KR100481127B1 - 강관의 하이드로포밍 성형성 평가시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강관(tube)의 하이드로포밍 성형성을 측정하기 위한 하이드로포밍 성형성 평가시험장치에 있어서, 강관의 용접부에서 터짐이 발생하는 것을 방지하며 금형과의 마찰을 고려한 강관의 하이드로포밍 성형성 평가시험장치가 제공된다.

본 발명에 따르면, 강관(20)의 하이드로포밍 성형성을 평가하기 위한 하이드로포밍 성형성 평가시험장치에 있어서, 강관(20)의 양단부에 연결되어 강관(20)의 내부로 유체를 공급하며 공급된 유체가 강관(20) 외부로 새지 않도록 강관(20)의 양단부를 밀봉하는 밀봉수단과, 밀봉수단과 강관의 양단부의 변형을 방지하도록 고정시키는 고정부와, 강관의 용접부와 접하도록 강관의 길이방향을 따라 위치하며 강관의 용접부를 가압하는 지지부를 포함하며, 초기 강관의 외주와 유체의 가압에 의해 팽창되어 터진 상태의 강관의 외주를 비교하여 하이드로포밍 성형성을 평가하는 하이드로포밍 성형성 평가시험장치가 제공된다.

Description

강관의 하이드로포밍 성형성 평가시험장치{Estimating testing apparatus for hydroforming of tube}

본 발명은 강관의 하이드로포밍 성형성을 측정하기 위한 평가시험장치에 관한 것이며, 특히, 강관의 용접부에서 터짐이 발생하는 것을 방지하며 강관이 팽창하면서 발생하는 금형과의 마찰을 고려한 강관의 하이드로포밍 성형성 평가시험장치에 관한 것이다.

자동차의 수요가 늘어나면서, 자동차용 부품 제작에 널리 사용되는 부품 가공법들 중에 하나가 하이드로포밍 성형법이다. 이런 하이드로포밍 성형을 위해서는 하이드로포밍(Tube Hydroforming)용 강관을 사용하여야 하는데, 이런 하이드로포밍용 강관의 하이드로포밍 성형성을 평가하여야 한다.

자동차의 차체 경량화에 대한 사회적인 요구로 인하여 자동차 생산에 있어서 부품의 무게를 줄이면서 요구강도를 유지할 수 있는 새로운 부품 가공방법들의 개발이 대두되고 있다. 이러한 신 가공법 중에서 강관 하이드로포밍(Tube Hydroforming) 기술은 생산비용의 절감, 강도의 향상 및, 부품의 경량화 등의 여러 가지 장점을 가지고 있어 자동차 사들의 관심이 매우 증가하고 있다.

도 1은 일반적으로 강관을 하이드로포밍 성형가공하는 과정을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 강관의 하이드로포밍 성형시에 발생하는 터짐(a)과 좌굴(b)을 나타낸 사진이고, 도 3은 종래 기술에 따른 강관 하이드로포밍 성형성 평가시험장치를 나타낸 개략도이고, 도 4는 도 3에 도시된 강관 하이드로포밍 성형성 평가시험장치로 하이드로포밍 성형성을 측정한 결과 비소둔처리된 강관과 소둔처리된 강관의 터짐을 나타낸 사진이고, 도 5는 도 1에 도시된 실제 강관을 하이드로포밍 성형가공에 따른 강관의 파단 부위와 변형률 분포를 나타낸 사진이며, 도 6은 도 3에 도시된 강관 하이드로포밍 성형성 평가시험에 의한 성형 시험결과를 나타낸 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 강관 하이드로포밍 성형장치(10)는 하이드로포밍 형성하고자 하는 강관(20)의 외경과 접하도록 반원형상의 장공 슬롯(15)이 형성되며 장공 슬롯(15)의 중간부에는 시험되는 강관(20)이 부풀어질 수 있도록 공간을 형상하는 홈(18)이 형성된 상하 금형(11, 13)과, 강관(20)의 양단부를 밀봉하며 중심부에 중공(35)이 형성된 펀치(30)를 포함하며, 펀치(30)의 중공(35)을 통해 유체를 강관(20)의 내부로 넣는다.

아래에서는 이런 강관 하이드로포밍 성형장치(10)를 이용하여 성형하는 과정에 대하여 상세히 설명하겠다.

