KR20080103224A - 하이드로포밍 공법을 이용한 후방 현가장치 토션빔제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이드로포밍(hydroforming) 방식을 이용한 튜뷸러 타입의 토션빔의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 판재를 프레스 성형한 V형 빔(1) 과 환봉(2)을 함께 조합하여 후방 현가장치의 비틀림 응력을 견디는 토션빔의 역할을 수행하는 제품을 하이드로포밍 공법을 이용하여 하나의 부품으로 제작함으로써 부품의 원가절감을 실현함과 동시에 기존의 프레스 제품의 경우 1,2,3차에 이루어지던 제작 공정을 하이드로포밍 한 공정으로 축소함으로써 토션빔 제작 공정을 대폭 단축시킨다.

아울러 프레스 가공으로 성형될 경우 토션빔(1) 중앙부의 프레스 가공에 의한 가공경화의 집중이 발생되어 제품의 내구특성이 취약해지지만, 본 발명 하이드로포밍 공법으로 제작할 경우 하이드로포밍 공법의 특징인 고압의 액체로 성형함으로 토션빔(4) 내면 전체에 균일한 내압이 작용하여 가공경화가 균일하게 분포되게 함으로써 구조 및 피로 특성이 향상되게 한다.

Description

하이드로포밍 공법을 이용한 후방 현가장치 토션빔 제작방법{Manufacturing method of torsion beam for rear suspension system using hydroforming}

도 1은 일반적인 토션 빔식 현가장치의 일례를 나타낸 사진

도 2은 튜뷸러 타입의 토션 빔식 현가장치의 일례를 나타낸 사진

도 3은 본 발명 하이드로포밍 공법을 적용하여 제작된 토션빔의 일례를 나타낸 사진

도 4은 도3에 나타나 있는 화살표 a-a에 따른 단면도

도 5은 도3에 나타나 있는 화살표 b-b에 따른 단면도

도 6은 본 발명 토션빔 제작을 위한 하이드로포밍 금형의 개략도

도 7은 본 발명 토션빔을 제작하기 위한 하이드로포밍 공정에서의 피딩-압력 관계도

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ;

1 : 프레스 타입 토션빔 2 : 토션 바(torsion bar)

3 : 트레일링 암(trailing arm) 4 : 튜뷸러 타입 토션빔

5 : 하이드로포밍 공법을 적용한 토션빔(torsion beam)

12 : 하이드로포밍 상형 금형 13 : 하이드로포밍 하형 금형

14 : 액슬펀치 F : 피딩 곡선 P : 압력 곡선

본 발명은 하이드로포밍(hydroforming) 방식을 이용한 튜뷸러 타입의 토션빔의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 판재를 프레스 성형한 V형 빔(1) 과 환봉(2)을 함께 조합하여 후방 현가장치의 비틀림 응력을 견디는 토션빔의 역할을 수행하는 제품을 하이드로포밍 공법을 이용하여 하나의 부품으로 제작함으로써 부품의 원가절감을 실현함과 동시에 기존의 프레스 제품의 경우 1,2,3차에 이루어지던 제작 공정을 하이드로포밍 한 공정으로 축소함으로써 토션빔 제작 공정을 대폭 단축시키도록 한 발명이다.

아울러 프레스 가공으로 성형될 경우 토션빔(1) 중앙부의 프레스 가공에 의한 가공경화의 집중이 발생되어 제품의 내구특성이 취약해지지만, 본 발명 하이드로포밍 공법으로 제작할 경우 하이드로포밍 공법의 특징인 고압의 액체로 성형함으로 토션빔(4) 내면 전체에 균일한 내압이 작용하여 가공경화가 균일하게 분포되게 함으로써 구조 및 피로 특성의 향상이 가능하다.

