WO2012102417A1 - 하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조장치 및 그 제조방법 - Google Patents

하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조장치 및 그 제조방법 Download PDF

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hydroforming
axial
punches
tubular steel
large diameter
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정기석
최한호
오진호
강연식
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(주)포스코
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for manufacturing large-diameter products using hydroforming and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a manufacturing apparatus and a manufacturing method capable of minimizing the sealing force applied in the axial direction of the product during the manufacture of large-diameter products. .
  • the tubular steel is subjected to a multi-stage roll forming process, which is relatively low in productivity, and is locally severe during roll forming at room temperature. Since work hardening occurs, the heat treatment such as annealing must be additionally performed after the roll forming process is completed.
  • the conventional hydroforming method used to manufacture torsion beams for automobiles is a bending process for bending largely tubular tubular steels according to the shape of the final product, and the hydroforming dies through press working of bent tubular steels. It is composed of a preforming step of preforming into a form that can be seated in the form, and a hydroforming process of forming a final product by supplying a fluid to the inside of the tubular steel and pressurizing and expanding the inner surface.
  • molding can be performed by only a basic hydroforming process, thereby achieving higher productivity than a roll forming apparatus that requires several steps.
  • the fluid is always hydrostatic pressure (Hydrostatic pressure) is applied to the entire inner surface of the tubular steel, so uniform processing is possible because no local work hardening does not require a separate heat treatment process.
  • the present invention has been developed to solve the above problems, by configuring the axial punch advancing from both sides of the hydroforming device to be mutually coupled, manufacturing apparatus that can minimize the sealing force in the axial direction when manufacturing large diameter products And a main object thereof in providing the production method thereof.
  • the upper and lower molds in which the tubular steel having a large diameter therein is seated A first axial punch and a second axial punch which are installed to be advanced from both sides of the tubular steel and have a shape in which a front surface thereof can be inserted into each other;
  • a first pressurizing cylinder and a second press-fitting cylinder which form a closed space surrounded by both initial punches and a pressurized space surrounded by both inner punches and the inner surface of the tubular steel by advancing and inserting the first and second initial punches;
  • a hydroforming control unit for forming a large diameter product by supplying a fluid to the pressurizing space through a hydraulic passage formed in at least one of the first and second axial punches to press the inner surface of the tubular steel.
  • a hydroforming preparation step of seating the tubular steel having a large diameter in the lower mold of the hydroforming and lowering the upper mold to close the entire mold An initial punch setting step of forming a sealed space surrounded only by both axial punches and a pressurized space surrounded by both axial punches by advancing the first and second axial punches from both sides of the tubular steel to be mutually inserted.
  • a hydroforming step of forming a large diameter product by supplying a fluid to the pressurized space through at least one of the two axial punches to pressurize the inner surface of the tubular steel.
  • the finished product can be manufactured in only one step, so that not only reduction of manufacturing cost due to process reduction but also improvement of productivity It can contribute greatly.
  • FIG. 1 is a view showing a conventional hydroforming production apparatus for producing large diameter products.
  • FIG. 2 is a view showing a hydroforming production apparatus for producing large diameter products according to the present invention.
  • FIG. 3 is an enlarged view of an axial punch part in FIG. 2;
  • FIG. 4 is a view showing a hydroforming method according to the invention.
  • FIG. 5 is a view showing an example of a large diameter product manufactured according to the present invention.
  • tubular steel 30 first axial punch
  • the hydroforming apparatus has a first upper and lower molds 1 and 2 on which the tubular steels 3 are seated, and first and second upper and lower molds 1 and 2 to move forward to seal the tubular steels 3.
  • first and second indentation cylinders 15 and 25 for horizontally moving the first and second initial punches 10 and 20, and the operation method thereof is as follows. Same as
  • the tubular steel 3 is placed on the lower mold 2, and the upper mold 1 is lowered to close the entire mold. Thereafter, the first and second press-fit cylinders 15 and 25 advance the first and second axial punches 10 and 20 from both the upper and lower molds 1 and 2 so that both sides of the tubular steel 3 Seal it. As seen from the 1-1 'cross-section, the diameters d 0 of the first and second initial punches 10 and 20 are the same as the diameters d 0 of the tubular steel 3 to seal both sides of the tubular steel 3. Let it be.
  • the fluid is supplied into the tubular steel 3 through a hydraulic passage 22 formed in at least one of the first and second axial punches 10 and 20 to pressurize the inner surface thereof.
  • hydrostatic pressure of the fluid acts to expand the tubular steel 3, it is in close contact with the upper and lower molds 1 and 2 and finally formed in the form of an automobile wheel rim.
  • the high pressure acts on the first and second axial punches 10 and 20 while the tubular steel 3 is formed by the hydrostatic pressure of the fluid.