강관(20)은 하 금형(13)의 슬롯(15)에 위치시킨다. 그리고, 상 금형(11)을 하 금형(13)으로 이동시켜 상호 접하도록 하여 강관(20)을 감싼다. 그리고, 이런 상하 금형(11, 13)의 슬롯(15) 양단부로 펀치(30)를 삽입시켜 강관(20)의 양단부에 접하도록 하여 강관(20)을 밀봉한다. 그런 후에 펀치(30)의 중공(35)을 통해 강관(20)의 내부로 유체를 넣는다. 그러면, 유체의 압력에 의해 강관(20)은 외부방향으로 팽창하게 되지만, 금형(11, 13)에 의해 그 팽창은 제한되며, 단지, 상하 금형(11, 13)의 슬롯(15) 중간부에 형성된 홈(18)에서만 팽창이 가능하므로, 홈(18)이 형성하는 공간에 위치한 강관(20)의 일부분만 팽창하게 된다. 이와 같이 강관(20)의 중간부를 부풀어 팽창시키는 가공방법을 하이드로포밍 성형법이라 한다.

이런 하이드로포밍 성형법에서 강관(20)의 양단은 펀치(30)에 의해서 밀봉이 되어 고압이 잘 가해지도록 되어 있으며, 내부에 가하여지는 압력의 변화에 따라 펀치(30)를 이용하여 강관(20)의 길이 방향으로 가압한다. 이 때, 내부 압력과 펀치(30)의 가압력은 적절한 관계를 유지하여야 하며, 이들 상관 관계가 적절하지 않을 경우 성형 중에 도 2에 도시된 바와 같이, 강관(20)의 터짐(도 2의 (a))이나, 강관(20)의 좌굴(도 2의 (b))이 발생한다. 이런 터짐이나 좌굴이 발생하게 되면, 강관은 폐기처분된다.

앞에서 설명한 바와 같이, 강관 하이드로포밍 성형법에서는 소재가 판재가 아닌 튜브형태의 강관으로 조관하여 사용하기 때문에 일반적으로 판재를 용접하여 강관으로 제작하는 과정에서 강관에는 용접부위가 형성되며, 조관 과정 중에 판재가 소성변형되어 가공경화됨에 따라 판재의 원래 강성과 다른 강성을 가진 강관이 제작된다.

따라서, 판재의 성형성을 평가하는 방법으로 강관의 성형성을 평가하기 어려우며, 또한, 하이드로포밍 성형가공을 하는 강관의 하이드로포밍 성형성을 평가하기 위해서는 하이드로포밍 성형가공과 비슷한 방법으로 강관의 하이드로포밍 성형성을 평가하여야 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 자유 벌징(bulging)시험이 있다. 자유 벌징시험은 자유 벌징시험을 하고자 하는 강관(20)의 양단을 밀봉수단(40)으로 밀봉한 후에 강관(20)의 터짐이 발생할 때까지 강관 내부압력을 증가시키는 시험방법이며, 강관(20)에 터짐이 발생한 후에는 원주의 길이와 초기의 원주의 길이를 비교하여 강관(20)의 하이드로포밍 성형성을 측정한다.

한편, 일반적인 하이드로포밍용 강관은 조관 후에 소둔(Annealing)을 하지 않지만, 보다 높은 성형성이 요구될 경우에는 조관 후 소둔처리를 수행한다. 이런 소둔처리를 통해 조관에 발생한 가공경화 즉, 잔류응력을 풀어주어 연성을 증가시킴으로써, 성형성을 높일 수 있다.

한편, 하기 표 1에 도시된 바와 같이, 이런 소둔처리된 강관과 소둔처리하지 않은 강관을 벌징시험 결과 조관 후 소둔처리된 튜브의 경우에는 소둔처리하지 않은 강관의 인장특성보다 우수하였다. 그러나, 이런 우수한 인장특성을 가진 소둔처리된 강관임에도 불구하고 다른 소재에 대해 벌징시험 결과치가 만족스럽지 못하게 나타났다. 이것은 튜브를 아닐링 처리할 경우에 용접부의 물성치가 강관의 것과 유사하게 되어 도 4에 도시된 바와 같이, 벌징시험 시에 상대적으로 두께가 얇은 용접부에서 파단이 발생하기 때문이다.

실제의 하이드로포밍 성형시에 용접부의 위치를 가공이 가장 작게 되는 상하 금형에 접하도록 위치시킨 상태에서 하이드로포밍 성형을 하기 때문에 실제의 하이드로포밍 성형시에는 용접부를 따라 파단이 발생하지 않는다.

그리고, 강관 하이드로포밍 성형에서 강관은 금형 내부에서 확관되어 금형과 접촉이 일어나고 그 이후 금형 면을 따라서 미끄러지기 때문에 금형과 강관 사이의 마찰특성도 매우 중요하다.