토션빔을 사용하는 현가장치는 차축식 중 경량의 전륜구동차량의 후륜 서스펜션(suspension)에 적합한 형식으로 좌우의 차축을 연결한 빔이 있고 이 양 끝에 트레일링암을 결합시켜 이 암으로 전후 방향의 위치 결정과 힘을 감당하게 하는 형 식이다. 이 형식은 간단한 구조로 가격이 저렴하며 쇼바(absorber)와 스프링의 배치에 따라 차량의 바닥면을 낮고 넓게 할 수 있으며 토션빔으로 롤의 강성 조정도 가능한 구조이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 주행 중 노면으로부터 전달되는 충격이나 진동을 흡수하는 토션빔(1,4)에는 좌, 우 트레일링 암(3)이 연결되며, 트레일링 암(3)의 앞부분은 차체에 연결된다. 또한, 뒷부분은 고무 부시(bush)를 통해 바퀴에 연결되어 있으므로 노면으로부터의 충격을 토션빔(torsion beam)(1)으로 전달한다.

바퀴로부터 반복적으로 전달되는 충격 또는 진동, 특히 차량이 회전할 때에는 발생되는 벤딩력은 토션빔에서 흡수하여야 하기 때문에, 기존의 토션빔은 판재를 이용하여 프레스 가공한 V형 빔(1)으로서 추가적으로 보강재인 환봉을 조합함으로써 이러한 충격들을 흡수하는 방식을 채택하여 왔다.

그러나, 종래의 토션빔은 도 1에 도시한 바와 같이 판재를 프레스 가공하기 위해서는 2공정 이상을 필요로 한다. 또한, V형 빔(1)에 보강재인 토션바(2)를 함께 조립하고, 차량 주행중에 발생하는 벤딩력을 견디기 위해 중실 환봉을 사용하기 때문에 중량 측면에서 불리하다. 아울러, V형 빔(1)과 토션바(2)를 별도 제작하여 조립품을 제작해야하므로 조립 공정이 많이 복잡해지는 단점을 가지고 있다.

한편, 튜뷸러 타입(tubular-type)의 토션빔(4) 제작방법으로는 액압 프레스 가공법이 있다. 2공정 이상의 튜브를 프레스 가공한 후 가공품 양측 끝단에 맨드럴 장치를 이용하여 전진시킴으로써 내부압력을 상승시켜 제품 형상을 성형하는 방법이 있다. 이 방법은 고압을 발생시키는 장치가 별도로 있는 것이 아니고 저압의 유 압을 사용하여 단순히 프레스 가공에 의해 변형된 부분의 형상을 유선형의 형상으로 성형시키는 방법이다. 이 방법에는 고압의 유압 발생 장치가 없으며, 파이프 또는 튜브등의 관 내부의 압력을 일정하게 제어할 수 있는 별도의 장비도 없다.

차량 후륜 현가장치인 토션빔 액슬에서 토션빔을 하이드로포밍 공법을 이용하여 제품을 제작하더라도 기존의 프레스 방식의 공법으로는 차량 성능 향상에는 제한적이다. 또한 보강재 크기 또한 무제한적으로 키우기도 어렵다.

또한 관 내부에 단순하게 물을 채워 끝단 펀치를 밀어서 가압하는 방식으로는 부드러운 면 형상을 구현하기에 한계가 있으며 성능을 만족하기에도 쉽지 않다. 또한, 단품 제작과 함께 조립품 제작에 많은 공정들이 필요하게 되므로 제품 원가 측면에서도 불리하다.

따라서, 본 발명은 종래의 상술한 단점들을 개선하기 위해 하이드로포밍 공법을 적용하여 하이드로포밍 한 공정으로 튜뷸러 타입 토션빔을 제작함으로써 하이드로포밍 공법의 특성인 부품 자체의 가공 경화가 골고루 분산되어 하중에 의한 집중응력을 피할 수 있고, 튜브내 고압을 사용하여 유선형의 부드러운 부품 형상을 가진 내구 특성이 우수한 제품을 제조하기 위한 것이다.

일반적으로 자동차부품의 제조에 있어, 금형을 필요로하는 3가지 공정(벤딩, 프리포밍, 하이드로포밍)이 필수적이지만, 본원 발명에서는 하이드로포밍 단 한 공정으로 제품을 제작가능하게 함으로써 생산공정을 단축시키고 생산성, 나아가 가격 경쟁력을 가지도록 한 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 바와 같이 하이드로포밍 공법을 적용하여 튜뷸러 타입의 토션빔(5)을 제작하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

우선, 하이드로포밍 공법으로 한 공정으로 제품을 제작하기 위해서는 그 적당한 제품 형상의 디자인이 우선되어야 한다.

