KR101225202B1 - 하이드로폼 가공 방법 및 하이드로폼 가공품 - Google Patents

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Abstract

확관하는 영역이 긴 하이드로폼 가공품을 좌굴 또는 주름이 잔존하지 않도록 하이드로폼 가공하는 것을 목적으로 함으로써, 금속관의 양단의 위치를 고정한 상태, 또는 전체 축압량의 10% 이하의 축압을 한 상태로 내압을 승압하고, 이어서, 내압을 일정 압력으로 유지하면서 축압함으로써, 상기 금속관의 단부 근방을 확관시키는 제1의 공정을 실시한 후, 축압하지 않고 내압을 승압시킴으로써 상기 금속관의 중앙부를 확관시키는 제2의 공정을 실시하며, 그 후 내압을 상기 일정 압력의 값까지 내리는 제3의 공정을 실시한 후, 상기 제1 내지 제3의 공정을 1회 내지 복수 회 반복한 후, 축압하지 않고, 또는 전체 축압량의 10% 이하의 축압을 한 상태로 내압을 승압하여 하이드로폼 가공 품을 얻는다.

Description

하이드로폼 가공 방법 및 하이드로폼 가공품 {HYDROFORMING METHOD AND HYDROFORMED COMPONENT}
본 발명은 금속관을 금형에 넣고, 금형을 닫은 후, 관 내에 내압과 관 축 방향의 밀기(이하, '축압'(軸押)이라고 한다)를 함으로써 소정의 형상으로 가공하는 하이드로폼 가공 방법 및 그 장치를 이용하여 가공된 하이드로폼 가공품에 관한 것이다.
최근 하이드로폼 가공은 자동차 부품 분야를 중심으로 적용이 확대되고 있다. 하이드로폼 가공의 이점은 종래 복수 개의 프레스 가공품으로 구성되어 있던 자동차 부품을 1개의 금속관으로부터 가공할 수 있다고 하는 부품 통합에 의한 비용 절감 외에도, 용접 부분이 줄어드는 것에 의한 경량화 등을 들 수 있다.
그러나, 소재가 되는 금속관의 단면은 일반적으로 동일한 형상이기 때문에, 확관율(소재 관(素管)의 둘레 길이에 대한 하이드로폼 가공 후의 둘레 길이의 비)이 큰 형상은 가공하기 곤란하였다.
또한, 하이드로폼 가공의 어려움은 확관율에 영향을 받을 뿐만 아니라, 단면 형상이나 굽힘의 유무 등에도 영향을 받고, 특히, 확관하는 부분의 길이의 영향을 크게 받는다.
예를 들면, 도 1(a)와 같은 T 성형에서는 확관하는 길이가 짧기 때문에 1.6 이상의 큰 확관율로도 용이하게 가공할 수 있다. 반면에, 도 1(b)와 같이 확관하는 부분이 긴 형상에서는 그렇게 확관율이 크지 않아도 가공하기 어렵다.
확관하는 부분이 긴 하이드로폼 가공에서는 많은 축압을 부하하지 않으면 관의 두께가 얇아져 균열이 발생하지만, 축압량이 많을수록 관의 축 방향의 좌굴(buckling)이나 주름이 생기기 쉽다.
또한, 확관하는 부분이 길다는 것은 그 영역에서는 초기 상태로 금속관과 금형이 접촉하지 않는 것을 의미하기 때문에, 좌굴이나 주름이 생기기 쉬워진다.
본 발명자들이 아는 바로는, 확관율이 1.35 이상인 영역이 원래 금속관 외경의 3.5배 이상인 하이드로폼 가공품은 없다.
일반적으로, 하이드로폼 가공으로 좌굴이나 주름을 방지하려면 내압과 축압의 부하 경로(이하, 간단히 '부하 경로'라고 부른다)를 시행 착오를 거쳐 적절한 부하 경로를 구하는 것이 중요하다.
부하 경로의 일반적인 예를 도 2에 나타낸다. 먼저 내압만을 승압하는 단계 1(관의 단부를 밀봉(seal)하기 위해 아주 작은 축압을 수반하는 경우도 있다), 내압과 축압을 꺾은 선과 같이 방향을 달리한 상태로 부하하는 단계 2, 코너를 예리(sharp)하게 가공하기 위하여 내압만을 승압하는 단계 3(코너가 없는 형상에서는 생략하는 경우도 있다, 또한 관의 단부를 밀봉하기 위해 아주 작은 축압을 수반하는 경우도 있다)으로 구성된다.
이 중, 단계 2의 적절한 경로를 구하는데 노력이 가장 많이 들고, 하이드로폼 기술자의 숙련에 의존하는 바가 크다.
