KR102105653B1 - 서로 다른 두께 편차를 갖는 테일러 레이어드 튜브 및 그 제조 방법 - Google Patents

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한상욱
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Abstract

본 발명은 용접을 수행하지 않고 하이드로포밍을 이용하여 국부적으로 서로 다른 두께 편차를 갖는 테일러 레이어드 튜브 및 이 금속 튜브를 용이하게 제작할 수 있는 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 테일러 레이어드 튜브는, 내측 튜브와, 상기 내측 튜브보다 큰 직경을 갖도록 되어 내측 튜브의 외측에 배치되는 외측 튜브와, 상기 내측 튜브와 외측 튜브 사이에 배치되며 내측 튜브 및 외측 튜브와 다른 길이를 갖도록 되어 내측 튜브 및 외측 튜브 사이에서 국부적으로 배치되는 적어도 1개 이상의 중간 튜브를 포함하며, 상기 내측 튜브와 중간 튜브와 외측 튜브가 적층된 상태에서 액압성형되어 중간 튜브가 배치된 영역에서는 내측 튜브와 중간 튜브와 외측 튜브가 순차적으로 밀착되고, 중간 튜브가 없는 영역에서는 내측 튜브가 외측 튜브에 직접 밀착되면서 국부적으로 다른 두께를 갖는 영역이 연속적으로 배열된 구조를 갖는다.

Description

서로 다른 두께 편차를 갖는 테일러 레이어드 튜브 및 그 제조 방법{Tailor Layered Tube And Method for Manufacturing the Same}
본 발명은 서로 다른 두께 편차를 갖는 튜브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액압성형(hydroforming)을 이용하여 서로 다른 두께 편차를 갖도록 제작된 테일러 레이어드 튜브(tailor layered tube) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
튜브 액압성형 공정은 튜브 내부에 정수압을 적용시키는 동시에 튜브의 축 방향으로 압축 하중을 가하여 외부 금형의 형상에 따라 점차적인 소성변형을 발생시켜 성형하는 공정 기술이다. 이러한 튜브액압성형은 국부적으로 상이한 특성(두께, 강도, 기계적 성질)을 갖는 관형 부품을 제조하는데 어려움이 있다.
이러한 어려움을 해결하기 위해, 도 1에 도시한 것과 같이 이종(異種) 두께 또는 이종 재질을 갖는 튜브와 튜브를 서로 용접하여 테일러 용접 튜브(tailor welded tube; TWT)를 제작하고, 이 테일러 용접 튜브(tailor welded tube; TWT)를 액압성형하여 국부적으로 상이한 특성을 갖는 튜브형 부품을 제조하고 있다.
또한 대한민국 등록특허 제10-0283366호에는 이종(異種) 두께 또는 이종 재질을 갖는 다수의 플레이트를 레이저 용접으로 결합하여 테일러드 용접 블랭크(tailor welded blank)를 제작하고, 주입공이 형성된 테일러드 용접 블랭크의 테두리 부위와 주입공이 형성되지 않은 테일러드 용접 브랭크의 테두리 부위를 용접에 의해 상호 밀폐되게 결합한 후, 용접에 의해 상호 결합된 테일러드 용접 블랭크들을 지그에 고정하고, 주입공을 통해 일정 압력을 가지는 액체를 주입하여 상기 테일러드 용접 블랭크들을 원하는 형상으로 성형하는 "테일러드 용접 블랭크와 하이드로포밍 성형법을 이용한 빔 및 그 제조 방법"이 개시되어 있다.
이러한 테일러 용접 튜브(TWT) 액압성형법은 튜브 액압성형과 테일러 용접 블랭크의 장점을 모두 충족시켜 많은 산업분야에서 응용되고 있지만, 용접 이음매의 존재로 잠재적인 결함 위험성이 있다는 단점이 있다. 용접된 튜브를 액압성형하게 되면 용접선의 이동으로 인한 용접부의 파손 우려가 있으며, 이러한 결함은 금형에 손상을 입히거나 최종 제품의 성형성을 저하시키는 원인이 된다.
