초고강도 강철(알루미늄)용 고속 열간 스탬핑 생산 라인
주요 특징
생산 라인은 핫 스탬핑 기술을 적용하여 자동차 부품 제조 공정을 최적화하도록 설계되었습니다. 아시아에서는 핫 스탬핑, 유럽에서는 프레스 경화로 알려진 이 공정은 블랭크 소재를 특정 온도로 가열한 후, 유압 프레스 기술을 사용하여 해당 금형에 압력을 유지하며 프레스하여 원하는 형상을 만들고 금속 소재의 상변태를 유발하는 방식입니다. 핫 스탬핑 기술은 직접 핫 스탬핑과 간접 핫 스탬핑으로 구분할 수 있습니다.
장점
핫스탬핑 구조 부품의 주요 장점 중 하나는 뛰어난 성형성으로, 뛰어난 인장 강도를 가진 복잡한 형상의 제품 생산을 가능하게 합니다. 핫스탬핑 부품의 높은 강도 덕분에 더 얇은 금속판을 사용할 수 있어 구조적 무결성과 충돌 성능을 유지하면서 부품의 무게를 줄일 수 있습니다. 그 외 다음과 같은 장점이 있습니다.
조인트 작업 감소:핫 스탬핑 기술은 용접이나 체결 연결 작업의 필요성을 줄여 효율성을 높이고 제품 무결성을 강화합니다.
최소화된 스프링백 및 휨:열간 스탬핑 공정은 부품의 스프링백 및 뒤틀림과 같은 바람직하지 않은 변형을 최소화하여 정밀한 치수 정확도를 보장하고 추가 재작업의 필요성을 줄입니다.
부품 결함 감소:열간 스탬핑 부품은 냉간 성형 방법에 비해 균열이나 갈라짐과 같은 결함이 적기 때문에 제품 품질이 향상되고 폐기물이 줄어듭니다.
하부 프레스 톤수:핫 스탬핑은 콜드 포밍 기술에 비해 필요한 프레스 톤수를 줄여 비용을 절감하고 생산 효율성을 높입니다.
재료 속성의 사용자 정의:핫 스탬핑 기술을 사용하면 부품의 특정 영역에 따라 재료 특성을 맞춤화하여 성능과 기능을 최적화할 수 있습니다.
향상된 미세 구조 개선:열간 스탬핑은 재료의 미세구조를 강화하여 기계적 성질을 개선하고 제품 내구성을 증가시키는 기능을 제공합니다.
간소화된 생산 단계:핫 스탬핑은 중간 제조 단계를 없애거나 줄여 생산 공정을 간소화하고, 생산성을 높이며, 리드 타임을 단축합니다.
제품 응용 프로그램
고강도강(알루미늄) 고속 핫 스탬핑 생산 라인은 자동차 백색 차체 부품 제조에 폭넓게 적용됩니다. 여기에는 승용차에 사용되는 필러 어셈블리, 범퍼, 도어 빔, 루프 레일 어셈블리가 포함됩니다. 또한, 핫 스탬핑을 통해 구현되는 고급 합금의 활용은 항공우주, 방위 및 신흥 시장과 같은 산업에서 점점 더 활발하게 연구되고 있습니다. 이러한 합금은 다른 성형 방법으로는 달성하기 어려운 높은 강도와 경량화라는 이점을 제공합니다.
결론적으로, 고강도강(알루미늄) 고속 핫 스탬핑 생산 라인은 복잡한 형상의 자동차 차체 부품을 정밀하고 효율적으로 생산할 수 있도록 합니다. 뛰어난 성형성, 접합 작업 감소, 결함 최소화, 향상된 소재 특성으로 이 생산 라인은 다양한 이점을 제공합니다. 승용차용 백색 차체 부품 제조에 적용 가능하며, 항공우주, 방위 및 신흥 시장에서 잠재적 이점을 제공합니다. 자동차 및 관련 산업에서 탁월한 성능, 생산성, 그리고 경량 설계 이점을 달성하려면 고강도강(알루미늄) 고속 핫 스탬핑 생산 라인에 투자하십시오.
