KR101040411B1 - 카울크로스바용 일체형 파이프 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 카울크로스바(COWL CROSS BAR)에 사용되는 파이프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양측이 서로 다른 직경과 서로 다른 두께를 가지는 카울크로스바용 일체형 파이프 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 제 1 직경과 제 1 두께를 가지는 운전석측 부재와, 상기 제 1 직경보다 작은 제 2 직경과, 상기 제 1 두께보다 작은 제 2 두께를 가지는 조수석측 부재가 테이퍼 형상의 연결부로 일체로 형성된 카울크로스바용 파이프를 제조하기 위한 방법에 있어서, 제 1 직경과 제 1 두께를 가지는 모관을 제조하는 모관 제조 단계; 및 상기 모관의 일측을 상기 연결부에 대응하는 성형홈을 구비하는 외부금형에 압입하면서, 상기 조수석측 부재의 내경에 대응하는 외경을 갖는 내부금형을 삽입하여 상기 조수석측 부재의 길이에 대응하도록 인발시키는 가변 인발 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 카울크로스바용 일체형 파이프 제조방법을 제공한다.

카울크로스바, 가변인발

Description

카울크로스바용 일체형 파이프 및 그 제조방법{PIPE FOR COWL CROSS BAR AND IT'S MANUFACTUIRNG METHOD}

본 발명은 차량의 카울크로스바(COWL CROSS BAR)에 사용되는 파이프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양측이 서로 다른 직경과 서로 다른 두께를 가지는 카울크로스바용 일체형 파이프 및 그 제조방법에 관한 것이다.

도 1은 카울크로스바가 조립된 상태를 나타낸 사시도이다.

카울크로스바는 자동차의 운전석과 조수석을 가로지도록 배치되는 구조용 강재이다. 그런데, 운전석측의 요구사양과 조수석측의 요구사양이 다르다. 운전석측의 경우 조향장치를 지탱해야 하기 때문에 더 많은 강성이 요구된다.

따라서, 운전석측 요구사양을 만족하기 위한 직경과 두께와, 조수석측 요구사양을 만족하기 위한 직경과 두께에 차이가 발생한다. 조수석측 카울크로스바는 운전석측 보다 직경이 작고 두께가 얇은 관을 사용할 수 있다.

물론, 운전석측 사양을 만족하는 규격으로 조수석측까지 균일하게 형성할 수 도 있겠으나, 과도한 강재의 사용은 중량의 증가를 초래하여 연비에 악영향을 미치기 때문에, 최근의 경량화 추세에 맞추어 각각의 요구사양을 충족할 수 있는 이종직경과 이종두께를 가지는 파이프를 사용하는 것이 바람직하다.

도 2은 종래의 카울크로스바용 파이프를 나타낸 반단면도이다.

카울크로스바용 파이프는 차종에 따라 상이한 직경과 두께를 가지겠으나, 도 2는 소형 SUV 차량에 적용되는 카울크로스바용 파이프를 도시한 것이다.

카울크로스바용 파이프는 운전석측에서 요구되는 기계적 특성을 만족하는 운전석측 부재(12)와, 조수석측에서 요구되는 기계적 특성을 만족하는 조수석측 부재(14)와, 운전석측 부재와 조수석측 부재를 연결하는 연결부(13)로 구성된다.

예를 들어, 운전석측 부재(12)에서 요구되는 기계적 특성을 만족하기 위해서는 직경 54mm, 두께 2.0mm 의 파이프가 필요하고, 조수석측 부재(14)에서 요구되는 기계적 특성을 만족하기 위해서는 직경 38mm, 두께 1.8mm 의 파이프가 필요하다면,

종래에는 도시된 바와 같이 직경 54mm, 두께 2.0mm 파이프와 직경 38mm, 두께 1.8mm 파이프를 각각 제조한 후, 직경 54mm 파이프의 일측을 성형하여 직경 38mm 로 가공한 후, 가공된 부분에 직경 38mm, 두께 1.8mm의 파이프를 용접으로 연결하여 사용하고 있었다.

그런데, 금속강관을 용접하는 경우 용접열에 의한 영향으로 물성에 변화가 발생하게 되고, 두 관이 중첩되는 부분으로 인해 불필요한 중량의 증가를 가져오는 문제점이 있었다.

