를 참조하여, 피가공재(52)가 전도성 플레이트에 의해 냉각되는 추가의 대안적 실시형태를 설명한다. 도 4는 높은 열전도율을 가진 플레이트(41) 상의 피가공재(52)를 도시한다. 플레이트(41)는 플레이트(41)의 측면의 채널링(channelling; 44)을 통해 진공 유닛(도시되지 않음)에 접속된다. 채널링(44)은 덕트(43)에 접속되고, 이 덕트(43)는 피가공재(52)가 냉각 중에 배치되는 플레이트(41)의 표면에 개구를 가진다. 일 실시형태에서, 이 플레이트(41)는 도 6을 참조하여 위에서 설명한 실시형태의 하부 ??칭 블록(65)을 대신한다. 본 실시형태에서, 피가공재(52)는 플레이트(41) 상에 배치된다. 상부 ??칭 블록(63)이 피가공재(52) 상으로 하강된다. 덕트(43) 내에서 진공이 생성된다. 이것은 피가공재(52)를 플레이트(41) 상에 흡인한다. 이것에 의해 피가공재(52)가 받는 압력이 증가된다. 이 진공은 또한 피가공재(52) 주위의 공기류를 증가시키고, 이것에 의해 냉각 속도가 증가된다. 피가공재(52)가 서모커플에 의해 측정된 특정의 온도(본 실시형태에서, 300℃)까지 냉각 된 후, 또는 특정 시간 동안 냉각된 후(여기서는 서모커플이 제공되지 않음), 진공이 더 이상 가해지지 않고, 공정은 도 6 및 도 3을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 계속된다.
또 다른 대안적 실시형태에서, 피가공재는 전술한 바와 같이 높은 열전도율을 가진 플레이트(41) 상에서 냉각된다. 바이메탈 스트립(도 4에 도시되지 않음)은, 피가공재가 규정된 온도에 도달한 경우에, 피가공재(52)를 플레이트(41)로부터 상승시킨다. 그러므로, 이 대안적 실시형태에서, 냉각 단계는, 제어 유닛 또는 사람이 개입될 필요 없이, 바이메탈 스트립에 의해 종료된다. 또한 바이메탈 스트립은, 진공이 형성되도록 된 블록이 배치되지 않은 경우, 피가공재(52)를 하부 ??칭 블록(또는 높은 열전도율을 가진 플레이트)으로부터 상승시키기 위해 사용될 수 있다.
[비균일 냉각]
또 다른 대안적 실시형태에서, 부품을 형성하기 위해 더 큰 변형 경화 효과가 요구되는 피가공재의 영역은 피가공재의 나머지보다 더 저온까지 냉각된다("비균일 냉각"). 일부의 "비균일 냉각" 실시형태에서, 어느 영역이 선택적으로 냉각되는지는 피가공재로 성형될 부품의 기하학적 형상에 의해 결정된다. 예를 들면, 상당한 재료의 연신을 필요로 하는 작은 형상을 가지도록 성형되어야 하는 피가공재의 영역의 온도는, 성형 중에 국부적 두께감소를 감소시키도록 재료의 드로-인이 실시되도록, 피가공재의 기타 영역의 온도보다 약간 낮도록 선택된다. 다시 말하면, 다이 내에서 재료의 이동에 대한 추가의 제어를 얻기 위해 피가공재의 전체에 걸쳐 비균일 온도를 부여하는 것이 사용된다.
다른 "비균일 냉각" 실시형태에서, 어느 영역이 선택적으로 냉각되는지는 사용 중에 부품에 가해질 것으로 예상되는 힘에 의해 결정된다. 예를 들면, 비교적 낮은 전성을 구비하여 고응력을 유지해야 하는 영역은 고속으로 ??칭되고, 다른 한편 낮은 항복 응력을 구비하여 우수한 전성을 가져야 하는 영역은 저속으로 냉각될 수 있다.
또 다른 "비균일 냉각" 실시형태에서, 피가공재는 냉각 단계 (b)의 말기에서 피가공재의 온도가 피가공재의 영역들 사이에서 원활하게 변화되도록 냉각된다. 다시 말하면, 냉각된 피가공재는 그 전역에 걸쳐 다중의 온도를 갖는다. 이것에 의해 피가공재 상에 다수의 구별되는 온도 영역이 생성된다. 예를 들면, 피가공재 상에 단계적 강도를 실현하기 위해서는 냉각이 이러한 방식으로 제어된다. 피가공재가 자동차 부품용인 경우, 이러한 냉각은 충돌 조건 하에서 부품의 제어된 파괴를 제공한다.
추가의 "비균일 냉각" 실시형태에서, 피가공재가 2 개 이상의 재료 두께를 가지는 경우, 예를 들면, 피가공재가 용접된 블랭크(즉, 2 개 이상의 박판을 함께 용접한 피가공재)인 경우, 피가공재의 더 얇은 영역은 피가공재의 더 두꺼운 영역보다 더 저온으로 냉각된다. 이것은 더 두꺼운 영역의 변형을 촉진시키고, 따라서 얇은 부분의 변형을 감소시킨다. 이러한 방식으로, 변형은 두꺼운 재료와 얇은 재료 사이에서 더 균일하게 분포되고, 중대한 영역의 최대 두께감소가 감소된다.
