KR101177219B1

KR101177219B1 - 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법과 이 프레스 성형 방법에 의해 성형한 이형 단면 통 형상 부재

Info

Publication number: KR101177219B1
Application number: KR1020107021850A
Authority: KR
Inventors: 다까아끼 후꾸시; 이사오 아나이; 야스시 야마모또; 히데유끼 나까무라; 요시아끼 가도마; 나오끼 호리
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2008-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2012-08-24
Also published as: EP2298465B1; CN101980804B; EP2298465A4; KR20100123749A; JP2009274077A; CN101980804A; US20110121639A1; EP2298465A1; US8894080B2; WO2009139379A1

Abstract

이 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법은, 상형 및 하형 사이에서 강관을 찌부러뜨려 단면 V자 형상으로 하는, 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법이며, 상기 상형의 선단부의 곡률 반경을 R₁, 이 상형의 상기 선단부에 대응하는 상기 하형의 저부의 곡률 반경을 R₂, 상기 강관의 판 두께를 t로 하였을 때, R₁, R₂, t가, R₁＋2t＝R₂, 또한 1.5t≤R₁≤3t를 만족시킨다.

Description

이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법과 이 프레스 성형 방법에 의해 성형한 이형 단면 통 형상 부재{METHOD OF PRESS-FORMING TUBULAR MEMBER HAVING IRREGULAR CROSS-SECTIONAL SHAPE, AND TUBULAR MEMBER HAVING IRREGULAR CROSS-SECTIONAL SHAPE, FORMED BY THE PRESS-FORMING METHOD}

본 발명은, 액슬 빔 등의 자동차용 하부(underbody) 부재에 사용되는 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법과, 이 프레스 성형 방법에 의해 성형한 이형 단면 통 형상 부재에 관한 것이다.

본원은, 2008년 5월 12일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2008-124787호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

자동차의 차륜 사이에 배치되는 액슬 빔이나, 그 주변의 서스펜션 부재 등의 자동차용 하부 부재로서, 종래부터 이형 단면 통 형상 부재가 널리 사용되고 있다.

이러한 이형 단면 통 형상 부재는, 주행 중에 충격 하중이나 비틀림 하중 등을 반복하여 받으므로, 고강도에 더하여, 높은 내피로성이 필요하다. 또한, 최근에는 액슬 빔 등의 자동차용 하부 부재는, 복수의 부재를 사용하여 성형하는 것이 아니라, 1개의 강관을 프레스 가공하여 성형하는 것이 요구되고 있다.

하기 특허 문헌 1에는, 고강도의 강관을 프레스 가공하여 이형 단면 형상으로 한 중공 구조의 액슬 빔이 개시되어 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2001-321846호 공보

그러나 상기 특허 문헌 1의 액슬 빔은, 응력 집중부의 잔류 응력을 제어하여 재료의 내피로성을 높이기 위해 켄칭 등의 열처리를 행하고 있다. 또한, 열처리에 의해 발생하는 산화 스케일을 방지하기 위한 분위기 제어나 탈스케일 공정을 필요로 한다. 이 결과, 열처리의 비용뿐만 아니라, 상기 산화 스케일에 대응하기 위해 여분의 비용도 발생하는 문제가 있었다.

덧붙여, 열처리를 실시함으로써 제품 정밀도가 저하되어, 차체에의 조립 장착 작업이 곤란해진다고 하는 문제도 있었다.

