KR102304525B1 - 이종소재 조립방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이종소재 조립방법은, 알루미늄 차체부품이 되는 블랭크 타입의 알루미늄소재에, 블랭크 타입의 보강스틸소재를 클린칭하여 이종소재 패치워크를 만드는 클린칭단계; 상기 이종소재 패치워크를 형상성형하여, 상기 알루미늄소재와 보강스틸소재가 동시성형되는 형상성형단계; 및 형상성형된 상기 이종소재 패치워크의 보강스틸소재에 스틸 차체부품을 용접결합시키는 부품결합단계;를 포함하여, 이종소재들인 상기 알루미늄 차체부품과 상기 스틸 차체부품을 조립한다.

Description

이종소재 조립방법{METHOD FOR ASSEMBLING DIFFERENT MATERIALS}
본 발명은 이종소재 조립방법으로서, 서로 다른 재질의 소재를 조립하는 이종소재 조립방법에 관한 것이다.
최근 자동차 차체부품은 충돌안전규제 및 환경규제 강화로 인한 자동차 경량화 요구 증대에 따라, 초고강도소재와 알루미늄소재의 적용이 증가하고 있다.
기존에 사용되는 충돌부재 차체부품소재를 초고강도소재로 변경하여 두께를 줄이면서 강성을 증대시키는 방법으로 경량화 연구가 진행되고 있으며, 충돌보강부재 차체부품에는 철강소재를 대체하여 알루미늄 이종소재 차체부품 적용 등으로 경량화를 추구하여 고강성 경량 이종소재의 적용이 증가하는 추세이다.
그러나, 초고강도소재와 알루미늄 이종소재의 조립에 전기저항 스폿용접 방법의 적용이 어렵기 때문에, 알루미늄 이종소재 등에는 종래의 전기저항 스폿용접 방법이 아닌 SPR(Self-piercing riveting), FDS(Flow Drill Screw) 등의 이종접합 또는 알루미늄 스폿용접 등의 조립방법이 적용되고 있는 추세이다.
그런데, 이러한 경우 알루미늄소재 차체부품들끼리는 동종접합에 한해서만 알루미늄 스폿용접이 가능함에 따라 알루미늄 스폿용접 적용에 제한적이며, 알루미늄소재 차체부품과 스틸소재 차체부품에는 용접 적용이 아닌 이종접합으로의 조립적용으로 인한 종래 전기저항용접 대비 용접강성 및 접합강성의 저하로 인한 용접불량 또는 이종접합불량 등의 문제가 발생할 수 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1811416호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이종소재의 조립에 용접방식을 적용할 수 있는 이종소재 조립방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이종소재 조립방법은, 알루미늄 차체부품이 되는 블랭크 타입의 알루미늄소재에, 블랭크 타입의 보강스틸소재를 클린칭하여 이종소재 패치워크를 만드는 클린칭단계; 상기 이종소재 패치워크를 형상성형하여, 상기 알루미늄소재와 보강스틸소재가 동시성형되는 형상성형단계; 및 형상성형된 상기 이종소재 패치워크의 보강스틸소재에 스틸 차체부품을 용접결합시키는 부품결합단계;를 포함하여, 이종소재들인 상기 알루미늄 차체부품과 상기 스틸 차체부품을 조립한다.
여기에서, 본 발명은 상기 클린칭단계 이전에, 블랭크 타입의 상기 알루미늄소재에서 상기 클린칭단계 시 블랭크 타입의 상기 보강스틸소재가 접하게 될 부위에, 용접홀을 타공하는 타공단계;를 더 포함하며, 상기 부품결합단계에서, 상기 이종소재 패치워크에서 상기 알루미늄소재를 기준으로 상기 보강스틸소재의 반대측 면에 상기 스틸 차체부품을 겹친 상태로, 용접전극으로 상기 용접홀을 통해 상기 이종소재 패치워크의 보강스틸소재와 상기 스틸 차체부품을 스폿용접할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 클린칭단계와 형상성형단계 사이에, 상기 이종소재 패치워크에서 클린칭된 돌출부분을 가압성형하는 가압성형단계;를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 가압성형단계에서, 상기 이종소재 패치워크는 가압성형 프레스유닛에 의해 가압성형되며, 상기 가압성형 프레스유닛은, 상기 이종소재 패치워크가 안착되며, 펀치홀이 형성된 하부프레스; 상기 하부프레스의 상측에 배치되며, 상기 하부프레스 상에 안착된 상기 이종소재 패치워크를 압박지지하도록 상기 하부프레스 측으로 하강하는 상부프레스; 및 상기 펀치홀에 왕복이동 가능하게 장착되며, 상기 펀치홀에 연결된 가압기기에 의해 상측으로 이동되어 상기 이종소재 패치워크에서 클린칭된 돌출부분을 비돌출되게 가압성형하는 펀치;를 구비할 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 펀치는 상부에 측방향으로 돌출된 상부돌출부가 형성되고, 하부에 측방향으로 돌출된 하부돌출부가 형성되며, 상기 펀치홀은 상부에 상기 상부돌출부가 수용되는 상부단차홈이 형성되고, 하부에 상기 하부돌출부가 수용되는 하부단차홈이 형성되며, 상기 상부단차홈과 하부단차홈의 이격거리는 상기 상부돌출부와 하부돌출부의 이격거리보다 가까우며, 상기 하부돌출부가 상기 하부단차홈에 의해 걸림 시 상기 펀치의 상측이동이 차단되고, 상기 상부돌출부가 상기 상부단차홈에 의해 걸림 시 상기 펀치의 하측이동이 차단될 수 있다.
