KR20060117358A

KR20060117358A - 하이드로 폼 성형품, 하이드로 폼 가공 방법 및 그에이용되는 금형

Info

Publication number: KR20060117358A
Application number: KR1020067016754A
Authority: KR
Inventors: 미치토시 우치다
Original assignee: 수미도모 메탈 인더스트리즈, 리미티드; 엔에스케이 스티어링 시스템즈 가부시기가이샤; 스미토모 고칸 가부시키가이샤; 닛본 세이고 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-11-16
Also published as: EP1719564B1; US20060277958A1; US20090071215A1; WO2005080019A1; EP1719564A4; KR20080072968A; EP1719564A1; JPWO2005080019A1; US7464571B2; JP4855928B2; CN1921967A; CN1921967B; KR100899740B1

Abstract

본 발명의 하이드로 폼 가공 방법에 의하면, 하이드로 폼 가공된 팽출부에 종횡비가 3 이상인 장공을 피어싱하는 경우에, 팽출 공정과 피어싱 공정으로 이루어지는 하이드로 폼 가공이라도, 일련의 가공 공정 내에서 가능하게 하고, 밀링 등이 번잡한 기계 가공에 의한 천공 가공을 필요로 하지 않고, 또한, 양호한 장공 형상을 확보할 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 하이드로 폼 성형품은, 각종 천공 가공이 요구되는 자동차 부품등에 최적이고, 본 발명의 하이드로 폼 가공용 금형은, 자동차 부품 등의 가공용으로서 널리 적용할 수 있다.

Description

하이드로 폼 성형품, 하이드로 폼 가공 방법 및 그에 이용되는 금형{HYDROFORMED PART, HYDROFORMING METHOD, AND MOLD USED FOR THE HYDROFORMING METHOD}

본 발명은, 관 형상의 금속 소재의 내부에 공급된 가공 액체에 압력을 부하하여 팽출 성형된 하이드로 폼 성형품, 가공 방법 및 금형에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하이드로 폼 가공의 일련의 공정 내에서 팽출 성형과 함께, 그 팽출부에 장공(長孔)이 피어싱(구멍 뚫음)된 하이드로 폼 성형품, 하이드로 폼 가공 방법 및 그에 이용되는 금형에 관한 것이다. 따라서, 본 발명이 대상으로 하는 하이드로 폼 가공은, 소재를 팽출 성형하는 팽출 공정에 한정되지 않고, 장공을 뚫는 피어싱 공정을 포함하는 것이다.

통상, 하이드로 폼 가공에서는, 소재가 되는 금속관(이하, 「금속 소관(素管)」이라고 한다)의 내부에 가공 액체를 공급하고, 이 가공 액체에 압력(이하, 간단히 「내압」이라고 한다)을 부하하여, 금속 소관을 지지하는 금형에 따라 팽출 성형함으로써, 다양한 복잡한 형상의 관 형상 제품을 가공할 수 있다. 이 때문에, 하이드로 폼 가공은 자동차 부품의 성형 가공에 널리 이용되고 있다.

이러한 자동차 부품에서는, 다른 부품에 장착하기 위한 구멍이나 위치 결정 하기 위한 구멍 등 각종 가공이 행해지므로, 소정 형상으로 성형 가공된 후, 천공 가공을 실시하지 않으면 안되는 경우가 있다. 이러한 경우에, 강판 등의 프레스 성형품에 천공 가공을 실시할 경우는, 공구로서 다이스와 펀치를 이용해, 적절히, 소정 위치에 피어싱할 수 있다.

그런데, 하이드로 폼 가공에 의한 성형품은 관 형상으로 팽출 성형되므로, 관끝 근방을 제외하고, 관 내부의 소정 위치에 다이스를 배치하는 것이 곤란하다. 이 때문에, 강판 등의 프레스 성형품에서의 천공 가공과 같이, 펀치와 다이스를 이용해, 간편하게, 천공 가공을 행할 수 없다.

그래서, 종래부터, 하이드로 폼 성형품에 피어싱을 행하기 위해서, 내압 부하를 이용한 다양한 방법이 제안되어 있다. 예를 들면, 일본국 특개평 6-292929호 공보(단락 [0036], [0037], 도 21, 도 22)에서는, 관 형상 프레임 부재에 천공 가공을 행하는 경우에, 하이드로 폼 가공에 의한 팽출부의 성형이 완료되면, 높은 내압을 부하한 상태에서, 천공 펀치를 관 형상체의 팽출부에 외측으로부터 내부를 향해 세게 박아, 천공 가공을 하는 방법이 제안되어 있다(이하, 「제1의 종래 방법」이라고 한다).

또한, 일본국 특허공개 2001-18016호 공보에서는, 금형 내면에 다이스 구멍을 형성하고, 다이스 구멍 내에 펀치를 그 선단면이 금형 내면과 동일면을 형성하도록 삽입하고, 금속 소관을 팽출 성형하여, 내압을 부하시킨 상태에서 펀치를 후퇴시키고, 다이스 구멍 내에 형성되는 팽출부에 내압을 부하시켜, 피어싱하는 방법이 개시되어 있다(이하, 「제2의 종래 방법」이라고 한다).