특허 문헌 1에 그 일례가 소개되어 있는데, 이 방법은 미리 균열 한계선과 주름 한계선을 작성해 두고, 이 두 한계선 사이에서 부하 경로를 선택하는 방법이다.
그러나, 실제로는 이 두 한계선을 작성하기가 어렵고, 통상적으로 많은 실험이나 수치 해석의 시행착오가 필요하게 된다. 또한, 한계선 자체가 꺾은 선 모양이 되는 경우도 많은데, 그렇게 되면 그 꺾은선을 결정하기 위한 변수가 많아지기 때문에 시행착오에 많은 노력이 필요하게 된다.
또한, 특허 문헌 2에는 축압에 따라 내압을 주기적으로 변동시키는 방법이 제시되어 있다. 예를 들면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 내압을 사각형파(a)나 정현파(b)와 같이 변동시키는 방법이다.
이 방법은 균열을 방지하는 방법으로서 제창되어 있으나, 그 후의 연구에서는 주름 억제에도 효과가 있는 것으로 보고되어 있다(비특허 문헌 1 참조). 그러나, 이 방법의 부하 경로는 전술한 꺾은 선 상태의 부하 경로에 있어서의 변수에 대하여, 파형·주기·진동 폭 등의 변수가 증가하기 때문에 적정한 부하 경로를 구하는 것은 더 어려워진다.
확관하는 영역이 긴 형상을 하이드로폼하는 경우의 방법으로서는, 상기와 같은 부하 경로에 의한 방법 이외에, 금형으로 대응하는 방법도 있다.
예를 들면 특허 문헌 3에서는 가동 금형과 카운터를 병용함으로써 금속관의 좌굴을 방지하면서 긴 영역의 확관을 실현하고 있다.
그러나, 해당 방법의 금형 구조는 매우 복잡하기 때문에 금형 비용이 비싸진다. 또한, 가공 중의 제어 항목이 내압과 축압(가동 금형에 의한 축압) 뿐만이 아니라 카운터의 후퇴 위치도 제어할 수 있는 설비도 필요하다. 또한, 제어하는 항목이 증가하기 때문에, 적절한 부하 경로를 구하기 위하여 숙련이나 시행착오가 더 필요하다.
일본 공개 특허 공보 2004-230433호 일본 공개 특허 공보 2000-84625호 일본 공개 특허 공보 2004-314151호
2004년 소성 가공 춘계 강연회 논문집, (2004), 405면 2000년 소성 가공 춘계 강연회 논문집, (200O), 433면
본 발명에서는 확관하는 영역이 긴 하이드로폼 가공품을 좌굴이나 주름이 남지 않게 가공할 수 있는 가공 방법으로, 숙련이나 시행착오를 극도로 필요로 하지 않는 가공 방법을 제안한다. 또한, 해당 가공 방법으로 가공한 하이드로폼 가공품도 제안한다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명이 요지로 하는 것은 아래와 같다.
(1) 금속관 내부에 압력 매체를 공급하여 내압을 부하하고, 상기 금속관의 양단으로부터 축압을 가하여 상기 금속관을 소정의 형상으로 성형하는 하이드로폼 가공 방법에 있어서,
상기 금속관의 양단의 위치를 고정한 상태로 내압을 승압하거나 또는 전체 축압량의 10% 이하의 축압을 한 상태로 내압을 승압하고, 이어서 내압을 일정 압력으로 유지하면서 축압함으로써, 상기 금속관의 단부 근방을 확관시키는 제1의 공정을 실시한 후, 축압을 하지 않고 내압을 승압시킴으로써 상기 금속관의 중앙부를 확관시키는 제2의 공정을 실시하고, 그 후, 축압을 하지 않고 내압만을 상기 일정 압력 값까지 내리는 제3의 공정을 실시한 후, 상기 제 1 내지 제3의 공정을 1회 또는 여러 번 반복한 후에 축압을 하지 않고 또는 전체 축압량의 10% 이하의 축압을 한 상태로 내압을 승압시키는 것을 특징으로 하는 하이드로폼 가공 방법.
