KR20120101135A - 맞대기 이음 폐쇄 단면 중공 구조 요소 - Google Patents

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Abstract

차량 구조 부재는 종래의 클램쉘 구성을 이용하지만 종래 기술의 중첩 조인트(overlapped joint)를 제거하는 폐쇄 단면 중공 요소로부터 제공된다. 자동차 산업에 의해 영향을 받는 것들과 같은 많은 응용들을 위해, 판금 프레스 성형이 구조적 구성요소들을 제조하는 가장 비용 효율적인 방법인 것으로 입증되었다. 본 명세서는 클램쉘 폐쇄 단면 중공 요소들에서 중첩 또는 플랜지형 조인트들과 연관된 쓸모없는 재료로 제거하여 중량 및 비용을 감소시킨다.

Description

맞대기 이음 폐쇄 단면 중공 구조 요소{Butt jointed closed section hollow structural element}
본 발명은 맞대기 이음 폐쇄 단면 중공 구조 요소에 관한 것이다.
통상의 클램쉘 구성(clamshell configuration)을 이용하지만 종래 기술의 중첩 이음부(overlapped joint)를 제거하는 폐쇄 단면 중공 요소로부터 자동차 구조 부재 예컨대 모터 격실 레일(motor compartment rail), 서스펜션 제어 아암(suspension control arm) 또는 서스펜션 서브프레임 비임(suspension subframe beam)을 생성하는 것이 유리할 수 있다. 자동차 산업에 영향을 받는 것들과 같은 많은 응용들을 위해 판금 프레스 성형이 구조적 구성요소들을 제조하는 가장 비용 효율적인 방법인 것으로 입증되었다. 현재 생산되는 거의 모든 차량은 바디 구조 및 프레스 성형 기술들을 이용하여 제조되는 알루미늄 또는 스틸 스탬핑들로부터 거의 전체가 구성되는 선택된 서브프레임들을 이용한다. 폐쇄 단면 중공 요소들이 필요로 될 때는 언제나, 이들은 2프레스 성형 개방 단면 판금 구성요소들로부터 일반적으로 구성되어, 적절한 필렛형(fillet type)의 용접 이음을 도모하기 위한 중첩 섹션 또는 이중 재료 스폿 용접 이음을 제공하기 위한 아웃스탠딩 플랜지를 이용하여 클램쉘 구성을 생성한다. 본 명세서의 주 목적은 클램쉘 폐쇄 단면 중공 요소들에서 중첩 또는 플랜지형 조인트들과 관련된 쓸모없는 재료를 제거하는 것이다.
가장 효율적인 형태의 용접 이음은 구조적으로 연결되어 있는 2개의 구성요소들이 이들의 개방 에지들에서 접선 경계면을 따라 만나고 그 결과 재료의 중첩이 없는 맞댐 구성(butt arrangement)이다. 이후 이러한 맞대기 이음은 MIG, TIG, Arc, Laser 또는 2개의 구성요소들의 연속하는 구조적 부착을 생성하는 유사한 수단을 이용하여 용접될 수 있다. 이러한 용접된 맞대기 이음의 품질은 2개의 구성요소들 간의 갭 및 2개의 구성요소들의 재료들의 격차가 있는 두께에 극히 민감하다. 격차가 있는 두께는 설계 과정 동안 정확한 스펙에 의해 제어될 수 있다. 2개의 구성요소들 간의 갭은 제조 공정 성능에 종속적이다. 2개의 구성요소들이 프레스 성형 기술들을 이용하는 스탬핑 판금으로 구성되면 개방 에지들은 상기 공정에서의 제한들로 인해 제로 갭(zero gap)을 갖는 경계면으로 발전될 수 없다. 이 때문에 프레스 성형 클램쉘 구성들은 적절한 필렛형의 용접 이음을 도모하기 위한 중첩 섹션 또는 이중 재료 스폿 용접 이음을 제공하기 위한 아웃스탠딩 플랜지를 이용한다.
