KR20020086547A

KR20020086547A - 수압성형된 상호연결 부재를 구비한 관형 조립체 및 그제조 방법

Info

Publication number: KR20020086547A
Application number: KR1020027010739A
Authority: KR
Inventors: 바버마크; 다이스세어죤디.
Original assignee: 코스마 인터내셔널 인크.
Priority date: 2000-02-18
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2002-11-18
Also published as: EP1268097B1; WO2001060544A2; BR0108465A; US20030126730A1; JP2003522646A; EP1268097A2; DE60104829T2; US6898836B2; CN1418136A; DE60104829D1; CA2400227C; CA2400227A1; MXPA02008003A; AU2001233551A1; WO2001060544A3

Abstract

본 발명은 매우 다양한 단면을 갖는 섹션들 사이를 연결시키는 경우에 수압성형을 사용할 수 있는 중공 부품(18)을 성형하기 위한 방법에 관한 것이다. 완전한 중공 부품(18)은 수압성형된 중공 섹션을 중공 섹션들과 결합시킴으로써 형성된다. 미리 제조된 중공 부품(100) 내에 체결구 슬리브 삽입체(102)를 고정시키기 위한 방법도 제공된다. 이 방법에서, 중공 부품(100)은 약간 변형되어 삽입체(102)를 부품 내에 고정시키는 플랜지(108)를 형성한다. 삽입체(102)가 중공 부품 내에 고정되면, 체결구는 부품을 붕괴시키지 않고서 부품에 부착될 수 있다.

Description

수압성형된 상호연결 부재를 구비한 관형 조립체 및 그 제조 방법{TUBULAR ASSEMBLY HAVING HYDROFORMED INTERCONNECTING MEMBER AND METHOD FOR MAKING SAME}

프레임 부재 또는 보강 비임과 같은 자동차 본체 구조물용 중공 부품은 이론상 길이에 따라 변형하는 단면 형상 및/또는 주연 길이가 요구된다. 가변 단면을 갖는 종래의 중공 부품은, 예컨대 완전한 튜브의 2개의 종방향 반부를 형성하는 시트 금속의 2개의 편들로부터 스탬핑될 수 있다. 그 후, 2개의 편들은 용접에 의해 2개의 용접 이음매와 함께 용접되고, 각각의 용접은 부품의 길이로 이어진다. 이는 최종 중공 부재를 생산하기 위해 비교적 많은 노력과 용접을 요구하므로, 결국 과중한 공정 비용을 야기한다.

수압성형은 가변 단면을 갖는 중공 부품을 생산하는 한가지 방법이다. 금속 구조 부품을 수압성형하는 공정은 공지되어 있다. 예컨대, 본 명세서에 참조문헌으로 일체된 미국 특허 제4,567,743호, 제5,070,717호, 제5,107,693호, 제5,233,854호, 제5,239,852호, 제5,333,775호 및 제5,339,667호를 참조하라. 종래의 수압성형 공정에서, 관형 금속 블랭크 부재는 수압성형 다이의 다이 공동 내에 배치된다. 튜브의 대향 단부들은 밀봉되고, 가압 하에 액체가 관형 블랭크 내부로 분사되어서 다이 공동을 한정하는 내부면과 일치하게 블랭크를 외향으로 팽창시킨다. 종래의 수압성형 공정의 최근 개선책에서는, 튜브가 외향 팽창하는 동안 관형 블랭크의 대향 단부들은 종방향으로 서로를 향해 가압되어서 외향으로 팽창된만큼 금속의 벽 두께를 보충한다. 블랭크를 종방향으로 압축함으로써 재료를 보충하는 예시적인 공정이 미국 특허 제5,718,048호, 제5,855,394호, 제5,899,498호 및 통상적으로 양도된 미국 특허 제5,979,201호 및 제6,014,879호에 개시되어 있다.

