KR20070078046A - 자동차용 알루미늄 서브 프레임과 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 알루미늄 합금으로 압출한 중공 형재를 성형 가공하여 제조한 자동차용 서브 프레임과 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 서브 프레임은, 굴곡된 바형상의 전방부재와; 전방부재의 양 단부에 각각 결합된 한 쌍의 측면부재와; 각 측면부재의 타측단부에 양 단부가 결합된 굴곡된 바형상의 후방부재로 구성되며, 이는, 알루미늄 합금으로 빌렛을 제조한 후 균질화처리하는 단계와; 중공 형재로 압출한 후 용체화처리 및 절단하는 단계와; 밴딩 가공, 업셋팅 가공, 사이드 밴딩 및 홀 가공을 순차적으로 실시하여 전방부재를 만드는 단계와; 밴딩 가공, 업셋팅 가공 및 1·2차 사이드 밴딩 가공을 순차적으로 실시하여 후방부재를 만드는 단계와; 알루미늄 합금 판재를 프레스 가공하여 한 쌍의 측면부재를 만드는 단계와; 전·후방부재를 시효경화처리하는 단계와; 전·후방부재에 측면부재를 용접 결합하는 단계를 포함한 순차적 공정들에 의해 제조된다.

본 발명의 서브 프레임은, 자동차의 경량화와 내구성 향상이 가능하며, 그 제조 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다.

서브 프레임, 자동차, 알루미늄 합금

Description

자동차용 알루미늄 서브 프레임과 그 제조 방법{The aluminum alloy sub-frame for a car, and the manrfacturing method of the same}

도 1은 본 발명 일실시예 서브 프레임의 사시도.

도 2는 본 발명 일실시예 서브 프레임을 구성하는 전방부재용 중공 형재를 보인 것으로,

(가)는 사시도이고,

(나)는 단면도이다.

도 3은 밴딩 가공된 전방부재용 중공 형재의 사시도.

도 4는 업셋 가공된 전방부재용 중공 형재를 보인 것으로,

(가)는 사시도이고,

(나) 평면도이다.

도 5는 사이드 밴딩 가공된 전방부재용 중공 형재를 보인 것으로,

(가)는 사시도이고,

(나) 평면도이다.

도 6은 완성된 전방부재의 평면도.

도 7은 본 발명 일실시예 서브 프레임을 구성하는 후방부재용 중공 형재를 보인 것으로,

(가)는 사시도이고,

(나)는 단면도이다.

도 8은 밴딩 가공된 후방부재용 중공 형재의 정면도.

도 9는 업셋 가공된 후방부재용 중공 형재의 정면도.

도 10은 1차 사이드 밴딩 가공된 후방부재용 중공 형재의 평면도.

도 11은 2차 사이드 밴딩 가공 단계를 보인 후방부재의 평면도.

도 12는 완성된 후방부재의 사시도.

도 13는 측면부재를 보인 것으로,

(가)는 상부 단위부재의 사시도이고,

(나)는 하부 단위부재의 사시도이다.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

11. 전방부재 11A,12A. 중공 형재

11B,12B. 밴딩 된 중공 형재 11C,12C. 업셋팅 된 중공 형재

11D. 사이드 밴딩 된 중공 형재 12. 후방부재

12D. 1차 사이드 밴딩 된 중공 형재 13. 측면부재

13A. 상부 측면 단위부재 13B. 하부 측면 단위부재

C,C'. 중앙부 D. 다이 쿠션

E,E'. 단부 E". 최외측 단부

G. 요홈 H. 중공

I. 상향 경사부 M. 멘드렐

P. 펀치 W. 윙다이

본 발명은, 자동차의 연비를 향상시키고, 타이어로부터 전달되는 노면과의 충격이나 진동을 효과적으로 감소시켜 정숙성을 개선하는 동시에, 자동차의 조정 안정성을 향상시키기 위하여 알루미늄 합금 빌렛을 압출하여 만든 중공 형재를 성형 가공하여 제조한 자동차용 서브 프레임과 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근은 물론 향후에도 원유 가격이 지속적으로 상승하게 될 것으로 예상되기 때문에 에너지 절약에 대한 관심이 크게 고조되어 있는 바, 자동차 분야도 예외 일 수는 없다.

