KR20240064740A

KR20240064740A - 금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법 및 자동차 부품

Info

Publication number: KR20240064740A
Application number: KR1020247014098A
Authority: KR
Inventors: 나오키 야마구치
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2021-11-08
Filing date: 2022-07-22
Publication date: 2024-05-13
Also published as: JP2023069591A; JP7205601B1; WO2023079800A1

Abstract

본 발명에 관련된 금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법은, 금속판 (1) 을 굽힘 가공한 굽힘 가공부 (3) 의 피로 균열의 진전을 억제하는 것으로서, 굽힘 가공부 (3) 의 곡선 방향을 따라 금속판 (1) 의 판두께 이상의 간격을 두고, 곡선 방향에 직교하는 방향으로, 적어도 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 있어서의 굽힘 시점에서 굽힘 종점까지의 범위 내에 소성 변형을 부여하여 압축 잔류 응력을 발생시킨다.

Description

금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법 및 자동차 부품

본 발명은, 금속판 (metal sheet) 을 굽힘 가공 (bending) 한 굽힘 가공부의 피로 균열 (fatigue crack) 의 진전을 억제하는 금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 (fatigue crack growth suppressing method) 방법, 및 금속판을 굽힘 가공한 굽힘 가공부를 갖고, 그 굽힘 가공부에 있어서의 피로 균열의 진전을 억제한 자동차 부품 (automotive part) 에 관한 것이다.

금속판의 프레스 성형 (press forming) 에 의해 굽힘 가공한 굽힘 가공부에 있어서는, 국소적으로 강한 압축 응력 (compressive stress) 이 부하되기 때문에 굽힘 내측의 표면에 균열 (crack) 이 발생하고, 이와 같은 굽힘 가공부를 갖는 부품에 반복 하중 (cyclic load) 이 부하되면 당해 균열이 진전되어, 피로 수명 (fatigue life) 을 저하시키는 것이 알려져 있다. 그래서, 지금까지 금속판을 굽힘 가공한 굽힘 가공부를 갖는 부품의 피로 수명을 향상시키는 기술이 몇 가지인가 제안되어 있다.

특허문헌 1 및 특허문헌 2 에는, 금속판의 코이닝 가공 (coining) 시에, 버링 가공 (burring) 부의 근원을 구성하는 국부의 굽힘의 내측에 균열이 발생하는 것을 억제하기 위해, 1 공정째에 최종 형상과 상이한 곡률 반경 (radius of curvature) (곡률 반경 무한대 즉 직선을 포함한다) 의 굽힘 가공을 실시하고, 2 공정째에 최종 형상의 곡률 반경으로 굽힘 가공을 실시하여 굽힘의 내측면에 인장 응력 (tensile stress) 이 도입되도록 함으로써, 곡부의 내측면에 균열이 발생하는 것을 억제하는 기술이 개시되어 있다. 또, 특허문헌 3 에는, 굽힘 응력을 부하하는 금속판의 표면에 쇼트 피닝법 (shot peening) 에 의한 표면 경화 처리 (surface hardening treatment) 를 실시함으로써, 항복 응력 (yield stress) 을 높여 쇼트 피닝 후의 피로 강도 (fatigue strength) 를 향상시키는 기술이 제안되어 있다. 또한, 특허문헌 4 에는, 강재의 곡판부에 발생한 피로 균열을 보수하는 방법으로서, 강재 표면의 피로 균열을 사이에 둔 양측 중 적어도 일측을 피로 균열과 평행하게 피닝 (peening) 함으로써 피로 균열의 개구부를 닫고, 그 후, 피로 균열의 바로 위를 추가로 피닝하는 기술이 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 2018-51608호 일본 공개특허공보 2018-51609호 일본 공개특허공보 2000-225567호 일본 특허공보 제4441641호

특허문헌 1 에 개시되어 있는 기술은, 굽힘 가공을 실시하는 공정이 2 공정이 되기 때문에 금형을 2 종류 준비할 필요가 있어, 제조 비용이 드는 문제가 있었다. 특허문헌 2 에 개시되어 있는 기술은, 적용 가능한 지점이 버링부에 한정된다는 문제가 있었다. 특허문헌 3 에 개시되어 있는 기술은, 쇼트 피닝을 사용하기 때문에, 투사재 (projection material) 의 비산 방지 조치를 위해 밀폐된 용기 중에서 가공을 실시할 필요가 있었다. 특허문헌 4 에 개시되어 있는 기술은, 평판이나 용접 지단부 (weld toe) 에 대하여 에어식의 해머 피닝 장치 (hammer peening device) 를 사용하여 피닝을 실시하는 방법인데, 금속판을 굽힘 가공한 굽힘 가공부를 갖는 부품에 적용하는 경우, 균열 발생의 위험 부위인 굽힘 가공부의 굽힘 내측의 전부를 타격하게 되어 생산성이 낮은 것, 피닝에 사용하는 타격 핀 (impact pin) 의 타격 하중 (impact load) 에 의해 부품 전체가 변형되어 버리는 것, 또한, 타격 핀의 선단 반경이 굽힘 가공부의 곡률 반경보다 크면 굽힘 가공부의 굽힘 각도가 확대되어 버리는 것과 같은 문제가 있었다.

