KR101661837B1 - 이경관상 부품의 제조 방법 및 성형 금형 - Google Patents

Abstract

금속판의 블랭크를 프레스 성형하여 소경부, 대경부 및 상기 소경부와 상기 대경부 사이의 직경 변화부로 구성되는 이경관상 부품으로 만드는 이경관상 부품의 제조 방법으로서, 상기 블랭크를 U 자 성형 금형으로 프레스 성형하여 U 자 성형품으로 만들고, 이것을 O 자 성형 금형으로 프레스 성형하여 원 단면 성형품으로 만드는 공정을 갖고, 상기 U 자 성형 금형에는, 상기 U 자 성형품의 세로 벽부 길이보다 긴 세로 벽 길이를 갖게 한 금형을 사용하고, 상기 O 자 성형 금형에는, 금형 맞춤 라인을 하부 경사 방향으로 취하여, 상기 블랭크의 판 두께 (t) 와 상기 소경부, 대경부에 대응하는 금형 부분의 직경 (D) 의 비인 t/D 가 0.010 ≤ t/D ≤ 0.080 인 금형을 사용하고,
(1) 식 : 둘레 방향의 압축 변형 = (관 둘레 방향이 되는 판 폭 방향의 블랭크 폭 - 금형의 둘레 길이)/금형의 둘레 길이 × 100 (％)
로 나타내는 둘레 방향의 압축 변형이 0.5 ％ 이상인 것으로 하였다.

Description

이경관상 부품의 제조 방법 및 성형 금형{METHOD FOR MANUFACTURING PIPE WITH DIFFERENT DIAMETER ALONG LONGITUDINAL DIRECTION AND DIE FOR FORMING}

본 발명은, 이경관상 부품 (pipe with different diameter along longitudinal direction) 의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는, 금속판 (예를 들어 인장 강도 (TS) 가 300 ㎫ 이상인 고강도 강판) 의 블랭크를 사용하여 프레스 성형에 의해 제조된, 치수 정밀도가 우수하고 또한 생산성이 높은, 이경관상 부품 (관축 방향으로 관경이 상이한 부분을 갖는 관상 부품을 의미한다) 의, 상기 프레스 성형에 의한 제조 방법과 프레스 성형 금형에 관한 것이다.

여기서, 블랭크란, 성형 가공용의 소재로서, 원판으로부터 잘라 내어지고, 상기 성형 가공 후의 관상 부품 형상에 대응한 형상의 단일 평판이다.

자동차용 부품의 일부에, 강성이나 충돌 강도가 우수한 관상 부품 (단면이 원형상) 이 사용되고 있다. 또, 타부품과의 접합의 관점에서 이경관상으로 된 부품도 상당수 사용되고 있다. 이경관상 부품을 얻는 제조 프로세스로서, UOE 프로세스나 롤 포밍 등으로 제조한 금속관을 사용하여, 입구 조임 가공 (reducing), 입구 확장 가공 (flaring), 하이드로포밍 (hydroforming) 등의 관재의 2 차 가공을 실시하는 방법 (종래 기술 I 이라고 한다) 이 있다. 또, 프레스 성형에 의해 제조한 이경관상 부품 및 그 제조 방법에 관한 종래 기술로서, 성형 후의 판 두께 감소, 주름 등의 문제를 회피하기 위해서 블랭크 형상을 연구하여, U 자형으로의 성형 후 O 자형으로의 성형을 실시하는 성형 방법이 공지되어 있다 (특허문헌 1 참조 ; 종래 기술 II 라고 한다).

일본 특허공보 제4713471호

상기 종래 기술 I 은, 관재 제조 후에 입구 조임 가공, 입구 확장 가공, 튜브 포밍 등의 2 차 가공을 실시하는 것이기 때문에, 전용 가공기가 필요해져서, 생산성의 저하나 비용 상승을 초래한다. 또, 축경 가공 (reducing) 이나 확관 가공 (flaring) 은 주로 관 끝 근방의 가공에 한정되는 경우가 많아, 범용성에 난점이 있다. 튜브 하이드로포밍은, 길이 방향으로 단면 형상을 자유롭게 변화시키는 것이 가능하지만, 장출 (張出) 변형부는 판 두께가 크게 감소하기 때문에, 균일한 판 두께의 부품을 얻는 것이 곤란하다. 또, 성형 시간이 길기 때문에 생산성에 난점이 있다.