  • a sealing force capable of withstanding this high pressure must be applied to the first and second axial punches 10 and 20 so that the hydrostatic pressure of the fluid can continue to act on the inner surface of the tubular steel 3.
  • the sealing force acting on the first and second axial punches 10, 20 is increased in proportion to the cross sectional area on which the fluid acts, more precisely the square of the diameter of the tubular steel 3. Because, if the diameter of the tubular steel material (3) d 0 of the fluid is that acts on the entire cross-section of this first and second eksyeol punch having the same diameter ( ⁇ d 0 2). Therefore, when manufacturing large diameter products such as automobile wheel rims, the sealing force acting on the first and second axial punches 10 and 20 increases exponentially as the diameter of the product increases.
  • the present inventors have developed a method that can effectively reduce the sealing force through a method of changing the shape of the axial punch instead of remodeling the cylinder in order to solve this problem, hereinafter according to the present invention with reference to the accompanying drawings An apparatus and a manufacturing method of a large-diameter product using hydroforming will be described in detail.
  • the hydroforming production apparatus As shown in Figures 2 and 3, the hydroforming production apparatus according to the present invention, the upper and lower molds (1, 2) on which the tubular steel (3) having a large diameter therein is seated; A first axial punch 30 and a second axial punch 40 which are installed to be advanced from both sides of the tubular steel 3 and have a shape in which front surfaces thereof can be inserted into each other; By advancing the first and second punch punches 30 and 40 so that they are mutually inserted, a sealed space A surrounded by both initial punches and a pressurized space B surrounded by both inner punches and inner surfaces of the tubular steel.
  • a first indentation cylinder 50 and a second indentation cylinder 60 forming a; And supplying fluid to the pressurized space B through a hydraulic passage 42 formed in at least one of the first and second axial punches 30 and 40 to pressurize an inner surface of the tubular steel 3. It includes; hydroforming control unit (not shown) for molding a large diameter product.
  • the hydroforming apparatus has both upper and lower molds 1 and 2 on which the tubular steel 3 is seated, and the upper and lower molds 1 and 2.
  • First indentation 30 for advancing and sealing the tubular steel 3, and first indentation for horizontally moving the first and second essential punches 40 and 40. It is the same as the conventional hydroforming apparatus in that it consists of the cylinder 50 and the 2nd press-in cylinder 60. FIG.
  • the first initial punch 30 and the second initial punch 40 are configured to be advanced and drawn into the tubular steel 3. That is, as shown in section 2-2 ′ of FIG. 3, the first axial punch 30 is made such that its diameter d 1 is smaller than the diameter d 0 of the tubular steel 3, and the second axial punch 40 is also made such that the diameter d 2 is smaller than the diameter d 0 of the tubular steel 3.
  • the diameters of the first axial punch 30 and the second axial punch 40 are processed at minimum intervals so that interference due to friction with the tubular steel does not occur.
  • first axial punch 30 and the second axial punch 40 are configured to be inserted into each other inside the tubular steel (3).
  • the front of each axial punch is machined to correspond to each other the projection and the groove.
  • A and a pressurized space B surrounded by the inner surface of the tubular steel and both axial punches.
  • the protrusions and the recesses may have any form as long as the two axial punches are mutually coupled to form the closed space A and the pressurized space B.
  • the hydroforming controller controls the first axial punch 30 and the second axial.
  • the fluid is supplied to the pressurized space B through the hydraulic passage 42 formed in at least one of the punches 40 to pressurize the inner surface of the tubular steel 3.
  • the hydrostatic pressure applied by the fluid is limited to the pressurized space B only.
  • the cross-sectional area to which the hydrostatic pressure of the fluid is applied is greatly reduced, the sealing force acting on the first and second essential punches 30 and 40 is also greatly reduced.
  • the present invention is based on the technical idea that by restricting the space into which the fluid is introduced by coupling the punches to each other, the cross-sectional area in which the fluid is in contact with the punch is reduced, thereby reducing the sealing force corresponding to the hydrostatic pressure of the fluid.
  • the present inventors further applied the following components to further embody this technical idea.
  • a separate sealing member 70 is mounted to the first axial punch 30 and the second axial punch 40 at a portion of the sealing space A.
  • the technical idea of the present invention is to form a closed space A in which the fluid is not filled inside the tubular steel 3 by coupling the first and second punches 30 and 40 to each other. will be. Therefore, when the fluid is introduced into the closed space (A) during the hydroforming process, the effect of reducing the sealing force cannot be obtained.
  • a separate sealing member (70) is formed at the site forming the closed space (A). It is preferable to mount.