본 발명은 단일 관재를 이용하여 용접 없이 직경과 두께가 서로 다른 운전석측 부재와 조수석측 부재를 일체로 형성할 수 있는 카울크로스바용 파이프를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 용접이 필요없는 일체형 카울크로스바용 파이프를 제공하기 위한 것인다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 방법으로 제조된 일체형 카울크로스바용 파이프를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 제 1 직경과 제 1 두께를 가지는 운전석측 부재와, 상기 제 1 직경보다 작은 제 2 직경과, 상기 제 1 두께보다 작은 제 2 두께를 가지는 조수석측 부재가 테이퍼 형상의 연결부로 일체로 형성된 카울크로스바용 파이프를 제조하기 위한 방법에 있어서,

C: 0.136~0.140 중량%, Si: 0.015~0.017 중량%, Mn: 0.676~0.678 중량%, P: 0.011 중량% 이하, S: 0.006 중량% 이하 및 잔부의 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 재질을 사용하여 제 1 직경과 제 1 두께를 가지는 모관을 제조하는 모관 제조 단계;

상기 모관의 일측을 상기 연결부에 대응하는 성형홈을 구비하는 외부금형에 압입하면서, 상기 조수석측 부재의 내경에 대응하는 외경을 갖는 내부금형을 삽입하여 상기 조수석측 부재의 길이에 대응하도록 인발시키는 가변 인발 단계;

상기 운전석측 부재의 내측에 금형을 삽입한 후, 가압하여 홈 형상을 가공하는 홈 성형 단계; 및

레이저로 홀을 가공하는 홀 성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 카울크로스바용 일체형 파이프 제조방법을 제공한다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 카울크로스바용 파이프는 운전석측 부재와 조수석측 부재가 단일 부재로 일체형으로 이루어짐으로써, 카울크로스바용 파이프 전체의 중량을 감소시키는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명은 중간에 용접부 없이 일체형으로 형성되기 때문에 용접시 가해지는 열에 의한 열변형이 발생하지 않으며, 용접부에 발생하는 응력 집중으로 인한 내구성 문제도 발생하지 않는다. 따라서 기계적인 물성의 향상과 내구성을 향상시키는 효과를 가져온다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 카울크로스바용 일체형 파이프 및 그 제조방법의 실시예를 설명한다.

이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.

그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 카울크로스바용 일체형 파이프를 나타낸 반단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 카울크로스바용 일체형 파이프는 운적석측 부재(110)와, 조수석측 부재(130)와, 상기 운전석측 부재(110)와 조수석측 부재(130)를 연결하는 연결부(120)가 일체형으로 형성되어 있다.

상기 연결부(120)는 조수석측 부재(130) 방향으로 직경이 감소하는 테이퍼 형상을 가지고 있다.

운적석측 부재(110)는 제 1 직경(d1)과 제 1 두께(t1)로 형성되며, 조수석측 부재(130)는 제 1 직경(d1)보다 작은 제 2 직경(d2)과 제 1두께(t1)보다 작은 제 2 두께(t2)로 형성된다.

운전석측 부재(110)와, 연결부(120)와, 조수석측 부재(130)는 하나의 재질로 일체형으로 형성되며 별도의 용접이나 접착 없이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 카울크로스바용 일체형 파이프는 하나의 파이프를 성형하여 운전석측 부재(110)와, 연결부(120)와, 조수석측 부재(130)가 일체로 형성됨으로써 열변형이나 용접부에서 집중되는 응력을 감소시켜서 내구성을 향상시키는 효과를 가져온다.

또한, 용접이 필요한 경우 불가피하게 두 개의 파이프가 중첩되는 구간이 필요한 데, 본 발명은 이러한 중첩부가 존재하지 않으므로 종래에 비하여 경량화가 가능하다.

도 4는 본 발명에 따른 카울크로스바용 일체형 파이프의 제조공정을 공정순서도이고, 도 5는 본 발명에 따른 카울크로스바용 일체형 파이프 제조공정의 각각의 공정단계에서의 단면 형상을 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 카울크로스바용 일체형 파이프 제조공정은,

전체 카울크로스바의 길이에 대응하는 모관 제조 단계(S-41)와, 제조된 모관의 일부의 직경과 두께를 성형하는 가변 인발 단계(S-42)와, 홈 형상을 성형하는 홈 성형 단계(S-43)와, 레이저를 이용하여 천공하는 홀 성형 단계(S-44)를 포함한다.