제안된 「제1, 2의 종래 방법」에 의하면, 하이드로 폼 가공에 의한 팽출 성형 후에, 내압을 부하하여 팽출부에 피어싱하므로, 일련의 가공 공정 내에서 팽출 성형 및 천공 가공이 가능해져, 제조 비용이나 작업성의 관점에서 소정의 효과를 기대할 수 있다. 그러나, 이들 효과를 기대할 수 있는 것도, 피어싱하는 대상이 원 또는 원에 근사한 형상인 경우에 한정된다.

상술과 같이, 자동차 부품 등의 가공에 있어서, 각종 천공 가공이 요구되므로, 피어싱되는 구멍의 형상은, 원 또는 원에 근사한 경우에 한정되지 않는다. 예를 들면, 부품의 부착 위치나 높이를 조정하기 위해서 형성되는 구멍은, 조임 지그와 조합하여 조정 기능을 발휘시키기 때문에, 일반적으로 장공이 이용된다.

그런데, 종래 방법으로 장공을 피어싱하고자 하면, 펀치의 꿰뚫음에 수반하여 휘어짐이 발생하여, 뚫어진 장공의 형상이 변형되거나, 장공의 전체 둘레가 균일하게 전단 가공되지 않아, 부분적으로 잘린 나머지가 생기는 경우가 있다.

이 때문에, 피어싱된 장공의 변형이 현저하거나, 장공의 부분 둘레에 잘린 나머지가 발생하면, 자동차 부품으로서 사용할 수 없어, 수율을 저하시키게 된다. 이러한 가공 불량의 발생은, 후술하는 도 6에 도시하는 바와같이 장공의 종횡(aspect)비의 영향을 받게 된다.

도 1은 자동차 부품 등에 피어싱되는 장공의 형상예를 도시하는 도면이다. 도 1(a)∼(c)에 도시하는 형상은, 자동차 부품 등에 시공되는 장공의 예시이고, 본 발명이 대상으로 하는 장공을 한정하는 것은 아니다. 이러한 장공의 형상 특성을 적절히 나타내는 지수로서 종횡비가 있고, 장공의 최소폭(단변)(a) 및 최대폭(장변)(b)으로 했을 때, b/a로 표시된다.

하이드로 폼 가공에 있어서의 피어싱의 난이도는 종횡비에 의존하고, 예를 들면, 장공의 종횡비가 3이상이 되면, 전술의「제1, 2의 종래 방법」에서는, 천공 가공이 곤란해진다. 이하에, 「제1, 2의 종래 방법」에서 장공을 피어싱하는 경우에 발생하는 가공 불량의 상황을, 하이드로 폼 가공에 있어서의 단면 거동을 도시한 도면에 의거해 설명한다.

도 2는, 「제1의 종래 방법」에 의한 종횡비가 3이상인 장공을 피어싱하는 경우의 변형 거동을 설명하는 도면이다. 도 2의 좌측에 표시하는 X-X 방향에서 본 것은, 상기 도 1(d)에 도시하는 X-X 방향에서 본 것에 의거하는 정면 단면도이고, 마찬가지로, 우측에 표시하는 Y-Y 방향에서 본 것은 상기 도 1(d)에 표시하는 Y-Y 방향에서 본 것에 의거하는 정면 단면도이다.

도 2(a)는 하이드로 폼 가공으로 팽출 성형한 후의 상태를 도시하고, 동 (b)은 하이드로 폼 가공으로 팽출 성형한 후에 펀치(3)를 조금 전진시킨 상태를 도시하고, 동 (c)는 상기 (b)에 있어서의 전단 가공부의 주요부 확대를 도시하고, 동 (d)는 펀치(3)를 금속 소관(1)의 외측에서 내부를 향해 꿰뚫은 상태를 도시한다.

도 2(a)에 도시하는 바와같이, 금형(2)에는 펀치(3)가 슬라이드 가능한 다이스 구멍(4)이 형성되어 있고, 금속 소관(1)은 금형(2)의 내면에 수용되고, 금속 소관(1)의 내부에는 가공 액체의 내압(Pi)이 부하되어 있다.

도 2(b)에 도시하는 바와같이, 하이드로 폼 가공으로 팽출 성형한 후에 펀치(3)를 조금 전진시키면, 펀치(3)의 선단면에 의한 전단 가공이 행해진다. 그러나, 도 2(c)에 도시하는 바와같이, 펀치(3)의 전진과 함께, X-X 방향에서 본 A부에서 전단면이 생기면서 전단 가공이 진행되는데, Y-Y 방향에서 본 B부에서는 장공의 가장자리가 크게 휘어져, 전단 가공이 진행되지 않는다.

