KR20160149349A

KR20160149349A - 하이드로포밍 장치를 이용한 분기형 파이프의 성형방법

Info

Publication number: KR20160149349A
Application number: KR1020150085907A
Authority: KR
Inventors: 김갑수; 최보성
Original assignee: 삼원동관 주식회사; 최보성
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2016-12-28

Abstract

본 발명은 동과 같은 연성이 강한 소재의 Y형 또는 T형 연결관 형태의 분기형 파이프를 하이드로포밍 공법을 사용하여 제작시 분기형 파이프의 좌굴 현상을 방지할 뿐만 아니라 분기형 파이프의 표면에 크랙이 발생하는 현상을 방지할 수 있도록 하는 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치를 제시한다.

Description

압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치{Hydroforming count punch apparatus}

본 발명은 하이드로포밍 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연성이 강한 소재를 이용하여 Y형 파이프 또는 T형 파이프 등과 같은 분기형 파이프를 하이드로포밍 장치로 성형할 때 균일한 품질의 제품을 생산할 수 있도록 하는 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 차량이나 건설 현장에서 많이 사용되고 있는 분기형 파이프(예를 들어, Y형 파이프 또는 T형 파이프)의 경우 그 제작에 어려움 점이 있었다. 최근의 하이드로포밍(Hydroforming, 액압성형) 방식은 이러한 강 관재의 성형에 좀더 자유로운 설계도를 부여하여 강도향상과 경량화 및 성형성 향상의 결과를 가져다주었다. 하이드로포밍 방식의 성형은 파이프 외부에 원하는 모형의 금형을 설치한 뒤 파이프 내부에 높은 수압을 가해 원하는 모양의 관형 제품을 생산하는 공법이다.

특히, 하이드로포밍을 이용한 파이프의 성형은 Y형 파이프나 T형 파이프 등과 같이 분기가 필요한 파이프의 성형에도 적용될 수 있다. 분기형 파이프의 경우는 차량의 배기 라인 형성에 많이 쓰이는데, 그러한 배기 라인의 경우에는 적절한 강도와 내식성 및 경량화가 요구된다.

그러나, 하이드로포밍에 의한 분기형 파이프의 성형은 분기파이프의 성형시 분기형 파이프가 좌굴되거나 끝부분에 크랙이 발생하여 터지는 문제점이 있어 실용화에 어려운 면이 있었다. 뿐만 아니라 동과 같이 연성이 강한 소재의 Y형 또는 T형 연결관 형태의 제품(분기형 파이프)을 하이드로포밍 공법을 사용하여 제작시 카운터 펀치(count punch)의 역할이 매우 중요한데, 종래에는 하이드로포밍 성형 중에 수동으로 카운터 펀치를 작동(예를 들어, 카운터 펀치의 상단부에 스프링을 장착하여 수압에 의해 카운터 펀치가 스프링을 압축하면서 위쪽으로 상승하는 동작)시켰으며, 이로 인해 카운터 펀치의 작동이 정밀하지 않아 분기형 파이프의 터짐 현상이 발생하는 등 품질에 악영향을 주었다.

따라서 분기형 파이프를 성형함에 있어 하이드로포밍 공법을 적용하기 위하여는, 분기되는 파이프 부분의 좌굴을 방지하면서도 카운터 펀치를 정밀하게 작동시켜 분기형 파이프에 크랙이 발생하는 현상을 억제할 필요가 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

공개특허공보 공개번호 제10-2014-0134356호(발명의 명칭: 하이드로 성형방법을 활용한 에어컨 설치용 분지관 성형 방법 및 상기 방법으로 성형된 분지관. 공개일자: 2014년 11월 24일) 공개특허공보 공개번호 제10-2014-0039624호(발명의 명칭: 하이드로포밍 장치. 공개일자: 2014년 04월 02일) 공개특허공보 공개번호 제10-2011-0064521호(발명의 명칭: 하이드로포밍 금형장치 및 이를 이용한 하이드로포밍 금형방법. 공개일자: 2011년 06월 15일) 공개특허공보 공개번호 제10-2011-0107921호(발명의 명칭: 하이드로포밍 튜브의 펀치장치. 공개일자: 2011년 10월 05일) 공개특허공보 공개번호 제10-2011-0106630호(발명의 명칭: 하이드로포밍 금형 및 금형 장치. 공개일자: 2011년 09월 29일)