아울러, 상기 이종소재 패치워크에서 클린칭된 돌출부분이 상기 상부단차홈의 내측으로 배치되도록, 상기 상부돌출부가 상부단차홈에 받침지지 시 상기 펀치의 상면이 상기 펀치홀의 상단보다 낮게 위치될 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기 클린칭단계와 가압성형단계 사이에, 상기 이종소재 패치워크를 400℃ 내지 500℃ 가열하는 가열단계;를 더 포함할 수 있다.
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본 발명에 따른 이종소재 조립방법은, 이종소재들인 알루미늄 차체부품과 스틸 차체부품을 SPR 조립방법이나 FDS 조립방법이 아닌 상대적으로 접합강성이 높은 용접 조립방법으로 조립하도록, 별도의 보강스틸소재를 알루미늄 차체부품에 클린칭결합하여 보강스틸소재에 스틸 차체부품을 스폿용접하는 구성을 취함으로써, 이종소재들인 알루미늄 차체부품과 스틸 차체부품을 견고하면서도 결합력이 높게 조립할 수 있는 효과를 가진다.
나아가, 본 발명은 보강스틸소재를 블랭크 타입으로 마련하여, 알루미늄 차체부품이 되는 블랭크 타입의 알루미늄 소재에 클린칭하여 이종소재 패치워크를 변화시켜 하나의 부재가 되도록 함으로써, 한 번의 성형으로 알루미늄소재와 보강스틸소재를 동시에 형상성형할 수 있음에 따라, 각각의 소재를 각각 형상성형하는 경우와 비교하여, 공정시간을 줄일 수 있으며, 또한 장비비용을 절감할 수 있고, 아울러 장비의 설치공간도 줄일 수 있는 장점을 가진다.
그리고, 본 발명은 이종소재 패치워크에서 클린칭된 돌출부분이 돌출되지 않도록 내측으로 들어가게 가압성형함으로써, 형상성형 시 프레스되는 형상성형 프레스유닛의 금형과 완전히 비간섭됨에 따라, 클린칭된 부분이 파손되는 것을 방지하여 종국적으로 이종소재 패치워크의 체결력을 더욱더 견고하게 할 수 있는 이점을 지닌다.
또한, 본 발명은 이종소재 패치워크를 가압성형하기 이전에 가열함으로써 연신율을 높임에 따라, 가열후 클린칭을 하게 되면 이종소재 패치워크 소재들 간의 결합력을 증가시킬 수 있는 효과를 지닌다.
도 1은 동일소재 조립방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래기술에 따른 이종소재 조립방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 이종소재 조립방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 4는 본 발명에 따른 이종소재 조립장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종소재 조립방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종소재 조립방법을 나타낸 도면이다.
도 8은 이종소재 패치워크의 체결방법에 따른 형상성형과정을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 이종소재 조립장치에서 가압성형 프레스유닛을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9의 가압성형 프레스유닛에서 펀치가 하강 시 상부돌출부가 상부단차홈에 걸리는 것을 나타낸 도면이다
도 11은 도 9의 가압성형 프레스유닛에서 펀치가 상승 시 하부돌출부가 하부단차홈에 걸리는 것을 나타낸 도면이다
도 12는 이종소재 패치워크에서 클린칭된 돌출부분이 도 9의 가압성형 프레스유닛에 의해 가압성형되는 것을 나타낸 도면이다.
도 13은 도 12의 가압성형된 이종소재 패치워크가 형상성형되는 것을 나타낸 도면이다.
도 14는 클린칭 조립된 이종소재 패치워크에 대한 체결력 실험결과로서, 가압성형 이전 가열여부에 따른 체결력 비교도면이다.
이하, 본 발명의 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명하기로 한다. 각 도면의 구성요소들에 도면부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
기존에 스틸소재와 스틸소재는 서로 동일한 소재임에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이 전기저항 스폿용접을 통해 조립된다.
구체적으로, 스틸재질로서 수직단면이 ㄷ자 형상으로서 횡방향으로 연장된 좌측 차체부품(1)과, 이와 동일재질로서 대칭형상을 지닌 우측 차체부품(2)은 서로 조립되는데, 이러한 조립에 앞서서 둘 중 하나, 일례로서 좌측 차체부품(1)에는 스틸재질로서 상방향으로 연장된 상측 차체부품(3)이 조립된다.
여기에서, 상기 좌측 차체부품(1)과 상측 차체부품(3)은 둘 다 스틸재질로서 서로 동일한 재질이기 때문에, 스틸용 용접전극(SE)으로 전기저항 스폿용접되어 조립될 수 있다.
나아가, 다음으로 좌측 차체부품(1)과 우측 차체부품(2)도 용접전극(E)으로 전기저항 스폿용접되어 조립된다.