  • the sealing member 70 is preferably an o-ring in view of the fact that the axial punch is cylindrical, but any sealing material for blocking the flow of fluid into the sealed space A may be employed. Do.
  • an air hole 32 is formed in at least one of the first axial punch 30 and the second axial punch 40 so as to discharge the air in the sealed space A to the outside.
  • the first and second axial punches 30 and 40 continue to move forward, if the A-hole 32 is not formed, air in the closed space A is compressed and the first axial It acts as a reaction force that interferes with the advance of the punch 30 and the second essential punch 40. Since no fluid flows into the sealed space A, the air hole 32 may be formed to communicate with the outside of the axial punch.
  • the hydraulic passage 42 may be formed to supply fluid to a portion 44 where the body of the second essential punch 40 and the inner surface of the tubular steel 3 come into contact with each other, as shown in the lower end of FIG. 3.
  • the hydraulic passage 42 moves the fluid to a place where the inner surface of the body of the axial punch and the tubular steel 3 come into contact with each other.
  • the fluid may be introduced into the pressurized space B through the above-described gap.
  • the hydraulic passage 42 may be formed to communicate with the portion 46 directly in contact with the pressurizing space B as in the upper end of FIG.
  • the hydraulic passage 42 supplies fluid to a place where the body of the second axial punch 40 and the inner surface of the tubular steel 3 come into contact with each other, some fluid flows forward to pressurized space B However, some fluid may flow backward and out of the second axial punch 40.
  • the step 48 is formed in the second essential punch 40 so as to seal both side ends of the tubular steel 3.
  • the tubular steel 3 having a large diameter is seated on the lower mold 2 of the hydroforming, and the entire mold is closed by lowering the upper mold 1. Then, the first axial punch 30 and the second axial punch 40 are formed on both sides of the tubular steel (3) formed so that the front surface can be coupled to each other (Fig. 4 (a)).
  • the enclosed space surrounded by the first and second essential punches 30 and 40 by advancing the first and second essential punches 30 and 40 from both sides of the tubular steel 3 so as to be mutually inserted.
  • the axial punch is set to form a pressurized space B surrounded by (A) and the inner surface of the tubular steel 3 and the first and second axial punches 30 and 40 (Fig. 4 (b)).
  • an air hole 32 is formed in at least one of the first and second axial punches 30 and 40 so that the first and second axial punches 30 and 40 move forward, so that the sealed space is advanced. It is preferable to discharge the air of (A) to the outside. This ensures that air in the enclosed space A is not compressed to interfere with the operation of the first and second essential punches 30 and 40.
  • the inner surface of the tubular steel 3 is pressurized by supplying fluid to the pressurizing space B through at least one of the first and second axial punches 30 and 40 (FIG. 4 ( c)].
  • the fluid is supplied to the place where the body of the second axial punch 40 and the inner surface of the tubular steel 3 come into contact with each other through the hydraulic passage 42 to flow into the front pressurizing space B. .
  • the stepped 48 may be formed in the first and second essential punches 30 and 40 to form the tubular shape. It is preferable to make it possible to seal the both side ends of the steel material (3).
  • the hydraulic passage 42 may be formed to communicate with the portion directly contacting the pressurized space B in order to increase the inflow speed, as described with reference to FIG. 3.
  • the hydrostatic pressure of the fluid acts uniformly over the entire tubular steel, and thus, it is possible to process more precisely than the general roll forming method, thereby producing a product having excellent shape freezing and roundness (center of gravity). have.

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Abstract

본 발명은 대구경 제품 제조시에 제품의 축방향으로 걸리는 밀폐력을 최소화할 수 있는 하이드로포밍의 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이드로포밍 제조장치는, 내부에 대구경을 갖는 튜브형 강재가 안착되는 상·하부 금형; 상기 튜브형 강재의 양측으로부터 전진되도록 설치되고, 전면이 상호 삽입될 수 있는 형상으로 이루어진 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치; 상기 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치를 전진시켜 상호 삽입되도록 함으로써 양 엑셜 펀치로 둘러싸인 밀폐 공간과 상기 튜브형 강재의 내면과 양 엑셜 펀치로 둘러싸인 가압 공간을 형성하는 제1 압입 실린더와 제2 압입 실린더; 및 상기 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치 중 적어도 하나에 형성된 유압 통로를 통해 상기 가압 공간에 유체를 공급하여 상기 튜브형 강재의 내면을 가압함으로써 대구경 제품을 성형하는 하이드로포밍 제어부로 구성된다.