그 후, 도 2(d)에 도시하는 바와같이, 펀치(3)의 꿰뚫음에 수반하여, A부의 전단 가공이 완료된 후, B부의 전단 가공이 진행되는데, B부에 이미 큰 휘어짐이 발생하고, 장공의 피어싱 후에 휘어짐이 잔존한다. 이 때문에, 현저하게 변형된 장공이 피어싱되게 되어, 하이드로 폼 가공에 의한 성형 제품으로서 채용하는 것이 불가능하다.

도 3은 「제2의 종래 방법」에 의한 종횡비가 3이상인 장공을 피어싱하는 경우의 변형 거동을 설명하는 도면이다. 도 2의 경우와 마찬가지로, 좌측에 표시하는 X-X 방향에서 본 것은, 상기 도 1(d)에 도시하는 X-X 방향에서 본 것에 의거하는 정면 단면도이고, 우측에 표시하는 Y-Y 방향에서 본 것은 상기 도 1(d)에 표시하는 Y-Y 방향에서 본 것에 의거하는 정면 단면도이다.

도 3(a)는 하이드로 폼 가공으로 팽출 성형된 후의 상태를 도시하고, 동 (b)는 하이드로 폼 가공으로 팽출 성형한 후에 펀치(3)를 후퇴시켜, 다이스 구멍(4) 내에 팽출부를 형성한 상태를 도시하고, 동 (c)는 상기(b)에 있어서의 전단 가공부의 주요부 확대를 도시하고, 동 (d)는 다이스 구멍(4) 내의 팽출부에 내압(Pi)을 부하시켜, 피어싱한 상태를 도시한다.

도 3(b)에 도시하는 바와같이, 하이드로 폼 가공으로 팽출 성형한 후에 펀치(3)를 후퇴시키면, 다이스 구멍(3) 내에 팽출부가 형성된다. 이 팽출부의 형성 초기에 있어서는, X-X 방향에서 본 A부(장공의 단변 단면)에서는 거의 변형되지 않고, Y-Y 방향에서 본 B부(장공의 장변 단면)에서 크게 팽출된다.

도 3(c)는 가공 주요부의 전단면(C)을 도시하는데, X-X 방향에서 본 것을 나타내는 단변 단면에는 거의 전단면이 발생하지 않고, Y-Y 방향에서 본 것을 나타내는 장변 단면에서 큰 전단면이 발생한다. 또한, 장공의 장변에서 발생하는 전단면은 장변의 중앙부에서 가장 크고, 단부로 될수록 작아진다.

이 때문에, 도 3(d)에 도시하는 바와같이, 장공은 어느 하나의 장변 단면(Y-Y 방향에서 본 B부)에서 전단 가공이 완료되지만, 그 시점에 다른 장변 및 단변에서는 거의 전단 가공이 진행되지 않는다. 이 때문에, 장공의 장변에서 전단 가공이 완료되어도, 장공의 전체 둘레가 전단 가공되지 않고, 부분적으로 잘린 나머지가 생기게 된다.

이러한 장공에서의 잘린 나머지의 발생은, 장공의 형상 특성을 표시하는 종횡비가 커질수록 발생하기 쉬워진다. 특히, 종횡비 3이상인 장공을 피어싱하는 경우에는, 잘린 나머지가 많이 발생하여, 하이드로 폼 성형품의 수율이 극단적으로 저하되게 된다.

상술과 같이, 종횡비가 3이상인 장공을 피어싱하는 경우에, 「제1의 종래 방법」에서는, 펀치의 꿰뚫음에 수반하여, 큰 휘어짐이 잔존하기 때문에, 현저하게 변형된 장공이 가공되게 된다. 또한, 「제2의 종래 방법」에서는, 장공의 전체 둘레를 균일하게 전단할 수 없어, 부분적으로 잘린 나머지가 생기게 된다.

따라서, 종횡비가 3이상인 장공을 구비하는 자동차 부품 등을 가공하는 경우에는, 하이드로 폼 가공에 의해서 팽출 성형된 성형품을 제조(팽출 공정)한 후, 일반적인 기계 가공에 의해 천공 가공(피어싱 공정)을 행하는 것이 필요하게 된다. 이 때문에, 하이드로 폼 가공을 일련의 공정 내에서 대응시킬 수 없어, 밀링 등이 번잡한 기계 가공 방법을 채용하지 않으면 안되, 제조 비용의 상승과 동시에 효율적인 생산을 저해하는 요인이 된다.

본 발명은, 상술한 종래의 문제점에 비추어 이루어진 것으로서, 하이드로 폼 가공에 의해 종횡비가 3이상인 장공을 피어싱하는 경우에, 팽출 공정과 피어싱 공정으로 이루어지는 하이드로 폼 가공이라도, 일련의 가공 공정 내에서 가능하게 하고, 또한 양호한 장공 형상을 확보할 수 있는, 하이드로 폼 성형품, 하이드로 폼 가공 방법 및 그에 이용되는 금형을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는, 상기의 과제를 해결하기 위해서, 다양한 검토를 거듭한 결과, 상기「제2의 종래 방법」에 있어서, 다이스 구멍에 상당하는 부위에 있어서의, 금속 소관의 길이 방향의 강성을 높임으로써, 장공 전체 둘레에 있어서의 부분적인 잘린 나머지를 해소할 수 있는 것에 착안하였다.

