WO2017217651A1 - 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 방법과 그 장치 - Google Patents

금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 방법과 그 장치 Download PDF

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WO2017217651A1
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metal plate
axis direction
friction stirrer
plate
moving unit
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심성용
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한국항공우주산업 주식회사
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F3/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by special physical methods, e.g. treatment with neutrons

Definitions

  • a microstructure is locally produced by using a friction stirrer in a portion where large plastic deformation is expected in consideration of a final shape in a plate material before performing a plastic deformation. And the resulting microcrystalline grains are locally tailored microstructures in the sheet material so that they can be effectively shaped by preventing tearing or cracking due to abrupt plastic deformation.
  • grain refining materials are produced by adding crystal grain refining agent during ingot casting for processing, and the E-CAP process is used for the bulk material and the multi-pass press such as multi pass press which requires rolling several times It is possible to realize a fine grain by using a recrystallization phenomenon.
  • super-plasticity forming and hot forming are applied to reduce the number of components, reduce maintenance cost, and lighten the weight of the airframe.
  • High strength aluminum alloy and titanium alloy materials applied to aircraft are essential materials for super plasticity forming and hot forming process which integrates plate parts of complicated shape and the finer the grain size, the more effective it is.
  • the superplastic forming can be realized at a very low strain rate condition of a strain rate of 10 -2 at a temperature of 0.5 Tm of the material, and a material having fine grain of a material having a grain size of 10 ⁇ m or less should be applied. Due to the process characteristics of superplastic forming, Ti sheet has a great difficulty in supplying and receiving. In addition, there is a difficulty in optimizing the process parameters depending on the part shape, such as a tear due to non-uniform deformation due to the lack of smoothness of the crystal grain slip at a portion requiring a large amount of deformation in the molding process depending on the final shape.
  • the present invention has been conceived to solve the problems as described above, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a steel plate having a grain size of a general grain size without adding crystal grain refining agent or rigid-
  • the fine grain grains are locally formed in the sheet material by using the agitator and the grain slippage uniformly occurs to improve the formability so that defects such as tearing or cracking can be reduced during the plastic forming and as a result, And to provide an organization control method and apparatus.
  • a method of controlling a microstructure customized for improving moldability of a metal plate comprising: preparing a metal plate; And a friction stirrer rotatably mounted on the metal plate, the friction stirrer pressing and moving the friction stirrer in a state in which the friction stirrer rotates in contact with the metal plate, the friction stirrer contacting the metal plate, (S200) of melting and solidifying to form microcrystalline grains smaller in size than the original grains of the metal plate; . ≪ / RTI >
  • the metal plate may be an aluminum alloy or a titanium alloy having a grain size of 10 mu m to 100 mu m.
  • the size of the fine grain formed in the step S200 is less than 10 mu m.
  • step S200 fine crystal grains are formed at positions of the metal plate corresponding to the bent or bent portions of the mold of the plastic forming apparatus.
  • a customized microstructure control apparatus for improving the formability of a metal plate according to the present invention includes: a body portion having a fixing portion to which a metal plate is fixed; An X-axis direction moving unit coupled to the body unit to slide in the X-axis direction; A Y-axis direction moving unit coupled to the X-axis direction moving unit to slide in the Y-axis direction; A Z-axis direction moving unit coupled to the Y-axis direction moving unit to slide in the Z-axis direction; And a friction stirrer coupled to the Z-axis direction moving unit and coupled to rotate about a Z-axis direction as a center axis; . ≪ / RTI >
  • An angle adjusting unit coupled between the Z-axis direction moving unit and the friction stirrer to adjust an angle at which the friction stirrer is tilted with respect to the Z-axis direction central axis of the friction stirrer; As shown in FIG.
  • the method and apparatus for customized microstructure for improving the formability of a metal plate according to the present invention are characterized in that the formability of a plate is improved due to a microcrystalline region locally formed in the plate using a friction stirrer, It is possible to prevent tearing or cracking of the plate material.
  • microcrystalline grains are selectively controlled so as to be formed only in a portion where a large deformation is required, it is possible to reduce the cost of raw materials and secure the stability of supply and demand There are advantages.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a method of locally forming fine grains in a molded plate through customized microstructure control using a friction stirrer according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 is a perspective view showing an embodiment of a part shape to be formed by plastic forming
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a micro-grain-formed portion obtained by melting and solidifying by customized microstructure control by a friction stirrer of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a method of superplast forming a metal plate having a fine grain forming portion using a mold according to the present invention and a forming position of a fine grain forming portion.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a customized microstructure control apparatus for improving the formability of a metal plate according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a front cross-sectional schematic view showing a process of friction stir using a customized microstructure control apparatus for improving the formability of a metal plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a method of locally forming fine grains in a molded plate through a customized microstructure control using a friction stirrer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a part-
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a micro-grain-formed portion obtained by melting and solidifying by customized microstructure control by a friction stirrer of the present invention.
  • the method for controlling the microstructure customization for improving the formability of a metal plate includes: preparing a metal plate 10 (S100); And a friction stirrer 500 rotated to contact the metal plate 10.
  • the friction stirrer 500 is pressed and moved in a state in which the friction stirrer 500 is rotated in contact with the metal plate 10,
  • the friction stirrer 500 is brought into contact with the metal plate 10 and the metal plate 10 is melted and solidified at the moved portion so that the fine metal plate 10 is finer than the original grain of the metal plate 10, Gt; S200 < / RTI >; . ≪ / RTI >
  • the metal plate 10 to be processed is prepared.