Description

하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조장치 및 그 제조방법
본 발명은 하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대구경 제품 제조시에 제품의 축방향으로 걸리는 밀폐력을 최소화할 수 있는 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래에 자동차 휠 림(Wheel Rim)과 같은 대구경 제품은 롤 포밍(Roll Forming) 공법에 의해서 주로 제조되어 왔다. 이 공법을 간단히 설명하면, 조관된 튜브를 여러 단계의 롤 포밍 공정을 통해 타이어가 접촉하는 영역까지 플랜지를 확장 성형하고, 확장된 튜브를 그 내외측에 위치한 롤에 의해 추가로 2 ~ 3 단계의 성형을 거친 다음 확관 장치(expender)에 의해 치수 보정을 함으로써 자동차 휠 림을 최종 완성한다.
이와 같이, 롤 포밍 공법에 통해 자동차 휠 림을 제조하게 되면, 조관된 튜브형 강재가 여러 단계의 롤 포밍 공정을 거치게 되므로 상대적으로 생산성이 낮았을 뿐만 아니라, 상온에서 행해지는 롤 포밍 과정에서 국부적으로 심한 가공 경화가 일어나게 되므로 롤 포밍 과정이 완료된 후에는 반드시 풀림과 같은 열처리를 추가로 실시하여야 했다.
이러한 롤 포밍 제조장치의 문제점을 개선하고자 하이드로포밍(Hydroforming) 공법을 이용하여 자동차 휠 림과 같은 대구경 제품을 제조하는 새로운 제조방법이 연구되고 있다.
자동차용 토션 빔 등을 제조하는데 사용되는 통상의 하이드로포밍 공법은 크게 조관된 튜브형 강재를 최종 제품의 형상에 따라 굽힘 가공하는 벤딩(bending) 공정, 굽힘 가공된 튜브형 강재를 프레스 작업을 통해 하이드로포밍 금형에 안착시킬 수 있는 형태로 예비 성형하는 프리포밍(preforming) 공정 및 튜브형 강재의 내부에 유체를 공급하여 내면을 가압·확관시킴으로써 최종 제품으로 성형하는 하이드로포밍(Hydroforming) 공정으로 이루어진다.
자동차형 휠 림과 같이 길이가 짧고 형상이 단순한 대구경 제품의 경우에는 기본 단계인 하이드로포밍 공정만으로도 성형이 가능하므로 여러 단계를 거쳐야 하는 롤 포밍 제조장치보다 높은 생산성을 얻을 수 있다. 또한, 유체는 튜브형 강재의 내면 전체에 항상 정수압(Hydrostatic pressure)이 작용하므로 균일한 가공이 가능하기 때문에 국부적인 가공 경화가 일어나지 않으므로 별도의 열처리 과정을 필요로 하지 않는다.
이와 같이, 하이드로포밍 공법을 이용하여 대구경 제품을 제조하면 기존의 롤 포밍 공법에 비해 여러 가지 장점을 얻을 수 있다. 그러나, 하이드로포밍 제조장치를 사용하여 대구경 제품을 만들기 위해서는 반드시 해결해야 할 문제점이 있다. 이는 대구경의 튜브형 강재를 성형할 때에 강재의 축방향으로 걸리는 밀폐력이 매우 크기 때문에 이를 견딜 수 있는 축방향 압입 실린더나 금형을 제작하는 것이 쉽지 않다는 것이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 하이드포밍 장치의 양측에서 전진하는 엑셜 펀치를 상호 결합될 수 있도록 구성함으로써, 대구경 제품 제조할 때 축방향으로 걸리는 밀폐력을 최소화할 수 있는 제조장치 및 그 제조방법을 제공하는데 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이드로포밍 제조장치의 기술구성은, 내부에 대구경을 갖는 튜브형 강재가 안착되는 상·하부 금형; 상기 튜브형 강재의 양측으로부터 전진되도록 설치되고, 전면이 상호 삽입될 수 있는 형상으로 이루어진 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치; 상기 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치를 전진시켜 상호 삽입되도록 함으로써 양 엑셜 펀치로 둘러싸인 밀폐 공간과 상기 튜브형 강재의 내면과 양 엑셜 펀치로 둘러싸인 가압 공간을 형성하는 제1 압입 실린더와 제2 압입 실린더; 및 상기 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치 중 적어도 하나에 형성된 유압 통로를 통해 상기 가압 공간에 유체를 공급하여 상기 튜브형 강재의 내면을 가압함으로써 대구경 제품을 성형하는 하이드로포밍 제어부로 구성된다.