(2) 금속관 내부에 압력 매체를 공급하여 내압을 부하하고, 상기 금속관의 양단으로부터 축압을 하는 동시에 가동 금형을 축압하여 상기 금속관을 소정의 형상으로 성형하는 하이드로폼 가공 방법에 있어서, 상기 금속관의 양단 및 가동 금형의 위치를 고정한 상태로 내압을 승압하거나 또는 전체 축압량의 10% 이하를 축압한 상태로 내압을 승압하고, 이어서, 내압을 일정한 압력으로 유지하면서 상기 금속관의 양단과 가동 금형을 동시에 축압함으로써, 상기 금속관의 단부 근방을 확관시키는 제1 공정을 실시한 후, 상기 금속관의 양단의 축압 및 가동 금형의 축압을 하지 않고 내압을 승압시킴으로써 상기 금속관의 중앙부를 확관시키는 제2의 공정을 실시하고, 그 후, 상기 금속관의 양단의 축압 및 가동 금형의 축압을 하지 않고 내압만을 상기 일정 압력의 값까지 내리는 제3 공정을 실시한 후, 상기 제 1 내지 제3 공정을 1회 또는 여러 번 반복한 후에 축압을 하지 않고 또는 전체 축압량의 10% 이하의 축압을 한 상태로 내압을 승압시키는 것을 특징으로 하는 하이드로폼의 가공 방법.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 하이드로폼 가공 방법을 사용하여 제조한 가공품으로서, 상기 금속관의 확관되는 단면의 둘레 길이가 금속 소재 관의 단면의 둘레 길이에 대하여 1.35배 이상 확관되어 있는 영역이, 상기 금속관의 관 축 방향으로 상기 금속 소재 관의 외경의 3.5배 이상 연속되어 있는 것을 특징으로 하는 하이드로폼 가공품.
또한, 본 발명에서 금속관의 단부 근방은 내압이 일정하고 축압을 하기 전의 금속관의 길이에 대하여, 금속관의 단부로부터 35% 이내의 영역이라 정의한다. 또한, 압력 매체로는 액체, 기체 또는 고체이어도 좋고, 천연 고무, 저융점 금속, 강옥 등 압력을 전달할 수 있는 것을 모두 포함한다.
본 발명에 의하면 확관하는 영역이 긴 형상을 용이하게 하이드로폼 가공할 수 있다. 이에 의하여, 하이드로폼 가공품의 적용 범위가 확대되어 부품 통합이나 경량화를 실현할 수 있다.
도 1은 하이드로폼 가공품 형상의 예를 나타낸다.
a: T 성형의 예
b: 확관하는 부분이 긴 하이드로폼 가공품의 예
도 2는 하이드로폼 가공의 일반적인 부하 경로의 설명도를 나타낸다
도 3은 주기적으로 변동시키는 종래의 부하 경로의 예를 나타낸다.
a: 사각형파(矩形波)의 예
b: 정현파(正弦波)의 예
도 4는 본 발명 방법에서 사용한 하이드로폼 금형의 설명도를 나타낸다
a: 금형 내에 금속관을 세트한 상태의 예
b: 금속관의 가공이 종료한 상태의 예
도 5는 본 발명의 하이드로폼 가공 방법에 있어서의 부하 경로의 설명도이다.
도 6은 본 발명의 가공 공정에 있어서의 확관 상태의 설명도이다.
a: 상태 1의 예,
b: 상태 2의 예,
c: 상태 3의 예
도 7은 본 발명의 가공 공정에서 복수 개의 확관 부분을 보여주는 도중(途中) 공정의 설명도이다.
도 8은 본 발명의 가공 공정에서 전장에 걸쳐 거의 금형에 접촉한 상태의 도중 공정의 설명도이다.
도 9는 본 발명 방법에서 사용한 가동 금형을 구비한 경우의 하이드로폼 금형의 설명도이다.
a: 금형 내에 금속관을 세트한 상태의 예
b: 금속관의 가공이 종료한 상태의 예
도 10은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 사용한 부하 경로의 설명도이다.
도 11은 비교를 위하여 실시한 주기적으로 변동시키는 종래의 부하 경로의 설명도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 3 및 실시예 4에서 사용한 부하 경로의 설명도이다.
도 13은 본 발명 방법에서 관 축 방향으로 단면 형상이 변화하고 있는 경우의 설명도를 나타낸다.
a: 금형 내에 금속관을 세트한 상태의 예
b: 금속관의 가공이 종료한 상태의 예
도 14는 본 발명의 실시예 5에서 사용한 부하 경로의 설명도를 나타낸다.
도 4a, b는 하이드로폼 금형(2, 3) 내에 세트된 원형 단면의 금속관(1)을, 하이드로폼 가공에 의하여 확관되어 장방형 단면을 가진 하이드로폼 가공품(4)으로 성형하는 예를 나타내고 있다. 예를 들면, 외경 63.5 ㎜, 두께 2.0 ㎜의 강관 (강종: JIS 기술 규격 STKM13B)를 63.5 ㎜ × 84 ㎜ (코너 R=10 ㎜)의 장방형 단면으로 확관한다. 이 경우의 확관율은 1.39이다. 또한, 확관율 1.39의 영역의 길이는 320㎜ (외경 63.5 ㎜의 5배)이다.
이하, 이 하이드로폼 금형에 의한 가공을 예를 들어서, 본 발명의 실시의 형태를 도 5에 나타내는 부하 경로 및 도 6에 나타내는 변형의 추이에 따라서 설명한다.