구체적으로는, 천공용 펀치의 선단면에 길이 방향의 오목부를 형성해 두고, 하이드로 폼 가공 시에, 이 오목부에 따라 금속 소관을 팽출시키고, 볼록부(리브)를 구성함으로써, 금속 소관 중 다이스 구멍에 대향하는 부위의 길이 방향의 강성을 높일 수 있다.

이에 따라, 하이드로 폼 후에 천공용 펀치를 후퇴시켜 피어싱 가공을 행할 시에, 상기 도 3(b)∼(d)에 도시하는 바와같이, 장공의 장변 중앙부만이 선행하여 팽출되는 것을 방지하고, 장공의 장변 전역뿐만 아니라, 장공 전체 둘레에 걸쳐 거의 균일하게 팽출시키면서, 전단 가공을 진행시킬 수 있어, 부분적인 잘린 나머지가 발생하는 것을 방지하고, 또한 양호한 형상의 장공을 피어싱할 수 있는 것을 알아냈다.

본 발명은, 상기의 내용에 의거해 완성된 것으로, 하기 (1), (2)의 하이드로 폼 성형품, (3)의 하이드로 폼 가공 방법 및 (4)의 하이드로 폼 가공용 금형을 요지로 한다.

(1) 내부에 공급된 가공 액체에 부하된 압력에 의해서, 종횡비가 3이상인 장공이 피어싱된 것을 특징으로 하는 하이드로 폼 성형품이다.

(2) 내부에 공급된 가공 액체에 부하된 압력에 의해서, 팽출 성형되고, 이어서 종횡비가 3이상인 장공이 피어싱된 것을 특징으로 하는 하이드로 폼 성형품이다.

(3) 금속 소관을 천공용 펀치가 슬라이드 가능한 다이스 구멍을 형성한 한쌍의 금형에 지지하고, 내부에 공급한 가공 액체에 압력을 부하하면서, 종횡비가 3이상인 장공을 피어싱하는 하이드로 폼 가공 방법으로서, 상기 다이스 구멍의 개구면은 종횡비가 3이상으로 하고, 상기 천공용 펀치의 선단면에는 길이 방향으로 오목부를 형성하고, 상기 천공용 펀치를 그 선단면이 상기 금형의 캐비티면과 동일면을 형성하는 위치에 슬라이드시켜, 상기 금속 소관의 내부에 액압을 부하하고, 상기 금형의 캐비티면 및 천공용 펀치의 선단면에 따라 팽출 성형시키고, 이어서, 상기 천공용 펀치를 후퇴시켜, 상기 장공을 피어싱하는 것을 특징으로 하는 하이드로 폼 가공 방법이다.

(4) 상기 (3)에 기재의 금속 소관에 종횡비가 3이상인 장공을 피어싱하는 하이드로 폼 가공 방법에 이용되는 금형으로서, 천공용 펀치가 슬라이드 가능한 다이스 구멍이 형성되고, 상기 다이스 구멍의 개구면은 종횡비가 3이상이고, 상기 천공용 펀치의 선단면에는 길이 방향으로 오목부를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 하이드로 폼 가공용 금형이다.

본 발명의 하이드로 폼 가공 방법 및 하이드로 폼 가공용 금형에 있어서는, 상기 천공용 펀치의 선단면에 형성된 오목부 깊이(Hg)를, 금속 소관의 팽출부의 두께(t)로 한 경우에, 하기 (1)식의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

0.1t<Hg<3t … (1)

마찬가지로, 상기 천공용 펀치의 선단면에 형성된 오목부 폭(Wg)을, 펀치 폭(Wp)으로 한 경우에, 하기 (2)식의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

0.4<Wg/Wp<0.95 … (2)

본 발명의 하이드로 폼 가공 방법에 의하면, 하이드로 폼 가공된 팽출부에 종횡비가 3이상인 장공을 피어싱하는 경우라도, 하이드로 폼 가공의 일련의 공정 내에서 장공의 피어싱을 가능하게 하고, 밀링 등의 번잡한 기계 가공에 의한 천공 가공을 필요로 하지 않고, 또한, 양호한 장공 형상을 확보할 수 있다.

따라서, 본 발명의 하이드로 폼 성형품은, 각종 천공 가공이 요구되는 자동차 부품 등에 최적이고, 본 발명의 하이드로 폼 가공용 금형은, 자동차 부품 등의 가공용으로서 널리 적용할 수 있다.

도 1은 자동차 부품 등에 피어싱되는 장공의 형상예를 도시하는 도면이다.

도 2는 「제1의 종래 방법」에 의한 종횡비가 3이상인 장공을 피어싱하는 경우의 변형 거동을 설명하는 도면이다.

