KR20130027521A - 형상 동결성이 우수한 금속 부재의 성형 방법 - Google Patents

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Abstract

펀치(5)와 다이스(4)를 사용하여, 길이 방향으로 수직한 단면에서, 양측의 종벽부(1b, 1b)와, 각 종벽부(1b)에 연결되는 양측의 플랜지부(1a, 1a)와, 양측의 종벽부(1b, 1b)에 연결되는 천장판부(1c)를 가짐과 함께, 플랜지부(1a, 1a)를 외측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 굴곡부(2)를 갖는 단면 모자형 부재를 성형할 때, 단면 모자형 부재의 최종 형상을 얻기 위한 다이스(4)의 다이스 견부 반경을 R0으로 하고, 다이스 견부 반경 R0보다도 큰 다이스 견부 반경 R1을 갖는 다이스(4)에 의해 성형을 한 후, 다이스 견부 반경 R0의 다이스(4)에 의해 성형한다. 이렇게 성형을 2단계로 함으로써, 최종 형상에 있어서는, 플랜지부(1a, 1a)에서는 압축 방향으로 완화된 응력이 작용함으로써 인장-압축의 응력 밸런스를 극소화할 수 있다.

Description

형상 동결성이 우수한 금속 부재의 성형 방법{METHOD FOR FORMING METAL MEMBER HAVING EXCELLENT SHAPE FREEZING PROPERTIES}
본 발명은, 예를 들어 자동차 차체의 구조용 부재에 사용되는, 길이 방향으로 굴곡부를 갖는 단면 모자형 부재 등의 금속 부재의 형상 동결성을 향상시키는 성형 방법에 관한 것이다.
최근, 자동차 차체의 구조용 부재에는, 길이 방향으로 수직한 단면의 형상이 모자형인 부재(이하, 단면 모자형 부재라고 한다)가 많이 사용되고 있다. 단면 모자형 부재(1)는, 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같은 형상으로 성형 가공되어, 플랜지부를 외측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 굴곡부(2)를 갖는다.
이렇게 굴곡부(2)를 갖도록 단면 모자형 부재를 성형 가공한 경우, 잔류 응력에 기인하는 스프링 백이 발생하여, 도 2의 점선으로 도시한 바와 같이 굴곡점을 중심으로 해서 길이 방향으로 3차원 방향의 처짐이 발생한다. 이 처짐 형상의 수정은, 종래의 2차원 형상에서의 스프링 백(도 1의 I-I 단면 내에 있어서의 역 ㄷ자형 단면의 개방)의 교정으로는 다룰 수 없는 것이다. 또한, 스프링 백량은, 제품의 선단부의 원하는 형상으로부터의 연직 방향의 처짐량의 값으로 정의하고 있다.
이와 같이, 단면 모자형 부재의 성형에 있어서는 형상 동결성의 확보가 매우 중요한 기술 과제로 되고 있다.
일본 특허 공개 제2004-181502호 공보 일본 특허 공개 제2007-21568호 공보
형상 동결성을 확보하기 위해서, 예를 들어 특허문헌 1에서는, 금속판을 향해서 볼록해지는 단면 반원 형상의 볼록부를 헤드부에 갖는 펀치를 사용하고, 단면 모자형의 벽부가 되는 금속판 부분에 펀치의 볼록부를 접촉시켜, 금속판의 모자 헤드부가 되는 부분이 외측을 향해서 볼록해지는 볼록 형상으로 성형하는 예비 가공을 행하고, 이어서 소정의 모자 형상을 얻기 위한 펀치를 사용해 마무리 가공을 실시하는 가공 방법이 제안되어 있다. 그러나, 이 가공 방법은 축 길이 방향 일정 형상을 갖는 단면 모자형 부재에 대한 가공 방법이고, 게다가 2차원 판 휨에밖에 적용할 수 없으며, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같은 플랜지부를 외측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 굴곡부(2)를 갖는 단면 모자형 부재(1)의 길이 방향의 3차원 형상에서의 처짐을 개선하는데 적용할 수 없는 기술이다.