  • the metal plate 10 may be a general metal plate having a length and width that is longer than the thickness of the metal plate 10,
  • the manufactured metal plate can be used or a large plate can be cut to a desired dimension and the metal plate thus cut to a specific size can be fixed to a separate apparatus formed for processing.
  • step S200 the metal plate 10 is melted and solidified at a portion contacting the friction stirrer 500 by friction heat with the metal plate 10 using the rotated friction stirrer 500, So as to form local fine grains. That is to say, when the friction stirrer 500 is rotated at a preset speed, the friction stirrer 500 is brought into contact with the metal plate 10, and the friction stirrer 500 is rotated in contact with the metal plate 10 The friction stirrer 500 is moved along a predetermined path at a predetermined feed rate in a state in which the friction stirrer 500 is pressed against the metal plate 10 by applying a slight pressure to the friction stirrer 500 Along the path of the previously recognized drawing).
  • the friction stirrer 500 is brought into contact with the metal plate 10, and the metal is melted and coagulated by the frictional heat along the moved path, so that the isosceles fine crystal grains are formed on the desired portion of the metal plate 10 So that the portion 20 can be formed.
  • the pressure of pressing the friction stirrer 500 against the metal plate 10, the rotational speed and the conveying speed of the friction stirrer 500 may vary depending on the material and thickness of the metal plate 10, Can be used.
  • the path through which the friction stirrer 500 is moved may be a path previously formed along a portion where deformation is expected in the machining process after formation of the local fine grain in consideration of the final shape.
  • the fine grain forming portion 20 formed by friction stir welding may be formed in various shapes having specific linewidths as shown in the drawing, and may be a portion where fine grains are formed by friction stiring all the regions within a specific range.
  • the fine grain formation portion 20 formed by the friction stir is melted by the friction stir and can be the solidified portion 21, and the solid state and the liquid phase intermediate state A thermo-mechanical influence portion as the solidified portion 22 is formed, and the heat affected portion 23 can be formed on the lower and outer sides thereof.
  • the method of the present invention for controlling a microstructure to be customized for improving the formability of a metal plate improves the formability of the plate due to the equiaxed micro-grain formation portion locally formed on the plate, It is possible to prevent tearing or cracking of the plate material.
  • fine crystal grains are selectively formed only on a part of the plate material, the cost of raw materials can be reduced and the supply and demand stability can be ensured compared with a plate material formed of fine grains as a whole.
  • the metal plate 10 may be formed of an aluminum alloy or a titanium alloy having a grain size of 10 mu m to 100 mu m.
  • the metal plate 10 may be made of an aluminum (Al) alloy or a titanium (Ti) alloy. Generally, these alloys are manufactured by adding an additive element or controlling a cooling rate by using a casting method. A rolling process may be performed to miniaturize the structure, and the metal sheet thus produced may have a grain size (diameter) ranging from 10 ⁇ to 100 ⁇ . As described above, in the present invention, aluminum alloy or titanium alloy having a relatively large grain size is generally used, and it is relatively large in size compared to the original grain size of the plate used through melting and coagulation using friction stir It is possible to locally form small fine grains.
  • the metal plate 10 may be formed of a plate having a thickness of 0.5 mm to 2 mm, or may have various thicknesses.
  • the number of revolutions of the friction stirrer 500 may be 300 rpm to 500 rpm, and the moving speed may be 50 mm / min to 100 mm / min.
  • the number of revolutions of the friction stirrer 500 may be from 100 rpm to 500 rpm, and the moving speed may be from 300 mm / min to 500 mm / min.
  • the size of the fine grain formed in the step S200 may be less than 10 mu m.
  • the slip is uniformly and smoothly generated between the crystal grains in the portion formed by the fine grains during the subsequent plastic deformation processing and is easily deformed. So that moldability can be greatly improved.
  • the size of the fine crystal grains formed by friction stir welding can be formed in the range of 0.1 ⁇ to 5 ⁇ .
  • the metal plate 10 having the locally fine crystal grains formed thereon is attached to the plastic forming apparatus to be processed through the step S200, the metal plate 10 is plastic-molded in predetermined conditions and forms, (10) can be plastic molded.
  • the plastic forming apparatus may be various apparatuses, and the plastic forming apparatus may be, for example, a press, a bending, a bending, a drawing, and a hydroforming apparatus.
  • step S300 and step S500 a step S400 of heating and holding the metal plate 10 having the microcrystalline grains locally formed therein to a predetermined temperature may be further performed.
  • the metal plate 10 on which the fine crystal grains are locally formed is mounted on a plastic molding apparatus to be processed, and then the metal plate 10 is heated to a specific temperature to be held. Then, The plate member 10 can be plastic-deformed to form the metal plate member 10 in a desired shape. 4, the metal plate 10 is mounted on the metal mold 30 of the molding machine, and then an argon gas or the like is blown into the metal mold 10 at a specific temperature, Can be used. Or to deep drawing capable of producing hot press forming (hot press forming or hot forming) in which the metal plate material 10 is heated and pressed into a punch and die form by pressing the metal plate material by punching, .
  • hot press forming hot press forming or hot forming
  • step S400 the metal plate 10 is heated and maintained at a temperature of 0.5 Tm.
  • step S500 the metal plate 10 may be plastic-molded at a strain rate of 0.01 / s or less.
