KR100644519B1 - 하이드로포밍용 튜브의 파단 방지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이드로포밍용 튜브의 극한 조건 벤딩 시 맨드렐의 형상 변경을 통해 벤딩되는 외권부의 파단 발생을 최소화할 수 있는 하이드로포밍용 튜브의 파단 방지 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 튜브를 하이드로포밍 또는 벤딩하는 공정에 있어서, 벤딩부의 내권부와 대응하는 구간의 단면은 원 형상이며, 외권부와 대응하는 소정 구간의 단면은 편평한 형상을 가지는 적어도 하나의 맨드렐을 상기 튜브의 상기 벤딩부에 삽입하고, 상기 튜브의 일단부를 고정한 뒤, 회전하면서 벤딩하는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의하여, 튜브 형상의 자유도를 높이고, 하이드로포밍 공정을 통해 원형 형상으로의 복구가 수월하므로 경제적일 뿐만 아니라 소재의 불량률을 개선할 수 있다.

하이드로포밍, 밴딩, 맨드렐

Description

하이드로포밍용 튜브의 파단 방지 방법 {Method for preventing rupture of hydroforming tube}

도 1은 본 발명에 따른 벤딩부를 갖는 다운파이프 부품을 여러 각도에서 관찰한 사진.

도 2는 도 1의 벤딩 Profile을 상세하게 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 벤딩을 위한 공구들의 개략적인 다이어그램.

도 4는 본 발명에 따른 유한요소 해석모델을 이용한 볼 타입 맨드렐 형상 모델링을 나타내는 도면.

도 5는 맨드렐의 폭 및 갭을 나타내는 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 벤딩 외권부와 접하는 맨드렐의 형상 단면도.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 벤딩 외권부와 접하는 맨드렐 단면 형상 변화 시 튜브의 두께감소율을 나타내는 도면.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

110 : 벤딩부 350, 400, 500, 600, 700 : 맨드렐

310, 420 : 내부 튜브 130, 320, 410 : 외부 튜브

본 발명은 하이드로포밍용 튜브의 파단 방지 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하이드로포밍용 튜브의 극한 조건 벤딩 시 맨드렐의 형상 변경을 통해 벤딩되는 외권부의 파단 발생을 최소화할 수 있는 하이드로포밍용 튜브의 파단 방지 방법에 관한 것이다.

최근, 자동차 배기 계통에 사용되는 부품인 배기 매니폴드 및 다운파이프의 제조에 있어서, 부품의 벤딩 조건이 설계에 가장 중요한 것으로 지목되고 있다. 이러한 이유는 차체 내의 제한된 공간에서 부품이 위치해야 하기 때문에 형상 자유도가 크지 않기 때문이다. 따라서, 부품 형상은 튜브 직경 대비 벤딩 반경이 작은 1D 벤딩 조건에 직면하는 경우가 많다.

튜브의 벤딩 기술은 일정한 벤딩 반경으로 튜브를 굽히는 성형으로써, 튜브의 벤딩 부위에서 외권부는 인장변형되고, 내권부는 압축변형된다. 자동차 배기 계통의 부품은 스테인레스 튜브를 사용하는 경우가 대부분인데, 이러한 튜브는 고유의 소재 물성을 가지고 있어 그 한계범위를 넘어서게 되면 튜브에 변형이 발생하게 된다. 따라서, 튜브의 벤딩 부위에는 튜브의 두께가 얇아져 파단이 발생하거나 주름지게 굴곡되는 현상이 발생한다.

이런 현상은 튜브의 두께가 두껍거나 벤딩되는 반경이 큰 경우에 미세한 형상 변경이기 때문에 제품의 큰 결함으로 작용하지 않는다. 그러나, 튜브 벤딩시 발생하는 상기 현상은 튜브의 두께에 비해 벤딩 반경이 작은 1D 벤딩 조건에는 튜브의 품질을 악화시키는 요인으로 작용하는 문제점이 있다.

