KR102354829B1 - 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법 및 이를 이용한 원피스 휠 - Google Patents

소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법 및 이를 이용한 원피스 휠 Download PDF

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Abstract

소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법을 개시한다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 중력 주조 및 저압 주조 중 하나 이상을 이용하여, 디스크부 및 외주면으로부터 반경방향으로 돌출된 환형 돌출부를 포함하는 림부가 일체형으로 형성된 일체형 주물을 생성하는 단계; 플로우포밍을 통해 환형 돌출부를 절곡하여 절곡부를 형성하고 디스크부의 일측과 절곡부를 통해 중공부를 생성하는 단계; 및 디스크부의 일측과 절곡부의 일단을 마찰교반 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법을 제공한다.

Description

소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법 및 이를 이용한 원피스 휠{Method for Manufacturing a One-piece Wheel Having a Hollow Structure for Noise Reduction and a One-piece Wheel Using the Same}
본 개시는 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법 및 이를 이용한 원피스 휠에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
일반적으로, 차량용 휠은, 그 구조에 따라, 원피스(One piece), 투피스(Two piece), 및 쓰리피스(Three piece) 휠로 구분될 수 있다.
원피스 휠은, 림(Rim)과 디스크(Disc)를 한 덩어리로 몰드를 통해 주조하여 제조된다. 원피스 휠은 제조가 용이하고 강성을 확보하기 쉬워서 품질의 편차가 적은 장점이 있다.
투피스 휠은 림과 디스크를 따로 만들거나, 아우터 림(Outer Rim)만을 따로 만들어 용접 또는 볼트로 고정 결합하여 제조된다. 투피스 휠은, 일부 구성을 분리하여 제조하기 때문에, 각각의 부분에 여러 가지 소재와 제조 방법을 적용할 수 있다. 따라서, 투피스 휠은 다양한 디자인과 경량화가 가능하다.
쓰리피스 휠은 아우터 림, 이너 림(Inner Rim), 디스크를 각각 따로 만들어서 볼트로 체결, 조립하여 제조된다. 쓰리피스 휠은, 조립방법에 따라 샌드위치 타입, 오버핸드 타입, 언더핸드 타입 등으로 나뉘어질 수 있다. 쓰리피스 휠은 림이나 디스크의 교체가 가능하므로 많은 차종에 장착할 수 있으며 세련되고 다양한 디자인과 경량화가 가능하다.
그러나, 투피스 휠 및 쓰리피스 휠은 림, 디스크 등을 별도로 제작한 후, 별도로 제작된 구성을 이어 붙여야 하므로, 원피스 휠과 비교하여, 제조 공정상의 단점이 있다.
한편, 종래의 투피스 휠 및 쓰리피스 휠은, 디스크와 림 사이에 플랜지부 중공 구조를 형성하여, 그 중공 구조가 공명기 기능을 수행하도록 하는 기술이 개시되어 있다.
다만, 이러한 중공 구조를 형성하기 위해, 종래에 사용되었던 레이저 용접은 용접부의 열영향이 많이 발생하고 용접부의 내구신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
이에, 본 개시는 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠을 용이하게 제조하는 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 본 개시는 용접부의 열영향을 최소화하여 용접부의 내구신뢰성을 향상시킬 수 있는 원피스 휠 제조 하는 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 중력 주조 및 저압 주조 중 하나 이상을 이용하여, 디스크부 및 외주면으로부터 반경방향으로 돌출된 환형 돌출부를 포함하는 림부가 일체형으로 형성된 일체형 주물을 생성하는 단계; 플로우포밍을 통해 환형 돌출부를 절곡하여 절곡부를 형성하고 디스크부의 일측과 절곡부를 통해 중공부를 생성하는 단계; 및 디스크부의 일측과 절곡부의 일단을 마찰교반 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠을 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 용접부의 열영향을 최소화하여 용접부의 내구신뢰성을 향상시킬 수 있는 원피스 휠 제조 하는 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠을 제조하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 중공부 형성단계를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 림부 플로우포밍 