도 3은 「제2의 종래 방법」에 의한 종횡비가 3이상인 장공을 피어싱하는 경우의 변형 거동을 설명하는 도면이다.

도 4는 본 발명에서 이용하는 펀치의 선단면의 형상을 설명하는 도면으로, (a)∼(c)의 3종의 형상예를 도시한다.

도 5는 본 발명 방법에 의한, 상기 도 4(a)에 도시하는 펀치(3)를 이용해 장공을 피어싱하는 경우의 변형 거동을 설명하는 도면이다.

도 6은 하이드로 폼 가공 후에 피어싱하는 경우에 있어서의, 종횡비와 불량율과의 관계를 도시한 도면이다.

도 7은 하이드로 폼 가공 후에 피어싱하는 경우에, 오목부 폭의 비율(Wg/Wp) 변동에 수반되는 불량율과 펀치날 끝의 파손도와의 관계를 도시한 도면이다.

도 8은 실시예에서 하이드로 폼 가공한 성형품의 형상을 도시하는 도면으로, (a)는 정면 단면도를 도시하고, (b)는 측면도를 도시한다.

본 발명은, 하이드로 폼 가공에 의해서 금속 소관을 팽출 성형하고, 또한 종횡비가 3이상인 장공이 피어싱된 성형품, 하이드로 폼 가공 방법 및 또한 이에 이 용되는 금형에 관한 것으로, 천공용 펀치(이하, 간단히 「펀치」라고 한다)의 선단면의 길이 방향으로 오목부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

도 4는, 본 발명에서 이용하는 펀치의 선단면의 형상을 설명하는 도면으로, (a)∼(c)의 3종의 형상예를 도시한다. 도 4(a)에 도시하는 펀치(3)에서는 펀치 폭(Wp), 오목부 폭(Wg) 및 오목부 깊이(Hg)로 하고, 선단면의 길이 방향의 전체에 오목부(3g)를 갖는 형상을 구성하고 있다. 이러한 구성에 의해, 피어싱 가공에 있어, 장공의 주변을 균일하게 전단 가공할 수 있다.

도 4(b)에 도시하는 펀치(3)는, 길이 방향의 양단을 제외하고 오목부(3g)를 갖는 형상으로, 하이드로 폼 가공 시에 금속 소관이 금형면을 미끄러질 때에, 다이스 구멍의 가장자리에 금속 소관이 접촉하여, 금속 소관에 표면 흠이나 크랙킹이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 4(c)에 도시하는 펀치(3)는, 도 4(a)에 도시하는 펀치(3)와 마찬가지로, 선단면의 길이 방향의 전체에 오목부(3g)를 갖는 형상으로, 다른 오목부 형상을 예시하는 것이다.

펀치(3)의 날부는, 특별히 그 재질 및 형상에 대해서 한정하지 않지만, 펀치(3)의 내구성을 위해, 날카로운 가장자리가 되지 않도록 하여, 오목부(3g)로부터 자연스럽게 연속되는 형상으로 하는 것이 바람직하다.

도 5는, 본 발명 방법에 의한, 상기 도 4(a)에 도시하는 펀치(3)를 이용해 장공을 피어싱하는 경우의 변형 거동을 설명하는 도면이다. 도 5의 좌측에 표시하는 X-X 방향에서 본 것은 상기 도 1(d)에 표시하는 X-X 방향에서 본 것에 의거하는 정면 단면도이고, 마찬가지로, 우측에 표시하는 Y-Y 방향에서 본 것은 상기 도 1(d)에 표시하는 Y-Y 방향에서 본 것에 의거하는 정면 단면도이다.

도 5(a)는 하이드로 폼 가공으로 팽출 성형한 후의 상태를 도시하고, 동 (b)는 하이드로 폼 가공으로 팽출 성형된 후에 펀치(3)를 후퇴시켜, 다이스 구멍(4) 내에 팽출부를 형성하여 전단 가공이 진행된 상태를 도시하고, 동 (c)는 상기 (b)에 있어서의 전단 가공부의 주요부 확대를 도시하고, 동 (d)는 다이스 구멍(4) 내의 팽출부에 내압(Pi)을 부하시켜, 피어싱한 상태를 도시한다.

도 5(a)에 도시하는 바와같이, 금속 소관(1)은 내압(Pi)의 부하에 의한 하이드로 폼 가공에 의해, 금형(2)의 캐비티면에 따라 팽출 성형되고, 동시에 펀치(3)의 선단면에 형성된 오목부에 따라 성형된다. 이와 같이, 오목부에 따라 금속 소관을 팽출시킴으로써, 금속 소관(1)의 다이스 구멍(4)에 대향하는 부위의 길이 방향의 강성을 높일 수 있다.

이 때, 펀치(3)의 후방은, 도시하지 않은 실린더에 의해서 지지되어 있고, 하이드로 폼 가공 중에, 펀치(3)는 슬라이드 하지 않고 소정 위치에 고정된다. 실린더에 의해서 펀치(3)가 지지되는 하중(F)은 하이드로 폼 가공에 수반하여 슬라이드하지 않도록, 하기 (3)식을 만족할 필요가 있다.