대한민국 등록특허 제10-0283366호(2000.12.07. 등록)
본 발명은 용접을 수행하지 않고 하이드로포밍을 이용하여 서로 다른 두께 편차를 갖는 테일러 레이어드 튜브 및 이 금속 튜브를 용이하게 제작할 수 있는 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 서로 다른 두께 편차를 갖는 테일러 레이어드 튜브는 내측 튜브와, 상기 내측 튜브보다 큰 직경을 갖도록 되어 내측 튜브의 외측에 배치되는 외측 튜브와, 상기 내측 튜브와 외측 튜브 사이에 배치되며 내측 튜브 및 외측 튜브와 다른 길이를 갖도록 되어 내측 튜브 및 외측 튜브 사이에서 국부적으로 배치되는 적어도 1개 이상의 중간 튜브를 포함하며, 상기 내측 튜브와 중간 튜브와 외측 튜브가 적층된 상태에서 액압성형되어 중간 튜브가 배치된 영역에서는 내측 튜브와 중간 튜브와 외측 튜브가 순차적으로 밀착되고, 중간 튜브가 없는 영역에서는 내측 튜브가 외측 튜브에 직접 밀착되면서 국부적으로 다른 두께를 갖는 영역이 연속적으로 배열된 구조를 갖는다.
본 발명의 첫번째 실시예에 따르면, 상기 중간 튜브는 내측 튜브와 외측 튜브의 일측부에 편향되게 위치되어 적층될 수 있다.
본 발명의 두번째 실시예에 따르면, 상기 중간 튜브는 2개가 내측 튜브와 외측 튜브의 양측부에 일정한 거리를 두고 위치되어 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 테일러 레이어드 튜브를 제조하는 방법은,
(S1) 외측 튜브 내에 내측 튜브를 삽입하고, 외측 튜브와 내측 튜브 사이에 중간 튜브를 삽입하여 소정의 위치에 정렬하는 단계;
(S2) 외측 튜브와 내측 튜브와 중간 튜브의 적층체를 금형의 캐비티에 배치하는 단계; 및,
(S3) 금형의 캐비티의 일측부를 통해 내측 튜브 내측으로 일정한 공정 압력으로 유체를 공급하여 내측 튜브의 내주면에 압력을 가함과 동시에, 상기 적층체의 양단부에 축방향으로 하중을 가하여 액압 성형하는 단계;
를 포함할 수 있다.
상기 (S3) 단계에서 공급되는 유체의 공정 압력은, 내측 튜브와 중간 튜브와 외측 튜브가 각각 소성 변형을 시작하는 항복 시작 압력을 산출하는 단계, 상기 항복 시작 압력으로부터 2겹으로 이루어진 튜브 적층체의 제1성형 압력 산출식과 3겹으로 이루어진 튜브 적층체의 제2성형 압력 산출식을 결정하는 단계, 상기 제1성형 압력 산출식 및 제2성형 압력 산출식에서 응력비(α)가 0.5 ~ 1.0 사이의 평균 압력을 성형 압력으로 결정하는 단계, 상기 제1성형 압력 산출식에서 결정된 성형 압력과 제2성형 압력 산출식에서 산출된 성형 압력의 평균값을 유체의 공정 압력으로 결정하는 단계를 순차적으로 수행하여 얻어지며, 액압성형 공정 시에 상기 결정된 유체의 공정 압력으로 내측 튜브의 내주면에 압력을 가한다.
또한 상기 (S3) 단계에서 가해지는 하중은, 튜브의 끝단부에 하중이 가해지지 않는 상태에서 유체의 내부 압력만을 튜브 내부에 적용하여 2겹으로 이루어진 튜브 적층체 및 3겹으로 이루어진 튜브 적층체의 양단부가 수축되는 거리 S1과 S2를 산출하는 단계와, 상기 산출된 거리 S1과 S2와 상기 유체의 공정 압력을 이용하여 2겹으로 이루어진 튜브 적층체 및 3겹으로 이루어진 튜브 적층체의 하중 경로 Path-2L 및 Path-3L을 산출하는 단계와, 상기 하중 경로 Path-2L 및 Path-3L의 평균값의 경로를 최적 하중 경로로 결정하는 단계를 순차적으로 수행하여 얻어진다.