따라서, 하이드로포밍용 강관에 대하여 하이드로포밍 성형성을 평가하기 위하여서는 금형과의 접촉시 발생하는 마찰특성에 대하여서도 함께 고려하여야 한다. 그러나, 앞에서 설명한 벌징시험의 경우에는 금형과의 접촉에 의한 마찰특성을 고려할 수 없다.

도 5에 도시된 바와 같이, 실제 하이드로포밍 성형에서 파단은 주로 평면변형 조건에서 발생한다. 그리고, 성형 해석을 수행하여 부품을 설계하기 위해서는 성형 한계선도의 측정이 필수적이다.

강관에 대하여 성형 한계선도를 작성하기 위해서는 평면 변형조건에서의 파단을 모사할 수 있는 시험법의 사용이 필수적이다. 그러나, 종래 기술에 따른 강관 하이드로포밍 성형성 평가시험에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 파단 부위가 평면 변형 파단조건이 아닌 드로잉 변형모드에서 일어난다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 강관의 하이드로포밍 성형시에 용접부의 변형을 작게하여 용접부의 파단을 방지하는 효과와 금형과의 마찰에 의한 효과를 고려한 상태로 실제 하이드로포밍 성형시에 적합한 하이드로포밍 성형성을 평가할 수 있는 강관의 하이드로포밍 성형성 평가시험장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 강관의 하이드로포밍 성형성을 평가하기 위한 하이드로포밍 성형성 평가시험장치에 있어서, 상기 강관의 양단부에 연결되어 상기 강관의 내부로 유체를 공급하며 상기 공급된 유체가 상기 강관 외부로 새지 않도록 상기 강관의 양단부를 밀봉하는 밀봉수단과, 상기 밀봉수단과 상기 강관의 양단부의 변형을 방지하도록 고정시키는 고정부와, 상기 강관의 용접부와 접하도록 상기 강관의 길이방향을 따라 위치하며 상기 강관의 용접부를 가압하는 지지부를 포함하며, 상기 초기 강관의 외주와 상기 유체의 가압에 의해 팽창되어 터진 상태의 강관의 외주를 비교하여 하이드로포밍 성형성을 평가하는 하이드로포밍 성형성 평가시험장치가 제공된다.

아래에서, 본 발명에 따른 강관의 하이드로포밍 성형성 평가시험장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 강관 하이드로포밍 성형성 평가시험장치를 나타낸 개략도이고, 도 8은 도 7에 도시된 A-A'의 단면도이고, 도 9는 도 7에 도시된 강관 하이드로포밍 성형성 평가시험한 결과 터짐현상과 터짐 부위의 변형분포를 나타낸 강관의 사진이며, 도 10은 도 7에 도시된 강관 하이드로포밍 성형성 평가 시험한 결과 강관에 대해 측정한 성형 한계선도와 이를 이용한 하이드로포밍 소재에 대한 파단 불량을 해석한 그래프이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 하이드로포밍 성형성을 평가하고자 하는 강관(20)의 양단부를 밀봉하는 2개의 밀봉수단(140)과, 강관(20)의 양단부에 삽입되어 강관(20)의 내부를 밀봉하는 밀봉수단(140)과 강관(20)의 양단부를 상하에서 감싸는 상하 고정부(110, 111)와, 강관(20)의 길이방향을 따라 좌우에 위치한 두 개의 상 고정부(110) 사이에 고정되는 상부 평판지지부(120) 및, 두 개의 하 고정부(111) 사이에 고정되는 하부 평판지지부(121)를 포함하며, 상기 2개의 밀봉수단(140) 중에서 한 개는 중공(145)이 형성되어 중공(145)을 통해 유체를 강관(20)의 내부로 들여보낸다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 상하부 평판지지부(120, 121)는 강관(20)의 길이방향을 따라 강관(20)의 상하면에 접하며, 상하부 평판지지부(120, 121)와 접하는 강관(20)의 부위는 용접부가 된다.

여기에서, 밀봉수단(140)은 하이드로포밍 성형성 평가를 위한 강관(20)의 양단에 장착되어 시험 중에 강관(20)의 내부에 가하여 지는 고압의 압력매체(유체)가 새지 않게 하는 역할을 하는 부분으로서, 통상의 유압용 부품의 밀봉에 사용되는 오링을 사용한 밀봉법이나 고무를 사용한 밀봉법과 같이 통상적으로 사용되는 유체 밀봉법이다.