F>A·Pmax … (3)

단, A : 다이스 구멍의 단면적

Pmax : 하이드로 폼 가공 시의 최대 내압

이어서, 도 5(b)에 도시하는 바와같이, 팽출 성형된 금속 소관(1)에 내 압(Pi)을 부하시키면서, 펀치(3)를 후퇴시켜, 다이스 구멍(4) 내에 발생하는 금속 소관(1)의 팽출부에 부하되는 내압(Pi)에 의해, 장공을 전단 가공하여 피어싱한다.

이 때, 금속 소관(1)의 팽출부에는 펀치(3)의 선단면에 형성된 오목부에 따라, 길이 방향으로 볼록부가 형성되어 있으므로, 팽출부의 전체에 걸쳐 강성이 높아진다. 이 때문에, 도 5(c)에 도시하는 바와같이, 금속 소관(1)의 다이스 구멍(4)에 대향하는 부위가 균일하게 다이스 구멍(4) 내에 팽출하게 되므로, 장공의 전체 둘레에서 전단 가공이 거의 일정하게 형성되어, 균일하게 전단 가공이 진행된다.

그리고, 최종적으로는, 도 5(d)에 도시하는 바와같이, 장공의 전체 둘레 중, 가장 전단 가공이 많이 진행된 부위에서 균열이 관통하는데, 다른 부위라도 동일 레벨의 전단 가공이 진행되므로, 부분적으로 잘린 나머지가 발생하지 않고, 장공의 전체 둘레가 전단 가공되어 피어싱이 완료된다.

금속 소관에 내압을 부하하여 천공 가공을 행하기 위해서는, 하이드로 폼 가공 후의 피어싱에 있어서, 내압(Pi)은 하기 (4)식의 조건을 만족할 필요가 있다.

Pi>S·t·k/A … (4)

단, S : 다이스 구멍의 둘레 길이, A : 다이스 구멍의 면적,

t : 가공부에 있어서의 금속 소관의 두께, k : 전단 저항

도 5에 도시하는 구성에서는, 다이스(5)를 금형(2) 내에 설치하는데, 다이스(5)를 설치하는 것을 필수로 하지 않는다. 이는, 금형(2) 자체가 경질이므로, 특별히 다이스(5)를 새롭게 설치하지 않아도, 금형(2)에 다이스 구멍(4)을 직접 형 성함으로써 다이스(5)의 기능을 발휘시킬 수 있기 때문이다.

따라서, 본 발명에서 규정하는 다이스 구멍은, 장공을 피어싱하기 위해서 형성되고, 그 치수를 특정하는 것인데, 금형(2)에 직접 형성해도 되고, 금형(2) 내에 형성한 다이스(5)에 배치해도 된다.

다이스(5)를 설치하지 않는 경우에는, 마모에 의해 다이스 구멍(4)이 변형되면, 금형(2) 전체를 바꾸지 않으면 안되므로, 간단히 교환이 가능한 다이스(5)를 금형(2)에 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 도 5에 도시하는 구성에서는, 1그룹의 다이스 구멍(4) 및 슬라이드 가능한 펀치(3)를 도시하고 있는데, 이들 형상이나 개수는, 대상으로 하는 성형 제품의 수단에 의해서 결정된다.

상술과 같이, 본 발명이 채용하는 펀치의 선단면에 오목부를 형성하는 것을 특징으로 하는 것인데, 이 오목부의 형상에 관해 바람직한 범위가 있어, 이하, 이에 관해서 설명한다.

도 6은 하이드로 폼 가공 후에 피어싱하는 경우에 있어서의, 종횡비와 불량율의 관계를 도시하는 도면이다. 여기서, 「불량」의 대상으로 한 것은, 피어싱 후에 전단 가공 가스의 일부가 없어지지 않고 남고, 가공된 장공의 일부에 그 나머지가 부착된 경우이다.

도 6에서는, 펀치 선단면에 형성된 오목부 깊이(Hg)를, 금속 소관의 팽출부의 두께(t)와의 관계로 나타내고, 종래의 펀치를 이용한 경우(Hg=0), 가공되는 종횡비가 3을 넘게 되면, 불량율이 현저히 악화되고, 또한 종횡비가 5를 넘으면, 거 의 양호한 장공을 피어싱할 수 없다.

본 발명에서 규정하는 펀치를 이용한 경우, 예를 들면, 오목부 깊이(Hg)가 0.1t에서는, 에스펙트비가 9이하이면, 불량율은 20% 정도까지 저감하고, 오목부 깊이(Hg)가 0.2t에서는, 종횡비에 상관없이, 불량율은 10% 이하로 저감하고, 또한, 오목부 깊이(Hg)가 0.5t에서는, 불량율은 거의 0(제로)이 된다.

