KR102415561B1 - 배기후처리장치를 구성하는 쉘에 대한 롤링 및 플랜지업 공정을 통해 배기후처리장치의 기밀성을 개선하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 자동차를 이루는 배기후처리장치를 구성하는 쉘에 대한 롤링 및 플랜지업 공정을 통해 배기후처리장치의 기밀성을 개선하는 방법은 공급된 원자재에 대해 롤러를 이용하여 중공 원통 형상을 갖는 쉘 타입으로 형성하는 롤링 단계; 및 롤링 공정이 진행된 쉘에 대한 플랜지업 공정을 실시하는 단계;를 포함하고,
상기 롤링 단계는, 공급된 원자재를 규격에 맞춰 재단하는 샤링 작업, 상기 샤링 작업된 원자재에 압축력을 가하여 판재를 분리하는 블랭킹, 상기 블랭킹된 판재를 원통 형상을 갖는 쉘의 형상으로 변형하는 조관 작업, 조관된 쉘 상에서 판재가 접하는 양단을 결합하는 용접 작업, 쉘의 용접부 상에 발생한 용접 비드를 제거하는 비드 롤링 작업, 및 쉘의 양단에 형성된 용접 돌기를 커팅한 후에 균열 발생 여부를 판단하는 작업을 포함하고, 상기 플랜지업 공정 단계는 진원도, 플랜지 업 길이, 높이 및 조관 상태를 포함한 플랜지 업 최적 조건 중 어느 하나 이상의 조건을 만족하도록 공정을 진행하며, 상기 롤링 공정 및 플랜지업 공정 단계에서는 롤러의 곡률(R), 쉘 성형을 위해 공급되는 판재의 두께(t) 및 플랜지업 길이(L)를 포함한 인자들 중 어느 하나 이상을 반영한다.

Description

배기후처리장치를 구성하는 쉘에 대한 롤링 및 플랜지업 공정을 통해 배기후처리장치의 기밀성을 개선하는 방법{Method for improving the airtightness of Exhaust After Treatment through rolling and flange-up process for shells}

본 발명은 배기후처리장치를 구성하는 쉘을 일체형 플랜지 업 타입으로 형성하는 방안을 통해 용접에 의한 열변형을 방지하는 한편 체결부의 평탄도 확보에 따른 기밀성 유지 및 누설 최소화를 가능하게 하는 배기후처리장치 개선 방안에 대한 것이다.

디젤 엔진은 공급되는 연료량과 무관하게 압축착화 및 확산연소 기구를 이용하여 연료/공기 혼합기가 희박하여도 연소가 가능하여 연료경제성이 높다. 디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비하여 저부하 운전시 효율이 높아 연료경제성이 높고 희박연소가 가능하여 탄화수소(HC, Hydrocarbon), 일산화탄소(CO) 배출이 낮은 장점이 있으나, 확산연소 과정에서 국부적으로 연료가 농후하고 연소온도가 높은 영역에서 입자상 물질(PM, Particulate Matter)과 질소산화물(NOx)의 배출이 되어 이를 여과할 배기가스 후처리장치를 필요로 한다.

자동차, 건설기계, 농기계 등 디젤 엔진을 사용하는 환경 조건에 적용되는 시스템 상에서 배출되는 CO, HC, NOx를 엔진 이후의 촉매와 필터를 통해 유해물질을 저감한다.

엔진의 배기 시스템은 배기 가스 중에 함유된 유해 물질을 감소시키기 위해 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst: DOC), 디젤 입자상 물질 필터((Diesel Particulate matter Filter: DPF) 및 선택적 촉매 환원(Selective Catalyst Reduction:SCR) 등과 같은 배기가스 후처리 장치와 같은 복합 후처리 장치를 구비하고 있다.

DOC 및 DPF가 장착된 복합후처리장치의 경우 Pt, Pd 등을 활용한 산화촉매 법으로 1차 저감(DOC) 후 매연 및 입자상 물질(PM)을 물리적으로 포집 및 제거하는 2차 저감방식으로 유해물질을 최소화한다.

