KR101069023B1 - 프런트 액슬의 강도보강용 하이드로 포밍 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이드로포밍 공법을 이용하여 제작되는 상용차 프런트 액슬(Front Axle)의 보강용 보강재에 관한 것이다. 특히 그 중에서도 본 발명은 강도 성능이 요구되는 부위에 하이드로포밍 공법을 적용하고 취약부에 보강재(H/F Front Axle Reinforcement)를 적용해 요구 강도 성능을 만족하면서 차량 경량화 효과를 얻도록 한 프런트 액슬의 강도보강용 하이드로 성형 포밍공법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

프런트액슬, 보강재, 프리포밍, 킹 핀

Description

프런트 액슬의 강도보강용 하이드로 포밍 공법{Hydroforming process for reinforcing front axle}

본 발명은 하이드로포밍 공법을 이용하여 제작되는 상용차 프런트 액슬(Front Axle)의 보강용 보강재에 관한 것이다. 특히 그 중에서도 본 발명은 강도 성능이 요구되는 부위에 하이드로포밍 공법을 적용하고 취약부에 보강재(H/F Front Axle Reinforcement)를 적용해 요구 강도 성능을 만족하면서 차량 경량화 효과를 얻도록 한 프런트 액슬의 강도보강용 하이드로 성형 포밍공법에 관한 것이다.

종래에는 자동차부품, 특히 프런트 액슬과 같이 복잡한 형상의 부품은 단조에 의해 성형하여 제조하여 왔다. 그러나 단조에 의한 제조의 경우 공정이 복잡하고 작업시간이 많이 걸리며 균일한 성형가공이 되기 어려울 뿐더러 충분한 강도 확보가 어려웠다.

최근, 이러한 문제점을 개선하기 위해 하이드로포밍 공법이 90년대 들어서 해외 자동차 부품 산업에 이용되면서 급속히 발전하기 시작하였다.

또한 자동차에 대한 소비자의 요구는 승객 및 화물의 운송이라는 기본적인 기능 외에 외관, 주행성능, 승차감, 연비 및 환경 친화성 등 다양한 면으로 확대되고 있다. 이에 대응하여 미국, 유럽, 일본 등의 선진 자동차 업계에서는 고안전 차체의 부품수 절감, 공정 단순화, 소재 수율 증가, 용접 점수 감소 및 경량화 측면에서 경쟁력 확보를 위하여 강관을 이용한 하이드로포밍이라는 신기술 공법에 대한 연구가 많이 이루어지고 있으며 이 같은 추세는 앞으로 국내 자동차 업계에도 본격적으로 확대 적용될 전망이다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와같이 중공의 강관을 소재로 하고 이를 하이드로포밍 기술(이하 "H/F"라 약칭함)을 이용하여 프런트 액슬(Front Axle)에 적용하여 제조하는 새로운 하이드로포밍 공법을 창안함으로써 경량화 효과를 극대화하고 구조의 강도,성능이 만족되는 보강재를 적용해 자동차 부품 특히, 프런트 액슬의 구조 강도 성능을 향상시켜 주는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 바와 같이 상용차량에서 하이드로포밍 공법을 이용하여 기존의 단조 타입으로 성형하여 제조하여 온 프런트 액슬(Front Axle)을 차량의 경량화, 구조 강도 성능을 만족하기 위해 H/F 프런트 액슬과 보강재(H/F Front Axle Reinforcement)를 제공하기 위한 발명이다.

도 1은 본 발명상의 프런트 액슬의 강도 보강용 하이드로포밍 공법의 공정단계를 나타낸 것이다.

상용차의 프런트 액슬(Front Axle) 부품에 하이드로포밍 공법이 적용되어 제조하기 위한 본 발명상의 성형방법은

소재강관을 열처리하는 단계;

상기 열처리 된 소재강관을 양단부를 제외한 강관의 확관을 위하여 1차 하이드로포밍하는 단계;

상기 1차 하이드로포밍된 소재의 표면 스케일을 제거하는 표면처리 단계;

상기 표면 산화 스케일이 제거된 소재를 프리포밍(pre-forming)하여 가형상을 만들어 주는 단계;

상기 프리포밍 공정을 거친 소재를 강관 내부에 수압을 가해 2차 하이드로포밍하는 단계;

상기 2차 하이드로포밍 공정을 거친 성품을 마무리 작업으로 제품화하는 단계의 제반성형단계로 이루어지고,

상기 프런트 액슬에 하이드로포밍 공정을 수행할 때 상기 소재강관의 취약부에 보강재를 장착하고 하이드로포밍 공법을 수행하여 소재강관의 마운팅부와 주변형상모재부에 응력이 골고루 분산되도록 한 것을 특징으로 하는 프런트 액슬의 강도 보강용 하이드로 포밍공법으로 이루어진다.