오목부 깊이(Hg)가 너무 얕으면, 금속 소관이 오목부에 따라 팽출하는 높이가 작아지고, 다이스 구멍(장공)의 장변에 대향하는, 금속 소관의 부위에서의 강성을 높이는 효과가 작아진다. 이 때문에, 오목부 깊이(Hg)를 0.1t 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 오목부 깊이(Hg)가 너무 깊으면, 금속 소관이 오목부에 따라 팽출할 시에 균열이 발생하는 경우가 있으므로, 오목부 깊이(Hg)를 3.0t 이하로 하는 것이 바람직하다.

즉, 오목부 깊이(Hg)는, 가공부에 있어서의 금속 소관의 두께(t)와의 관계에서, 하기 (la)식의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

0.1t<Hg<3t … (1a)

종횡비에 상관없이, 불량율은 10% 이하로 저감할 수 있으므로, 오목부 깊이(Hg)는, 가공부에 있어서의 금속 소관의 두께(t)와의 관계에서, 하기 (1b)식의 조건을 만족하는 것이 더욱 바람직하다.

0.2t<Hg<3t …(1b)

가장 바람직하게는, 불량의 발생을 거의 방지할 수 있으므로, 오목부 깊이(Hg)는, 가공부에 있어서의 금속 소관의 두께(t)와의 관계에서, 하기 (1c)식의 조건을 만족하는 것이다.

0.5t<Hg<3t …(1c)

다음에, 오목부폭에 관해서는, 오목부 폭(Wg)이 펀치폭(Wp)에 대해 커질수록, 금속 소관이 오목부에 따라 팽출하기 쉬워지므로, 바람직하다. 또한, 오목부폭(Wg)이 커지면, 팽출에 의해 형성된 볼록부가 전단 가공이 행해지는 부위에 근접함으로써 구속을 강화하여, 전단 가공의 국소적인 진행을 억제할 수 있다.

도 7은 하이드로 폼 가공 후에 피어싱하는 경우에, 오목부 폭의 비율(Wg/Wp) 변동에 수반되는 불량율과 펀치 날끝의 파손도와의 관계를 도시한 도면이다. 상기 도 6의 경우와 마찬가지로, 「불량」의 대상으로 한 것은, 피어싱 후에 전단 가공 가스의 일부가 없어지지 않고 남고, 가공된 장공의 일부에 그 나머지가 부착된 경우이다. 또한, 「펀치 날끝의 파손도」란, 10000회 시험한 후의 펀치 날끝의 파손 정도를 5단계로 구분하여 평가한 결과로, 0은 파손 없음을 나타내고, 그 수치가 커질수록 파손의 정도가 현저한 것을 나타낸다.

정성적(定性的)으로는, 오목부 폭(Wg)이 펀치폭(Wp)에 대해 커질수록, 강성을 높일 수 있고, 또한 전단 가공이 행해지는 부위의 구속을 강화할 수 있다. 정량적으로는, 도 7에 도시하는 결과로부터, Wg/Wp를 0.4 이상으로 하는 것이 바람직하다.

한편, 오목부폭(Wg)이 너무 커지면, 펀치 날끝이 얇아져 강도가 저하해, 파손되기 쉬워지고, Wg/Wp가 0.95를 넘으면, 펀치의 파손도가 현저하게 된다.

즉, 오목부 폭(WgHg)은, 펀치폭(Wp)과의 관계에서, 하기 (2)식의 조건을 만 족하는 것이 바람직하다.

0.4<Wg/Wp<0.95 … (2)

이하에, 본 발명의 하이드로 폼 가공 방법에 의한 효과를, 구체적인 실시예에 의거하여 설명한다.

(본 발명예)

금속 소관으로서, 외경 : 60.5㎜, 두께 : 2㎜, 길이 : 800㎜의 기계 구조용 탄소 강관 STKM11A(JIS G3445)를 공시재로 했다. 이 금속 소관의 항복 강도는 330MPa, 인장 강도는 440MPa였다.

상기의 금속 소관에, 상기 도 5에서 도시한 구성으로 이루어지는 하이드로 폼 가공을 실시하고, 도 8에 도시하는 형상의 성형품(6)을 팽출 성형한 후, 장공(7)을 피어싱했다. 성형품(6)의 치수는, 높이 H : 46㎜, 폭 W : 75㎜, 길이 L : 760㎜ 및 단부 외경 D : 60.5㎜로 했다.

또한, 하이드로 폼 가공에 사용한 펀치는, 상기 도 4(a)에 도시하는 형상으로서, 최대폭 a : 30㎜, 최소폭 b : 8㎜, 오목부폭 Wg : 6㎜ 및 오목부 깊이 Hg : 2㎜로 했다.

상기 도 8에 도시하는 성형품(6)의 형상으로 성형한 후, 내압을 190MPa로 유지하여, 펀치를 후퇴시키고, 장변 : 30㎜, 단변 : 8㎜(종횡비 3.75)의 장공(7)을 피어싱했다.