수압성형된 중공 부품의 장점은 불규칙 단면 형상을 갖는 고강도 부품이 스탬핑 또는 압연 성형 기술을 사용해서 실시하는 것이 불가능하지는 않지만 매우 난해한 경우에, 쉽고 경제적인 비용으로 제조될 수 있다는 것이다.

중공 부품이 단면에 극도의 변동을 필요로 하는 몇몇 적용예에 대해, 수압성형은 다소 문제가 있다. 종래의 수압성형에서, (통상 원통형인) 균일한 단면 블랭크의 단면 직경은 통상 형성될 부품의 가장 작은 치수보다 다소 작게 선택된다. 그 후, 블랭크는 다이 공동의 크기에 의해 결정된 바와 같이 팽창된다. 튜브 블랭크의 일부가 매우 큰 정도로(예컨대, 30% 보다 크게) 팽창되는, 이들 위치의 튜브 벽 두께는 과도하게 얇야져 부품에 손상을 줄 수 있다.

부품의 연장된 부분이 (예컨대, 압출에 의해 제조될 수 있는 바와 같은) 대체로 일정한 단면 형상으로 제공될 수 있는 일정 적용예에 대해, 전체 부품이 수압성형 공정을 받을 필요가 없다. 또한, (예컨대, 압출 또는 압연 성형에 의해 형성된) 2 이상의 균일한 단면이나, 서로 상이한 단면 형상 및/또는 치수인 관형 부재를 합체하는 중공 부품이 제공되는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 상이한 형상 및/또는 치수를 갖는 튜브를 연결할 필요가 있기 때문에, 이러한 부품을 제공하는 것은 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 신규하고 비용 효율적인 방식으로 전술된 난점을 극복하는 것이다.

본 발명은 자동차 프레임 분야, 특히 자동차 프레임에 사용되는 중공 부품의 수압성형에 관한 것이다.

도1은 본 발명에 따라 형성된 중공부의 분해된 등각도이다.

도2는 본 발명에 따른 수압성형 공동 내의 관형 블랭크의 단면도이다.

도3은 본 발명에 따른 수압성형 공동 내에 확장되는 중공 부재의 단면도이다.

도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수압성형 공동 내의 일반적으로 원뿔형관형 블랭크의 단면도이다.

도5는 본 발명의 다른 태양에 따른 중공 부재 내에 삽입되는 보강 튜브의 등각도이다.

도6은 본 발명에 따른 플랜징 펀치를 갖는 보강 튜브와 중공 부재의 단면도이다.

본 발명은 중공 부품을 형성하는 방법이다. 전술된 목적을 달성하기 위해, 제1 개방 단부 및 제2 개방 단부를 갖는 제1 중공 부재가 제공되며, 제1 단부는 소정의 구조 치수 및 형상을 갖는다. 또한, 제1 개방 단부 및 제2 개방 단부를 갖는 제2 중공 부재가 제공되며, 제1 단부는 소정의 구조 치수 및 형상을 갖는다. 제1 중공 부재의 제1 단부는 제2 중공 부재의 제1 단부와 치수 또는 형상 또는 이들 모두에 있어 상이하다. 제3 중공 부재는, 제1 중공 부재의 제1 단부의 구조 치수 및 형상과 대체로 동일한 구조 치수 및 형상을 갖는 제1 개방 단부를 갖고 제2 중공 부재의 제1 단부의 구조 치수 및 형상과 대체로 동일한 구조 치수 및 형상을 갖는 제2 개방 단부를 갖도록, 형성된다. 제3 중공 부재를 형성하는 것은 제3 중공 부재를 수압성형 다이 조립체의 다이 공동 내로 위치시키고, 팽창시 제1 중공 부재의 제1 단부와 대체로 동일한 구조 치수 및 형상의 제1 단부를 구성하는 부분을 제공하도록 다이 공동을 한정하는 표면에 부합하여 제3 중공 부재를 팽창시키는 것을 포함한다. 또한, 다이 공동은 제2 단부를 구성하는 제3 중공 부재의 다른 부분이제2 중공 부재의 제1 단부와 대체로 동일한 구조 치수 및 형상을 갖도록 하는 형상이다. 제3 중공 부재의 제1 단부는 제1 중공 부재의 제1 단부에 용접되고, 제3 중공 부재의 제2 단부는 제2 중공 부재의 제1 단부에 용접된다.