한편, 본 발명에 따른 제조방법의 기술구성은, 대구경을 갖는 튜브형 강재를 하이드로포밍의 하부 금형에 안착시키고 상부 금형을 하강시켜 전체 금형을 닫는 하이드로포밍 준비단계; 상기 튜브형 강재의 양측으로부터 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치를 전진시켜 상호 삽입되도록 함으로써 양 엑셜 펀치로만 둘러싸인 밀폐 공간과 상기 튜브형 강재의 내면과 양 엑셜 펀치로 둘러싸인 가압 공간을 형성하는 엑셜 펀치 세팅 단계; 및 상기 양 엑셜 펀치 중 적어도 하나를 통해 상기 가압 공간에 유체를 공급하여 튜브형 강재의 내면을 가압함으로써 대구경 제품을 성형하는 하이드로포밍 단계를 포함한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조장치 및 그 제조방법을 사용하면, 1회의 공정만으로 완제품의 제조가 가능하므로, 공정 감소에 따른 제조 원가의 절감뿐만 아니라 생산성의 향상에도 크게 기여할 수 있다.
또한, 하이드로포밍 제조장치의 최대 장점인 유체의 정수압에 의한 균일 가공이 이루어져 국부적인 가공 경화가 일어나지 않기 때문에 별도의 열처리를 할 필요가 없다.
또한, 하이드로포밍 제조장치를 통한 정밀 가공이 가능해져 형상 동결성과 진원도(무게 중심)가 우수한 제품을 제작할 수 있다.
도 1은 종래의 대구경 제품 제조용 하이드로포밍 제조장치를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 대구경 제품 제조용 하이드로포밍 제조장치를 나타낸 도면.
도 3은 도 2 중 엑셜 펀치 부분을 확대 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 하이드로포밍 제조방법을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 대구경 제품의 일 예를 나타낸 도면.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
1: 상부 금형 2: 하부 금형
3: 튜브형 강재 30: 제1 엑셜 펀치
40: 제2 엑셜 펀치 50: 제1 압입 실린더
60: 제2 압입 실린더 70: 밀폐용 부재
80: 자동차 휠 림
앞서 설명한 바와 같이, 종래의 하이드로포밍 제조장치를 이용하여 자동차 휠 림과 같은 대구경의 제품을 제조하면 축방향으로 걸리는 밀폐력이 크게 증가하여 정상적인 작동이 어렵게 되는데, 그 이유를 도 1을 참조로 간단히 설명한다.
하이드로포밍 제조장치는 크게 튜브형 강재(3)가 안착되는 상·하부 금형(1,2), 이 상·하부 금형(1,2)의 양쪽에서 전진되어 상기 튜브형 강재(3)를 밀폐시키는 제1 및 제2 엑셜 펀치(10,20) 및 이 제1 및 제2 엑셜 펀치(10,20)를 수평으로 이동시키는 제1 및 제2 압입 실린더(15,25)로 구성되며, 그 작동방법은 다음과 같다.
먼저, 하부 금형(2) 상에 튜브형 강재(3)를 놓고 상부 금형(1)을 하강시켜 전체 금형을 닫는다. 그 후, 제1 및 제2 압입 실린더(15,25)가 상·하부 금형(1,2)의 양쪽에서 제1 및 제2 엑셜 펀치(10,20)를 전진시켜 튜브형 강재(3)의 양측을 밀폐시킨다. 1 - 1′단면에서 보듯이 제1 및 제2 엑셜 펀치(10,20)의 직경(d0)은 튜브형 강재(3)의 직경(d0)과 동일하여 튜브형 강재(3)의 양측을 밀폐시켜준다.
튜브형 강재(3)를 밀폐시킨 다음 제1 및 제2 엑셜 펀치(10,20) 중 적어도 하나에 형성된 유압 통로(22)를 통해 유체를 튜브형 강재(3)의 내부로 공급하여 그 내면을 가압한다. 유체의 정수압이 작용하여 튜브형 강재(3)를 확관시키면 상·하부 금형(1,2)에 밀착되면서 자동차 휠 림의 형태로 최종 성형된다. 이 때, 유체의 정수압에 의해 튜브형 강재(3)가 성형되는 동안에 제1 및 제2 엑셜 펀치(10,20)에도 고압이 작용하게 된다. 이 고압을 견딜 수 있는 밀폐력이 제1 및 제2 엑셜 펀치(10,20)에 가해져야 유체의 정수압이 튜브형 강재(3)의 내면에 계속 작용할 수 있게 된다.
제1 및 제2 엑셜 펀치(10,20)에 작용하는 밀폐력은 유체가 작용하는 단면적, 보다 정확하게는 튜브형 강재(3)의 직경의 제곱에 비례하여 증가된다. 왜냐하면, 튜브형 강재(3)의 직경이 d0인 경우 유체는 이와 동일한 직경을 가진 제1 및 제2 엑셜 펀치의 단면적(πd0 2) 전체에 작용하기 때문이다. 따라서, 자동차 휠 림과 같은 대구경의 제품을 제조할 때 제1 및 제2 엑셜 펀치(10,20)에 작용하는 밀폐력은 제품의 직경이 커질수록 기하 급수적으로 증가하게 된다.
