KR100393676B1 - 상하 분할식 튜브 하이드로포밍성 평가 장치 및 이에적합한 평가 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 부품 제작에 널리 사용되고 부품 가공 방법의 하나인 튜브 하이드로포밍용 튜브의 하이드로포밍에 관한 적합성을 저용량의 프레스 장치를 이용하여 평가할 수 있는 상하 분할식 튜브 하이드로포밍성 평가 장치에 관한 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위하여 본 발명은, 금형을 지지하여 시험중 금형이 분리되려는 힘에 대항하여 금형에 닫히는 힘을 작용하고 시험중 튜브의 길이 방향으로 피딩을 가하여 주는 메인 실린더와 서브 실린더가 장착된 프레스 본체부와; 시험 조건에 따라서 상기 프레스 본체부의 메인 실린더와 서브 실린더의 작동 거리를 조절하고, 요구되는 압력 사이클을 유지하기 위하여 고압 발생 장치를 제어하여 시험 압력을 조절하고 프레스의 작동 상태를 모니터링하는 제어부와; 상기 프레스의 작동과 고압 발생부의 작동을 위하여 유압을 공급하여 주는 유압 유니트 및; 상기한 유압 유니트로부터 공급되는 저압의 압력을 시험에 필요한 고압의 압력으로 변환시켜주는 고압 발생부로 구성함을 특징으로 한다.

Description

상하 분할식 튜브 하이드로포밍성 평가 장치 및 이에 적합한 평가 방법{Tube hydroformability tester and test method}

본 발명은 자동차용 부품 제작에 널리 사용되고 부품 가공 방법에 사용되는 튜브 하이드로포밍(Tube Hydroforming)용 튜브의 하이드로포밍에 관한 적합성을 평가할 수 있는 상하 분할식 튜브 하이드로포밍성 평가 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 차체 경량화에 대한 사회적인 요구로 인하여 자동차 생산에 있어서 부품의 무게를 줄이면서 요구 강도를 유지할 수 있는 새로운 부품 가공 방법들의 사용이 대두되고 있다.

이러한 새로운 가공법 중에서 튜브 하이드로포밍(Tube Hydroforming) 기술은 생산 비용 절감, 강도 향상 그리고 부품의 경량화 등의 여러 가지 장점을 갖고 있어 자동차사들의 관심이 매우 증가하고 있다.

튜브 하이드로포밍 기술은 도 1에 도시된 바와 같이, 소정 형상을 갖는 상하금형(102, 103)의 공동부에 튜브(101)를 놓고, 상하금형(102, 103)을 닫은 다음 튜브(101)의 양단을 펀치(104)를 이용하여 밀봉하고, 내부에 유체를 이용하여 고압을 작용하여 튜브(101)를 풍선처럼 부풀려서 상하 금형(102, 103)의 내부 공동부와 동일한 형상의 제품을 만드는 성형법이다.

이 때, 튜브(101)의 양단은 펀치(104)에 의해 밀봉되어 고압이 잘 작용하도록 고안되어 있으며, 내부에 가해지는 압력의 변화에 따라 펀치(104)에 의하여 튜브(101)의 길이 방향으로 수축이 일어난다.

이 때, 압력과 수축 간에는 적절한 관계를 유지하여야 하며 이들 상관 관계가 적절하지 않을 경우, 성형중 도 2와 같은 튜브(101)의 터짐이나 도 3과 같은 좌굴 결함이 발생하여 더 이상의 성형이 이루어질 수 없게 된다.

튜브 하이드로포밍에서 재료는 판재 상태가 아니고 판재를 튜브로 조관하여 사용하기 때문에, 튜브의 하이드로포밍 성형성을 평가하는 것이 매우 중요하다. 그 이유는 판재가 튜브로 조관될 때 가공 경화를 받아서 원래의 판재와는 전혀 다른 성형 특성을 나타내기 때문이다.

그리고, 튜브 하이드로포밍은 튜브가 성형중 펀치에 의해 성형되는 것이 아니라 튜브내의 고압의 유체에 의하여 성형되기 때문에, 기존의 판재의 성형성을 평가하는 방법으로는 튜브가 갖는 하이드로포밍성을 평가할 수가 없으며 하이드로포밍 공정과 유사한 조건에서 성형성을 평가하여야 한다.

