KR20160067271A - 테일러 롤드 블랭크를 이용한 구성부재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 TRB를 이용한 구성부재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 서로 상이한 강도의 제1부분과 제2부분을 가진 블랭크를 준비하는 공정; 블랭크로 모서리를 가진 제1부재를 성형하는 공정을 포함하고, 제1부재를 성형하는 공정에서는, 제1부재의 모서리들 중 적어도 하나의 모서리에 제1부분보다 강도가 높은 제2부분이 위치하도록 하여 성형함으로써, 강성과 더불어 에너지 흡수 능력 및 충돌 성능을 향상시킨 구성부재를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

테일러 롤드 블랭크를 이용한 구성부재 및 그 제조방법{STRUCTURAL MEMBER USING TAILOR ROLLED BLANK AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은 테일러 롤드 블랭크(Tailor Rolled Blank; 이하 TRB라 함)를 이용한 구성부재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 TRB 기술을 이용하여, 국부적으로 변형이 집중되는 부분의 강성을 증대시킬 수 있도록 된 구성부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차의 차체는 강판으로 성형된 다수의 구성부재를 용접 등에 의해 소정의 형상으로 조합하여 접합함으로써 구성된다. 이러한 구성부재로는, 예를 들면 프론트 사이드 멤버, 범퍼 리인포스먼트, 프론트 크래쉬 박스, 프론트 어퍼 레일, 사이드 실, 플로어 크로스 멤버, 플로어 패널, 센터 필러, 루프 레일 사이드, 리어 사이드 멤버, 리어 크래쉬 박스 등이 있다. 이들 구성부재는 요구되는 강성을 확보하기 위해서 단일 또는 복수의 성형된 부재, 예를 들면 프레스 성형된 부재 또는 롤 성형된 부재로 구성될 수 있다.

여기서 성형된 부재는 판 형상의 소재를 적절한 굽힘 성형 수단으로 성형된 모서리를 갖는 부재를 말한다. 즉, 성형된 부재는 하나의 면과 다른 하나의 면을 연결하는 모서리를 갖고 있으며, 이에 의해 구성부재의 강성을 높일 수 있다.

이들 구성부재의 강성이나 충돌 성능을 향상시키는 방법으로는 부재를 구성하는 소재의 두께, 강도 등을 변경하여 요구 성능을 만족시킨다. 소재를 변경하는 방법은 가장 기본적이며 손쉬운 방법이지만, 강성이나 충돌 성능을 향상시키기 위하여 두께를 증가시키는 방법은 중량의 증가를 가져오게 되고, 강도 변경은 부재의 성형성, 용접성 등의 문제와 얽혀있어 복잡하다.

한편, 자동차용 구성부재의 강성이나 충돌 성능을 향상시키는 방법으로 TRB 기술이 많이 활용되고 있다. TRB 기술은 강판 제조 공정에서 최종 제품에 사용될 두께 분포를 고려하여 압연 롤러의 가압력을 변경함으로써 블랭크를 제작하는 기술이다.

TRB를 제조하는 방법으로는 소재의 길이방향을 따라 두께 차이를 부여하는 방식과 폭방향을 따라 두께 차이를 부여하는 방식이 있다.

TRB 기술을 충돌부재에 적용하면 중량의 절감 효과와 동시에 강성이나 충돌 성능의 향상 효과를 얻을 수 있다. 특히, 축 하중을 받는 사각관과 같은 구조물은 소성변형률이 사각관의 모서리 부분에 집중되고 있기 때문에, 국부적으로 소성변형률이 높은 사각관의 모서리 부분의 강성을 증대한다면 사각관의 충돌 에너지 흡수능이 증대될 수 있을 것으로 기대된다.