본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 금속판의 굽힘 가공의 제조 비용을 증가시키지 않고, 굽힘 가공한 후의 굽힘 가공부에 대하여 적용 가능하여, 생산성을 저하시키지 않으며, 부품 전체나 굽힘 가공부의 굽힘 각도를 변화시키지 않고 굽힘 가공부의 피로 균열의 진전을 억제할 수 있는 금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법, 및 금속판을 굽힘 가공한 굽힘 가공부를 갖고, 그 굽힘 가공부에 있어서의 피로 균열의 진전을 억제한 자동차 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관련된 금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법은, 금속판을 굽힘 가공한 굽힘 가공부의 피로 균열의 진전을 억제하는 것으로서, 상기 굽힘 가공부의 곡선 방향 (valley line direction) 을 따라 상기 금속판의 판두께 이상의 간격을 두고, 상기 곡선 방향에 직교하는 방향으로, 적어도 상기 굽힘 가공부의 굽힘 내측에 있어서의 굽힘 시점 (bending start point) 에서 굽힘 종점 (bending end point) 까지의 범위 내에 소성 변형 (plastic strain) 을 부여하여 압축 잔류 응력 (compressive residual stress) 을 발생시킨다.

또, 상기 압축 잔류 응력은, 타격 핀을 사용한 니들 피닝 처리 (needle peening treatment) 에 의해 상기 굽힘 가공부의 굽힘 내측에 일련의 타격흔 (indentation) 인 압흔대 (indentation band) 를 형성함으로써 발생시키고, 상기 타격 핀으로서, 그 선단부의 상기 곡선 방향에 직교하는 단면에 있어서의 곡률 반경이, 상기 굽힘 가공부의 곡률 반경 이하인 것을 사용한다.

또, 본 발명에 관련된 자동차 부품은, 금속판을 굽힘 가공한 굽힘 가공부를 갖고, 그 굽힘 가공부에 있어서의 피로 균열의 진전을 억제한 자동차 부품으로서, 상기 굽힘 가공부의 곡선 방향을 따라 상기 금속판의 판두께 이상의 간격을 두고, 상기 곡선 방향에 직교하는 방향으로, 적어도 상기 굽힘 가공부의 굽힘 내측에 있어서의 굽힘 시점에서 굽힘 종점까지의 범위 내에 타격 핀을 사용한 니들 피닝 처리에 의한 일련의 타격흔인 압흔대를 갖는다.

본 발명에 있어서는, 금속판을 굽힘 가공한 굽힘 가공부의 굽힘 내측에 발생하는 균열의 곡선 방향으로의 진전을 억제할 수 있어, 당해 굽힘 가공부를 갖는 자동차 부품의 피로 수명을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법 및 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 자동차 부품을 설명하는 도면이다 ((a) 굽힘 가공부에 정면으로 마주하는 방향에서의 평면도, (b) 단면도, (c) 굽힘 가공부의 내부에 발생하는 균열 파면과 압축 잔류 응력의 설명도).
도 2 는, 본 발명에 이른 경위로서, 굽힘 가공부에 있어서의 피로 균열의 진전과, 당해 피로 균열의 진전을 억제하기 위한 개념을 설명하는 도면이다 ((a) 통상 (일반) 의 금속판에 있어서의 균열 진전, (b) 굽힘 가공부에 있어서의 균열 진전).
도 3 은, 본 발명에 이른 경위에 있어서, 굽힘 가공부에 있어서의 응력 분포를 설명하는 도면이다 ((a) 굽힘 가공 직후, (b) 스프링백 (springback) 후).
도 4 는, 본 발명에 이른 경위에 있어서 굽힘 가공부에 있어서의 응력 확대 계수 (stress intensity factor) 를 검토한 결과를 나타내는 도면이다 ((a) 균열 파면의 모식도, (b) 균열 파면에 있어서의 깊이 방향 및 횡방향의 응력 확대 계수, (c) 균열 선단에 있어서의 횡방향의 응력 확대 계수 K (0) 과 균열 파면의 대응을 나타내는 도면).
도 5 는, 본 발명의 실시예에 있어서, 피로 시험 (fatigue test) 에 사용한 피로 시험편을 나타내는 도면이다 ((a) 정면도, (b) 단면도).
도 6 은, 본 발명의 실시예에 있어서, 피로 시험 방법을 설명하는 도면이다.

＜본 발명에 이른 경위＞

금속판의 표면에 발생하는 피로 균열은, 일반적으로는 도 2(a) 에 나타내는 바와 같이, 균열 (5) 의 발생 지점으로부터 횡방향 (금속판 (1) 의 표면을 따른 방향) 과 깊이 방향 (금속판 (1) 의 판두께 방향) 의 쌍방으로 반타원상의 균열 파면이 확대되면서 진전되고, 머지않아, 균열 파면이 금속판 (1) 의 이면측에까지 도달하여 피로 파괴 (fatigue fracture) 에 이른다.