상기 종래 기술 II 는, O 자 성형 (O-shape forming) 시, U 자 성형품 (U-shape forming) 의 세로 벽부를 상부 몰드에 삽입시키기 위해서, 가이드 블레이드라고 하는 중자 (中子) 를 필요로 하고, 또, U 자 성형 전에 블랭크 단부를 내측으로 구부리는 공정이 필요해진다. 또, 상기 종래 기술 I 에는, 성형품의 단면 치수 정밀도에 관한 기재는 되어 있지 않다. 자동차 부품으로서 적용하는 경우에는, 강성 등의 부품 성능, 조립이 용이한 점에서, 단면 치수 정밀도는 중요하다. 즉 종래 기술 II 에서는, 제조 비용이나 제품의 치수 정밀도에 난점이 있다.

요컨대, 종래 기술에서는, 생산성이 양호하고, 제조 비용이 낮으며, 게다가 제품 치수 정밀도가 우수한 이경관상 부품을 제공하는 것은 불가능하다는 과제가 있었다.

발명자들은 상기 서술한 과제를 해결하기 위해 예의 검토하여, 다음의 지견을 얻었다. 즉, 소경부, 대경부 및 소경부와 대경부 사이의 직경 변화부로 구성되는 관상 부품에 있어서, 소재의 판 두께와 소경부와 대경부에 대응하는 성형 금형의 직경의 비를 적절한 범위로 함으로써, 성형 후 부품에 발생하는 주름이나 국부적인 판 두께 변화를 방지하는 것이 가능하다. 또, 성형시에 둘레 방향으로 압축 변형을 도입함으로써 부품의 진원도를 향상시키는 것이 가능하다. 나아가 U 자형으로 성형 후, 원 단면으로 성형하는 공정에서 제조할 때에 사용하는 금형에 있어서, U 자 성형 금형의 세로 벽 길이를 길게 함으로써 주름을 억제할 수 있고, 원 단면 성형 금형의 금형 맞춤 라인을 하부 경사 방향으로 함으로써 추가 공정이나 중자 없이 성형 가능하다.

본 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 금속판의 블랭크를 프레스 성형하여 소경부, 대경부 및 상기 소경부와 상기 대경부 사이의 직경 변화부로 구성되는 이경관상 부품으로 만드는 이경관상 부품의 제조 방법으로서, 상기 블랭크를 U 자 성형 금형으로 프레스 성형하여 U 자 성형품으로 만들고, 이것을 O 자 성형 금형으로 프레스 성형하여 원 단면 성형품으로 만드는 공정을 갖고, 상기 U 자 성형 금형에는, 상기 U 자 성형품의 세로 벽부 길이보다 긴 세로 벽 길이를 갖게 한 금형을 사용하고, 상기 O 자 성형 금형에는, 금형 맞춤 라인을 하부 경사 방향으로 취하여, 상기 블랭크의 판 두께 (t) 와 상기 소경부, 대경부에 대응하는 금형 부분의 직경 (D) 의 비인 t/D 가 0.010 ≤ t/D ≤ 0.080 인 금형을 사용하고, 하기 (1) 식으로 나타내는 둘레 방향의 압축 변형이 0.5 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 이경관상 부품의 제조 방법.

둘레 방향의 압축 변형 = (관 둘레 방향이 되는 판 폭 방향의 블랭크 폭 - 금형의 둘레 길이)/금형의 둘레 길이 × 100 (％) … (1)

(2) 상기 U 자 성형에 있어서, 대경부와 직경 변화부 사이에 굽힘 형상을 부여하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 에 기재된 이경관상 부품의 제조 방법.

(3) 상기 O 자 성형 금형은, 상부 금형의 원호부 정점에 홈을 갖게 하고 그 홈의 홈 폭 (W) 과 상기 블랭크의 판 두께 (t) 의 비 (W/t) 를 2.0 ∼ 3.0 으로 한 금형인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 이경관상 부품의 제조 방법.