  • the temperature at which the metal plate 10 is heated in step S400 may be maintained at 0.5 Tm (a temperature corresponding to 1/2 of the melting point) of the material of the metal plate 10, which is a material suitable for super- In step S500, the deformation rate may be less than 0.01 / s (strain per second) suitable for superplastic forming.
  • Tm a temperature corresponding to 1/2 of the melting point
  • the deformation rate may be less than 0.01 / s (strain per second) suitable for superplastic forming.
  • step S200 fine crystal grains may be formed on the metal plate 10 corresponding to the bent or bent portions of the metal mold 30 for obtaining the shape of the plate.
  • the fine metal plate 10 is bent at the position of the metal plate 10 corresponding to the bent or bent portion of the lower mold 33, The forming ability can be improved by previously forming the forming portion.
  • the metal plate 10 shown in the lower side of FIG. 4 is viewed from the upper side and shows the position where the fine grain formation portion 20 is formed in a flat state before the shape is deformed.
  • the mold 30 is composed of the upper mold 31 and the lower mold 33, and the rim of the metal plate 10 can be pressed and fixed between the upper mold 31 and the lower mold 33, A gas injection port 32 is formed in the mold 31 so that argon gas or the like can be injected between the metal plate 10 and the upper mold 31 at a high pressure.
  • the metal plate 10 is deformed to form an exhaust port 34 through which the filled air can escape from between the metal plate 10 and the lower mold 33 .
  • a customized microstructure control apparatus 1000 for improving the formability of a metal plate according to the present invention includes a body portion 100 having a fixing portion 110 to which a metal plate 10 can be fixed; An X-axis direction moving part 200 coupled to the body part 100 so as to slide in the X-axis direction; A Y-axis direction moving unit 300 coupled to the X-axis direction moving unit 200 to slide in the Y-axis direction; A Z-axis direction moving part 400 coupled to the Y-axis direction moving part 300 so as to slide in the Z-axis direction; And a friction stirrer (500) coupled to the Z-axis direction moving unit (400) and coupled to rotate about a Z-axis direction as a center axis; . ≪ / RTI >
  • the fixing portion 110 may be formed on the body 100 to fix the metal plate 10 to be processed.
  • the fixing portion 110 may be formed of a metal plate 10 And may be formed in various shapes that can be firmly fixed to the body 100.
  • the X-axis direction moving unit 200 is coupled to the body 100 and the Y-axis direction moving unit 300 is coupled to the X-axis direction moving unit 200.
  • Z And the friction stirrer 500 is coupled to the Z-axis direction moving unit 400 so that the friction stirrer 500 can be moved in three axial directions. Further, the friction stirrer 500 can be formed so that the position can be fixed in a state of being moved in three axial directions.
  • the friction stirrer 500 may be disposed on the upper side of the metal plate 10 to which the friction stirrer 500 is mounted, and the friction stirrer 500 is formed to be rotatable about the central axis C in the Z- .
  • the friction stirrer 500 is pressed downward in the Z-axis direction moving unit 400 to which the friction stirrer 500 is coupled so that the lower end of the friction stirrer 500 is in close contact with the upper surface of the metal plate 10
  • a pressing device may be formed so as to apply a specific pressing force to the metal plate 10.
  • the X axis direction moving unit 200, the Y axis direction moving unit 300, the Z axis direction moving unit 400, and the friction stirrer 500 are connected to the control unit
  • the position, the moving speed, the rotational speed, the pressing force, and the like of the friction stirrer 500 in the three axial directions can be controlled.
  • the control unit sets the movement path of the friction stirrer 500 and automatically stirs the friction stirrer 500 in a desired shape to form a fine grain formation portion 500 in the metal plate 10. [ (20) can be formed.
  • a customized microstructure control apparatus 1000 for improving the formability of a metal plate according to the present invention includes a laser for irradiating a laser on a top surface of a metal plate 10 to be frictionally agitated, A laser phase device that allows the position of the friction stirrer to be controlled along with the laser, or the like may be used.
  • the angle of inclination of the friction stirrer is adjusted based on the Z-axis direction center axis C of the friction stirrer 500 by being coupled between the Z-axis direction moving unit 400 and the friction stirrer 500 An angle adjuster 450; As shown in FIG.
  • the center axis C of the friction stirrer 500 since the center axis C of the friction stirrer 500 can be moved in a state of being tilted at a certain angle with the Z axis direction perpendicular to the metal plate 10 during the friction stir,
  • the center axis C of the metal plate 500 may be inclined at a predetermined angle with respect to the Z axis direction perpendicular to the metal plate 10.
  • one side of the angle regulating part 450 is coupled to the Z-axis direction moving part 400 and the friction stirrer 500 is coupled to the other side of the angle regulating part 450 so that the angle of the friction stirrer 500 Lt; / RTI >
  • the angle adjusting unit 450 is coupled to the lower side of the Z-axis direction moving unit 400 and the driving unit 510 for rotating the friction stirrer 500 is coupled to the lower side of the angle adjusting unit 450,
  • a friction stirrer 500 may be disposed below the piston 510.
  • the angle may be adjusted so that the central axis C of the friction stirrer 500 is tilted toward the opposite side of the traveling direction in which the friction stirrer 500 is moved.