본 발명상의 튜블러 타입의 토션빔은 도 3에 도시하였다. 이 도 3에 제시된 바와 같이 제품의 끝단(5aa)은 트레일링 암(trailing arm)과의 접합을 위해 도4와 같은 섹션 형상을 가져야 한다. 또한, 제품의 중앙부는 토션빔 자체가 구동 바퀴로부터 전달되는 비틀림 강성을 가지기 위해서 도5와 같은 형상을 가져야 한다. 또한 제품의 중앙부는 하이드로포밍의 상형 금형(12)이 하강하여 하형 금형(13)이 맞닿는 동안 성형이 완료될 수 있고 하이드로포밍 성형이 완료된 후 상형 금형(12)이 이완될 때 제품과 간섭없이 상승할 수 있도록 제품의 귀형상(5bb)이 제품 안측면으로 디자인되어야 한다.

하이드로포밍 공법을 이용한 제작 방법은 도6과 같이 상형(12), 하형(13)으로 이루어진 하이드로포밍 금형 한 셋트와 제품 양쪽 끝단에서 고압의 유지 및 제품의 확관(제품 형상에 맞춰 파이프 외경을 키워줌)에 필요한 소재를 공급해주기 위한 액슬 피딩 펀치(14) 2개로 구성된다. 여기에 유압을 발생시키는 위한 유압 장치들과 유압을 고압으로 만드는 증압기가 추가로 필요하다.

먼저, 관소재(11)가 하형 금형(13)에 안착이 된다. 안착되도록 하기 위해 하형 금형(13)은 제품에 맞는 형상으로 이루어져 있고 중앙부의 형상은 관소재(11) 직경보다 폭이 좁아 하형 금형(13)의 중간 부위에 걸쳐짐으로서 관소재(11)의 안착이 안정적으로 될 수 있다. 다음, 하이드로포밍 상형 금형(12)이 하강하면서 제품의 중앙부분의 형상(5bb)이 대략 사각 튜브형으로 1차적으로 성형이 이루어진다. 이때 제품의 양쪽 끝단(5aa)이 도4와 같은 형상이 아니고 도5와 같은 형상이다. 이 형상들의 중간 부분은 중앙부 상형 펀치의 영향으로 섹션의 중앙 부분이 제품의 형상보다 더 오목하게 들어가는 형상을 가지게 된다.

상형 금형(12)이 하형 금형(13)과 닿아서 1차 성형이 끝나면 하이드로포밍 프레스에 내장된 유압 발생 장치에 의해 액슬 펀치(14)를 통해 고압이 파이프 내부에 가해지기 시작한다. 이렇게 발생한 관소재 내면의 고압은 전체 관소재(11)를 하이드로포밍 금형의 상형(12)과 하형 금형(13)에 닿게 함으로써 제품의 최종형상(5)으로 2차 성형을 하게 된다.

즉, 2차로 하이드로포밍 프레스 내부에 장착된 수압 발생 장치에 의해 발생되는 고압(압력 범위 : 1800 ~ 2300 bar로서 각각 고압의 효과의 하한치와 작동불량 또는 형상 불량이 되기 쉬운 초고압을 고려한 상한치임)으로 인해 관소재(11)가 하이드로포밍 금형의 상형(12), 하형(13)에 밀착되어 최종 형상의 토션빔 제품을 제작하게 되는 것이다. 이때 관소재의 끝단에서 고압의 유지와 관의 확관을 위한 피딩 역할을 하는 액슬 펀치(14)를 작동 거리 : 5 ~ 10 mm로 장착하여 도 7과 같은 피딩-압력 곡선을 가지고 토션빔(1)을 제작하게 된다. 즉, 피딩과 관 내부 압력 과의 상관 관계는 도 7에 나타나 있다.

상기 작동 거리는 5mm 미만의 경우 피딩이 저조하여 충분한 성형이 어렵고, 10mm 를 초과하면 자칫 고압유지가 어렵고 확관 시 형상 불량이 되기 쉽다.