그래서, 발명자는, 도 2(b) 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (1) 을 굽힘 가공한 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 발생하는 피로 균열에 대해, 그 진전 과정을 상세하게 관찰하였다. 그 결과, 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 발생하는 균열 (5) 은, 발생 직후에는 굽힘 가공부 (3) 에 있어서의 깊이 방향 (금속판 (1) 의 판두께 방향) 과 횡방향 (굽힘 내측의 곡선 방향) 의 쌍방으로 진전되지만, 판두께 방향으로의 균열 (5) 의 진전은, 도 2(b) 에 나타내는 바와 같이, 판두께 (t) 의 1/4 정도의 깊이에 도달한 시점에서 정지하고, 그 후, 균열 (5) 은 횡방향으로만 진전되는 것이 판명되었다.

이 원인을 검토하는 데에 있어서, 발명자는, 도 3 에 나타내는 바와 같은 굽힘 가공부 (3) 에 있어서의 응력 분포에 주목하였다. 굽힘 가공부 (3) 는, 금속판 (1) 을 굽힘 가공한 직후에 있어서는 도 3(a) 에 나타내는 바와 같이, 중립축 (neutral axis) 보다 굽힘 내측의 영역은 압축 응력, 중립축보다 굽힘 외측의 영역은 인장 응력이 작용한다. 그러나, 굽힘 가공된 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 모멘트 (bending moment) 가 제하 (unloading) 되어 스프링백된 후에 있어서는 도 3(b) 에 나타내는 바와 같이, 굽힘 내측의 표층부는 인장 응력으로 반전되고, 압축 응력은, 굽힘 가공부 (3) 에 있어서의 굽힘 내측의 표면으로부터 판두께 (t) 의 약 1/4 의 위치에 잔존하게 된다.

이 점에서, 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 발생하는 피로 균열의 깊이 방향 (판두께 방향) 으로의 진전이 굽힘 내측의 표면으로부터 판두께의 약 1/4 의 깊이에서 정지하는 것은, 스프링백 후에도 굽힘 가공부 (3) 의 내부에 잔존하는 압축 잔류 응력이 원인인 것이 판명되었다.

그래서, 발명자는, 굽힘 가공부의 내부에 잔존하는 압축 잔류 응력에 의해 균열의 판두께 방향의 진전이 정지한다는 상기 지견에 기초하여, 곡선 방향 (횡방향) 을 따라 소정의 간격으로 소성 변형을 부여하여 압축 잔류 응력을 발생시킴으로써, 굽힘 가공부 (3) 에 있어서의 균열 (5) 의 곡선 방향 (횡방향) 으로의 균열의 진전을 방지 혹은 억제시키는 것이 가능하지는 않을까 착상하였다.

본 발명은, 상기 착상에 기초하여 다양한 검토를 거쳐서 이루어진 것으로서, 구체적으로는 이하의 구성을 구비한 것이다.

[실시형태 1]

＜금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법＞

본 발명의 실시형태 1 에 관련된 금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법은, 금속판 (1) 을 굽힘 가공한 굽힘 가공부 (3) 에 발생하는 피로 균열의 진전을 억제하는 것으로서, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 굽힘 가공부 (3) 에 있어서의 굽힘 내측의 곡선 방향을 따라 금속판 (1) 의 판두께 (t) 이상의 간격을 두고, 곡선 방향에 직교하는 방향으로, 적어도 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 있어서의 굽힘 시점 (3a) 에서 굽힘 종점 (3b) 까지의 범위 내에 소성 변형을 부여하여 압축 잔류 응력을 발생시키는 것이다.

또, 본 실시형태 1 에 있어서, 압축 잔류 응력은, 도 1(b) 에 나타내는 바와 같이, 타격 핀 (11) 을 사용한 니들 피닝 처리에 의해, 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 있어서의 굽힘 시점 (3a) 에서 굽힘 종점 (3b) 까지의 범위 내에 일련의 타격흔 (7) 인 압흔대 (9) (도 1(a) 참조) 를 형성함으로써 발생시킨다. 이 때, 압흔대 (9) 의 곡선 방향의 간격 (d) 은, 금속판 (1) 의 판두께 (t) 이상이다. 그리고, 타격 핀 (11) 의 선단부 (13) 의 곡선 방향에 직교하는 단면에 있어서의 곡률 반경 (r) 은, 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측의 곡률 반경 (R) 이하이다.

본 실시형태 1 에 관련된 금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법에 의해, 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 발생하는 균열의 곡선 방향의 진전이 억제되는 이유를, 도 4 에 나타내는 금속판 (1) 의 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 발생한 균열의 선단에 있어서의 응력 확대 계수의 검토 결과에 기초하여 설명한다.

도 4(a) 는, 균열 파면 (crack surface) 의 형상을 모식적으로 나타낸 도면이다. 금속판 (1) 의 굽힘 가공부 (3) 에 있어서의 굽힘 내측의 표면에 발생한 균열은, 도 4(a) 에 나타내는 바와 같이, 깊이 방향과 횡방향의 쌍방으로 반타원상으로 균열 파면이 확대되면서 진전되는 것으로 가정한다.