[전도성 플레이트에 의해 비균일 냉각]
하나의 "비균일 냉각" 실시형태에서, 피가공재는 도 6에 관련하여 위에서 설명한 "균일한 냉각" 실시형태와 유사한 방식으로 전도성 냉각에 의해 냉각된다. 즉, 피가공재는 노와 다이 사이의 생산 라인 상의 냉각 스테이션에서 상부 ??칭 블록과 하부 ??칭 블록 사이에서 냉각된다. 그러나, 본 실시형태에서, 피가공재가 더 저온까지 냉각되어야 하는 영역에서는 피가공재 상의 블록의 압력을 증가시킴으로써 피가공재의 상이한 영역 상의 상이한 온도의 냉각이 달성되도록 상부 ??칭 블록이 개조될 수 있다. 이 실시형태의 상부 ??칭 블록은 더 빠른 냉각 속도가 요구되는 피가공재의 영역에 대응하는 엠보싱된 영역을 갖는다. 상부 ??칭 블록이 피가공재에 가해지는 경우, 피가공재 상에 가해지는 이 엠보싱된 영역의 압력은 엠보싱되지 않은 영역의 압력보다 크다. 이것에 의해 피가공재는 엠보싱되지 않은 영역에서보다 엠보싱된 영역과 접촉되는 경우에 더 고속으로 냉각된다.
또 다른 "비균일 냉각" 실시형태에서, 또한 피가공재는 도 6에 관련하여 위에서 설명한 "균일한 냉각" 실시형태와 유사한 방식으로 전도성 냉각에 의해 냉각된다. 그러나, 본 실시형태에서, 상부 ??칭 블록은 더 저온까지 냉각되어야 하는 피가공재의 영역에만 가해지도록 개조된다.
또 다른 "비균일 냉각" 실시형태에서, 또한 피가공재는 도 6에 관련하여 위에서 설명한 "균일한 냉각" 실시형태와 유사한 방식으로 전도성 냉각에 의해 냉각되지만, 상부 ??칭 블록은 상이한 열전도율을 구비한 재료로 제조된다. 피가공재의 다른 영역보다 고속으로 냉각되어야 하는 피가공재의 영역에 대응하는 상부 ??칭 블록의 영역에서, 상부 ??칭 블록은 ??칭 블록의 다른 영역에 비해 더 높은 열전도율을 가진 재료로 제조된다. 더 저속으로 냉각되어야 하는 피가공재의 영역에 대응하는 상부 ??칭 블록의 영역에서, 상부 ??칭 블록은 더 낮은 열전도율을 구비하는 재료로 형성된다.
전술한 실시형태의 각각의 변형례에서, 하부 ??칭 블록은 상부 ??칭 블록과 관련하여 위에서 설명한 바와 같이 대신 개조된다. 이들 변형례에서 상부 ??칭 블록은 도 6에 관련하여 설명한 것과 유사하다.
추가의 "비균일 냉각" 실시형태에서, 피가공재는 도 4에 도시된 바와 같이 진공이 형성되는 플레이트(41) 상에서 냉각되고, 상부 ??칭 블록(도시되지 않음)은 전술한 방식 중 임의의 방식으로 개조된다.
더 추가의 "비균일 냉각" 실시형태에서, 피가공재는, 도 4에 도시된 바와 같이, 진공이 생성되는 플레이트(41) 상에서 냉각되고, 피가공재의 상이한 영역에서 피가공재 상에 상이한 음의 계기 압력을 생성하기 위해 진공이 사용된다. 즉, 진공의 수준은 피가공재의 나머지보다 고속으로 냉각되어야 하는 피가공재(52)의 영역의 직하에 위치되는 덕트(43)의 진공을 통해 증가된다. 이것에 의해 이들 영역을 플레이트(41)에 대해 유지하는 힘이 증가되고, 따라서 이들 영역의 냉각 속도가 증가된다. 진공은 더 저속으로 냉각되어야 하는 피가공재(52)의 영역의 직하에 위치되는 덕트(43)의 진공에 의해 더 약화된다.
다른 실시형태에서, 전술한 바와 같은 전도성 플레이트를 사용하는 "비균일 냉각"이 실시되고, 동시에 피가공재는 (냉각 스테이션 대신) 노와 다이 사이에서 이송 중에 그립 내에 유지된다.
[미스트 분무에 의한 비균일 냉각]
대안적 실시형태에서, 도 5와 관련하여 위에서 설명한 공기와 물의 미스트를 사용하는 피가공재의 균일한 냉각과 유사한 방식으로, 비균일 냉각을 달성하기 위해 분무로서 가압수를 방출하는 노즐 조립체(51)가 사용된다. 이 대안적 실시형태에서, 유량 제어 유닛(54)은 더 고속으로 냉각되어야 하는 피가공재의 영역에서만 노즐이 공기와 물의 미스트를 방출하도록 제어한다. 이것에 의해 피가공재의 이들 영역은 노즐이 공기와 물의 미스트를 안내하지 않는 피가공재의 영역보다 더 신속하게, 그리고 더 저온으로 냉각된다.
