알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치 및 그 제어방법{A DEVICE FOR WARM HYDRO-FORMING OF ALUMINIUM ALLOY AND METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명 실시예의 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치의 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명 실시예의 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치의 제어방법을 도시한 흐름도이다.

도 3은 종래 알루미늄 합금의 하이드로 포밍 방법에 따른 단계별 공정을 도시한 블록도이다.

도 4 내지 도 6은 종래 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치의 각 단계별 공정 상태도이다.

본 발명은 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고강도 알루미늄 튜브소재의 온도에 따른 연신율 특성을 이용하여 고온에서 그 성형성을 확보하여 확관 액압 성형을 순차적으로 수행할 수 있도록 하는 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 하이드로 포밍(HYDRO-FORMING) 방법은 상온(10℃~30℃)에서 이루어지며, 액압(hydraulic pressure)을 이용하여 튜브소재를 확관 성형하는 기계 판금의 특수한 가공법 중의 하나로써, 자동차 산업 등에서 프론트 사이드 멤버류와 같이 크고 작은 단품패널의 조합으로 이루어지는 프레스 생산품의 경량화 및 성형 원가의 절감에 효과가 크다.

상기한 바와 같은 하이드로 포밍(HYDRO-FORMING)에 적용되는 튜브소재에 있어서도, 경량화를 위하여 최근 철계 소재를 대신하여 고강도의 알루미늄 합금이 많이 사용되며, 이러한 고강도의 알루미늄 합금의 경우, 상온에서의 성형성은 철계 소재에 비하여 떨어지나, 성형 전에 연화처리를 통하여 성형성을 확보한 후, 단계별 하이드로 포밍 성형을 이루고 있다. 여기서 연화처리라 함은 알루미늄 소재의 강도를 낮추면서 연신율을 증가시키는 것으로 풀림(어닐링)열처리가 가장 흔하게 사용된다.

이때, 상기 고강도 알루미늄 합금소재의 성형성 확보를 위해서는 성형품의 형상에 따른 변형량이 최대인 부위를 고려하여 충분한 연신율을 확보하여야 하며, 적어도 20% 이상의 연신율 확보를 위하여 상기의 연화처리과정은 필수공정이라 할 수 있다.

이와 같은 알루미늄 합금의 종래 하이드로 포밍 성형을 도 3과 도 4 내지 도 7를 통하여 살펴보면, 먼저, 성형품의 형상에 따른 변형량을 고려하여 소재의 연신율을 충분히 확보할 수 있도록 상기 고강도 알루미늄 합금의 튜브소재(100)를 미리 연화처리하게 된다.(S110)

이와 같이, 연화처리를 통하여 연신율을 확보한 상기 튜브소재(100)는 도 9에 도시된 바와 같은, 하이드로 포밍용 프레스 금형의 하형(101)상에 로딩되며(S120), 이어서 도 10에서와 같이 그 상부의 상형(103)이 하강한 상태에서, 상기 튜브소재(100)의 양단에 각각 배치되는 액압 실린더(105,107)가 실링펀치를 통하여 길이방향으로 이를 가압하여 시일링(sealing)과 동시에, 축압(axial compress)을 가하여 금형의 합형 및 액압 실린더의 장착을 완료하게 된다.(S130)

이와 같이, 상기 튜브소재(100)는, 도 11에서와 같이, 상기 하형(101)과 상형(103) 및 양측 액압 실린더(105,107)에 의해 고정된 상태에서, 상기 액압 실린더(105,107)의 자체 축압과 함께, 상기 튜브소재(100)의 내부로 일측 실링펀치를 통하여 액압을 공급하여 내부에서 상형(103)과 하형(101)에 각각 형성된 성형면(109,111)을 따라 상기 튜브소재(100)를 확관 성형시킴으로써, 상온에서의 하이드로 포밍 성형을 이루게 된다.(S140)

상기한 바와 같이, 하이드로 포밍 성형이 완료된 상기 튜브소재(100)는, 도 12에서와 같이, 상기 하형(101) 및 상형(103)으로부터 취출되며, 상기 튜브소재는 상기의 연신율 확보를 위하여 연화처리 공정을 거치는 과정에서 약해진 상기 튜브소재(100)의 강도를 보강하기 위한 별도의 경화처리 공정을 수행하여 성형품으로서의 요구강도를 확보할 수 있도록 한다.(S150)

