하이드로포밍

왜 배우는가: 하이드로포밍은 자동차 차체의 일체형 부품을 만드는 대표 성형법이라 공정 선택과 설계 실무에서 자주 다뤄진다. 정의와 원리, 스탬핑과의 차이를 묻는 문항이 여러 교시에 걸쳐 반복 출제되므로 답안에 옮길 수 있는 수준으로 익혀야 한다.

출제 이력: 제128회 1교시 11번, 제120회 1교시 9번, 제117회 1교시 1번, 제102회 2교시 5번, 제96회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

하이드로포밍은 금형 안의 금속 소재에 고압 액체를 가해 금형 형상대로 성형하는 상온 액압 성형법이다.

하이드로포밍(Hydroforming)은 액압성형(液壓成形)의 대표적인 방식으로, 소재를 금형 쪽으로 밀어 붙이는 힘을 기계식 가동 금형이 아니라 고압 액체의 정수압에서 얻는다. 한 번의 성형 공정으로 복잡한 중공(中空) 부품이나 판 부품을 만들 수 있어 자동차 차체 부품 제작에 널리 쓰인다. 성형 대상은 알루미늄, 황동, 저합금강, 스테인리스강 등 연성이 있는 금속이며, 이들 소재를 가볍고 구조적으로 강한 부품으로 바꾸는 것이 공법의 목적이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 액압성형: 고압 액체의 압력으로 연성 금속을 금형에 밀착시켜 형상을 만드는 방법이다.
• 튜브 하이드로포밍: 관(튜브) 내부에 액압을 가해 단면을 금형 형상으로 팽창시키는 방식이다.
• 판재 하이드로포밍: 블랭크를 고무 블래더나 액체로 눌러 고정된 다이 위에서 늘려 성형하는 방식이다.
• 내압: 튜브 내부에서 금형 벽 쪽으로 작용하는 액체 압력이다.
• 축 압축: 튜브 양 끝을 펀치로 밀어 재료를 팽창 부위로 공급하는 동작이다.
• 상온 성형: 소재를 가열하지 않고 실온에서 성형하는 조건이며, 일반적인 액압성형의 기본 조건이다.
• 단일 성형: 여러 단계의 중간 성형 없이 한 번의 공정으로 최종 형상을 얻는 특성이다.

2. 개념 풀이

하이드로포밍은 고압 유체의 압력을 금속 소재에 직접, 또는 블래더를 통해 가하여 금형 형상으로 성형하는 소성가공 방식이다. 가동 금형을 누르는 기계식 프레스 힘 대신 액체의 압력을 성형력의 원천으로 쓰는 것이 이 공법의 핵심이다. 판재 성형에서는 정지된 다이 위에 블랭크를 올려놓고 압력으로 늘려 형상을 만드는 점이 딥드로잉과 비슷하다. 다만 딥드로잉과 달리 드로잉 비(draw reduction)를 거의 두지 않고 한 단계에서 성형한다는 점이 다르다.

원리는 밀폐된 금형과 액체의 압력에 있다. 튜브 하이드로포밍에서는 금형을 닫은 뒤 튜브 양 끝을 축 방향 펀치로 밀봉하고, 펀치 한쪽을 통해 작동유를 채운다. 내압이 수천 bar 수준까지 오르면 튜브 벽이 금형 단면을 따라 팽창하면서 금형 형상에 맞게 정형된다. 이때 축 펀치가 튜브를 축 방향으로 압축하여 팽창하는 부위의 중심으로 재료를 보충한다.

튜브 하이드로포밍의 성형 조건은 내압과 축 압축의 조합으로 정해진다.

정수압은 한 점에 가해진 압력이 모든 방향으로 같은 크기로 전달되는 압력이다. 이 성질 덕분에 소재 표면 전체에 고르게 성형력이 작용하고, 복잡한 단면도 금형에 밀착할 수 있다. 축 압축은 튜브 끝을 밀어 재료를 공급하는 힘으로, 내압만으로는 팽창 부위가 얇아지기 쉬우므로 두 힘의 비율을 함께 조절해야 한다.

판재 하이드로포밍은 블래더 또는 액체로 블랭크를 직접 눌러 형상을 얻는다. 튜브 방식이 관 내부 압력과 축 압축으로 단면을 만든다면, 판재 방식은 금형 면 위의 소재 전체를 한쪽에서 밀어 형상을 얻는다는 점에서 구분된다.

3. 등장 배경과 필요성

자동차 차체는 복잡한 형상의 부품을 여러 개의 프레스 부품으로 따로 가공한 뒤 용접으로 이어 붙여 만들어 왔다. 이 방식은 용접 이음이 많아 원가가 높고, 이음부에서 품질 문제가 생기기 쉬웠다. 하이드로포밍은 관이나 판을 한 번의 성형으로 완성하여 이음 수를 줄이는 대안으로 등장하였다.

이 기술은 본래 배관 산업을 위해 개발되었다. 이후 자동차 산업으로 넓어졌고, 1990년 무렵에는 대량 생산 자동차에 맞는 생산 효율에 도달하였다. 배관 분야에서 얻은 액압 기술이 차체 부품으로 확장된 흐름이 이 공법의 발전 맥락이다.

필요성은 경량화와 강성 확보에 있다. 자동차 차체 경량화 요구가 커지면서 알루미늄 같은 가벼운 연성 소재를 복잡한 구조로 만들 필요가 생겼다. 일체형 구조를 상온에서 성형하는 하이드로포밍은 이 요구에 맞는 공법으로 자리 잡았다. 튜브 하이드로포밍은 부품 수와 용접 이음을 줄여 조립을 단순하게 하고, 구조 강도와 강성을 높이며, 기존 성형 공법 대비 공구 비용이 적게 든다는 장점이 있다. 다만 상온 성형은 소재 연신에 한계가 있어 그 수치는 7절에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

하이드로포밍의 액압 성형 장치는 금형, 금형 체결 장치, 액압 공급 장치, 축 방향 펀치, 카운터펀치로 나뉜다. 각 구성요소의 역할을 분리해 알아두면 공정을 단계별로 정확히 서술할 수 있다.