또한, 예를 들어 특허문헌 2에서는, 부재 길이 방향으로 굴곡부를 갖는 단면 모자형 부재의 성형 방법에 있어서, 상기 부재를 펀치, 다이스 및 블랭크 홀더 가공 공구를 사용하고, 제1단 성형에서 펀치 견부의 반경 r(mm)을 제품의 견부 반경 R(mm)보다 크게 성형하며, 제2단 성형에서, 제1단 성형과 동일한 폭으로, 또한 제품의 견부 반경 R(mm)로 성형하는 3차원 형상 동결성이 우수한 단면 모자형 부재의 성형 방법이 제안되어 있다. 그러나, 이 성형 방법은 플랜지부를 내측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 단면 모자형 부재에 대한 성형 방법이며, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같은 플랜지부를 외측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 굴곡부(2)를 갖는 단면 모자형 부재(1)의 길이 방향의 3차원 형상에서의 처짐을 개선하는 데에는 적용할 수 없는 기술이다.
이와 같이, 플랜지부를 외측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 굴곡부(2)를 갖는 단면 모자형 부재(1)의 형상 동결성을 향상시키는 요구가 높아지고 있는 한편, 이것을 개선하는 제안은 이루어져 있지 않은 것이 현 상황이다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 길이 방향으로 수직한 단면에서, 양측의 종벽부와, 상기 양측의 종벽부 중 적어도 한쪽에 연결되는 플랜지부를 가짐과 함께, 상기 플랜지부를 외측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 굴곡부를 갖는 금속 부재의 형상 동결성을 향상시키는 성형 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 형상 동결성이 우수한 금속 부재의 성형 방법은, 펀치와 다이스를 사용하여, 길이 방향으로 수직한 단면에서, 양측의 종벽부와, 상기 양측의 종벽부 중 적어도 한쪽에 연결되는 플랜지부를 가짐과 함께, 상기 플랜지부를 외측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 굴곡부를 갖는 금속 부재를 성형하는 방법이며,
상기 금속 부재의 최종 형상을 얻기 위한 다이스의 다이스 견부 반경을 R0으로 하고, 상기 다이스 견부 반경 R0보다도 큰 다이스 견부 반경 R1을 갖는 다이스에 의해 1회 또는 복수 회 성형을 한 후, 상기 다이스 견부 반경 R0의 다이스에 의해 성형하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 형상 동결성이 우수한 금속 부재의 성형 방법의 다른 특징은, 상기 다이스 견부 반경 R1을 1.1R0 이상이고, 3.5R0 이하인 범위로 설정하는 점에 있다.
또한, 본 발명의 형상 동결성이 우수한 금속 부재의 성형 방법의 다른 특징은, 상기 금속 부재는, 길이 방향으로 수직한 단면에서, 양측의 종벽부와, 상기 양측의 종벽부 중 적어도 한쪽에 연결되는 플랜지부와, 상기 종벽부에 연결되는 천장판부를 가짐과 함께, 상기 플랜지부를 외측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 굴곡부를 갖는 점에 있다.
또한, 본 발명의 형상 동결성이 우수한 금속 부재의 성형 방법의 다른 특징은, 상기 금속 부재는 단면 모자형 부재인 점에 있다.
본 발명에 따르면, 길이 방향으로 수직한 단면에서, 양측의 종벽부와, 상기 양측의 종벽부 중 적어도 한쪽에 연결되는 플랜지부를 가짐과 함께, 상기 플랜지부를 외측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 굴곡부를 갖는 금속 부재에 있어서, 길이 방향의 스프링 백에 의한 처짐을 대폭 저감시켜, 형상 동결성을 향상시킬 수 있다.
도 1은, 단면 모자형 부재의 제품 형상을 도시하는 도면이다.
도 2는, 단면 모자형 부재의 성형 후의 스프링 백의 상태를 도시하는 도면이다.
도 3은, 단면 모자형 부재를 성형하기 위한 가공 공구를 도시하는 도면이다.
도 4a는, 종래의 성형 방법에 의한, 도 1의 I-I 단면에서의 단면 모자형 부재의 성형에 있어서의 스프링 백의 원인 응력의 분포를 도시하는 도면이다.
도 4b는, 본 실시 형태의 단면 모자형 부재의 성형 방법에 의한, 도 1의 I-I 단면에서의 단면 모자형 부재의 성형에 있어서의 스프링 백의 원인 응력의 분포를 도시하는 도면이다.
