KR20050068051A - 하이드로포밍을 이용한 고강도 스테인레스 엔진크레이들제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 204M 고강도 스테인레스 강을 하이드로포밍하여 엔진 크레이들을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 204M 스테인레스 강판을 일정 크기로 절단하는 과정과, 상기 절단된 스테인레스 강판을 소정의 방식으로 튜브 형상으로 형성하는 튜브 조관 과정과, 상기 조관된 튜브를 엔진 크레이들의 형상과 거의 부합하도록 소정의 프레스에 의해 벤딩시키는 과정과, 상기 벤딩된 튜브를 엔진 크레이들의 외관과 상응하는 공동을 갖는 금형상에 위치시키고, 내부에 고압의 유체를 적용시켜 상기 금형의 공동과 상응하도록 확관시키는 하이드로포밍 공정을 포함한다.

Description

하이드로포밍을 이용한 고강도 스테인레스 엔진크레이들 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING STAINLESS ENGINE CRADLE USING HYDROFORMING PROCESS}

본 발명은 200계열의 고강도 구조용 강재인 STS204M 소재를 사용하여 준중형 차량의 엔진크레이들을 하이드로포밍 방식으로 제작하는 방법에 관한 것이며, 특히 고강도 스테인레스 소재의 용접방법, Bending 및 Hydroforming을 이용한 튜브 하이드로포밍 제조방법에 관한 것이다.

하이드로포밍 기술은 전혀 새로운 기술은 아니며 이미 1960년대부터 T자형관(T-fitting) 성형에 응용, 양산 적용되었으며 단지 자동차 샤시 및 바디 부품에 양산 적용된 것은 1990년 초부터이다. 현재까지 하이드로포밍 자동차 부품은 모두 일반 탄소강 및 알루미늄등 소재를 사용하여 양산되고 있으며 고강도 스테인레스 소재를 이용한 부품 생산은 찾아보기 힘들다.

자동차 메이커들은 차량경량화를 통해 연료효율성을 높이기 위해 끈임없이 노력하고 있으나 알루미늄이나 마그네슘 같은 경량화 소재 사용시 승객안정성 확보에 문제를 안고 있다. 경량화, 안전성 개선, 보증 연한의 증가 등 자동차 산업의 시대적 요구에도 불구하고 우수한 강도 및 연성을 보유한 스테인레스 소재의 자동차 구조재 적용은 배기계 부품이외에 그 시작점을 찾지 못하고 있다. 구조재로서의 고강도 및 고연성은 특히 오스테나이트계 스테인레스강으로 대표되는데 고가의 Ni 성분으로 인해 자동차 구조부재로 사용되는 일반강 대비 수배의 소재 단가를 갖는다. 이러한 시점에서 최근 고가 원료인 Ni을 Mn과 N으로 대체한 경제적인 200계 스테인레스강에 대한 연구가 활발해지면서 자동차 구조재 분야에서 스테인레스강의 적용확대가 현실화되고 있다.

이에 본 발명에서는 200계 스테인레스강중 STS204M 소재를 이용하여 준중형급 차량의 엔진크레이들을 실제 하이드로포밍 방식을 이용하여 제작하는 방법을 밝히고자 한다.

하기 <표 1>은 본 연구에 사용된 204M 소재의 성분을 나타낸 것으로 300계 구조재의 대표강종인 301L 대비하여 Mn 및 N 함량이 많이 높은 것을 확인할 수 있다. 하기 <표 2>는 이들 소재의 기계적 성질을 Gauge 변화별로 요약한 것으로 204M의 경우 두께변화에 따른 기계적성질이 차이가 크지 않음을 확인할 수 있다.

Type	C	Mn	Cr	Si	S	Ni	N	Md30
301L	0.023	1.68	17.48	0.46	0.004	7.16	0.123	10.3
204M	0.038	9.03	16.28	0.5	0.001	2.97	0.236	32.5

소재	소재 두께	YS(Kg/mm2)	TS(Kg/mm2)	YS/TS	El(%)	n
204M	1.2mm	38.6	82.3	0.47	54.7	0.282
	1.4mm	38.6	81.6	0.47	54.9	0.281
	1.6mm	38.8	81.7	0.47	53.3	0.300
	2.0mm	38.0	80.1	0.47	53.8	0.301
	2.0mm(TIG용접)	40.1	83.4	0.48	53.8	0.265
	2.0mm(FCAW용접)	40.5	81.0	0.50	35.9	0.305
	2.0mm(레이저용접)	39.5	81.2	0.49	54.8	0.301
301L	2.0mm	34.4	73.7	0.47	46.5	0.310
	2.0mm(TIG용접)	35.2	74.8	0.47	50.7	0.269
	2.0mm(FCAW용접)	34.4	71.9	0.48	33.8	0.345
	2.0mm(레이저용접)	33.4	73.6	0.45	51.4	0.341

