KR20010066999A

KR20010066999A - 자동차용 알로이휠의림 냉간성형방법

Info

Publication number: KR20010066999A
Application number: KR1020000066310A
Authority: KR
Inventors: 김관묵; 박병삼
Original assignee: 백정훈; 주식회사 에이에스에이
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2001-07-12
Also published as: KR100375703B1

Abstract

본 발명은 변부(10)로부터 드롭센터부(12)까지 요철부(14)를 이루는 림부분(16)과 이 림부분(16)의 내부에 결합되는 디스크부분(18)으로 구성되는 자동차용 알로이휠의 림 냉간성형방법을 제공한다. 본 발명은 림소재를 단조하여 얻은 컵형의 프리폼(28)을 유동성형하여 심레스 튜브(20)를 얻는 단계, 심레스 튜브(20)를 절단하여 단위튜브(21)를 얻는 단계와, 단위튜브(21)를 피성형소재의 직경방향으로만 이동하는 1차롤러(48)와 직경방향과 길이방향으로 이동하는 2차롤러(50)를 갖는 롤 포밍기(40)에서 1차롤러(48)로 1차 롤 포밍하여 예비성형단위튜브(21')를 성형하고 1차롤러(48)의 후퇴후 예비성형단위튜브(21')를 2차롤러(50)로 2차 롤 포밍하여 완성형상의 림부분(16)을 성형하는 단계로 구성된다.

Description

자동차용 알로이휠의 림 냉간성형방법 {METHOD FOR COLD FORMING OF VEHICLE ALLOY WHEEL}

본 발명은 자동차용 알로이휠의 제조방법에 관한 것으로, 특히 림부분과 이 림부분의 내부에 결합되는 디스크부분으로 구성되는 자동차용 알로이휠의 림의 냉간성형방법에 관한 것이다.

통상적으로 자동차용 알로이휠은 고강성이면서 경량인 것이 요구되어 알루미늄 또는 알루미늄합금의 소재가 사용되며 림부분의 전체를 통하여 치밀화된 조직을 갖도록 하는 것이 요구된다. 이러한 관점에서 림(또는 드럼)부분은 자동차용 알로이휠의 제조에 있어서 중요한 부분이라 할 수 있다.

종래 알로이휠의 림부분을 제작함에 있어서는 예를 들어 림부분과 디스크부분 전체를 용탕단조하는 방법이 있고 원반형 소재를 단계적으로 단조하는 연속단조방법이 있다. 그러나, 용탕단조방법은 복잡한 구조의 용탕단조기를 필요로 하고 작업공정이 복잡한 결점과 소요의 강성과 경량화를 얻을 수 있는 범위까지 림부분의 두께를 결정하기 어려운 점이 있었다. 또한 원반형 소재를 단계적으로 단조하는 연속단조방법에 있어서는 원반형 소재를 얻는 과정에서 원재료의 낭비가 크고 이러한 원반형 소재를 튜브형의 림부분까지 단조하는 과정은 너무 복잡하다.

특히, 알루미늄 튜브를 제조하여 자동차용 알로이휠의 림부분을 제조하는 경우 일반적으로 전후방압출공법을 이용하지만 외경이 400∼700mm이고 두께가 3.5∼4.5mm인 대형튜브의 생산에는 대형프레스가 사용되고 그 수율자체가 나빠 생산원가가 높아져 경제성이 떨어진다. 전후방압출공법이외에 판재를 디프 드로윙하여 생산하는 방법도 있지만 판재가격이 고가이고 재료의 손실이 많아 역시 경제성이 떨어진다. 한편 판재를 원통형으로 말아 아크용접하는 공법도 있으나 이와 같은 경우 용접부위의 결함으로 강도저하의 문제가 있고 자동차용 알로이휠의 완성후 공기누설의 문제가 있다.

또한 알루미늄 튜브를 자동차용 알로이휠의 림부분의 형상대로 성형하는 방법으로는 스피닝에 의한 방법이 가장 많이 사용되고 있다. 이러한 방법은 2개 이상의 소형 롤러가 림부분의 형상대로 맨드렐 위를 순차적으로 지나면서 성형하는 방법이다. 따라서 림부분의 폭의 전체길이를 성형하면서 전진하는 속도에 따라 생산속도가 결정되는 바, 전진속도는 소재의 변형량을 고려하여 결정되기 때문에 통상적으로 생산속도가 늦다. 또한 롤러의 운동은 튜브의 반경방향과 길이방향으로 제어되어야 하므로 제어장치가 필요하고 생산조건의 설정이 복잡한 결점이 있다.

