KR20090120004A - 하이드로폼 가공품 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 금속관을 소재로 하고, 냉간의 소성 가공으로 일체적으로 가공한 가공품이며, (x) 굽힘부를 1군데 이상 갖고, (y) 굽힘부의 적어도 1군데에, 관축에 수직인 단면에 있어서의 굽힘 외측(또는, 내측)을 향하는 방향 및 그 방향에 수직인 방향의 치수가, 금속관의 단부의 원상당 직경의 1.35배 이상인 확관부를 갖고, 또한 (z) 굽힘부의 내측(또는, 외측)이, 대략 동일한 곡률 반경으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이드로폼 가공품이다.

금속관, 굽힘부, 하이드로폼 가공품, 가동 금형, 관축

Description

하이드로폼 가공품 {HYDROFORMED ARTICLE}

본 발명은, 금속관을 소재로 하고, 하이드로폼 가공으로 성형하여 얻어지는, 자동차용의 서스펜션계 부품이나, 보디계 부품 등에 적용하는 가공품에 관한 것이다.

최근, 자동차 분야에서는, 경량화의 수단의 하나로서 금속관을 사용하는 경우가 증가하고 있다. 중공의 금속관은 중실재(中實材)에 비해 동일한 강성으로 단면적을 줄일 수 있다.

또한, 금속관의 일체형 구조는, 모자형의 2매의 금속판을 용접으로 결합한 구조에 비해, 용접 플랜지부가 불필요한만큼 경량화가 가능해진다.

그러나 자동차용 부품은, 차내의 좁은 공간에 배치되므로, 금속관은 직관 상태로 사용되는 일이 적고, 거의 2차 가공이 실시되어 장착된다.

2차 가공으로서는, 굽힘 가공이 가장 많이 이용되지만, 최근 자동차 부품 형상의 복잡화에 수반하여, 하이드로폼 가공(금속관을 금형 내에 장착한 상태에서, 내압과 축방향의 압축을 이용하여 금형 형상으로 마무리하는 가공)도 증가하고, 또한 그들의 가공을 중첩한 가공도 증가하고 있다.

하이드로폼 가공 자체도, 도 1에 나타내는 바와 같이(소성과 가공, Vol.45, No.524[2004], 715페이지 참조), 단순한 T성형에 비하면 최근 부품 형상이 복잡화되어, 확관율[소관(素管)의 주위 길이에 대한 제품관의 주위 길이의 비)]도 증가하고 있다.

일본 특허 출원 공개 제2002-100318호 공보에는, 확관율이 큰, 직선 형상의 하이드로폼 가공품을 얻는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법은, 금속관을 일방향으로 확관한 후, 이 방향과 직각인 방향으로 확관하는 방법이며, 굽힘을 포함하는 가공에 적용할 수는 없다.

일본 특허 출원 공개 제2002-153917호 공보 및 일본 특허 출원 공개 제2006-006693호 공보에는, 굽힘을 포함하는 형상으로, 큰 확관율의 가공품을 얻는 방법이 개시되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2002-153917호 공보에 기재된 방법은, 가동 금형을 이용하여 높은 지관(枝管) 높이를 갖는 하이드로폼 가공품을 얻는 방법이지만, 지관 돌출과 같이 임의의 일방향으로만 확관하는 경우에 적용할 수 있는 것이며, 그 직각 방향으로 확관할 수는 없다.

일본 특허 출원 공개 제2006-006693호 공보에 기재된 방법은, 하이드로폼 가공을 행한 후에, 회전 드로우 벤딩 가공을 행하는 방법이지만, 상기 방법도 임의의 일방향으로만 확관하는 경우에 적용할 수 있는 것이며, 그 직각 방향으로 확관할 수는 없다.

일본 특허 출원 공개 평8-192238호 공보에 기재된 방법은, 굽힘부가, 임의의 방향과 그 수직 방향으로 확관된 하이드로폼 성형품을 성형하는 방법이다.

이 방법에 있어서는, 제1 공정에서, 동심원 형상으로 확관하므로, 최종 형상에서도 굽힘의 외측과 내측의 양쪽으로 확관된 형상으로 될 수밖에 없다.