그러나, 현재 상용화된 하이드로포밍 제조장치의 제1 및 제2 압입 실린더(15,25)의 최대 압력은 높지 않기 때문에 실제로 대구경 제품을 제조하기 위해서는 장치를 개조하여 고압의 실린더를 장착하여야 한다. 이를 위해서는 대대적인 개조 작업이 필요하고 비용도 많이 소요될 뿐만 아니라, 최악의 경우에는 장치의 레이 아웃이 변경되어 금형을 설치할 수 없게 되므로 대구경 제품 자체를 생산할 수 없게 될 수도 있다.
본 발명자는 이러한 문제점을 해결하기 위해 실린더를 개조하는 것이 아니라 엑셜 펀치의 형상을 변경하는 방법을 통해 밀폐력을 효과적으로 감소시킬 수 있는 방법을 개발하였는 바, 이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조장치 및 제조방법을 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이드로포밍 제조장치는, 내부에 대구경을 갖는 튜브형 강재(3)가 안착되는 상·하부 금형(1,2); 상기 튜브형 강재(3)의 양측으로부터 전진되도록 설치되고, 전면이 상호 삽입될 수 있는 형상으로 이루어진 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40); 상기 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)를 전진시켜 상호 삽입되도록 함으로써 양 엑셜 펀치로 둘러싸인 밀폐 공간(A)과 상기 튜브형 강재의 내면과 양 엑셜 펀치로 둘러싸인 가압 공간(B)을 형성하는 제1 압입 실린더(50)와 제2 압입 실린더(60); 및 상기 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40) 중 적어도 하나에 형성된 유압 통로(42)를 통해 상기 가압 공간(B)에 유체를 공급하여 상기 튜브형 강재(3)의 내면을 가압함으로써 대구경 제품을 성형하는 하이드로포밍 제어부(미도시);를 포함한다.
도 1과 도 2를 비교해 볼 때, 본 발명에 따른 하이드로포밍 제조장치는 튜브형 강재(3)가 안착되는 상·하부 금형(1,2), 이 상·하부 금형(1,2)의 양쪽에서 전진되어 튜브형 강재(3)를 밀폐시키는 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40) 및 이 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)를 수평으로 이동시키는 제1 압입 실린더(50)와 제2 압입 실린더(60)로 구성된다는 점에서 종래의 하이드로포밍 제조장치와 동일하다.
그러나, 본 발명에 따른 하이드로포밍 제조장치에 따르면, 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)가 전진되어 튜브형 강재(3)의 내부로 인입될 수 있도록 구성된다. 즉, 도 3의 2 - 2′단면에서 보듯이 제1 엑셜 펀치(30)는 그 직경(d1)이 튜브형 강재(3)의 직경(d0)보다 더 작도록 만들어지고, 제2 엑셜 펀치(40)도 그 직경(d2)이 튜브형 강재(3)의 직경(d0)보다 더 작도록 만들어진다. 보다 상세히 설명하면, 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)의 직경은 튜브형 강재와의 마찰에 의한 간섭이 일어나지 않도록 최소한의 간격을 두고 가공된다.
또한, 상기 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)가 튜브형 강재(3)의 내부에서 상호 삽입될 수 있도록 구성된다. 이를 위해 각각의 엑셜 펀치의 전면에는 돌출부와 요홈부가 상호 대응되도록 가공된다. 그 결과, 제1 압입 실린더(50)와 제2 압입 실린더(60)에 의해 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)가 전진되어 상호 결합될 때, 양 엑셜 펀치로 둘러싸인 밀폐 공간(A)과 상기 튜브형 강재의 내면과 양 엑셜 펀치로 둘러싸인 가압 공간(B)을 형성하게 된다. 이와 같이, 양 엑셜 펀치는 상호 결합되어 밀폐 공간(A)과 가압 공간(B)을 형성할 수 있는 것이면 돌출부와 요홈부는 어떠한 형태를 가져도 무방하다.
상기 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)가 상호 결합되어 밀폐 공간(A)과 가압 공간(B)을 형성하면, 하이드로포밍 제어부에서는 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40) 중 적어도 하나에 형성된 유압 통로(42)를 통해 상기 가압 공간(B)에 유체를 공급하여 상기 튜브형 강재(3)의 내면을 가압하게 된다. 이 때, 밀폐 공간(A)에는 유체가 채워지지 않기 때문에 유체에 의해 가해지는 정수압은 가압 공간(B)으로만 한정된다. 그 결과, 유체의 정수압이 가해지는 단면적이 크게 감소되므로, 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)에 작용하는 밀폐력도 크게 감소되는 것이다.