본 발명의 제2 태양에는 미리 제조된 중공 부재 내에 체결구 연결 슬리브를 고정하는 방법이 제공된다. 중공 부재는 내부에 제1 및 제2 구멍을 각각 갖는 제1 및 제2 대향 벽을 가지며, 제1 및 제2 구멍은 각각 연결 슬리브의 제1 및 제2 단부와 함께 정렬된다. 상기 방법은 연결 슬리브가 중공 부재의 제1 및 제2 벽에 인접하여 배치된 제1 및 제2 대향 개방 단부를 갖도록 중공 부재의 일 단부를 통해 중공 부재의 내부로 연결 슬리브를 삽입하는 단계를 포함한다. 그 후 제1 벽은 제1 구멍을 둘러싸고 연결 슬리브의 제1 개방 단부 내로 돌출하는 제1 플랜지를 형성하도록 변형된다. 유사하게, 제2 벽은 제2 구멍을 둘러싸고 연결 슬리브의 제2 개방 단부 내로 돌출하는 제2 플랜지를 형성하도록 변형된다. 따라서, 제1 및 제2 플랜지는 체결구가 관통하는 것을 허용하도록 제1 및 제2 구멍과 정렬하여 제1 및 제2 개방 단부를 고정시킨다.

본 발명의 양호한 실시예에서, 도1에 도시된 바와 같이 2개의 중공 부재(10, 12)가 제공된다. 제1 중공 부재(10)는 소정의 구조 치수와 형상을 갖는 제1 개방 단부(14)와 제2 개방 단부(15)를 갖는다. 또한, 제2 중공 부재(12)는 소정의 구조 치수와 형상을 갖는 제1 개방 단부(16)와 제2 개방 단부(17)를 갖는다. 제2 중공 부재(12)의 제1 단부(16)의 치수와 형상 중 하나 또는 모두는 제1 중공 부재(10)의 제1 단부(14)와 다르다. 2개의 중공 부재(10, 12)는 임의의 금속 재료로 이루어질 수 있으며 원하는 적용예와 재료에 적절한 임의의 방식으로 형성될 수 있지만, 가장 양호하게는 압출될 수 있으며, 양호하게는 알루미늄으로 제조될 수 있다. 부재(10, 12)는 양호하게는 원통형이 아닌 다변형 단면 형상(예를 들면, 3각형, 4변형, 5각형)을 갖는다.

다른 실시예에서, 2개의 중공 부재(10, 12) 각각은 수압성형된 튜브일 수 있다.

2개의 중공 부재(10, 12)와 결합하기 위해, 어댑터 또는 변환 부재로서 작용하는 제3 중공 부재(18)는 제1 중공 부재(10)의 제1 단부(14)와 일반적으로 동일한구조 치수와 형상을 갖는 제1 개방 단부(20)를 가지며, 또한 제2 중공 부재(12)의 제1 단부(16)와 일반적으로 동일한 구조 치수와 형상을 갖는 제2 개방 단부(22)를 가지며 형성된다. 제3 중공 부재(18)를 제1 및 제2 중공 부재(10, 12)에 연결하는 데 이용되는 용접 라인(24)이 도1에 개략적으로 도시된다.