그런데, 차체의 경량화를 위해서는 도 2에 도시된 바와 같이, 좌측 차체부품(1)과 우측 차체부품(2)을 스틸재질이 아닌 알루미늄재질로 만들 수 있다.
이와 같이 알루미늄재질의 좌측 차체부품(1)에 스틸재질의 상측 차체부품(3)을 조립하기 위해서는, 좌측 차체부품(1)과 상측 차체부품(3)이 서로 다른 재질이기 때문에 전기저항 스폿용접으로 조립될 수 없음에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이 SPR 펀치(SP)에 의한 SPR(Self Piercing Riveting) 조립방법이나, 도 8(a)에 도시된 바와 같이 FDS(Flow Drill Screw) 조립방법으로 조립된다.
나아가, 다음으로 좌측 차체부품(1)과 우측 차체부품(2)은 서로 동일한 재질이기 때문에, 알루미늄용 용접전극(AE)으로 전기저항 스폿용접되어 조립된다.
그러나, 상술된 바와 같은 SPR 조립방법이나 FDS 조립방법으로 조립된 차체부품은, 용접 조립방법으로 조립되는 차체부품에 비하여, 조립된 부위의 접합강성이 저하됨으로써 이종접합 불량문제가 발생할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 접합강성이 우수한 용접 조립방법으로 이종소재를 조립하기 위해, 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이 별도의 보강스틸소재(30)를 활용한다.
즉, 본 발명은 이종소재들인 알루미늄 차체부품(10)과 스틸 차체부품(20)을 SPR 조립방법이나 FDS 조립방법이 아닌 상대적으로 접합강성이 높은 용접 조립방법으로 조립하도록, 별도의 보강스틸소재(30)를 알루미늄 차체부품(10)에 클린칭결합하여 보강스틸소재(30)에 스틸 차체부품(20)을 스폿용접하는 구성을 취함으로써, 이종소재들인 알루미늄 차체부품(10)과 스틸 차체부품(20)을 견고하면서도 결합력이 높게 조립할 수 있다.
참고로, 도 5에서는 보강스틸소재(30)가 알루미늄 차체부품(10)의 내측에 결합되어 활용된 것을 나타낸 도면이고, 도 6 및 도 7에서는 보강스틸소재(30)가 알루미늄 차체부품(10)의 외측에 결합되어 활용된 것을 나타낸 도면이다.
구체적으로, 본 발명에 따른 이종소재 조립방법은 도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 클린칭단계(S200), 형상성형단계(S500), 및 부품결합단계(S600)를 포함한다.
여기에서, 상기 클린칭단계(S200)는 알루미늄 차체부품(10)이 되는 블랭크 타입의 알루미늄소재(11)에, 블랭크 타입의 보강스틸소재(30)를 클린칭하여 이종소재 패치워크(P)를 만드는 단계이다.
또한, 상기 형상성형단계(S500)는 이종소재 패치워크(P)를 형상성형하여, 알루미늄소재(11)와 보강스틸소재(30)가 동시성형되는 단계이다. 이때, 블랭크 타입의 알루미늄소재(11)는 알루미늄 차체부품(10)이 된다.
그리고, 상기 부품결합단계(S600)는 형상성형된 이종소재 패치워크(P)의 보강스틸소재(30)에 스틸 차체부품(20)을 용접결합시키는 단계이다.
이와 같이 스틸 차체부품(20)이 이종소재 패치워크(P)의 보강스틸소재(30)에 스틸용 용접전극(SE)으로 용접결합됨으로써, 일측의 알루미늄 차체부품(10)에 스틸 차체부품(10)이 고정되며, 이후 이러한 일측 알루미늄 차체부품(10)에 타측 알루미늄 차체부품(10)이 알루미늄용 용접전극(AE)으로 용접결합된다.
참고로, 도 5(d) 및 도 5(e)는 스틸 차체부품(20)이 잘 보이도록, 도 5(a) 및 도 5(b)와 단순히 좌우방향이 바뀐 배치로 나타내었고, 아울러 도 6(d) 및 도 6(e)도 스틸 차체부품(20)이 잘 보이도록, 도 6(a) 및 도 6(b)와 단순히 좌우방향이 바뀐 배치로 나타내었다.
먼저, 상기 클린칭단계(S200)를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 클린칭단계(S200)에서 알루미늄 차체부품(10)을 형상성형된 상태가 아닌 평면구조의 블랭크 타입인 알루미늄 소재(11)로 마련하고, 아울러 평면구조의 블랭크 타입인 보강스틸소재(30)도 별도로 마련한다.
이어서, 이와 같이 마련된 블랭크 타입의 알루미늄소재(11)와 보강스틸소재(30)를 서로 겹치도록 배치한 다음, 클린칭유닛(200)으로 클린칭한다.
다음으로, 상기 형상성형단계(S500)는 이종소재 패치워크(P)를 형상성형 프레스유닛(500)으로 형상성형하여 알루미늄소재(11)와 보강스틸소재(30)가 동시성형되는 단계이다.