하이드로포밍에 사용되는 튜브 소재는 대부분 고강도이며 두께가 두껍기 때문에, 성형하는데 1000bar 이상의 매우 높은 압력이 요구되며, 이러한 압력은 기존의 유압 펌프를 이용하여서는 얻을 수가 없기 때문에, 적절한 압력 증폭 장치가 아울러 요구된다.

통상, 튜브 하이드로포밍에서 금형은 성형하고자 하는 제품의 형상에 대하여 도 4와 같이 금형의 분할선(402)이 튜브(401)의 길이 방향과 일치하는 좌우 분할식으로 이루어져 있다. 이 경우 튜브(401) 내부의 압력에 의하여 금형이 분리되려고 하는 힘에 저항하여 금형에 작용하여야 하는 힘(F)은 튜브(401) 내부에 작용하는 압력(P)과 분할선(402)에 대한 튜브(401)의 투영 면적(A)에 의하여 수학식 1로 나타난다.

F = PA

여기서, 통상 튜브 하이드로포밍시 성형에 필요한 압력이 매우 고압이고, 투영 면적 또한 튜브(401)의 길이가 증가할수록 증가하기 때문에, 통상의 경우 튜브 하이드로포밍에서 수천톤 용량의 초대형 프레스가 금형이 분리되려고 하는 힘에 저항하여 금형의 분리를 방지하는데 사용된다.

여기서, 도 5에 도시된 바와 같이, 금형의 분할선(502)을 튜브(501)의 길이 방향에 대하여 수직이 되게 상하 분할식으로 할 경우, 투영 면적(A)은 튜브(501)의 단면적에 의해서 결정되며 튜브(501)의 길이에 무관한 바, 금형을 지지하는데 필요한 힘(F)은 좌우 분할식에 비하여 매우 작기 때문에 통상의 소형 프레스를 이용하여서도 성형이 가능하다.

본 발명은 하이드로포밍용 튜브에 대하여 튜브가 갖고 있는 성형성을 실제 하이드로포밍 공정과 유사한 조건에서 저용량의 프레스 장치를 이용하여 평가할 수 있는 장치 개발을 목적으로 한다.

도 1은 하이드로포밍 공정의 개략도이고,

도 2는 하이드로포밍 수행중 발생한 터짐 불량상태를 도시한 도면이고,

도 3은 하이드로포밍 수행중 발생한 좌굴에 의한 불량상태를 도시한 도면이고,

도 4는 종래의 성형 제품에 대한 좌우 분할식 성형 시험 방법이고,

도 5는 본 발명의 성형 제품에 대한 상하 분할식 성형 시험 방법이고,

도 6은 본 발명의 하이드로포밍성 평가 장치의 개략도이고,

도 7은 본 발명의 하이드로포밍성 평가 장치의 상세도이고,

도 8은 본 발명의 성형 제품에 대한 상하 분할식 성형 시험 금형이며,

도 9는 본 발명에 사용된 고압 발생부의 압력 증폭 작동 원리를 도시한 도면.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