그러나 상기한 바와 같은 종래의 하이드로 포밍 성형에 의하여 고강도의 알루미늄 합금의 튜브소재를 액압 성형하기 위해서는 그 성형성을 확보하기 위하여 성형 전에 연화처리 공정이 필수적이나, 이러한 연화처리 공정은 상기 소재의 강도를 현저하게 떨어뜨리는 원인이 되어 성형 품질을 보장할 수 없으며, 성형 후에도, 상기 소재의 강도를 보강하기 위하여 별도의 경화처리 공정을 추가하고는 있으나, 이러한 추가공정단계로 인하여 성형 품질과 생산성에는 부정적인 영향을 미치는 등의 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고강도 알루미늄 튜브소재의 온도에 따른 연신율 특성을 이용하여 설정 온도범위 내에서 충분한 성형성을 확보한 상태로 확관 액압 성형을 순차적으로 수행하는 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치 및 그 제어방법를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치는 확관 성형할 튜브소재의 상하부에서 이를 가압하는 상형 및 하형과; 상기 튜브소재의 양단에서 축방향으로 이를 가압하여 축압을 제공함과 동시에, 확관을 위한 액압을 제공하는 양측 액압 실린더를 포함하는 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치에 있어서,

상기 상형 및 하형의 상호 대등하는 내부면에는 상기 튜브소재의 성형면을 형성하여 상기 상형과 하형에 각각 장착되는 인서트 금형; 상기 상형 및 하형의 내부에서 상기 각 인서트 금형의 배면에 대응하여 각각 장착되어 제어기의 제어신호 에 따라 상기 튜브소재를 설정온도로 가열하는 히팅유닛; 상기 일측 액압 실린더로 공급할 작동유를 저장하는 작동유 탱크; 상기 제어기의 제어신호에 따라 작동유 탱크에 저장된 작동유를 펌핑하여 작동유 공급관을 통하여 상기 일측 액압 실린더로 작동유를 설정압으로 공급하는 작동유 펌프; 상기 작동유 공급관의 일측에 구성되어 제어기의 제어신호에 따라 공급되는 작동유를 설정온도롤 가열하는 작동유 가열유닛을 포함한다.

그리고 상기한 바와 같은 본 발명의 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치의 제어방법은 먼저, 성형할 튜브소재를 상형과 하형 사이에 투입한 후, 제어기가 작동유 가열유닛에 전기적 신호를 출력하여 작동시키며, 동시에 온도센서를 통하여 작동유 가열유닛 내부의 온도를 검출하는 제1단계(S11); 상기 제1단계에서, 검출된 작동유 가열유닛 내부의 검출온도가 설정온도 범위 내에 있는가를 판단하는 제2단계(S12); 상기 제2단계에서, 조건을 만족하지 않으면, 제1단계로 리턴되며, 조건을 만족하면, 제어기는 액압 실린더가 전진 구동하였는가를 판단하는 제3단계(S13); 상기 제3단계의 조건을 만족하면, 제어기는 작동유 펌프에 구동신호를 출력하여 작동유 펌프를 구동시켜, 성형할 튜브소재 내부로 작동유 가열유닛을 거쳐 가열된 작동유를 액압으로 공급하며, 동시에 상기 제어기는 히팅유닛에 제어신호를 출력하여 발열시킴으로써 상기 금형 내부의 튜브소재를 설정온도까지 가열하는 제4단계(S14); 상기 제4단계의 진행에 따라 상기 튜브소재의 가열과, 가열된 액압에 의해 튜브소재를 금형 내에서 확관하는 하이드로 포밍 성형하는 제5단계(S15); 상기 제5단계에 의한 튜브소재의 하이드로 포밍 성형이 완료되었는가를 판단하는 제6 단계(S16); 상기 제6단계의 조건을 만족하면, 제어기는 상기 작동유 펌프의 구동을 종료하고, 동시에 히팅유닛의 작동을 종료하는 제7단계(S17); 상기 제7단계에 이어, 상기 액압 실린더를 복귀시키고, 상형과 하형을 이형한 후, 성형된 제품을 취출하는 제8단계(18)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 실시예의 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명 실시예의 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치의 제어방법을 도시한 흐름도이다.