본 발명은 이러한 소재를 사용하여 자동차 구조재 부품 중 준중형 차량의 엔진크래이들을 제작하는 방법에 관한 것으로 이 부품은 통상 탄소강을 이용하여 제작되는 것이 일반적으로 국내에서 스테인레스 소재를 이용한 엔진크래이들 부품은 제작한 바가 없다. 스테인레스를 이용한 엔진크래이들 제작은 탄소강 소재 대비하여 여러가지 차이점을 가질수 밖에 없는데 강도 상승으로 인한 스프링백 정도의 차, 용접특성의 변화, 하이드로포밍 공정의 최적화등을 들 수 있다. 본 발명에 사용된 204M은 인장강도 38Kg급 강재보다 2배이상 강도가 높아 경량화가 가능하고 연신율도 높아 하이드로포밍 가공에 적합한 소재이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고강도 스테인레스 소재로 제작된 바가 없는 세단차량의 엔진크레이들을 하이드로포밍 방식을 이용하여 제작하여 경량화 및 강도, 내구성 향상 부품을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 204M 고강도 스테인레스 강을 하이드로포밍하여 엔진 크레이들을 제조하기 위한 방법에 있어서, 204M 스테인레스 강판을 일정 크기로 절단하는 과정과, 상기 절단된 스테인레스 강판을 소정의 방식으로 튜브 형상으로 형성하는 튜브 조관 과정과, 상기 조관된 튜브를 엔진 크레이들의 형상과 거의 부합하도록 소정의 프레스에 의해 벤딩시키는 과정과, 상기 벤딩된 튜브를 엔진 크레이들의 외관과 상응하는 공동을 갖는 금형상에 위치시키고, 내부에 고압의 유체를 적용시켜 상기 금형의 공동과 상응하도록 확관시키는 하이드로포밍 공정을 포함함을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 경량화 및 내구성이 뛰어난 고강도 스테인레스 소재를 사용하여 준중형급 세단의 엔진크레이들을 제작하고자 하는 기술에 관한 내용이다. 이러한 스테인레스 하이드로포밍 부품을 제작하기 위해서는 몇가지 사전 공정을 거쳐야 하는데 튜브조관, 벤딩, 스탬핑 프레스를 이용한 예비성형등이 그것이다. 본 발명에서는 튜브 조관을 위해 레이저용접 방식을 사용하였다. Laser 용접을 위한 Tube 조관은 Press brake 방식에 의한 튜브 성형기를 이용하였으며 이러한 성형방식의 장점으로는 기존의 Roll forming 방식에 비해 불연속적으로 Roll을 통과하지 않고 판재에 굽힘성형만이 가해지기 때문에 최소량의 변형량이 부과되고 환봉 형태의 Punch에 의하여 성형이 되므로 튜브 길이 방향에 대하여 보다 균일한 변형을 줄 수 있다. 아래에서 본 발명에 따른 고강도 스테인레스강의 튜브조관, Preforming, 하이드로포밍 방법의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 5단에 걸친 Press brake 방식으로의 튜브 조관을 나타낸 것이다. 본 발명을 위한 소재는 STS204M으로 두께 1.6mm 소재이다. 63.5mm의 튜브 조관을 위해 조관기의 상하부 금형을 도 1과 같이 제작하였으며 초기에 튜브 양단부의 가압, 다음으로 중심부와 양단부 사이에서 각 한번씩의 가압 그리고 최종 튜브의 중심부를 가압하는 5단 Press brake 성형을 통하여 튜브 양단의 간격이 10mm 전후에 오도록 설정하였다. 이와 같이 조관된 튜브는 도 2와 같이 8개의 Roller를 갖는 Laser 용접 JIG를 통과하며 조관되어지고 이를 6Kw 레이저 용접기로 용접속도 4m/min으로 통과시키며 직경 63.5mm의 튜브로 제작하였다. 이때 사용한 보호가스는 헬륨(He)이며 고강도 204M 스테인레스에 있어 용접속도가 느리면 과다 용입으로 용접부의 조대화 및 불균일한 Bead 형성을 보이고 7 m/min 이상 속도가 너무 빠르면 Undercut 및 부분적인 Penetration 현상이 생긴다. 또한 헬륨가스의 유량에 따라서도 용접성이 영향을 받는데 이를 고려한 STS204M에 있어 안정적인 Key hole 형성이 이루어지는 용접은 He 20liter/min의 함량과 용접속도 4~5m/min이다. 이때 튜브의 외관은 사용상 해로운 흠이나 결함이 없어야 한다.