2개의 금속 구성요소들의 연속하는 구조적 부착을 위한 가장 효과적인 공정은 레이저 용접인데 그 이유는 레이저 용접은 다른 용접 기술들보다 상당히 적은 열을 제공하기 때문이다. 레이저 용접은 또한 일반적으로 충전 재료(filler material)를 필요로 하지 않고 상당히 빠른 적용 속도(application speed)를 가진다. 그러나, 레이저 용접은 다른 용접 기술들보다 맞대기 이음 갭들에 대해 훨씬 더 빡빡한 허용오차를 필요로 하고, 그래서 일반적으로 중첩 재료 구성들에만 적용된다. 구성요소들 간의 경계면에서 맞대기 이음의 레이저 용접에 의해 생성되는 구조적 부착장치를 갖는 클램쉘로서 구성되는 2프레스 성형 개방 단면 판금 구성요소들로 구성되는 폐쇄 단면 중공 요소는 종래 기술의 구성에 비해 중요한 중량 및 비용 이점을 제공할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 있어서, 폐쇄 단면 중공 요소는 프레스 성형 기술들을 이용하여 제조되고 2개의 대략 평행한 다운스탠딩 인터페이스 플랜지들로 구성되는 대략 개방 단면을 갖는 상측 판금 스탬핑 구성요소 및 프레스 성형 기술을 이용하여 제조되고 2개의 대략 평행한 업스탠딩 인터페이스 플랜지들로 구성되는 하측 판금 스탬핑 구성요소로 구성된다. 프레스 성형 후 상측 판금 스탬핑 구성요소 및 하측 판금 스탬핑 구성요소는 특별한 목적으로 만들어진 고정구에 의해 치수 컴플라이언스(dimensional compliance)로 견고하게 유지되고 상기 업스탠딩 및 다운스탠딩 인터페이스 플랜지들은 5축 레이저 컷팅을 이용하여 상보적으로 트리밍된다. 고정구는 치수 컴플라이언스로 구성요소들을 계속 견고하게 유지하면서 제로 갭으로 이들 전체 경계면을 따라 서로 접촉하여 상측 판금 스탬핑 구성요소 및 하측 판금 스탬핑 구성요소의 움직임을 도모한다. 상측 판금 스탬핑 구성요소 및 하측 판금 스탬핑 구성요소는 이때 고정구에 견고하게 유지되면서 연속 레이저 맞대기 용접에 의해 제로 갭 경계면을 따라 구조적으로 부착된다. 구성요소들이 치수 컴플라이언스로 견고하게 유지되고 5축 트리밍 동작이 동일한 고정구에서 수행되기 때문에, 제로 갭 인터페이스가 절대적으로 유지되고 쓸모없는 재료 중첩이 없고, 매우 적은 가열 효과 및 높은 처리 속도를 갖는 고품질 레이저 용접 이음이 달성된다. 그 결과는 높은 수준의 치수 완전성을 가지는 가변 단면의 연속하는 중공의 구조 요소인데, 그 이유는 일단 2개의 판금 스탬핑 구성요소들이 구조적으로 부착되면 일단 고정구로부터 제거되면 이들은 서로를 치수 컴플라이언스로 유지하고, 그럼으로써 재료 스프링벅(springbuck)의 효과들을 제거하고 개개의 구성요소들에 부정확함을 형성하는 것을 제거한다.
이러한 방식으로, 구조적으로 등가인 오버랩 또는 플랜지 클램쉘 구성들보다 재료를 덜 이용하여 낮은 질량 및 낮은 비용 해결방법을 달성하는 고효율 폐쇄 단면 중공 요소가 생성된다. 게다가 본 명세서의 폐쇄 단면 중공 요소는 비용 효율적인 프레스 성형 툴로 구성될 수 있는데 그 이유는 고정구가 트리밍 및 용접 중 필요한 치수 허용오차를 제공하기 때문에 고정밀 판금 스탬핑 구성요소들이 더 이상 필요하지 않기 때문이다. 본 명세서의 폐쇄 단면 중공 요소의 추가의 이점은 그것의 단면적이, 롤 성형(roll forming), 블로 성형(blow forming) 또는 하이드로포밍(hydroforming)에 의해 제조되는 종래의 폐쇄 단면, 비중첩 이음 구성들(non-overlapping joint arrangements)보다 아주 높은 비율로 그것의 길이를 따라 크게 변할 수 있다는 것이다.
도 1은 본 발명의 폐쇄 단면 중공 요소의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 폐쇄 단면 중공 요소의 확대 사시도이다.
도 3은 특별한 목적으로 만들어진 고정구에 부분적으로 설치된 본 발명의 폐쇄 단면 중공 요소의 구성요소들의 사시도이다.
도 4는 완전히 설치되고 트리밍된(trimmed) 본 발명의 폐쇄 단면 중공 요소의 구성요소들을 갖는 특별한 목적으로 만들어진 고정구의 사시도이다.