이에 본 발명은 축 방향 하중을 받는 구성부재의 붕괴 거동을 고려하여 모서리에 TRB 기술을 적용함으로써 강성과 더불어 에너지 흡수 능력 및 충돌 성능을 향상시킬 수 있는 구성부재 및 그 제조방법을 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

본 발명에 따른 구성부재의 제조방법은, 서로 상이한 강도의 제1부분과 제2부분을 가진 블랭크를 준비하는 공정; 상기 블랭크로 모서리를 가진 제1부재를 성형하는 공정을 포함하고, 상기 제1부재를 성형하는 공정에서는, 상기 제1부재의 모서리들 중 적어도 하나의 모서리에 상기 제1부분보다 강도가 높은 상기 제2부분이 위치하도록 하여 성형하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 구성부재의 제조방법에서, 상기 블랭크를 준비하는 공정은, 상기 제1부분보다 두께가 두꺼운 상기 제2부분을 갖도록 소재를 압연하여 테일러 롤드 블랭크를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 구성부재의 제조방법에서, 상기 제1부재의 길이방향을 따라 연장한 선단들을 서로 용접으로 접합하거나, 상기 길이방향으로 연장한 선단들에 제2부재를 용접으로 접합하여, 관 형상의 부재를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 구성부재는 모서리를 가진 구성부재로서, 상기 구성부재는 블랭크로 성형되며, 상기 모서리들 중 적어도 하나의 모서리는 나머지 부분과 강도가 상이한 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 축 방향 하중을 받는 구성부재의 붕괴 거동을 고려하여 강성 보강이 필요한 모서리를 TRB 기술로 보강함으로써, 강성과 더불어 에너지 흡수 능력 및 충돌 성능을 향상시킬 수 있는 구성부재를 제공할 수 있는 효과가 있게 된다.

이에 따라 궁극적으로 제품의 상품성을 증대시키고 고객의 니즈에 적합한 최적의 부품을 공급할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1a는 본 발명의 한 실시예에 따른 제조방법의 공정들을 순차적으로 도시한 개략도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제조방법의 공정들을 순차적으로 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제조방법으로 만들어진 구성부재의 한 예를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제조방법으로 만들어진 구성부재의 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제조방법으로 만들어진 구성부재의 또 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명과 종래의 비대칭 모자형 사각관에 대하여 충돌 성능을 비교한 그래프들이다.
도 6은 본 발명과 종래의 대칭 모자형 사각관에 대하여 충돌 성능을 비교한 그래프들이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 구성부재의 제조방법은, 서로 상이한 강도의 제1부분과 제2부분을 가진 블랭크를 준비하는 공정; 이 블랭크로 모서리를 가진 제1부재를 성형하는 공정을 포함하고, 제1부재를 성형하는 공정에서는, 제1부재의 모서리들 중 적어도 하나의 모서리에 제1부분보다 강도가 높은 제2부분이 위치하도록 하여 성형하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 상기 블랭크가 TRB인 것을 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 테일러 웰디드 블렝크(Tailor Welded Blank)가 적용될 수 있다.

도 1a는 본 발명의 제1실시예에 따른 제조방법의 공정을 순차적으로 도시한 개략도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 제조방법은, 소재(15)의 길이방향을 따라 두께 차이를 부여하도록 압연하여 TRB(13)를 형성하는 공정; 및 TRB(13)로 모서리를 가진 제1부재(10)를 성형하는 공정을 포함하고, 모서리들 중 적어도 하나의 모서리에 상대적으로 두께가 두꺼운 제2부분(12)이 위치하는 것을 특징으로 한다. 미설명부호 11은 상대적으로 두께가 얇은 제1부분을 표시한다.

본 발명의 제1실시예에 따른 제조방법은, 먼저 소재(15)가 언코일링되면서 상부롤(1)과 하부롤(2) 사이를 통과한다. 상부롤(1)과 하부롤(2) 사이의 간격은 압연 과정에서 조정이 가능하다. 이에 따라, 소재(15)가 상부롤(1)과 하부롤(2) 사이를 지나가는 도중에 간격을 조정하게 되면 소재(15)의 길이방향(소재의 진행방향)으로 이종의 두께 및 강도를 갖는 TRB(13)가 형성된다.