도 5는, 본 실시 형태의 단면 모자형 부재의 성형 방법에 있어서의 도 1의 I-I 단면에서의 성형 상태를 도시하는 도면이다.
도 6은, 본 실시 형태의 단면 모자형 부재의 성형 방법의 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 7은, 실시예에 의한 스프링 백 개선 효과를 도시하는 도면이다.
도 8a는, 본 발명을 적용 가능한 금속 부재의 예를 나타내는 도면이다.
도 8b는, 본 발명을 적용 가능한 금속 부재의 예를 나타내는 도면이다.
도 8c는, 본 발명을 적용 가능한 금속 부재의 예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해서 설명한다.
본 실시 형태에서 성형하는 금속 부재인 단면 모자형 부재(1)는, 도 1에 도시한 바와 같은 형상으로 성형 가공된다. 즉, 단면 모자형 부재(1)는, 길이 방향으로 수직한 단면(예를 들어, I-I 단면)에서, 양측의 종벽부(1b, 1b)와, 각 종벽부(1b)에 연결되는 양측의 플랜지부(1a, 1a)와, 양측의 종벽부(1b, 1b)에 연결되는 천장판부(1c)를 가짐과 함께, 플랜지부(1a, 1a)를 외측으로, 바꾸어 말하면 천장판부(1c)를 내측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 굴곡부(2)를 갖는다.
이러한 단면 모자형 부재(1)를 성형하는 경우, 도 3에 도시한 바와 같이, 펀치(5), 다이스(4) 및 필요에 따라 도시하지 않은 블랭크 홀더를 포함하는 가공 공구를 사용하여, 강판(3)을 성형 가공한다.
도 4a는, 종래의 성형 방법, 즉 1회의 프레스 성형에 의한, 도 1의 I-I 단면에서의 단면 모자형 부재의 성형에 있어서의 스프링 백의 원인 응력의 분포를 도시하는 도면이다. 종래의 성형에 있어서는, 도 4a에 도시한 바와 같이, 주로 굴곡부(2)의 플랜지부(1a, 1a)에 큰 인장 응력이 발생하고, 또한, 굴곡부(2)의 펀치 바닥[천장판부(1c)]에는 큰 압축 응력이 발생한다. 이들 인장-압축의 응력이 드라이빙 포스가 되어, 굴곡부(2)를 기점으로 한 길이 방향의 제품의 큰 처짐이 일어나, 제품의 형상 정밀도가 악화되게 된다.
따라서, 본 발명자는, 상기 인장-압축 응력 밸런스를 극소로 하기 위해 예의 검토하여, 도 5에 도시한 바와 같이, 프레스 성형을 2단계로 하는 것에 상도했다. 도 5는, 본 실시 형태의 단면 모자형 부재의 성형 방법에 있어서의 도 1의 I-I 단면에서의 성형 상태를 도시하는 도면이다. 또한, 도 5에 있어서, 부호 6은 다이스(4) 및 강판(3)의 다이스 견부를 나타낸다. 또한, 도 6은, 본 실시 형태의 단면 모자형 부재의 성형 방법의 수순을 나타내는 흐름도이다.
최종 형상을 얻기 위한 다이스(4)의 다이스 견부 반경을 R0[mm]로 한다. 제1 단계의 성형에 있어서, 다이스 견부 반경 R0[mm]보다도 큰 다이스 견부 반경 R1[mm]을 갖는 다이스(4)에 의해 성형하고(스텝 S101), 굴곡부(2)의 플랜지부(1a, 1a)에 인장 응력만이 작용하도록 한다. 도 5의 상태 a는 제1 단계 종료시의 강판(3)을 나타낸다. 다이스 견부 반경 R1은, 바람직하게는 1.1R0 이상이고, 3.5R0 이하의 범위로 설정한다. 다이스 견부 반경 R1을 3.5R0 이하로 한 것은, 다이스 견부 반경 R1이 지나치게 크면, 성형품에 주름 생기기 쉬워지는 경향이 있기 때문이다.
계속해서, 제 2단계의 성형에 있어서, 도 5의 상태 b, 상태 c에 도시한 바와 같이, 다이스 견부 반경 R0[mm]의 다이스(4)에 의해 최종 형상으로 성형한다(스텝 S102).