자동차는 현대 문명을 이루고 있는 가장 기본적인 요소인 운송 수단으로서 많은 발전을 거듭해 왔으며, 자동차가 없는 현대 문명은 존재할 수 없는 정도이나, 자동차의 배출 가스는 지구 온난화에 지대한 영향을 미치고 있으며, 대기 오염의 주범들 중 하나로서, 자동차 배출 가스를 감소시키기 위한 각종 규제가 시행되거나 준비 중에 있다.

따라서, 자동차 메이커는 전기, 연료전지, 수소 등을 에너지원으로 사용하는 자동차 또는 화석연료와 전기를 병행하여 사용하는 하이브리드 자동차 등을 개발하고 있으며, 그들 중 일부는 현재 시판되고 있기도 하다.

그러나, 상기와 같이 공해 배출이 없거나 극히 적은 자동차가 보편화되기 위해서는 여전히 많은 시간을 필요로 하는 바, 그 중간 단계로서 가장 실효성 있는 방법으로는, 이산화탄소의 배출 감소와 함께 주행에 소비되는 연료의 사용 효율성을 높여 주기 위한 자동차 경량화라 할 수 있는데, 자동차의 경량화는, 차체 설계 기술의 향상과 강(鋼)을 대체할 경량 소재의 개발 등을 통하여 이루어질 수 있다.

특히, 강을 대체할 수 있는 소재에 대한 연구와 개발은 여러 각도에서 다양하게 이루어지고 있으며, 그들 중 일부는 시험 적용되고도 있으나, 경제성과 강성 등의 측면에서 강과 대비하여 볼 때, 현재 가장 촉망받고 있으며, 실제, 양산 자동차에 적용되고 있기도 한 소재는 알루미늄 합금이다.

상기와 같은 알루미늄 합금은, 무게가 강의 약 1/3수준에 지나지 않으며, 비강도, 내식성, 열전도성 등이 우수할 뿐만 아니라, 재활용시에 필요로 되는 에너지도 강의 3% 정도 수준인 것으로 알려져 있는 바, 환경적 측면이나 에너지 절약 측면 모두에서 강보다 우수한 재료이다.

그리고, 대체 소재의 개발과 함께 자동차의 경량화에 중요한 것이 차체 설계 기술인 바, 오늘날의 자동차는, 부품 설계와 개발이 동시에 이루어지도록 하고 있으며, 조립 시간을 단축할 수 있을 뿐 아니라, 원가절감 등을 위하여, 다수의 단위 부품들을 하나의 조립체 즉, 모듈 단위로 조립한 후 각 조립체를 최종 결합하는 모 듈 방식으로 이루어지고 있다.

따라서, 자동차를 구성하는 여러 모듈 중 자동차의 승차감 및 안전성에 매우 중요하면서 그 중량이 상당히 무거운 샤시 모듈의 알루미늄 합금화는, 자동차의 경량화를 위하여 필수적인데, 샤시 모듈을 구성하는 부품들 중 특히, 알루미늄 합금화 되어야 할 부분은, 컨트롤 암과 서브 프레임이다.

상기 컨트롤 암은, 타이어의 안쪽에 위치하여 노면으로부터 입력되는 하중을 차체에 전달하는 역할을 할 수 있도록 휠과 제동장치 등을 차체에 연결 지지하는 부품이며, 서브 프레임은, 크로스 멤버와 사이드 멤버 및 브라켓트 등으로 구성되어 구조 강도의 보강과 엔진 및 각종 컨트롤 암류의 연결을 위한 부품으로서, 승차감과 조정 안정성 향상에 결정적인 영향을 미치게 된다.

특히, 자동차 경량화에 대한 기여도가 컨트롤 암에 비하여 더욱 큰 서브 프레임은 알루미늄으로 대체되어야 하나, 국내에서는 여전히 강판을 프레스 스탬핑(press stamping)하는 방법으로 서브 프레임을 제조하고 있으며, 이를 알루미늄화한 시도는, 중력 주조 방법으로 시제품을 제조한 사례가 있을 뿐으로서, 서브 프레임의 경량화에는 아직 미치지 못하고 있다.

그리고, 해외의 대형 자동차 부품 업체의 경우, 하이드로 포밍, 프레스 스탬핑 공정에 알루미늄 소재를 적용한 부품 개발이 진행되고 있으나, 소재 측면에서의 문제가 있다.