이 그라프에서 볼 수 있는 바와 같이, 하이드로포밍 상형 금형(12)이 하강하면서 제1차 성형을 할 때에는 피딩역할을 하는 액슬펀치의 작동거리가 시간에 비례하여 커지고 내부 압력(F)도 시간에 비례적으로 커지게 되나, 제2차 성형에서는 일정시간이 지나면 피딩 작동거리는 더이상 늘어나지 않으나, 2차로 하이드로포밍 프레스 내부에 장착된 수압 발생장치에 의해 발생한 고압으로 인해 관소재(11)가 하이드로포밍 금형의 상형(12)과 하형(13)에 밀착되어 성형되므로써 최종적으로 토션 빔이 성형제작된다.

이때 1차 성형때 발생한 제품 끝단부의 중앙부 상형 펀치에 의해 발생한 오목한 형상도 고압으로 인해 상형 금형(12)에 밀착되어 최종 제품 형상(5)으로 성형이 이루어진다.

본 발명은 후륜 현가장치인 토션빔을 하이드로포밍 공법을 적용하여 하이드로포밍 1공정의 금형만으로 튜뷸러 타입 토션빔을 제작하므로서 하이드로포밍 공법의 특징인 관 내부의 균일한 고압을 이용하여 제품을 성형 가능하게 되므로써 제품 자체의 가공 경화가 골고루 분산되어 하중의 응력집중을 피할 수 있고, 유선형의 부드러운 부품 형상을 구현함으로써 내구 특성이 우수한 제품을 제작할 수 있다.

제작 공법 또한 하이드로포밍 한 공정으로 제품을 제작함으로써 공정단축과 생산성 향상 범용과 소재의 이용가능등의 효과가 크다. 제품 조립 측면에서도 기존의 V형 빔(1)과 환봉을 이용한 토션바(2)를 조합하여 제작하던 조립 공정을 튜뷸러 타입 토션빔(5) 한 개의 제품으로 트레일링 암(3)에 조립함으로써 조립 공정의 획기적인 감축과 조립비용의 절감을 추가적으로 달성할 수 있다.

Claims (2)

1. 자동차 부품을 제작하기 위해 금형을 필요로 하는 통상적인 3가지 공정(벤딩, 프리포밍, 하이드로포밍)중 하이드로포밍 공법만을 적용하게 되는 하이드로포밍 공법을 이용한 토션빔(5)을 제작하기 위하여,

   상기, 토션빔을 튜블러 타입의 토션빔으로 제작하고, 상기 토션빔 제품의 중앙부(5bb)는 토션빔의 비틀림 강성을 가지기 위해 뒷끝단의 귀 형상이 안쪽으로 성형이 되는 형상을 가지도록 하며, 또한 토션빔 제품의 양끝단부(5aa)는 트레일링 암과의 접합을 위해 대략 사각 튜브형과 같은 제품 형상으로 성형하며, 이를 위하여 하이드로포밍 상형 금형(12)을 하강시켜 1차 성형을 하고, 2차로 하이드로포밍 프레스 내부에 장착된 수압 발생 장치에 의해 발생되는 고압(압력 범위 : 1800 ~ 2300 bar)에 의해 관소재(11)가 하이드로포밍 금형의 상형(12), 하형(13)에 밀착되어 최종 형상의 토션빔 제품이 제작되도록 한 것을 특징으로 하는 하이드로포밍을 이용한 토션빔의 제작방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 토션빔 제작 공정에서 관소재의 끝단에서 고압의 유지와 관의 확관을 위한 피딩역할을 하는 액슬 펀치(14)를 작동거리 5 ~ 10mm로 장착하여 하이드로포밍 상형 금형(12)이 하강하면서 제 1 차 성형할 때에는 액슬펀치의 작동거리가 시간에 비례하여 커지도록 하고, 제 2 차 성형에서는 피딩 작동거리 는 더이상 늘어나지 않으나 하이드로포밍 프레스 내부에 장착된 수압발생장치에 의해 발생된 고압으로 관소재(11)가 하이드로포밍 금형의 상형(12)과 하형(13)에 밀착되어 성형되므로써 최종적으로 토션빔이 최종제품형상(5)으로 성형 제작되도록 한 하이드로포밍을 이용한 토션빔의 제작방법.

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