제1 단계 및 제2 단계 모두 펀치 폭은 동일한 것으로 한다. 또한, 제1 단계의 성형에서, 다이스 견부 반경 R1은, 굴곡부(2)를 포함해 길이 방향의 전역에 걸쳐 적용하는 것이 바람직하지만, 일부, 예를 들어 굴곡부(2) 근방에만 적용할 수도 있다.
도 4b는, 본 실시 형태의 단면 모자형 부재의 성형 방법에 의한, 도 1의 I-I 단면에서의 단면 모자형 부재의 성형에 있어서의 스프링 백의 원인 응력의 분포를 도시하는 도면이다. 프레스 성형을 2단계로 함으로써, 굴곡부(2)의 플랜지부(1a, 1a)에 있어서의 인장 응력이, 도 4a에 도시하는 플랜지부(1a, 1a)의 인장 응력에 비교해서 극단적으로 적게 되어 있고, 최종 형상에서는, 플랜지부(1a, 1a)에서는 압축 방향으로 완화된 응력이 작용함으로써 인장-압축의 응력 밸런스를 극소화할 수 있다. 이러한 성형 방법을 취함으로써, 굴곡부(2)의 플랜지부(1a, 1a)에 발생하는 인장 응력을 압축 방향으로 시정하여, 길이 방향의 스프링 백에 의한 처짐을 대폭 저감시키는 것이 가능하게 된다.
실시예
도 1에 도시한 바와 같이, 길이 500[mm], 모자 헤드부 폭(천장판부 폭) 40[mm], 플랜지부(1a, 1a)의 에지 간의 폭 100[mm], 종벽부 길이 50[mm]의 단면 모자형 부재(1)를, 길이 방향의 중앙부에서 반경 Rb:300[mm]의 굴곡부(2: 굽힘 각도: 약 170[°])를 갖도록 성형 가공을 했다.
본 발명 예에서는, 도 5의 상태 a에 도시한 제1 단계의 성형에서, 굴곡부(2)의 다이스 견부 반경 R1[mm]을, 다이스 견부 반경 R0:8[mm]의 1.25배인 1.25R0:10[mm]로 크게 성형해서 플랜지부(1a, 1a)에 인장 응력을 작용시켰다. 계속해서, 도 5의 상태 b에 도시한 바와 같이, 펀치 폭은 제1 단계와 동일하고, 다이스 견부 반경 R0:8[mm]의 다이스(4)를 사용하여, 플랜지부(1a, 1a)에 발생하는 인장 응력을 압축 방향으로 시정하는 성형 가공을 했다.
마찬가지로, 다른 본 발명 예에서는, 도 5의 상태 a에 도시한 제1 단계의 성형에서, 굴곡부(2)의 다이스 견부 반경 R1[mm]을, 다이스 견부 반경 R0:8[mm]의1.5배인 1.5R0:12[mm]로 크게 성형해서 플랜지부(1a, 1a)에 인장 응력을 작용시켰다. 계속해서, 도 5의 상태 b에 도시한 바와 같이, 펀치 폭은 제1 단계와 동일하고, 다이스 견부 반경 R0:8[mm]의 다이스(4)를 사용하여, 플랜지부(1a, 1a)에 발생하는 인장 응력을 압축 방향으로 시정하는 성형 가공을 했다.
한편, 비교예로서, 다이스 견부 반경 R:8[mm]인 다이스(4)를 사용하여, 종래의 방법과 같이 1단계로 성형 가공했다.
그 결과, 도 7에 도시한 바와 같이, 비교예에서는 스프링 백량이 약 4.42[mm]까지 달하여 매우 컸다. 그에 대하여, 제1 단계의 성형에서 굴곡부(2)의 다이스 견부 반경 R1[mm]을 1.5R0:12[mm]로 한 본 발명 예에서는 약 2.96[mm]가 되어, 약 33％나 개선된다는 놀라운 효과를 달성할 수 있었다.