본 발명에 따르면, 내측 튜브와 외측 튜브 사이에 적어도 1개 이상의 중간 튜브를 국부적으로 배치하고 액압성형하여 국부적으로 두께가 다른 테일러 레이어드 튜브를 제조할 수 있다. 따라서 용접 작업 없이 액압성형 공정만으로 국부적으로 상이한 두께를 갖는 테일러 레이어드 튜브를 제조할 수 있으므로 용접부의 존재로 인한 결함이나 파손의 우려가 없어지게 된다.
또한 최적 하중 경로 설계를 통해 형상 결함 없이 액압성형 공정을 수행 할 수 있다.
도 1은 종래의 테일러 용접 튜브(tailor welded tube; TWT)에 대한 액압성형 이전과 이후 상태를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 테일러 레이어드 튜브(tailor layered tube)의 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 2의 I-I 선 단면도와 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 4는 본 발명의 첫번째 실시예에 따른 테일러 레이어드 튜브의 액압성형(hydroforming) 이전 및 액압성형 이후 상태를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 첫번째 실시예((A) 도면)와 두번째 실시예((B) 도면)에 따른 테일러 레이어드 튜브의 액압성형 이전의 초기 상태를 나타낸 단면도이다.
도 6은 3겹으로 된 튜브와 2겹으로 된 튜브에 작용하는 유체의 압력을 나타낸 도면이다.
도 7은 3겹으로 된 튜브와 2겹으로 된 튜브에 작용하는 응력비 변화에 따른 유체의 공정 압력을 나타낸 그래프이다.
도 8은 축 방향 피딩없이 액압성형 공정을 수행할 때 발생하는 수축 스트로크의 크기를 유한요소해석을 통해 측정하는 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 테일러 레이어드 튜브의 액압성형 공정을 위한 최적 하중 경로를 산출하는 예를 나타낸 그래프이다.
도 10은 축 방향 하중 없이 액압성형이 진행 될 때 첫번째 실시예의 테일러 레이어드 튜브와 두번째 실시예의 테일러 레이어드 튜브에 대한 자유 팽창 단계에서의 변형거동을 유한요소해석을 통해 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 첫번째 실시예와 두번째 실시예에 따른 테일러 레이어드 튜브에 대한 액압성형 시의 두께 변화를 나타낸 그래프이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 테일러 레이어드 튜브 및 그 제조 방법을 후술된 실시예들에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 테일러 레이어드 튜브(tailor layered tube)를 나타낸 것으로, 테일러 레이어드 튜브는 국부적으로 서로 다른 두께 편차를 갖는다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 테일러 레이어드 튜브는 내측 튜브(11)와, 상기 내측 튜브(11)보다 큰 직경을 갖도록 되어 내측 튜브(11)의 외측에 배치되는 외측 튜브(12)와, 상기 내측 튜브(11)와 외측 튜브(12) 사이에 배치되며 내측 튜브(11) 및 외측 튜브(12)와 다른 길이를 갖도록 되어 내측 튜브(11) 및 외측 튜브(12) 사이에서 국부적으로 배치되는 적어도 1개 이상의 중간 튜브(13)를 포함하며, 상기 내측 튜브(11)와 중간 튜브(13)와 외측 튜브(12)가 적층된 상태에서 액압성형되어 중간 튜브(13)가 배치된 영역에서는 내측 튜브(11)와 중간 튜브(13)와 외측 튜브(12)가 순차적으로 밀착되고, 중간 튜브(13)가 없는 영역에서는 내측 튜브(11)가 외측 튜브(12)에 직접 밀착되면서 국부적으로 서로 다른 두께를 갖는 영역이 연속적으로 배열된 구조를 갖는다.