일반적으로, 극한 상황의 1D 벤딩에 있어서는 튜브의 두께 감소를 지연시키기 위해 벤딩기 끝단에서 튜브를 강제적으로 밀어주어 튜브의 두께 감소를 지연시키는 부스팅(Boosting) 기능이 있는 벤딩기를 사용하고 있다. 그러나, 박판인 튜브에 있어 부스팅이 지나치면 주름 발생이 일어나기 쉽기 때문에 단순히 부스팅량을 증가시키는 데는 한계가 있다. 결국 튜브 외권부의 두께 감소로 인한 파단의 발생을 방지하기 위해 부스팅 기능만으로는 한계가 있다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 전술한 종래의 문제점들을 해결하기 위해 고안된 발명으로, 본 발명의 목적은 하이드로포밍용 튜브의 극한 조건 벤딩 시 맨드렐의 형상 변경을 통해 벤딩되는 외권부의 파단 발생을 최소화할 수 있는 하이드로포밍용 튜브의 파단 방지 방법을 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 튜브를 하이드로포밍 또는 벤딩하는 공정에 있어서, 벤딩부의 내권부와 대응하는 구간의 단면은 원 형상이며, 외권부와 대응하는 소정 구간의 단면은 편평한 형상을 가지는 적어도 하나의 맨드렐을 상기 튜브의 상기 벤딩부에 삽입하고, 상기 튜브의 일단부를 고정한 뒤, 회전하면서 벤딩한다.

상기 맨드렐은 상기 벤딩부의 외권부와 대응하는 편평한 구간의 1/2은 각각 상기 맨드렐의 중심으로부터 45˚ 이내의 원주 범위인 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도시한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 하이드로포밍용 튜브의 파단 방지 방법을 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 벤딩부를 갖는 다운파이프 부품을 여러 각도에서 관찰한 사진이며, 도 2는 도 1의 벤딩 Profile을 상세하게 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 튜브는 자동차 배기 계통에 사용되는 부품인 다운파이프를 나타낸 것으로써, 차체 내의 제한된 공간에서 부품이 위치해야 하기 때문에 형상 자유도가 크지 않다. 따라서, 부품 형상은 튜브 직경 대비 벤딩 반경이 작은 1D 벤딩 조건으로 여러 개의 벤딩부(110)가 형성되어 있다.

다운파이프는 하이드로포밍 성형 방법에 의해 이중관으로 형성되는데, 하이드로포밍 성형 방법이란, 튜브(tube)의 내부 또는 판재(sheet)의 한쪽 면에 유체를 이용한 높은 압력을 가하여 원하는 형상으로 성형하는 것으로, 치수 정밀도 향상 및 스프링백의 감소를 가져올 수 있다.

본 발명에 따른 다운파이프와 같은 하이드로포밍 이중관을 제조하는 방법을 설명하면, 직경이 서로 다른 2개의 튜브를 준비한다. 상기 2개의 튜브 중 직경이 작은 1개는 내부 튜브(120)로 성형되고, 직경이 큰 나머지 1개는 외부 튜브(130)로 성형될 수 있다. 따라서, 직경이 큰 외부 튜브(130)의 내측으로 직경이 작은 내부 튜브(120)를 동심원상으로 삽입한다.

이후, 동심원상으로 적층 조합되어 있는 내부 튜브(120) 및 외부 튜브(130)를 하이드로포밍을 위한 금형의 성형공간 내에 배치하고, 금형 내에 배치되어 있는 내외부 튜브(120, 130)에 대한 성형, 즉 하이드로포밍을 유압의 가압력을 이용하여 소정의 형상을 갖는 이중관 다운파이프를 제조한다.

도 3은 본 발명에 따른 벤딩을 위한 공구들의 개략적인 다이어그램이다.

도 3에서 보는 바와 같이, 벤딩을 위한 공구(Tool)에는 크게 벤딩 다이(Bending die;380), 프레셔 다이(Pressure die;330), 클램프 다이(Clamp die;340), 와이퍼 다이(Wiper die;370), 맨드렐(Mandrel;350) 및 맨드렐 지지부(Mandrel shank;360) 등으로 구분한다. 이 공구들은 튜브의 직경이나 벤딩 반경 등이 변하게 되면 새로이 제작되어야 하는 것으로써, 항상 최적의 벤딩이 이루어질 수 있도록 새로운 설계가 필요하다. 그 중에서도 맨드렐(350)은 가변성이 가장 큰 공구로써, 제작사 또는 벤딩 업체별로 다양하게 제작하여 사용하고 있다.

본 발명에 따른 튜브는 하이드로포밍 성형 방법에 의해 내부 튜브(310)와 외부 튜브(320)를 가지는 이중관으로 제작된다. 상기 내부 튜브(310)와 상기 외부 튜브(320)를 벤딩하는 방법은 클램프 다이(340)와 프레셔 다이(330)가 튜브의 일단부를 고정하고, 벤딩 다이(380)가 상기 프레셔 다이(330)에 대해 회전하면서 튜브를 벤딩한다. 그리고, 맨드렐(350)은 튜브의 내부에 삽입된 상태에서 곡률반경을 따라 튜브가 벤딩되는 경우에 튜브의 벤딩 부위가 연신되는 것을 억제하고, 와이퍼 다이(370)는 튜브의 벤딩부 내권부에 주름 발생을 완화시키는 역할을 한다. 이런 방식에 의해 벤딩을 하는 것은 시간이 다소 오래 걸리지만, 튜브의 벤딩 부위가 매끈하면서 라운드되게 벤딩된다.