단계를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰교반 접합단계를 도시한 단면도이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 개시에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠을 제조하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 중공부 형성단계(S20)를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 림부 플로우포밍 단계(S30)를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 마찰교반 접합단계를 도시한 단면도이다.
본 개시는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 일체형 주물제작단계(S10), 중공부 형성단계(S20), 중공부 형성 단계(S20), 림부 플로우포밍 단계(S30)와, 공명홀 형성단계(S40)와, 마찰교반 접합단계(S50)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
첫째, 일체형 주물제작단계(S10)는, 중력주조공법을 통해, 일체형 주물을 생성하는 단계이다. 일체형 주물은 디스크부(10), 림부(20), 및 림부(20)의 반경방향으로 돌출된 환형 돌출부를 포함할 수 있다.
디스크부(10)는 차량의 차체에 결합되는 허브(11) 및 허브(11)의 반경방향으로 이격된 플랜지(15) 및 허브(11)와 플랜지(15)를 연결하는 스포크(13)를 포함할 수 있다.
스포크(13)는 허브(11)의 원주방향을 따라 등 간격으로 배치될 수 있으나 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니다.
림부(20)의 구성된 환형 돌출부는 플로우포밍 공정에서 절곡될 수 있으며, 이를 통해, 중공부(30)를 형성할 수 있다.
일체형 주물은 저압주조법 도는 중력주조법을 통해 제조되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 저압주조법은, 가스체를 통해 용탕면에 비교적 작은 압력(0.05~0.8kg/cm2)을 가하여, 급탕관을 통하여 중력 방향과 반대방향으로 쇳물을 밀어올려 그 쇳물을 급탕관 위에 밀착 형성된 주형에 주탕하는 주조공법이다.
저압주조법으로 일체형 주물을 제작할 경우, 그 일체형 주물은 비교적 주름이 적으며, 슬래그(slag)의 혼입이 없어 치밀하고 미려한 외형을 가질 수 있다는 장점이 있다.
중력주조법은, 용탕 주입시, 금형을 90도 틸팅(tilting)하여 중력 방향으로 용탕을 주입하고, 이를 통해, 주물을 만드는 주조공법이다.
중력주조법으로 일체형 주물을 제작할 경우, 지향성 응고 설계가 가능하여 휠 스포크 배면부의 경량 설계 방안을 보다 용이하게 적용할 수 있고, 이를 통해, 휠의 경량화에 유리한 장점이 있다.
또한, 중력주조법을 이용할 경우, 디스크부의 빠른 냉각을 통해 주물의 기계적 성질을 향상시켜 고내구의 주물제작이 가능하다는 장점이 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법은 디스크부(10) 및 림부(20)가 일체형으로 제작되는 일체형 주조물을 이용하는 점에 기술적 특징이 있다.
이러한 일체형 주조물은, 2피스 내지 3피스 중공휠 제조 공정과 대비하여, 주조공정, 가공공정, 접합공정 등을 생략 내지 간소화할 수 있으며, 이로써, 제조비용을 낮추고 제조시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 공정단순화를 통해, 불량율을 감소시킬 수 있는 효과도 있다.
한편, 일체형 주물을 제조에서 사용되는 금형은 상부 금형, 하부 금형, 및 사이드 금형을 포함할 수 있다. 이 경우, 사이드 금형은 90도를 간격으로 이격된 4개의 슬라이드 사이드를 포함할 수 있으나, 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니다.
둘째, 중공부 형성단계(S20)는 일체형 주물의 림부의 반경방향으로 돌출된 환형 돌출부를 절곡하여 절곡부를 형성하고, 디스크부(10)의 일측과 절곡부를 통해 중공부(30)를 형성하는 단계이다.
구체적으로, 일체형 주물을 주조기로부터 분리한 이후, 수평형상롤러를 이용하여, 플로우포밍을 통해 환형 돌출부를 절곡하여 중공부를 형성할 수 있다.
셋째, 림부 플로우포밍 단계(S30)는 주물 제작이 완료된 일체형 주물의 림부(20)의 형상가공과 더불어, 림부(20)의 강도를 더욱 증진시키기 위해 수행하는 단계이다.
이러한 림부의 플로우포밍은, 중공부의 형상을 가공한 이후에 이루어지는 것이 바람직하지만 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 림부의 플로우포밍 이후에 중공부 형성을 위한 플로우포밍이 수행될 수도 있다.
상술한 단계(S20, S30)에서의 플로우포밍은, 맨드릴(미도시)과, 회전 가압척(미도시), 및 수평형상롤러(미도시) 등을 이용하여 림부(20)를 연속적으로 포밍하는 공지된 방법이 사용될 수 있다.
한편, 상술한 플로우포밍 단계(S20, S30) 이전에, 플로우포밍이 보다 원활하게 이루어질 수 있도록, 플로우포밍이 이루어지는 영역을 예열하는 공정이 수행될 수 있다.