즉, 서브 프레임의 알루미늄화에 사용되는 알루미늄 재료로는 Al-Mg-Si계 합금이 사용되고 있는데, 이 Al-Mg-Si계 합금은 대표적인 석출경화형 합금으로서, 고 유변형능력이 압출가공에 적합한 합금이나, 기술 발전과 함께 각종 압출 제품들에 대한 요구 품질이 높아지고, 제품 구조가 복잡해지면서 종래의 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금으로는 더욱 더 고품질이 요구되는 부품 특성에 적합한 성형성 및 강도를 충족시켜 주지 못하는 문제가 있다.

또한, 자동차 부품과 같은 고품질 제품에 대한 압출성이 떨어질 뿐 아니라, 압출재를 절단한 후 최종 제품으로 가공시 물성 부족에 따른 크랙 발생이 빈번히 발생하여 부품 제조 원가가 높아지는 문제를 가지고 있다.

본 발명은, 종래의 강제(鋼製) 서브 프레임이 가지고 있는 제반 문제점들 즉, 내부식성 부족, 기능 개선과 경량화의 한계 등을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 알루미늄 합금 중공 압출재를 사용하여 경량화를 통한 연비, 진동과 에너지 흡수 능력 및 응답성 등을 개선, 향상시킬 수 있는 서브 프레임과 그 제조 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 소재에 함유된 Mg의 함량 조절과, 압출 조건 제어 및 다단계의 성형 가공에 의하여 달성된다.

본 발명의 자동차용 알루미늄 서브 프레임은, 자동차 부품에 적합한 강도를 갖도록 한 Al-Mg-Si계 합금으로 제조되는 바, 이 알루미늄 합금은, Si 0.95∼ 1.05wt%, Mg 0.5∼0.6wt%, Mn 0.5∼0.6wt%, Fe 0.15∼0.25wt%, Cr 0.13∼0.18wt%, Cu 0.05wt% 이하, Ti 0.03wt% 이하, Zn 0.05wt% 이하이며, 기타 불가피한 성분들은 개별적으로 0.02wt% 이하로 하되 그 합은 0.10wt% 이하, 그리고, 잔부의 Al으로 조성되는데, 이와 같이 각 성분의 함량 한정 이유는 다음과 같다.

Si는, Mg와 결합하여 시효에 의해 Mg₂Si로 석출되어 기계적 성질을 좌우하며, Mg와 결합하고 남은 잔류 Si는 단독으로 석출되어 기계적 성질을 향상시키고, 용탕의 유동성 개선에 유효한 성분으로서, 0.95wt%에 미치지 못하면 원하는 강도를 얻을 수 없게 되고, 1.05wt%를 초과하게 되면 압출성이 떨어지게 될 뿐 아니라 압출제품의 표면 품질이 떨어지게 된다.

Mg는, 상기 Si와 화합물로 석출되어 기계적 성질을 향상시키는 성분으로서, 그 함량이 0.5wt%에 미치지 못하면 Mg₂Si 석출량이 부족하여 필요한 만큼의 강도를 얻을 수 없으며, 0.6wt%를 초과하게 되면 과다 Si의 경우와 같이 압출연성에 불리하면서 저강도의 원인이 될 뿐 아니라, 압출성이 저하하여 생산성이 떨어지게 되는 동시에 Mg₂Si를 형성하지 못한 여분의 Mg가 Mg₂Si의 고용을 억제하여 강도를 떨어뜨리게 된다.

Mn은, 내식성을 저하시키지 않으면서 강도를 향상시키며, 결정립 미세화에 유효한 성분으로서, 그 함량이 0.5wt%에 미치지 못하면 Mg₂Si의 미세화에 의한 압출시 표면 픽업(pick-up) 개선 효과를 얻을 수 없을 뿐 아니라, 합금조직의 미세화에 의한 강도 향상 효과가 작고, 0.6wt%를 초과하게 되는 경우 균질화처리 과정에서 평형 α-AlFeSi상이 비평형상인 β-AlFeSi상으로의 변태가 촉진되어 오히려 강도가 저하되는 경향을 보이게 된다.

Fe는, 재결정립의 조대화를 억제하고 주조시 결정립을 미세화하는데 효과가 있는 성분으로서, 0.15wt%에 미치지 못하면 불순물로서 작용할 뿐 합금화 효과가 미미하며, 0.25wt%를 초과하면 연성을 저하시킬 뿐 아니라 압출성과 생상성을 떨어뜨리게 된다.