본 발명에서는 부스팅(Boosting)이 5ton까지 가능한 통상의 CNC 벤딩기를 이용하여 벤딩한다고 가정하였으며, 튜브는 배기 계통의 다운파이프용 부품으로 스테인레스 409L(소재두께 : 1.0㎜, 튜브직경 : 54㎜)을 대상으로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 유한요소 해석모델을 이용한 볼 타입 맨드렐 형상 모델링을 나타내는 도면이다.

도 4에서 보는 바와 같이, 외부 튜브(410)와 내부 튜브(420)로 이루어진 이중관 내부에 맨드렐(400)이 삽입되어 있다. 본 발명에 따른 튜브의 맨드렐(400) 형상에 따른 벤딩 특성 평가를 위해 수치해석 방법을 사용하였으며, 튜브는 ERW(Electric Resistance Welding;전기저항용접) 용접 방법을 사용하여 제작된다. 내부 튜브(420) 및 외부 튜브(410)의 소재는 스테인레스 409L을 사용하며, 내부 튜브(420)의 두께는 1.0t, 반경은 51.8㎜이고, 외부 튜브(410)의 두께는 1.0t, 반경은 54㎜이다. 그리고, 맨드렐(400)의 반경은 적어도 내부 튜브(420)보다 작게 형성되며, 각각의 맨드렐(400)의 폭(Width)은 3㎜, 18㎜로 형성된다. 또한, 내부 튜브(420)와 맨드렐(400) 사이의 갭(Gap)은 0.15㎜를 유지하며, 외부 튜브(410)와 내부 튜브(420) 사이의 갭은 0.1㎜를 유지한다.

도 5는 맨드렐의 폭 및 갭을 나타내는 단면도이다.

도 5를 참고하여, 본 발명의 수치해석 방법을 이용한 벤딩 특성을 기초로 본 발명에 대해 기술한다. 하기 표 1은 맨드렐(500)의 폭(A) 및 맨드렐(500)간의 갭(B)을 변화시키면서 벤딩에 따른 튜브의 두께감소율을 나타내었다.

비교예	갭(㎜)	폭(㎜)	두께감소율(%)
1(2ball)	3	18	25.88
2(2ball)	3	15	25.21
3(2ball)	3	12	23.51
4(2ball)	2	18	25.06
5(2ball)	1	18	24.31
6(1.5ball)	3	18	24.05
7(1ball)	3	18	주름발생

상기 표 1의 비교예 1과 비교예 5를 보면, 맨드렐(500)의 폭(A)을 각각 18㎜로 동일하게 하고, 맨드렐(500)간의 갭(B)을 각각 3㎜과 1㎜로 하여 실험하였을 때, 두께감소율은 각각 25.88%와 24.31%로 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있다. 그리고, 비교예 1과 비교예 2를 보면, 맨드렐(500)간의 갭(B)을 각각 3㎜으로 동일하게 하고, 맨드렐(500)의 폭(A)을 각각 18㎜와 15㎜로 하여 실험하였을 때, 두께감소율은 각각 25.88%와 25.21%로 별다른 차이를 보이지 않는다.

따라서, 맨드렐 지지부(510)를 포함하는 맨드렐(500)의 폭(A) 및 맨드렐(500)간의 갭(B)과 같은 변수들은 튜브의 두께감소율 변화에 큰 영향을 미치지 못함을 알 수 있다.

본 발명에 따른 1D 벤딩 조건과 같은 극한 벤딩 조건에서 가장 중요한 문제는 파단을 억제하는 것이고, 추가적으로 주름의 발생을 최소화하는 것이다. 본 발명에서는 스테인레스 튜브를 이용하여 자동차 배기 계통의 다운파이프용 부품을 벤딩함에 있어 맨드렐 형상 변화를 통해 두께감소율의 개선을 이루고자 한다.

도 6은 본 발명에 따른 벤딩 외권부와 접하는 맨드렐(600)의 형상 단면도이다.