101, 401, 501 : 튜브 102, 103 : 상하 금형

104 : 펀치 402, 502 : 분할선

610 : 프레스 본체부 611 : 메인 실린더

612 : 서브 실린더 620 : 제어부

630 : 유압 유니트 631 : 유압 서보 밸브

640 : 고압 발생부 650 : 금형

상기한 목적을 실현하기 위하여 본 발명은, 시험용 튜브가 내장되는 금형을 지지하여 시험중 금형이 분리되려는 힘에 대항하여 금형에 닫히는 힘을 작용하는 메인 실린더와 서브 실린더가 장착된 프레스 본체부와; 시험 조건에 따라 상기 프레스 본체부의 메인 실린더와 서브 실린더의 작동거리를 조절하고, 요구되는 압력 사이클을 유지하기 위하여 고압발생부를 제어하여 시험압력을 조절하고 프레스의 작동상태를 모니터링하는 제어부와; 상기 프레스의 작동과 고압 발생부의 작동을 위하여 유압을 공급하여 주는 유압 유니트 및 ; 상기 유압 유니트로부터 공급되는 저압의 압력을 시험에 필요한 고압의 압력으로 변환시켜주는 고압 발생부로 구성함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 평가 방법은, 일정 길이로 절단된 튜브를 시험용 금형의 하부에 장착하고, 튜브의 길이와 두께를 제어부의 컴퓨터에 입력하여 시험 압력과 메인 실린더와 서브 실린더의 위치를 설정하는 단계와; 상기 튜브와 고압 발생부에 압력 작용용 매체인 공급용 펌프를 가동시켜서 기계 가공유를 충진시키는 단계와; 상기 제어부가 상부의 메인 실린더를 계산된 위치로 이동시켜 튜브의 상하부를 금형에 의하여 완전히 밀봉 및 고정시킨 후, 유압 유니트의 서보 밸브를 작동시켜서 고압 발생부의 유압을 공급하여 실린더를 이동시키고, 반대편에 위치한 기계 가공유에 고압을 가하는 단계와; 상기 제어부가 튜브의 내부 압력과 메인 및 서브 실린더의 변위를 지속적으로 검출하는 단계와; 상기 고압 발생부의 실린더는 위치를 제어함으로써 튜브의 확관에 의해서 변화된 압력을 보상하는 단계와; 상기 보상단계 후 튜브의 내부에 작용하는 압력에 의해 튜브의 터짐이 발생하여, 튜브 내부의 압력이 급격히 저하되면 압력을 감지하여 서보 밸브 및 고압 발생부를 정지시키는 단계 및 ; 상기 정지단계 후 메인 실린더와 서브 실린더를 초기의 위치로 이동시키고, 터짐이 발생한 튜브의 최대 확관부의 직경을 측정하고 이를 초기의 튜브의 직경과 비교하여 확관비를 계산하여 튜브의 하이드로포밍성으로 나타내는 단계로 구성함을 특징으로 한다.

도 6은 본 발명의 하이드로포밍성 평가 장치의 개략도이고, 도 7은 본 발명의 하이드로포밍성 평가 장치의 상세도이다. 그리고, 도 8은 본 발명의 성형 제품에 대한 상하 분할식 성형 시험 금형이며, 도 9는 본 발명에 사용된 고압 발생부의 압력 증폭 작동 원리를 도시한 도면이다.도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 프레스 본체부(610)는 하이드로포밍성 평가를 위한 금형(650)을 지지하며 성형 시험중 튜브 내부에 가해지는 고압에 의하여 발생하는 금형(650)을 상하로 분리시키려고 하는 힘에 대항하여 금형을 지지하여 주며, 본체부(610)의 메인 실린더(611)와 서브실린더(612)의 작동은 제어부(620)와 유압 유니트(630)의 유압 서보 밸브(631)에 의해서 정밀하게 제어된다.

현재, 프레스 본체부(610)의 용량은 100톤이나 본 발명은 상기 프레스 용량에 한정되는 것은 아니며 당 업계에서 통상 사용되는 용량이라면 어느 것이나 가능하다.

상기 제어부(620)는 프레스 본체부(610)의 작동과 유압 유니트(630)의 작동을 제어하며 고압 발생부(640)의 토출 압력을 제어한다. 제어부(620)는 유압 유니트(630)에 설치된 프레스 본체부(610)의 메인 실린더(611)와, 서브 실린더(612)의 운동을 제어하는 유압 서보 밸브(631)에 연결되어 있는 바, 주어진 시험 튜브의 길이에 따라서 메인 실린더(611)의 위치를 제어한다.

또한, 튜브의 강도에 의해서 결정된 시험 압력과 펀치 변위 사이클에 따라서, 고압 발생부(640)의 제어용 유압 서보 밸브(632)를 제어하여 시험 압력을 제어하며 서브 실린더(612)의 변위를 정밀 제어하여 서브 실린더(612) 선단에 부착된 펀치의 변위를 제어한다.