또한, 림부(20)의 내측면 치수를 정밀하게 하기 위해, 림부(20)의 내측면을 예비 가공하는 공정이 수행될 수 있다.
넷째, 공명홀 형성단계(S40)는, 제조되는 휠의 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 즉, 로드 노이즈 개선을 위해, 림부(20)의 절곡부(27)에 공명홀(29)을 복수로 관통 형성하는 단계이다.
공명홀(29)은, 중공부(30)의 체적을 조절하여 넓은 범위의 공명 주파수 대역에서 소음 저감 효과를 얻을 수 있도록, 다양한 개수로 형성될 수 있다.
예를 들어, 공명홀(29)은 4개가 등 간격으로 형성될 수 있다. 중공부에 형성되는 4개의 공명홀(29)은, 우수한 소음 저감 효과를 얻을 수 있도록, 각각의 중공부(30)의 중간 지점에 1개씩 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 공명홀(29)이 4개인 경우, 중공부(30)는 림부(20)의 원주방향을 따라 4분할된 형상을 가지고, 각 중공부(30)가 하나의 공명홀(29)을 가지도록 구성될 수 있다.
림부(20)는 중공부(30)와 이웃하는 중공부(30)의 경계를 구획하는 구획돌부(미도시)를 포함할 수 있다. 구획돌부는 절곡부(27)에 밀착되어 용이하게 중공부(30)를 구획할 수 있다.
중공부(30)를 복수 개로 형성하기 위한 구획돌부는, 구획돌부에 의해 구획된 각각의 중공부(30)가 서로 다른 체적을 가지도록 연결부(17)의 외주에 서로 다른 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 이를 통해, 각각의 중공부(30)는 서로 다른 체적을 가짐으로써 서로 다른 공명 주파수를 가질 수 있고, 이에 따라, 보다 넓은 공명 주파수 대역에서 소음의 저감 효과를 거둘 수 있다.
공명홀 형성단계(S40)를 통해, 중공부(30) 및 공명홀(29)은 하나의 헬름홀츠 공명기로서 기능할 수 있다. 이로써, 본 개시에 따른 중공 구조를 가지는 원피스 휠은, 소음 저감을 위한 별도의 장치를 구비하지 않고도, 로드 노이즈를 효과적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
다섯째, 마찰교반 접합단계(S50)는 환형 돌출부의 절곡을 통하여 중공부(30)가 형성되도록 한 후, 서로 밀착되어 접하고 있는 디스크부(10)와 절곡부의 외주를 마찰교반접합공구(50)를 이용하여 각각 마찰교반접합할 수 있다.
구체적으로, 절곡부의 일단이 디스크부(10)의 일측에 접합되도록 마찰교반접합할 수 있다.
마찰교반접합공구(50)는 회전 작동하는 접합툴(51) 및 접합툴(51)의 중심에 결합되어 하측으로 돌출 형성되는 승강핀(55)으로 구성되는 것이 바람직하다. 승강핀(55)은 통상의 실린더(미도시)를 통해 승하강 동작하도록 구성될 수 있다.
디스크부(10)의 일측과 절곡부 일단 사이의 마찰교반 접합을 위해, 고속으로 회전하는 접합툴(51)을 이동시켜 승강핀(55)의 끝단을 디스크부(10)와 절곡부를 접합시킬 접합면에 강제 밀착시킬 수 있다.
이 경우, 접합툴(51)에 결합된 승강핀(55)이 접합면에 삽입된 상태로 회동하게 되며, 접합면에서, 마찰열에 의한 재료의 소성유동이 일어나면서 디스크부(10)와 절곡부의 고상접합이 이루어진다.
이후, 디스크부(10)와 절곡부의 회전에 따라, 마찰교반접합공구(50)에 의한 접합은 접합계면을 따라 자동으로 이루어질 수 있다.
디스크부(10)와 절곡부가 360도 회전하는 지점에서 마찰교반이 완료될 수 있다. 이때, 승강핀(55)의 상승 동작을 통해, 마찰교반이 완료되는 지점에서 승강핀(55)(20)을 접합면으로부터 이격시킬 수 있다.
이를 통해, 디스크부(10)와 절곡부가 서로 접합되는 접합면에 엔드홀이 형성되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 열에 의한 영향부가 최소화되어 휠의 내구 신뢰성이 확보되는 효과가 있다.
더불어, 마찰교반 접합단계(S50)를 이룬 다음에는, 제작된 휠을 차체에 결합하기 위한 러그홀(미도시) 형성, 열처리, 도장 및 검사를 수행할 수 있다.
열처리, 도장 및 검사의 각 단계 사이에는, 디스크부(10)의 전면을 가공하는 작업이 추가로 수행될 수도 있다.
도 1에서는 공명홀 형성단계(S40) 이후에 마찰교반 접합단계(S50)를 수행하는 것으로 도시되어 있으나 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 공명홀 형성단계(S40)는 마찰교반 접합단계(S50) 이후에 수행될 수도 있다.
본 개시에 따른 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법, 종래의 레이저 용접 방식이 아닌, 마찰교반접합 방식을 채용하므로, 디스크부(10)와 림부(20) 사이의 용접부에 열영향이 최소화되며, 이에 따라, 용접부의 내구신뢰성이 확보되는 장점이 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 디스크부 11: 허브
13: 스포크 15: 플랜지
17: 연결부 20: 림부
27: 절곡부 29: 공명홀
30: 중공부 50: 마찰교반접합공구