도 1b는 본 발명의 제2실시예에 따른 제조방법의 공정을 순차적으로 도시한 개략도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 제조방법은, 소재(15)의 폭방향을 따라 두께 차이를 부여하도록 압연하여 TRB(13)를 형성하는 공정; 및 TRB(13)로 모서리를 가진 제1부재(10)를 성형하는 공정을 포함하고, 모서리들 중 적어도 하나의 모서리에 상대적으로 두께가 두꺼운 제2부분(12)이 위치하는 것을 특징으로 한다. 미설명부호 11은 상대적으로 두께가 얇은 제1부분을 표시한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 제조방법은, 소재(15)가 상부롤(1)과 하부롤(미도시) 사이를 통과한다. 여기서, 상부롤(1)과 하부롤 중 적어도 하나는 소재(15)의 폭보다 짧은 길이를 갖는다. 또한, 소재의 폭보다 짧은 길이를 가진 상부롤(1) 또는 하부롤은 복수개로 마련되어, 서로 측방(소재의 폭방향)으로 소정의 간격을 두고 이격된 채로 회전할 수 있게 되어 있다.

혹은, 상부롤(1)과 하부롤 중 적어도 하나는 외주면에 적어도 하나의 볼록부 또는 오목부를 갖도록 그 길이방향으로 단차진 형상을 가질 수 있다. 경우에 따라서는 하부롤이 생략되고 하부지지부가 구비될 수도 있다.

이에 따라, 소재(15)가 상부롤과 하부롤 사이를 지나가기만 하면 소재(15)의 폭방향으로 이종의 두께 및 강도를 갖는 TRB(13)가 형성되게 된다.

전술한 바와 같이 롤들을 통과하여 TRB 형성 공정이 완료된 언코일링 상태의 소재는 다시 권취되어 TRB 코일(미도시)로 될 수도 있다.

소재(15)는 예컨대 강재와 같은 금속 소재일 수 있다. 또, 이러한 소재(15)는 단일 강종과 같이 동일한 조성물이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 이종 두께를 갖는 TRB(13)를 정해진 치수로 재단하여 절단한다. 절단시, 고강도가 요구되는 부분은 상대적으로 두꺼운 두께가 필요하기 때문에, TRB(13) 중 두께가 두꺼운 제2부분(12)은 구성부재에서 강성이 요구되는 부분에 대응하는 위치에 배치되도록 고려하여 절단한다. 예를 들면, 축 하중을 받는 사각관과 같은 구성부재는 소성변형률이 모서리 부분에 집중되고 있으므로, 보다 두께가 두꺼운 제2부분(12)은 가장 큰 강성이 요구되는 모서리에 대응하도록 배치한다.

하지만, 절단 공정은 소재(15)가 언코일링되면서 절단될 수도 있다. 그 후에 TRB(13)를 형성하는 공정이 수행될 수 있다. 또, 두께가 두꺼운 제2부분(12)의 배치는 이에 한정되지 않고, 구성부재가 적용될 구조물의 특성에 따라 강성이 요구되는 위치에 적절히 배치할 수 있다.

이렇게 형성된 TRB(13)는 도 1a 또는 도 1b에 도시된 바와 같이 롤 포밍 장치 또는 프레스 장치를 통해 소정의 형상을 가진 제1부재(10)로 성형되게 된다. 이로써, 본 발명에 따른 구성부재가 완성되게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 구성부재는 모서리를 가진 구성부재로서, TRB(13)로 성형되며, 모서리들 중 적어도 하나의 모서리는 나머지 부분보다 두께가 두꺼운 것을 특징으로 한다.