어댑터(18)는 수압성형에 의해 형성된다. 보다 구체적으로, 도2 및 도3을 참조하면, 관형 금속 블랭크(30)는 대향 단부(20, 22)에서 상이한 횡(단면) 치수 및/또는 형상을 갖는 부품으로 수압성형된다. 도2에 도시된 바와 같이, 블랭크(30)는 상부 다이면(36)을 갖는 상부(34)와 하부 다이면(40)을 갖는 하부(38)를 갖는 수압성형 다이(32) 내로 위치된다. 상부 및 하부 다이 부분(34, 38)들이 함께 위치될 때, 상부 다이면(36)과 하부 다이면(40)이 함께 다이 공동(42)을 형성한다. 다이 공동(42)은 블랭크(46)의 제1 부분을 제1 소정 형상 및 치수로 팽창시키도록 구성되고 배치된 제1 팽창부(44)와 블랭크(50)의 제2 부분을 제2 소정 형상 및 치수로 팽창시키도록 구성되고 배치된 제2 팽창부(48)를 포함한다. 제1 부분의 형상 및 치수 중 적어도 하나는 제2 부분의 형상 및 치수와 다르다. 블랭크(30)는 상부 및 하부 다이 부분(34, 38)들 사이에 위치되며, 상부 및 하부 다이 부분(34, 38)들은 함께 다이 공동(42)을 형성하도록 위치된다. 블랭크의 단부들은 앞서 합체되어 참조된 특허들에 의해 예시된 바와 같이, 본 기술 분야에서 공지된 밀봉 램에 의해 밀봉된다. 고압의 수압성형 유체(52)가 밀봉 부재들 중 하나를 통해 블랭크(30)로 도입되고, 이로 인해 블랭크는 도3에 도시된 바와 같이 다이 공동의 표면(36, 40)들을 따라 팽창한다.

완성된 제2 중공 부재의 단부들의 양호한 구조 치수가 상당히 다른 치수(다른 단부보다 큰 단면의 주연부를 갖는 일단부)를 가질 때, 원뿔형 관형 블랭크(60)는 종래의 원통식 관형 블랭크 대신에 사용될 수 있다. (도4 참조) 양호하게는, 원뿔형 관형 블랭크(60)는 시트 금속을 압연하여 일반적인 원뿔형 관형 구조로 형성된다. 이러한 원뿔형 블랭크(60)는 튜브가 다이 공동 표면에 합치되기 위해 보다 큰 정도로 팽창 돼야만 하는 튜브의 과도한 얇음으로 인한 내재적인 문제점들을 극복하는데 도움이 된다. 즉, 블랭크의 각각의 단부는 블랭크가 팽창될 다이의 관련 부분들과 보다 밀접하게 상응하는 주연부를 갖는다.

다이 공동의 대향 부분들의 형상 및 크기는 정합(융착)될 돌출된 튜브의 단부(14, 16)들과 형상 및 치수적으로 정렬된 대향 단부(20, 22)들을 갖도록 수압성형된 부분에 대해 요구되는 치수를 갖도록 구성된다. 이에 따라, 본 발명은 수압성형 어댑터가 수압성형 다이로부터 제거된 후에, 대향 밀봉 램들과 정합하도록 변형된 수압성형부의 단부 부분들을 절단하는 것이 필요할 수 있다는 것을 주지해야 한다. 이러한 절단 단계는 수압성형 분야에 공지되어 있지만, 항상 요구되는 것은 아니다. 절단이 요구되는 경우에, 상기 대향 단부 부분에서 양호한 형상 및 치수를 갖는 어댑터 부재(18)를 제공하도록 구성된 수압성형 다이 공동의 부분들은 블랭크의 단부 부분들로부터 내향 이격되며, 수압성형으로부터 인출된 부분들이 절단되는 영역에 위치(정렬)된다. 그 후, 이러한 절단 단부(20, 22)들은 각각 단부(14, 16)들에 융착된다.

