KR20100074513A - 로터리 파이프 벤딩기용 멘드렐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멘드렐(mandrel)에 관한 것으로, 특히 하이드로포밍 성형성 향상을 위한 로터리 파이프 벤딩기용 멘드렐에 관한 것이다. 본 발명의 로터리 파이프 벤딩기용 멘드렐은 원기둥 형태의 멘드렐 생크와 멘드렐 생크의 일단에 결합하는 적어도 하나의 원반 형태의 멘드렐 볼을 포함하며, 여기서, 멘드렐 볼은 눌려진 부분을 구비하고, 멘드렐 볼의 끝면 중심에서 눌려진 부분의 멘드렐 볼의 표면까지의 거리는 끝면 중심에서 멘드렐 볼의 나머지 표면까지의 거리보다 작다.

강관, 튜브, 벤딩, 확관, 정수압 벌지 시험, 멘드렐(mandrel), 로터리 파이프 벤딩기, 하이드로포밍(hydroforming)

Description

로터리 파이프 벤딩기용 멘드렐{Mandrel for rotary pipe bending machine}

본 발명은 멘드렐(mandrel)에 관한 것으로, 특히 하이드로포밍 성형성 향상을 위한 로터리 파이프 벤딩기용 멘드렐에 관한 것이다.

종래의 하이드로포밍(hydroforming) 공정의 경우, 파이프 또는 튜브를 1차적으로 로터리 벤딩 혹은 프리포밍(pre-forming)을 한 후 최종적으로 하이드로포밍 금형에 안착하도록 이루어진다. 즉, 하이드로포밍 공정을 위하여 파이프 또는 튜브는 1차적으로 로터리 벤딩 혹은 프리포밍될 필요가 있다.

로터리 벤딩을 이용하여 프리포밍하는 경우, 파이프 또는 튜브의 외권부와 내권부에 파이프의 최초두께 대비 두께감소 및 두께증가의 변형이 부가된다. 튜브의 벤딩시에 튜브 외권부에 발생되는 두께 감소는 이후 공정인 하이드로포밍 공정시의 정수압 벌지 시험에 의한 확관량에 의해 튜브의 파단 및 성형품 불량을 야기할 수 있다.

특히, 오스테나이트계(austenitic) 스테인리스강 대비 성형성이 열위한 페라이트계(ferritic) 스테인리스강을 이용한 튜브 로터리 벤딩시에 두께 감소가 현저히 나타나게 된다. 페라이트계 스테인리스강을 이용한 벤딩 및 하이드로포밍 공정 에 의한 제품 제작은 주로 자동차 배기계에 적용되는데, 500도 이상의 고온에서 사용되는 제품 요구특성으로 인하여 고온에서의 기계적 성질 저하가 수반된다. 이때 파이프의 두께 감소가 심한 부위에 열피로에 의한 파괴 및 고온 강도 저하에 의한 자동차 내구성능 저하가 우려된다. 파이프의 벤딩시 파단이 발생하지 않는 제품에 대해서도 내구성능 저하가 우려되며, 제품의 성형 가공시에도 성형성 미 확보로 인한 제품 성형 불가 및 제품 제작 금형 파손 등의 비용을 추가적으로 지불해야 한다. 이와 같은 문제점들을 해결하기 위해서는 1차적으로 성형 가공하는 공정인 파이프 로터리 벤딩 공정에서 파이프의 두께 확보 및 양호한 성형 품질 확보가 선행적으로 확보되어야 한다.

이를 위해, 기존의 파이프 로터리 벤딩시에 맨드렐 볼(mandrel ball)의 개수, 맨드렐 볼들 간의 간격, 맨드렐 생크(mandrel shank)의 초기 위치, 파이프 내의 윤활, 로터리 파이프 벤딩기의 샤프트(shaft)의 부스팅 압력 프로파일(boosting pressure profile) 제어, 프레셔 다이(pressure die)의 압력 및 속도 제어 등의 기술적 조합을 통하여 벤딩 후의 파이프의 외권부의 두께를 확보하는 노력이 시도되었다. 하지만, 기존의 로터리 벤딩기 자체의 성형 조건의 최적화를 통한 벤딩된 파이프의 두께 확보를 위한 노력은 벤딩된 파이프의 형상, 파이프의 외경, 벤딩 각도, 벤딩 반경 등의 제한으로 인해 어느정도 한계를 가질 수 밖에 없다. 더욱이, 최근에는 자동차 배기계 배기 메니폴더(exhaust manifolder)의 부품과 같이 형상의 복잡성이 심해지고, 벤딩 반경의 극소화 등으로 파이프 벤딩 시에 성형성 확보 노력이 더 절실히 요구되고 있다.