본 실시예에 따른 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치 및 그 제어방법은 고강도의 알루미늄 합금 튜브소재(이하, 튜브소재로 칭함)를 열처리에 의한 연화처리 공정을 수행하지 않고도, 알루미늄의 온도에 따른 연신율의 특성 즉, 알루미늄의 온도가 고온(약 50℃~300℃ 정도로 임의 설정함)으로 증가하면, 강도가 떨어지고, 연신율은 급격히 증가하였다가, 다시 온도가 상온(약 10℃~30℃ 정도의 작업장의 실내온도)으로 낮아지면, 상기 강도는 다시 높아지고, 연신률은 다시 낮아져 최초 상온 상태의 강도 및 연신율의 성질을 유지하는 특성을 이용하여 상기 튜브소재를 상기 고온(약 50℃~300℃까지) 상태에서의 온간 하이드로 포밍 성형을 통하여 성형성 및 요구 강도를 동시에 확보할 수 있도록 하기 위한 것이다.

이러한 하이드로 포밍 장치의 구성은, 상기 도 1에서 도시한 바와 같이, 프레스 장비(미도시)의 하부에 장착되는 하형(1)과 그 상부에서 프레스 장비(미도시) 에 의해 하부로 진행하여 상기 하형(1)과 함께 튜브소재(10)를 가압하는 상형(3)이 구비된다.

그리고 상기 튜브소재(10)의 양단에 대응하여 상기 하형(1)의 양측부에는 각각 좌,우측 액압 실린더(5,7)가 배치되어 각 실링펀치(9)(11)를 통하여 상기 튜브소재(10)의 양단에 끼워져 각각 축방향으로 축압(axial compress)을 가할 수 있도록 이루어진다.

상기 상형(3) 및 하형(1)의 상호 대등하는 내부면에는 상기 튜브소재(10)의 성형면(F)을 형성하는 각 인서트 금형(13)이 상기 상형(3)과 하형(1)에 각각 장착된다.

그리고 상기 상형(3) 및 하형(1)의 내부에서 상기 각 인서트 금형(13)의 배면에 대응하여서는 히팅유닛(HU)이 각각 장착되어 제어기(20)의 제어신호에 따라 상기 튜브소재(10)를 설정온도로 가열하게 된다.

여기서, 상기 히팅유닛(HU)은 외부 제어기(20)로부터 전기적인 신호에 의해 작동하여 설정온도까지 발열하는 히팅코일로 구성되거나, 또는 상기 제어기(20)로부터 제어신호에 따라 작동하여 상기 튜브소재(10)를 설정온도까지 가열하는 고주파 유도가열기로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 상기 일측 액압 실린더(5)로 공급할 작동유를 저장하기 위한 작동유 탱크(15)가 구비된다.

또한, 상기 제어기(20)의 제어신호에 따라 작동유 탱크(15)에 저장된 작동유를 펌핑하여 작동유 공급관(L)을 통하여 상기 일측 액압 실린더(5)로 작동유를 설 정압으로 공급하는 작동유 펌프(17)가 구비된다.

상기 작동유 공급관(L)의 일측에는 제어기(20)의 제어신호에 따라 공급되는 작동유를 설정온도롤 가열하여 상기 튜브소재(10)의 내부에 액압으로 공급되도록 작동유 가열유닛(19)이 구성된다.

상기 작동유 가열유닛(19)은 상기 작동유 공급관(L)의 일측을 코일형상을 감아 작동유 가열부(21)를 형성하고, 상기 작동유 가열부(21)를 수용하도록 내부에 원형의 공간부(23)를 형성하는 가열 하우징(25)이 구비된다. 이때, 상기 가열 하우징(25)은 단열소재를 이용하여 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 가열 하우징(25)의 내벽면을 따라서는 제어기(20)의 전기적인 신호에 의해 작동하여 설정온도까지 발열하는 히팅코일(27)이 구성되고, 상기 가열 하우징(25)의 상부 일측에는 가열 하우징(25)의 내부 온도를 검출하여 그 신호를 제어기로 출력하는 온도센서(29)가 구성된다.