(4) 상기 (1) ∼ (3) 중 어느 하나에 기재된 제조 방법에 사용하는 성형 금형으로서, 앞서 사용하는 상기 U 자 성형 금형과 이후 사용하는 상기 O 자 성형 금형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 성형 금형.

본 발명에 의하면, 높은 진원도를 가진 이경관상 부품을 필요 최소한의 프레스 성형 공정에서 제조하는 것이 가능해진다.

도 1 은 본 발명의 실시형태의 일례를 나타내는 입체도이다.
도 2(a) 는 도 1 의 예에 대응하는 블랭크를 나타내는 평면도이다. 도 2(b) 는, 성형시의 주름 발생의 대책으로서, 대경부와 폭 변화부의 경계에 절입을 넣은 블랭크를 나타내는 평면도이다.
도 3 은 본 발명에 관련된 O 자 성형 금형의 일례를 나타내는 측면도이다.
도 4 는 본 발명에 관련된 U 자 성형 공정의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 5 는 본 발명에 관련된 U 자 성형 금형의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 6 은 본 발명에 관련된 원 단면 성형 공정의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 7 은 본 발명에 관련된 원 단면 성형 공정의 일례 (홈 형성 상부 몰드 사용) 를 나타내는 단면도이다.

도 1 은, 본 발명의 실시형태의 일례를 나타내는 입체도이며, 도 2(a) 는, 도 1 의 예에 대응하는 블랭크를 나타내는 평면도이다. 도 1, 도 2(a) 에 있어서, 1 은 이경관상 부품, 2 는 블랭크이다. 판 두께 (t) 의 블랭크 (2) 는 프레스 성형되어 이경관상 부품 (1) 이 된다. 이경관상 부품 (1) 은, 소경부, 대경부 및 상기 소경부와 상기 대경부 사이의 직경 변화부로 구성되어 있다. 직경 변화부는 대경부와 소경부를 선형으로 연결한 형상이다. 블랭크 (2) 는, 상기 대경부, 소경부, 직경 변화부에 각각 대응시키는 대폭부 (폭 La), 소폭부 (폭 Lb), 및 이들을 연결하는 폭 변화부를 갖게 한 평면 형상으로 되어 있다. 또, 도 2(b) 는, 성형시의 주름 발생의 대책으로서 대경부와 폭 변화부의 경계에 절입을 넣은 블랭크를 나타내는 평면도이며, 본 형상의 블랭크를 사용해도 된다.

도 3 은, 본 발명에 관련된 O 자 성형 금형의 일례를 나타내는 측면도이며, 도 1 의 이경관상 부품에 대응하고 있다. 도 3 중의 A1-A2 사이 및 B1-B2 사이는 금형 맞춤면을 나타내고 있다. 금형의 하사점 (bottom dead point) 에 있어서, A1 과 B1 및 A2 와 B2 가 대응한다.

이경관상 부품 (1) 의 형상에 대하여, 주름을 억제하고, 또한, 우수한 진원도를 확보하기 위해서,

i) 블랭크 판 두께 (t) 와 소경부, 대경부에 대응하는 금형 부분의 직경 (D) (D 는 소경부의 직경 (Db), 대경부의 직경 (Da)) 의 비 (t/D), 및

ii) 둘레 방향의 압축 변형을 적절한 값으로 관리하는 것이 중요하다. 여기서, 진원도는, 이경관상 부품의 외경을 등각도 간격으로 8 개 지점 이상 측정하여, (최대 외경 - 최소 외경)/금형 직경 × 100 (％) 로 계산되는 값으로, 목표 직경에 대한 오차를 나타내는 파라미터이다. 또, 둘레 방향의 압축 변형은, 상기 (1) 식으로 계산되는 값이다.