이 실시예에서 테일러 레이어드 튜브의 두께가 변화하는 영역은 확관되는 영역 내에 존재하며, 확관되는 영역은 도 2에 도시한 것과 같이 원통형이 아닌 형태를 가질 수 있다.
내측 튜브(11)와 외측 튜브(12)와 중간 튜브(13)는 액압성형 이전에는 직경이 일정한 원통관 형태를 가질 수 있으며, 액압성형 이후에는 일부분이 확장되면서 변형되어 원통형 또는 타원형, 또는 다각형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 4는 테일러 레이어드 튜브의 액압성형(hydroforming) 이전과 이후 상태를 나타낸 것으로, 본 발명의 테일러 레이어드 튜브는 서로 겹쳐지는 튜브의 갯수를 국부적으로 달리하여 액압성형함으로써 국부적으로 서로 다른 두께를 갖게 된다.
즉, 두께가 상대적으로 두꺼운 부분은 내측 튜브(11)와 외측 튜브(12) 사이에 중간 튜브(13)를 개재하여 적층하고 두께가 상대적으로 얇은 부분은 내측 튜브(11)와 외측 튜브(12) 만으로 적층하여 튜브 적층체(10)를 마련한 다음, 액압성형용 금형(100)의 캐비티(110) 내에 상기와 같이 겹쳐진 튜브 적층체(10)를 배치한 후 내측 튜브(11) 내측에 유체를 공급하여 내측 튜브(11)에 반경방향으로 소정의 공정 압력을 가함과 동시에 튜브 적층체(10)의 양단부에 축방향으로 펀치(120)의 하중을 가함으로써 액압 성형하면, 내측 튜브(11)와 중간 튜브(13)와 외측 튜브(12)의 3겹 부분(3-layered portion), 및 내측 튜브(11)와 외측 튜브(12)의 2겹(2-layered portion)이 반경방향 외측으로 확장되면서 캐비티(110)의 면에 밀착되어 원하는 형태로 성형된다.
도 5는 테일러 레이어드 튜브의 액압성형 전 상태를 나타낸 실시예로서, 도 5의 (A)에 도시된 첫번째 실시예는 중간 튜브(13)가 내측 튜브(11)와 외측 튜브(12)의 일측부에 편향되게 위치되어 적층된 구조로서, 액압성형을 거치게 되면 도 2 내지 도 4에 도시한 것과 같은 3층/2층(두꺼운 층/얇은 층)의 두께 편차를 갖는 테일러 레이어드 튜브로 성형된다.
그리고, 도 5의 (B)에 도시된 두번째 실시예는 2개의 중간 튜브(13)가 내측 튜브(11)와 외측 튜브(12)의 양측부에 일정한 거리를 두고 위치되어 적층됨으로써 액압성형 후 양측이 두껍고 가운데가 얇은 3층/2층/3층(두꺼운 층/얇은 층/두꺼운 층)의 두께 편차를 갖는 테일러 레이어드 튜브로 성형된다.
이와 같이 복수의 튜브를 적층하여 국부적으로 서로 다른 두께 편차를 갖는 테일러 레이어드 튜브를 제조하는 방법은 다음과 같은 단계로 이루어진다.
외측 튜브(12) 내에 내측 튜브(11)를 삽입하고, 외측 튜브(12)와 내측 튜브(11) 사이에 중간 튜브(13)를 삽입하여 소정의 위치에 배치한다. 이 때 중간 튜브(13)를 상대적으로 두께를 두껍게 할 부분에 정렬한다.
그리고 도 4에 도시한 것과 같이 상기와 같이 적층된 외측 튜브(12)와 내측 튜브(11)와 중간 튜브(13)의 적층체를 금형(100)의 캐비티(110)에 배치한 다음, 상기 캐비티(110)의 양단부에 한 쌍의 펀치(120)를 튜브 적층체의 양단부와 연접하게 설치한다.