상술된 클린칭단계(S200)에서 클린칭작업으로 알루미늄소재(11)와 보강스틸소재(30)가 블랭크 타입인 상태로 결합됨으로써 이종소재 패치워크(P)로서 하나의 부재가 되는데, 이와 같이 패치워크 타입으로 변환시킴에 따라 형상성형단계(S500)에서 한 번의 성형으로 알루미늄소재(11)와 보강스틸소재(30)를 동시에 형상성형할 수 있음에 따라, 각각의 소재를 각각 형상성형하는 경우에 있어서의 두 번의 공정에 비하여 공정시간을 줄일 수 있다.
나아가, 이와 같은 형상성형을 위한 형상성형 프레스유닛(500) 하나의 기기로, 이송소재 패치워크(P)를 형상성형할 수 있음에 따라, 알루미늄소재(11)와 보강스틸소재(30) 각각의 소재를 각각 형상성형하는 경우에 있어서의 두 개의 프레스유닛과 비교하여 장비비용을 절감할 수 있고, 아울러 장비 설치공간도 줄일 수 있다.
그런데, 만약 상기 이종소재 패치워크(P)가 클린칭 조립방법이 아닌, FDS(Flow Drill Screw) 조립방법으로 조립된다면, 도 8(a)에 도시된 바와 같이 나사(S)(스크류)의 침부가 내측으로 많이 돌출되고, 아울러 나사(S)의 헤드부도 외측으로 일정 정도 돌출된 상태를 유지하게 된다.
이러한 상태에서 상술된 바와 같은 형상성형단계(S500)가 수행된다면, 즉 형상성형 프레스유닛(500)으로 프레스작업이 이루어진다면, 나사(S)와 형상성형 프레스유닛(500)의 금형이 간섭됨으로써 나사(S)가 파손되고 이종소재 패치워크(P)에서 나사조립된 부위도 손상되며 나아가 이종소재 패치워크(P)의 결합력이 저하되는 문제점이 있고, 아울러 금형도 손상되는 문제점이 있다.
그런데, 본 발명의 도 8(b)에 도시된 바와 같이 이종소재 패치워크(P)가 클린칭에 의해 만들어진 경우에는, 이종소재 패치워크(P)에서 클린칭에 의해 체결된 부위가 형상성형 프레스유닛(500)에 의해 압착됨으로써, 오히려 체결력이 증가함에 따라 이종소재 패치워크(P)의 체결이 더욱 견고해질 수 있다.
한편, 상술된 클린칭작업으로 체결된 이종소재 패치워크(P)는, 형상성형단계(S500)를 거친 다음, 부품결합단계(S600)에서 비록 도 5 및 도 6에 도시되지는 않았지만 보강스틸소재(30)의 일부분, 일례로서 알루미늄소재(11)로부터 벗어나서 상측으로 돌출된 일부분에 스틸 차체부품(20)을 전기저항 스폿용접으로 조립함으로써 이종소재 조립이 완료될 수 있다.
그런데, 이종소재의 접합강도를 더욱더 향상시키기 위해서, 보강스틸소재(30)에서 스틸 차체부품(20)을 전기저항 스폿용접하는 부분을, 알루미늄소재(11)로부터 벗어나서 돌출된 부분(일례로서 상측으로 돌출)이 아닌, 알루미늄소재(11) 내측의 대응되는 부분으로 할 수 있다.
이를 위해 본 발명은 클린칭단계(S200) 이전에, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 알루미늄소재(11)를 타공하는 타공단계(S100)를 더 포함할 수 있다.
상기 타공단계(S100)는 블랭크 타입의 알루미늄소재(11)에서 클린칭단계(S200) 시 블랭크 타입의 보강스틸소재(30)가 접하게 될 부위에, 타공유닛(100)으로 용접홀(11a)을 타공하는 단계이다.
이때, 상기 용접홀(11a)은 블랭크 타입의 알루미늄소재(11)에서 보강스틸소재(30)가 접해질 부분에 타공되어 형성되는데, 알루미늄소재(11)에 대한 보강스틸소재(30)의 보다 견고한 조립상태를 유지하기 위해 복수 개가 서로 일정 간격 이격되어 형성될 수 있다.
이후, 상기 부품결합단계(S600)에서 용접전극으로 용접홀(11a)을 통해 이종소재 패치워크(P)의 보강스틸소재(30)와 스틸 차체부품(20)을 스폿용접한다.
즉, 상기 이종소재 패치워크(P)에서 알루미늄소재(11)를 기준으로 보강스틸소재(30)의 반대측 면에 스틸 차체부품(20)을 겹친 상태로, 스틸용 용접전극(SE)으로 용접홀(11a)을 통해 이종소재 패치워크(P)의 보강스틸소재(30)와 스틸 차체부품(20)을 스폿용접한다.
그리고, 본 발명은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 종국적으로 양측에 알루미늄 차체부품이 배치조립된 실시예가 있고, 다른 실시예로서 도 7에 도시된 바와 같이 종국적으로 일측에만 알루미늄 차체부품이 사용된 실시예도 있다.