먼저, 단계 1에서는 종래 방법과 동일하게 축압을 부하하지 않고, 금속관(1)의 내부에 압력 매체(예컨대 물)(6)를 공급하여 내압만 승압한다. 다만, 경우에 따라서는 관의 단부로부터의 밀봉의 누수를 막기 위하여 전체 축압량의 10% 이하의 아주 작은 축압을 하는 경우가 있다. 이 초기 압력 PH (㎫)는 금속관이 균열이 발생하지 않고 소성 변형되는 압력이며, 계산이나 실험으로 비교적 용이하게 구할 수 있다.
예를 들면, 발명자들이 연구한 결과, 금속관의 평면 변형 상태에 있어서의 항복 개시 압력 PP(아래 식 (1) 참조)을 초기 압력 PH의 척도로 할 수 있는 것을 알 수 있었다(비특허 문헌 2 참조). 또한, 식 중의 D는 소재 관의 외경 (㎜), t는 두께 (㎜), r은 r값을 나타내고, YS 및 YSP는 단축 인장 상태 및 평면 변형 상태의 0.2%내력을 각각 나타낸다.
Figure 112010084487130-pct00001
다만, 형상이 복잡한 경우 등에는, 상기 식과의 오차가 커지므로, 초기 압력 PH는 실험적으로 구하는 것이 확실하다. 구체적으로는, 축압을 부하하지 않고 금속관에 균열이 발생할 때까지 내압을 승압시켜서 균열이 생겼을 때의 압력을 참고로 하여 초기 압력 PH를 정한다. 예를 들면, 균열이 생긴 때의 압력의 0.7 내지 0.8배의 압력 등으로 설정한다.
이상과 같이, 계산 또는 실험으로 구한 초기 압력 PH까지 내압을 승압하는데, 이 상태는 도 5에서는 상태 1에 상당한다. 발명자들의 연구의 결과, 축압하지 않고 압력만 승압한 상태 1의 시점에서는 금속관은 중앙부(도 6a 상태 1의 M부)에서 가장 확관된다.
다음으로, 내압과 축압이 부하되는 단계 2에 들어간다.
이 단계 2에서는 축압와 승압을 교대로 반복한다. 우선 내압을 초기 압력 PH 로 유지한 채로 축압 펀치(5)를 진행시켜 축압만 부하한다. 이 조작을, 도 5의 부하 경로 확대도에 나타내는 바와 같이 제1의 공정이라고 부른다.
발명자들이 연구한 결과, 내압을 승압하지 않고 축압만 부하하는 경우에도 금속관은 확관되지만, 이 경우는 중앙부으로부터가 아닌 단부 근방(도 6b 상태 2의 N1부)에서 확관이 진행된다. 이 단부 근방으로부터의 확관이 하이드로폼 가공에 있어서의 좌굴이나 주름의 요인이 된다. 이 좌굴이나 주름의 정도는 축압 중의 내압의 승압에 의하여 어느 정도는 완화할 수 있으나, 완전하게 해소되지는 않는다. 그 밖에도 내압을 너무 높이면 균열의 위험성이 높아진다. 따라서, 적정한 내압과 축압의 부하 경로를 구하려면 많은 시행착오나 숙련이 필요하게 된다.
이에 대하여, 이 방법에서는 내압의 값은 그대로 유지하고 있기 때문에, 축압 중의 확관에서는 균열이 발생할 가능성은 거의 없다. 또한, 부하 경로의 변수도 축압량뿐이기 때문에 매우 단순하다.
상태 2까지의 축압량 δs(㎜)는 그 후의 공정에서 주름이 해소될 수 있는 정도의 축압량으로 억제할 필요가 있다. 적정한 축압량 δs를 구하는 방법으로는, 축압량을 변경한 도중에 정지한 샘플을 채취하고, 큰 주름이 생기지 않을 정도의 축압량을 선택하면 좋다. 이 적정한 축압량 δs의 값은 가공 형상이나 소재 관의 치수·강도에 따라서 다르지만, 발명자들의 연구 결과로부터, 대략 소재 관 두께의 2 내지 4배가 좋고, 더 좋기로는 3배 정도가 매우 적합하다.
다음으로, 축압을 정지시키고 내압만 승압시킨다. 이 조작을 제2의 공정이라고 부른다. 이 공정에서는 축압을 부하하지 않기 때문에 확관은 다시 중앙부(도 6c 상태 3의 M부)에서 진행한다. 상태 3에서는 관 축 방향으로 일정한 확관 형상에 가까워져, 좌굴이나 주름의 진행이 억제된다. 이 승압 시의 최대 피크 압력 PT(㎫)는 금속관에 균열이 발생하지 않는 최대한의 압력이 좋다. 즉, 전술한 초기 압력 PH을 구하였을 때의 축압 없이 균열이 발생하는 압력보다 약간 낮은 압력, 예를 들면 균열이 발생하는 압력의 0.90 내지 0.99배가 좋고, 더 좋기로는 0.95배 정도로 설정하는 것이 매우 적합하다.