복합후처리장치 제작 시에 발생하는 단품 결함, 용접 시 열변형 및 결합 부위 누설 등은 복합후처리장치의 내구성에 악영향을 끼친다. OBD 관련 규정 강화, 결함확인 검사제도 도입 및 배출가스 규제 강화 등에 따라 복합후처리장치의 내구성 향상이 요구된다.

복합후처리장치는 많은 단품류로 구성되어 있으며, 부품과 부품 용접 시에 열 변형 등 여러 불량이 발생하고, 부품과 부품을 용접 시 열 변형이 발생하여 치수관리 및 제품 평탄도 개선이 필요하며, 용접부의 기계적 특성 저하로 인한 물성 저하 개선이 필요하다.

복합후처리장치를 이루는 복수개의 단품들을 체결하는 경우에는 기존에 링 플랜지 체결 방식을 이용한 체결을 실시하기 위하여 복수개의 링이 요구되는바, 배기가스 규제 강화로 인한 경량화 요구로 개선이 필요한 실정이다.

본 발명에서는 상기 문제점을 해결하기 위해, 배기후처리장치를 이루는 복수개의 단품들을 체결시에 사용하는 링 플랜지 체결 방식을 탈피한 상태에서 롤링 공정 및 플랜지업 공정을 쉘 생산 공정에 적용하는 방안을 통해 용접에 의한 열변형을 방지하는 한편, 체결부의 평탄도 확보에 따른 기밀성 유지 및 누설 최소화를 가능하게 하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공한다.

본 발명은 자동차를 이루는 배기후처리장치를 구성하는 쉘에 대한 롤링 및 플랜지업 공정을 통해 배기후처리장치의 기밀성을 개선하는 방법을 제공하는 것으로서, 공급된 원자재에 대해 롤러를 이용하여 중공 원통 형상을 갖는 쉘 타입으로 형성하는 롤링 단계; 및 롤링 공정이 진행된 쉘에 대한 플랜지업 공정을 실시하는 단계;를 포함하고, 상기 롤링 단계는, 공급된 원자재를 규격에 맞춰 재단하는 샤링 작업, 상기 샤링 작업된 원자재에 압축력을 가하여 판재를 분리하는 블랭킹, 상기 블랭킹된 판재를 원통 형상을 갖는 쉘의 형상으로 변형하는 조관 작업, 조관된 쉘 상에서 판재가 접하는 양단을 결합하는 용접 작업, 쉘의 용접부 상에 발생한 용접 비드를 제거하는 비드 롤링 작업, 및 쉘의 양단에 형성된 용접 돌기를 커팅한 후에 균열 발생 여부를 판단하는 작업을 포함하고, 상기 플랜지업 공정 단계는 진원도, 플랜지 업 길이, 높이 및 조관 상태를 포함한 플랜지 업 최적 조건 중 어느 하나 이상의 조건을 만족하도록 공정을 진행하며, 상기 롤링 공정 및 플랜지업 공정 단계에서는 롤러의 곡률(R), 쉘 성형을 위해 공급되는 판재의 두께(t) 및 플랜지업 길이(L)를 포함한 인자들 중 어느 하나 이상을 반영하는 것을 특징으로 한다.

상기 롤러의 곡률은 4.0 mm, 상기 판재의 두께는 2.0 mm 및 상기 플랜지업 길이 13 mm로 한정한다.

본 발명에 따르면, 배기후처리장치를 이루는 복수개의 단품들을 체결시에 사용하는 링 플랜지 체결 방식을 탈피한 상태에서 일체형 플랜지업 타입으로 형성하는 방안을 통해 용접에 의한 열변형을 방지하는 한편 체결부의 평탄도 확보에 따른 기밀성 유지 및 누설 최소화를 가능하게 한다.

본 발명은 기존의 링 체결장치 타입 대비 약 25% 경량화를 가능하게 하고, 공정의 단순화로 인한 생산성 증가 및 플랜지 부분 용접에 의한 열 변형 원천 방지를 가능하게 한다. 또한, 체결부 평탄도 확보에 따른 기밀성 유지및 누설 최소화를 가능하게 한다.