도 7에 도시된 다른 실시예는, 클린칭단계(S200) 이전에 타공이 필요없는 실시예로서, 구체적으로 띠 형상의 보강스틸소재(30)가 복수 개 마련된 후 클린칭단계(S200)에서 블랭크 타입의 알루미늄소재(11)에 클린칭되어 이종소재 패치워크(P)로 제조된 후, 형상성형단계(S500)에서 알루미늄소재(11)와 보강스틸소재(30)가 동시성형된 다음, 부품결합단계(S600)에서 스틸용 용접전극(SE)으로 보강스틸소재(30)와 스틸 차체부품(20)을 스폿용접한다.
이와 같이 일측에만 알루미늄 차체부품이 사용된 실시예에서도, 클린칭단계(S200)를 통해 이종소재 패치워크(P)를 만듦으로써 형상성형단계(S500)에서 한 번의 성형으로 알루미늄소재(11)와 보강스틸소재(30)를 동시에 형상성형할 수 있음에 따라, 각각의 소재를 각각 형상성형하는 경우에 있어서의 두 번의 공정에 비하여 공정시간을 줄일 수 있다.
나아가, 이와 같은 형상성형을 위한 형상성형 프레스유닛(500) 하나의 기기로, 이송소재 패치워크(P)를 형상성형할 수 있음에 따라, 알루미늄소재(11)와 보강스틸소재(30) 각각의 소재를 각각 형상성형하는 경우에 있어서의 두 개의 프레스유닛과 비교하여 장비비용을 절감할 수 있고, 아울러 장비 설치공간도 줄일 수 있다.
한편, 본 발명은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 클린칭단계(S200)와 형상성형단계(S500) 사이에, 가압성형단계(S400)를 더 포함할 수 있다.
상기 가압성형단계(S400)는 이종소재 패치워크에서 클린칭된 돌출부분이 돌출되지 않도록 내측으로 들어가게 가압성형하는 단계로서, 이로 인하여 돌출부분이 형상성형단계(S500)에서 형상성형 프레스유닛(500)의 금형과 완전히 비간섭됨에 따라, 클린칭된 부분이 파손되는 것을 완전히 방지하여 종국적으로 이종소재 패치워크의 체결력이 더욱더 견고해질 수 있다.
구체적으로, 상기 가압성형단계(S400)는 이종소재 패치워크에서 클린칭된 돌출부분을 가압성형하는 단계이다.
이종소재 패치워크에서 클린칭에 의해 체결된 부위가 형상성형 프레스유닛(500)에 의해 압착됨으로써, 이종소재 패치워크의 체결력이 더욱 견고해질 수 있지만, 클린칭된 돌출부분이 형상성형 시 형상성형 프레스유닛(500)의 금형과 약간은 간섭될 수 있음에 따라, 이러한 간섭현상을 완전히 제거하기 위해 본 발명의 가압성형단계(S400)가 수행된다.
이와 같은 가압성형단계(S400)에서 이종소재 패치워크는, 도 9 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 가압성형 프레스유닛(400)에 의해 가압성형된다.
여기에서, 상기 가압성형 프레스유닛(400)에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 가압성형 프레스유닛(400)은 하부프레스(410), 상부프레스(420), 및 펀치(430)를 구비할 수 있다.
이때, 상기 하부프레스(410)는 이종소재 패치워크(P)가 안착되며, 펀치홀(411)이 형성된다.
또한, 상기 상부프레스(420)는 하부프레스(410)의 상측에 배치되며, 하부프레스(410) 상에 안착된 이종소재 패치워크(P)를 압박지지하도록 하부프레스(410) 측으로 하강하도록 구성된다.
그리고, 상기 펀치(430)는 펀치홀(411)에 왕복이동 가능하게 장착되며, 펀치홀(411)에 연결된 가압기기에 의해 상측으로 이동되어 이종소재 패치워크(P)에서 클린칭된 돌출부분을 비돌출되게 가압성형한다.
이와 같이 구성되는 가압성형 프레스유닛(400)에 의해, 이종소재 패치워크(P)에서 클린칭된 돌출부분이 돌출되지 않도록 내측으로 들어가게 가압성형됨으로써, 도 13에 도시된 바와 같이 형상성형 시 형상성형 프레스유닛(500)의 금형과 이종소재 패치워크(P)에서 클린칭된 돌출부분이 완전히 비간섭됨에 따라, 클린칭된 부분이 파손되는 것을 방지하여 종국적으로 이종소재 패치워크(P)의 체결력이 더욱더 견고해질 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 펀치(430)는 상부에 측방향으로 돌출된 상부돌출부(430a)가 형성되고, 하부에 측방향으로 돌출된 하부돌출부(430b)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 펀치홀(411)은 상부에 상부돌출부(430a)가 수용되는 상부단차홈(411a)이 형성되고, 하부에 하부돌출부(430b)가 수용되는 하부단차홈(411b)이 형성될 수 있다.
이러한 상부단차홈(411a)은 상부돌출부(430a)의 하측 이동을 제한하고, 하부단차홈(411b)은 하부돌출부(430b)의 상측 이동을 제한한다.
그리고, 상기 상부단차홈(411a)과 하부단차홈(411b)의 이격거리는 상부돌출부(430a)와 하부돌출부(430b)의 이격거리보다 가까운 구조를 지닌다.