이어서 상기 캐비티(110)의 일측부에 설치된 펀치(120)의 유체주입구(121)를 통해 내측 튜브(11)의 내측으로 일정한 공정 압력으로 유체를 공급하여 내측 튜브(11)의 내주면에 반경방향 외측으로 압력을 가함과 동시에, 펀치(120)를 통해 튜브의 적층체의 양단부에 축방향으로 하중을 가하여 액압 성형한다.
전술한 것과 같이 테일러 레이어드 튜브는 상대적으로 두께가 두꺼워야 하는 부분에 중간 튜브(13)를 국부적으로 개재하여 액압성형함으로써 국부적으로 서로 다른 두께 편차를 갖게 한 것으로, 액압성형을 수행하는 금형(100)의 캐비티(110) 내에서 적층되는 튜브의 개수가 국부적으로 다르기 때문에 액압성형시 유체의 공정 압력과 축방향 피딩(feeding)을 정밀하게 제어하지 않으면 튜브가 캐비티(110)의 면에 완전히 밀착되지 않거나 주름이 발생하여 원하는 형태로 성형되지 많고 불량이 발생할 수 있다.
따라서 본 발명은 아래와 같이 테일러 레이어드 튜브의 액압성형을 위한 유체의 공정 압력과 축방향 피딩을 위한 하중을 설정한다.
먼저, 내측 튜브(11) 내로 공급되는 유체의 공정 압력은, 내측 튜브(11)와 중간 튜브(13)와 외측 튜브(12)가 각각 소성 변형을 시작하는 항복 시작 압력을 산출하는 단계, 상기 항복 시작 압력으로부터 2겹으로 이루어진 튜브 적층체의 제1성형 압력 산출식과 3겹으로 이루어진 튜브 적층체의 제2성형 압력 산출식을 결정하는 단계, 상기 제1성형 압력 산출식 및 제2성형 압력 산출식에서 응력비(α)가 0.5 ~ 1.0 사이의 평균 압력을 성형 압력으로 결정하는 단계, 상기 제1성형 압력 산출식에서 결정된 성형 압력과 제2성형 압력 산출식에서 산출된 성형 압력의 평균값을 유체의 공정 압력으로 결정하는 단계를 순차적으로 수행하여 산출된다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 6을 참조하면, 내측 튜브(11)와 중간 튜브(13)와 외측 튜브(12)의 압력 조건은 다음과 같다.
내측 튜브 :
Figure 112018128719348-pat00001
중간 튜브 :
Figure 112018128719348-pat00002
외측 튜브 :
Figure 112018128719348-pat00003
여기서, Pf는 내측 튜브 내에 가해지는 유체의 공정 압력이고, Pic는 내측 튜브와 중간 튜브 사이에서 발생하는 접촉 압력, Pco는 중간 튜브와 외측 튜브 사이에서 발생하는 접촉 압력, Pio 는 내측 튜브와 외측 튜브 사이에서 발생하는 접촉 압력을 의미한다.
항복이 발생하는 압력은 튜브가 소성 변형을 시작하는 압력으로 각 튜브 층의 항복 시작 압력을 계산하면 다음과 같다.
외측 튜브의 항복 시작 압력 :
Figure 112018128719348-pat00004
중간 튜브의 항복 시작 압력 :
Figure 112018128719348-pat00005
내측 튜브의 항복 시작 압력 :
Figure 112018128719348-pat00006
여기서, σy는 항복 응력을 의미하고, d0는 튜브의 초기 직경, t0는 튜브의 초기 두께를 의미하는데, σy는 항복 응력이고, 각 파라미터의 위첨자 중 i는 내측(inner) 튜브, c는 중간 튜브, o는 외측(outer) 튜브에 대한 것을 의미한다.
상기한 항복 시작 압력의 수학식을 정리하여 2겹으로 이루어진 튜브 적층체와 3겹으로 이루어진 튜브 적층체의 항복 시작 압력을 정리하면 다음과 같다.
