KR100993988B1 - 간접 핫 스탬핑 성형방법 - Google Patents

Abstract

성형과 동시에 열처리를 수행함으로써, 형상이 복잡한 고강도 부품을 성형할 수 있도록 하는 핫 스탬핑 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 형상 성형의 대부분이 냉간 성형 과정에서 이루어지도록 하는 간접 핫 스탬핑 성형방법에 관하여 개시한다.
본 발명은 소재를 절단하는 블랭킹(blanking)공정; 절단된 소재를 완제품에 대응하는 형상의 프레스 금형으로 냉간 성형하는 냉간성형공정; 냉간성형된 소재의 가장자리를 트리밍(trimming)하는 트리밍공정; 트링밍된 소재를 가열로에 넣어 768~1000℃의 온도 범위로 가열하는 열처리공정; 및 가열된 소재를 완제품에 대응하는 형상의 프레스 금형에서 최종형상으로 교정함과 동시에 급냉시키는 마무리열간성형공정;을 포함하는 간접 핫 스탬핑 성형방법을 제공한다.

Description

간접 핫 스탬핑 성형방법{INDIRECT HOT STAMPING}

본 발명은 성형과 동시에 열처리를 수행함으로써, 형상이 복잡한 고강도 부품을 성형할 수 있도록 하는 핫 스탬핑 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 형상 성형의 대부분이 냉간 성형 과정에서 이루어지도록 하는 간접 핫 스탬핑 성형방법에 관한 것이다.

종래에는 일반적으로 프레스 방식을 이용하여 자동차 부품을 제조하였다.

프레스 방식을 이용한 자동차 부품의 제조방법은 일반적으로 냉연 또는 열연 코일의 원소재를 절단한 후 그 소재를 이송하여 프레스 금형에 넣고 압착하여 성형을 완료한 다음 필요없는 부분을 절단하고 구멍을 형성하는 등의 마무리 작업을 거쳐 제품을 완성하는 방법이다.

이와 같은 종래의 프레스 방식을 이용한 철판 가공 방법은 철강사에서 제조한 철판의 강도와 물성을 단지 가공하여 부품 형상을 구현하는 것에 지나지 않는다. 따라서 원소재의 성질이 곧 가공 후 부품의 성질이 되는 것이므로 원소재의 강도가 올라갈수록 프레스 성형은 어려워지게 되어 제품의 정밀한 형상 구현이 어려워지게 된다.

한편, 철판의 특성 중에는 스프링 백(spring back)이란 현상이 있다. 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 성형상의 문제점은 강도가 강한 원소재의 적용에 제약을 줄 수밖에 없다.

본 발명의 목적은 열간성형을 통해 제품의 형상을 모두 성형하는 방식인 종래의 핫 스탬핑 방식에서 탈피하여 대부분의 형상 성형은 냉간 성형과정을 통해서 이루어지고, 열간성형과정에서는 최소한의 성형과 치수정밀도 향상을 위한 교정 작업이 이루어지도록 하는 간접 핫 스탬핑 성형 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 제품의 트림 또는 홀가공에 있어 적용되는 레이저 장비의 사용을 최소화 하거나 또는 전혀 사용하지 않고 트림 및 피어싱 공정을 수행할 수 있는 간접 핫 스탬핑 성형 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 소재를 절단하는 블랭킹(blanking)공정; 절단된 소재를 완제품에 대응하는 형상의 프레스 금형으로 냉간 성형하는 냉간성형공정; 냉간성형된 소재의 가장자리를 트리밍(trimming)하는 트리밍공정; 트링밍된 소재를 가열로에 넣어 768~1000℃의 온도 범위로 가열하는 열처리공정; 및 가열된 소재를 완제품에 대응하는 형상의 프레스 금형에서 최종형상으로 교정함과 동시에 급냉시키는 마무리열간성형공정;을 포함하는 간접 핫 스탬핑 성형방법을 제공한다.

완제품이 통공을 구비하는 경우 상기 트리밍공정에서 트리밍과 피어싱(piercing)을 수행하는 것이 바람직하다.