이와 같이 펀치(430)에 상부돌출부(430a)와 하부돌출부(430b)가 형성되고, 펀치홀(411)에 상부단차홈(411a)과 하부단차홈(411b)이 형성되며, 이와 함께 상부단차홈(411a)과 하부단차홈(411b)의 이격거리가 상부돌출부(430a)와 하부돌출부(430b)의 이격거리보다 가까움에 따라, 하부돌출부(430b)가 상측이동 중 하부단차홈(411b)에 의해 걸림 시 펀치(430)의 상측이동이 차단되고, 상부돌출부(430a)가 하측이동 중 상부단차홈(411a)에 의해 걸림 시 펀치(430)의 하측이동이 차단된다.
이와 같이 구성되는 펀치(430)와 펀치홀(411)의 구조로 인하여, 이종소재 패치워크(P)에서 클린칭된 돌출부분을 가압성형 시 펀치(430)의 상측이동이 일정 정도 상승 후 정지됨으로써, 돌출부분을 적정범위를 초과하여 가압하는 것을 방지할 수 있다.
이때, 돌출부분에 있어서 가압되어 내측으로 들어간 깊이는, 최소한 돌출부분이 이종소재 패치워크(P)에서 비돌출될 정도로 깊이를 이루면 되며, 나아가 도 12에 도시된 바와 같이 깊게 들어가더라도 가압된 소재 두께의 1/3 이하인 것이 바람직한데, 만약 1/3보다 더 깊이 들어가게 되면 가압된 소재의 두께가 너무 많이 얇아짐에 따라 외력에 의해 파손될 위험이 커지기 때문이다.
이에 더하여, 상기 펀치(430)는 상면이 펀칭작업 전에는 펀치홀(411)의 상단보다 낮게 위치된 배치구조를 이룬다.
즉, 상기 이종소재 패치워크(P)에서 클린칭된 돌출부분이 펀칭되기 위해, 이종소재 패치워크(P)를 하부프레스(410) 상에 안착 시 돌출부분이 상부단차홈(411a)의 내측으로 위치되도록, 펀치(430)가 펀치홀(411)에서 내측(도면 상으로 하측)으로 들어간 배치구조를 이룬다.
다시 말해, 상기 펀치(430)는 상부돌출부(430a)가 상부단차홈(411a)에 받침지지된 상태에서 펀치(430)의 상면이 펀치홀(411)의 상단보다 낮게 위치된 배치구조를 취한다.
만약, 상기 펀치(430)의 상부돌출부(430a)가 상부단차홈(411a)에 받침지지 시, 펀치(430)의 상면이 펀치홀(411)의 상단보다 높게 위치된다면, 이종소재 패치워크(P)가 하부프레스(410) 상에 안착 시 돌출부분이 상부단차홈(411a)의 내측으로 위치되지 못하고 펀치(430)에 의해 들려진 상태를 취함에 따라, 상부프레스(420)가 하부프레스(410) 측으로 하강 시 펀치(430)에 의해 돌출부분이 너무 많이 가압되는, 즉 돌출부분이 너무 깊게 상측으로 들어가게 되어 이종소재 패치워크(P)가 손상된다.
그리고, 본 발명은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 클린칭단계(S200)와 가압성형단계(S400) 사이에 가열단계(S300)를 더 포함할 수 있다.
상기 가열단계(S300)는 클린칭단계(S200)와 가압성형단계(S400) 사이에 수행되는데, 이종소재 패치워크(P)를 가압성형하기 이전에 가열함으로써 연신율을 높임에 따라, 가열후 클린칭을 하게 되면 소재들 간의 결합력을 증가시킬 수 있다.
이때, 상기 가열단계(S300)는 이종소재 패치워크(P)를 400℃ 내지 500℃ 가열하는 것이 바람직하다.
만약 가열단계(S300)에서 이종소재 패치워크(P)를 400℃ 보다 낮은 온도로 가열하게 되면, 이종소재 패치워크(P)의 내부조직이 충분히 연해지지 않음에 따라, 가열후 클린칭을 하더라도 가열에 의한 소재들 간의 결합력 상승효과가 발생하지 않고, 나아가 가압성형 시 조직이 깨질 수도 있다.
그리고, 가열단계(S300)에서 이종소재 패치워크(P)를 500℃ 보다 높은 온도로 가열하게 되면, 이종소재 패치워크(P)의 내부조직이 너무 연해짐에 따라, 알루미늄 소재가 녹을 수 있게 되어 이종소재 패치워크(P)가 손상될 수 있다.
도 14는 클린칭 조립된 이종소재 패치워크에 대한 체결력 실험결과로서, 가압성형 이전 가열여부에 따른 체결력 비교도면이다.
구체적으로 도 14을 살펴보면, 이종소재 패치워크의 복수 개 테두리에서 잡아당기는 힘(하중)을 y축과 같이 점차적으로 증가시켰을 때 x축과 같이 변위가 증가하면서 인장되는데, 여기에서 최상의 절곡점은 이종소재 패치워크의 체결이 풀린 시점으로서 이때의 y축 하중은 이종소재 패치워크의 체결력을 의미한다.