도 5는 레이저 용접 중 완전히 설치되는 본 발명의 폐쇄 단면 중공 요소의 구성요소들을 갖는 특별한 목적으로 만들어진 고정구의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 폐쇄 단면 중공 요소의 응용의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 폐쇄 단면 중공 요소의 다른 응용의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 폐쇄 단면 중공 요소의 다른 응용의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 폐쇄 단면 중공 요소(closed section hollow element; 1)는 실질적으로 상측 판금 스탬핑 구성요소(10) 및 하측 판금 스탬핑 구성요소(20)로 구성된다. 판금 스탬핑 구성요소들 모두는 스틸(steel), 알루미늄 또는 다른 적당한 금속 또는 합금의 플랫 시트(flat sheet)를 최종 응용 구조 및 패키징 요건들에 의해 좌우되는 필요로 되는 개방 단면 형상(open section shape)으로 프레스 성형하여 제조된다. 상측 판금 스탬핑 구성요소(10)는 2개의 대략 평행한 다운스탠딩 인터페이스 플랜지들(12)(14)로 구성된다. 도 1 및 도 2의 비제한 예로 도시된 것과 같이, 하측 판금 스탬핑 구성요소(20)는 2개의 대략 평행한 업스탠딩 인터페이스 플랜지들(22)(24)로 구성된다. 상측 판금 구성요소(10)의 다운스탠딩 인터페이스 플랜지들(12)(14)은 고정밀 인터페이스 에지들(highly accurate interface edges)(16)(18)을 생성하기 위해 프레스 성형 후 5축 레이저 트리밍(5 axis laser trimmed)된다. 하측 판금 구성요소(20)의 업스탠딩 인터페이스 플랜지들(22)(24)은 고정밀 인터페이스 에지들(26)(28)을 생성하기 위해 프레스 형성 후 5축 레이저 트리밍된다. 인터페이스 에지들(16)(18)(26)(28)은 단일 동작(single operation) 동안 5축 레이저를 통해 상보적으로 트리밍되고, 한편 상측 판금 스탬핑 구성요소(10) 및 하측 판금 스탬핑 구성요소(20)는 특별한 목적으로 만들어진 고정구에 의해 치수 컴플라이언스(dimensional compliance)로 견고하게 유지된다. 이러한 방식으로 업스탠딩 인터페이스 플랜지들(22)(24)의 인터페이스 에지들(26)(28) 및 다운스탠딩 인터페이스 플랜지들(12)(14)의 인터페이스 에지들(16)(18)은 제로 갭(zero gap)으로 정확하게 일치하도록 구성된다. 이러한 제로 갭 인터페이스("인터페이스(interface)"로도 불림)는 가변 단면의 연속하는 중공의 구조 요소(1)를 생성하도록 상측 판금 스탬핑 구성요소(10) 및 하측 판금 스탬핑 구성요소(20)를 구조적으로 부착하는 고품질 레이저 용접 맞대기 이음(high quality laser welded butt joint)(30)을 용이하게 한다.
도 3은 스페이서 블록들(42)에 의해 미리 결정된 거리에 유지되는 특별한 목적으로 만들어진 고정구(40)에 설치하기 전에 도시된 판금 스탬핑 구성요소들로 상측 판금 스탬핑 구성요소(10) 및 하측 판금 스탬핑 구성요소(20)를 견고하게 유지하도록 구성되는 특별한 목적으로 만들어진 고정구(40)의 비제한 예를 나타낸다. 도 4는 5축 레이저를 통해 상보적으로 트리밍된 인터페이스 에지들(16)(18)(26)(28) 및 고정구(40)에 완전히 설치된 상측 판금 스탬핑 구성요소(10) 및 하측 판금 스탬핑 구성요소(20)를 갖는 특별한 목적으로 만들어진 고정구(40)를 나타낸다. 부정확하게 형성된 에지들(54)(56)을 포함하는 스크랩 재료(scrap material)(50)(52)는 인터페이스 플랜지들(12)(14)(22)(24)로부터 분리되어 도시된다.
도 5는 제로 갭 조건(zero gap condition)을 생성하는 이들의 이전의 레이저 트리밍된 인터페이스 에지들(16)(18)(26)(28)을 따라 서로 접촉하는 상측 판금 스탬핑 구성요소(10) 및 하측 판금 스탬핑 구성요소(20) 및 후퇴된 스페이서 블록들(42)을 갖는 특별한 목적으로 만들어진 고정구(40)를 도시한다. 레이저 비임(60)은 가변 단면의 연속하는 중공의 구조 요소(1)를 생성하도록 전체 제로 갭 인터페이스를 따라 용접된 맞대기 이음(welded butt joint; 30)을 완성하여 나타낸다.
도 6은 이전에 기술된 제조 기술을 이용하여 구성되는 가변 단면의 폐쇄 단면 중공 요소로서 구성되는 차량 서스펜션 아암(70)의 비제한 예를 나타낸다.
도 7은 이전에 기술된 제조 기술을 이용하여 구성되는 가변 단면의 폐쇄 단면 중공 요소로서 구성되는 차량용 모터 격실 레일(vehicular motor compartment rail; 72)의 비제한 예를 나타낸다.
도 8은 이전에 기술된 제조 기술을 이용하여 구성되는 가변 단면의 4개의 폐쇄 단면 중공 요소로서 구성되는 차량 서스펜션 서브프레임(vehicular suspension subframe; 74)의 비제한 예를 나타낸다.