도 3은 상기와 같이 제작한 엔진 크레이들 형상을 나타낸 것이다. 레이저 용접된 튜브의 확관성을 확인하기 위하여 Free buldge 시험 결과 도 4와 같이 확관능이 37%로 Hydroforming 변형에 대한 저항성이 높은 것으로 확인되었다. 도 3에 있어 튜브는 CNC 벤딩머신을 이용하여 7point bending을 실시하였으며 고강도 스테인레스 소재의 경우 스프링백이 일반강보다 크기 때문에 이를 고려한 bending 각도 설정을 하였다. 이때 벤딩부 지름은 벤딩전 지름의 10%를 초과해서는 안되며 평행도 및 길이에 있어 성능상 이상이 없어야 한다. 도 5는 기존 소재와 STS204M의 Bending 정도를 비교한 것으로 STS204M의 경우 튜브 양 끝단의 거리가 기존소재보다 짧은 것을 알 수 있다. 이는 벤딩된 튜브가 도 6에 보이는 바와 같이 Preforming 공정을 거치게 될 때 기존소재와 동일한 형상으로 제작시 스프링백으로 인해 도 7 Hydroforming 금형에 장착할 수 없는 것과 관련이 있다. Preforming은 튜브가 최종 Hydroforming 형상에 보다 수월하게 성형되어질 수 있도록 사전에 프레스를 이용한 튜브 스탬핑 성형을 일컫는다. 고강도 스테인레스강을 이용한 하이드로포밍 엔진크레이들 제작을 위해 이러한 사전성형(Preforming)은 불가피하다. 즉 소재의 강도가 크고 초기 튜브와 하이드로포밍 최종 형상의 차이가 클수록 사전성형(Preforming) 공정이 요구된다.

이와 같이 사전성형된 소재는 최종 하이드로포밍 공정을 거치게 되는데, 튜브 하이드로포밍은 한마디로 튜브 양단을 밀봉한 후 튜브내에 고압의 유체를 강제로 주입하여 다이 형상대로 소재가 변형을 일으키는 성형법이다. 아래에서 고강도스테인레스강의 튜브 하이드로포밍 성형법에 대하여 상세히 설명하겠다.

튜브의 양단부는 유압의 누출을 위해 밀봉(Sealing)이 중요하고 또한 하이드로포밍 성형에 따른 소재 얇아짐을 방지하기 위해 성형이 진행됨에 따라 튜브 양끝단을 적절한 양으로 밀어줌으로써(axial feeding) 소재 thinning 부위의 파단을 방지한다. 이를 다시 요약하면, 금형으로 튜브의 양단부를 고정하고 벤딩된 튜브의 내부에 고압의 유체를 주입하여 금형과 동일한 형상까지 고압의 액압성형을 실시함에 있어, 튜브의 양단에 펀치가 삽입되어 내경을 확장하는 단계와, 상기 확장된 튜브의 양단 가장자리를 펀치가 가압하여 금형과 펀치 사이에 고정하는 단계와, 상기 벤딩된 튜브의 내부에 유체를 주입하여 최종형상에 이르는 단계를 적절히 설정해야 한다. 우선 금형으로 튜브의 양단부를 고정하기 위해서는 도 7의 하부금형과 또 다른 상부금형을 포함된다. 하부금형은 프레스의 베드(Bed)부위에 체결하며 상부금형은 프레스 램(Ram) 하부에 체결하여 성형을 위해 블랭크 압하력은 4000톤 이상이 되도록 설정한다. 상하부 금형 양단에는 프레스로부터 밀봉을 위한 펀치삽입이 가능하도록 펀치와 동일한 형상으로 반원홈을 파는 것이 필요하며 이 반원홈의 길이는 최소 150mm 이상이 되어야 한다. 튜브와 금형간의 마찰계수는 최대 0.1로 그 이하가 되도록 윤활제를 준비하여야 한다. 펀치는 유압시스템에 의하여 작동되며 펀치 내부에 중공이 있어 이를 통해 유체가 소재튜브 내부로 주입된다.