Cr은, 재결정층의 생성과 성장을 억제하며 Al, Fe와 함께 화합물을 형성하여 입계에 분포함으로써 시효처리시의 석출을 억제하여 연신율을 향상시켜 주는 역할을 하는 바, 그 함량이 0.13wt%에 미치지 못하면 재결정층 억제 효과가 미미하여 피로강도가 저하되며, 0.18wt%를 초과하게 되면 압출성이 떨어지게 된다.

Cu는, 용탕의 유동성을 개선하고 강도를 향상시키나 내식성을 저하시키는 성분으로서, 그 함량이 0.05wt%를 초과하면 내식성과 용접성 및 압출성을 떨어뜨리게 된다.

즉, 과포화 Si 합금에서 0.05wt% 이하의 Cu는 부식저항성 및 강도 개선에 효과가 있다.

Ti는, 입자 미세화에 효과가 있는 성분으로서, 0.03wt%를 초과하게 되면 압출성을 떨어뜨리게 되며, Zn은 내식성과 기계적 성질을 향상시키는 성분으로서, 그 함량이 0.05wt%를 초과하게 되면 Ti과 같이 압출성을 저하시키게 된다.

상기와 같이 조성되는 본 발명의 알루미늄 합금은 특히, Si과 Mn의 함량 조절하여 강도를 향상시킴 동시에 압출성 및 가공성을 향상시키게 되는 바, 이를 살 펴보면 다음과 같다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여서는 기본적으로 Mg₂Si의 석출량과 석출 형태가 우선적으로 제어되어야 하며, 이를 위하여서는 상기 Mg₂Si의 석출량이 1.0wt% 이하로 조절되어야 하는 동시에 입계로 편석되는 것을 억제하여야만 하는 바, 이를 위하여 Si와 Mn의 함량을 상기의 범위로 한정하게 되는 것이다.

특히, Mn은 본 발명의 압출재를 균질화처리 후 냉각 중 Mg₂Si가 입계에 편석되는 것을 최소화하면서 조직내에 분산 석출되도록 하는 동시에, 그 결정립 크기를 미세화하여 강도와 가공성을 향상시키는 역할을 수행할 뿐 아니라, 침상의 β-AlFeSi가 입상의 α-AlFeSi로 변태하는 것을 촉진시켜 압출성을 향상시켜준다.

그리고, Mn이 Cr과 함께 첨가됨으로써, 이들 원소가 조직 내에서 효율적으로 분산되고, 그에 따라 전위의 이동과 재결정이 억제되어 결정립이 미세화함으로써 인성과 피로 강도가 개선될 뿐 아니라, 압출 중 온도 상승에 의한 국부적인 용융 현상을 억제하여 압출성을 높여 주게 된다.

본 발명의 서브 프레임(1)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 압출된 중공 형재를 각각 성형 가공한 전·후방부재(11)(12)와; 서로 마주하는 전·후방부재(11)(12)의 양 단부끼리 연결하기 위한 한 쌍의 측면부재(13)로 이루어진 대략 4각형의 형상을 하는 구조이며, 상기 측면부재(13)는 압출재인 중형 형재가 아닌 판재로 만들어진다.

상기와 같은 본 발명의 서브 프레임은, 크게, 상기와 같은 조성의 알루미늄 합금을 주조, 압출하는 단계와; 압출재를 성형 및 조립하는 단계로 구분되며, 주조된 빌렛을 중공 형재로 압출하고, 이 중공 형재로 서브 프레임의 전·후방부재(11)(12)를 제조함에 기술적 특징이 있는 바, 이를 살펴보면 다음과 같다.

알루미늄 합금의 주조 압출 단계는, 알루미늄 합금을 제조하는 빌렛 주조, 균질화, 압출 및 용체화처리 등의 순차적 과정으로 구분되는 바, 주조는, 합금 원소를 용해한 후 빌렛으로 제조하는 단계로서 플로우트 캐스트(float cast)가 아닌 에어 슬립(air slip) 방법으로 빌렛을 주조하게 되며, 균질화 단계는, 빌렛 조직의 결정립 미세화와 석출물 조대화 억제를 위한 열처리가 실시되는 단계로써, 510∼550℃ 범위에서 12∼16시간동안 균질화 처리가 이루어진다.