본 발명은 상기 사정에 비추어 이루어진 것이며, 강관의 프레스 성형에 의해 액슬 빔 등의 이형 단면 통 형상 부재를 제조할 때에, 종래와 같은 켄칭 등의 열처리 없이 내피로성을 개선하고, 비용 및 공정수를 삭감하고, 또한 제품 정밀도를 확보하여 차체에의 조립 장착 작업성도 개선시킬 수 있는 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법과, 이 프레스 성형 방법에 의해 성형한 이형 단면 통 형상 부재의 제공을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하여 이러한 목적을 달성하기 위해 이하의 수단을 채용하였다. 즉,

(1) 본 발명은, 상형 및 하형 사이에서 강관을 찌부러뜨려 단면 V자 형상으로 하는, 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법이며, 상기 상형의선단부의 곡률 반경을 R₁, 이 상형의 상기 선단부에 대응하는 상기 하형의 저부의 곡률 반경을 R₂, 상기 강관의 판 두께를 t로 하였을 때, R₁, R₂, t가, R₁＋2t＝R₂, 또한 1.5t≤R₁≤3t를 만족시킨다.

(2) 상기 (1)에 기재된 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법에서는, 상기 상형이 그 하사점(下死点)에 도달하기 전까지의 동안에, 이 상형의 상기 선단부와 상기 강관 사이 및 상기 하형의 상기 저부와 상기 강관 사이에 간극을 마련한 상태로 프레스하는 공정과, 상기 상형이 상기 하사점에 도달하였을 때에, 상기 간극을 완전히 찌부러뜨리도록 프레스하여 이형 단면 통 형상 부재로 하는 공정과, 상기 상형 및 상기 하형 사이를 개방한 후에 상기 이형 단면 통 형상 부재에 발생하는 스프링백에 의해, 동 이형 단면 통 형상 부재의 상기 저부에 있어서의 V홈면에 압축 잔류 응력을 부여하는 공정을 포함해도 좋다.

(3) 또한, 본 발명은, 상기 (1)에 기재된 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법에 의해 제조되는 단면 V자 형상의 이형 단면 통 형상 부재이며, 상기 이형 단면 통 형상 부재의 상기 V홈면이, 상기 스프링백에 의해 형성되는 상기 압축 잔류 응력을 갖는다.

(4) 상기 (3)에 기재된 이형 단면 통 형상 부재는, 자동차용 하부 부재라도 좋다.

상기 (1)에 기재된 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법에서는, R₁＋2t＝R₂, 또한 1.5t≤R₁≤3t를 만족시키는 상형 및 하형을 사용하므로, 이형 단면 통 형상 부재의 잔류 응력을 제어할 수 있다. 따라서, 종래와 같은 프레스 성형 후에 켄칭 등의 열처리를 필요로 하지 않고, 피로 손상되기 쉬운 소정의 위치에 프레스 공정만으로 압축의 잔류 응력을 부여하여 높은 내피로성을 얻을 수 있다.

또한, 상기 (3)에 기재된 이형 단면 통 형상 부재는, 부재 저부의 V홈면에 압축의 잔류 응력을 가지므로, 높은 내피로성이 얻어져 수명 장기화를 달성할 수 있다.

특히, 상기 (3)의 이형 단면 통 형상 부재를 자동차용 하부 부재에 적용한 경우에는, 자동차의 저비용화 및 수명 장기화를 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 액슬 빔을 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A 단면도이다.
도 3은 프레스 공정에서 상형이 그 하사점에 도달하기 전을 도시하는 단면도이다.
도 4는 프레스 공정에서 상형이 그 하사점에 도달하였을 때를 도시하는 단면도이다.
도 5는 프레스 성형 후의 액슬 빔 저부를 도시하는 단면도이다.
도 6은 단면 V자 형상 통 형상 부재에 있어서의 V홈부의 내피로성 평가 시험편의 사시도이다.
도 7은 내피로성 평가 시험의 시험 상황을 도시하는 도면이다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 있어서의 시험편의 잔류 응력을 도시하는 도면이다.
도 8b는 제2 내지 제4 비교예에 있어서의 시험편의 잔류 응력을 도시하는 도면이다.
도 8c는 제2 내지 제4 비교예에 있어서의 시험편의 파괴예를 도시하는 도면이다.

이하에, 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타낸다.

도 1은, 본 발명의 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법에 의해 성형한 이형 단면 통 형상 부재의 일 실시 형태인 액슬 빔(1)을 도시한다. 또한, 도 2는 도 1의 A-A 단면도를 도시한다.