완성된 중공부가 다른 구조 부품에 고정될 때, 그 부분에 구멍을 뚫어서 볼트와 같은 체결구를 관통시키는 것이 바람직하다. 그 후에 튜브가 종방향으로 용접되는 두 개의 종방향으로 스탬핑된 반부로 형성될 때, 용접 전에 튜브의 내부로 접근하는 것이 가능하기 때문에 완성된 튜브 내에 강화 부재를 포함하는 추가 공정 단계를 포함하는 것은 비교적 간단하다. 이러한 경우에, 튜브가 수압성형 또는 압출에 의한 것처럼, 일체형의 일편 부재로 성형되지만, 공정은 더욱 어려워진다.

본 발명의 다른 목적은 그러한 위치에 중공부를 강화시키는 역할을 하도록 압출 및/또는 수압성형된 튜브 내에 내부 슬리브를 제공하는 것이다. 특히, 튜브의 강도를 증가시키기 위해, 튜브가 붕괴될 위험이 없는 체결구를 관통시켜 튜브가 붕괴되지 않도록 사용될 수 있다. 도6은 내부에 부착된 강화 연결 슬리브(102)를 갖는 중공 부재(100)의 단면도를 도시한다. 연결 슬리브(102)는 도5에 도시된 바와 같이 그의 개방 단부(103)를 통해 중공 부재 내로 삽입된다. 슬리브(102)를 부착하기 위해, 대향하는 플랜징 펀치(104)들은 슬리브(102)의 개방 단부 내로 중공 부재의 대향 벽(106)들을 통해 가압된다.

양호한 실시예에서, 미리 펀칭된 구멍들은 대향 벽(106) 내에 제공되고, 그러한 구멍들은 펀치(104)의 직경보다 더 작은 직경을 갖고 슬리브(102)의 개방 단부와 정렬된다. 따라서, 펀치(104)가 벽(106) 내의 그러한 구멍을 통해 가압될 때, 이러한 구멍을 둘러싸는 모서리는 슬리브(102)의 개방 단부 내로 연장하는 플랜지(108)를 형성하도록 굴곡된다. 미리 펀칭된 구멍들은 예컨대 튜브(100) 섹션이 수압성형에 의해 성형된 튜브 영역인 경우에 수압 피어싱 공정으로 성형될 수 있다.

다른 실시예에서, 미리 펀칭되지 않은 구멍은 대향하는 튜브 벽(106) 내에 성형되고, 플랜징 펀치(104)들 자체는 중공 부재의 대향 벽(106) 내에 구멍을 형성한다. 중공 부재의 대향 벽(106)의 재료는 플랜지(108)를 형성하도록 변형된다. 플랜지(108)는 중공 부재 내에 형성된 구멍의 주연부 주위에 배치되고 슬리브(102)의 대향 단부들 내로 연장된다. 다른 실시예에서, 플랜지(108)는 중공 부재(100)에 대한 슬리브의 단부를 부착시킨다. 바람직하게는, 컴퓨터 수치 제어 수압 시스템은 펀치(104)가 펀칭 작업 이전에 슬리브의 개방 단부와 정렬되고 펀치(104)를 내부로 가압하는 것을 보장하도록 튜브(100) 내에 슬리브(102)를 삽입하는 데 사용된다. 또한, 고정물이 사용될 수 있고 슬리브(102)가 손으로 삽입될 수 있다. 그 후에, 슬리브(102)의 단부가 대향하는 튜브 벽(106)들에 용접되는 동안(예컨대, 레이저 용접, 방사 용접 등), 슬리브(102) 내의 플랜지의 기계적 상호 잠금 관계가 슬리브(102)를 튜브(100)에 고정하는 유일한 수단일 수 있다는 것이 고려된다.

위의 설명은 단지 예시의 역할을 하며, 본 발명의 범위 내에서 다른 많은 실시예들이 가능하다는 것은 명확할 것이다.