상기 비 (t/D) 는, 진원도나 성형 중의 좌굴에 영향을 미치는 인자이다.

t/D 가 과소, 즉 판 두께가 지나치게 얇거나 혹은 직경이 지나치게 큰 경우에는, 후술하는 원 단면 성형 공정시에 좌굴이 발생하기 쉬워질 뿐더러, 둘레 방향의 압축 변형을 충분히 줄 수 없기 때문에 진원도가 열화된다. 따라서 t/D 를 0.010 이상으로 규정한다. t/D 가 과대, 즉 판 두께가 지나치게 두껍거나 혹은 직경이 지나치게 작은 경우에는, 원 단면 성형시에 블랭크가 금형에 충분히 따르지 않아, 진원도가 열화된다. 따라서 t/D 는 0.080 이하로 규정한다. 또한, D 는 상기 Db, Da 이다.

대경부와 직경 변화부에 대응하는 금형 부분이 이루는 각도 (경사 각도) (θ) 는, 대경부와 직경 변화부간의 맞댐부 근방의 성형시의 주름 발생 억제의 관점에서 30 도 이하가 바람직하다.

관 둘레 방향의 압축 변형은, 성형품 단면의 진원도 확보나 맞댐부의 열림량 (distance between edges) 을 작게 하는 데에 있어서 중요한 인자이다. 관 둘레 방향의 압축 변형을 부여함으로써, 원 단면 성형의 최종 단계에서 블랭크가 금형에 밀착하기 때문에, 진원도가 향상된다. 또, 압축 굽힘 변형으로 원 단면 성형되기 때문에, 이형 후의 스프링 백 변형이 감소하고, 맞댐부의 열림량이 감소한다. 맞댐부는 성형 후에 용접 등으로 접합하기 때문에, 열림량이 작을수록 접합시의 맞댐 정밀도가 향상되어 접합이 용이해진다. 진원도 2.0 ％ 이내로 하기 위해서, 관 둘레 방향의 압축 변형은 0.5 ％ 이상으로 규정한다. 관 둘레 방향의 압축 변형이 큰 경우, 금형 맞춤면에서의 재료의 맞물림, 성형 하중의 상승이 우려되기 때문에, 관 둘레 방향의 압축 변형은 5 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 판 두께가 얇고, 직경이 큰 경우, 압축 변형을 크게 하면 좌굴이 발생하기 때문에, t/D 가 0.020 이하에서는 압축 변형을 2.0 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 이경관상 부품은, 예를 들어 도 4 ∼ 도 7 에 나타내는 바와 같이, 블랭크 (2) 를 U 자 성형하여 U 자 성형품 (3) 을 얻는 공정과, 얻어진 U 자 성형품 (3) 을 원 단면 성형하여 원 단면 성형품 (4) 을 얻는 공정의, 2 공정을 갖는 프레스 성형에 의해 제조된다.

도 4 에 나타내는 U 자 성형은 폼 성형이며, 이것에 사용하는 U 자 성형 금형의 하부 몰드의 세로 벽 길이가 U 자 성형품 (3) 의 목표 세로 벽부 길이보다 길게 설계되는 것이 중요하다. 대경부와 직경 변화부 사이는 U 자 성형시에 주름이 발생하기 쉬운 영역이며, 주름이 발생한 상태에서 원 단면 성형을 실시하면 여러 가지의 성형 불량이나 금형 손상을 초래할 우려가 있다. 금형 세로 벽 길이를 길게 하고, U 자 성형시에 블랭크 (2) 의 U 자 성형품 세로 벽 대응부에 다림 가공을 도입함으로써, U 자 성형시에 발생하는 주름을 완화하는 것이 가능해진다. 이형 후의 U 자 성형품 (3) 의 단면 형상은, 스프링 백 변형에 의해 열린 U 자 단면 형상이 된다.

또, 도 5 에 U 자 성형 금형의 일례를 나타내는 바와 같이, U 자 성형에 있어서, 대경부와 직경 변화부 사이에 굽힘 형상을 부여함으로써, 다음 공정의 O 자 성형 동안에 대경부와 직경 변화부에 발생하기 쉬운 주름을, 보다 억제하는 것이 가능해진다. 부품의 대경부와 직경 변화부가 이루는 각도 (θ) 가 클 수록, U 자 성형시의 굽힘 각도 (θ) 를 크게 하면 주름 억제에 유효하다. 그러나, θ1 이 지나치게 크면 U 자 성형시에 세로 벽부에 주름이 발생하여 O 자 성형이 곤란해지기 때문에, θ1 은 10 도 이하가 바람직하다.