또한, 하이드로포밍 시에는 액압을 이용한 정수압 벌지의 가공 특성상 프레스를 이용한 가공 방법보다 소재의 성형성을 확보하는 측면에서 윤활의 향상을 통해 기술적으로 고비용, 고품질을 확보하는 공정으로 알려져 있으나, 파이프의 확관 시에는 하이드로포밍 금형과 우선적으로 소재와 접촉하는 부위에서 윤활성이 극도로 저하되기 때문에 1차적으로 벤딩된 파이프의 성형성을 확보하는 문제는 하이드로포밍 가공 시에 가장 중요한 이슈이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 하이드로포밍할 튜브를 1차적으로 로터리 벤딩할 때 튜브의 두께를 확보할 수 있도록 고안된 로터리 파이프 벤딩기용 멘드렐을 제공하는 데 있다. 다시 말하면, 본 발명은 기존의 로터리 벤딩기에서 사용하는 멘드렐의 구조를 개선하여 하이드로포밍 가공에 선행적으로 수행되는 로터리 파이프 벤딩시에 파이프 두께를 확보하여, 추후 공정의 성형성을 확보하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 로터리 파이프 벤딩기용 멘드렐의 구조를 추후 연결되는 하이드로포밍 금형에 양호하게 안착하는 것과, 하이드로포밍 시에 파이프의 두께감소가 국부적으로 일어나지 않도록 (또는 두께감소가 최소화 되도록) 파이프의 성형성을 확보하는 것과, 로터리 파이프 벤딩시에 파이프 내권부에 소재 압축에 의한 주름이 발생하지 않도록 하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 로터리 파이프 벤딩기용 멘드렐은 원기둥 형태의 멘드렐 생크(mandrel shank)와 멘드렐 생크의 일단에 결합하는 적어도 하나의 원반 형태의 멘드렐 볼(mandrel ball)을 포함한다. 여기서, 멘드렐 볼은 눌려진 부분(a pressed part)을 구비하고, 멘드렐 볼의 끝면 중심에서 눌려진 부분의 멘드렐 볼의 표면까지의 거리는 끝면 중심에서 멘드렐 볼의 나머지 표면까지의 거리보다 작다.

바람직하게, 상기 눌려진 부분은 멘드렐 볼이 파이프에 삽입될 때 로터리 파이프 벤딩기에 의해 벤딩되는 파이프의 벤딩 외권부와 마주하도록 놓여진다.

상기 적어도 하나의 멘드렐 볼은 멘드렐 생크에 결합하는 제1 멘드렐 볼, 및 제1 멘드렐 볼에 결합하는 제2 멘드렐 볼을 구비할 수 있다. 이때, 상기 눌려진 부분은 제2 멘드렐 볼에만 구비될 수 있다.

상기 멘드렐 생크와 상기 적어도 하나의 멘드렐 볼은 회전 이음쇠 구조로 서로 결합된다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 하이드로포밍 성형성 향상을 위한 로터리 파이프 벤딩기의 멘드렐은, 하이드로포밍 공정에서의 튜브의 성형성 확보가 유리하도록 로터리 파이프 벤딩시에 파이프의 외권부에 두께감소를 저감하는 효과가 있다.

또한, 위의 효과를 극대화하기 위해서는 성형해석을 통한 멘드렐 생크 및 멘드렐 볼의 형상, 멘드렐 생크 및 멘드렐 볼의 간격, 개수의 최적화가 필요하다. 이와 같이 전술한 본 발명의 멘드렐과 최적화 기법을 통하여 하이드로포밍 공정시 제품의 두께 확보 및 양호한 성형성 확보가 가능하다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멘드렐의 사시도이다. 도 1b는 도 1a의 멘드렐의 정면도이다.

도 1a를 참조하면, 멘드렐(100)은 멘드렐 생크(mandrel shank, 110), 및 멘드렐 볼(mandrel ball, 120)을 포함한다. 멘드렐 볼(120)은 원기둥 형태의 멘드렐 생크(110)의 길이 방향의 일단에 결합한다. 멘드렐 볼(120)과 멘드렐 생크(110)는 회전 이음쇠 구조로 서로 결합된다. 회전 이음쇠(swivels) 구조는 볼 회전이음쇠(ball swivels) 구조(도 3b의 230 참조)를 포함한다.