  • the plate material is formed using the customized microstructure controlled plate of the present invention
  • about 1,000 fastening means can be saved in the field of aircraft, so that the weight can be reduced by about 25%, and complicated shapes can be integrated, And can save about 20% to 60% in manufacturing cost due to the reduction of the process time.
  • the metal sheet can be received at a relatively low price, it is also advantageous in terms of supply and demand of the raw material.
  • it can be utilized in the space industry field, and it can be applied to various fields, thereby realizing weight reduction of parts or products and reducing manufacturing cost.

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Abstract

본 발명은 일반적인 결정립 크기를 갖는 판재에 성형하고자 하는 부품의 형태에 따라 국부적으로 큰 변형량이 예상되는 부분에 마찰 교반자를 이용하여 판재에 미리 미세결정립을 형성시켜 소성 성형에 이용함으로써, 판재의 성형성이 향상되어 소성 성형 시 큰 변형이 발생되는 부분에서 판재의 찢어짐 또는 균열을 방지할 수 있고 효과적으로 성형할 수 있으며, 판재의 전체가 아닌 일부분에만 미세결정립이 형성되도록 제작하므로, 일반적으로 사용되는 전체가 미세결정립으로 형성된 판재에 비해 제작이 용이하여 제작 시간 및 비용을 절감할 수 있는 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 방법과 그 장치에 관한 것이다.

Description

금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 방법과 그 장치
본 발명은 큰 변형을 요구하는 판재의 성형성 향상을 위해 소성가공 실시 전에 판재에 최종 형상을 고려하여 큰 소성변형이 예상되는 부분에 마찰 교반자를 이용하여 미세 결정립을 국부적으로 생성시키는 것으로, 이를 통해 생성된 미세결정립은 급격한 소성변형으로 인한 찢어짐 또는 균열을 방지하여 효과적으로 성형할 수 있도록 판재에 국부적으로 맞춤형 미세조직을 생성하는 방법과 장치에 관한 것이다.
수송기기의 경량화 실현을 위한 성형성 향상을 위해 결정립 미세화를 통한 성형성 향상이 효과적이다. 일반적으로 가공용 잉곳 주조 시에 결정립 미세화제 첨가를 통한 결정립 미세화 소재를 제조하거나, 이를 이용하여 벌크소재는 E-CAP 공정을, 판재의 경우 수차례의 압연을 해야 하는 Multi pass press 등의 강소성 가공 공정을 통해 재결정 현상을 이용하여 미세한 결정립을 실현할 수 있다. 또한 항공기 기체용 구조물 제작은 일체화 성형을 통한 부품 수 감소와 유지비용 절감, 경량화를 실현하기 위한 초소성 성형(super plasticity forming)과 열간프레스성형(Hot Forming) 적용이 확대되고 있다. 항공기에 적용되는 고강도 알루미늄 합금과 티타늄 합금 소재는 복잡 형상의 판재부품을 일체화 시키는 초소성 성형(super plasticity forming)과 열간프레스성형(Hot Forming) 공정에 필수적인 소재로써 결정립이 미세할수록 효과적이다.
초소성 성형은 소재의 0.5Tm의 온도에서 변형속도 10-2의 매우 느린 변형 속도 조건에서 실현될 수 있고, 특히 결정립 크기 10㎛ 이하의 소재의 미세 결정립을 가진 소재를 적용해야 한다. 이러한 초소성 성형의 공정특징 때문에 Ti판재의 경우 수급에 큰 어려움을 가지고 있다. 또한, 최종 형상에 따라 성형 가공 공정 중에서 큰 변형량을 요구하는 부분에서 결정립 미끄러짐이 원활하지 않아 불균일 변형에 의한 찢어짐 현상이 나타나는 등 부품 형상에 따른 공정 변수 최적화에 어려움이 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
KR 10-2009-0121934 (2009.11.26)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 결정립 미세화제 첨가 혹은 강소성 가공 없이 일반적인 결정립 크기를 갖는 판재에 성형 시 큰 변형량이 예상되는 부분에 소성 가공 실시 전에 마찰 교반자를 이용하여 판재에 국부적인 미세결정립을 형성시켜, 결정립 미끄러짐이 균일하게 일어나 성형성이 향상돼 소성 성형 시 찢어짐 또는 균열 등의 불량을 줄일 수 있고 결과적으로 생산성과 건전성을 확보할 수 있는 맞춤형 미세조직 제어 방법과 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 방법은, 금속 판재를 준비하는 단계(S100); 및 상기 금속 판재에 회전되는 마찰 교반자를 접촉시킨 후 상기 마찰 교반자가 금속 판재와 접촉되어 회전되는 상태에서 마찰 교반자를 가압 및 이동시켜, 상기 마찰 교반자가 금속 판재와 접촉되며 이동된 부분에서 금속 판재가 용융되었다가 응고되어, 상기 금속 판재의 원래 결정립보다 작은 크기의 미세결정립이 국부적으로 형성되도록 하는 단계(S200); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 S100단계에서 금속 판재는 10㎛ 내지 100㎛ 의 결정립 크기를 갖는 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S200단계에서 형성되는 미세결정립의 크기는 10㎛ 미만인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S200단계에서는 소성 성형장치의 금형에서 굴곡 또는 꺾인 부분에 대응되는 금속 판재의 위치에 미세결정립을 형성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 장치는, 금속 판재가 고정될 수 있는 고정부가 형성된 몸체부; 상기 몸체부에 X축 방향으로 슬라이딩되도록 결합된 X축 방향 이동부; 상기 X축 방향 이동부에 Y축 방향으로 슬라이딩되도록 결합된 Y축 방향 이동부; 상기 Y축 방향 이동부에 Z축 방향으로 슬라이딩되도록 결합된 Z축 방향 이동부; 및 상기 Z축 방향 이동부에 결합되며, Z축 방향을 중심축으로 하여 회전되도록 결합된 마찰 교반자; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 Z축 방향 이동부와 마찰 교반자 사이에 결합되어, 상기 마찰 교반자의 Z축 방향 중심축을 기준으로 마찰 교반자가 기울어지는 각도를 조절할 수 있는 각도 조절부; 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 방법과 그 장치는, 마찰 교반자를 이용하여 판재에 국부적으로 형성된 미세결정립 영역으로 인해 판재의 성형성이 향상되어, 소성 성형 시 큰 변형이 발생되는 부분에서 판재의 찢어짐 또는 균열을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 판재의 전체가 아닌 큰 변형이 요구되는 부분에만 미세결정립이 형성되도록 선택적으로 제어하므로, 일반적으로 사용되는 전체가 미세결정립으로 형성된 판재에 비해 원자재 비용을 절감하고, 수급 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 교반자를 이용한 맞춤형 미세조직 제어를 통한 성형 판재에 미세한 결정립을 국부적으로 생성 시키는 방법을 나타낸 사시도.