도 1은 본 발명에 따라 자동차를 이루는 배기후처리장치를 구성하는 쉘에 대한 롤링 및 플랜지업 공정을 보이는 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

본 발명은 자동차를 이루는 배기후처리장치를 구성하는 쉘에 대한 롤링 및 플랜지업 공정을 통해 배기후처리장치의 기밀성을 개선하는 방법을 설명한다. 상기 배기후처리장치는 머플러와 같은 배가가스 복합후처리장치를 의미하는 것일 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 배기후처리장치를 구성하는 쉘에 대한 롤링 공정을 설명한다.

롤링 공정은 공급된 원자재를 규격에 맞춰 재단하는 샤링(Shearing), 샤링된 원자재에 압축력을 가하여 크랙을 유발시켜 판재를 분리하는 블랭킹, 블랭킹된 판재를 원통 형상을 갖는 쉘의 형상으로 변형하는 조관 작업, 조관된 쉘 상에서 판재가 접하는 양단을 결합하는 용접 작업, 쉘의 용접부 상에 발생한 용접 비드를 제거하는 비드 롤링 작업, 및 쉘의 양단에 형성된 용접 돌기를 커팅한 후에 균열 발생 여부를 판단하는 작업을 포함한다.

샤링은 원자재를 슬리팅(SLITING)하고 슬리팅된 철판을 더 정확하게 단품 도면을 보고 제작하고자 하는 규격으로 맞춰 자르는 작업을 지칭한다. 샤링된 제품에 대해서는 초품, 중품 및 종품을 대상으로 치수 검사를 실시한다.

블랭킹 가공은 판재 면에 압축력을 가하여 최대파괴강도에 이르게 함으로써 크랙을 유발시켜 파단 현상을 생기게 하여 판재를 분리하는 가공을 지칭한다. 블랭킹된 제품에 대해서는 초품, 중품 및 종품을 대상으로 외관 품질 및 치수 검사를 실시한다. 한편, 블랭킹된 판재의 가장자리 상에는 용접 과정에서의 불량을 저감하기 위하여 돌기 형상의 타부를 형성한다. 상기와 같이, 타부 공정추가를 통한 용접을 실시하여 불량 발생 소지를 축소한다.

롤러를 통해 조관 작업된 제품에 대해서는 초품, 중품 및 종품을 대상으로 뒤틀림 검사를 실시하고, 뒤틀림 발생시에는 재작업을 진행한다.

용접 작업은 초품, 중품 및 종품을 대상으로 백비드를 확인하고 외관 검사를 진행한다. 이는 기존에 비드 외관 불량 및 기공 발생이라는 문제점 및 용접 언더컷이 발생하는 현실적인 문제점을 개선하기 위한 것이다.

한편, 쉘 셋팅 시에 라인 맞춤을 위한 레이저 마킹 게이지를 설치한다.

비드 롤링 작업은 용접부 뻐드러짐 및 치수 불량 발생을 저감하기 위한 차원에서 비드 롤링 작업 후에 용접외관 품질 확인과 진원도 및 길이 확인을 실시하고, 비드 크랙 여부를 확인한다.

타부 커팅 작업 후에는 균열 발생 여부를 확인한다.

다음으로, 배기후처리장치를 구성하는 쉘에 대한 플랜지업 공정을 설명한다.

플랜지업 공정 단계는 진원도, 플랜지 업 길이, 높이 및 조관 상태를 포함한 플랜지 업 최적 조건 중 어느 하나 이상의 조건을 만족하도록 공정을 진행한다.

롤링 공정을 통해 중공 원통 형상으로 조성된 쉘을 플랜지업 장치 상에 결합한 상태에서 플랜지업 공정을 진행한다.