여기에서, 상기 보강재는 도 5 및 도 7에서와 같이 프런트 액슬의 킹핀(King Pin)부와 상기 마운팅부가 되는 U-볼트 언저리부(U-bolt mounting) 사이의 벤딩 하부와 측면에 부착·용접하여 단면형상을 이중박스형태로 구성한다. 상기 보강재를 이용하여 하이드로 포밍공정을 수행함으로써 균일하게 응력을 분산시키고 아울러 간편히 성형을 수행할 수 있다.

본 발명의 첫번째 특징은 상용차의 앞바퀴 축 프런트 액슬(Front Axle)에 확관량을 극대화하기 위해 2회에 걸쳐 하이드로포밍 기술을 적용해 제품을 성형하는 이른바 프런트 액슬의 강도 보강재의 성형방법을 제공하는 것이다. 이를 위해 본 발명은 주요 프로세스로서 직선 파이프를 볼록(bulge)하게 성형한 뒤 열처 리(Annealing)공정을 통해 가공 경화를 최소화해서 1차 하이드로포밍 공정과 프리포밍과 2차 하이드로포밍 공정을 거쳐 최종 형상으로 성형하는 것을 요지로 한다.

본 발명 공법으로 성형 자유도를 높일 수 있는 이점을 얻을 수 있다.

본 발명의 두번째 특징은 상용차의 하이드로포밍 공법이 적용된 앞바퀴 축인 프런트 액슬(Front Axle)에 보강재 형태를 적용해 구조 강도 성능을 극대화하는 것이다. 적용되는 구조는 도 7처럼 프런트 액슬(Front Axle)의 킹핀(King Pin)부와 U-볼트 언저리부(U-bolt mounting) 사이의 벤딩 하부와 측면에 별도의 보강재을 부착하고 용접하여 단면 형상을 이중박스 형태로 구성해 보다 강도에 유리한 구조로 적용하는 것이다.

먼저 본 부품의 하이드로포밍 제작 방법에 있어서 일실시예를들어 전반적 사항에 관해 설명하면 다음과 같다.

소재는 자동차용 프런트 액슬의 소재로서 일례를 들어 j55(유전관용:Ts 60kg급)로 외경이 73mm인 파이프를 열처리를 통해 성형성이 용이한 상태로 소재의 기계적 성질을 연화한 후 1차 하이드로포밍을 적용해 기존의 외경 73mm을 끝단부를 제외한 외경 89.1mm로 확관을 하는 공정을 거친다. (도 2) 이때 성형시에 발생되는 가공 경화를 최소화하기 위해 풀림(Annealing)처리와 열처리시에 발생되는 산화스케일을 제거한 후 유압프레스를 이용해 가형상을 만들어주는 프리포밍(P/F) 공정(도 3)을 거치고, 파이프 내부에 수압을 가해 제품을 성형하는 제 2차 하이드로포밍공정을 거쳐(도 4) 최종 제품 형상(도 6)에 맞게 본 발명 부품을 성형한다.

다음에는 성형된 하이드로포밍 부품을 천공(Piercing)하고, 단부절단(End cutting)을 해서 하이드로포밍 제품을 완성한 뒤 주변부 부품을 용접하고 조립(Assembly)하고 열처리한다. 예컨데

칭/템퍼링(Quenching/ Tempering)하여 소재 강도를 높인 뒤 교정하고 주요 홈 또는 구멍을 형성가공하여 최종 제품으로 완성한다.

다음에는 본 부품에 요구되는 기능 및 성능에 대해 설명한다.

프런트 액슬(Front Axle)은 차량 앞바퀴축을 지탱하면서 바퀴 회전 궤적을 고려하고 주변 부품간의 간섭이 없는 구조로 설계되어져야 한다. 또한, 휘일 범핑(Wheel bumping)시 차량 하중이 본 부품에 집중적으로 걸리게 되는데 이를 견딜 수 있어야 하므로 내충격 강도 성능이 절실히 요구되는 부품이라 할 수 있다.

본 발명 하이드로포밍 방식으로 프런트 액슬을 제작하였을 때에는 그 중량이 단조 방식의 단면 내부가 체워진 형태에 비해 상대적으로 워낙 가볍기 때문에 보강재(Reinforcement)를 장착하여도 전체 중량이 기존 단조 방식에 비해 경량화할 수 있는 잇점이 있다. 도 5~7은 보강재를 장착한 본발명 하이드로포밍(Hydroforming)방식의 프런트액슬을 각각 나타내는 것으로 이를 다음과 같이 시험하고 비교하였다.

본 발명에 의해 보다 경량화되고 강도가 보강된 프런트 액슬을 얻을 수 있게 되었다.