장공을 피어싱하는 시험을 10000회 실시했는데, 어떠한 경우에도 전단 가공 가스가 남지 않고, 또한, 양호한 형상의 장공을 피어싱할 수 있었다.

(비교예)

본 발명예와 동일한 금속 소관을 이용해, 상기 도 3에서 도시한 구성으로 이루어지는 하이드로 폼 가공을 실시하고, 도 8에 도시하는 형상의 성형품(6)을 팽출 성형한 후, 장공(7)을 피어싱했다. 그러나, 하이드로 폼 가공에 사용한 펀치는, 최대폭 a : 30㎜ 및 최소폭 b : 8㎜로 했지만, 오목부 깊이 Hg : 0㎜로 하고, 오목부는 구비하지 않았다.

상기 도 8에 도시하는 성형품(6)의 형상으로 성형한 후, 내압을 190MPa로 유지하여, 펀치를 후퇴시키고, 본 발명예와 동일한 치수의 장공(7)을 피어싱하는 시험을 10000회 실시했다. 실험 결과는, 양호하게 장공을 피어싱한 것은 1%만이고, 나머지는 모두 전단 가공 가스가 부분적으로 부착되는 불량이 발생했다.

본 발명의 하이드로 폼 가공 방법에 의하면, 하이드로 폼 가공된 팽출부에 종횡비가 3이상인 장공을 피어싱하는 경우에, 팽출 공정과 피어싱 공정으로 이루어지는 하이드로 폼 가공이라도, 일련의 가공 공정 내에서 가능하게 하고, 밀링 등의 번잡한 기계 가공에 의한 천공 가공을 필요로 하지 않고, 또한, 양호한 장공 형상을 확보할 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 하이드로 폼 성형품은, 각종 천공 가공이 요구되는 자동차 부품 등에 최적이고, 본 발명의 하이드로 폼 가공용 금형은, 자동차 부품 등의 가공용으로서 널리 적용할 수 있으므로, 본 발명은, 자동차뿐만 아니라, 그 밖의 산업 기계의 부품 가공용으로서 널리 채용된다.

Claims

내부에 공급된 가공 액체에 부하된 압력에 의해서, 종횡비가 3이상인 장공이 피어싱된 것을 특징으로 하는 하이드로 폼 성형품.
내부에 공급된 가공 액체에 부하된 압력에 의해서, 팽출 성형되고, 이어서 종횡비가 3이상인 장공이 피어싱된 것을 특징으로 하는 하이드로 폼 성형품.
금속 소관을, 천공용 펀치가 슬라이드 가능한 다이스 구멍을 형성한 한쌍의 금형에 지지하고, 내부에 공급된 가공 액체에 압력을 부하하면서, 종횡비가 3이상인 장공을 피어싱하는 하이드로 폼 가공 방법으로서,

상기 다이스 구멍의 개구면은 종횡비가 3이상으로 하고, 상기 천공용 펀치의 선단면에는 길이 방향으로 오목부를 형성하고,

상기 천공용 펀치를, 그 선단면이 상기 금형의 캐비티면과 동일면을 형성하는 위치에 슬라이드시키고,

상기 금속 소관의 내부에 액압을 부하하고, 상기 금형의 캐비티면 및 천공용 펀치의 선단면에 따라 팽출 성형시키고,

이어서, 상기 천공용 펀치를 후퇴시켜, 상기 장공을 피어싱하는 것을 특징으로 하는 하이드로 폼 가공 방법.
청구항 3에 있어서,

상기 천공용 펀치의 선단면에 형성된 오목부 깊이(Hg)를, 상기 금속 소관의 팽출부의 두께(t)로 한 경우에, 하기 (1)식의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 하이드로 폼 가공 방법.

0.1t<Hg<3t … (1)
청구항 3에 있어서,

상기 천공용 펀치의 선단면에 형성된 오목부 폭(Wg)을, 펀치폭(Wp)로 한 경우에, 하기 (2)식의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 하이드로 폼 가공 방법.

0.4<Wg/Wp<0.95 … (2)
청구항 3기재의 금속 소관에 종횡비가 3이상인 장공을 피어싱하는 하이드로 폼 가공 방법에 이용되는 금형으로서,

천공용 펀치가 슬라이드 가능한 다이스 구멍이 형성되고,

상기 다이스 구멍의 개구면은 종횡비가 3이상이고,

상기 천공용 펀치의 선단면에는 길이 방향으로 오목부를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 하이드로 폼 가공용 금형.
청구항 6에 있어서,

상기 천공용 펀치의 선단면에 형성된 오목부 깊이(Hg)를, 상기 금속 소관의 팽출부의 두께(t)로 한 경우에, 하기 (1)식의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 하이드로 폼 가공용 금형.

0.1t<Hg<3t … (1)
청구항 6에 있어서,

상기 천공용 펀치의 선단면에 형성된 오목부 폭(Wg)을, 펀치폭(Wp)으로 한 경우에, 하기 (2)식의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 하이드로 폼 가공용 금형.

0.4<Wg/Wp<0.95 … (2)