Claims (9)

  1. 판금(sheet metal)으로 형성되는 폐쇄 단면 중공 요소에 있어서,
    프레스 성형 기술들(press forming techniques)을 이용하여 제조되고 2개의 대략 평행한 다운스탠딩 인터페이스 플랜지들로 구성되는 일반적으로 개방 단면을 갖는 상측 판금 스탬핑 구성요소;
    프레스 성형 기술들을 이용하여 제조되고 2개의 대략 평행한 업스탠딩 인터페이스 플랜지들로 구성되는 일반적으로 개방 단면을 갖는 하측 판금 스탬핑 구성요소;
    상기 업스탠딩 및 다운스탠딩 인터페이스 플랜지들은 상기 상측 판금 스탬핑 구성요소와 상기 하측 판금 스탬핑 구성요소 사이의 경계면을 따라 서로 접촉하도록 프레스 성형 후 상보적으로 트리밍되고, 상기 경계면은 상기 상측 판금 스탬핑 구성요소와 하측 판금 스탬핑 구성요소 사이에서 맞대기 용접된 구조적 부착 조인트(butt welded structural attachment joint)로서 동작 가능하게 구성되고, 그렇게 함으로써 가변 단면의 연속하는 중공의 구조 요소를 생성하는, 폐쇄 단면 중공 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상측 판금 스탬핑 구성요소 및 상기 하측 판금 스탬핑 구성요소의 상기 업스탠딩 및 다운스탠딩 인터페이스 플랜지들은 5축 레이저 컷팅을 이용하여 상보적으로 트리밍되는, 폐쇄 단면 중공 요소.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상측 판금 스탬핑 구성요소 및 상기 하측 판금 스탬핑 구성요소는 연속 레이저 맞대기 용접(continuous laser butt weld)에 의해 상기 경계면을 따라 구조적으로 부착되는, 폐쇄 단면 중공 요소.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 상측 판금 스탬핑 구성요소 및 상기 하측 판금 스탬핑 구성요소는 치수 컴플라이언스(dimensional compliance)로 견고하게 유지되고, 상기 업스탠딩 및 다운스탠딩 인터페이스 플랜지들은 5축 레이저 컷팅을 이용하여 상보적으로 트리밍되는, 폐쇄 단면 중공 요소.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 상측 판금 스탬핑 구성요소 및 상기 하측 판금 스탬핑 구성요소는 연속 레이저 맞대기 용접에 의해 상기 경계면을 따라 구조적으로 부착되면서 치수 컴플라이언스로 견고하게 유지되는, 폐쇄 단면 중공 요소.
  6. 판금으로 형성되는 폐쇄 단면 중공 요소에 있어서,
    프레스 성형 기술들을 이용하여 제조되도록 되어 있는 실질적으로 개방 단면을 갖는 상측 판금 스탬핑 구성요소로서, 상기 상측 판금 스탬핑 구성요소는 2개의 대략 평행한 다운스탠딩 인터페이스 플랜지들로 구성되는, 상기 상측 판금 스탬핑 구성요소;
    프레스 성형 기술들을 이용하여 제조되고 2개의 대략 평행한 업스탠딩 인터페이스 플랜지들로 구성되는 실질적으로 개방 단면을 갖는 하측 판금 스탬핑 구성요소를 포함하고;
    상기 상측 판금 스탬핑 구성요소 및 상기 하측 판금 스탬핑 구성요소는 치수 컴플라이언스로 견고하게 유지되도록 동작 가능하게 구성되고 상기 업스탠딩 및 다운스탠딩 인터페이스 플랜지들은 이들의 전체 경계면을 따라 서로 접촉하도록 프레스 성형 후 5축 레이저 컷팅을 이용하여 상보적으로 트리밍되고,
    상기 상측 판금 스탬핑 구성요소 및 상기 하측 판금 스탬핑 구성요소는 연속 레이저 맞대기 용접에 의해 상기 경계면을 따라 구조적으로 부착되면서 치수 컴플라이언스로 견고하게 유지되도록 동작 가능하게 구성되고, 그렇게 함으로써 가변 단면의 연속하는 중공의 구조 요소를 생성하는, 폐쇄 단면 중공 요소.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상측 판금 스탬핑 구성요소 및 상기 하측 판금 스탬핑 구성요소는 차량 서스펜션 아암으로서 기능하도록 동작 가능하게 구성되는, 폐쇄 단면 중공 요소.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 상측 판금 스탬핑 구성요소 및 상기 하측 판금 스탬핑 구성요소는 차량 모터 격실 레일(vehicular motor compartment rail)로서 기능하도록 동작 가능하게 구성되는, 폐쇄 단면 중공 요소.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 상측 판금 스탬핑 구성요소 및 상기 하측 판금 스탬핑 구성요소는 차량 서스펜션 서브프레임용 비임(beam)으로서 기능하도록 동작 가능하게 구성되는, 폐쇄 단면 중공 요소.
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