2겹으로 이루어진 튜브 적층체 :
Figure 112018128719348-pat00007
3겹으로 이루어진 튜브 적층체 :
Figure 112018128719348-pat00008
여기서 α는 응력비(stress ratio)를 나타낸다.
상기 항복 시작 압력을 이용하여 외측 튜브(12), 중간 튜브(13), 내측 튜브(11)의 성형 압력을 정리하면 다음과 같다.
외측 튜브 :
Figure 112018128719348-pat00009
중간 튜브 :
Figure 112018128719348-pat00010
내측 튜브 :
Figure 112018128719348-pat00011
상기 3개의 수학식을 정리하여 2겹으로 이루어진 튜브 적층체와 3겹으로 이루어진 튜브 적층체의 성형 압력을 정리하면 다음과 같다.
2겹으로 이루어진 튜브 적층체 :
Figure 112018128719348-pat00012
3겹으로 이루어진 튜브 적층체 :
Figure 112018128719348-pat00013
Figure 112018128719348-pat00014
전술한 것과 같이, 각 파라미터의 위첨자 중 i는 내측(inner) 튜브, c는 중간 튜브, o는 외측(outer) 튜브에 대한 것을 의미하며, 아래첨자 중 i는 instantaneous, o는 original 을 의미한다. 상기 식에서 K는 강도계수(strength coefficient)로서
Figure 112020012210114-pat00027
는 외측 튜브의 강도계수(strength coefficient)이고,
Figure 112020012210114-pat00028
는 외측 튜브의 순간 두께(instantaneous thickness),
Figure 112020012210114-pat00029
는 외측 튜브의 순간 직경(instantaneous diameter), n은 변형경화지수(strain hardening exponent)를 나타낸다.
상기한 성형 압력에 대한 수학식을 이용하여 응력비(α)에 따른 내부압력을 도식화 하면 도 7과 같다. 도 7을 통해 순수 전단 상태(α=-1)인 경우 최소 성형 압력이 얻어졌고, 평면 변형 상태(α=0.5)인 경우 최대 성형 압력이 얻어졌다. 실제 액압성형공정 시 응력비(α)는 0.5와 1 사이에 존재하기 때문에 α=0.5와 α=1사이의 평균 압력이 튜브가 금형의 캐비티에 접촉하기 직전 즉, 자유 팽창 단계(free bulging stage)에서의 최대 하중으로 간주한다. 도 7의 그래프에서 2겹으로 이루어진 튜브와 3겹으로 이루어진 튜브의 성형 압력은 각각 63.6 MPa, 87.1 MPa로 나타나 있다. 본 발명의 테일러 레이어드 튜브의 경우 2겹으로 이루어진 튜브와 3겹으로 이루어진 튜브가 혼합되어 있기 때문에 평균값인 75.3MPa을 적용한다.
또한 테일러 레이어드 튜브를 액압 성형할 때 누수를 방지하기 위하여 튜브 적층체의 양끝단을 축방향으로 피딩(feeding)하는 작업이 필요하다. 튜브 적층체의 양 끝단이 수축되는 양 만큼 적절한 축방향 피딩을 적용해야 공정 중 누수가 발생하지 않는다. 즉, 양 끝단의 수축 스트로크 S1과 S2의 합인 Stotal 값 보다 피딩량이 작게 되면 누수가 발생하므로 Stotal 이상의 축 방향 하중을 적용해야 한다(도 8 참조).
튜브 액압성형 시 축 방향 피딩을 적용시키지 않고 성형을 진행한 뒤 튜브 양 끝단이 수축되는 정도를 측정하는 방법으로 적절한 피딩량을 측정할 수 있다.
구체적으로, 테일러 레이어드 튜브의 액압성형시 적용되는 축방향 피딩을 위한 하중은, 튜브의 끝단부에 축방향 피딩을 위한 축방향 하중이 가해지지 않는 상태에서 유체의 내부 압력만을 튜브 내부에 적용하여 2겹으로 이루어진 튜브 적층체 및 3겹으로 이루어진 튜브 적층체의 양단부가 수축되는 거리 S1과 S2를 유한요소해석을 통해 산출한다.