도 2는 소성 성형을 이용해 만들어질 부품 형상의 일 실시예를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 마찰 교반자에 의한 맞춤형 미세조직 제어로 용융 후 응고되어 획득된 미세결정립 형성부의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 금형을 이용해 미세결정립 형성부가 형성된 금속 판재를 초소성 성형하는 방법 및 미세결정립 형성부의 형성 위치를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 장치를 나타낸 사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 장치를 이용해 마찰 교반을 하는 과정을 나타낸 정면 단면 개략도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 방법과 그 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 교반자를 이용한 맞춤형 미세조직 제어를 통한 성형 판재에 미세한 결정립을 국부적으로 생성 시키는 방법을 나타낸 사시도이고, 도 2는 소성 성형을 이용해 만들어질 부품 형상의 일 실시예를 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명의 마찰 교반자에 의한 맞춤형 미세조직 제어로 용융 후 응고되어 획득된 미세결정립 형성부의 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 방법은, 금속 판재(10)를 준비하는 단계(S100); 및 상기 금속 판재(10)에 회전되는 마찰 교반자(500)를 접촉시킨 후 상기 마찰 교반자(500)가 금속 판재(10)와 접촉되어 회전되는 상태에서 마찰 교반자(500)를 가압 및 이동시켜, 상기 마찰 교반자(500)가 금속 판재(10)와 접촉되며 이동된 부분에서 금속 판재(10)가 용융되었다가 응고되어, 상기 금속 판재(10)의 원래 결정립보다 미세하고 등축형상의 결정립이 국부적으로 형성되도록 하는 단계(S200); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
우선, S100단계는 가공하고자 하는 소재가 되는 금속 판재(10)를 준비하는 단계로서, 금속 판재(10)는 두께에 비해 길이 및 폭이 긴 일반적인 금속 재질의 판재가 될 수 있고, 특정한 치수로 미리 제작된 금속 판재를 사용하거나 넓은 판재를 원하는 치수로 절단할 수 있으며, 이와 같이 특정한 크기로 재단된 금속 판재가 가공을 위해 형성된 별도의 장치에 고정될 수 있다.
S200단계는 회전되는 마찰 교반자(500)를 이용해 금속 판재(10)와의 마찰열에 의해 마찰 교반자(500)와 접촉된 부분에서 금속 판재(10)가 용융되었다가 응고되어, 금속 판재(10)에 국부적으로 미세결정립이 형성되도록 하는 단계이다. 즉, 마찰 교반자(500)를 미리 설정된 속도로 회전시킨 상태에서 마찰 교반자(500)를 금속 판재(10)에 접촉시키고, 금속 판재(10)에 접촉되어 마찰 교반자(500)가 회전되는 상태에서 마찰 교반자(500)에 약간의 압력을 가해 눌러 마찰 교반자(500)가 금속 판재(10)에 밀착되도록 한 상태에서 마찰 교반자(500)를 특정한 이송속도로 미리 정해진 경로를 따라(사전에 인식된 도면의 경로를 따라) 이동시킬 수 있다. 이때, 마찰 교반자(500)가 금속 판재(10)와 접촉되며 이동된 경로를 따라 마찰열에 의해 금속이 용융되었다가 응고되는 과정을 거쳐, 금속 판재(10)의 원하는 부위에 등축정의 미세결정립 형성부(20)가 형성되도록 할 수 있다. 여기에서 마찰 교반자(500)를 금속 판재(10)에 누르는 압력, 마찰 교반자(500)의 회전속도 및 이송속도 등은 금속 판재(10)의 재질 및 두께 등에 따라 달라질 수 있으며, 미리 설정된 값을 이용할 수 있다. 그리고 마찰 교반자(500)가 이동되는 경로는 최종 형상을 고려하여 국부적인 미세결정립 형성 이후의 가공 공정에서 변형이 예상되는 부분을 따라 미리 형성한 경로가 될 수 있다. 또한, 마찰 교반되어 형성된 미세결정립 형성부(20)는 도시된 바와 같이 특정한 선폭을 갖는 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 특정한 범위 내의 영역이 모두 마찰 교반되어 미세결정립이 형성된 부분이 될 수도 있다.