핫스탬핑이란?
핫 스탬핑(Hot stamping)은 유럽에서는 프레스 경화(Press Hardening), 아시아에서는 핫 프레스 성형(Hot Press Forming)으로 알려져 있으며, 블랭크(blank)를 일정 온도로 가열한 후, 해당 금형에서 가압하여 스탬핑하고 급냉시켜 원하는 형상을 얻고 금속 소재에 상변태를 유도하는 소재 성형 방법입니다. 핫 스탬핑 기술은 초기 강도가 500~700 MPa인 보론 강판을 오스테나이트화 상태로 가열한 후, 고속 스탬핑을 위해 금형으로 빠르게 이송하고, 금형 내에서 27°C/s 이상의 냉각 속도로 급냉시킨 후 일정 시간 동안 가압하여 균일한 마르텐사이트 조직을 가진 초고강도 강 부품을 얻는 기술입니다.
핫 스탬핑의 장점
최종 인장 강도가 향상되고 복잡한 형상을 형성할 수 있는 능력이 향상되었습니다.
구조적 무결성과 충돌 성능을 유지하는 동시에 더 얇은 판금을 사용하여 구성품의 무게를 줄였습니다.
용접이나 고정과 같은 접합 작업에 대한 필요성이 감소합니다.
부품의 튀어나옴과 뒤틀림을 최소화했습니다.
균열이나 갈라짐 등 부품 결함이 적습니다.
냉간성형에 비해 프레스 톤수 요구 사항이 낮습니다.
특정 부품 구역에 따라 재료 속성을 맞춤화하는 능력.
더 나은 성능을 위한 강화된 미세 구조.
완제품을 얻기 위한 운영 단계가 줄어들어 제조 공정이 간소화되었습니다.
이러한 장점은 핫스탬핑 구조 부품의 전반적인 효율성, 품질 및 성능에 기여합니다.
핫 스탬핑에 대한 자세한 내용
1. 핫 스탬핑 vs 콜드 스탬핑
핫 스탬핑은 강판을 예열한 후 성형하는 공정이고, 콜드 스탬핑은 예열하지 않고 강판을 직접 스탬핑하는 공정을 말합니다.
콜드 스탬핑은 핫 스탬핑에 비해 분명한 장점이 있습니다. 하지만 몇 가지 단점도 있습니다. 콜드 스탬핑 공정은 핫 스탬핑보다 높은 응력을 발생시키기 때문에 콜드 스탬핑 제품은 균열과 갈라짐에 더 취약합니다. 따라서 콜드 스탬핑에는 정밀한 스탬핑 장비가 필요합니다.
핫 스탬핑은 강판을 스탬핑 전에 고온으로 가열하고 동시에 다이에서 담금질하는 공정입니다. 이를 통해 강의 미세 조직이 마르텐사이트로 완전히 변태하여 1,500~2,000MPa의 높은 강도를 갖게 됩니다. 결과적으로 핫 스탬핑 제품은 콜드 스탬핑 제품보다 더 높은 강도를 나타냅니다.
2. 핫 스탬핑 공정 흐름
"프레스 경화"라고도 하는 핫 스탬핑은 초기 강도가 500~600MPa인 고강도 시트를 880~950°C의 온도로 가열하는 공정입니다. 가열된 시트는 다이에서 빠르게 스탬핑되고 담금질되며, 이때 냉각 속도는 20~300°C/s입니다. 담금질 과정에서 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하면 부품의 강도가 크게 향상되어 최대 1500MPa의 강도를 가진 스탬핑 부품을 생산할 수 있습니다. 핫 스탬핑 기술은 직접 핫 스탬핑과 간접 핫 스탬핑의 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다.
직접 열간 스탬핑에서는 예열된 블랭크를 밀폐된 다이에 직접 공급하여 스탬핑 및 담금질을 진행합니다. 이후 공정에는 냉각, 엣지 트리밍, 홀 펀칭(또는 레이저 커팅), 그리고 표면 세정이 포함됩니다.