이 액슬 빔(1)은, 도 2에 도시되는 바와 같이, 상하 한 쌍의 형(후술) 사이에서 1개의 강관을 찌부러뜨려 단면 V자 형상으로 프레스 성형된 것이다. 부호 1a는, 액슬 빔(1)의 가공 전 강관의 단면 형상 중 상부 호에 대응하는 상판이고, 부호 1b는 동 단면 형상 중 하부 호에 대응하는 하판이다. 또한, 부호 2a, 2b는 각각 상하 판(1a, 1b)의 저부이고, 부호 2c, 2d는 각각 저부(2a, 2b)의 V홈면이다.

상기 액슬 빔(1)에 있어서, 피로 시험시에 발생하는 응력은, 상판(1a)의 저부(2a)의 V홈면(2c)에서 가장 높아진다. 그로 인해, 상판(1a)의 저부(2a)의 V홈면(2c)에 압축의 잔류 응력을 갖는 것이 요구되고 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 부재 저부(2a)의 V홈면(2c)에 압축 잔류 응력을 부여하여 내피로성을 개선시키고 있다.

본 실시 형태에서는, 상하 한 쌍의 형 사이에서 강관을 찌부러뜨려 단면 V자 형상의 이형 단면 통 형상 부재를 제조하는 프레스 성형 방법을 행할 때에, 상형의 선단부의 곡률 반경을 R₁(mm), 이 상형의 선단부에 대응하는 하형의 저부의 곡률 반경을 R₂(mm), 강관의 판 두께를 t(mm)로 하여, R₁, R₂, t가, 하기의 [수학식 1], [수학식 2]를 만족시키도록 프레스 성형하였다.

본 실시 형태에 있어서는, 스프링백 후의 액슬 빔(1)의 저부(2)의 V홈면(2c, 2d)의 잔류 응력을 압축으로 하는, 즉 스프링백에 의해 저부(2)의 V홈면(2c, 2d)에 압축의 잔류 응력을 형성하기 위한 프레스 가공 조건을 규정하고 있다.

상기 [수학식 1]은, 상형(후술)이 하사점에 도달하였을 때에 형과 피성형품의 간극을 없애기 위해 필요한 조건이다. 또한, 후술하는 바와 같이, 상형이 하사점에 도달하기 전에 형과 피성형품인 강관의 소정 위치 사이에 간극을 남기기 위해서는, R₁≤3t가 필요하다. 한편, 프레스 성형 중에 성형 균열되지 않도록 하기 위해서는, 1.5t≤R₁이 필요하다. 따라서, [수학식 2]의 조건을 만족시킬 필요가 있다.

이하에, 본 발명의 프레스 성형 공정에 대해 설명한다.

도 3 내지 도 5는, 모두 액슬 빔(1)의 저부(2)에 있어서의 프레스 성형 공정의 단면도이다. 도 3 내지 도 5는, 각각 상형이 하사점에 도달하기 전의 프레스 성형 공정의 확대 단면도, 상형이 하사점에 도달하였을 때의 프레스 성형 공정의 확대 단면도, 형 개방 후에 있어서의 액슬 빔(1)의 저부(2)의 확대 단면도를 도시한다.

또한, 도 3 내지 도 5에 있어서, 부호 11은 상형, 부호 12는 하형이다. 또한, 모재인 강관을 상형(11) 및 하형(12) 사이에서 프레스 성형한 경우, 형 사이에서는 상판(1a)과 하판(1b)이 밀착된다.

우선, 피성형품인 강관을 하형(12)에 세트하고, 상형(11)을 하강시켜 상형(11) 및 하형(12) 사이에서 강관을 찌부러뜨려 단면 V자 형상의 액슬 빔으로 프레스 성형하는 점은, 종래와 기본적으로 동일하다. 그러나 본 실시 형태에서는 이하의 점에서 특징을 갖고 있다.