상기 트리밍공정은 프레스 금형에 의하여 수행되는 것이 바람직하고,

상기 마무리열간성형공정의 급냉 속도는 -20℃/sec ~ -100℃/sec 인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 냉간성형공정과 상기 마무리열간성형공정은 동일한 프레스 금형을 사용할 수도 있고, 서로 다른 프레스 금형을 사용할 수도 있다.

또한, 본 발명은 소재를 절단하는 블랭킹(blanking)공정; 절단된 소재를 완제품 형상대비 성형량 60~95% 범위로 냉간 성형하는 냉간성형공정; 냉간성형된 소재의 가장자리를 트리밍(trimming)하는 트리밍공정; 트링밍된 소재를 가열로에 넣어 768~1000℃의 온도 범위로 가열하는 열처리공정; 및 가열된 소재의 잔여 성형량 5~40%를 열간프레스 성형함과 동시에 급랭시키는 마무리열간성형공정;을 포함하는 간접 핫 스탬핑 성형방법을 제공한다.

본 발명에 따른 간접 핫 스탬핑 성형방법은 레이저 장비의 사용을 최소화하거나 또는 경우에 따라 전혀 사용하지 않고 프레스 금형을 사용하여 트림 및 피어싱 작업을 수행할 수 있어서, 레이저 장비에 수반되는 가공비용을 절감할 수 있는 효과를 가져온다. 이러한 가공비용의 절감은 종래 레이저 장비를 사용할 경우보다 약 30%~50% 이상 정도의 비용절감 효과를 가져온다.

또한, 프레스 금형을 이용하는 트림과 피어싱 작업은 레이저를 이용하는 가공에 비하여 짧은 공정시간을 가지고 있어서, 가공에 소요되는 싸이클 타임을 단축하게 된다. 따라서 단위 시간당 생산량이 증가하는 효과를 가져온다.

그리고, 본 발명은 사전에 냉간 성형을 한 후 열간 성형을 통해 형상을 교정하도록 함으로써 열간 성형양을 감소시킴으로써, 열간 성형 공정에 따른 성형 품질 산포 안정화를 가져온다.

도 1은 일반적인 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정 순서도,
도 2는 일반적인 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정개략도,
도 3은 본 발명에 따른 간접 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정 순서도
도 4는 본 발명에 따른 간접 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정개략도임.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 강철 성형체 제조방법의 실시예를 설명한다.

이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.

그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

핫 스탬핑(Hot Stamping) 성형방법은 절단된 원소재(철판)를 고온으로 달군 후에 금형으로 성형함과 동시에 그 금형에 냉각(cooling) 효과를 주어 원소재의 온도를 급격하게 낮추는 퀀칭(quenching) 효과를 통해 원소재의 강도를 원래보다 2~3배 이상으로 향상시키는 방식이다.

또한, 핫 스탬핑 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.

먼저, 일반적인 핫 스탬핑 성형방법에 관하여 살펴본다.

도 1은 일반적인 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 2는 일반적인 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정개략도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적인 핫 스탬핑 성형방법은 코일 소재를 절단하는 블랭킹공정(S-11)과, 블랭킹된 소재를 일정온도 범위로 가열하는 열처리공정(S-12)과, 가열된 소재를 성형함과 동시에 급냉하는 열간성형및급냉공정(S-13)과, 경화된 소재를 레이저 장비를 사용하여 정밀하게 재단하는 레이저트리밍공정(S-14)을 포함한다.

일반적인 핫 스탬핑 성형방법의 경우 열간성형에서 모든 성형이 이루어지고 있어서, 열간성형 이전에는 제품의 외곽선을 정밀하게 절단하는 트리밍 공정을 수행할 수 없었다. 프레스 성형을 하기 위해서는 홀더에 고정되는 부분이 필요하기 때문에 성형전 블랭킹 단계에서 이 부분까지 절단할 수는 없으므로, 성형이 완료되고 소재가 경화된 후에 트리밍 작업을 수행할 수 밖에 없었다.