실시예

우선, 종래의 단조품과 본 발명 H/F 프런트 액슬 간의 구조와 강도를 비교하고 성능 평가를 위해 강도 해석을 실시하였다. 성능 만족 기준은 적용 소재 항복강도 이하의 응력값이면 본 단품의 요구 성능은 만족하는 것으로 본다. 기존의 단조품 소재는 S45C열처리 소재이고, H/F 프런트 액슬은 조립한 상태에서 통상적으로 적용하고 있는 최적화 열처리를 통해 소재의 기계적 성질을 항복강도 80kg/mm²급이상의 물성을 적용하였다.

다음은 해석 평가를 위한 조건이다. 차량 각각의 휘일에 가해지는 하중을 합산한 중량을 킹 핀 언저리(King pin mounting)부에 집중적으로 상하 방향으로 부여하였고, U-볼트 언저리(U-Bolt mounting)부 8점에 구속 조건을 가해 평가를 실시하였다. 도 7은 성능 평가를 위해서 위 두 가지 경우에 해석 조건을 입력한 것을 나타낸 것이다.

다음은 구조 강도해석 결과를 살펴 본다. 먼저 기존의 단조품의 경우는 U-볼트 언저리(U-bolt mounting) 주변부를 제외한 최대 응력은 마운팅 사이 모재부에서 발생 되었고, 여기에 53.3 Kgf/mm²의 응력이 집중되었다.

다음은 하이드로포밍이 적용된 프런트 액슬을 평가해 보았다.

상기 경우와 마찬가지로 마운팅부 또는 U-볼트 언저리부와 주변 형상 모재부에 응력이 골고루 분산 되었고, 마운팅부를 제외한 최대 응력부는 벤딩 코너부에 분포 되었음을 알 수 있었다. 그 수치는 72.5 Kgf/mm²의 최대 응력값을 나타냄으로써 열처리 소재의 항복 강도 80 Kgf/mm² 이하의 값을 얻어 본 부품 요구 성능을 만족함을 알 수 있다. 도 6의 우측 옅은색 부분은 하이드포밍 공법이 적용된 부품의 구조 강도측정 및 해석을 실시한 부위를 가리킨다.

앞서 언급한 결과를 토대로 본 부품의 요구 성능 만족을 확인한 후, 이 부품의 전체 앗셈블리 중량을 비교해 경량화 효과가 얼마나 되는지 살펴보았다. 그 결과 동일한 응력값으로 비교하였을 때 기존 단조품 중량은 39kg이었으나, H/F 프런트 액슬 앗셈블리 중량은 27.2kg으로 기존품 대비해서 11.8kg이 중량 절감이 되고 이를 비율로 환산해보면 30%정도의 경량화효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도 1은 본 발명 제 1차 하이드로포밍 공법상의 공정을 나타낸 것이다.

도 2는 일실시예로서의 본 발명상의 1차 하이드로포밍공정이 적용된 소재강관 사진

도 3은 프리포밍 공정을 거친 일실시예로서의 성형품 사진

도 4는 제 2차 하이드로포밍 공정을 거친 일실시예로서의 다른 프런트 액슬(Front Axle) 사진

도 5는 상용차의 H/F 타입의 프런트 액슬에 적용 가능한 일 실시예로서의 강도 보강재(Reinforcement)가 부착된 프런트액슬의 사시사진

도 6은 프런트 액슬 구조 강도해석 조건도

도 7은 보강재(Reinforcement)의 구조에 대한 일 실시예로서의 부분 개략도(도 5의 A-A 단면도)

<주요부호>

1. 프런트 액슬(front axle)

2. 보강재(reinforcement)

3. U-볼트 언저리부(U-bolt mounting part)

4. 킹핀(king pin)

Claims (2)

1. 상용차의 프런트 액슬(Front Axle) 부품에 하이드로포밍 공법이 적용되어 제조하기 위한 성형방법은

   소재강관을 열처리하는 단계;

   상기 열처리 된 소재강관을 양단부를 제외한 강관의 확관을 위하여 1차 하이드로포밍하는 단계;

   상기 1차 하이드로포밍된 소재의 표면 스케일을 제거하는 표면처리 단계;

   상기 표면 산화 스케일이 제거된 소재를 프리포밍(pre-forming)하여 가형상을 만들어 주는 단계;

   상기 프리포밍 공정을 거친 소재를 강관 내부에 수압을 가해 2차 하이드로포밍하는 단계;

   상기 2차 하이드로포밍 공정을 거친 성품을 마무리 작업으로 제품화하는 단계의 제반성형단계로 이루어지고,

   상기 2차 하이드로포밍하는 단계를 수행할 때 상기 소재강관의 취약부인 프런트 액슬의 킹핀(King Pin)부와 마운팅부가 되는 U-볼트 언저리부(U-bolt mounting) 사이의 벤딩 하부와 측면에 부착·용접하여 단면형상을 이중박스형태가 되도록 장착하고 2차 하이드로포밍을 수행하여 소재강관의 마운팅부와 주변형상모재부에 응력이 골고루 분산되도록 한 것을 특징으로 하는 프런트 액슬의 강도 보강용 하이드로 포밍공법.
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