도 4(b) 는, 이하의 식에 나타내는 Newman-Raju 의 식 (공지 문헌 : J. C. Newman Jr. and I.S. Raju : Eng. Fract. Mech., Vol.15, No.1-2 (1981), p.185) 을 사용하여, 횡방향 (굽힘 내측의 곡선 방향) 과 깊이 방향 (판두께 방향) 의 각각으로 진전되는 균열 선단에 있어서의 응력 확대 계수 K 를 산출한 결과이다.

상기 식에 있어서, σt 는 인장 응력, σc 는 굽힘 응력 (bending stress), a 는 균열 파면의 깊이 방향 길이 (판두께 방향), c 는 균열 파면의 횡방향 길이 (균열 발생 지점에서 횡방향의 균열 선단까지의 거리), b 는 금속판 (1) 의 판폭, t 는 굽힘 가공부 (3) (금속판 (1)) 의 판두께, φ 는 균열 발생 지점과 균열 선단을 연결한 직선 (L) 과 굽힘 가공부 (3) 의 표면이 이루는 각도이고, H (a, c, t, φ), Q (a, c) 및 F (a, c, b, t, φ) 는 각 변수로 부여되는 함수이다 (상기 공지 문헌 참조).

도 4(b) 에 있어서, K (0) 은, 횡방향 (굽힘 내측의 곡선 방향), 즉, φ ＝ 0°의 방향으로 진전되는 응력 확대 계수, K (90) 은, 깊이 방향 (판두께 방향), 즉, φ ＝ 90°의 방향으로 진전되는 응력 확대 계수이며, K (0) 및 K (90) 의 산출에 있어서, 판두께 (t) (＝ 2.8 ㎜), 판폭 50 ㎜, 굽힘 하중 100 ㎫ 로 하고, 균열의 깊이 (a) 는, 판두께 (t) 2.8 ㎜ 의 1/4 인 0.7 ㎜ 로 하였다. 그리고, 도 4(b) 는, 반타원상의 균열 파면의 형상을 나타내는 지표인 균열 파면비 c/a 와 K (0) 및 K (90) 의 관계를 나타내고 있다. 또한, 상기 식에 있어서, 굽힘 내측의 표면으로부터 판두께 (t) 의 약 1/4 의 깊이에 있어서의 압축 잔류 응력의 영향은 고려되어 있지 않다.

도 4(b) 에 나타내는 그래프로부터, 횡방향의 응력 확대 계수 K (0) 은, 균열 파면비 c/a 가 |c/a| ≤ 2 의 영역 (이하, 당해 영역을「영역 P」라고 칭한다) 에 있어서, 즉, 균열 파면의 형상이 반원상에 가까운 경우, 대략 일정하고 높은 값이고, 횡방향으로의 균열의 전파 (진전) 의 구동력 (driving force) 이 큰 것을 알 수 있다. 한편, 균열 파면비 |c/a| ＞ 2 의 영역 (이하, 당해 영역을「영역 Q」라고 칭한다) 에서는, 균열 파면의 형상이 횡방향으로 확대되는 (c/a 의 절대값이 커지는) 반타원상이 됨에 따라서, 응력 확대 계수 K (0) 은 저하되고, 횡방향으로의 균열의 전파의 구동력도 작아지는 것을 알 수 있다. 즉, 횡방향으로의 균열의 전파의 구동력의 크기는, 균열 파면비 |c/a| ＝ 2 를 경계로 하여 변화한다.

여기서, 상기 검토 결과에 기초하여, 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 발생하는 균열의 곡선 방향 (횡방향) 으로의 진전을 억제하는 아이디어를 설명한다. 깊이 방향으로의 균열의 진전은 판두께 (t) 의 약 1/4 의 위치에서 정지하는 것으로 가정하면, 균열 파면의 깊이 방향의 길이 (a) 는, a ≒ t/4 로 나타낸다. 따라서, 균열 파면비 c/a ＝ 2 일 때, 2c ≒ t 의 관계가 성립한다. 또, 균열이 횡방향으로는 좌우 대칭으로 진전되는 것으로 가정하면, 2c 는 균열 파면의 횡방향의 폭이다. 따라서, 균열 파면비 c/a ＝ 2 일 때의, 횡방향의 균열 파면의 폭 (＝ 2c) 은, 금속판 (1) 의 판두께 (t) 와 대략 동일한 크기인 것을 알 수 있다.

즉, 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 발생하는 균열의 곡선 방향 (횡방향) 의 진전에 의한 피로 파괴의 방지 또는 억제를 목적으로 하는 경우, 균열의 깊이 방향으로의 진전이 판두께 (t) 의 1/4 의 위치에서 정지하고, 균열이 또한 횡방향으로만 진전되는 과정에 있어서, 균열 파면의 횡방향의 폭 (＝ 2c) 이 판두께의 크기 t 이하인 동안에는, 횡방향으로의 응력 확대 계수 K (0) 은 깊이 방향의 응력 확대 계수 K (90) 에 비해 커서, 횡방향으로의 균열 전파의 구동력은 큰 것으로 생각되기 때문에, 당해 영역에 있어서 균열 전파를 정지시키는 것은 곤란한 것으로 생각된다.