그런데, 경화된 소재는 강도가 높아 일반적은 프레스 금형으로는 트리밍을 수행할 수 없어서, 레이저 장비를 사용하고 있었다. 그런데 레이저 장비는 프레스 금형에 비하여 장비의 가격이 높고, 절단 부위를 따라 레이저 빔을 이동시키며 작업이 이루어지는 특성상 공정시간이 많이 소요되는 단점을 가지고 있었다.

또한, 모든 성형이 열간성형에 의하여 이루어지기 때문에 성형품질 산포의 분포가 넓은 단점도 가지고 있었다.

다음으로, 본 발명에 따른 간접 핫 스탬핑(Indirect hot stamping) 성형방법에 관하여 살펴본다.

도 3은 본 발명에 따른 간접 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 4는 본 발명에 따른 간접 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정개략도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 간접 핫 스탬핑 성형방법은 소재를 절단하는 블랭킹(blanking)공정(S-31)과, 절단된 소재를 프레스 금형으로 냉간 성형하는 냉간성형공정(S-32)와, 냉간성형된 소재의 가장자리를 트리밍(trimming)하는 트리밍공정(S-33)과, 트링밍된 소재를 가열로에 넣어 768~1000℃의 온도 범위로 가열하는 열처리공정(S-34)과, 가열된 소재를 최종형상으로 교정함과 동시에 급냉시키는 마무리열간성형공정(S-35)을 포함한다.

본 발명에 따른 간접 핫 스탬핑 성형방법은 냉간성형으로 가능한 최대의 형상을 성형하고, 그 후 트리밍을 실시하는 것을 특징으로 한다. 앞서 도 1 및 도 2에서 살펴본 바와 같이, 일반적인 핫 스탬핑 성형방법의 경우 열간성형및급냉공정(S-13) 이후에 트리밍을 수행하는 방식이었는데, 이 경우 소재의 강도가 높아 프레스 금형으로는 트리밍을 수행할 수 없기 때문에 레이저 장비를 필요로 하는 문제점이 있었다. 반면에 본원발명에 따른 간접 핫 스탬핑 성형방법은 소재가 경화되기 이전에 트리밍공정(S-33)을 수행하도록 함으로써 프레스 금형으로 트리밍공정을 수행할 수 있어, 레이저 설비에 소요되는 비용과 시간을 절감할 수 있다.

공정단계 상으로 냉간성형공정이 추가되어 공정시간이 더 많이 소요될 것처럼 보일수도 있으나, 실제로 프레스 금형을 이용한 냉간성형공정은 그 공정에 소용되는 시간이 매우 짧아서 공정시간이 크게 늘어나지 않는다. 반면에 종래의 레이저 트리밍 공정(S-14)을 프레스 금형을 이용한 트리밍 공정(S-33)으로 대체함으로써 많은 공정시간을 단축할 수 있게 되어 전체적인 공정 싸이클 시간이 단축되는 효과를 가져온다.

본 발명에 따른 간접 핫 스탬힝 성형방법은 크게 2가지 실시예를 가진다.

제1실시예는 냉간성형공정(S-32)과 마무리열간성형공정(S-35)에 사용되는 금형이 모두 완제품 형상에 대응하는 형태이고,

제2실시예는 냉간성형공정(S-32)에서 전체 성형의 60~95%를 수행하고, 마무리열간성형공정(S-35)에서 잔여분을 성형함으로써 완제품 형상을 성형하는 형태이다.

이하에서 각각의 공정에 관하여 상세하게 설명한다.

블랭킹공정(S-31)은 코일 형태의 소재를 프레스 성형이 가능하도록 절단하는 공정이다. 사용될 수 있는 소재로는 냉연 강판, 열연 강판, 아연 도금 냉연 강판, Al-Si Boron 첨가 코팅 강판 등이 있다. 판재의 형상으로 절단하는 것으로 최종부품 순(NET) 중량이 100 이라면 블랭킹된 소재의 중량은 120~150 정도가 된다.

상기 범위 이하의 소재로 블랭킹 하게 되면, 프레스 장치에서 블랭킹된 소재를 성형할 때 블랭킹 홀더에 의해 고정되는 부분이 부족하여 완전히 성형이 이루어지지 않을 수 있으며, 상기 범위를 넘어서게 되면 소재의 낭비가 심하여 원가 상승요인으로 작용하게 된다.