이어서, 축압을 정지한 채로 일단 압력을 초기 압력 PH까지 저하시킨다. 이 조작을 제3의 공정이라고 부른다. 만일, 내압을 내리지 않고 압력 PT인 채 축압을 부하하는 계단 형태의 부하 경로로 하면, 압력이 너무 높기 때문에 금속관은 곧바로 균열이 발생하게 된다. 따라서 피크 압력 PT까지 승압한 후에 일단 초기 압력 PH까지 저하시키는 제3의 공정이 본 발명 방법으로는 매우 중요한 의미를 가진다.
이상과 같은 제1의 공정 내지 제3의 공정을 동일하게 반복하면, 중앙부와 단부 근방이 교대로 확관되어, 관 축 방향으로 균일한 확관된 형상이 된다. 또한, 도 7과 같이 N1부의 내측에 N2부와 같은 확관부가 복수 개 나타나는 경우도 있다. 그러나, 본 발명 방법의 기본적인 효과는 변하지 않고, 관 축 방향에 일정한 확관 형상을 얻을 수 있다.
이상의 제1 내지 제3의 공정을 1회 또는 복수 회 반복하면, 최후에는 도 8과 같이 관축 방향에 걸쳐 거의 전장에서 금형에 접촉한다. 이 상태가 되면 금형 구속에 의하여 균열이 발생하기 어려워지기 때문에, 축압을 정지한 채로 내압만을 승압 하는 단계 3을 실시하고, 상세 형상이나 샤프한 코너 R를 가공한다. 다만, 경우에 따라서는 관의 단부으로부터의 밀봉 누수를 막기 위하여 전체 축압량의 10% 이하의 미소한 축압을 하면서 내압을 승압하여도 좋다.
이상이 상기 (1)에서 제창한 하이드로폼 가공 방법의 실시 태양의 설명이지만, 이 방법을 가동 금형을 사용한 하이드로폼 가공에 적용한 것이 상기 (2)에서 제창한 방법이다.
이하, 그 방법의 실시 태양을 설명한다.
이 방법에서는 도 9에 나타내는 바와 같이, 고정 금형(7, 8)과 가동 금형(9, 9)으로 이루어지는 하이드로폼 금형을 사용한다. 가동 금형(9)은 고정 금형(7, 8)의 장방형 단면의 금형 내를 이동할 수 있도록 되어 있고, 금속관(1)의 양단을 축압할 때, 가동 금형도 동시에 축압되어 확관된 부분을 가동 금형에 의하여 동시에 밀어넣을 수 있다.
이 가동 금형(9)을 사용하는 경우에도, 관의 단부만을 축압하는 경우와 같이, 도 5를 이용하여 설명한 부하 경로를 이용하여 실시할 수 있다.
도 9a와 같이 세트된 금속관에 대하여, 금속관(1)의 양단 및 가동 금형(9)의 위치를 고정한 상태로 내압을 승압하거나 또는 전체 축압량의 10% 이하의 축압을 한 상태로 내압을 승압시키는 단계 1을 실시한다.
다음으로, 단계 2에서는, 먼저 내압을 일정 압력으로 유지하면서 금속관(1)의 양단과 가동 금형(9)을 동시에 축압함으로써, 금속관(1)의 단부 근방을 확관 시키는 제1 공정을 실시하며, 이어서, 내압만 승압시킴으로써 금속관(1)의 중앙부를 확관시키는 제2의 공정을 실시하고, 그 후, 내압을 상기 일정 압력의 값까지 내리는 제3의 공정을 실시한다. 또한, 이 제1 내지 제3의 공정을 1회 또는 복수 회 반복하여 거의 제품 형상으로 가공한 후에, 축압을 하지 않고 또는 전체 축압량의 10% 이하의 축압을 한 상태로 내압을 승압시켜, 도 9b와 같은 하이드로폼 가공품(4)을 얻는다.
이 가동 금형을 사용한 방법은 관의 단부만을 누르는 방법과 비교하여 확관 하지 않는 부분의 마찰 저항을 삭감할 수 있기 때문에, 큰 확관율을 달성할 수 있다. 그러나, 이 방법에서는 가공 개시 초기의 시점에 있어서, 최종적으로 얻고 싶은 가공품의 형상보다 긴 확관 영역이 존재하기 때문에, 종래의 방법은 관축 방향의 좌굴이나 주름의 발생이 통상의 하이드로폼 가공보다 일어나기 쉽다고 하는 문제가 있었다.