그러나, 균열이 어느 정도 성장하여, 균열 파면의 횡방향의 폭 (＝ 2c) 이 판두께의 크기 t 이상으로 확대된 영역 (영역 Q) 에서는, 응력 확대 계수 K (0) 은 깊이 방향의 응력 확대 계수 K (90) 에 비해 작고, 또, 균열 파면비 c/a 의 절대값의 증가와 함께 서서히 저하되고 있는 점에서, 당해 영역에서는 균열 전파의 구동력도 작아, 균열 전파를 정지시키는 것은 용이한 것으로 생각된다.

그 때문에, 깊이 방향에 비해 횡방향의 응력 확대 계수 K (0) 이 높은 영역 P 에 있어서 균열의 진전을 정지시키는 것보다도, 횡방향의 응력 확대 계수 K (0) 이 낮은 영역 Q 까지 균열의 성장을 허용하면, 영역 P 보다 낮은 압축 잔류 응력으로 균열을 정지 또는 억제시키는 것이 가능해지는 것으로 생각된다.

도 4(c) 에, 균열 선단에 있어서의 횡방향의 응력 확대 계수 K (0) 과 균열 파면비 c/a 의 관계를 나타내는 그래프와, 도 1 에 나타내는 바와 같이 타격 핀 (11) 을 사용한 니들 피닝 처리에 의해 균열의 영역 Q 에 압흔대 (9) 를 형성하여 압축 잔류 응력을 부여한 경우의 균열 파면을 모식적으로 나타낸 도면을 나타낸다. 도 4(c) 에 나타내는 예는, 도 1 에 나타내는 압흔대 (9) 의 간격 (d) 을 판두께 (t) (≒ 균열 파면비 c/a ＝ 2 일 때의 균열 파면의 횡방향의 폭 2c) 보다 크게 한 것이며, 니들 피닝에 의해 압축 잔류 응력을 부여한 위치에 있어서의 응력 확대 계수 K (0) 은, 영역 P (-2 ≤ c/a ≤ 2) 에 있어서의 응력 확대 계수 K (0) 보다 10 ∼ 12 ％ 낮은 값이다.

이와 같이, 굽힘 가공부 (3) 의 곡선 방향을 따라 판두께 (t) 이상으로 간격 (d) 을 두고 압흔대 (9) 를 형성하여 압축 잔류 응력을 부여함으로써, 곡선 방향의 균열의 진전을 억제하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시형태 1 에 있어서, 굽힘 가공부 (3) 의 압축 잔류 응력은, 전술한 바와 같이, 타격 핀을 사용한 니들 피닝 처리에 의해 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 일련의 타격흔 (7) 인 압흔대 (9) 를 형성하여 소성 변형을 부여함으로써 발생하는 것인데, 타격 핀 (11) 은, 그 선단부 (13) 의 곡선 방향에 직교하는 단면에 있어서의 곡률 반경 (r) 이, 굽힘 가공부 (3) 의 곡률 반경 (R) 이하인 것이 바람직하다.

타격 핀 (11) 의 선단부 (13) 의 곡률 반경 (r) 이 굽힘 가공부 (3) 의 곡률 반경 (R) 보다 크면, 굽힘 가공부 (3) 를 타격 핀 (11) 의 선단부 (13) 로 직접 타격할 수 없어, 굽힘 가공부 (3) 에 압축 잔류 응력을 적절히 발생시킬 수 없기 때문이다.

또한, 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측의 일부에 있어서는, 굽힘 가공시에 좌굴 변형 (buckling deformation) 이 발생하여 국소적으로 곡률 반경이 매우 작아지는 경우가 있는데, 굽힘 가공부 (3) 의 곡률 반경 (R) 은, 좌굴에 의해 대역적으로 굽힘 가공부 (3) 의 곡률 반경이 변화하고 있는 경우를 제외하고, 거시적인 곡률 반경으로 하면 된다.

또, 전술한 특허문헌 4 에 기재된 기술에 있어서 문제였던, 타격 핀의 타격 하중에 의해 금속판 (1) 에 있어서의 굽힘 가공부 (3) 나 그 주위가 변형되는 것과, 타격 핀 (11) 의 곡률 반경이 굽힘 가공부 (3) 의 곡률 반경보다 큰 경우에 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 각도가 확대되어 버리는 것에 관하여, 본 실시형태 1 에 있어서는, 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측의 곡률 반경보다 작은 곡률 반경 (r) 을 갖는 타격 핀 (11) 으로 타격함으로써, 금속판 (1) 의 변형이나 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 각도의 변화를 억제함과 동시에, 굽힘 가공부 (3) 에 압축 잔류 응력을 적절히 도입할 수 있다.

또, 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 있어서 곡선 방향에 직교하는 방향으로 압흔대 (9) 를 형성하는 범위에 대해서는, 굽힘 내측에 있어서의 굽힘 시점에서 굽힘 종점까지의 범위의 전부 또는 일부 중 어느 쪽이어도 된다. 여기서, 굽힘 시점 및 굽힘 종점이란, 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 있어서의 굽힘 R 접점을 말한다.