도 3에 도시되는 바와 같이, 상형(11)이 하사점에 도달하기 전의 프레스 성형 공정에 있어서는, 상판(1a), 하판(1b) 모두 곡률 반경(R₁, R₂)이 작아지는 일반적인 굽힘 변형이다. 그러나 V자 형상의 액슬 빔(1)의 저부(2)를 형성하는 상형(11)과 하형(12)의 곡률 반경(R₁, R₂)은, [수학식 2]로 제한한 바와 같이 작으므로, 피성형품이 형에 융화되지 않고 지나친 굽힘이 발생한다. 이 결과, 상형(11)의 선단부(11a)와 상판(1a)의 대응 부분 사이에 간극(3)이 발생한다. 마찬가지로, 하형(12)의 저부(12a) 양 사이드의 부분과 하판(1b)의 대응 부분 사이에도 간극(4, 4)이 발생한다.

그리고 상형(11)이 하사점에 도달하기 전에는, 상기 간극(3, 4)을 가진 채 프레스 성형이 진행된다. 또한, 이 상태에 있어서는, 상판(1a)의 저부(2a)의 V홈면(2c) 및 하판(1b)의 저부(2b)의 V홈면(2d)은 압축 응력 상태이다.

또한, 도 4에 도시되는 바와 같이, 상형(11)이 하사점에 도달하였을 때, [수학식 1]로 제한한 상하형(11, 12)과 피성형품 사이에 간극이 남지 않는 형 설계이므로, 성형을 계속하면, 상형(11)의 선단부(11a)와 상판(1a)의 대응 부분의 간극(3) 및 하형(12)의 저부(12a) 양 사이드의 부분과 하판(1b)의 대응 부분의 간극(4, 4)을 찌부러뜨리는 변형이 가해진다. 즉, 이 경우에는, 저부(2)의 V홈면(2c, 2d)은 굽힘 복귀되고, 즉, 곡률 반경(R₁, R₂)이 커지는 변형을 발생한다.

또한, 이 상태에 있어서는, 상판(1a)의 저부(2a) 및 하판(1b)의 저부(2b)는, 형에 의해 확대되는 가공이며, 어느 V홈면(2c, 2d)도 인장 응력 상태로 된다. 즉, 저부(2)의 V홈면(2c, 2d)에는, 모두 자신의 곡률 반경(R₁, R₂)을 작게 하려고 하는 응력이 발생한다.

마지막으로, 도 5에 도시되는 바와 같이, 상형(11)을 상승시켜 피성형품을 형으로부터 개방하면, 상형(11)이 하사점에 도달하였을 때의 저부(2)의 V홈면(2c, 2d)의 곡률 반경(R₁, R₂)을 크게 하는 가공의 반동에 의해, 곡률 반경(R₁, R₂)을 작게 하는 스프링백이 발생한다. 이 결과, 액슬 빔의 저부(2)의 V홈면(2c, 2d)은, 프레스 성형 후의 스프링백에 의해 압축의 잔류 응력이 부여된다.

상기한 실시 형태에서는, 이형 단면 통 형상 부재의 일례로서 액슬 빔을 나타냈지만, 그 주변의 서스펜션 부재 등의 내피로성이 요구되는 그 밖의 자동차용 하부 부재에도 널리 적용할 수 있는 것은 물론이다. 또한, 강관 재료는 전혀 한정되는 것이 아니며, 모든 것을 대상으로 할 수 있다. 즉, 본 발명의 프레스 성형 방법을 사용하면, 어떠한 강관 재료라도 내피로성을 개선할 수 있다.

이상의 설명으로부터도 명백한 바와 같이, 본 발명의 프레스 성형 방법을 사용하면, 발생하는 응력이 높은 부위에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있으므로, 피로 수명을 대폭으로 개선할 수 있다. 덧붙여, 종래 방법에서는, 피로 수명이 짧으므로 프레스 성형 후에 켄칭 등의 열처리를 실시하여 피로 수명을 개선하고 있었다. 한편, 본 발명에서는, 열처리 없이도 피로 수명을 개선할 수 있으므로, 열처리 비용의 삭감 및 공정의 간략화가 가능하다. 또한, 열처리를 필요로 하지 않으므로, 제품 정밀도를 확보할 수 있다고 하는 이점도 있다.