도 6을 참고하여 튜브를 하이드로포밍 또는 벤딩하는 공정에서 벤딩부에 삽입되는 맨드렐(600)의 형상을 설명하면, 벤딩부의 내권부와 대응하는 구간의 단면은 원 형상이며, 외권부와 대응하는 소정 구간의 단면은 편평한 형상을 가진다.

상기 맨드렐(600)은 상기 벤딩부의 외권부와 대응하는 편평한 구간의 1/2은 각각 상기 맨드렐의 중심으로부터 45˚ 이내의 원주 범위로 형성된다. 즉, 각 θ(T1과 N이 이루는 각, 혹은 T2와 N이 이루는 각)가 45˚를 넘지 않는 범위 내로 형성된 맨드렐(600)이 튜브 외관부의 두께감소율에 효과가 있다. 각 θ가 45˚를 넘게 되면, 오히려 튜브 외관부의 두께감소율이 증가되어 파단이 발생하게 된다.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 벤딩 외권부와 접하는 맨드렐 단면 형상 변화 시 튜브의 두께감소율을 나타내는 도면이다.

도 7a를 참고하면, 벤딩 시 튜브 외권부에 대응하는 맨드렐(700)에 소정 구간만큼 컷팅(cutting)하여 편평하게 형상을 변화시킨 뒤, 튜브 외권부의 두께감소율 변화를 측정하였다. 전술한 표 1에 나타난 비교예 1에서 보는 바와 같이, 원 형상의 기존 맨드렐을 사용 시 두께감소율이 25.88%인 반면, 도 7b 및 도 7c와 같이, 편평하게 형상 변화를 준 본 발명에 따른 맨드렐(700)을 사용 시 두께감소율이 21.90%로 형상 변화를 주기 이전과 대비하여 15% 이상 두께감소율이 줄어들었음을 알 수 있다.

이와 같이, 맨드렐(700)의 형상을 변화시키고 벤딩을 하게 되면, 기존 원형 단면의 맨드렐(700)을 사용하여 벤딩을 하였을 때보다 튜브 벤딩 부위의 단면 형상이 원형 형상에서 다소 벗어날 수 있다. 하지만, 그 정도가 그리 크지 않고, 특히 벤딩 후 하이드로포밍 공정을 거쳐 최종 형상을 확보하는 제품에 있어서는 벤딩되는 튜브의 단면이 완벽하게 원형을 유지해야 할 필요성이 없기 때문에 두께감소율의 저감 효과만큼 불량률 감소에 효과가 있다.

따라서, 본 발명에 따른 벤딩부의 내권부와 대응하는 구간의 단면은 원 형상이며, 외권부와 대응하는 소정 구간의 단면은 편평한 형상을 가지는 맨드렐을 튜브의 벤딩부에 삽입하여 벤딩함으로써, 튜브의 두께감소율을 저감하여 튜브 외권부에서 발생하는 파단을 방지할 수 있다.

전술한 실시예에서는 자동차 배기 계통의 부품인 다운파이프용 튜브에 대해 설명하였지만, 그 외의 용도로 쓰이는 튜브에도 적용 가능하다. 또한, 본 발명에서는 CNC 벤딩기를 이용하여 벤딩하였지만, 그 외의 벤딩기를 이용하여 벤딩할 수 있음은 물론이다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 하이드로포밍용 튜브에 있어서 1D 조건과 같이 극한 조건 벤딩 시 맨드렐의 형상 변경을 통해 튜브의 두께 감소를 저감하여 벤딩되는 외권부의 파단 발생을 최소화함으로써, 튜브 형상의 자유도를 높이고, 하이드로포밍 공정을 통해 원형 형상으로의 복구가 수월하므로 경제적일 뿐만 아니라 소재의 불량률을 개선할 수 있다.

Claims (2)

1. 튜브를 하이드로포밍 또는 벤딩하는 공정에 있어서,

   벤딩부의 내권부와 대응하는 구간의 단면은 원 형상이며, 외권부와 대응하는 소정 구간의 단면은 편평한 형상을 가지는 적어도 하나의 맨드렐을 상기 튜브의 상기 벤딩부에 삽입하고,

   상기 튜브의 일단부를 고정한 뒤, 회전하면서 벤딩하는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍용 튜브의 파단 방지 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 맨드렐은 상기 벤딩부의 외권부와 대응하는 편평한 구간의 1/2은 각각 상기 맨드렐의 중심으로부터 45˚ 이내의 원주 범위인 것을 특징으로 하는 하이드로포밍용 튜브의 파단 방지 방법.

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