Claims (10)

  1. 중력 주조 및 저압 주조 중 하나 이상을 이용하여, 디스크부 및 외주면으로부터 반경방향으로 돌출된 환형 돌출부를 포함하는 림부가 일체형으로 형성된 일체형 주물을 생성하는 단계;
    플로우포밍을 통해 상기 환형 돌출부를 절곡하여 절곡부를 형성하고 상기 디스크부의 일측과 상기 절곡부를 통해 중공부를 생성하는 단계; 및
    상기 디스크부의 일측과 상기 절곡부의 일단을 마찰교반 접합하는 단계를 포함하되,
    상기 일체형 주물을 생성하는 단계 및 상기 중공부를 형성하는 단계 사이, 또는, 상기 중공부를 형성하는 단계 및 상기 마찰교반 접합하는 단계 사이에,
    상기 림부를 플로우포밍하는 단계를 더 포함하고,
    상기 환형 돌출부의 절곡을 위한 플로우포밍과 상기 림부의 플로우포밍은 수평형상롤러를 사용하여 수행되고,
    복수의 중공부의 각 중공부는 구획돌부에 의해 이웃하는 중공부와 구획되고,
    상기 구획돌부는 상기 림부의 연결부의 외주에 배치되며 상기 림부의 절곡부에 밀착됨으로써 상기 중공부를 구획하도록 구성되고,
    상기 수평형상롤러를 이용한 상기 환형 돌출부의 절곡은 상기 절곡부와 상기 구획돌부가 밀착되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 림부를 플로우포밍하는 단계 및 상기 마찰교반 접합하는 단계 사이에,
    상기 중공부에 공명홀을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공명홀은 각 중공부 상에 하나씩 형성되는 것을 특징으로 하는 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구획돌부에 의해 구획된 각 중공부는 서로 다른 체적을 가지는 것을 특징으로 하는 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마찰교반 접합 단계에서,
    상기 디스크부의 일측 및 상기 절곡부의 일단 사이의 마찰교반 접합은,
    회전 작동하는 접합툴 및 상기 접합툴의 일측에 배치되고 상기 접합툴에 대해 승하강 동작하도록 구성되는 승강핀을 포함하는 마찰교반접합공구에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 림부를 플로우포밍하는 단계 이전에,
    상기 림부를 예열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 림부를 플로우포밍하는 단계 이전에,
    상기 림부의 내측면을 예비 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소음 저감을 위한 중공 구조를 가지는 원피스 휠 제조방법.
  10. 제1항, 제3항, 제4항, 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 휠 제조방법을 통해 제조된 원피스 휠.
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