실시예

표 1에 나타내는 바와 같이, 780㎫급의 강도를 갖는 강판을 사용하여 형성한 강관을, 다른 t, R₁, R₂의 조건으로 프레스 성형하여, 도 6과 같은 단면 V자 형상 통 형상 부재를 얻었다. 또한, 표 1의 비교예에 대해 본 발명의 조건을 만족시키지 않는 수치에는 밑줄을 그었다. 또한, 프레스 성형 후의 부재 저부(2)의 V홈면(2c, 2d)의 잔류 응력의 성질을 표 1에 나타낸다.

상기 통 형상 부재의 저부(2)의 내피로성을 평가하기 위해, 도 6에 도시하는 바와 같이 단면 V자 형상 통 형상 부재의 길이 방향 중앙부로부터, 폭 20㎜의 시험편(21)을 잘라냈다. 그 시험편(21)을 잘라낼 때에 길이 방향의 잔류 응력은 해방된다. 그러나 주위 방향의 구속은 유지되어 있으므로, 절단 전후에서의 시험편 저부(2)의 V홈면(2c, 2d)의 잔류 응력의 값은, 거의 변화가 없었다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 잘라낸 V자 형상 시험편의 양단부를 고정측 보유 지지구(22)와 진동측 보유 지지구(23)로 보유 지지하고, 시험편(21)에 ±500㎫의 교번 응력이 가해지도록, 진동측 보유 지지구(23)를 진동기(24)에 의해 주파수 1㎐로 도 7의 화살표로 나타내는 수평 방향(V 형상의 폭이 증감하는 방향)으로 진폭시켜 피로 시험을 행하였다. 이 피로 시험에 의해 발생한 균열의 발생 횟수를 표 1에 나타낸다. 여기서, 피로 균열 발생 횟수가 1만회 미만의 피로 수명이 짧은 것(C), 1만회 이상 10만회 미만인 것(B), 10만회 이상의 우수한 피로 수명을 갖는 것(A)의 3단계로 평가하였다.

제1 내지 제3 실시예로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 이형 단면 통 형상 부재는, 도 8a에 도시하는 바와 같이, 저부(2)의 V홈면(2c, 2d)에 충분한 압축 잔류 응력이 부여되어 있어, 내피로성이 대폭으로 개선되어 있는 것을 확인하였다.

제1 비교예로서, 곡률 반경(R₁)이 [수학식 2]보다도 작은 경우를 나타낸다. 이 경우는, 곡률 반경(R₁)이 지나치게 작기 때문에 성형시에 저부(2)에 균열이 발생하여, 성형할 수 없었다.

제2 비교예로서, 곡률 반경(R₁)이 [수학식 2]보다도 큰 경우를 나타낸다. 이 경우는, 곡률 반경(R₁)이 지나치게 크기 때문에, 프레스 공정 중, 간극이 없는 상태로 항상 피성형품이 형에 밀착되어 성형된다. 그로 인해, 저부(2)의 굽힘 복귀가 일어나지 않아, 상형(11)이 하사점에 도달하였을 때, 상판(1a)의 저부(2a)의 V홈면(2c)의 응력은 압축 응력이다. 그러므로, 그 후의 스프링백에 의해 V홈면(2c)은, 도 8b에 도시하는 바와 같은 인장 잔류 응력을 발생하여, 내피로성이 저하된다. 그 결과, 실제로 사용할 수 없는 단시간에 상판(1a)의 저부(2a)의 V홈면(2c)에, 도 8c에 도시하는 바와 같은 균열(30)을 발생한다.