도 6 에 나타내는 원 단면 성형 금형은 상하 금형 모두 반원 형상을 갖는 형상으로, 금형 맞춤면이 수평은 아니고 하부 경사 방향인 것이 특징이다. 원 단면 성형 공정은 이하와 같다. 먼저, U 자 성형품 (3) 을 하부 몰드에 세팅하고, 상부 몰드를 강하시킨다. 이 때, U 자 성형품 (3) 은 상기 서술한 바와 같이 열린 U 자 단면 형상으로 되어 있기 때문에, 그 세로 벽부의 개단 (開端) 이 상하의 금형 맞춤면과 접촉하는데, 그 금형 맞춤면을 하부 경사 방향으로 함으로써 금형 맞춤면 상을 세로 벽부의 개단 (edge) 이 미끄러지도록 이동하기 때문에, 세로 벽부를 눌러 찌부러뜨리지 않고 성형을 진행시키는 것이 가능해진다. 금형 맞춤면은 직선이어도 되지만, 도 6, 도 7 과 같이 단부의 맞춤면 각도를 곡선상으로 변화시키는 것에 의해, 세로 벽부의 개단의 이동이 보다 매끄러워진다. 그 후, 좌우 세로 벽부의 개단끼리가 접촉하고, 굽힘 변형을 수반하면서 금형에 따르도록 변형되어, 원 단면으로 성형된다. 이형 후의 원 단면 성형품 (4) 은 스프링 백 변형에 의해 맞댐부에 열림이 발생한다. 둘레 방향의 압축 변형이 작은 경우, 금형에 대한 따름이 불충분해져, 굽힘선이 잔존하기 때문에 진원도가 저하된다. 또, 스프링 백 변형도 커지기 때문에, 맞댐부의 열림량도 커진다. 이형 후에는 맞댐부를 접합하여, 최종 제품이 된다.

상기 제조 방법에서는, 상기 서술한 바와 같이 맞댐부의 접합이 필요해진다. 접합 방법으로는, 레이저 용접, 아크 용접, 스폿 용접 등의 용접을 들 수 있다. 이 때 블랭크가 박육재 (薄肉材) 이면, 용락 (溶落) 등의 문제로 접합이 곤란한 경우가 있는데, 플랜지가 존재하면 접합이 용이해진다. 도 7 에 나타내는 바와 같이, 상부 금형 원호부의 정점에 홈을 형성함으로써, 성형 중에 좌우 세로 벽의 개단끼리가 홈 중에서 접촉하고, 그 후 원 단면으로 성형되기 때문에, 플랜지 형성 원 단면 성형품의 제조가 가능해진다. 단, 홈 폭 (W) 과 블랭크의 판 두께 (t) 의 비 (W/t) 가 2.0 미만에서는 홈에 좌우 양 선단이 들어가지 않아 원 단면의 좌굴이 발생하기 쉬워지기 때문에, W/t 는 2.0 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, W/t 가 3.0 보다 크면 플랜지가 제대로 성형되지 않아, 좌우 플랜지끼리의 맞춤면에 간극이 발생하여 접합이 곤란해질 것이 우려되기 때문에 W/t 는 3.0 이하로 하는 것이 바람직하다.

실시예

표 1 에 나타내는 기계적 특성을 갖는 강판으로부터 잘라낸 블랭크를 소재로 하고, 도 4 및 도 6, 도 7 의 형태로 표 2 에 나타내는 여러 가지의 조건으로 한 프레스 성형에 의해, 도 1 의 형상을 갖는 전체 길이 1400 ㎜ 의 원 단면 성형품을 제조하고, 이형 후, 관축 방향의 복수점에서 둘레 방향 맞댐 단부의 임시 용접을 한 다음, 그 형상을, 진원도의 측정, 및 주름·좌굴 등의 성형 불량 유무를 육안으로 판정하고 평가하였다. 진원도는, 대경부, 소경부의 각각 1 개 지점의 외경을, 원주 방향으로 22.5 도 피치로 8 개 지점 측정하고, 이하의 식으로 구하여, 대경부, 소경부의 진원도 중, 작지 않은 쪽의 값으로 평가하였다.