표 1은 유한요소해석에 의해 산출된 2겹의 튜브 적층체와 3겹의 튜브 적층체에 대한 수축 거리 S1과 S2의 예이다.
S1(㎜) S2(㎜) Stotal(㎜)
2겹 튜브(two-layered tube) 5.24 5.23 10.47
3겹 튜브(three-layered tube) 3.24 3.22 6.46
그리고 표 1과 같이 산출된 거리 S1과 S2와 도 7에 도시한 것과 같은 유체의 공정 압력을 이용하여, 도 9에 도시한 것과 같이 2겹으로 이루어진 튜브 적층체 및 3겹으로 이루어진 튜브 적층체의 하중 경로 Path-2L 및 Path-3L을 산출한다.
테일러 레이어드 튜브는 2겹의 튜브와 3겹의 튜브가 혼합된 구조를 갖기 때문에 각각의 스트로크 사이 값을 가져야 한다. 따라서 상기 하중 경로 Path-2L 및 Path-3L의 평균값의 경로를 테일러 레이어드 튜브의 액압성형 공정을 위한 최적 하중 경로로 결정하여 적용한다.
도 10은 축 방향 피딩을 위한 축방향 하중 없이 액압성형이 진행 될 때 자유 팽창 단계에서의 변형거동을 나타낸 것으로, 도 10의 (A) 도면은 도 5의 (A) 도면에 도시한 첫번째 실시예에 대한 변형거동이고, 도 10의 (B) 도면은 도 5의 (B) 도면에 도시한 두번째 실시예에 대한 변형거동을 나타낸다.
첫번째 실시예와 두번째 실시예 모두 2층 영역이 먼저 다이 내부 벽과 접촉하고 자유 팽창이 완료된다. 3층 영역의 경우 계속해서 팽창이 진행되고 있다. 압력이 점차적으로 증가할수록 2층 영역은 켈리버레이션 단계에 진입하고 3층 영역은 금형의 캐비티 내부 벽과 접촉하여 자유 팽창이 완료된다.
최적 하중 경로의 효과를 입증하기 위해 도 9의 하중 경로 Path-3L과 Path-2L을 따라 스테인레스스틸 재질의 테일러 레이어드 튜브에 대해 액압성형 실험을 한 결과, 하중 경로 Path-3L을 따르게 되면 공정이 완료되기 전에 누수가 발생하였고 3층 영역은 2층 영역에 비해 거의 성형되지 않았다. 즉, 첫번째 실시예와 두번째 실시예 모두 충분한 성형이 이뤄지지 않는다는 것을 알 수 있다.
그리고 하중 경로 Path-2L을 따라 가면 3층과 2층 사이 영역에서 주름(wrinkle)이 발생하는 것으로 확인되었다. 이는 과도한 축 방향 이송으로 인해 2층 영역에 더 많은 변형이 집중되기 때문이다.
또한 하중 경로 Path-3L과 Path-2L 사이의 최적 하중 경로를 따라 액압성형 실험을 한 결과, 첫번째 실시예와 두번째 실시예 모두 결함 없이 성공적으로 성형되는 것으로 확인되었다.
도 11은 도 5에 도시한 첫번째 실시예와 두번째 실시예에 대한 액압성형 시의 두께 변화를 실험을 통해 나타낸 것이다. 첫번째 실시예의 경우 평균 두께는 3층 영역이 3.65mm, 2층 영역이 2.64mm이다. 두번째 실시예의 경우 평균 두께는 3층 영역이 3.66mm, 2층 영역이 2.61mm이다. 도 11에서 나타낸 것과 같이 튜브의 최적 조합을 통해서 두께를 선택적으로 제어 가능하다는 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면 용접 작업 없이 액압성형 공정만으로 국부적으로 상이한 두께를 갖는 테일러 레이어드 튜브를 제조할 수 있게 된다.