그리고, 상하 고정부(110, 111)는 상하로 분리되는 금형으로서, 시험 중인 강관(20)을 고정시켜주고 시험 중에 강관(20) 내부에 가하여지는 압력에 의하여 강관(20)이 확관되어, 밀봉수단(140)과 강관(20)의 양단 사이의 틈으로 유체가 새는 것을 방지하도록 밀봉수단(140)과 강관(20)의 단부를 가압하는 역할을 한다. 이런 상하 고정부(110, 111)는 프레스나 기계식 잠금장치 등을 이용하여 강관(20)의 양단에서 유체가 새지 않도록 가압한다.

또한, 평판지지부(120, 121)는 도 1에 도시된 바와 같은 일반적으로 하이드로포밍 성형가공에서 상하 금형(11, 13)과 같이 강관(20)과 접하는 역할을 수행한다. 이 때, 평판지지부(120, 121)에 강관(20)의 용접부가 접하도록 강관(20)을 위치시킴으로써, 실질적인 하이드로포밍 성형가공에서 강관(20)의 용접부가 상하 금형(11, 13)과 접하여 유사한 마찰 조건이 주어지며, 또한, 용접부가 평판지지부(120, 121)와 접해 있기 때문에 접한 부위에서의 팽창 즉, 연신은 덜 일어나게 됨으로써, 소둔처리한 강관의 하이드로포밍 성형성 평가를 하더라도 강관의 용접부에서 터짐이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 성형성을 평가하고자 하는 강관(20)의 용접부에서 발생하는 터짐에 의해 시험이 중단되는 것을 막을 수 있으므로 그 강관(20)의 물적특성 즉, 하이드로포밍 성형성을 정확하게 측정할 수 있다.

한편, 평판지지부(120, 121)에는 시험 중에 강관(20)의 팽창으로 평판지지부(120, 121)가 상하부 방향 즉, 상호 멀어지는 방향으로 이동하는 것을 방지하기 위해 프레스를 장착하여 시험 중에 강관(20)의 팽창에 의해 상호 멀어지는 것을 방지한다.

이상과 같이 구성된 강관의 하이드로포밍 성형성 평가시험장치의 작동관계에 대하여 상세히 설명하겠다.

강관(20)의 하이드로포밍 성형성을 측정하기 위해서는 먼저, 강관(20)을 일정 길이로 절단하여 절단면에서의 버어(burr)를 완전히 제거하고, 강관(20) 내부의 이물질들을 깨끗이 제거한다. 강관(20)을 하 고정부(111)에 장착한다. 이 때 강관(20)의 용접부를 상하부 평판지지부(120, 121)의 어느 한 쪽을 향하도록 장착한다. 이렇게 강관(20)의 용접부를 상하부 평판지지부(120, 121)의 어느 한쪽을 향하도록 장착한 이유는 용접부가 상하부 평판지지부(120, 121) 중에서 어느 한 평판지지부와 접하게 되면 접촉저항에 의해서 용접부가 변형되도록 하기 위해서이다. 이렇게 함으로서, 소둔처리 등으로 변화된 용접부의 재질 영향을 배제하여 강관(20)의 모재 물성치 중에서 하이드로포밍 성형성을 정확하게 평가할 수 있다.

두 개의 밀봉수단(140)은 강관(20)의 양단에 체결하여 강관(20)의 내부를 밀봉한다. 다음으로 상 고정부(110)를 하 고정부(111) 쪽으로 하강하여 강관(20)의 양단과 밀봉수단(140)을 단단히 고정시킨다. 이 때, 강관(20)과 접촉하는 상부 평판지지부(120) 역시 상 고정부(110)와 함께 이동한다. 다음으로, 시험에 사용될 압력작용 매체인 기계가공유를 중공(145)이 형성된 밀봉수단(140)을 통해 강관(20)의 내부로 주입한다. 다음으로 강관(20)의 내부 압력을 증가시켜 강관(20)에 터짐이 발생할 때까지 압력을 증가시키고 터짐이 발생하면 내부 압력 증가를 중단시킨다. 그 후에 밀봉수단(140)을 강관(20)의 양단부로부터 제거하고, 기계가공유를 제거한 후에, 상 고정부(110)와 상부 평판지지부(120)를 초기의 위치로 이동시켜 시험을 종료시킨다. 시험 종료후 터짐이 발생한 강관(20)의 최대 확관부의 원주길이를 측정하고 이를 초기 강관(20)의 원주 길이와 비교하여 확관비를 계산하고 이를 강관(20)의 하이드로포밍 성형성으로 나타낸다.