제3, 제4 비교예로서, 곡률 반경(R₂)이 [수학식 1]을 만족시키지 않는 경우를 나타낸다. 곡률 반경(R₂)이 [수학식 1]을 만족시키지 않으므로, 상형(11)이 하사점에 도달하였을 때, 피성형품과 형의 간극이 남는다. 그로 인해, 저부(2)에 충분한 굽힘 복귀가 행해지지 않아, 상판(1a)의 저부(2a)의 V홈면(2c)의 응력은 압축 응력이다. 그러므로, 그 후의 스프링백에 의해 V홈면(2c)은, 도 8b에 도시하는 바와 같은 인장 잔류 응력을 발생하여, 내피로성이 저하된다. 그 결과, 실제로 사용할 수 없는 단시간에 상판(1a)의 저부(2a)의 V홈면(2c)에, 도 8c에 도시하는 바와 같은 균열(30)을 발생한다.

이와 같이, 본 발명의 조건을 만족시키지 않는 비교예에서는, 저부(2)의 가공 중에 균열이 발생하거나, 상판(1a)의 저부(2a)의 V홈면(2c)에 인장 잔류 응력이 발생하므로, 충분한 내피로성을 얻을 수 없었다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 조건에서, 강관을 프레스 성형하여 제조한 이형 단면 통 형상 부재는, 충분한 압축 잔류 응력이 부여되어 있으므로, 우수한 내피로성을 갖는 것을 확인하였다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에만 한정되지 않는다. 당업자라면 특허청구범위에 기재된 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하고, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 양해된다.

[산업상의 이용 가능성]

액슬 빔 등에 사용되는 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법과 그 방법에 의해 성형한 이형 단면 통 형상 부재를 제공할 수 있다.

1 : 액슬 빔
1a : 상판
1b : 하판
2 : 저부
2a : 상판의 저부
2b : 하판의 저부
2c : 상판의 저부의 V홈면
2d : 하판의 저부의 V홈면
3 : 간극
4 : 간극
11 : 상형
11a : 상형의 선단부
12 : 하형
12a : 하형의 저부
21 : 내피로성 시험편
22 : 고정측 보유 지지구
23 : 진동측 보유 지지구
24 : 진동기
30 : 균열

Claims

상형 및 하형 사이에서 강관을 찌부러뜨려 단면 V자 형상으로 하는, 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법이며,
상기 상형의 선단부의 곡률 반경을 R₁, 이 상형의 상기 선단부에 대응하는 상기 하형의 저부의 곡률 반경을 R₂, 상기 강관의 판 두께를 t로 하였을 때, R₁, R₂, t가,
R₁＋2t＝R₂, 또한
1.5t≤R₁≤3t
를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법.
제1항에 있어서, 상기 상형이 그 하사점에 도달하기 전까지의 동안에, 이 상형의 상기 선단부와 상기 강관 사이 및 상기 하형의 상기 저부와 상기 강관 사이에 간극을 마련한 상태로 프레스하는 공정과,
상기 상형이 상기 하사점에 도달하였을 때에, 상기 간극을 완전히 찌부러뜨리도록 프레스하여 이형 단면 통 형상 부재로 하는 공정과,
상기 상형 및 상기 하형을 개방한 후에 상기 이형 단면 통 형상 부재에 발생하는 스프링백에 의해, 동 이형 단면 통 형상 부재의 상기 저부에 있어서의 V홈면에 압축 잔류 응력을 부여하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법.
제2항에 기재된 이형 단면 통 형상 부재의 프레스 성형 방법에 의해 제조되는 단면 V자 형상의 이형 단면 통 형상 부재이며,
상기 이형 단면 통 형상 부재의 상기 V홈면에, 상기 스프링백에 의해 형성되는 상기 압축 잔류 응력을 갖는 것을 특징으로 하는, 이형 단면 통 형상 부재.
제3항에 있어서, 자동차용 하부 부재인 것을 특징으로 하는, 이형 단면 통 형상 부재.