본 실시예에 있어서, 멘드렐 볼(120)은 눌려진 표면(122)을 구비한다. 눌려진 표면(122)은 멘드렐 볼(120)의 일부가 안쪽으로 눌려진 부분을 말한다. 멘드렐(100)의 길이 방향에서 멘드렐 볼(120)을 정면에서 바라본다고 가정할 때, 눌려진 표면(122)은 멘드렐 볼(120)의 끝면(또는 정면에 보이는 면)에서 가장 확실하게 함몰되어 보인다.

좀더 구체적으로, 도 1b에 도시한 바와 같이, 멘드렐 볼(120)의 끝면 중심으로부터 눌려진 표면(122)까지의 거리(R1)는 멘드렐 볼(120)의 끝면 중심에서 눌려진 표면을 제외한 멘드렐 볼(120)의 나머지 표면까지의 거리(R0)보다 작다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에서는 하이드로포밍용 강관의 성형성을 확보하기 위해, 1차적으로 로터리 벤딩기에 의해 벤딩된 파이프의 두께감소율을 최소화한다.

또 다른 측면에서, 본 실시예의 멘드렐이 복수의 멘드렐 볼들을 구비하는 경 우, 전술한 눌려진 표면(122)은 멘드렐의 일측 끝단에 위치하는 최외측 멘드렐 볼에 구비되는 것이 바람직하다.

도 2는 파이나잇 엘리먼트 툴 셋(Finite element tool set)을 이용하여 본 발명의 멘드렐을 이용한 로터리 벤딩의 성형해석의 주요 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 로터리 벤딩기에 의해 벤딩할 시에 파이프는 내부에 위치한 멘드렐 생크(mandrel shank)와 멘드렐 볼(mandrel ball)과 접촉하게 된다. 파이프 외경에는 프레셔 다이(pressure die), 클램프 다이(clamp die), 와이퍼 다이(wiper die), 벤드 다이(bend die)와 접촉하게 된다. 마찰에 의해 파이프를 벤딩할 때, 본 실시예의 멘드렐을 이용하면 파이프의 형상을 유지하고 벤딩부에 주름이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 이와 관련한 실험 결과는 아래에서 상세히 설명될 것이다.

도 3a 및 도 3b는 비교예의 로터리 벤딩시 사용되는 맨드렐의 정면도 및 측면도이다.

도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 비교예의 멘드렐(200)은 멘드렐 생크(210), 제1 멘드렐 볼(220), 및 제2 멘드렐 볼(220a)을 구비할 수 있다. 멘트렐 생크(210)와 제1 멘드렐 볼(220)은 볼 회전 이음쇠(230)에 의해 서로 결합된다. 제1 멘드렐 볼(220) 및 제2 멘드렐 볼(220a)도 볼 회전 이음쇠에 의해 서로 결합되어 있다.

본 비교예에서, 멘드렐 생크(210)에 결합된 제1 멘드렐 볼(220) 및 제2 멘드 렐 볼(220a)은 실질적으로 눌려진 표면을 구비하지 않는다. 즉, 제1 멘드렐 볼(220) 및 제2 멘드렐 볼(220a)은 각 멘드렐 볼의 끝면 중심에서 표면까지의 거리(R2)가 모두 일정하게 형성된다. 다시 말하면, 제1 및 제2 멘드렐 볼들(220, 220a)의 단면은 실질적으로 완전한 원을 형성한다. 여기서, 멘드렐 볼의 단면은 멘드렐이 삽입될 파이프의 단면에 대응하는(또는 평행한) 단면이 된다.

비교예의 멘드렐(200)을 이용한 파이프 벤딩 시에 파이프는 벤딩 외권부 부근에서 초기 동심원 형상을 유지하지 못하고 찌그러지게 된다. 이때, 멘드렐 생크 및 멘드렐 볼이 파이프의 찌그러짐을 방지하게 되는데, 파이프의 압축력이 상당하여 파이프 내경에서 금형과의 마찰력이 상당히 높아지게 되어 멘드렐 생크 및 멘드렐 볼 사이의 틈과 마주하는 부분에서 파이프의 두께감소가 심하게 일어나게 된다. 이와 같은 파이프의 두께감소를 저감하기 위해 로터리 벤딩기 샤프트(shaft)의 부스팅(boosting) 압력을 높여주거나 프레셔 다이의 이동 속도를 제어하는 등의 기술적 조합이 추가로 필요할 수도 있다. 파이프의 두께 감소를 저감하기 위해 로터리 파이프 벤딩 시에 멘드렐 생크와 멘드렐 볼의 개수, 금형 간의 간격, 멘드렐 볼의 폭(width)(L)의 조정으로 그 두께감소율의 저감을 도모할 수 있다. 이처럼, 비교예의 멘드렐(200)을 이용하는 경우, 파이프의 두께감소율을 저감하기 위하여 복잡한 공정 조건을 수행해야 하며, 이러한 복잡한 공정을 수행한다 하더라고 만족할 만한 두께감소율을 얻기 어렵다는 한계가 있다.