플랜지업 장치는 롤링 공정이 수행된 쉘을 내부에서 파지하는 죠 및 쉘의 전단이 안착되는 스토퍼를 포함한다. 원통 형상을 갖는 쉘의 플랜지업 장치로의 진입 과정에서, 스토퍼의 외측단에 쉘의 끝단이 닿는 과정을 통해서 더 이상의 진입을 방지한다. 죠는 쉘의 중심축을 기준으로 복수개가 반경 방향을 따라 이동가능하게 스핀들 척에 결합된 상태를 유지한 상태에서, 쉘의 내면 상에 반경 방향으로 가압력을 제공하는 방식으로 쉘을 안정적으로 고정한다.

종래에는 죠와 쉘 간의 오버랩 량이 7mm 수준으로 유지됨으로 인해서 제품 고정시에 쉘의 벌어짐 현상이 발생한바, 스토퍼와 쉘을 일체형으로 제작하여 오버랩양을 10mm 이상으로 확보한다.

한편, 스토퍼에 결합되는 쉘의 다양한 길이를 고려하여 스토퍼 상에는 축방향을 따라 길이조절 지그가 결합 가능한데, 원통 형상을 갖는 길이조절 지그의 외면 가장자리 상에는 쉘의 끝단이 안착되는 복수개의 지지 도피구가 형성된다.

본 발명은 자동차를 이루는 배기후처리장치를 구성하는 쉘에 대한 롤링 및 플랜지업 공정 상에서 중요한 인자를 롤링 공정에 적용되는 롤러의 곡률(R), 쉘 성형을 위해 공급되는 판재의 두께(t) 및 플랜지업 길이(L) 등 3개의 중요인자를 선정한다.

본 발명에서의 다양한 실험예를 토대로 하여 도출된 가장 양호한 플랜지업 조건은 롤러의 곡률 4.0 mm, 판재의 두께 2.0 mm 및 플랜지업 길이 13 mm로 분석 및 고찰되었으며, 그 다음으로 롤러의 곡률과 플랜지업 길이는 상기와 동일한 조건에서 판재의 두께가 15 mm로 변화된 경우이다.

플랜지업 공정 상에서 공급된 판재의 두께를 줄이는 경우는 발생되는 응력은 낮아질 수 있으나 허용응력감소로 구조의 안전성 및 피로수명에 영향을 미칠 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따라 생산된 머플러를 이루는 쉘의 평탄도 및 기밀성 측정시험을 설명한다. 측정은 다관절 3차원 측정기 및 5TON CTR AIR LEAK TESTER 등을 사용한다.

평탄도 측정 기준은 생산된 쉘 샘플 5 EA 에 대해서 플랜지 성형부 상에 지정된 8포인트의 가장 높은 값과 낮은 값의 차이에 해당하는 평탄도 측정값이 0.3 mm 이하여야 한다. 구체적으로 본 발명에 따른 쉘 샘플들의 평탄도는 0.05에서 0.24의 범위에 해당함으로써 전부 측정 기준을 만족하는 것으로 확인된다.

기밀성 측정 기준은 생산된 쉘 샘플 5 EA 에 대해서 10초 동안 0.3 kg/㎠ 공기를 주입한 후 15초 이후 안정화 후에 15초 누설(Leak)을 측정하는 과정을 통해 기밀성을 측정하여 5 EA가 누기량이 500 cc 이하여야 한다.

구체적으로는, 누기 테스트 장치에 쉘 샘플을 셋팅 후 양측 끝단을 막은 상태에서 정량의 공기를 주입하여 누기량을 측정한다. 구체적으로 본 발명에 따른 쉘 샘플들의 누기량은 0.02에서 0.03의 범위에 해당함으로써 전부 측정 기준을 만족하는 것으로 확인된다.

본 발명은 기존의 링 체결장치 타입 대비 약 25%의 경량화를 가능하게 하는바, 이에 대해서는 기존 사양 및 본 발명에 따른 모델링을 확인하여 경량화를 판단한다.

기존 사양에 따른 쉘을 장착한 배기후처리장치는 쉘, 링 플랜지, 플레이트 엔드, 단열재, 와이어 및 볼트 부재등을 합한 구조체이고, 본 발명에 따른 쉘을 장착한 배기후처리장치는 플랜지업 공정을 적용한 쉘, 클램프, 가스켓, 플레이트 엔드, 단열재를 포함하는 구조체이다.