이와 같이, 본 발명은 엑셜 펀치를 상호 결합시켜 유체가 유입되는 공간을 제한하게 되면 유체가 엑셜 펀치와 접하는 단면적을 감소되므로 유체의 정수압에 대응하는 밀폐력도 감소시킬 수 있다는 기술적 사상에 근거한다. 본 발명자는 이러한 기술적 사상을 더욱 구체화하기 위하여 다음과 같은 구성요소를 추가로 적용하였다.
먼저, 상기 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)에는 상기 밀폐 공간(A)을 형성하는 부위에 별도의 밀폐용 부재(70)가 장착된다. 상술한 바와 같이 본 발명의 기술적 사상은 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)를 상호 결합시켜 튜브형 강재(3)의 내부에 유체가 채워지지 않는 밀폐 공간(A)을 형성하는 것이다. 따라서, 하이드로포밍 과정에서 상기 밀폐 공간(A)으로 유체가 유입되면 밀폐력의 감소 효과를 얻을 수 없게 되므로, 이를 방지하기 위해서는 밀폐 공간(A)을 형성하는 부위에 별도의 밀폐용 부재(70)를 장착하는 것이 바람직하다.
상기 밀폐용 부재(70)는 엑셜 펀치가 원통형임을 감안할 때, 오 링인 것이 바람직하나, 이 밖에 상기 밀폐 공간(A)으로 유체가 유입되는 것을 차단하기 위한 실링 효과가 있는 것이면 어느 것을 채용하여도 무방하다.
다음으로, 상기 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40) 중 적어도 하나에는 상기 밀폐 공간(A)의 에어를 외부로 배출할 수 있도록 에어홀(32)이 형성되는 것이 바람직하다. 하이드로포밍 과정에서 상기 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)는 계속 전진하게 되므로, 에이홀(32)이 형성되어 있지 않으면 밀폐 공간(A)에 있던 에어가 압축되어 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)의 전진을 방해하는 반력으로 작용하게 된다. 밀폐 공간(A)에는 유체가 유입되지 않기 때문에 에어홀(32)이 엑셜 펀치의 외부로 연통되도록 형성되어도 무방하다.
한편, 상기 유압 통로(42)는 도 3의 하단부에서와 같이 제2 엑셜 펀치(40)의 몸체와 튜브형 강재(3)의 내면이 접하는 부분(44)으로 유체를 공급하도록 형성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 엑셜 펀치의 몸체와 튜브형 강재의 내면은 서로 마찰되지 않도록 최소한의 간격을 두고 설치되므로, 유압 통로(42)가 엑셜 펀치의 몸체와 튜브형 강재(3)의 내면이 접하는 곳으로 유체를 공급하게 되면 상기한 간격을 통해 유체가 가압 공간(B)으로 유입될 수 있다. 그러나, 유체의 유입 속도를 높이기 위해서는 상기 유압 통로(42)를 도 3의 상단부에서와 같이 가압 공간(B)에 직접 접하는 부분(46)과 연통되도록 형성할 수도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 유압 통로(42)가 제2 엑셜 펀치(40)의 몸체와 튜브형 강재(3)의 내면이 접하는 곳으로 유체를 공급하면, 일부 유체는 전방으로 흘러들어가 가압 공간(B)으로 유입되지만 일부 유체는 후방으로 흘러나가 제2 엑셜 펀치(40)의 외부로 유출될 수 있다. 이러한 유출을 방지하기 위하여 도 3의 확대 부분에서 보듯이 상기 제2 엑셜 펀치(40)에는 상기 튜브형 강재(3)의 양 측단부를 밀폐시킬 수 있도록 단턱(48)이 형성되는 것이 바람직하다.
이하에서는 도 4를 참조로 본 발명에 따른 하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 대구경을 갖는 튜브형 강재(3)를 하이드로포밍의 하부 금형(2)에 안착시키고 상부 금형(1)을 하강시킴으로써 전체 금형을 닫는다. 그리고, 전면이 상호 결합될 수 있도록 형성된 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)를 상기 튜브형 강재(3)의 양측에 위치시킨다[도 4의 (a)].
다음으로, 튜브형 강재(3)의 양측으로부터 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)를 전진시켜 상호 삽입되도록 함으로써, 제1 및 제2 엑셜 펀치(30,40)로만 둘러싸인 밀폐 공간(A)과 상기 튜브형 강재(3)의 내면과 제1 및 제2 엑셜 펀치(30,40)로 둘러싸인 가압 공간(B)을 형성하도록 엑셜 펀치를 세팅한다[도 4의 (b)].