표 1은 본 발명에 따라 고안된 멘드렐 생크 및 맨드렐 볼을 이용하여 성형해석한 후 파이프의 최대 두께 감소율과, 비교의 로터리 벤딩시 사용되는 금형을 이 용하여 멘드렐 생크와 멘드렐 볼의 갭(Gap) 및 멘드렐 볼의 폭(width)를 조정하여 성형해석한 후 파이프의 최대 두께 감소율을 나타낸다.

CASE	Number of ball	Gap (mm)	Width (mm)	Max Thinning (%)
1	2	3	18	25.88
2	2	3	15	25.21
3	2	3	12	23.51
4	2	2	18	25.06
5	2	1	18	24.31
6	1.5	3	18	24.05
7	1	3	18	주름발생
본 발명예	2	3	18	21.89

표 1에서 최대 두께감소율(max thinning)은 로터리 파이프 벤딩기에서 90도 벤딩후에 파이프의 외권부의 두께감소율을 나타낸다. 표 1에서 case 1에서 case 7은 비교예의 로터리 파이프 벤딩 조건을 변화함으로써 벤딩 이후 파이프의 최대 두께감소율의 변화를 나타낸다. Case 7의 경우, 로터리 파이프 벤딩시 멘드렐 볼의 개수를 한 개로 했을 때의 벤딩된 파이프의 내권부에 주름이 발생한 결과를 보여준다.

위의 비교예와 같은 조건에서, 본 실시예의 멘드렐(100)(도 1a 및 도 1b 참조)을 이용하여 로터리 파이프 벤딩기에서 90도 파이프 벤딩을 수행했을 때, 파이프의 최대 두께감소율은 21.89%이었다. 이러한 두께감소율은 비교예의 멘드렐을 이용한 case 1~7의 결과 대비 2.3 ~ 4.0% 저감된 것이다. 이와 같이, 본 실시예의 멘드렐(100)을 이용하면, 로터리 파이프 벤딩후 파이프의 두께감소율을 저감하는 효과가 있음을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멘드렐을 이용하여 성형해석 한 후의 파이프의 두께감소율 분포를 측정한 결과에 대한 도면이다. 도 5는 또 다른 비교예에 따른 멘드렐을 이용할 때 로터리 벤딩기에 의해 벤딩된 파이프의 내권부에 주름이 나타나는 성형해석 결과에 대한 도면이다. 또 다른 비교예는 본 실시예의 멘드렐을 잘못 적용한 경우의 예시이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 파이프 벤딩 후에 두께 감소율 분포를 나타낸 결과를 보면 벤딩 이후 파이프의 최종 형상에 주름 발생 없이 양호한 형상을 확보할 수 있었다.

한편, 본 실시예의 멘드렐 볼에 눌려진 부분의 눌려지는 정도는 멘드렐 볼의 크기와 두께에 따라 적절하게 조절되어야 할 것이다. 만일, 멘드렐 볼이 과도하게 눌려진 부분을 구비하는 경우, 로터리 파이프 벤딩기에서 90도 벤딩후 파이프 내권부에 주름이 발생할 수 있다(도 5 참조).

도 6a는 비교예의 멘드렐을 이용하여 벤딩된 튜브의 단면도이다. 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 멘드렐을 이용하여 벤딩된 튜브의 단면도이다.

도 6a를 참조하면, 비교예의 멘들렐을 이용한 로터리 파이프 벤딩기에서 벤딩된 파이프(250)가 추후 공정인 하이드로포밍 금형(240)에 안착되어 있다. 하이드로포밍 금형(240)은 코너부의 곡면을 가진 사각형의 형상을 구비한다. 파이프(250)는 하이드로포밍 금형(240)의 안쪽에 소정의 두께 분포를 가지는 원형 형상이 튜브이다. 파이프(250)의 상부는 로터리 벤딩 시의 외권부(252)이며, 그 하부는 로터리 벤딩 시의 내권부(254)이다. 외권부(252)의 벤딩된 파이프(250)의 두께(W3)는 내권부(254)의 벤딩된 파이프(250)의 두께(W1)에 비해 매우 얇다.