이하 각각의 공정에 관하여 상세하게 살펴본다.

모관 제조 단계(S-41)는 요구되는 기계적 특성을 만족할 수 있는 소재를 선정하고, 선정된 소재를 이용하여 운전석측 요구 사양에 적합한 직경과 두께를 가지는 모관을 제조한다. 또한 길이는 운전석측 부재와 조수석측 부재를 포함한 전체의 길이에 대응하는 길이를 가지도록 형성한다. 본 발명은 성형되지 않은 모관이 운전 석측 부재가 되며, 가변 인발을 통해 성형된 부분이 조수석측 부재로 형성되는 것이므로, 모관은 카울크로스바 전체 길이에 대응하도록 형성된다.

본 발명에 따른 카울크로스바용 일체형 파이프는 상술한 바와 같이, 조수석 측 부재를 압출과 인발로 성형해야 하기 때문에, 카울크로스바에서 요구되는 기본 강성과 함께 우수한 가공성을 요구한다.

이러한 물성을 만족하기 위하여, 모관은 C: 0.136~0.140 중량%, Si: 0.015~0.017 중량%, Mn: 0.676~0.678 중량%, P: 0.011 중량% 이하, S: 0.006 중량% 이하 및 잔부의 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 각각의 성분에 관하여 상세하게 살펴본다.

탄소(C)의 함량은 0.136∼0.140 중량% 범위로 하는 것이 바람직하다.

탄소(C)의 함량이 0.136 중량% 미만인 경우에는 구조용 강으로서의 강도확보가 불충분하다. 또한, C가 0.140 중량%를 초과하는 경우에는 냉각중 상부 베이나이트, 마르텐사이트 및 퇴화 퍼얼라이트(degenerate pearlite) 등의 인성에 취약한 미세조직이 변태되어 구조용 강재의 저온충격인성 저하시키고, 또한 용접부의 경도 또는 강도를 증가시켜 인성의 열화 및 용접균열의 생성을 초래한다. 본 발명은 두개의 관을 용접으로 연결하는 것은 아니지만 모관을 제조하는 공정에서는 용접과정을 거치게 되며, 카울크로스바를 다른 부재들에 연결할 때에도 용접부가 발생하기 때문에 용접부의 물성이 고려되어야 한다.

실리콘(Si)의 함량은 0.15~0.17 중량% 범위로 하는 것이 바람직하다.

실리콘의 함량이 0.15 중량% 미만인 경우에 제강과정에서 용강의 탈산효과가 불충분하고 강재의 내부식성을 저하시키며, 0.22 중량% 를 초과하는 경우에는 압연후 냉각시 소입성 증가에 따른 도상 마르텐사이트의 변태를 촉진시켜 저온충격인성을 저하시킨다.

망간(Mn)의 함량은 0.676~0.678 중량 % 범위로 하는 것이 바람직하다.

Mn은 강중에서 탈산작용을 하고, 용접성, 열간가공성 및 강도를 향상시키고 또한, 기지조직내에 치환형 고용체를 형성하여 기지를 고용강화시켜 강도 및 인성을 확보하는데, 이를 위해서는 0.676 중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 Mn의 함유량이 0.678 중량% 를 초과하는 경우에는, 고용강화 효과보다는 망간편석에 의한 조직불균질로 용접열영향부 인성에 유해한 영향을 미친다. 또한, 강의 응고시, 편석기구에 따라 거시편석 및 미시편석이 일어나 압연시 중심부에 중심편석대의 형성을 조장하여 모재의 중심부에 저온변태 조직을 생성시키는 원인으로 작용한다. 특히, 망간은 Ti계 산화물 주위에 MnS형태로 석출하여 용접열영향부 인성개선에 유효한 침상형 및 다각형 형상의 페라이트 생성에 영향을 미치는 원소이다.

인(P) 및 황(S)의 함량은 각각 0.011% 이하, 0.006%이하로 제한하는 것이 바람직하다. P는 압연시 중심편석 및 용접시 고온균열을 조장하는 불순원소이기 때문에 가능한 한 낮게 관리하는 것이 바람직하다.

상기의 범위에 해당하는 C: 0138 중량%, Si: 0.016 중량%, Mn: 0.677 중량%, P: 0.011 중량%, S: 0.006 중량% 및 잔부의 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 재질을 사용하여, 직경 54mm 두께 2mm 의 강관을 제조하여 기계적 특성을 평가한 결과, 인장강도는 620MPa, 항복강도 570MPa, 연신율 16% 를 나타냈다.