진원도 (％) = (최대 외경 - 최소 외경)/금형 직경 × 100

상기 평가의 결과를 표 2 에 나타낸다. 본 발명예인 No.1, 2, 4, 6, 7 ∼ 10 은 도 4 에 이어 도 6 의 공정으로 성형한 경우, No.11 ∼ 13 은 도 4 에 이어 도 7 의 공정으로 성형한 실시예이다. 또한, 대경부와 소경부간의 경사 각도는, 직경 변화부의 길이와 금형의 대경부 직경 및 소경부 직경으로부터 산출할 수 있다 (본 발명예에서는 4.8 ∼ 9.7 도). 모두 양호한 진원도를 나타내고, 또한, 주름·좌굴 등의 성형 불량도 보이지 않았다. 이에 반해, 비교예를 보면, No.14 는 t/Da 가 작기 때문에, 진원도가 열화되고, 또한 좌굴이 발생하였다. No.15 는 t/Db 가 커서 둘레 방향의 압축 변형을 크게 해도 진원도의 확보가 곤란하였다. No.16 은 진원도를 확보할 수 없었다.

1 : 이경관상 부품
2 : 블랭크
3 : U 자 성형품
4 : 원 단면 성형품

Claims (4)

1. 금속판의 블랭크를 프레스 성형하여 소경부, 대경부 및 상기 소경부와 상기 대경부 사이의 직경 변화부로 구성되는 이경관상 부품으로 만드는 이경관상 부품의 제조 방법으로서, 상기 블랭크를 U 자 성형 금형으로 프레스 성형하여, 1 쌍의 측벽부를 구비한 U 자 형상의 단면을 갖는 U 자 성형품으로 만드는 공정과, 이것을 O 자 성형 금형으로 프레스 성형하여 원 단면 성형품으로 만드는 공정을 갖고,
   상기 U 자 성형 금형은, 1 쌍의 측벽부를 포함하는 U 자 형상의 내단면을 이루는 성형면을 구비한 하부 몰드를 포함하고, 그 하부 몰드의 성형면의 측벽부의 측벽부 길이를, 상기 U 자 성형품의 대응하는 부분의 측벽부의 세로 벽부 길이보다 길게 한 금형을 사용하고,
   상기 O 자 성형 금형은, 상기 U 자 성형품을 세팅하는 하부 금형과, 그 하부 금형에 세팅된 U 자 성형품의 상기 측벽부가 접촉하는 상부 금형을 포함하고, 그 하부 금형 및 상부 금형의 각각의 성형면은, 금형 맞춤 라인으로 맞춤으로써 원형의 내단면을 이루는 원호부를 구비하고, 상기 하부 금형을 하측으로 한 단면에 있어서의 상기 금형 맞춤 라인을 상기 원형의 내단면으로부터 하부 경사 방향으로 취하여, 상기 소경부와 대경부의 각각에 대응하는 금형 부분에 있어서, 상기 블랭크의 판 두께 (t) 와, 상기 원형의 내단면의 직경 (D) 의 비인 t/D 가 0.010 ≤ t/D ≤ 0.080 이고, 또한 하기 (1) 식
   둘레 방향의 압축 변형 = (관 둘레 방향이 되는 판 폭 방향의 블랭크 폭 - 금형의 둘레 길이)/금형의 둘레 길이 × 100 (％) … (1)
   으로 나타내는 둘레 방향의 압축 변형이 0.5 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 이경관상 부품의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 U 자 성형 금형을 사용한 프레스 성형에 있어서, 측면에서 보았을 때에, 상기 대경부가 상기 직경 변화부에 대해, 상기 하부 몰드를 하측으로 하여, 상측으로 굽은 굽힘 형상을 부여하는 것을 특징으로 하는 이경관상 부품의 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 O 자 성형 금형은, 상기 상부 금형의 원호부의 정점에 홈을 갖게 하고, 그 홈의 홈 폭 (W) 과 상기 블랭크의 판 두께 (t) 의 비 (W/t) 를 2.0 ∼ 3.0 으로 한 금형인 것을 특징으로 하는 이경관상 부품의 제조 방법.
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