블랭킹공정(S-31)은 제1실시예와 제2실시예에서 차이를 나타내지 않고 동일하다.

냉간성형공정(S-32)은 블랭킹된 소재를 냉간성형을 통하여 형상을 가공하는 공정이다. 제1실시예의 경우 완제품의 형상에 대응하는 프레스금형을 이용하여 냉간성형하게 되며, 제2실시예의 경우 완제품의 형상에 근접하는 형상을 가지는 프레스금형을 이용하여 냉간성형하게 된다.

제2실시예는 형상이 복잡하거나 성형깊이가 깊은 경우에 적용되는 것으로, 냉간성형에서 완제품 형상 대비 성형량 60~95% 수준으로 성형하게 된다. 제품의 성형은 3차원적인 것으로 수치로 산정하기가 곤란하여, 본 발명에서의 성형량은 완제품의 높이에 대한 성형품의 높이의 비율을 의미한다. 즉 판재를 가공하여 완성되는 완제품중 성형이 가장 많이 된 부분의 높이가 완제품의 높이가 되며, 중간 과정인 성형품에서도 성형이 가장 많이 된 부분의 높이가 성형품의 높이가 된다.

예를 들어, 완제품의 성형 깊이가 5cm 이고, 냉간성형된 성형품의 성형 깊이가 4.7cm 라면, 성형량은 94%가 되는 것이다.

트리밍공정(S-33)은 냉간성형된 소재의 테두리를 정밀하게 재단하는 공정이다. 완제품 형상에 통공이 필요한 경우 피어싱도 트리밍공정(S-33)에서 이루어진다. 일반적인 핫 스탬핑의 경우 소재의 성형과 경화가 완료된 후 레이저를 이용하여 트링밍을 수행하였기 때문에 프레스 금형을 사용할 수 없어, 레이저를 이용하거나 워터젯을 사용하였는데, 레이저나 워터젯을 사용하는 경우 설비에 많은 비용이 소모되며, 그 공정시간이 길어 생산성이 저하되는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 냉간성형공정(S-32)을 통해 성형된 소재를 프레스 금형을 사용하여 트리밍을 수행하도록 함으로써 공정시간을 단축하고 설비 비용을 절감할 수 있는 효과를 가져온다.

트리밍공정(S-33)에서 트림 라인의 공차는 ±0.75 인 것이 바람직하다.

이는 냉간성형시 제품을 이미 트림하거나 홀가공을 하기 때문에 열처리시 제품은 전방위로 팽창하게 되며 또한 금형으로 이송되는중 및 금형에 의해 성형이 되는 중에는 수축이 일어나기 때문에 이에 대한 고정밀의 트림 라인을 예측 설계하여 제품을 제작하기란 쉽지가 않다. 때문에 기존의 일반 프레스 냉간성형 공차 대비 약간의 공차여유를 더 고려하는 것이 타당하다.

열처리공정(S-34)은 트링밍된 소재를 가열로에 넣어 768~1000℃의 온도 범위로 가열하는 공정이다.

여기서, 열처리 로(furnace) 내에서 소재의 최종 가열온도는 오스테나이트 안정화 온도 이상 1000℃ 이하로 하고, 그 유지 시간은 4~6분으로 한다. 그 이유는 통상 강재가 오스테나이트 안정화 온도로 가열되어야 급냉 후 부품이 요구하는 강도를 확보할 수 있는 조직상태가 얻어지게 되기 때문이고, 그 반면 1000℃ 초과일 때는 코팅층이 증발을 하기 시작하는 온도이기 때문이다.

소재의 응력제거에 의한 균일한 조직을 얻고 가열 후공정에서 균일한 가공성을 확보하기 위한 열처리 로에서 소재의 유지 시간은 다수 회의 실험결과 4분 미만인 경우 잔류 오스테나이트 생성 정도가 충분하지 않게 되고, 6분을 초과하더라도 더 이상의 오스테나이트 조직상의 효과는 포화되므로 그 유지 시간을 4~6분으로 하는 것이 바람직하다. 일반적으로 마르텐사이트 조직을 얻기 위해서는 마르텐사이트 변태 개시 온도와 냉각 속도와의 관계가 매우 중요하다. 즉, 마르텐사이트 변태 개시 이상의 온도에서 성형이 시작되어야 하고, 또 마르텐사이트 변태 종료 온도 이하에서 금형으로부터 부품이 취출되어야 한다.