이때, 도 14(b)는 이종소재 패치워크가 가압성형 이전에 가열이 이루어진 경우(세 번의 실험결과)로서, 도 14(a)와 같이 가열이 이루어지지 않는 경우(두 번의 실험결과)와 비교하여, 이종소재 패치워크의 체결력이 월등히 높음을 알 수 있다.
한편, 상술된 바와 같이 구성되는 이종소재 조립방법을 구현하는 본 발명에 따른 이종소재 조립장치에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 이종소재 조립장치는 클린칭유닛(200), 형상성형 프레스유닛(500), 스폿용접유닛(SE), 및 이송유닛(미도시)을 포함한다.
여기에서, 상기 클린칭유닛(200), 형상성형 프레스유닛(500), 및 스폿용접유닛(SE)은 이종소재가 조립되기 위한 조립공정루트에 순차적으로 배치되는데, 이때의 순차적 배치는 유닛들간의 연계적 상황, 즉 유닛들 각각의 구조와 설치공간 등을 고려한 공정 상의 배치로서, 구체적으로 특정 위치 및 배치로 한정되지 않음은 물론이다.
구체적으로, 도 4 내지 도 6을 참조하여 살펴보면, 먼저 상기 클린칭유닛(200)은 이종소재 패치워크(P)를 만들도록, 알루미늄 차체부품(10)이 되는 블랭크 타입의 알루미늄소재(11)에, 블랭크 타입의 보강스틸소재(30)를 클린칭한다.
또한, 상기 형상성형 프레스유닛(500)은 알루미늄소재(11)와 보강스틸소재(30)가 동시성형되도록, 이종소재 패치워크(P)를 형상성형한다.
아울러, 상기 스폿용접유닛(SE)은 형상성형된 이종소재 패치워크(P)의 보강스틸소재(30)에 스틸 차체부품(20)을 용접결합시킨다.
그리고, 상기 이송유닛(미도시)은 상기 클린칭유닛(200)으로부터 순차적으로 형상성형 프레스유닛(500)과 스폿용접유닛(SE)으로, 이종소재 패치워크(P)를 이동시킨다. 이때, 상기 이송유닛은 클린칭유닛(200), 형상성형 프레스유닛(500), 및 스폿용접유닛(SE) 뿐만 아니라, 후술되는 타공유닛(100), 가압성형 프레스유닛(400), 및 가열유닛(300) 간의 이송소재 패치워크의 공정 상의 이동도 수행할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명은 타공유닛(100)을 더 포함할 수 있는데, 이러한 타공유닛(100)은 클린칭유닛(200)의 전단에 배치되며, 블랭크 타입의 알루미늄소재(11)에서 클린칭 시 블랭크 타입의 보강스틸소재(30)가 접하게 될 부위에, 스폿용접유닛(SE)의 용접전극이 관통가능한 용접홀(11a)을 타공한다.
이와 같이 구성되는 클린칭유닛(200), 형상성형 프레스유닛(500), 스폿용접유닛(SE), 이송유닛, 및 타공유닛(100) 각각은, 그 구체적인 구조에 있어서 본 발명에 의해 한정되지 않고, 상술된 바와 같은 기능 및 역할을 구현할 수 있는 종래의 어떠한 구조도 활용될 수 있음은 물론이다.
한편, 본 발명은 클린칭유닛(200)과 형상성형 프레스유닛(500) 사이에 배치된 가압성형 프레스유닛(400)을 더 포함할 수 있는데, 이러한 가압성형 프레스유닛(400)의 구체적인 구조에 대해서는 위의 가압성형단계(S400)에서 구체적으로 기재되었기에 생략하기로 한다.
나아가, 본 발명은 가압성형 프레스유닛(400) 전단에 배치된 가열유닛(300)을 더 포함할 수 있는데, 이러한 가열유닛(300)은 이종소재 패치워크(P)를 400℃ 내지 500℃ 가열하는 유닛으로서, 그 구체적인 구조에 있어서 본 발명에 의해 한정되지 않고, 상기 기능을 구현할 수 있는 기기라면 종래의 어떠한 기기도 활용될 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 이종소재 조립방법 및 조립장치는, 이종소재들인 알루미늄 차체부품(10)과 스틸 차체부품(20)을 SPR 조립방법이나 FDS 조립방법이 아닌 상대적으로 접합강성이 높은 용접 조립방법으로 조립하도록, 별도의 보강스틸소재(30)를 알루미늄 차체부품(10)에 클린칭결합하여 보강스틸소재(30)에 스틸 차체부품(20)을 스폿용접하는 구성을 취함으로써, 이종소재들인 알루미늄 차체부품(10)과 스틸 차체부품(20)을 견고하면서도 결합력이 높게 조립할 수 있다.
나아가, 본 발명은 보강스틸소재를 블랭크 타입으로 마련하여, 알루미늄 차체부품(10)이 되는 블랭크 타입의 알루미늄 소재에 클린칭하여 이종소재 패치워크(P)를 변화시켜 하나의 부재가 되도록 함으로써, 한 번의 성형으로 알루미늄소재(11)와 보강스틸소재(30)를 동시에 형상성형할 수 있음에 따라, 각각의 소재를 각각 형상성형하는 경우와 비교하여, 공정시간을 줄일 수 있으며, 또한 장비비용을 절감할 수 있고, 아울러 장비의 설치공간도 줄일 수 있다.