가변 인발 단계(S-42)는 운전석측 부재의 규격에 맞도록 제작된 모관의 일부를 가변 인발을 통하여 가공하여, 조수석측 부재의 규격에 맞도록 성형하는 단계이다. 조수석측 부재는 도 2에서 살펴본 바와 같이 운전석측 부재보다 작은 직경(d2)과 두께(t2)를 가지는 것으로, 모관의 직경을 감소시킴과 동시에 두께를 감소시켜야 한다.

도 6은 가변인발 공정을 보다 상세하게 나타낸 공정도이다.

가변인발 공정은 모관(60)의 일측의 소정 구간의 직경과 두께를 감소시켜 조수석측 부재의 사양에 맞도록 형상을 가공하는 공정으로, 외부금형(210)에 의하여 외경을 감소시키고, 내부금형(220)에 의하여 내경을 제어함으로써, 외경과 두께를 조절하는 방식으로 이루어진다.

외부금형(210)로는 일측으로 갈수록 직경이 좁아지는 테이퍼 형상의 성형홈을 구비하는 인발다이를 사용하고, 내부금형(220)으로는 조수석측 부재의 내경에 대응하는 외경을 가지는 막대형상의 맨드럴(mandrel)을 사용한다.

그런데, 가공되지 않은 상태의 모관을 그대로 외부금형(210)에 압입하려면 많은 힘이 필요하며, 성형이 원활하게 이루어지지 않기 때문에, 도 6의 중앙에 도시한 바와 같이 모관의 단부(62)를 먼저 외부금형(210)의 성형홈에 대응하는 테이퍼형태로 성형한 후, 외부금형에 압입하는 것이 바람직하다. 외부금형(210)은 초경합금 재질로 제작됨이 바람직하다.

단부가 가공된 모관을 외부금형(210)에 압입하면서, 내부금형(220)을 삽입하여 압출 및 인발이 수행되도록 함으로써, 모관의 외경과 두께를 감소시키게 된다.

성형되는 두께는 외부금형(210)의 내경과 내부금형(220)의 외경의 차이에 의해서 결정되므로, 조수석측 부재의 외경과 두께를 모두 제어할 수 있다.

가변 인발 성형에 있어서, 파이프의 터짐이나 휨이 발생하지 않도록 하기 위해서는 테이퍼 형상의 각도가 중요하다.

테이퍼 형상의 각도는 4~20° 범위인 것이 바람직하다.

각도가 4°보다 작은 경우에는 연결부의 길이가 과도하게 길어지고, 가공성이 저하되는 문제점이 있으며, 각도가 20°보다 큰 경우에는 연결부의 양단의 굴곡부분에 응력 집중이 발생하여 바람직하지 못하다.

가변 인발 단계(S-42)를 거치면, 도 5의 S-42에 도시된 바와 같은 단면 형상을 가지게 된다. 가변 인발 단계(S-42)를 거치면서 압력에 의하여 관의 직진도나 진원도가 변형될 수 있으므로, 직진도와 진원도를 교정하는 형상 교정 공정을 추가로 수행할 수도 있다.

다음으로, 홈 성형 단계(43)는 운전석측 부재에 브래킷 연결을 위한 홈(도 5의 43) 형상을 가공하는 것이다. 운전석측 부재는 앞서 설명한 바와 같이 조향장치를 고정하는 역할도 수행하게 되는데, 이를 위하여 조향장치를 고정하기 위한 별도의 브래킷들과 결합되어야 한다. 그런데 원형의 단면에서는 적절한 결합강도를 달성하기가 어렵기 때문에, 브래킷들과 용이하게 연결될 수 있도록 홈(43)을 가공하는 것이다. 홈의 가공은 스탬핑(stamping) 방법으로 이루어질 수 있다.

다음으로, 카울크로스바에 필요한 홀(도 5의 44)을 가공한다.

카울크로스바에 결합되는 다른 부품들과의 연결을 위한 홀을 소정위치에 가공한다. 홀(44)의 가공은 레이저를 통해 이루어지는 것이 바람직하다. 관 형상의 특성상 드릴링 머신이나 펀칭 머신을 사용하기 곤란하고, 드릴링 머신이나 펀칭 머신을 사용할 경우 형상의 변형을 가져올 수 있기 때문에 다른 부분에 영향을 최소화하고 홀만 가공할 수 있는 레이저 가공 방법을 사용하는 것이 바람직하다.