표 1에, 다이스 견부 반경의 비 R1/R0과, 스프링 백량의 관계를 나타낸다. 표 1에 나타낸 바와 같이, R1/R0=1인 경우, 즉 종래의 방법과 같이 1단계로 성형 가공한 경우에 비하여, R1/R0을 크게 함으로써, 스프링 백량을 저감시킬 수 있었다. R1/R0을 크게 하면 스프링 백량도 줄지만, R1/R0=3.8인 경우와 같이 다이스 견부 반경 R1이 3.5R0을 초과하면, 성형 불량이 발생했다.
Figure pct00001
이상, 본 발명을 여러 가지 실시 형태와 함께 설명했지만, 본 발명은 이들 실시 형태에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 범위 내에서 변경 등이 가능하다. 예를 들어, 상기 실시 형태에서는 프레스 성형을 2단계로 하는 예를 설명했지만, 3단계 이상으로 해도 좋다. 즉, 다이스 견부 반경 R0보다도 큰 다이스 견부 반경 R1을 갖는 다이스에 의해 복수 회의 성형을 한다. 이 경우, 다이스 견부 반경 R1은, 다이스 견부 반경 R0을 초과하지 않는 범위에서 순서대로 작게 해 간다. 그 후, 다이스 견부 반경 R0의 다이스에 의해 성형한다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 플랜지부(1a, 1a)를 외측으로 해서[즉, 천장판부(1c)를 내측으로 해서] 연직 방향으로 굴곡시키는 예를 설명했지만, 천장판부(1c)를 내측으로 해서 비스듬히 상방으로 굴곡시키는 경우에도 본 발명을 적용하는 것이 가능하다. 즉, 천장판부(1c)를 내측으로 해서 연직 방향의 성분을 포함하도록 굴곡시키는 경우에 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 길이 방향으로 수직한 단면의 형상이 일단의 모자형인 부재를 예로 들어 설명했지만, 예를 들어 도 8a, 도 8b에 도시한 바와 같은 다단의 모자형인 금속 부재에도 본 발명은 적용하는 것이 가능하다. 또한, 예를 들어 도 8c에 도시한 바와 같은 길이 방향으로 수직한 단면에 있어서 양측의 종벽부(1b, 1b)와 천장판부(1c)가 원활하게 연속하는 것 같은 형상의 금속 부재에도 본 발명은 적용하는 것이 가능하다.
<산업상 이용가능성>
본 발명은, 예를 들어 자동차 차체의 구조용 부재에 사용되는 단면 모자형 부재 등, 길이 방향으로 수직한 단면에서 종벽부와 상기 종벽부에 연결되는 플랜지부를 가짐과 함께, 상기 플랜지부를 외측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 굴곡부를 갖는 금속 부재에 있어서, 길이 방향의 스프링 백에 의한 처짐을 대폭 저감시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 펀치와 다이스를 사용하여, 길이 방향으로 수직한 단면에서, 양측의 종벽부와, 상기 양측의 종벽부 중 적어도 한쪽에 연결되는 플랜지부를 가짐과 함께, 상기 플랜지부를 외측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 굴곡부를 갖는 금속 부재를 성형하는 방법이며,
    상기 금속 부재의 최종 형상을 얻기 위한 다이스의 다이스 견부 반경을 R0으로 하고, 상기 다이스 견부 반경 R0보다도 큰 다이스 견부 반경 R1을 갖는 다이스에 의해 1회 또는 복수 회 성형을 한 후, 상기 다이스 견부 반경 R0의 다이스에 의해 성형하는 것을 특징으로 하는, 형상 동결성이 우수한 금속 부재의 성형 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다이스 견부 반경 R1을 1.1R0 이상이고, 3.5R0 이하의 범위로 설정하는 것을 특징으로 하는, 형상 동결성이 우수한 금속 부재의 성형 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 부재는, 길이 방향으로 수직한 단면에서, 양측의 종벽부와, 상기 양측의 종벽부 중 적어도 한쪽에 연결되는 플랜지부와, 상기 종벽부에 연결되는 천장판부를 가짐과 함께, 상기 플랜지부를 외측으로 해서 길이 방향으로 굴곡시킨 굴곡부를 갖는 것을 특징으로 하는, 형상 동결성이 우수한 금속 부재의 성형 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 금속 부재는 단면 모자형 부재인 것을 특징으로 하는, 형상 동결성이 우수한 금속 부재의 성형 방법.
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