따라서 이러한 구성을 갖는 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치의 제어방법은, 상기 도 2에서 도시한 바와 같이, 먼저, 성형할 튜브소재(10)를 상형(3)과 하형(1) 사이에 투입한 후, 제어기(20)가 작동유 가열유닛(19)에 전기적 신호를 출력하여 이를 작동시키며, 동시에 온도센서(29)를 통하여 작동유 가열유닛(25)의 가열 하우징(25) 내부의 온도를 지속적으로 검출하게 된다.(S11)

그리고 제어기(20)는 상기 단계(S11)에서, 검출된 가열 하우징(15) 내부의 검출온도가 설정온도 범위 내에 있는가를 판단하게 된다.(S12)

상기 단계(S12)에서, 조건을 만족하지 않으면, 제어기(20)는 상위 단계(S11) 로 리턴되며, 상기 조건을 만족하면, 제어기(20)는 양측 액압 실린더(5)(7)가 전진 구동하였는가를 판단하게 된다.(S13)

여기서, 상기 양측 액압 실린더(5)(7)의 작동 여부는 미도시된 별도의 프레스 제어기로부터 신호를 수신한다.

이때, 상기 제어기(20)는 상기 단계(S13)의 조건을 만족하면, 상기 작동유 펌프(17)에 구동신호를 출력하여 작동유 펌프917)를 구동시켜 성형할 튜브소재(10) 내부로 작동유 가열유닛(19)을 거쳐 가열된 작동유를 액압으로 공급하게 된다. 이와 동시에, 상기 제어기(20)는 히팅유닛(HU)에 제어신호를 출력하여 히팅유닛(HU), 즉, 히팅코일 또는 고주파 유도가열기를 작동시킴으로써 상기 금형 내부의 튜브소재를 설정온도까지 가열하게 된다.(S14)

상기 단계(S14)에 이어, 상기 금형 내에서는 상기 단계(S14)의 진행에 따라 상기 튜브소재(10)의 가열과, 가열된 액압에 의해 튜브소재(10)를 금형 내에서 확관하는 하이드로 포밍 성형과정을 이루게 된다.(S15)

여기서 상기 튜브소재(10)가 히팅유닛(HU) 및 가열된 작동유의 액압에 의해 설정온도까지 온도가 상승한 상태가 되면, 그 강도는 다소 떨어지는 반면, 그 연신율은 현저하게 상승하여 상기 액압 실린더(5,7)로부터의 축압과 함께, 상기 튜브소재(10) 내부로 공급되는 작동유 액압에 의해 상형(3)과 하형(1) 상의 인서트 금형(13)의 성형면(F)을 따라 확관 성형되어 온간에서의 액압 성형을 이루게 되는 것이다.

이와 같이, 상기 단계(S15)의 진행 중에 제어기(10)는 확관 성형에 의한 튜 브소재(10)의 하이드로 포밍 성형이 완료되었는가를 판단한다.(S16)

상기 단계(16)에서, 제어기(20)는 조건을 만족하는 경우, 상기 작동유 펌프(17)의 구동을 종료하고, 동시에 히팅유닛(HU)의 작동을 종료한다.(S17)

이와 같이, 작동유 펌프(17)와 히팅유닛(HU)의 작동을 종료한 후, 상기 액압 실린더(5)(7)를 복귀시키고, 상형(3)과 하형(1)을 이형한 후, 성형된 제품을 취출하게 된다. 또한, 상기 취출된 튜브소재(10;제품)가 냉각되면, 상기 알루미늄 합금의 최초 상온에서의 강도를 회복하며, 연신율 또한, 현저하게 낮아져 최소 상온 상태의 물리적 특성을 다시 유지하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 온간 하이드로 포밍 장치 및 그 제어방법에 의하면, 고강도 알루미늄 합금의 튜브소재를 그 온도에 따른 연신율 특성을 이용하여 설정 온도범위 내에서 충분한 성형성을 확보한 상태로 확관 액압 성형을 실시함으로, 종래 고강도 소재의 액압 성형시 연화처리를 통하여 연신율을 높여 성형성을 좋게 하던 공정 및 별도의 경화처리를 위한 추가공정 등을 삭제할 수 있어 공정이 단순해지며, 이로 인한 성형 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.