홈 성형 단계(S-43) 와 홀 성형 단계(S-44)를 거친 후, 형상의 검사, 형상의 교정, 절단 등의 추가 공정을 거쳐 완성된다.

본 발명에 따른 카울크로스바용 파이프는 양측이 서로 다른 직경과 두께를 가지는 파이프를 용접부 없이 일체로 제작함으로써, 용접부에서 발생하는 품질문제의 발생을 방지할 수 있다.

또한, 종래의 용접을 이용한 카울크로스바용 파이프보다 우수한 기계적 특성을 가지며, 중량을 감소시킬 수 있어 차량의 경량화와 연비 향상에 도움을 줄 수 있는 효과를 가져온다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

도 1은 카울크로스바가 조립된 상태를 나타낸 사시도,

도 2은 종래의 카울크로스바용 파이프를 나타낸 반단면도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 카울크로스바용 일체형 파이프를 나타낸 반단면도,

도 4는 본 발명에 따른 카울크로스바용 일체형 파이프의 제조공정을 공정순서도,

도 5는 본 발명에 따른 카울크로스바용 일체형 파이프 제조공정의 각각의 공정단계에서의 단면 형상을 나타낸 공정도,

도 6은 가변인발 공정을 보다 상세하게 나타낸 공정도임.

Claims (7)

1. 제 1 직경과 제 1 두께를 가지는 운전석측 부재와, 상기 제 1 직경보다 작은 제 2 직경과, 상기 제 1 두께보다 작은 제 2 두께를 가지는 조수석측 부재가 테이퍼 형상의 연결부로 일체로 형성된 카울크로스바용 파이프를 제조하기 위한 방법에 있어서,

   제 1 직경과 제 1 두께를 가지는 모관을 제조하는 모관 제조 단계; 및

   상기 모관의 일측을 상기 연결부에 대응하는 성형홈을 구비하는 외부금형에 압입하면서, 상기 조수석측 부재의 내경에 대응하는 외경을 갖는 내부금형을 삽입하여 상기 조수석측 부재의 길이에 대응하도록 인발시키는 가변 인발 단계;를 포함하며,

   상기 가변 인발 단계 이후에,

   상기 운전석측 부재의 내측에 금형을 삽입한 후, 가압하여 홈 형상을 가공하는 홈 성형 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카울크로스바용 일체형 파이프 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 모관은 C: 0.136~0.140 중량%, Si: 0.015~0.017 중량%, Mn: 0.676~0.678 중량%, P: 0.011 중량% 이하, S: 0.006 중량% 이하 및 잔부의 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 카울크로스바용 일체형 파이프 제조방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 가변 인발 단계 이후에,

   레이저로 홀을 가공하는 홀 성형 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카울크로스바용 일체형 파이프 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 연결부는 4~20°의 경사각을 가지는 것을 특징으로 하는 카울크로스바용 일체형 파이프 제조방법.
6. 제 1 직경과 제 1 두께를 가지는 운전석측 부재와, 상기 제 1 직경보다 작은 제 2 직경과, 상기 제 1 두께보다 작은 제 2 두께를 가지는 조수석측 부재가 테이퍼 형상의 연결부로 일체로 형성된 카울크로스바용 파이프를 제조하기 위한 방법에 있어서,

   C: 0.136~0.140 중량%, Si: 0.015~0.017 중량%, Mn: 0.676~0.678 중량%, P: 0.011 중량% 이하, S: 0.006 중량% 이하 및 잔부의 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 재질을 사용하여 제 1 직경과 제 1 두께를 가지는 모관을 제조하는 모관 제조 단계;

   상기 모관의 일측을 상기 연결부에 대응하는 성형홈을 구비하는 외부금형에 압입하면서, 상기 조수석측 부재의 내경에 대응하는 외경을 갖는 내부금형을 삽입하여 상기 조수석측 부재의 길이에 대응하도록 인발시키는 가변 인발 단계;

   상기 운전석측 부재의 내측에 금형을 삽입한 후, 가압하여 홈 형상을 가공하는 홈 성형 단계; 및

   레이저로 홀을 가공하는 홀 성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 카울크로스바용 일체형 파이프 제조방법.
7. 삭제

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