또한 최적 하중 경로 설계를 통해 형상 결함 없이 액압성형 공정을 수행 할 수 있다는 것 또한 확인 할 수 있다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
10 : 튜브적층체 11 : 내측 튜브(inner tube)
12 : 외측 튜브(outer tube) 13 : 중간 튜브(center tube)
100 : 금형 110 : 캐비티
120 : 펀치 121 : 유체주입구

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 내측 튜브와, 상기 내측 튜브보다 큰 직경을 갖도록 되어 내측 튜브의 외측에 배치되는 외측 튜브와, 상기 내측 튜브 및 외측 튜브와 다른 길이를 갖도록 되어 내측 튜브와 외측 튜브 사이에 국부적으로 배치되는 적어도 1개 이상의 중간 튜브를 포함하며,
    상기 내측 튜브와 중간 튜브와 외측 튜브가 적층된 상태에서 액압성형되어 중간 튜브가 배치된 영역에서는 내측 튜브와 중간 튜브와 외측 튜브가 순차적으로 밀착되고, 중간 튜브가 없는 영역에서는 내측 튜브가 외측 튜브에 직접 밀착되면서 국부적으로 다른 두께를 갖는 영역이 연속적으로 배열되는 테일러 레이어드 튜브를 제조하는 방법으로서,
    (S1) 외측 튜브 내에 내측 튜브를 삽입하고, 외측 튜브와 내측 튜브 사이에 중간 튜브를 삽입하여 소정의 위치에 정렬하는 단계;
    (S2) 외측 튜브와 내측 튜브와 중간 튜브의 3겹으로 이루어진 적층체와, 외측 튜브와 내측 튜브의 2겹으로 이루어진 적층체를 금형의 캐비티에 배치하는 단계; 및,
    (S3) 금형의 캐비티의 일측부를 통해 내측 튜브 내측으로 일정한 공정 압력으로 유체를 공급하여 내측 튜브의 내주면에 압력을 가함과 동시에, 상기 적층체의 양단부에 축방향 피딩을 위한 축 방향 하중을 가하여 액압 성형하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 (S3) 단계에서 공급되는 유체의 공정 압력은, 내측 튜브와 중간 튜브와 외측 튜브가 각각 소성 변형을 시작하는 항복 시작 압력을 산출하는 단계, 상기 항복 시작 압력으로부터 2겹으로 이루어진 튜브 적층체의 제1성형 압력 산출식과 3겹으로 이루어진 튜브 적층체의 제2성형 압력 산출식을 결정하는 단계, 상기 제1성형 압력 산출식 및 제2성형 압력 산출식에서 응력비(α)가 0.5 ~ 1.0 사이의 평균 압력을 성형 압력으로 결정하는 단계, 상기 제1성형 압력 산출식에서 결정된 성형 압력과 제2성형 압력 산출식에서 산출된 성형 압력의 평균값을 유체의 공정 압력으로 결정하는 단계를 순차적으로 수행하여 얻어지며,
    상기 (S3) 단계에서 가해지는 축방향 하중은, 튜브의 끝단부에 축방향 피딩을 위한 축방향 하중이 가해지지 않는 상태에서 유체의 내부 압력만을 튜브 내부에 적용하여 2겹으로 이루어진 튜브 적층체 및 3겹으로 이루어진 튜브 적층체의 양단부가 수축되는 거리 S1과 S2를 산출하는 단계와, 상기 산출된 거리 S1과 S2와 상기 유체의 공정 압력을 이용하여 2겹으로 이루어진 튜브 적층체 및 3겹으로 이루어진 튜브 적층체의 하중 경로 Path-2L 및 Path-3L을 산출하는 단계와, 상기 하중 경로 Path-2L 및 Path-3L의 평균값의 경로를 최적 하중 경로로 결정하는 단계를 순차적으로 수행하여 얻어지는 테일러 레이어드 튜브의 제조 방법.
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