한편, 도 6b를 참조하면, 본 실시예의 멘들렐을 이용한 로터리 파이프 벤딩기에서 벤딩된 파이프(150)가 추후 공정인 하이드로포밍 금형(140)에 안착되어 있다. 하이드로포밍 금형(140)은 코너부의 곡면을 가진 사각형의 형상을 구비한다. 파이프(150)는 하이드로포밍 금형(140)의 안쪽에 소정의 두께 분포를 가지는 원형 형상이 튜브이다. 파이프(150)의 상부는 로터리 벤딩 시의 외권부(152)이며, 그 하부는 로터리 벤딩 시의 내권부(154)이다. 외권부(152)에 위치한 벤딩된 파이프(150)의 두께(W2)는 내권부(154)에 위치한 파이프(150)의 두께(W0)와 비교할 때 조금 얇다. 다시 말해서, 본 실시예의 외권부(152)의 파이프(150)의 두께(W2)는 비교예의 외권부(252)의 파이프(250)의 두께(W3)에 비해 상당히 두껍다.

또한, 비교예의 멘드렐을 이용한 경우, 하이드로포밍 시 하이드로포밍 금형(240) 코너부에 튜브가 확관될 시에 심각한 두께 감소를 유발한다. 하지만, 본 실시예의 멘드렐을 이용한 경우, 벤딩된 파이프의 두께 확보로 향상된 성형성을 갖기 때문에 하이드로포밍 시에 파이프의 파단 등의 제품 불량을 방지 또는 감소시킬수 있다.

전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멘드렐의 사시도.

도 1b는 도 1a의 멘드렐의 정면도.

도 2는 파이나잇 엘리먼트 툴 셋(Finite element tool set)을 이용하여 본 발명의 멘드렐을 이용한 로터리 벤딩의 성형해석의 주요 과정을 설명하기 위한 도면.

도 3a 및 도 3b는 기존의 로터리 벤딩시 사용되는 맨드렐의 정면도 및 측면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멘드렐을 이용하여 성형해석 한 후의 파이프의 두께감소율 분포를 측정한 결과에 대한 도면.

도 5는 또 다른 비교예에 따른 멘드렐을 이용할 때 로터리 벤딩기에 의해 벤딩된 파이프의 내권부에 주름이 나타나는 성형해석 결과에 대한 도면.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 멘드렐을 이용하여 벤딩된 튜브의 단면도.

도 6b는 기존의 멘드렐을 이용하여 벤딩된 튜브의 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 멘드렐(mandrel)

110 : 멘드렐 생크(mandrel shank)

120 : 멘드렐 볼(mandrel ball)

122 : 눌려진 부분(a pressed part)

Claims (4)

1. 원기둥 형태의 멘드렐 생크와 상기 멘드렐 생크의 일단에 결합하는 적어도 하나의 원반 형태의 멘드렐 볼을 포함하며,

   상기 멘드렐 볼은 눌려진 부분을 구비하고,

   상기 멘드렐 볼의 끝면 중심에서 상기 눌려진 부분의 상기 멘드렐 볼의 표면까지의 거리는 상기 끝면 중심에서 상기 멘드렐 볼의 나머지 표면까지의 거리보다 작은 로터리 파이프 벤딩기용 멘드렐.
2. 제1항에 있어서,

   상기 눌려진 부분은 상기 멘드렐 볼이 파이프에 삽입될 때 로터리 파이프 벤딩기에 의해 벤딩되는 파이프 벤딩 외권부와 마주하도록 놓여지는 로터리 파이프 벤딩기용 멘드렐.
3. 제1항에 있어서,

   상기 적어도 하나의 멘드렐 볼은 상기 멘드렐 생크에 결합하는 제1 멘드렐 볼, 및 상기 제1 멘드렐 볼에 결합하는 제2 멘드렐 볼을 구비하며,

   상기 눌려진 부분은 상기 제2 멘드렐 볼에 구비되는 로터리 파이프 벤딩기용 멘드렐.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 멘드렐 생크와 상기 적어도 하나의 멘드렐 볼은 회전 이음쇠 구조로 서로 결합되는 로터리 파이프 벤딩기용 멘드렐.

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