본 발명에 있어서는 종래의 이와 같은 점을 감안하여 창안한 것으로, 공정수가 현저히 단축되고 공정에 기여하는 제작기구가 간단하여 다른 공법에 비해 생산성과 수율이 현저히 증가된 자동차용 알로이휠을 제공하기 위하여, 소재의 금속조직의 유동성을 이용하여 림부분에 최적한 두께를 가지고 고강도와 고품질을 유지하는 심레스 튜브(seamless tube)를 제조하고 제어범위가 적은 롤러를 이용하여 림부분의 형상이 고속의 냉간압연공정으로 성형될 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

이를 위하여, 본 발명은 변부로부터 드롭센터부까지 요철부를 이루는 림부분과 이 림부분의 내부에 결합되는 디스크부분으로 구성되는 자동차용 알로이휠의 냉간성형방법을 제공한다. 본 발명은 림소재를 단조하여 얻은 컵형의 프리폼을 유동성형하여 심레스 튜브를 얻는 단계, 심레스 튜브를 절단하여 단위튜브를 얻는 단계와, 단위튜브를 피성형소재의 직경방향으로만 이동하는 1차롤러와 직경방향과 길이방향으로 이동하는 2차롤러를 갖는 롤 포밍기에서 1차롤러로 1차 롤 포밍하여 예비성형단위튜브를 성형하고 1차롤러의 후퇴후 예비성형단위튜브를 2차롤러로 2차 롤 포밍하여 완성형상의 림부분을 성형하는 단계로 구성된다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 및 이를 이용한 자동차용 알로이휠의 제조 공정도 개요.

도 2는 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 자동차용 알로이휠의 단면도.

도 3은 본 발명의 제조방법에 따라 자동차용 알로이휠이 제조되는 과정을 보인 설명도.

도 4는 림의 성형을 위하여 연속주조된 빌렛으로부터 얻은 단조소재를 단조가공하여 프리폼을 얻는 것을 보인 단조과정의 설명도.

도 5는 단조공정에서 얻은 프리폼으로부터 유동성형하여 심레스 튜브를 얻는 유동성형과정의 설명도.

도 6과 도 7은 림의 성형과정을 보인 설명도.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

16... 림부분 18... 디스크부분

20... 심레스 튜브 21... 단위튜브

21'... 예비성형단위튜브 26... 단조프레스

28... 프리폼 30... 유동성형기

38... 압연롤러 40... 롤 포밍기

48... 1차롤러 50... 2차롤러

본 발명에 의하여 제조되는 자동차용 알로이휠은 도 2에서 보인 바와 같이 변부(10)로부터 드롭센터부(12)까지 요철부(14)를 이루는 림부분(16)과 이 림부분(16)의 내부에 결합되는 디스크부분(18)으로 구성된다. 이러한 자동차용 알로이휠을 제조하기 위하여 먼저 림부분(16)이 제작되고 이러한 림부분(16)에 별도 제작된 디스크부분(18)이 용접된다.

림부분(16)의 제작은 이러한 림부분(16)에 사용될 소재로서 심레스 튜브(20)를 제조하는 공정과 이러한 튜브를 림부분(16)의 형상대로 압연성형하는 림 성형공정을 통하여 이루어진다.

본 발명은 알로이휠용 유동성형 튜브의 제조로부터 시작한다. 결론적으로 알로이휠용 유동성형 튜브의 제조는 림부분(16)에 사용될 소재로서의 심레스 튜브(20)(도 3b)를 얻는 것이다.

이러한 심레스 튜브(20)는 연속주조된 빌렛을 원형톱 머신에서 절단하여 저주파 유도가열로에서 단조온도로 가열한 후 균일로(soaking furnace)에서 가열소재가 균일한 단조온도가 되도록 한다. 가열된 소재를 단조다이(22)와 펀치(24)로 구성되는 단조프레스(26)(도 4 참조)에서 단조한다. 단조다이(22)와 펀치(24)에 윤활제를 도포하고 가열된 소재를 단조다이(22)내에 장입하여 단조프레스(26)의 유압을 적정압력으로 조종하고 1차로 옵셋단조한 후 2차로 피니싱 단조하여 도 3(a)에서 보인 바와 같은 컵형의 단조품인 프리폼(28)을 얻는다.