마무리열간압연공정(S-35)은 열처리공정(S-34)에서 가열된 소재를 프레스 금형에서 마무리성형함 동시에 급냉시키는 공정이다.

제1실시예의 경우 완제품 형상에 대응하는 금형을 사용하여 냉간성형을 실시한 경우라고 하더라도, 스프링 백 형상에 의하여 원하는 최종제품의 형상을 가지지는 못하므로, 가열된 소재를 금형으로 구속한 상태에서 급냉시킴으로써 최종제품의 형상으로 교정하고 소재를 경화시키게 된다.

제2실시예의 경우 잔여 성형량이 추가로 성형됨과 동시에 급냉시킴으로써 최종제품의 형상으로 성형하고 경화시키게 된다.

제1실시예의 경우 냉간성형에서 사용되는 금형과 열간성형에서 사용되는 금형이 모두 완제품 형상에 대응하는 것으로 동일한 금형을 사용하여 냉간성형공정(S-32)과 마무리열간성형공정(S-35)을 수행할 수 있다. 물론, 별도의 금형을 마련하여 사용할 수도 있다.

급냉시의 냉각속도는 -20℃/sec ~ -100℃/sec 인 것이 바람직하다.

냉각속도는 -20℃/sec 이상으로 유지하는 이유는 마르텐사이트(martensite) 조직으로의 상변태가 용이하게 이루어지도록 하기 위함이다.

즉, 고온으로 가열된 소재가 -20℃/sec 이하의 냉각속도로 냉각되면 그 조직이, 펄라이트(pearlite) 또는 베이나이트(bainite) 조직을 가지게 되어 충분한 강도를 가질 수 없게 될 수 있다. 따라서, 급랭속도를 유지하여 소지철 부분이 완전 마르텐사이트 구조로 상변태가 이루어 질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 간접 핫 스탬핑 성형방법은 열간성형 이전에 냉간성형을 수행하고, 냉간성형 후 트리밍공정을 수행하도록 함으로써, 레이저나 워터젯과 같은 고가의 장비의 사용을 최소화 하거나 또는 전혀 사용없이 프레스 금형을 사용하여 트리밍공정을 수행할 수 있고, 이로 인해 트리밍공정에 소요되는 공정시간을 대폭 단축하고 생산성을 향상시키는 효과를 가져온다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

S-31 : 블랭킹공정
S-32 : 냉간성형공정
S-33 : 트리밍공정
S-34 : 열처리공정
S-35 : 마무리열간성형공정

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9. 소재를 절단하는 블랭킹(blanking)공정;
   절단된 소재를 완제품 형상대비 성형량 60~95% 범위로 냉간 성형하는 냉간성형공정;
   냉간성형된 소재의 가장자리를 트리밍(trimming)하는 트리밍공정;
   트링밍된 소재를 가열로에 넣어 768~1000℃의 온도 범위로 가열하는 열처리공정; 및
   가열된 소재의 잔여 성형량을 열간프레스 성형함과 동시에 -20℃/sec ~ -100℃/sec 의 냉각속도로 급냉시키는 마무리열간성형공정;을 포함하고,
   상기 트리밍공정은 완제품의 외곽선에 대하여 ±0.75mm 의 공차 범위에서 수행하되, 완제품이 통공을 구비하는 경우, 상기 트리밍공정에서 트리밍과 피어싱(piercing)을 수행하고,
   상기 트리밍공정은 프레스 금형에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형방법.
   
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14. 제 9 항에 있어서,
    상기 블랭킹공정에서 사용되는 소재는 냉연 강판, 열연 강판, 아연 도금 냉연 강판 및 Al-Si Boron 첨가 코팅 강판 중 하나인 것을 특징으로 하는 간접 핫 스탬핑 성형방법.

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