그리고, 압출은, 균질화 처리된 빌렛을 사각 중공바 즉, 사각 파이프의 형상으로 압출하는 단계로서, 압출비와 출구 온도에 따라 서브 프레임의 특성이 달라지게 된다.

즉, 서브 프레임의 내구성을 향상시키기 위해서는 서브 프레임 표면의 재결정층 두께가 최소화되도록 압출되어야 하는 바, 출구 온도를 500∼550℃ 범위로 제어해 주어야 한다.

그리고, 압출시 빌렛, 금형 및 콘테이너 등의 온도가 낮으면 소재의 유동성이 저하되어 압출 압력이 증가하면서 횡방향 균열이 발생하기 쉬우며, 반대로 온도가 상승하면 국부적인 용융에 의해 압출재의 중앙부에 균열이 발생하면서 표면이 매우 거칠게 된다.

또한, 압출 시에는 압출하고자 하는 소재의 유동성 및 압출 형상에 따라 압 출속도를 제어하여야 하는 바, 압출 속도가 빨라지면 압출 압력이 상승하면서 표면 균열이 발생하는 동시에 표면 뜯김 현상이 발생하고, 압출 속도가 느려지게 되면 금형과 압출재 사이의 경계면에 정지 마크가 발생하면서 표면 광택이 없어지게 된다.

그 외에, 30∼80 범위를 만족하는 적절한 압출비가 확보되어야 하는데, 압출비가 30보다 낮을 경우에는 압출이 완료된 후 압출재의 중앙 부위에 주조 조직이 잔존하여 강도가 저하하게 되는 경향을 보이게 되며, 압출비가 80을 초과하는 경우에는 압출 압력이 상승하면서 마찰열에 의한 빌렛 온도의 상승으로 하여 조직상의 변형이 발생하게 되고 잔류응력이 커져서 열처리 후 변형이 되기 쉽다.

용체화처리는, 열처리형 합금의 합금원소를 과포화시키는 열처리로서, 500∼550℃에서 20∼60분동안 실시되며, 그 온도는 가능한 높은 경우가 유리하나, 용융 온도를 초과하게 되거나 또는, 용융 온도에 도달하지 않아도 비평형 용해의 가능성이 있으므로 주의해야 한다.

상기 용체화처리에 필요로 되는 시간은, 열처리전 조직의 함수로서, 용체화 온도로 유지하는 시간이 너무 길면 결정립이 성장하여 입자 조대화가 초래되며, 너무 짧으면 단일 고용체를 이루지 못하게 되는 바, 가장 이상적인 용체화 처리 시간은, 용질 원자가 최대로 고용될 수 있는 정도의 시간이라 할 수 있다.

상기와 같은 순차적인 과정을 통하여 제조된 압출재는, 적절한 길이로 절단된 후 성형 조립 단계를 통하여 서브 프레임으로 제조된다.

성형 조립 단계의 재료가 되는 압출재는 중공 형재(11A)로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 중공(H)을 가진 사각 파이프의 형태이나, 강성 보강을 위하여 내부 모서리 부분이, 단면 상에서, 대략 직각 삼각형의 형상을 하도록 하여 모서리 부위의 두께를 관벽보다 두껍게 하였으며, 모서리 부분의 내면 중앙부에 곡면을 갖는 요홈(G)을 형성시킴으로써 성형시 모서리부에서 발생할 수 있는 노치 현상에 의한 발생되는 모서리부 크랙이 방지 또는 억제되도록 하였다.

상기와 같은 중공 형재(11A)를 가공하여 제조되는 전·후방부재의 제조 과정을 살펴보면 다음과 같다.

전방 부재는, 상기의 중공 형재(11A)에, 밴딩(Bending), 업셋팅(Upsetting), 사이드 밴딩(Side Bending) 및 홀 가공 등의 순차적인 성형 공정들을 실시함으로써 제조되는 바, 밴딩 단계는, 도 3에 도시된 바와 같이, 중공 형재(11A)의 양 단부에 맨드렐을 각각 삽입한 상태로 고정시킨 후 수평한 양 단부를 기준으로 중앙부가 수평한 상태를 유지하면서 양 단부보다 그 위치가 낮아지도록 가공하는 단계이다.