상기 단조공정으로 제조된 프리폼(28)은 이후 림부분(16)을 성형하는데 최적한 직경을 가지고 두께가 3.5∼4.5mm인 심레스 튜브(20)를 제조하기에 적합한 치수로 정밀하게 가공하는 유동성형가공을 시행한다. 이를 위한 유동성형기(30)는 도 5에 도시되어 있다.

심레스 튜브(20)를 유동성형하기 위한 유동성형기(30)는 프리폼(28)이 결합되는 맨드렐(32), 맨드렐(32)의 중심을 잡기 위해 맨드렐(32)에 결합되는 테일스톡(34), 스핀들(35), 성형 완성된 심레스 튜브(20)를 맨드렐(32)로부터 방출하기 위한 이젝터링(36) 및 프리폼(28)을 길이방향으로 유동성형하기 위하여 압연토록 맨드렐(32)의 주위에 120°간격으로 배치되어 있으나 같은 동심원상에는 놓이지 않은 3개의 압연롤러(38)(도 5에서는 두개만을 보임)로 구성된다. 도 5의 유동성형기(30)에서는 심레스 튜브(20)가 거의 완성되고 있는 것을 보이고 있다.

사전에 유동성형 윤활제가 도포된 프리폼(28)이 결합고정된 맨드렐(32)이 회전하고 각 압연롤러(38)가 프리폼(28)에 대하여 방사상 방향에서 맨드렐(32)의 축선방향으로 가압되며 맨드렐(32)에 대하여 압연롤러(38)가 적정속도로 길이방향을 따라 전진함으로서 프리폼(28)의 전 주면에서 동시에 그리고 연속적으로 두께감소가 이루어지는 유동성형이 진행된다. 이와 같이 심레스 튜브(20)를 유동성형하는 공정은 종래 단면감소를 위하여 하나의 롤러를 이용하여 3회에 걸쳐 작업하는 것을 3개의 롤러에 의한 단일공정으로 작업이 완료될 수 있어 경제적인 방법이라 할 것이다.

이와 같이 심레스 튜브의 유동성형공정으로 자동차 알로이휠의 경량화 모델인 투-피스(tow-piece)공법의 림 생산에 적용하여 기존의 단조 알로이휠 대비 소요비용을 획기적으로 줄이면서도 고강도와 고품질을 유지하는 심레스튜브를 생산할 수 있다.

특히 심레스튜브(20)의 내경은 유동성형기(30)의 맨드렐(32)의 외경으로 결정되기 때문에 동일 내경의 심레스 튜브를 제조하는 경우 압연롤러(38)의 위치조정만으로 그 두께를 변환시켜 제조할 수 있다.

유동성형으로 제조된 심레스 튜브(20)는 결정립이 미세하고 표면의 조도가 미려하여 열처리 후의 기계적인 성질인 인장강도, 연신율 등이 매우 우수하다(AA6061-T6 소재, 인장강도 32kgf/㎟, 연신율 12%이상). 상기 본 발명에 의해 제조된 심레스 튜브(20)는 내경과 외경의 치수정밀도가 장비공차 및 롤러공차 범위내에서 제조되므로 직경이 400∼700mm인 대형의 튜브의 제조에 적용되는 다른공법에 비하여 정밀도가 뛰어나며 외경에 대하여 0.05∼0.1mm의 정밀도를 갖는다.

본 발명에 따라서, 상기 심레스 튜브의 제조공정에서 얻은 심레스 튜브(20)는 림부분(16)의 성형에 적합한 단위길이로 절단한 후 롤 포밍기(roll forming M/C)에서 성형된다. 이러한 롤 포밍기(40)가 도 6 및 도 7에 도시되어 있다.

롤 포밍기(40)는 스핀들(42)에 고정되는 림부분의 형상을 이루는 맨드렐(44), 이에 대항하는 테일스톡(46), 림부분을 압연성형하는 1차 및 2차롤러(48)(50)로 구성된다. 1차롤러(48)는 피성형소재의 직경방향으로만 이동하고 2차롤러(50)는 직경방향과 길이방향으로 이동할 수 있게 되어 있다.