특징1: 핫 스탬핑 가공 모드--직접 핫 스탬핑
간접 열간 스탬핑 공정에서는 가열, 열간 스탬핑, 모서리 다듬기, 펀칭 및 표면 세척 단계에 들어가기 전에 냉간 성형 예비 성형 단계가 수행됩니다.
간접 핫 스탬핑과 직접 핫 스탬핑 공정의 주요 차이점은 간접 방식에서 가열 전 냉간 성형 예비 성형 단계가 포함된다는 점입니다. 직접 핫 스탬핑에서는 판재를 가열로에 직접 공급하는 반면, 간접 핫 스탬핑에서는 냉간 성형된 예비 성형 부품을 가열로로 보냅니다.
간접 핫 스탬핑의 공정 흐름은 일반적으로 다음 단계로 구성됩니다.
냉간성형 예비성형--가열--핫 스탬핑--가장자리 다듬기 및 펀칭--표면 세척
Fiture2: 핫 스탬핑 가공 모드--간접 핫 스탬핑
3. 핫스탬핑의 주요 장비로는 가열로, 핫포밍프레스, 핫스탬핑 금형 등이 있다.
가열로:
가열로는 가열 및 온도 제어 기능을 갖추고 있습니다. 고강도 강판을 지정된 시간 내에 재결정 온도까지 가열하여 오스테나이트 상태에 도달할 수 있습니다. 또한, 대규모 자동화 연속 생산 요건에 부합해야 합니다. 가열된 빌릿은 로봇이나 기계 팔로만 취급할 수 있으므로, 높은 위치 정확도를 갖춘 자동화된 적재 및 하역 기능이 필요합니다. 또한, 코팅되지 않은 강판을 가열할 경우, 빌릿의 표면 산화 및 탈탄소화를 방지하기 위해 가스 보호 기능을 제공해야 합니다.
열간성형 프레스:
프레스는 핫 스탬핑 기술의 핵심입니다. 빠른 스탬핑 및 유지 능력과 함께 급속 냉각 시스템을 갖추어야 합니다. 핫 포밍 프레스의 기술적 복잡성은 기존 콜드 스탬핑 프레스보다 훨씬 높습니다. 현재 이러한 프레스의 설계 및 제조 기술을 보유한 외국 기업은 극소수에 불과하며, 모두 수입에 의존하고 있어 가격이 높습니다.
핫 스탬핑 몰드:
핫 스탬핑 금형은 성형과 담금질 단계를 모두 수행합니다. 성형 단계에서 빌릿이 금형 캐비티에 주입되면 금형은 재료가 마르텐사이트 상변태를 겪기 전에 부품 성형을 완료하기 위해 스탬핑 공정을 신속하게 완료합니다. 그 후, 담금질 및 냉각 단계로 진입하여 금형 내부 소재의 열이 금형으로 지속적으로 전달됩니다. 금형 내부에 배치된 냉각관은 흐르는 냉각수를 통해 열을 즉시 제거합니다. 마르텐사이트-오스테나이트 변태는 소재 온도가 425°C로 떨어지면 시작됩니다. 마르텐사이트와 오스테나이트 사이의 변태는 온도가 280°C에 도달하면 종료되고, 소재는 200°C에서 꺼냅니다. 금형 고정의 역할은 담금질 공정 중 불균일한 열팽창 및 수축을 방지하는 것입니다. 이는 소재의 형상과 치수에 큰 변화를 초래하여 불량품을 발생시킬 수 있습니다. 또한, 가공물과 금형 사이의 열전달 효율을 높여 빠른 담금질과 냉각을 촉진합니다.
요약하자면, 핫 스탬핑의 주요 장비에는 원하는 온도를 달성하기 위한 가열로, 빠른 스탬핑 및 급속 냉각 시스템을 갖춘 홀딩을 위한 핫 포밍 프레스, 적절한 부품 형성과 효율적인 냉각을 보장하기 위해 성형 및 담금질 단계를 모두 수행하는 핫 스탬핑 금형이 포함됩니다.