이 때, 굽힘 가공부 (3) 의 폭 방향에 있어서 균열이나 주름, 혹은 금속판에 부하되는 응력 조건 등에 의해 균열 발생 위치가 분명한 경우에는, 굽힘 내측의 곡선 방향을 따라 굽힘 가공부 (3) 의 전체 범위에 걸쳐서 처리를 할 필요는 없고, 균열 발생 위치의 주변부에만 압흔대 (9) 를 형성하여 소성 변형을 부여함으로써, 압축 잔류 응력을 발생시키면 된다.

굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측의 곡선 방향에 있어서의 압흔대 (9) 의 간격 (d) 의 상한은 특별히 규정되는 것은 아니지만, 금속판을 굽힘 가공한 부품에 요구되는 수명, 부품으로서 허용되는 균열 길이나, 정기 점검으로 발견할 수 있는 균열 길이의 하한 등, 허용 가능한 균열의 길이에 기초하여 결정하면 된다.

또한, 본 발명은, 복수의 타격 핀으로 동시에 니들 피닝 처리하는 것이어도 되며, 로봇 아암 등에 의한 자동 시공 방법과 조합하면, 한층 생산성 향상을 기대할 수 있다. 또한, 자동차 부품 등과 같은 굽힘 가공부를 많이 갖는 부품의 경우에는, 굽힘 가공부의 전역에 이 처리를 적용하는 것은 생산성을 저감시키기 때문에, 굽힘 가공부의 곡률 반경이 작은 지점, 혹은 미리 피로 시험이나 응력 해석 (stress analysis) 등으로 굽힘 내측의 피로 파괴가 우려되는 장소만을 한정하여 실시하면 된다.

또, 본 발명은, 굽힘 가공부의 곡선 방향으로의 균열의 진전을 억제할 수 있는 압축 잔류 응력을 굽힘 가공부에 발생시키는 것이면 되기 때문에, 압축 잔류 응력을 발생시키는 방법은 니들 피닝에 한정되는 것은 아니며, 레이저 피닝 (laser peening), 쇼트 피닝, 콜드 스프레이 (cold spray) 등의 방법으로 동일한 처리를 실시해도 된다. 쇼트 피닝의 경우에는, 압흔을 도입하고자 하는 위치 이외에 마스킹을 실시하여, 불필요한 소성 변형을 일으키지 않도록 함으로써, 동등한 효과를 얻을 수 있다. 이들 방법은 재료에 충격을 가함으로써 소성 변형을 부여하여 압축 잔류 응력을 발생시키는 방법이며, 레이저 피닝은 레이저 조사 (laser irradiation) 시의 충격파 (shock wave) 에 의해, 쇼트 피닝과 콜드 스프레이는 투사재를 투사함으로써, 굽힘 가공부에 충격을 부여함으로써 소성 변형을 부여한다.

또한, 금속판의 굽힘 가공이 순수한 굽힘이 아니라, 축 방향의 인장·압축을 수반하여 실시되는 경우에는, 압축 잔류 응력이 도입되는 판두께 방향의 위치는 이동하는데, 그 경우에도 동일하게 압축 잔류 응력이 존재하는 위치에서 균열이 정지한다. 따라서, 압축 잔류 응력의 위치가 판두께 (t) 의 1/4 로부터 크게 상이하지 않은 경우에는, 압축 잔류 응력의 깊이 (a) 와 균열 파면의 횡방향 길이 (c) 의 관계가 2c ＞ 4a 를 만족하는 조건에서 시공을 실시하면 된다.

스프링백에 의해 압축 잔류 응력이 도입되는 깊이 방향의 위치가 판두께의 1/4 로부터 크게 벗어나는 경우에는, 상기 방법으로 재계산을 실시하고, K (0) 이 감소하는 c/a 의 값을 기초로 니들 피닝 처리를 실시하는 간격 (d) 을 결정하면 된다.

이상, 본 발명에 있어서는, 금속판을 굽힘 가공한 굽힘 가공부를 갖는 부품의 피로 수명을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 굽힘 가공부에 있어서의 굽힘 내측의 전체면에 대한 피닝 처리가 필요하지는 않기 때문에, 생산성의 향상도 기대할 수 있고, 굽힘 내측의 국소적으로 소성 변형이 부여된 것에 의한 압축 잔류 응력이나 가공 경화 (work hardening) 에 의한 피로 수명 향상 효과도 기대할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 원래 굽힘 가공부의 굽힘 내측에 균열이 발생하고 있지 않은 경우에도, 주름 (wrinkles) 등의 미시적인 요철을 평활화하기 위해, 미시적인 응력 집중 (stress concentration) 저감의 효과를 기대할 수 있다. 게다가, 곡률 반경이 작은 선단부를 갖는 타격 핀을 사용함으로써, 금속판을 변형시켜 압흔대를 형성하기 위해 필요한 타격 하중을 저감시킬 수 있다. 이로써, 반력을 억제함으로써 안정적인 시공이 가능해지고, 특허문헌 4 에 기재된 방법을 금속판의 굽힘 가공부를 갖는 부품에 적용하였을 때에 우려되는 부품 전체의 거시적인 변형을 억제할 뿐만 아니라, 로봇 아암 등을 사용하여 생산 라인에 적용하는 것이 가능해진다.