이에 대하여, 본 발명에 의하면, 상기 설명한 바와 같은 부하 경로를 이용함으로써, 가동 금형을 사용하였을 경우에도 상기 좌굴이나 주름 문제를 해소할 수 있으므로, 한층 더 큰 효과를 발휘할 수 있다.
이상과 같은 일련의 하이드로폼 가공 방법(통상의 하이드로폼 가공 방법 및 가동 금형을 이용한 하이드로폼 가공 방법)을 이용하면 관 축 방향이 긴 부품에서도 좌굴이나 주름이 잔존하지 않고, 또한, 확관율이 큰 가공품을 얻을 수 있다. 구체적으로는, 종래의 방법에서는 가공 불가능한 확관율 1.35 이상의 영역이 관 축 방향으로 소재 관 지름의 3.5배 이상 연속하여 존재하는 하이드로폼 가공품을 얻을 수 있다. 다만, 상기에서는 확관율 1.35 이상의 영역의 길이가 극단적으로 긴, 소재 관 지름의 5배인 예를 들어 설명하였다.
실시예
아래와 같이 본 발명의 실시예를 나타낸다.
(실시예 1)
소재 관으로는 외경 63.5 ㎜, 두께 2.0 ㎜, 길이 600 ㎜의 강관(강종: JIS 기술 규격 STKM13B)을 사용하였다. 재료 특성은 YS가 385 ㎫, r값이 0.9이다. 하이드로폼 금형은 전술한 도 4의 금형을 사용하였다. 압력 매체로 물을 사용하였다.
하이드로폼의 부하 경로를 도 10에 나타내지만, 이 부하 경로는 이하의 순서로 결정하였다.
먼저, 전술한 식 (1)보다 평면 변형 상태에 있어서의 항복 개시 압력 Pp를 계산하면 28.4 ㎫이었다. 그러나, 실제로 축압 없이 해당 강관에 균열이 발생할 때까지 내압을 승압하였더니, 26.5 ㎫에서 균열이 발생하였다. 따라서, 초기 압력 PH는 실제로 균열이 발생한 압력 26.5 ㎫의 0.76배인 20 ㎫로 설정하고, 최대 피크 압력 PT는 26.5 ㎫의 0.96배인 25.5 ㎫로 설정하였다. 다음으로, 1 사이클당 축압량 δs는 소재 관 두께 2 ㎜의 3배인 6 ㎜로 설정하였다. 이에 초기 압력 PH: 20 ㎫, 최대 피크 압력 PT: 25.5 ㎫, 축압량 δs: 6 ㎜의 사이클을 복수 회 실시하는 시험을 실시한바, 10 사이클에서 거의 전장에 걸쳐 금형과 접촉하였다. 따라서, 합계 10 사이클, 즉, 최종 축압량 60 ㎜까지 반복한 후, 축압을 정지시켜 내압만 고압으로 부하하였다. 최종 압력은 코너의 곡률 반경 R이 금형과 같은 R=10 ㎜가 되는 충분한 압력으로서 135 ㎫로 설정하였다.
이상과 같은 순서로 도 10에 나타내는 적정한 부하 경로가 결정되고, 좌굴이나 주름 등의 가공 불량이 없는 하이드로폼 가공품을 얻을 수 있었다. 또한, 종래와 같은 꺾은 선 형태의 부하 경로에서 적정한 부하 경로를 구하려고 하였더니, 합계 50회의 시행 착오를 반복하여도 가공품의 좌굴이나 주름이 해소되지 않았다. 한편, 본 발명에 의한 부하 경로에서는 합계 3개의 시행착오를 경험한 후, 4개째에 도 10과 같은 적정한 부하 경로를 얻을 수 있었다.
본 발명에 의하여 얻은 하이드로폼 가공품에서는 장방형으로 확관되어 있는 단면의 둘레 길이가 278 ㎜이고, 이것은 63.5φ의 소재 관의 1.39배의 확관율에 해당된다. 또한, 이 확관율을 가진 단면의 관 축 방향의 길이는 소재 관 외경 63.5 ㎜의 5.0배인 320 ㎜이다. 이와 같이, 종래의 하이드로폼 가공 방법으로는 불가능하였던 큰 확관율이고, 또한, 길이가 긴 하이드로폼 가공품을 본 발명 방법에서 얻을 수 있었다.
또한, 비교를 위하여, 전술한 특허 문헌 2에 기재되어 있는 주기적으로 변동시키는 부하 경로에서도 하이드로폼 가공을 시도하였다. 부하 경로를 도 11에 도시하였다. 주기의 파형은 본 발명 방법의 초기 압력 PH: 20 ㎫, 최대 피크 압력 PT: 25.5 ㎫, 축압량 δs: 6 ㎜의 사이클과 맞추어, 파형의 저압측 정점 압력을 20 ㎫, 고압측 정점 압력을 25.5 ㎫, 파장을 6 ㎜의 정현파로 하였다. 사이클 수도 10 사이클과 동일하게 하여 최종적으로 60 ㎜까지 축압한 후, 135 ㎫까지 승압하는 부하 경로로 하였다.