이 때, 상기 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40) 중 적어도 하나에는 에어홀(32)이 형성되어 제1 및 제2 엑셜 펀치(30,40)가 전진함에 따라 상기 밀폐 공간(A)의 에어를 외부로 배출시키는 것이 바람직하다. 이는 밀폐 공간(A)의 에어가 압축되어 제1 및 제2 엑셜 펀치(30,40)의 작동을 방해하지 않도록 해준다.
그 후, 상기 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40) 중 적어도 하나를 통해 상기 가압 공간(B)에 유체를 공급함으로써 튜브형 강재(3)의 내면을 가압한다[도 4의 (c)]. 도 4에는 유압 통로(42)를 통해 제2 엑셜 펀치(40)의 몸체와 튜브형 강재(3)의 내면이 접하는 곳으로 유체를 공급하여 전방의 가압 공간(B)으로 유입되는 형태가 예시되어 있다.
이 경우 일부 유체는 후방으로 흘러나가 제2 엑셜 펀치(40)의 외부로 유출될 수 있기 때문에, 제1 엑셜 펀치(30) 및 제2 엑셜 펀치(40)에는 단턱(48)이 형성되어 상기 튜브형 강재(3)의 양 측단부를 밀폐시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 유입 속도를 높이기 위하여 상기 유압 통로(42)를 가압 공간(B)에 직접 접하는 부분과 연통되도록 형성할 수도 있음은 도 3을 참조로 설명한 바와 같다.
마지막으로, 유체의 정수압에 의해 튜브형 강재(3)가 확관되기 시작하면 확관된 공간을 보상하여 유체가 계속 가압할 수 있도록 제1 엑셜 펀치(30)와 제2 엑셜 펀치(40)가 조금씩 전진한다[도 4의 (d)]. 그 결과, 하이드로포밍에 의한 대구경의 제품이 최종 성형되는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 제조방법에 의하여 제조된 자동차 휠 림(80)의 성형 해석 결과를 보여준다. 이와 같이 본 발명에 따르면, 유체의 정수압이 튜브형 강재 전체에 걸쳐 균일하게 작용한다는 하이드로포밍의 특성 상 일반 롤 포밍 공법보다 더욱 정밀한 가공이 가능해져 형상 동결성과 진원도(무게 중심)이 우수한 제품을 제작할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시되고 설명되었으나, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

Claims (8)

  1. 내부에 대구경을 갖는 튜브형 강재가 안착되는 상·하부 금형;
    상기 튜브형 강재의 양측으로부터 전진되도록 설치되고, 전면이 상호 삽입될 수 있는 형상으로 이루어진 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치;
    상기 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치를 전진시켜 상호 삽입되도록 함으로써 양 엑셜 펀치로 둘러싸인 밀폐 공간과 상기 튜브형 강재의 내면과 양 엑셜 펀치로 둘러싸인 가압 공간을 형성하는 제1 압입 실린더와 제2 압입 실린더; 및
    상기 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치 중 적어도 하나에 형성된 유압 통로를 통해 상기 가압 공간에 유체를 공급하여 상기 튜브형 강재의 내면을 가압함으로써 대구경 제품을 성형하는 하이드로포밍 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치에는 상기 밀폐 공간을 형성하는 부위에 별도의 밀폐용 부재가 장착된 것을 특징으로 하는 하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치 중 적어도 하나에는 상기 밀폐 공간의 에어를 외부로 배출할 수 있도록 에어홀이 형성된 것을 특징으로 하는 하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 유압 통로는 상기 가압 공간과 직접 연통되도록 형성된 것을 특징으로 하는 하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치에는 상기 튜브형 강재의 양 측단부를 밀폐시킬 수 있도록 단턱이 형성된 것을 특징으로 하는 하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조장치.
  6. 대구경을 갖는 튜브형 강재를 하이드로포밍의 하부 금형에 안착시키고 상부 금형을 하강시켜 전체 금형을 닫는 하이드로포밍 준비단계;
    상기 튜브형 강재의 양측으로부터 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치를 전진시켜 상호 삽입되도록 함으로써 양 엑셜 펀치로만 둘러싸인 밀폐 공간과 상기 튜브형 강재의 내면과 양 엑셜 펀치로 둘러싸인 가압 공간을 형성하는 엑셜 펀치 세팅 단계; 및
    상기 양 엑셜 펀치 중 적어도 하나를 통해 상기 가압 공간에 유체를 공급하여 튜브형 강재의 내면을 가압함으로써 대구경 제품을 성형하는 하이드로포밍 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 엑셜 펀치 세팅 단계는, 상기 제2 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치가 전진함에 따라 상기 밀폐 공간의 에어를 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 하이드로포밍 단계는, 상기 제1 엑셜 펀치와 제2 엑셜 펀치가 상기 튜브형 강재의 양 측단부를 밀폐시키는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍을 이용한 대구경 제품의 제조방법.
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