[실시예]

직경이 50.8mm이고, 두께가 3.2mm인 강관을 300mm길이로 절단하여 절단면의 버어를 제거하고, 강관 내부에 이물질들을 제거하여 시편을 준비한 다음 본 발명의 강관의 하이드로포밍 성형성 평가시험장치를 이용하여 강관의 하이드로포밍 성형성을 측정하였다.

강관의 내부에 가해지는 초기 시험압력은 200Bar이고, 최종 시험압력은 1000bar로 설정하고, 압력을 시간에 대하여서 선형적으로 변하게 하여 강관의 하이드로포밍 성형성을 측정하였다.

이와 같은 포밍조건으로 같은 재질의 강관 3개를 반복시험한 결과, 강관의 최대 확관된 원주길이는 203.9 mm이고 그에 다른 확관비는 127.8%로 나타났다. 이때 반복 오차는 ±0.005mm이었다.

한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 시험한 결과의 강판 파단 부위는 도 6에서의 자유 벌징시험의 결과와는 달리 평면 변형파단 조건인 것을 알 수 있다. 이것은 강관의 성형 한계선도를 측정하는데 필수적인 것이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 강관의 하이드로포밍 성형성 평가시험장치를 통해 구한 성형 한계선도(FLD; Forming Limit Diagram)와 이를 적용하여 하이드로포밍 성형 제품의 가공 불량을 분석한 예를 나타낸 것이다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 강관의 하이드로포밍 성형성 평가시험장치는 하이드로포밍 성형용 강관에 대하여 평판형 시험법을 이용하여 실제 하이드로포밍 성형가공과 유사한 변형조건에서 강관의 하이드로포밍 성형성을 정확하고 효율적으로 측정할 수 있어 강관의 하이드로포밍 성형성을 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 강관의 하이드로포밍 성형성 평가시험장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 일반적으로 강관을 하이드로포밍 성형가공하는 과정을 나타낸 흐름도이고,

도 2는 강관의 하이드로포밍 성형시에 발생하는 터짐(a)과 좌굴(b)을 나타낸 사진이고,

도 3은 종래 기술에 따른 강관 하이드로포밍 성형성 평가시험장치를 나타낸 개략도이고,

도 4는 도 3에 도시된 강관 하이드로포밍 성형성 평가시험장치로 하이드로포밍 성형성을 측정한 결과 비소둔처리된 강관과 소둔처리된 강관의 터짐을 나타낸 사진이고,

도 5는 도 1에 도시된 실제 강관을 하이드로포밍 성형가공에 따른 강관의 파단 부위와 변형률 분포를 나타낸 사진이고,

도 6은 도 3에 도시된 강관 하이드로포밍 성형성 평가시험에 의한 성형 시험결과를 나타낸 사진이고,

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 강관 하이드로포밍 성형성 평가시험장치를 나타낸 개략도이고,

도 8은 도 7에 도시된 A-A'의 단면도이고,

도 9는 도 7에 도시된 강관 하이드로포밍 성형성 평가시험한 결과 터짐현상과 터짐 부위의 변형분포를 나타낸 강관의 사진이며,

도 10은 도 7에 도시된 강관 하이드로포밍 성형성 평가 시험한 결과 강관에 대해 측정한 성형 한계선도와 이를 이용한 하이드로포밍 소재에 대한 파단 불량을 해석한 그래프이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

11, 13 : 금형 20 : 강관

30 : 펀치 35 : 펀치의 중공

40, 140 : 밀봉수단 110, 111 : 고정부

120, 121 : 평판지지부 145 : 밀봉수단의 중공

Claims (1)

1. 강관의 하이드로포밍 성형성을 평가하기 위한 하이드로포밍 성형성 평가시험장치에 있어서,

   상기 강관의 양단부에 연결되어 상기 강관의 내부로 유체를 공급하며 상기 공급된 유체가 상기 강관 외부로 새지 않도록 상기 강관의 양단부를 밀봉하는 밀봉수단과,

   상기 밀봉수단과 상기 강관의 양단부의 변형을 방지하도록 상하부에서 각각 고정하는 한 쌍의 상하부 고정부, 및

   상기 강관의 길이방향을 따라 위치하여 상기 강관의 용접부와 접하도록 상기 한 쌍의 상부 고정부를 평판으로 연결하고 상기 한 쌍의 하부 고정부를 평판으로 연결하여 상기 강관의 용접부를 가압하는 상하부 평판지지부를 포함하며,

   상기 초기 강관의 외주와 상기 유체의 가압에 의해 팽창되어 터진 상태의 강관의 외주를 비교하여 하이드로포밍 성형성을 평가하는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍 성형성 평가시험장치.