본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하이드로포밍 성형 작업시 수압을 감지하여 카운터 펀치를 자동으로 작동시켜 하이드로포밍 제품의 품질 문제를 해결할 수 있도록 하는 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 통상의 상부금형과 하부금형으로 구성되며, 상기 상부금형과 하부금형에는 피딩 펀치를 가지는 구동실린더가 설치되고, 상기 피딩 펀치의 일측단에는 상기 금형에 밀착되어 금형 내부를 밀폐시키기 위한 홀더가 설치되며, 상기 피딩 펀치의 중심에는 상기 금형 내부로 수압을 유입시키기 위한 분사노즐이 설치되고, 상기 상부금형에는 분기형 파이프를 성형하기 위한 분기형 성형구멍이 형성되며, 상기 분기형 성형구멍에는 카운터 펀치가 설치되어 구성된 통상의 하이드로포밍 장치에 있어서, 상기 피딩 펀치에는 상기 금형 내부로 유입되는 수압을 측정하는 압력센서가 설치되며, 상기 상부금형의 상단부에는 상기 금형 내부에서 분기형 파이프로 성형되는 과정 중에 상기 카운트 펀치를 위로 상승시키기 위한 유압실린더가 설치되며, 상기 압력센서에 의해 측정된 수압에 응답하여 상기 유압실린더를 제어하는 컨트롤러를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 연성이 강한 소재를 이용하여 Y형 파이프 또는 T형 파이프 등과 같은 분기형 파이프를 하이드로포밍 장치로 성형할 때, 분기형 파이프의 좌굴 현상을 방지함은 물론 분기형 파이프에 크랙이 발생하는 현상을 방지할 수 있으며, 이로 인해 하이드로포밍 제품의 품질을 균일하게 유지할 수 있고 제품의 불량률을 낮출 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른, 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치의 구성을 보여주고 있는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른, 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치의 동작상태를 순차적으로 보여주고 있는 도면이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른, 하이드로포밍 공법으로 분기형 파이프를 성형하는 과정을 보여주고 있는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른, 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치의 성형 공정을 순차적으로 보여주고 있는 도면이다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 후술 될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 한 개의 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다.

본 발명에서는 동과 같은 연성이 강한 소재의 Y형 또는 T형 연결관 형태의 분기형 파이프를 하이드로포밍 공법을 사용하여 제작시 분기형 파이프의 좌굴 현상을 방지할 뿐만 아니라 분기형 파이프의 표면에 크랙이 발생하는 현상을 방지할 수 있도록 하는 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치를 구현하고자 한다.

이를 위해서는, 하이드로포밍 장치에 있어서 카운터 펀치(count punch)의 역할이 매우 중요한데, 본 발명에서는 카운터 펀치를 종래와 같이 수동으로 조작하지 않고 Axial 실린더에 압력센서를 부착하여 하이드로포밍 성형시에 자동으로 카운터 펀치를 작동시키는 기술적 구성 및 방법이 상세히 개시되어야 한다.

하기에서는, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른, 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치에 대한 기술적 구성 및 방법을 각 도면을 참조하여 구체적으로 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른, 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치의 구성을 보여주고 있는 도면이다. 본 발명에 따른 카운터 펀치 자동조절장치는 연성이 강한 소재의 Y형 또는 T형 연결관 형태의 분기형 파이프를 하이드로포밍 공법을 사용하여 성형시에 분기형 파이프의 좌굴 현상 및 분기형 파이프의 표면에 크랙이 발생하거나 터짐 현상이 발생하는 것을 방지하기 위하여 구동실린더에는 압력센서를 장착하고 상부금형에는 카운터 펀치를 작동시키는 유압실린더를 장착함으로써 본 발명에서 구현하고자 하는 기술적 사상을 달성할 수 있다.