담금질 냉각 속도는 생산 시간에 영향을 미칠 뿐만 아니라 오스테나이트와 마르텐사이트의 변환 효율에도 영향을 미칩니다. 냉각 속도는 어떤 종류의 결정 구조가 형성될지 결정하며, 공작물의 최종 경화 효과와 관련이 있습니다. 붕소강의 임계 냉각 온도는 약 30℃/s이며, 냉각 속도가 임계 냉각 온도를 초과해야만 마르텐사이트 조직의 형성이 최대로 촉진될 수 있습니다. 냉각 속도가 임계 냉각 속도보다 낮으면 공작물 결정 구조에 베이나이트와 같은 비마르텐사이트 조직이 나타납니다. 그러나 냉각 속도가 높을수록 좋지만, 냉각 속도가 높으면 성형품의 균열이 발생할 수 있으므로 부품의 재료 조성 및 공정 조건에 따라 합리적인 냉각 속도 범위를 결정해야 합니다.
냉각 파이프의 설계는 냉각 속도의 크기와 직접적인 관련이 있으므로, 일반적으로 최대 열전달 효율을 고려하여 냉각 파이프를 설계합니다. 따라서 설계된 냉각 파이프의 방향이 복잡해지고, 금형 주조 완료 후 기계적 드릴링을 통해 냉각 파이프를 얻기가 어렵습니다. 기계적 가공의 제약을 피하기 위해, 일반적으로 금형 주조 전에 냉각수 통로를 확보하는 방법을 선택합니다.
핫 스탬핑 금형은 200℃에서 880~950℃의 극심한 냉온 교대 조건에서 장시간 작동해야 하므로, 구조적 강성과 열전도도가 우수해야 하며, 고온에서 빌릿이 생성하는 강한 열 마찰과 탈락된 산화막 입자의 마모를 견뎌낼 수 있어야 합니다. 또한, 금형 소재는 냉각수의 원활한 흐름을 보장하기 위해 냉각수에 대한 내식성이 우수해야 합니다.
트리밍과 피어싱
핫 스탬핑 후 부품의 강도는 약 1500MPa에 달하기 때문에, 프레스 절단 및 펀칭을 사용할 경우 장비의 톤수 요구량이 증가하고 다이 커팅 날의 마모가 심각해집니다. 따라서 레이저 절단 장치는 날과 구멍을 절단하는 데 자주 사용됩니다.
4. 일반적인 핫 스탬핑 강철 등급
스탬핑 전 성능
스탬핑 후 성능
현재 핫스탬핑 강재의 일반적인 등급은 B1500HS입니다. 스탬핑 전 인장 강도는 일반적으로 480~800MPa이며, 스탬핑 후 인장 강도는 1300~1700MPa에 도달할 수 있습니다. 즉, 480~800MPa 강판의 인장 강도를 핫스탬핑 성형을 통해 약 1300~1700MPa 부품의 인장 강도에 도달할 수 있습니다.
5. 핫스탬핑강의 사용
핫스탬핑 부품을 적용하면 자동차의 충돌 안전성을 크게 향상시키고 차체의 백색 경량화를 실현할 수 있습니다. 현재 핫스탬핑 기술은 승용차의 백색 차체 부품, 예를 들어 A필러, B필러, 범퍼, 도어 빔, 루프 레일 등에 적용되고 있습니다. 경량화에 적합한 부품의 예시는 아래 그림 3을 참조하십시오.
그림 3：핫 스탬핑에 적합한 백색 본체 구성품
그림 4: 장동기계 1200톤 핫 스탬핑 프레스 라인
현재, 장동기계의 핫스탬핑 유압프레스 생산라인 솔루션은 매우 성숙되고 안정적이며, 중국 핫스탬핑 성형 분야에서 선두적인 수준에 속합니다. 또한 중국공작기계협회 단조기계 지부 부주임단위 및 중국 단조기계 표준화 위원회 회원단위로서 강철 및 알루미늄의 국가급 초고속 핫스탬핑에 대한 연구 및 응용 작업을 맡아 중국은 물론 전 세계의 핫스탬핑 산업 발전을 촉진하는 데 큰 역할을 했습니다.