또, 본 발명에 있어서는, 타격 핀이 굽힘 가공부의 굽힘 내측의 표면에 접촉하지 않아 타격이 충분히 이루어지지 않을 가능성을 배제할 수 있다. 또한, 본 발명을 자동차 부품의 제조에 적용하는 데에 있어서는, 특허문헌 1 에 기재된 방법과 같이 굽힘 가공을 실시하는 추가의 프레스 금형을 필요로 하지 않고, 특허문헌 2 에 기재된 방법과 같은 버링부에도 적용이 가능하며, 나아가서는, 특허문헌 3 에 기재된 방법과 같이 쇼트 피닝 처리에 필요한 비산 방지 용기가 불필요하다.

[실시형태 2]

＜자동차 부품＞

본 발명의 실시형태 2 에 관련된 자동차 부품은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (1) 을 굽힘 가공한 굽힘 가공부 (3) 를 갖고, 굽힘 가공부에 있어서의 피로 균열의 진전을 억제한 것으로서, 굽힘 가공부 (3) 의 곡선 방향을 따라 금속판의 판두께 이상의 간격을 두고, 곡선 방향에 직교하는 방향으로, 적어도 굽힘 가공부 (3) 의 굽힘 내측에 있어서의 굽힘 시점에서 굽힘 종점까지의 범위 내에 타격 핀을 사용한 니들 피닝 처리에 의한 일련의 타격흔인 압흔대를 갖는 것이다.

본 실시형태 2 에 관련된 자동차 부품에 있어서도, 전술한 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법과 동일하게, 굽힘 가공부의 굽힘 내측의 곡선 방향을 따라 금속판의 판두께 이상의 간격을 두고 니들 피닝 처리에 의한 압흔대에 의해 발생하고 있는 압축 잔류 응력에 의해 균열의 곡선 방향의 진전이 억제되기 때문에, 피로 수명이 향상되고 있다.

그리고, 본 실시형태 2 에 관련된 자동차 부품에 있어서 굽힘 가공부에 부여되는 소성 변형은, 니들 피닝 처리에 의한 것이지만, 본 발명에 관련된 자동차 부품은, 굽힘 가공부에 부여되는 소성 변형은, 니들 피닝 처리에 의한 것에 한정되지 않고, 레이저 피닝, 쇼트 피닝, 콜드 스프레이 등의 처리에 의해 것이어도 된다.

실시예

본 발명의 작용 효과에 대해 확인하기 위한 실험을 실시하였으므로, 이것에 대해 이하에 설명한다.

본 실시예에서는, 도 5 에 나타내는 피로 시험편 (21) 을 시험 대상으로 하여 피로 시험을 실시하고, 피로 강도를 평가하였다.

판두께 2.9 ㎜, 항복 강도 (yield strength) 850 ㎫ 급의 열연 강판 (hot rolled steel sheet) 을 200 ㎜ × 50 ㎜ 로 잘라낸 것을 공시재로 하고, 선단부의 곡률 반경이 3 ㎜ 인 굽힘 공구 (bending tool) (펀치 (punch)) 를 구비한 프레스 브레이크 (press brake) (굽힘기 (bending machine)) 를 사용해서 굽힘 가공을 실시하여, 굽힘 내측의 굽힘 반경 (R) ＝ 2 ㎜, 판두께 (t) ＝ 2.8 ㎜ 의 굽힘 가공부 (23) 와, 굽힘 가공부 (23) 의 양 단변으로부터 연장되는 편부 (25a, 25b) 를 갖고, 편부 (25a, 25b) 의 각각에 직경 φ8.5 ㎜ 의 구멍부 (27a, 27b) 가 형성된 피로 시험편 (21) 을 제조하였다.

다음으로, 도 1(a) 및 도 1(b) 에 나타내는 바와 같이, 피로 시험편 (21) 의 굽힘 가공부 (23) 에 대하여 니들 피닝 처리를 실시하여, 굽힘 내측의 곡선 방향을 따라 소정의 간격 (d) 으로 압흔대 (29) 를 형성하였다. 여기서, 니들 피닝에 사용한 타격 핀 (11) 의 선단부의 곡률 반경 (r) 은, 굽힘 가공부 (23) 의 곡선 방향의 단면에 있어서의 곡률 반경 (R) ＝ 2 ㎜ 보다 작은 r ＝ 0.2 ㎜ 로 하였다.

계속해서, 굽힘 가공부 (23) 에 니들 피닝 처리를 실시한 피로 시험편 (21) 에 대해, 도 6 에 나타내는 경계 조건에서 피로 시험을 실시하였다. 피로 시험은, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 피로 시험편 (21) 에 있어서의 일방의 편부 (25a) 의 구멍부 (27a) (도 6) 를 고정점으로 하여 고정시킴과 함께, 타방의 편부 (25b) 의 구멍부 (27b) 를 하중 입력점으로 하여 반복 하중 (하중 2.3 kN, 반복 주파수 (repetition frequency) 10 Hz) 을 부여하였다.