상기 도 1을 참조하면, 본 발명에서 제시하는 카운터 펀치 자동조절장치는 통상적인 하이드로포밍 공법에 적용되며, 구체적으로는 상부금형(10)과 하부금형(12) 및 구동실린더(Axial Cylinder: 14)로 구성된 통상의 하이드로포밍 장치에 설치된다. 상기 구동실린더(14)는 상부금형(10)과 하부금형(12) 사이에 삽입되는 피딩 펀치(18)를 구성하며, 상기 피딩 펀치(18)는 구동실린더(10)의 작동에 따라 금형(10,12) 내부에서 전/후 방향으로 이동한다. 상기 피딩 펀치(18)의 일측단에서는 상기 금형(10,12)의 끝부분에 밀착되어 금형(10,12) 내부를 밀폐시키기 위한 홀더(16)가 설치되며, 상기 피딩 펀치(18)의 중심에는 금형(10,12) 내부로 수압을 유입시키기 위한 분사노즐(20)이 설치된다. 이와 같은 기술적 구성은 하이드로포밍 장치에 있어서 일반적인 구성이므로 본 발명에서는 하이드로포밍 장치에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에서 구현하고자 하는 자동조절장치는 압력센서(50)와 컨트롤러(60) 및 유압실린더(80)로 구성되며, 압력센서(50)는 전술한 구동실린더(14)의 피딩 펀치(18)에 설치된다. 상기 압력센서(50)는 분사노즐(20)을 통해 금형(10,12) 내부로 유입되는 수압을 감지하고, 상기 감지된 수압을 계속해서 컨트롤러(60)로 전송한다. 상기 컨트롤러(60)는 압력센서(50)로부터 전송되는 수압 상태에 응답하여 유압실린더(80)를 작동시키게 되는데, 이와 같은 제어 동작은 후술하는 도 2의 상세 설명에 의해 용이하게 이해될 것이다.

본 발명의 유압실린더(80)는 컨트롤러(60)와 전기적으로 연결되며, 상기 컨트롤러(60)의 제어동작에 따라 구동하게 된다. 상기 유압실린더(80)는 상부금형(10)의 상단부 설치되는데, 구체적으로는 상기 상부금형(10)에 형성된 분기관 성형구멍(10a) 바로 위에 설치된다. 이때 상기 유압실린더(80)의 피스톤(90)에는 카운터 펀치(70)가 연결되며, 상기 카운터 펀치(70)는 상부금형(10)의 분기관 성형구멍(10a) 내부에 위치하게 된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 다양한 실시 예에 따른, 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치의 동작상태를 도 2 내지 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하고자 한다.

먼저, 도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 상부금형(10)과 하부금형(12) 사이에 분기형 파이프를 성형하기 위한 소재(A)를 삽입하고, 상기 금형(10,12) 양측으로 구동실린더(14)를 장착한다. 이때 상기 구동실린더(14)의 피딩펀치(18)는 금형(10,12)의 내부에 삽입되며, 구동실린더(14)의 홀더(16)는 상기 금형(10,12)의 양끝에 접촉되어 금형(10,12) 내부를 완전히 밀폐시킨다.

이후, 도 2의 100단계와 도 4를 참조하면, 구동실린더(14)의 작동에 따라 피딩 펀치(18)는 소재(A) 쪽으로 전진하게 되고, 이와 동시에 구동실린더(14)의 분사노즐(20)을 통해 수압이 금형(10,12) 내부로 유입된다. 이와 같은 동작에 따라 하이드로포밍 성형작업이 이루어진다.

다음, 도 2의 200단계에서 소재(A)는 분기형 파이프로 성형되며, 상기 성형 과정 중에 컨트롤러(60)는 구동실린더(14)의 피딩 펀치(18)에 설치된 압력센서(50)로부터 전송되는 감지신호가 있는지를 계속해서 확인한다.

상기 컨트롤러(60)는 도 2의 300단계에서 압력센서(50)에 의해 감지된 수압이 미리 설정된 압력(즉, Burst 압력×1.1~1.5)보다 높은지를 확인한다. 이때 상기 300단계에서 압력센서(50)에 의해 측정된 수압이 설정된 압력보다 낮다고 판단되면 전술한 200단계(즉, 성형 과정)를 계속해서 수행하게 된다.

만약, 상기 300단계에서 압력센서(50)에 의해 측정된 수압이 설정된 압력(즉, Burst 압력×1.1~1.5)보다 높다고 판단되면 컨트롤러(60)는 도 2의 400단계에서 유압실린더(80)를 작동시킨다.

이때, 상기 300단계에서 설정된 압력은 하이드로포밍 공법으로 성형하고자 하는 분기형 파이프의 종류(구체적으로는, 파이프의 두께와 외경)에 따라 임의대로 설정되는데, 일 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

즉, 성형하고자 하는 하이드로포밍 공법으로 성형하고자 하는 분기형 파이프의 두께가 2mm이고, 외경이 35Ø이며, 인장 강도가 25kg/㎟일 때, Burst 압력은 아래의 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

Burst 압력 = S_uts×2×T₀/(D₀-T₀)

이때, S-uts는 분기형 파이프 소재의 최대 인장 강도이며, T₀는 초기 분기형 파이프의 두께이며, D₀는 분기형 파이프의 바깥 외경을 나타낸다.