그러나, 실제로 하이드로폼 가공을 하였더니, 1 사이클 째에 바로 균열이 발생하였다. 본 발명 방법과 달리, 축압 중의 압력이 높기 때문이라고 생각된다. 만약을 위해 압력을 전체적으로 3 ㎫ 내려 동일한 가공을 하였더니, 균열은 방지할 수 있었지만, 가공 종료 후에 큰 주름이 남았다. 본 발명 방법과 달리, 사이클 내에서 승압할 때에 축압이 수반되기 때문에 주름이 발생하기 쉬웠다고 생각된다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일한 소재 관을 사용하여, 도 9에 나타내는 가동 금형을 사용한 하이드로폼 금형으로 실시예 1과 동일한 형상의 하이드로폼 가공품의 가공을 시도하였다. 최종적인 가공 형상에 있어서의 확관부의 길이는 320 ㎜를 실현하기 위하여, 가공 초기의 가동 금형의 위치는 미리 60 ㎜ 후퇴한 위치로부터 시작하였다. 그 이외에는 실시예 1과 완전히 동일한 도 10의 부하 경로로 가공을 하였다. 압력 매체로 물을 사용하였다.
그 결과, 본 발명에 의하여 얻은 하이드로폼 가공품에서는 장방형으로 확관 되어 있는 단면의 둘레 길이가 278 ㎜이었는데, 이것은 63.5φ의 소재 관의 1.39배의 확관율에 해당된다. 또한, 이 확관율을 가진 단면의 관축 방향의 길이는 소재 관 외경 63.5 ㎜의 5.0배인 320 ㎜이고, 실시예 1과 마찬가지로, 좌굴이나 주름 등의 가공 불량이 없는 가공품을 얻을 수 있었다. 또한, 실시예 2는 실시예 1의 부하 경로를 그대로 이용할 수 있었기 때문에, 시행착오는 모두 불필요하였다.
(실시예 3)
실시예 1과 동일한 금속관과 동일한 금형을 사용하여, 도 12에 나타내는 부하 경로로 하이드로폼 가공을 실시하였다. 이 부하 경로는 도 10의 부하 경로와 달리, 초기 압력을 올릴 때의 관의 단부 밀봉성을 높이기 위하여 미소한 축압량 3 ㎜로 밀어넣었다. 또한, 최종 승압할 때의 관의 단부 밀봉성을 높이기 위하여 미소한 축압량 3 ㎜ 밀어넣었다. 그 사이의 부하 경로는 도 10의 경우와 기본적으로 동일하게 하였지만, 합계 축압량을 60 ㎜로 동일하게 하기 때문에, 사이클 수는 1회 줄었다. 압력 매체로 물을 이용하였다.
그 결과, 본 발명에 의하여 얻은 하이드로폼 가공품에서는 장방형으로 확관 되어 있는 단면의 둘레 길이가 278 ㎜이고, 이것은 63.5φ의 소재 관의 1.39배의 확관율에 해당된다. 또한, 이러한 확관율을 가진 단면의 관축 방향의 길이는 소재 관 외경 63.5 ㎜의 5.0배인 320 ㎜이고, 이 부하 경로를 사용하더라도, 실시예 1과 동일하게, 큰 확관율로, 그리고, 길이가 긴 하이드로폼 가공품을 본 발명의 방법으로 얻을 수 있었다.
(실시예 4)
실시예 3에서 사용한 도 12의 부하 경로에서 실시예 2와 동일한 금속관과 동일한 금형으로 하이드로폼 가공을 하였다. 압력 매체로 물을 사용하였다.
그 결과, 본 발명에 의하여 얻은 하이드로폼 가공품에서는 장방형으로 확관 되어 있는 단면의 둘레 길이가 278 ㎜이고, 이것은 63.5φ의 소재 관의 1.39배의 확관율에 해당된다. 또한, 이러한 확관율을 가진 단면의 관축 방향의 길이는 소재 관 외경 63.5 ㎜의 5.0배인 320 ㎜이고, 본 가공에서도 큰 확관율이고, 또한 길이가 긴 하이드로폼 가공품을 본 발명 방법으로 얻을 수 있었다.