추가로, 본 발명에 따른 구성부재의 제조방법은, 제1부재(10)의 길이방향을 따라 연장한 선단들을 서로 용접으로 접합하거나, 길이방향을 따라 연장한 선단들에 제2부재(20, 30)를 용접으로 접합하여, 관 형상의 부재를 형성하는 공정을 포함할 수 있다. 이들 선단은 용접의 편의성과 신뢰성을 향상시키기 위해 절곡되는 것이 좋다.

보다 구체적으로, 제1부재(10)의 길이방향을 따라 연장한 선단들만 서로 접합할 때에는 맞대기 용접을 하게 되는데, 이때 서로 맞대어지는 양측 표면이 단차지지 않도록 일치시킨 후 용접한다.

혹은, 제1부재(10)의 길이방향을 따라 연장한 선단들에 클로징 플레이트로 된 제2부재(20)를 놓고서 점용접, 레이저용접, 본딩 등으로 접합할 수 있다. 이러한 접합에 의해 도 2 또는 도 3에 도시된 바와 같은 관 형상의 부재가 완성되는 것이다. 이하에서는 이러한 형상의 부재를 비대칭 모자형 사각관(100, 100')이라 칭한다.

도 2에 도시된 비대칭 모자형 사각관(100)은 모서리들 중 적어도 하나의 모서리만 상대적으로 두께가 두꺼운 제2부분(12)이 적용되고, 나머지 부분은 얇은 제1부분(11)으로 구성된 한 예를 나타낸다. 한편, 도 3에 도시된 비대칭 모자형 사각관(100')은 모든 모서리들에만 상대적으로 두께가 두꺼운 제2부분(12)이 적용되고, 나머지 평탄부에는 얇은 제1부분(11)으로 구성된 예를 나타낸다.

또는, 제1부재(10)의 길이방향을 따라 연장한 선단들에 이 제1부재와 동일하거나 유사한 형상으로 된 제2부재(30)를 서로 마주보게 위치시킨 후 만나는 선단들을 용접으로 접합할 수 있다. 이러한 접합에 의해 도 4에 도시된 관 형상의 부재가 완성되게 된다. 이하에서는 이러한 형상의 부재를 대칭 모자형 사각관(200)이라 칭한다.

본 발명에 따른 제조방법이 적용된 구성부재의 성능 검증을 위하여 도 2 내지 도 4에 도시된 각 모델에 대하여 충돌해석을 수행하였다. 비교 방법은 TRB를 적용하지 않은 종래의 모델과 본 발명에 따른 제조방법이 적용된 모델을 동일한 치수와 중량, 및 예컨대 자동차 구조용 강판과 같은 동일한 소재로 제조한 경우에 충돌 성능의 향상 정도를 비교하였다.

도 5는 본 발명과 종래의 비대칭 모자형 사각관에 대하여 충돌 성능을 비교한 그래프들이다. (a)는 본 발명의 모델들과 종래의 모델의 변위에 따른 흡수 에너지를 비교하여 도시한 그래프이고, (b)는 변위에 따른 평균하중을 비교하여 도시한 그래프이다. 여기서, "본 발명-1"은 도 2에 도시된 비대칭 모자형 사각관(100)이고, "본 발명-2"는 도 3에 도시된 비대칭 모자형 사각관(100')이다.

동일 조건하에서, 비대칭 모자형 사각관의 모서리에 TRB 기술을 적용하여 강성을 증대시키면 평균하중이 최대 약 35%까지 상승하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 비대칭 모자형 사각관 중 모든 모서리에 제2부분(12)이 배치된 도 3의 비대칭 모자형 사각관(100'), 즉 "본 발명-2"의 경우에는, 충돌 에너지를 안정적으로 흡수할 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 종래의 모델은 물론, 도 2의 모델, 즉 "본 발명-1"보다도 강성이 더욱 보강되었기 때문에, 충격 하중을 훨씬 더 우수하게 견딜 수 있게 된 것이다.