그리고, 제어부(620)는 시험 진행중 메인 실린더(611)와 서브 실린더(612)의 위치를, 변위 센서(621)와 시험용 튜브내부에 가하여지는 압력을 압력 센서(624)로 검출하여 시험 압력과 펀치의 변위사이클과 올바르게 작용하고 있는지를 확인하며, 시험중 튜브의 터짐이 발생할 경우 고압 발생부(640)의 작동을 중지시켜서 시험용 액체의 비산을 방지한다.

상기 유압 유니트(630)는 프레스 본체부(610)의 메인 실린더(611)와 서브 실린더(612) 그리고 고압 발생부(640)의 작동에 필요한 유압을 공급하여 준다. 이들 메인 실린더(611)와 서브 실린더(612) 그리고 고압 발생부(640)를 작동시키기 위한 유압 서보 밸브(631, 632)가 설치되어 있다.

상기 고압 발생부(640)는 튜브의 하이드로포밍성을 시험하기 위하여, 필요한 고압을 발생시키는 장치로서, 통상의 유압 펌프를 이용할 경우 100Bar 이상의 고압을 발생시키기가 어렵기 때문에, 도 9에 도시된 바와 같은 구조를 갖고 있으며, 파스칼(Pascal)의 원리를 이용하여 1000bar 이상의 고압을 발생시킨다.

도 9에서 입력측의 압력과 출력측의 압력의 관계는 하기의 수학식 2와 같다.

상기 수학식 2를 이용하여 입력측과 출력측의 단면적 비를 크게 하면 높은 압력 증폭비를 얻을 수 있다.

상기 하이드로포밍 시험용 상하 분할식 금형(650)은 시험중 튜브(711)를 길이방향에 대하여 상하 분할하여 고정함으로써 시험에 필요한 하중을 최소로 하는 구조로 되어 있다.

시험시 내부에 작용하는 고압의 액체가 누출되는 것을 방지하기 위하여, 밀봉할 수 있는 구조로 되어 있으며, 시험중 길이 방향으로의 튜브(711)의 수축은 상부 펀치(712)와 하부 펀치(713)에 의하여 이루어진다.

상기와 같은 본 발명의 튜브의 하이드로포밍성 평가 장치를 이용하여 튜브의 하이드로포밍성을 측정하는 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따라 튜브의 하이드로포밍성을 측정하기 위해서는, 먼저 튜브를 일정 길이로 절단하여 절단면에서의 버어(Burr)를 완전히 제거하고 튜브 내부의 이물질들을 깨끗이 제거한다.

튜브를 시험용 금형의 하부에 장착하고 튜브의 길이와 두께를 제어부(620)의 컴퓨터에 입력하여 시험 압력과 메인 실린더(611)와 서브 실린더(612)의 위치를 설정한다. 다음으로 시험에 사용될 압력 작용용 매체인 기계가공유 공급용 펌프를 가동시켜서 튜브와 고압 발생부(640)의 내부에 기계 가공유를 충진시킨다.

다음으로 실험자의 실험 개시신호에 의하여, 제어부(620)의 컴퓨터는 상부의 메인 실린더(611)를 계산된 위치로 이동시켜 튜브의 상하부가 금형에 의하여 완전히 밀봉 및 고정되게 한 후, 유압 유니트(630)의 서보 밸브(632)를 작동시켜서 고압 발생부(640)의 유압을 공급하여 실린더를 이동시키고, 반대편에 위치한 기계 가공유에 고압을 가하여 준다. 이 때, 고압 발생부의 실린더는 위치를 제어함으로써 튜브의 확관에 의하여서 변화된 압력을 보상하여 준다.

시험중에 제어부(620)는 튜브의 내부 압력과 메인 및 서브 실린더(611, 612)의 변위를 지속적으로 검출한다.

튜브의 내부에 작용하는 압력에 의하여 튜브는 점점 확관이 되고 국부적으로 튜브의 소재가 성형 한계를 넘어서게 되면, 그 부분에서 터짐이 발생한다. 터짐이 발생하면 이 부분으로 시험용 기계가공유의 누출이 발생하게 되어 내부의 압력은 급격히 저하되는 바, 제어부(620)는 이러한 급격한 압력 저하가 압력 센서(624)를 통하여 감지되면, 유압 유니트(630)의 서보 밸브(632)의 작동을 멈추게 하여 고압 발생부(640)의 작동을 중지시켜 더 이상의 고압을 작용시키지 않게 한 후, 메인 실린더(611)와 서브 실린더(612)를 초기의 위치로 이동시켜 시험을 종료시킨다.