상기 수학식 1에 위에서 제시한 수치를 대입하여 계산하게 되면, Burst 압력{25×2×2/(35-2)}은 3.03kgf/㎠이다.

이에 따라, 설정된 압력은 'Burst 압력(3.03)×1.1~1.5'로서 3.33~4.55임을 알 수 있다.

이상과 같이, 도 2의 300단계와 도 5를 참조하면, 압력센서(50)로부터 측정된 수압이 설정된 압력 값 '3.33~4.55'의 범위보다 높다고 판단되면, 컨트롤러(60)는 400단계에서 유압실린더(80)를 작동시키게 된다. 이에 따라 유압실린더(80)의 피스톤(90)과 연결된 카운터 펀치(70)는 도 2의 500단계에서 상부금형(10)의 분기형 성형구멍(10a)을 따라 위로 상승하게 된다. 이로 인해 상기 카운터 펀치(70)의 아래쪽에는 소정의 공간부(10b)가 형성되는데, 이 공간부(10b) 만큼 소재(A)가 확장 형성되어 분기형 파이프가 성형되는 과정에서 크랙이 발생하지 않고 도 2의 600단계와 같이 T 형상의 분기형 파이프가 성형된다.

한편, 도 7은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른, 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치의 성형공정을 보여주고 있는 도면인데, 구체적으로는 위에서 제시한 도 2 내지 도 6의 성형과정을 시간별로 분기형 파이프가 성형되는 과정을 순차적으로 보여주고 있는 도면이다.

상기 도 7을 참조하면, 시간이 경과함에 따라 분기형 파이프의 T 형상부는 상부금형(10)의 분기형 성형구멍(10a)에서 성형되는데, 13.5초부터는 유압실린더(80)가 작동하여 카운터 펀치(90)는 분기형 성형구멍(10a) 쪽으로 상승하게 되고, 이와 동시에 상기 카운터 펀치(90)의 아래쪽에는 공간부(10b)가 형성되며, 상기 공간부(10b)에 분기형 파이프의 T 형상부는 크랙이 발생하지 않고 계속해서 상승하면서 완벽하게 성형이 이루어지게 된다.

14: 구동실린더 18: 피딩 펀치
20: 분사노즐 50: 압력센서
60: 컨트롤러 70: 카운터 펀치
80: 유압실린더 90: 피스톤

Claims

통상의 상부금형(10)과 하부금형(12)으로 구성되며, 상기 상부금형(10)과 하부금형(12)에는 피딩 펀치(18)를 가지는 구동실린더(10)가 설치되고, 상기 피딩 펀치(18)의 일측단에는 상기 금형(10,12)에 밀착되어 금형(10,12) 내부를 밀폐시키기 위한 홀더(16)가 설치되며, 상기 피딩 펀치(18)의 중심에는 상기 금형(10,12) 내부로 수압을 유입시키기 위한 분사노즐(20)이 설치되고, 상기 상부금형(10)에는 분기형 파이프를 성형하기 위한 분기형 성형구멍(10a)이 형성되며, 상기 분기형 성형구멍(10a)에는 카운터 펀치(70)가 설치되어 구성된 통상의 하이드로포밍 장치에 있어서,
상기 피딩 펀치(18)에는 상기 금형(10,12) 내부로 유입되는 수압을 측정하는 압력센서(50)가 설치되며;
상기 상부금형(10)의 상단부에는 상기 금형(10,12) 내부에서 분기형 파이프로 성형되는 과정 중에 상기 카운트 펀치(70)를 위로 상승시키기 위한 유압실린더(80)가 설치되며;
상기 압력센서(50)에 의해 측정된 수압에 응답하여 상기 유압실린더(80)를 제어하는 컨트롤러(60)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러(60)는 상기 압력센서(50)에 의해 측정된 수압이 설정된 수압보다 높을 때 상기 유압실린더(80)를 작동시키는 것을 특징으로 하는 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치.
제2항에 있어서,
상기 설정된 압력은 하기의 '수학식 1'의 Burst 압력×(1.1~1.5) 임을 특징으로 하는 압력 센서를 이용한 하이드로포밍 카운터 펀치의 자동조절장치.
[수학식 1]
Burst 압력 = S_uts×2×T₀/(D₀-T₀)
S-uts : 분기형 파이프 소재의 최대 인장강도
T₀ : 초기 분기형 파이프의 두께
D₀ : 분기형 파이프의 바깥 외경