즉, 밴딩 가공된 중공 형재(11B)는, 수평한 중앙부(C)의 양 단부에 상향 경사부(I)가 각각 연장되고, 각 상향 경사부(I)에 수평한 단부(E)가 외측으로 연장된 구조가 되며, 상·하부 두 곳에 밴딩 성형부를 형성시키게 되며, 2곳의 밴딩부에 의해 스트레치 효과를 얻을 수 있게 된다.

그리고, 중공 형재의 양 단부를 매드렐, 소재 및 금형이 서로 완전히 접촉되도록 함으로써, 펀치에 의해 소재 중앙부가 양 단부보다 그 위치가 낮아질 때 그 반대 방향으로 잡아당기는 효과를 주어 밴딩부에서 스트레칭 효과를 일으키게 되는데, 이때, 맨드렐의 끝단부 형상은 밴딩 곡선과 같은 모양이 아닌 직선을 유지하도 록 제작되어 그 효과를 더욱 높여 주게 된다.

그리고, 업셋팅 단계는, 도 4에 도시된 바와 같이, 밴딩 가공된 중공 형재(11B)의 단면 형상을 국부적으로 변형시키는 공정으로서, 수평한 양 단부(E) 전체와 이에 연장 형성된 상향 경사부(I)의 높이를 감소시키면서 그 폭이 증가되도록 하는 프레스 가공이다.

여기서, 양 단부의 국부적 변형을 위해 맨드렐이 사용되며, 이 맨드렐은 처음이 아닌 성형 중에 삽입되는데, 이는, 성형 초기 양 단부의 소재 폭과 맨드렐의 폭이 상이하기 때문인 바, 정확한 타이밍으로 맨드렐을 삽입해야 한다.

이때, 업셋팅 된 중공 형재(11C)의 양 단부(E)는 전체가 균일하게 프레스 된 상태이나, 상향 경사부(I)는 각 단부(E)와의 경계부에서 수평한 중앙부(C) 측으로 갈수록 프레스 된 정도가 점차 작아져 대략 길이의 1/2 부위까지만 프레스 가공된 상태이다.

사이드 밴딩 단계는, 업셋팅 가공된 중공 형재(11C)를, 그 길이 방향과 수직한 방향 즉, 일 측면에서 타 측면 방향으로 중앙부(C)를 기준으로 그 양 측의 경사부(I)와 단부(E)를 함께 밴딩하는 공정으로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 중앙부(C) 양 측의 경사부(I)와 단부(E)는 함께 다소의 곡률을 갖도록 밴딩 가공된다.

홀 가공 단계는, 사이드 밴딩까지의 가공이 완료된 중공 형재(11D)의 양 단부에 각각 홀(h)을 관통 형성시키는 고정으로서, 상기 밴딩 부터 홀 가공까지의 공정들을 통하여, 도 6에 도시된 형상의 서브 프레임용 전방부재(11)가 완성된다.

후방부재는, 단면 상에서, 가로에 대한 세로의 비가 1.3 이상 되는 직사각형 의 단면 형상을 하는 전방부재용 중공 형재(11A)와 그 형태는 동일하나, 도 7에 도시된 바와 같이, 가로에 대한 세로의 비가 0.8∼1.2 정도되는, 대략 정사각형의 단면 형상을 갖는 중공 형재(12A)에 밴딩, 업셋팅 및 1·2차 사이드 밴딩 가공 등의 순차적인 성형 공정들을 실시함으로써 제조된다.

밴딩 단계와 업셋팅 단계는, 도 8과 9에 도시된 바와 같이, 전방부재(11)의 경우와 동일한 방법으로 이루어진다. 미설명 부호 "12B", "12C", "P", "D"는 각각 "밴딩 가공된 중공 형재", "업셋팅 된 중공 형재", "펀치", "다이 쿠션"이다.

1차 사이드 밴딩 단계는, 도 10에 도시된 바와 같이, 업셋팅 된 중공 형재(12C)의 측면 밴딩 공정으로서, 중앙부(C')에 대하여 그 양 단부(E')를 폭 방향 일측으로 밴딩에 의해 경사지게 만드는 공정이다.

2차 사이드 밴딩 단계는, 도 11에 도시된 바와 같이, 1차 사이드 밴딩 된 중공 형재(12D)의 경사진 각 단부(E') 중 최외측 단부(E")만을 더욱 밴딩 하여 경사도를 증가시키는 공정이다.