모델링 데이터를 통해 판단시에 기존 사양에 따른 쉘을 장착한 배기후처리장치는 9,350g 무게를 나타내며, 본 발명에 따른 쉘을 장착한 배기후처리장치는 6,800g 무게를 나타내는바, 경량화 비율은 기존 대비 27%를 유지함으로써 기본적으로 25% 이상을 만족한다.

본 발명은 배기후처리장치를 이루는 복수개의 단품들을 체결시에 사용하는 링 플랜지 체결 방식을 탈피한 상태에서 일체형 플랜지업 타입으로 형성하는 방안을 통해 용접에 의한 열변형을 방지하는 한편 체결부의 평탄도 확보에 따른 기밀성 유지 및 누설 최소화를 가능하게 한다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (2)

1. 자동차를 이루는 배기후처리장치를 구성하는 쉘에 대한 롤링 및 플랜지업 공정을 통해 배기후처리장치의 기밀성을 개선하는 방법에 있어서,
   공급된 원자재에 대해 롤러를 이용하여 중공 원통 형상을 갖는 쉘 타입으로 형성하는 롤링 단계; 및
   롤링 공정이 진행된 쉘에 대한 플랜지업 공정을 실시하는 단계;를 포함하고,
   상기 롤링 단계는, 공급된 원자재를 규격에 맞춰 재단하는 샤링 작업, 상기 샤링 작업된 원자재에 압축력을 가하여 판재를 분리하는 블랭킹, 상기 블랭킹된 판재를 원통 형상을 갖는 쉘의 형상으로 변형하는 조관 작업, 조관된 쉘 상에서 판재가 접하는 양단을 결합하는 용접 작업, 쉘의 용접부 상에 발생한 용접 비드를 제거하는 비드 롤링 작업, 및 쉘의 양단에 형성된 용접 돌기를 커팅한 후에 균열 발생 여부를 판단하는 작업을 포함하고,
   상기 플랜지업 공정은 상기 롤링 공정을 통해 중공 원통 형상으로 조성된 쉘을 플랜지업 장치 상에 결합한 상태에서 진행하고,
   상기 플랜지업 장치는 롤링 공정이 수행된 쉘을 내부에서 파지하는 죠 및 쉘의 전단이 안착되는 스토퍼를 포함하고, 상기 스토퍼의 외측단에 쉘의 끝단이 닿는 과정을 통해서 더 이상의 진입을 방지하며,
   상기 죠는 쉘의 중심축을 기준으로 복수개가 반경 방향을 따라 이동가능하게 스핀들 척에 결합된 상태를 유지한 상태에서, 쉘의 내면 상에 반경 방향으로 가압력을 제공하는 방식으로 쉘을 고정하고,
   상기 스토퍼 상에는 축방향을 따라 원통 형상을 갖는 길이조절 지그를 결합한 상태에서, 상기 길이조절 지그의 외면 가장자리 상에는 쉘의 끝단이 안착되는 복수개의 지지 도피구가 형성되며,
   상기 플랜지업 공정 단계는 진원도, 플랜지 업 길이, 높이 및 조관 상태를 포함한 플랜지 업 최적 조건 중 어느 하나 이상의 조건을 만족하도록 공정을 진행하며,
   상기 롤링 공정 및 플랜지업 공정 단계에서는 롤러의 곡률(R), 쉘 성형을 위해 공급되는 판재의 두께(t) 및 플랜지업 길이(L)를 포함한 인자들 중 어느 하나 이상을 반영하는 것을 특징으로 하는,
   자동차를 이루는 배기후처리장치를 구성하는 쉘에 대한 롤링 및 플랜지업 공정을 통해 배기후처리장치의 기밀성을 개선하는 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 롤러의 곡률은 4.0 mm, 상기 판재의 두께는 2.0 mm 및 상기 플랜지업 길이 13 mm로 한정하는,
   자동차를 이루는 배기후처리장치를 구성하는 쉘에 대한 롤링 및 플랜지업 공정을 통해 배기후처리장치의 기밀성을 개선하는 방법.

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