여기에서 도 3을 참조하면 마찰 교반에 의해 형성되는 미세결정립 형성부(20)는 마찰 교반에 의해 용융되었다가 응고된 부분(21)이 될 수 있으며, 그 아래쪽 및 바깥쪽에 고상과 액상의 중간 상태로 되었다가 응고된 부분(22)인 열-기계적 영향부가 형성되며 그 아래쪽 및 바깥쪽에 열 영향부(23)가 형성될 수 있다.
이에 따라 본 발명의 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 방법은, 판재에 국부적으로 형성된 등축형상의 미세결정립 형성부로 인해 판재의 성형성이 향상되어, 소성 성형 시 큰 변형이 발생되는 부분에서 판재의 찢어짐 또는 균열을 방지할 수 있다. 또한, 판재의 전체가 아닌 일부분에만 선택적으로 미세결정립을 형성하므로, 일반적으로 사용되는 전체가 미세결정립으로 형성된 판재에 비해 원자재 비용을 절감하고, 수급 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 S100단계에서 금속 판재(10)는 10㎛ 내지 100㎛ 의 결정립 크기를 갖는 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금이 사용될 수 있다.
즉, 금속 판재(10)는 알루미늄(Al) 합금이나 티타늄(Ti) 합금이 사용될 수 있으며, 이들은 일반적으로 합금을 만들 때 주조 방식을 이용해 첨가원소를 넣거나 냉각 속도 등을 조절하여 제조되며, 판재의 조직을 미세화하기 위해 압연 과정을 거칠 수 있으며, 이와 같이 제조된 금속 판재는 결정립의 크기(직경)가 10㎛ 내지 100㎛ 범위로 형성될 수 있다. 이와 같이 본 발명에서는 일반적으로 제조되는 상대적으로 결정립의 크기가 큰 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금을 사용하며, 마찰 교반을 이용한 용융 및 응고 과정을 통해 사용되는 판재의 원래의 결정립의 크기에 비해 상대적으로 크기가 작은 미세결정립이 국부적으로 형성되도록 할 수 있으므로, 일반적인 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금을 전체적으로 미세조직화하기 위한 수차례의 압연 공정 등을 거치지 않을 수 있어, 금속 판재의 수급이 매우 용이하며 제조 비용을 절감할 수 있다. 그리고 금속 판재(10)는 두께가 0.5mm 내지 2mm 의 판재가 사용될 수 있으며, 이외에도 다양한 두께로 형성될 수도 있다. 또한, 금속 판재(10)가 알루미늄 합금인 경우에는 마찰 교반자(500)의 회전수가 300rpm 내지 500rpm 이 될 수 있으며, 이동속도는 50mm/min 내지 100mm/min 이 될 수 있다. 그리고 금속 판재(10)가 티타늄 합금인 경우에는 마찰 교반자(500)의 회전수가 100rpm 내지 500rpm 이 될 수 있으며, 이동속도는 300mm/min 내지 500mm/min 이 될 수 있다.
또한, 상기 S200단계에서 형성되는 미세결정립의 크기는 10㎛ 미만이 될 수 있다.
즉, 국부적으로 형성된 미세결정립의 크기가 10㎛ 미만으로 형성됨으로써, 이후의 소성 변형 가공 시 미세결정립으로 형성된 부분에서 결정립들 간에 슬립이 균일하고 원활하게 일어나 변형이 용이하며, 소성 변형 시 찢어짐이나 균열이 발생되지 않아 성형성이 매우 향상될 수 있다. 이때, 마찰 교반되어 형성된 미세결정립의 크기는 0.1㎛ 내지 5㎛ 범위까지도 형성이 가능하다.
또한, 상기 미세결정립이 국부적으로 형성된 금속 판재(10)를 소성 성형장치에 장착하는 단계(S300); 설정된 조건에 따라 상기 미세결정립이 국부적으로 형성된 금속 판재(10)를 소성 성형하는 단계(S500); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 상기 S200단계를 거쳐 국부적으로 미세결정립이 형성된 금속 판재(10)를 가공하고자 하는 소성 성형장치에 장착한 후, 미리 설정된 조건 및 형태로 금속 판재(10)를 소성 성형하여 원하는 형태로 금속 판재(10)를 소성 성형할 수 있다. 이때, 소성 성형장치는 다양한 장치들이 될 수 있으며, 소성 성형장치는 일례로 프레스, 벤딩, 절곡, 드로잉 및 하이드로포밍 장치 등이 될 수 있다.
또한, 상기 S300단계와 S500단계 사이에, 상기 미세결정립이 국부적으로 형성된 금속 판재(10)를 설정된 온도로 가열하여 유지하는 단계(S400)가 더 수행될 수 있다.
즉, 국부적으로 미세결정립이 형성된 금속 판재(10)를 가공하고자 하는 소성 성형장치에 장착한 다음, 장착된 금속 판재(10)를 특정한 온도로 가열하여 유지되도록 한 후, 미리 설정된 조건 및 형태로 금속 판재(10)를 소성 변형시켜 원하는 형태로 금속 판재(10)를 성형할 수 있다. 이때, 도 4와 같이 성형장치의 금형(30)에 금속 판재(10)를 장착한 다음 특정 온도로 가열한 후 고압의 아르곤 가스 등을 불어넣어 판재가 금형의 형태대로 성형되도록 하는 초소성 성형이 이용될 수 있다. 또는 금속 판재(10)를 가열한 후 펀치로 금속 판재를 눌러 펀치와 다이의 형태대로 성형되도록 하는 열간프레스성형(hot press forming 또는 핫포밍)이나 캔 형태 등을 제조할 수 있는 딥 드로잉 등에도 이용될 수 있다.