상기 2차 사이드 밴딩의 성형량은 1차 사이드 밴딩보다 급격히 이루어지는데, 그 밴딩 성형부는 업셋팅 공정을 통하여 국부적으로 단면이 변형된 부위로써 밴딩 성형 시 인장부의 크랙 및 압축부의 주름 발생이 우려되는 부위인 바, 이러한 문제를 해결하기 위하여 윙다이(W)와 맨드렐(M)이 사용된다.

즉, 윙다이의 회전에 의해 밴딩시의 하중이 분사되며, 맨드렐에 의해 형상 변형을 방지할 수 있게 된다. 이때, 맨드렐(M)은 윙다이(W)에 부착된 상태이다.

또한, 맨드렐의 경우, 삽입 시의 멘드렐 위치와 성형 후의 맨드렐 위치가 윙 다이의 회전에 의해 상이하게 되고, 이로 인하여 성형 후 맨드렐의 추출에 문제가 발생하게 되는 바, 이를 해결하기 위하여 외부에서 맨드렐을 삽입하는 방식이 아닌, 맨드렐을 윙다이에 직접 부착시켰으며, 맨드렐의 작동을 위해 유압 실린더를 연결하였다.

상기와 같은 일련의 성형 과정을 거쳐 서브 프레임용 후방부재(12)가 완성되며, 상기와 같이 성형이 완료된 전·후방부재(11)(12)를 150∼200℃에서 8∼14시간동안 시효경화처리함으로써, 최종적인 물성을 부여하게 된다.

측면부재는, 알루미늄 합금 판재를 프레스 하여 제조되는데, 전·후방부재의 각 단부를 서로 연결하기 위한 좌·우 한 쌍으로 구성되며, 각 측면부재는, 도 12에 도시된 바와 같이, 서로 대칭을 이루고 용접에 의해 결합되는 상·하 한 쌍의 단위부재(13A)(13B)로 구성된다. 즉, 단위부재 두 장이 적층 결합되어 하나의 측면부재를 이루게 된다.

상기와 같은 단계들을 거쳐 만들어진 전방부재의 양 단부 각각에 각 측면부재의 일측단부가 용접 결합되고, 각 측면부재의 타측단부에 후방부재의 양 단부가 각각 용접 결합됨으로써, 본 발명의 서브 프레임이 완성된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 서브 프레임은, 종래의 강철제 서브 프레임에 비하여 가벼우면서도 기계적 성질이 우수하여 자동차의 경량화는 물론, 내구성 향상에도 도움이 되며, 중공 형재를 이용한 본 발명의 방법은, 제조 공정 중 특히, 압출 조건의 최적화에 의해 생산성을 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (12)

1. 알루미늄 합금을 용해하여 빌렛으로 주조한 후 균질화처리하는 단계와;

   빌렛을 사각 파이프 형상을 하는 각각 전·후방부재(11)(12)용 중공 형재(11A)(12A)로 압출한 후 용체화처리 및 일정 길이로 절단하는 단계와;

   상기 전방부재(11)용 중공 형재(11A)에, 밴딩 가공, 업셋팅 가공, 사이드 밴딩 및 홀 가공을 순차적으로 실시하여 전방부재(11)를 만드는 단계와;

   상기 후방부재(12)용 중공 형재(12A)에, 밴딩 가공, 업셋팅 가공 및 1·2차 사이드 밴딩 가공을 순차적으로 실시하여 후방부재(12)를 만드는 단계와;

   알루미늄 합금 판재를 프레스 가공하여 한 쌍의 측면부재(13)를 만드는 단계와;

   상기 전·후방부재(11)(12)를 시효경화처리하는 단계와;

   상기 전·후방부재(11)(12)에 측면부재(13)를 용접 결합하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 자동차용 서브 프레임의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 빌렛의 균질화처리는, 510∼550℃에서 12∼16시간동안 실시됨을 특징으로 하는 자동차용 서브 프레임의 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 압출은, 압출비가 30∼80이며, 출구 온도가 500∼550℃임을 특징으로 하는 자동차용 서브 프레임의 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 용체화처리는, 500∼550℃에서 20∼60분동안 실시됨을 특징으로 하는 자동차용 서브 프레임의 제조 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 전방부재(11)를 만드는 단계는,

   수평한 중앙부(C)의 양 단부에 상향 경사부(I)가 각각 연장되고, 각 상향 경사부(I)에 수평한 단부(E)가 외측을 향하여 연장된 형상으로 상기 한 종류의 중공 형재(11A)를 밴딩 가공하는 단계와;