대안적으로 또는 추가적으로, 또 다른 실시형태에서, 유량 제어 유닛(54)은, 더 신속하게 냉각되어야 할 피가공재의 영역에서 노즐이 다른 영역에서의 노즐보다 더 큰 질량 유량으로 공기와 물의 미스트를 방출하도록, 각각의 노즐로부터의 공기와 물의 미스트의 질량 유량을 제어한다. 유사하게, 그 다른 실시형태에서 유량 제어 유닛(54)은, 더 저온으로 냉각되어야 할 피가공재의 영역에서, 피가공재의 다른 영역의 노즐보다 장시간 동안 공기와 물의 미스트를 방출하도록 노즐을 제어한다.
Claims (19)
- 금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법으로서,
상기 방법은,
(a) 용체화 열처리를 달성하기 위해 상기 합금의 용체화 열처리가 실행되는 온도로 상기 박판을 가열하는 단계;
(b) 상기 합금의 임계 냉각 속도 이상으로 상기 박판을 냉각하는 단계; 및
(c) 상기 박판을 복잡한 부품으로 또는 복잡한 부품을 향해 성형하기 위해 다이들 사이에 상기 박판을 설치하는 단계를 포함하는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 단계 (b)는 상기 합금 내에서 미세구조의 석출이 방지되는 속도 이상으로 상기 박판을 냉각하는 단계를 포함하는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 박판은 상기 부품의 성형을 여전히 허용하는 최저 온도로 냉각되는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (b)는 상기 박판에 냉각 매체를 가하는 단계를 포함하는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 냉각 매체는 고체인,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 냉각 매체는 유체인,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (b)는 상기 박판의 적어도 제 2 영역의 냉각 온도인 제 2 온도보다 낮은 제 1 온도로 상기 박판의 적어도 제 1 영역을 선택적으로 냉각하는 단계를 포함하는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 5 항에 종속되는 제 7 항에 있어서,
상기 단계 (b)는, 제 2 영역보다 제 1 영역에 더 큰 압력으로 상기 고체를 적용함으로써, 상기 박판의 적어도 제 2 영역의 냉각 온도인 제 2 온도보다 낮은 제 1 온도로 상기 박판의 적어도 제 1 영역을 선택적으로 냉각하는 단계를 포함하는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 4 항에 종속되는 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 단계 (b)는, 제 2 영역이 아닌 제 1 영역에 고체를 적용함으로써, 상기 박판의 적어도 제 2 영역의 냉각 온도인 제 2 온도보다 낮은 제 1 온도로 상기 박판의 적어도 제 1 영역을 선택적으로 냉각하는 단계를 포함하는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 6 항에 종속되는 제 7 항에 있어서,
상기 단계 (b)는, 상기 박판의 제 1 영역에 상기 제 2 영역보다 긴 지속시간, 낮은 온도 및/또는 큰 질량 유량으로 상기 유체를 안내함으로써, 상기 박판의 적어도 제 2 영역의 냉각 온도인 제 2 온도보다 낮은 제 1 온도로 상기 박판의 적어도 제 1 영역을 선택적으로 냉각하는 단계를 포함하는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (a)는 상기 합금 내에서 석출물이 분해되는 온도 이상으로 상기 박판을 가열하는 단계를 포함하는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (a)는 상기 박판의 용체화 열처리 온도를 초과하는 온도로 상기 박판을 가열하고, 적어도 15 초 동안 상기 온도에서 상기 박판을 유지시키는 단계를 포함하는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다이는 냉각되는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 박판은 알루미늄 합금인,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 박판은 AA5XXX 알루미늄 합금이고, 상기 단계 (a)는 480℃ 내지 540℃로 상기 박판을 가열하는 단계를 포함하는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (b)는 상기 박판 상의 하나 이상의 위치에서 상기 박판의 온도를 측정하는 단계, 및 상기 하나 이상의 위치에서 측정된 온도에 기초하여 상기 박판의 냉각 속도를 제어하는 단계를 포함하는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 5 항, 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 단계 (b)는 상기 박판 상의 상기 고체의 압력을 증가시키기 위해 상기 고체에 하중을 가하는 단계를 포함하는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 5 항, 제 8 항, 제 9 항 또는 제 17 항에 있어서,
상기 고체는 상기 박판과 접촉되도록 배치되는 표면을 포함하고, 상기 표면의 하나 이상의 제 1 영역은 하나 이상의 제 2 영역에 대해 융기(relief)된,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법. - 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (b)는 상기 다이에 상기 박판을 이송시키도록 배치되는 장치의 냉각 스테이션 성형부에서 상기 박판을 냉각하는 단계를 포함하는,
금속 합금 박판으로 부품을 성형하는 방법.
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