소재튜브가 하부 금형의 반원홈에 장착되고 상부 금형이 하부로 이동하여 소재튜브를 클램핑한 상태에서, 유압시스템의 스트로크가 신장하여 펀치는 소재튜브의 끝단부 방향으로 이동한다. 펀치의 단부가 소재튜브의 단부에 삽입되며 이 상태에서 펀치가 계속 소재튜브의 중간방향으로 이동하면 소재튜브의 단부는 확장되어 금형과 튜브 단부는 물려 고정된다. 이런 상태에서의 펀치의 중공을 통해 고압의 유체를 소재튜브의 내부로 계속 주입하게 된다. STS204M의 성형을 위한 튜브 내압은 1600~1800bar 영역이며 이 때 튜브 양단은 25mm씩 축방향 강제공급(feeding)을 통해 튜브의 얇아짐을 최소화하여야 한다. 이런 상태에서 중공을 통한 고압의 유체로 인해 소재튜브는 부풀어지게 되고 상하부 금형에 소재가 밀착될때까지(Calibration) 성형이 이루어진다. 이때 프레스는 최대압력에 도달하게 된다. 이후 압력을 제거하고 프레스를 작동하여 상부 다이를 올린다. 제품을 꺼내어 최종부품을 위한 조립(Assembly) 작업을 위해 클리닝(Washing) 작업을 한다. 스테인레스 엔진크래이들 제조를 위해서는 축방향 소재공급을 동반하는 고압방식이 중요하며 이 경우 스프링백 현상이 큰 스테인레스 소재는 고압 성형을 통해 최종 부품 형상을 유지할 수 있게 된다. 하이드로포밍 설계에 있어 중요하게 고려되어야 할 점은 벤딩부위의 반경(radius)으로 본 발명의 엔진크레이들 제작 시 최소 반경은 소재두께 1.6mm의 4배 이상이 되어야 한다.

도 8은 이상과 같이 하이드로포밍으로 제조된 튜브를 이용하여 조립된(Assembly) 최종 부품의 예이다. 부착된 JIG들은 Ar(80%)과 CO2(20%) 보호가스를 이용하여 STS204M 튜브에 SAPH370 지그(JIG)들을 마그(MAG)용접하여 조립한 것으로 용접부 건전성이 확보되었다. 이때 용접조건은 180A, 20V에 보호가스 유량속도는 18 liter/min이다. 이상과 같이 제작된 최종부품을 이용하여 도 9와 같이 좌굴강도를 측정하고 이를 2mm 일반강 소재를 이용한 부품과 비교한 결과 SAPH370 2mm 두께의 소재의 경우 좌굴강도는 4066Kgf를 나타냈고 STS204M 1.6mm 소재의 경우 20% 경량화에도 불구하고 좌굴강도가 3704Kgf로 큰 차이를 보이지 않았다.

분명히, 청구항들의 범위내에 있으면서 이러한 실시예들을 변형할 수 있는 많은 방식들이 있다. 다시 말하면, 이하 청구항들의 범위를 벗어남 없이 본 발명을 실시할 수 있는 많은 다른 방식들이 있을 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 본 발명의 고장력 오스테나이트계 스테인레스강을 이용한 준중형세단의 엔진크레이들은 벤딩성 및 용접성, 좌굴강도 특성등이 우수하며 동시에 경량화가 가능하여 자동차 구조재부품으로 고강도 스테인레스강의 사용가능성을 보여준다. 또한 본 발명의 고강도 STS204M은 연성이 풍부하여 기존 소재들에 있어 하이드로포밍시 성형한계 저하로 인한 파단에 대한 저항성이 적어 안전하게 원하는 형상의 엔진크레이들을 제작할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 Press brake 방식을 이용한 5단 튜브 성형 예,

도 2는 직경 63.5mm의 튜브 레이저용접을 위한 Laser 용접 JIG Layout,

도 3은 중형세단 엔진크레이들 튜브 벤딩 및 하이드로포밍 형상도,

도 4는 엔진 크레이들 제조를 위한 204M 튜브의 확관능,

도 5는 기존 소재와 204M 스테인레스강의 Bending 형상 비교도,

도 6은 Bended 튜브가 장착된 Preforming 금형 예시도,

도 7은 본 발명의 엔진크레이들 하이드로포밍 금형의 사시도,

도 8은 1,6mmt 204M 소재를 이용하여 최종 Assembly된 엔진 크래이들 예시도, 및

도 9는 1.6mm 스테인레스 엔진크레이들의 좌굴강도 시험을 위한 셋팅 예

Claims (2)

1. 204M 고강도 스테인레스 강을 하이드로포밍하여 엔진 크레이들을 제조하기 위한 방법에 있어서,

   204M 스테인레스 강판을 일정 크기로 절단하는 과정;

   상기 절단된 스테인레스 강판을 소정의 방식으로 튜브 형상으로 형성하는 튜브 조관 과정;

   상기 조관된 튜브를 엔진 크레이들의 형상과 거의 부합하도록 소정의 프레스에 의해 벤딩시키는 과정;

   상기 벤딩된 튜브를 엔진 크레이들의 외관과 상응하는 공동을 갖는 금형상에 위치시키고, 내부에 고압의 유체를 적용시켜 상기 금형의 공동과 상응하도록 확관시키는 하이드로포밍 공정을 포함함을 특징으로 하는 하이드로포밍을 이용한 204M 고강도 스테인레스 엔진크레이들 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 튜브 조관 과정은 레이저 용접을 위한 Press bake방식에 의해 성형됨을 특징으로 하는 하이드로포밍을 이용한 204M 고강도 스테인레스 엔진크레이들 제조방법.