그리고, 하중 입력의 사이클수 10000 회마다 굽힘 가공부 (23) 의 침투 탐상 시험 (penetrant inspection test) 을 실시하여, 굽힘 가공부 (23) 에 발생하는 균열의 진전을 계측하였다. 그리고, 진전된 균열이 압흔대 (29) 를 2 개 지점 이상 통과한 피로 시험편에 대해서는 균열이 진전되었기 때문에 불합격으로 판정하고, 피로 시험을 종료하였다. 또, 반복 하중의 사이클수 50 만 회를 피로 한계로 하고, 피로 한계에 도달한 피로 시험편 (21) 에 대해서는 합격으로 판정하여 피로 시험을 종료하였다.

본 실시예에서는, 압흔대 (29) 의 간격 (d) 을 변경한 피로 시험편 (21) 에 대해 피로 시험을 실시하고, 간격 (d) 이 본 발명의 범위 내인 금속판 (1) 의 판두께 이상인 3 ㎜, 4 ㎜ 및 5 ㎜ 의 피로 시험편 (21) 을 발명예 1, 발명예 2 및 발명예 3 으로 하였다. 또, 비교 대상으로서, 압흔대 (29) 의 간격 (d) 이 본 발명의 범위 외인 d ＝ 2 ㎜ 로 한 것을 비교예 1 로 하였다. 표 1 에, 피로 시험편 (21) 에 형성한 압흔대 (29) 의 간격 (d) 과 피로 시험 결과를 나타낸다.

비교예 1 은, 사이클수 20 만 회에 있어서 균열의 진전이 압흔대 (29) 를 2 개 지점 이상 통과하였기 때문에, 불합격으로 판정되었다. 이것에 대하여, 발명예 1 ∼ 발명예 3 은, 모두 사이클수 50 만 회에 있어서도 2 개 지점 이상의 압흔대 (29) 를 통과하는 균열의 진전이 보이지 않고 피로 한계에 도달하여, 합격으로 판정되었다.

이상, 본 발명에 의하면, 금속판을 굽힘 가공한 굽힘 가공부의 굽힘 내측에 있어서의 피로 균열의 진전을 억제하여, 피로 수명을 향상시킬 수 있는 것이 나타났다.

산업상 이용가능성

본 발명에 의하면, 금속판의 굽힘 가공의 제조 비용을 증가시키지 않고, 굽힘 가공한 후의 굽힘 가공부에 대하여 적용 가능하여, 생산성을 저하시키지 않으며, 부품 전체나 굽힘 가공부의 굽힘 각도를 변화시키지 않고 굽힘 가공부의 피로 균열의 진전을 억제할 수 있는 금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법, 및 금속판을 굽힘 가공한 굽힘 가공부를 갖고, 그 굽힘 가공부에 있어서의 피로 균열의 진전을 억제한 자동차 부품을 제공할 수 있다.

1 : 금속판
3 : 굽힘 가공부
3a : 굽힘 시점
3b : 굽힘 종점
5 : 균열
7 : 타격흔
9 : 압흔대
11 : 타격 핀
13 : 선단부
21 : 피로 시험편
23 : 굽힘 가공부
25a, 25b : 편부
27a, 27b : 구멍부
29 : 압흔대

Claims

금속판을 굽힘 가공한 굽힘 가공부의 피로 균열의 진전을 억제하는 금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법으로서,
상기 굽힘 가공부의 곡선 방향을 따라 상기 금속판의 판두께 이상의 간격을 두고, 상기 곡선 방향에 직교하는 방향으로, 적어도 상기 굽힘 가공부의 굽힘 내측에 있어서의 굽힘 시점에서 굽힘 종점까지의 범위 내에 소성 변형을 부여하여 압축 잔류 응력을 발생시키는, 금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 압축 잔류 응력은, 타격 핀을 사용한 니들 피닝 처리에 의해 상기 굽힘 가공부의 굽힘 내측에 일련의 타격흔인 압흔대를 형성함으로써 발생시키고,
상기 타격 핀으로서, 그 선단부의 상기 곡선 방향에 직교하는 단면에 있어서의 곡률 반경이, 상기 굽힘 가공부의 곡률 반경 이하인 것을 사용하는, 금속판의 굽힘 가공부의 피로 균열 진전 억제 방법.
금속판을 굽힘 가공한 굽힘 가공부를 갖고, 그 굽힘 가공부에 있어서의 피로 균열의 진전을 억제한 자동차 부품으로서,
상기 굽힘 가공부의 곡선 방향을 따라 상기 금속판의 판두께 이상의 간격을 두고, 상기 곡선 방향에 직교하는 방향으로, 적어도 상기 굽힘 가공부의 굽힘 내측에 있어서의 굽힘 시점에서 굽힘 종점까지의 범위 내에 타격 핀을 사용한 니들 피닝 처리에 의한 일련의 타격흔인 압흔대를 갖는, 자동차 부품.