Claims

중공 부품을 성형하기 위한 방법이며,

소정의 구조 치수 및 형상을 갖는 제1 개방 단부와, 제2 개방 단부를 갖는 제1 중공 부재를 제공하는 단계와,

소정의 구조 치수 및 형상을 갖는 제1 개방 단부와, 제2 개방 단부를 갖는 제2 중공 부재를 제공하는 단계와,

상기 제1 중공 부재의 제1 단부와 대체로 동일한 구조 치수 및 형상을 갖는 제1 개방 단부와, 상기 제2 중공 부재의 제1 단부와 대체로 동일한 구조 치수 및 형상을 갖는 제2 개방 단부를 갖는 제3 중공 부재를 성형하는 단계와,

상기 제3 중공 부재의 상기 제1 단부를 상기 제1 중공 부재의 상기 제1 단부에 용접하고, 상기 제3 중공 부재의 상기 제2 단부를 상기 제2 중공 부재의 상기 제1 단부에 용접하는 단계를 포함하고,

상기 제1 중공 부재의 상기 제1 단부의 상기 소정의 구조 치수 및 형상 중 적어도 하나는 상기 제2 중공 부재의 상기 제1 단부의 소정의 구조 치수 및 형상과 다르며,

상기 성형 단계는 제3 중공 부재를 수압성형 다이 조립체의 다이 공동에 위치시키는 단계와, 상기 제1 중공 부재의 상기 제1 단부와 대체로 동일한 구조 치수 및 형상을 갖는 상기 제1 단부를 구성하는 부분을 제공하고, 상기 제2 중공 부재의 상기 제1 단부와 대체로 동일한 구조 치수 및 형상을 갖는 상기 제2 단부를 구성하는 부분을 제공하도록 상기 다이 공동을 한정하는 표면과 일치하게 상기 제3 중공 부재를 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 중공 부재는, 그 길이 방향 전체에 걸쳐 이음매없고 실질적으로 일정한 단면을 갖도록 금속 재료를 압출하여 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 제2 중공 부재는, 그 길이 방향 전체에 걸쳐 이음매없고 실질적으로 일정한 단면을 갖도록 금속 재료를 압출하여 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 중공 부재는 알루미늄을 압출하여 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 수압성형 다이 조립체의 상기 다이 공동에 위치된 상기 제3 중공 부재는 시트 금속을 대체로 원뿔형 관형 형상으로 압연하여 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 중공 부재는 수압성형하여 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
미리 성형된 중공 부재 내로 체결구 연결 슬리브를 고정시키는 방법이며,

상기 중공 부재는 대향되어 있는 제1 및 제2 벽을 갖고, 상기 제1 및 제2 벽은 그 안에 형성된 제1 및 제2 구멍을 갖고, 상기 제1 및 제2 구멍은 상기 연결 슬리브의 제1 및 제2 단부와 각각 정렬되어 있으며,

상기 방법은 상기 연결 슬리브가 상기 중공 부재의 제1 및 제2 벽에 각각 인접하게 배치된 대향하는 제1 및 제2 개방 단부를 갖도록 상기 중공 부재의 개방 단부를 통해 상기 중공 부재의 내부로 연결 슬리브를 삽입하는 단계와, 상기 제1 구멍을 둘러싸고 상기 연결 슬리브의 상기 제1 개방 단부 내로 돌출하는 제1 플랜지를 형성하도록 상기 제1 벽을 변형시키는 단계와, 상기 제2 구멍을 둘러싸고 상기 연결 슬리브의 상기 제2 개방 단부 내로 돌출하는 제2 플랜지를 형성하도록 상기 제2 벽을 변형시키는 단계를 포함하고,

상기 제1 플랜지와 상기 제2 플랜지는 상기 연결 슬리브의 상기 제1 및 제2 개방 단부를 상기 제1 및 제2 구멍과 정렬되도록 고정시켜서 그 사이로 체결구가 통과할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 구멍은 상기 제1 및 제2 벽을 변형시키기 전에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 벽을 변형시키는 단계는 상기 제1 및 제1플랜지를 형성할 뿐만 아니라 상기 제1 및 제2 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 상기 중공 부재를 압출에 의하여 미리 성형하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.