또한, 상기 S400단계에서는 금속 판재(10)가 소재의 0.5Tm 의 온도로 가열되어 유지되며, 상기 S500단계에서는 변형속도 0.01/s 이하로 소성 성형될 수 있다.
즉, S400단계에서 금속 판재(10)가 가열되는 온도는 초소성 성형에 적합한 소재인 금속 판재(10) 재질의 0.5Tm(융점의 1/2에 해당하는 온도)로 가열되어 유지될 수 있으며, S500단계에서도 초소성 성형에 적합한 변형속도인 0.01/s(초당 변형률) 이하로 성형될 수 있다. 그리하여 초소성 성형 시 금속 판재의 찢어짐 및 균열을 방지할 수 있다.
또한, 상기 S200단계에서는 판재 형상 획득을 위한 금형(30)에서 굴곡 또는 꺾인 부분에 대응되는 금속 판재(10)의 위치에 미세결정립을 형성할 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 소성 성형 시 금속 판재의 변형이 예상되는 부분인 소성 성형장치 금형(30) 중 하부 금형(33)에서 굴곡이 있거나 꺾인 부분에 대응되는 금속 판재(10)의 위치에 미세결정립 형성부를 미리 형성함으로써 성형성을 향상시킬 수 있다. 여기에서 도 4의 하측에 나타낸 금속 판재(10)는 상측에서 바라본 형태이며, 형태가 변형되기 전의 평평한 상태에서 미세결정립 형성부(20)가 형성된 위치를 나타낸 것이다. 이때, 금형(30)은 상부 금형(31)과 하부 금형(33)으로 이루어져, 상부 금형(31)과 하부 금형(33) 사이에 금속 판재(10)의 테두리 부분이 눌려 고정될 수 있으며, 상부 금형(31)에는 가스 주입구(32)가 형성되어 금속 판재(10)와 상부 금형(31) 사이에 아르곤 가스 등이 고압으로 주입될 수 있다. 또한, 성형하고자 하는 형태가 가공되어 있는 하부 금형(33)에는 금속 판재(10)가 변형되면서 금속 판재(10)와 하부 금형(33) 사이에 채워진 공기가 빠져나갈 수 있는 배기구(34)가 형성될 수 있다.
그리고 본 발명의 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 장치(1000)는, 금속 판재(10)가 고정될 수 있는 고정부(110)가 형성된 몸체부(100); 상기 몸체부(100)에 X축 방향으로 슬라이딩되도록 결합된 X축 방향 이동부(200); 상기 X축 방향 이동부(200)에 Y축 방향으로 슬라이딩되도록 결합된 Y축 방향 이동부(300); 상기 Y축 방향 이동부(300)에 Z축 방향으로 슬라이딩되도록 결합된 Z축 방향 이동부(400); 및 상기 Z축 방향 이동부(400)에 결합되며, Z축 방향을 중심축으로 하여 회전되도록 결합된 마찰 교반자(500); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 도 5와 같이 몸체부(100)에는 가공하고자 하는 소재인 금속 판재(10)가 고정될 수 있도록 고정부(110)가 형성될 수 있으며, 고정부(110)는 금속 판재(10)를 몸체부(100)에 견고하게 고정할 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 그리고 몸체부(100)에 X축 방향 이동부(200)가 결합되고, X축 방향 이동부(200)에 Y축 방향 이동부(300)가 결합되며, Y축 방향 이동부(300)에 Z축 방향 이동부(400)가 결합되며, Z축 방향 이동부(400)에 마찰 교반자(500)가 결합되어, 마찰 교반자(500)가 3축 방향으로 이동 가능하도록 형성될 수 있다. 또한, 마찰 교반자(500)는 3축 방향으로 이동된 상태에서 위치의 고정이 가능하도록 형성될 수 있다. 이때, 마찰 교반자(500)는 장착되어 고정되는 금속 판재(10)의 상부측에 배치될 수 있으며, 마찰 교반자(500)는 Z축 방향의 중심축(C)을 중심으로 회전 가능하도록 형성될 수 있다. 또한, 마찰 교반자(500)가 결합된 Z축 방향 이동부(400)에는 마찰 교반자(500)를 하측으로 가압하여 마찰 교반자(500)의 하단이 금속 판재(10)의 상면에 밀착되어 금속 판재(10)에 특정한 가압력을 가할 수 있도록 가압 장치가 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 판재 성형 장치(1000)는 제어부에 X축 방향 이동부(200), Y축 방향 이동부(300), Z축 방향 이동부(400) 및 마찰 교반자(500)가 연결되어 마찰 교반자(500)의 3축 방향의 위치, 이동속도, 회전속도 및 가압력 등이 제어되도록 할 수 있다. 또한, 제어부에 마찰 교반되어야 할 형태에 대한 데이터를 입력하면, 제어부에서는 이에 따른 마찰 교반자(500)의 이동 경로를 설정하여 자동으로 원하는 형태대로 마찰 교반하여 금속 판재(10)에 미세결정립 형성부(20)를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 장치(1000)는 마찰 교반되어야 할 형태가 금속 판재(10)의 상면에 투영되도록 하는 레이저를 조사하고 조사된 레이저를 센싱하여 조사된 레이저를 따라 마찰 교반자의 위치가 제어될 수 있도록 하는 레이저 위상 장치 등이 사용될 수도 있다.