(실시예 5)
도 13에, 단면 형상이 관 축 방향으로 변화하고 있는 경우의 실시예를 나타낸다. 다만, 확관되는 영역(도면 중의 225 ㎜ 길이의 영역)에서는 어느 단면에서도 확관율은 1.35 이상이다. 본 실시예에 사용한 금속관은 전술한 실시예 1 내지 4에서 사용한 것과 동일한 강관이다. 또한, 부하 경로를 도 14에 나타낸다. 기본적으로는 실시예 1에서 사용한 도 10과 거의 동일한 부하 경로이지만, 확관되는 영역이 실시예 1보다 짧은 만큼 축압량이 줄어 있다. 이상과 같은 방법에 의하여, 확관율이 1.35 이상인 영역이 225㎜(소재 관 지름 63.5 ㎜의 약 3.5배)이고, 또한, 관축 방향으로 단면 형상이 변화하고 있는 하이드로폼 가공품(10)을 얻을 수 있었다.
산업상 이용 가능성
본 발명에 의하여, 확관하는 영역이 긴 형상을 가진 하이드로폼 가공이 용이하게 된다. 이에 의하여, 하이드로폼 가공품의 적용 범위가 확대되어 부품 통합이나 경량화를 실현될 수 있다. 특히 자동차 부품에의 적용은 차량의 경량화가 진행되어 연비가 향상되고, 그 결과, 지구 온난화의 억제에 공헌한다. 또한, 지금까지 적용이 진행되지 않았던 산업 분야, 예를 들면, 가전 제품, 가구, 건기 부품, 이륜 부품, 건축 부재 등에의 확장도 기대할 수 있다.
1 금속관
2, 3 하이드로폼 금형
4 하이드로폼 가공품
5 축압 펀치
6 압력 매체
7, 8 하이드로폼 금형 중 고정 금형
9 하이드로폼 금형 중 가동 금형
10 관축 방향으로 단면 형상이 변화하고 있는 하이드로폼 가공품

Claims (3)

  1. 금속관 내부에 압력 매체를 공급하여 내압을 부하하고, 상기 금속관의 양단으로부터 축압을 가하여 상기 금속관을 소정의 형상으로 성형하는 하이드로폼 가공 방법에 있어서,
    상기 금속관의 양단의 위치를 고정한 상태로 내압을 승압하거나 또는 전체 축압량의 10% 이하로 축압을 한 상태로 내압을 승압하고, 이어서 내압을 일정 압력으로 유지하면서 축압함으로써, 상기 금속관의 단부 근방을 확관시키는 제1의 공정을 실시한 후,
    축압을 하지 않고 내압을 승압시킴으로써 상기 금속관의 중앙부를 확관시키는 제2의 공정을 실시하고,
    그 후, 축압을 하지 않고 내압만을 상기 일정 압력 값까지 내리는 제3의 공정을 실시한 후,
    상기 제1 내지 제3의 공정을 1회 또는 복수 회 반복한 후에 축압을 하지 않고 또는 전체 축압량의 10% 이하의 축압을 한 상태로 내압을 승압시키는 것을 특징으로 하는 하이드로폼 가공 방법.
  2. 금속관 내부에 압력 매체를 공급하여 내압을 부하하고, 상기 금속관의 양단으로부터 축압을 하는 동시에 가동 금형을 축압하여 상기 금속관을 소정의 형상으로 성형하는 하이드로폼 가공 방법에 있어서,
    상기 금속관의 양단 및 가동 금형의 위치를 고정한 상태로 내압을 승압하거나 또는 전체 축압량의 10% 이하로 축압한 상태로 내압을 승압하고, 이어서, 내압을 일정한 압력으로 유지하면서 상기 금속관의 양단과 가동 금형을 동시에 축압함으로써, 상기 금속관의 단부 근방을 확관시키는 제1 공정을 실시한 후,
    상기 금속관의 양단의 축압 및 가동 금형의 축압을 하지 않고 내압을 승압시킴으로써 상기 금속관의 중앙부를 확관시키는 제2의 공정을 실시하고,
    그 후, 상기 금속관의 양단의 축압 및 가동 금형의 축압을 하지 않고 내압만을 상기 일정 압력의 값까지 내리는 제3 공정을 실시한 후,
    상기 제 1 내지 제3 공정을 1회 또는 복수회 반복한 후에 축압을 하지 않고 또는 전체 축압량의 10% 이하의 축압을 한 상태로 내압을 승압시키는 것을 특징으로 하는 하이드로폼의 가공 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 기재된 하이드로폼 가공 방법을 사용하여 제조한 가공품으로서, 상기 금속관의 확관되는 단면의 둘레 길이가 금속 소재 관 단면의 둘레 길이에 대하여 1.35배 이상 확관되어 있는 영역이 상기 금속관의 관 축 방향으로 상기 금속 소재 관의 외경의 3.5배 이상 연속되어 있는 것을 특징으로 하는 하이드로폼 가공품.
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