시험 종료후, 터짐이 발생한 튜브의 최대 확관부의 직경을 측정하고 이를 초기의 튜브의 직경과 비교하여 확관비를 계산하고 이를 튜브의 하이드로포밍성으로 나타낸다.

예를 들면, 직경이 50.8mm이고 두께가 3.2mm인 튜브를 300mm길이로 절단하여 절단면의 버어를 제거하고 튜브의 절단시 발생한 이물질들을 제거하여 시편을 준비한다.

본 발명의 튜브의 하이드로포밍성 평가 장치를 이용하여 초기 성형 압력 200Bar, 최종 시험 압력 1000bar로 설정하고, 압력을 시간에 대하여서 선형적으로변하게 하여 주어진 튜브의 하이드로포밍성을 측정하였다.

이 시편에 대하여 3회 반복하여 시험한 결과, 시험 튜브의 최대 확관 직경이 68.2mm로 나타나 확관비가 138%로 나타났고, 이 때의 반복 오차는 ±0.005이내였다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 상하 분할식 시험용 금형을 이용함과 아울러 저용량의 프레스를 이용하여 튜브의 하이드로포밍성을 정확하고 효율적으로 측정할 수 있는 측정 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 시험용 튜브가 내장되는 금형을 지지하여 시험중 금형이 분리되려는 힘에 대항하여 금형에 닫히는 힘을 작용하는 메인 실린더와 서브 실린더가 장착된 프레스 본체부와;

   시험 조건에 따라 상기 프레스 본체부의 메인 실린더와 서브 실린더의 작동거리를 조절하고, 요구되는 압력 사이클을 유지하기 위하여 고압발생부를 제어하여 시험압력을 조절하고 프레스의 작동상태를 모니터링하는 제어부와;

   상기 프레스의 작동과 고압발생부의 작동을 위하여 유압을 공급하여 주는 유압유니트와;

   상기 유압유니트로부터 공급되는 저압의 압력을 시험에 필요한 고압의 압력으로 변환시켜주는 고압발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 상하 분할식 튜브 하이드로포밍성 평가 장치.
2. 일정 길이로 절단된 튜브를 시험용 금형의 하부에 장착하고, 튜브의 길이와 두께를 제어부의 컴퓨터에 입력하여 시험압력과 메인 실린더와 서브 실린더의 위치를 설정하는 단계와;

   상기 튜브와 고압 발생부에 압력 작용용 매체인 공급용 펌프를 가동시켜 기계 가공유를 충진시키는 단계와;

   상기 제어부가 상부의 메인 실린더를 계산된 위치로 이동시켜 튜브의 상하부를 금형에 의하여 완전히 밀봉 및 고정시킨 후, 유압 유니트의 서보 밸브를 작동시켜 고압 발생부의 유압을 공급하여 실린더를 이동시키고, 반대편에 위치한 기계 가공유에 고압을 가하는 단계와;

   상기 제어부가 튜브의 내부 압력과 메인 및 서브 실린더의 변위를 지속적으로 검출하는 단계와;

   상기 고압 발생부의 실린더의 위치를 제어함으로써 튜브의 확관에 의해 변화되는 압력을 보상하는 단계와;

   상기 보상단계 후 튜브의 내부에 작용하는 압력에 의해 튜브의 터짐이 발생하여, 튜브 내부의 압력이 급격히 저하되면 압력을 감지하여 서보 밸브 및 고압 발생부를 정지시키는 단계 및 ;

   상기 정지단계 후 메인 실린더와 서브 실린더를 초기의 위치로 이동시키고, 터짐이 발생한 튜브의 최대 확관부의 직경을 측정하고 이를 초기의 튜브의 직경과 비교하여 확관비를 계산하여 튜브의 하이드로포밍성으로 나타내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 분할식 시험 금형을 이용한 하이드로포밍성 평가방법.