도 6은 본 발명과 종래의 대칭 모자형 사각관에 대하여 충돌 성능을 비교한 그래프들이다. (a)는 본 발명의 모델과 종래의 모델의 변위에 따른 흡수 에너지를 비교하여 도시한 그래프이고, (b)는 변위에 따른 평균하중을 비교하여 도시한 그래프이다.

동일 조건 하에서, 대칭 모자형 사각관의 모서리에 TRB 기술을 적용하여 강성을 증대시키면 본 발명의 대칭 모자형 사각관(200)에서 평균하중이 약 18% 상승하는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 구성부재는 국부적인 변형이 집중적으로 발생하는 예컨대 모서리 부분에 대하여 압축하중 방향과 최종 제품의 형상이 고려되어, 상대적으로 두께가 두꺼운 부분이 적용됨으로써, 더 높은 강성을 갖게 됨과 동시에 흡수할 수 있는 충돌 에너지가 크다는 강점을 얻게 되는 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 제1부재 11: 제1부분
12: 제2부분 13: TRB
15: 소재 20, 30: 제2부재

Claims (12)

1. 서로 상이한 강도의 제1부분과 제2부분을 가진 블랭크를 준비하는 공정;
   상기 블랭크로 모서리를 가진 제1부재를 성형하는 공정
   을 포함하고,
   상기 제1부재를 성형하는 공정에서는, 상기 제1부재의 모서리들 중 적어도 하나의 모서리에 상기 제1부분보다 강도가 높은 상기 제2부분이 위치하도록 하여 성형하는 구성부재의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 블랭크를 준비하는 공정은, 상기 제1부분보다 두께가 두꺼운 상기 제2부분을 갖도록 소재를 압연하여 테일러 롤드 블랭크를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구성부재의 제조방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 테일러 롤드 블랭크를 형성하는 공정에서는, 상기 소재의 길이방향을 따라 두께 차이를 부여하도록 압연하는 것을 특징으로 하는 구성부재의 제조방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 테일러 롤드 블랭크를 형성하는 공정에서는, 상기 소재의 폭방향을 따라 두께 차이를 부여하도록 압연하는 것을 특징으로 하는 구성부재의 제조방법.
5. 제2항에 있어서,
   상기 소재 또는 상기 테일러 롤드 블랭크를 절단하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구성부재의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1부재는 롤 포밍 장치 또는 프레스 장치에 의해 성형되는 것을 특징으로 하는 구성부재의 제조방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1부재의 길이방향을 따라 연장한 선단들을 서로 용접으로 접합하거나, 상기 길이방향을 따라 연장한 선단들에 제2부재를 용접으로 접합하여, 관 형상의 부재를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구성부재의 제조방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제2부재는 클로징 플레이트이고,
   상기 제1부재의 길이방향을 따라 연장한 선단들을 절곡하여 상기 제2부재와 접합하는 것을 특징으로 하는 구성부재의 제조방법.
9. 제7항에 있어서,
   상기 제2부재는 상기 제1부재와 동일하거나 유사한 형상으로 되고,
   상기 제1부재와 상기 제2부재를 서로 마주보게 위치시킨 후 만나는 길이방향을 따라 연장한 선단들을 용접으로 접합하는 것을 특징으로 하는 구성부재의 제조방법.
10. 모서리를 가진 구성부재로서,
    상기 구성부재는 블랭크로 성형되며,
    상기 모서리들 중 적어도 하나의 모서리는 나머지 부분과 강도가 상이한 구성부재.
11. 제10항에 있어서,
    상기 블랭크는 제1부분보다 두께가 두꺼운 제2부분을 갖도록 압연하여 형성된 테일러 롤드 블랭크이고,
    상기 모서리들 중 적어도 하나의 모서리에는 상기 제2부분이 위치하는 것을 특징으로 하는 구성부재.
12. 제10항에 있어서,
    상기 구성부재는 관 형상인 것을 특징으로 하는 구성부재.

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