또한, 상기 Z축 방향 이동부(400)와 마찰 교반자(500) 사이에 결합되어, 상기 마찰 교반자(500)의 Z축 방향 중심축(C)을 기준으로 마찰 교반자가 기울어지는 각도를 조절할 수 있는 각도 조절부(450); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 도 6과 같이 마찰 교반 시 마찰 교반자(500)의 중심축(C)이 금속 판재(10)에 수직인 방향인 Z축 방향과 일정각도 기울어진 상태로 이동될 수 있으므로, 마찰 교반자(500)의 중심축(C)이 금속 판재(10)와 수직인 Z축 방향을 기준으로 일정한 각도로 기울어질 수 있도록 구성될 수 있다. 이때, Z축 방향 이동부(400)에 각도 조절부(450)의 일측이 결합되고 각도 조절부(450)의 타측에 마찰 교반자(500)가 결합되어, 마찰 교반자(500)의 각도가 조절될 수 있다. 이때, Z축 방향 이동부(400)의 하측에 각도 조절부(450)가 결합되고 각도 조절부(450)의 하측에 마찰 교반자(500)를 회전시키기 위한 구동부(510)가 결합되며, 구동부(510)의 하측에 마찰 교반자(500)가 배치되도록 구성될 수도 있다. 그리고 일례로 마찰 교반자(500)가 이동되는 진행 방향의 반대쪽으로 마찰 교반자(500)의 중심축(C)이 기울어지도록 각도가 조절될 수 있다.
그리고 본 발명의 맞춤형 미세조직 제어된 판재를 이용하여 판재 성형을 실시하면, 항공기 분야에서 약 1,000여개의 체결수단을 절감할 수 있어 약 25%의 경량화를 달성할 수 있으며, 복잡한 형상을 일체화하여 성형할 수 있어 공정 시간 절감으로 인해 약 20% 내지 60%의 제조 비용을 절감할 수 있다. 또한, 비교적 낮은 가격으로 금속 판재를 수급할 수 있으므로 원 소재의 수급 측면에서도 유리하다. 또한, 우주 산업 분야에도 활용할 수 있으며, 다양한 분야에 적용하여 부품 또는 제품의 경량화 실현 및 제조 비용을 절감할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
[부호의 설명]
1000 : 맞춤형 미세조직 제어 장치
100 : 몸체부
110 : 고정부
200 : X축 방향 이동부
300 : Y축 방향 이동부
400 : Z축 방향 이동부
450 : 각도 조절부
500 : 마찰 교반자
510 : 구동부
C : 중심축
10 : 금속 판재
20 : 미세결정립 형성부
21 : 마찰 교반에 의해 용융되었다가 응고된 부분
22 : 마찰 교반에 의해 고상과 액상의 중간 상태로 되었다가 응고된 부분
23 : 열 영향부
30 : 금형
31 : 상부 금형
32 : 가스 주입구
33 : 하부 금형
34 : 배기구

Claims (6)

  1. 금속 판재를 준비하는 단계(S100); 및
    상기 금속 판재에 회전되는 마찰 교반자를 접촉시킨 후 상기 마찰 교반자가 금속 판재와 접촉되어 회전되는 상태에서 마찰 교반자를 가압 및 이동시켜, 상기 마찰 교반자가 금속 판재와 접촉되며 이동된 부분에서 금속 판재가 용융되었다가 응고되어, 상기 금속 판재의 원래 결정립보다 작은 크기의 미세결정립이 국부적으로 형성되도록 하는 단계(S200);
    를 포함하여 이루어지는 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 S100단계에서 금속 판재는 10㎛ 내지 100㎛ 의 결정립 크기를 갖는 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금인 것을 특징으로 하는 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 S100단계에서 금속 판재는 10㎛ 내지 100㎛ 의 결정립 크기를 갖는 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금인 것을 특징으로 하는 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 S200단계에서는 소성 성형장치의 금형에서 굴곡 또는 꺾인 부분에 대응되는 금속 판재의 위치에 미세결정립을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 방법.
  5. 금속 판재가 고정될 수 있는 고정부가 형성된 몸체부;
    상기 몸체부에 X축 방향으로 슬라이딩되도록 결합된 X축 방향 이동부;
    상기 X축 방향 이동부에 Y축 방향으로 슬라이딩되도록 결합된 Y축 방향 이동부;
    상기 Y축 방향 이동부에 Z축 방향으로 슬라이딩되도록 결합된 Z축 방향 이동부; 및
    상기 Z축 방향 이동부에 결합되며, Z축 방향을 중심축으로 하여 회전되도록 결합된 마찰 교반자;
    를 포함하여 이루어지는 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 Z축 방향 이동부와 마찰 교반자 사이에 결합되어, 상기 마찰 교반자의 Z축 방향 중심축을 기준으로 마찰 교반자가 기울어지는 각도를 조절할 수 있는 각도 조절부; 를 더 포함하여 이루어지는 금속 판재 성형성 향상을 위한 맞춤형 미세조직 제어 장치.
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