그리고, 본 발명은 이종소재 패치워크(P)에서 클린칭된 돌출부분이 돌출되지 않도록 내측으로 들어가게 가압성형함으로써, 형상성형 시 프레스되는 형상성형 프레스유닛(500)의 금형과 완전히 비간섭됨에 따라, 클린칭된 부분이 파손되는 것을 방지하여 종국적으로 이종소재 패치워크(P)의 체결력을 더욱더 견고하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 이종소재 패치워크(P)를 가압성형하기 이전에 가열함으로써 연신율을 높임에 따라, 가열후 클린칭을 하게 되면 이종소재 패치워크(P) 소재들 간의 결합력을 증가시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
+
10 : 알루미늄 차체부품 11 : 알루미늄소재
11a : 용접홀 20 : 스틸 차체부품
30 : 보강스틸부재 P : 이종소재 패치워크
100 : 타공유닛 200 : 클린칭유닛
300 : 가열유닛 400 : 가압성형 프레스유닛
410 : 하부프레스 411 : 펀치홀
411a : 상부단차홈 411b : 하부단차홈
420 : 상부프레스 430 : 펀치
430a : 상부돌출부 430b : 하부돌출부
500 : 형상성형 프레스유닛 SE : 스틸용 용접전극(스폿용접유닛)
AE : 알루미늄용 용접전극
S100 : 타공단계 S200 : 클린칭단계
S300 : 가열단계 S400 : 가압성형단계
S500 : 형상성형단계 S600 : 부품결합단계

Claims (14)

  1. 알루미늄 차체부품이 되는 블랭크 타입의 알루미늄소재에, 블랭크 타입의 보강스틸소재를 클린칭하여 이종소재 패치워크를 만드는 클린칭단계;
    상기 이종소재 패치워크를 형상성형하여, 상기 알루미늄소재와 보강스틸소재가 동시성형되는 형상성형단계; 및
    형상성형된 상기 이종소재 패치워크의 보강스틸소재에 스틸 차체부품을 용접결합시키는 부품결합단계;를 포함하여,
    이종소재들인 상기 알루미늄 차체부품과 상기 스틸 차체부품을 조립하며,
    상기 클린칭단계 이전에,
    블랭크 타입의 상기 알루미늄소재에서 상기 클린칭단계 시 블랭크 타입의 상기 보강스틸소재가 접하게 될 부위에, 용접홀을 타공하는 타공단계;를 더 포함하며,
    상기 부품결합단계에서,
    상기 이종소재 패치워크에서 상기 알루미늄소재를 기준으로 상기 보강스틸소재의 반대측 면에 상기 스틸 차체부품을 겹친 상태로, 용접전극으로 상기 용접홀을 통해 상기 이종소재 패치워크의 보강스틸소재와 상기 스틸 차체부품을 스폿용접하며,
    상기 클린칭단계와 형상성형단계 사이에,
    상기 이종소재 패치워크에서 클린칭된 돌출부분을 가압성형하는 가압성형단계;를 더 포함하며,
    상기 가압성형단계에서,
    상기 이종소재 패치워크는 가압성형 프레스유닛에 의해 가압성형되며,
    상기 가압성형 프레스유닛은,
    상기 이종소재 패치워크가 안착되며, 펀치홀이 형성된 하부프레스;
    상기 하부프레스의 상측에 배치되며, 상기 하부프레스 상에 안착된 상기 이종소재 패치워크를 압박지지하도록 상기 하부프레스 측으로 하강하는 상부프레스; 및
    상기 펀치홀에 왕복이동 가능하게 장착되며, 상기 펀치홀에 연결된 가압기기에 의해 상측으로 이동되어 상기 이종소재 패치워크에서 클린칭된 돌출부분을 비돌출되게 가압성형하는 펀치;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 이종소재 조립방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 펀치는 상부에 측방향으로 돌출된 상부돌출부가 형성되고, 하부에 측방향으로 돌출된 하부돌출부가 형성되며,
    상기 펀치홀은 상부에 상기 상부돌출부가 수용되는 상부단차홈이 형성되고, 하부에 상기 하부돌출부가 수용되는 하부단차홈이 형성되며,
    상기 상부단차홈과 하부단차홈의 이격거리는 상기 상부돌출부와 하부돌출부의 이격거리보다 가까우며,
    상기 하부돌출부가 상기 하부단차홈에 의해 걸림 시 상기 펀치의 상측이동이 차단되고, 상기 상부돌출부가 상기 상부단차홈에 의해 걸림 시 상기 펀치의 하측이동이 차단되는 것을 특징으로 하는 이종소재 조립방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이종소재 패치워크에서 클린칭된 돌출부분이 상기 상부단차홈의 내측으로 배치되도록, 상기 상부돌출부가 상부단차홈에 받침지지 시 상기 펀치의 상면이 상기 펀치홀의 상단보다 낮게 위치된 것을 특징으로 하는 이종소재 조립방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 클린칭단계와 가압성형단계 사이에,
    상기 이종소재 패치워크를 400℃ 내지 500℃ 가열하는 가열단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종소재 조립방법.
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