   밴딩 가공된 중공 형재(11B)의 수평한 양 단부(E) 전체와 이에 연장 형성된 상향 경사부(I) 일부의 높이가 감소되도록 프레스 하는 업셋팅 가공 단계와;

   업셋팅 가공된 중공 형재(11C)의 중앙부(C)를 기준으로, 일 측면에서 타 측면 방향으로 그 양 측의 경사부(I)와 단부(E)를 함께 밴딩하는 사이드 밴딩 가공하는 단계와;

   사이드 밴딩 가공된 중공 형재(11D)의 양 단부에 각각 홀(h)을 관통 형성시키는 홀 가공 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 자동차용 서브 프레임의 제조 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 후방부재(12)를 가공하는 단계는,

   수평한 중앙부(C)의 양 단부에 상향 경사부(I)가 각각 연장되고, 각 상향 경사부(I)에 수평한 단부(E)가 외측을 향하여 연장된 형상으로 상기 다른 한 종류의 중공 형재(12A)를 밴딩 가공하는 단계와;

   밴딩 가공된 중공 형재(12B)의 수평한 양 단부(E) 전체와 이에 연장 형성된 상향 경사부(I) 일부의 높이가 감소되도록 프레스 하는 업셋팅 가공 단계와;

   업셋팅 된 중공 형재(12C)의 중앙부(C')에 대하여 그 양 단부(E')를 폭 방향으로 밴딩 하여 경사지도록 하는 1차 밴딩 가공 단계와;

   1차 사이드 밴딩 된 중공 형재(12D)의 경사진 각 단부(E') 중 최외측 단부(E")만을 더욱 밴딩 하여 경사도를 증가시키는 2차 사이드 밴딩 가공 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 자동차용 서브 프레임의 제조 방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 전·후방부재(11)(12)를 시효경화처리하는 단계는, 150∼200℃에서 8∼14시간동안 이루어짐을 특징으로 하는 자동차용 서브 프레임의 제조 방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 용접 결합하는 단계는,

   전방부재(11)의 양 단부 각각에 알루미늄 합금 판재로 제조된 측면부재(13)의 일측단부를 용접 결합시키는 단계와;

   상기 두 측면부재(13)의 각 타측단부에 후방부재(12)의 양 단부를 각각 용접 결합시키는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 자동차용 서브 프레임의 제조 방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 중공 형재(11A)는, 가로에 대한 세로의 비가 1.3 이상 되는 직사각형의 단면 형상이며, 다른 중공 형재(12A)는, 가로에 대한 세로의 비가 0.8∼1.2인 정사각형에 가까운 단면 형상임을 특징으로 하는 자동차용 서브 프레임의 제조 방법.
10. 제 1항에 있어서, 상기 전·후방부재(11)(12)의 내부 모서리 부분은, 단면 상에서, 직각 삼각형의 형상을 하며, 각 모서리 부분의 빗변 중앙부에는 곡면을 갖는 요홈(G)이 형성됨을 특징으로 하는 자동차용 서브 프레임의 제조 방법.
11. 청구항 1항의 제조 방법으로 제조되며, Si 0.95∼1.05wt%, Mg 0.5∼0.6wt%, Mn 0.5∼0.6wt%, Fe 0.15∼0.25wt%, Cr 0.13∼0.18wt%, Cu 0.05wt% 이하, Ti 0.03wt% 이하, Zn 0.05wt% 이하, 기타 불가피한 성분들은 개별적으로 0.02wt% 이하로 하되 그 합이 0.10wt% 이하, 그리고, 잔부의 Al으로 조성된 알루미늄 함금으로 이루어지고,

    굴곡된 바형상의 전방부재(11)와;

    상기 전방부재(11)의 양 단부에 각각 일측단부가 결합된 한 쌍의 측면부재(13)와;

    상기 각 측면부재(13)의 타측단부에 양 단부가 결합된 굴곡된 바형상의 후방부재(12)로 구성된 것을 특징으로 하는 자동차용 서브 프레임.
12. 제 11항에 있어서, 상기 각 측면부재(13)는, 용접에 의해 결합되는 상·하 한 쌍의 단위부재(13A)(13B)로 구성된 구성된 것을 특징으로 하는 자동차용 서브 프레임.

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