상기 언급된 바와 같이, 심레스 튜브(20)를 림부분(16)의 성형에 적합한 단위길이로 절단한다(도 3b). 절단한 단위튜브(21)는 롤 포밍기(40)의 스핀들(42)에 고정되는 림부분의 형상을 이루는 맨드렐(44)에 삽입결합되고 테일스톡(46)에 의하여 위치가 고정된다. 이러한 상태에서 스핀들(42)이 회전하고 1차롤러(48)가 단위튜브(21)의 직경방향으로 전진하여 이 단위튜브(21)를 최종 림부분(16)의 형상에 가깝게 예비성형하여 예비성형단위튜브(21')를 얻는다. 이와 같이 1차롤러(48)를 이용하여 예비성형단위튜브(21')를 예비성형하는 이유는 이러한 1차롤러(48)를 소재의 직경방향으로 이동시켜 림의 형상과 동일한 형상을 성형하는 경우 가공시 소재의 사전에 결정된 변형량을 초과함으로서 소재가 파단되거나 내부결함이 발생할 수 있기 때문이다. 이러한 1차롤러(48)는 소재의 직경방향으로 이동하여 튜브형상의 소재를 한번에 림의 형상으로 예비성형하는 것으로 성형부위가 완만한 곡선을 이루도록 성형하여 성형시 가공량이 균일하게 분포되도록 한다.

이와 같이 1차롤러(48)를 이용하여 예비성형단위튜브(21')를 예비성형한 후, 1차롤러(48)가 후퇴하고 2차롤러(50)가 소재의 직경방향으로 전진한다. 이 2차롤러(50)는 상기 언급된 바와 같이 소재에 대하여 직경방향과 길이방향으로 이동가능하게 되어 있어 완만한 곡선 윤곽을 가지는 예비성형단위튜브(21')를 변부(10)로부터 드롭센터부(12)까지 요철부(14)를 이루는 림부분(16)으로 성형되게 한다.

이와 같이 최종성형된 림부분(16)에는 통상의 방법으로 별도 성형되는 디스크부분(18)이 용접된다. 이러한 디스크부분(18)을 레이저용접공법으로 림부분(16)에 용접한다. 레이저용접공법은 기존의 TIG 또는 MIG 전기용접방법을 대체할 수 있는 공법으로 레이저용접시에는 극히 일부분만 급가열 용접되고 용접시간이 적게 소요된다. 용접부의 냉각속도가 빠르기 때문에 용접후 치수변형이 없으며 특히 용접강도가 상기 언급된 기존의 TIG 또는 MIG 전기용접방법에 비하여 우수하고 용접시 기포의 발생 등과 같은 결함이 전혀 나타나지 않아 용접강도를 증가시킨다.

이와 같이 본 발명은 공정수가 현저히 단축되고 공정에 기여하는 제작기구가 간단할 뿐만 아니라 다른 공법에 비해 생산성과 수율이 획기적으로 향상된 자동차용 알로이휠의 림 냉간 성형 방법을 제공한다. 특히 소재의 금속조직의 유동성을 이용하여 림부분에 최적한 두께를 가지고 고강도와 고품질을 유지하는 심레스 튜브를 제조하여 제어범위가 적은 롤러로 림부분을 고속냉간압연공정으로 성형할 수 있는 잇점이 있다.

Claims

변부(10)로부터 드롭센터부(12)까지 요철부(14)를 이루는 림부분(16)과 이 림부분(16)의 내부에 결합되는 디스크부분(18)으로 구성되는 자동차용 알로이휠의 림 냉간성형방법에 있어서, 림소재를 단조하여 얻은 컵형의 프리폼(28)을 유동성형하여 심레스 튜브(20)를 얻는 단계, 심레스 튜브(20)를 절단하여 단위튜브(21)를 얻는 단계와, 단위튜브(21)를 피성형소재의 직경방향으로만 이동하는 1차롤러(48)와 직경방향과 길이방향으로 이동하는 2차롤러(50)를 갖는 롤 포밍기(40)에서 1차롤러(48)로 1차 롤 포밍하여 예비성형단위튜브(21')를 성형하고 1차롤러(48)의 후퇴후 예비성형단위튜브(21')를 2차롤러(50)로 2차 롤 포밍하여 완성형상의 림부분(16)을 성형하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 자동차용 알로이휠의 림 냉간성형방법.