그러나 전술한 바와 같이, 자동차 부품은 차내의 좁은 공간에 배치할 필요가 있으므로, 반드시 굽힘의 외측과 내측으로 확관할 필요가 있다고는 할 수 없다.

반대로, 다른 부품과의 간섭을 피하기 위해, 굽힘의 내측은 확관하고 싶지 않은 경우, 또는 굽힘의 외측은 확관하고 싶지 않은 경우가 있다. 이러한 경우, 일본 특허 출원 공개 평8-192238호 공보에 기재된 방법을 적용할 수는 없다.

즉, 종래의 하이드로폼 가공법에 있어서, 굽힘부의 확관율을 크게 하고자 하는 경우는, 일방향으로만 확관할지, 또는 굽힘 외측 및 내측을 포함하는 전체 둘레에 걸쳐 확관할지 중 어느 하나였다.

이로 인해, 본래 경량화에 이바지하는 하이드로폼 성형품을, 제한된 공간에 배치하는 자동차의 서스펜션계 부품 등의 구조 부재에 적용할 수 없다고 하는 문제가 있었다.

또한, 하이드로폼 이외의 소성 가공, 예를 들어 굽힘 가공 등으로 상술한 바와 같은 형상의 구조 부재를 가공할 수는 없다. 주조를 이용하면, 상술한 바와 같은 형상의 구조 부재를 얻을 수 있지만, 주조품은 소성 가공품과 비교하여 인성이나 용접성 등이 떨어지므로, 서두에 언급한 서스펜션계 부품이나, 보디계 부품 등의 자동차용 부품에 적용할 수는 없다.

그 밖에, 굽힘 가공이나 하이드로폼 가공의 사이에 열처리 공정을 마련하고, 전공정에서 발생한 가공 왜곡의 제거를 반복하여, 최종적으로 크게 변형된 가공품 을 얻을 수는 있다.

그러나 열처리 공정을 마련하면, (a) 생산 비용이 높아지고, (b) 생산 효율이 저하되고, (c) 가공 후의 복잡 형상 부품을 열처리하는 전용 설비가 필요해지고, (d) 열처리에 의해 부품 표면에 스케일이 생성되고, (e) 가공 경화의 효과가 저감되는 등 많은 불이익이 있다.

전술한 바와 같이, 종래 금속관을 소재로 하고, 냉간으로 소성 가공한 가공품에 있어서, 굽힘부에 있어서의 확관량이 많고, 게다가 굽힘부의 내측 및 외측 중 어느 한쪽에는 확관부를 갖지 않는 가공품은 존재하지 않았다.

따라서, 본 발명은 금속관을 소재로 하고, 냉간으로 소성 가공한 가공품이며, (x) 굽힘부를 1군데 이상 갖고, 또한 (y) 굽힘부에 있어서의 적어도 1군데에 있어서, 금속관의 단면이 일방향 및 그 방향에 수직인 방향으로, 본래의 금속관에 비해 크게 확대되어 있고, 게다가 (z) 굽힘부의 내측 및 외측 중 어느 한쪽에 있어서 확관되어 있지 않은 하이드로폼 가공품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하는 본 발명의 요지는, 하기와 같다.

(1) 금속관을 소재로 하고, 냉간의 소성 가공으로 일체적으로 가공한 가공품이며, (x) 굽힘부를 1군데 이상 갖고, (y1) 굽힘부의 적어도 1군데에, 관축에 수직인 단면에 있어서의 굽힘 외측을 향하는 방향 및 그 방향에 수직인 방향의 치수가, 금속관의 단부의 원상당 직경의 1.35배 이상인 확관부를 갖고, 또한 (z1) 굽힘부의 내측이, 대략 동일한 곡률 반경으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이드로폼 가공품.

(2) 상기 굽힘부의 내측의 형상에 있어서, (곡률 반경의 최대값 - 곡률 반경의 최소값)/곡률 반경의 최소값이 50％ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 하이드로폼 가공품.

(3) 금속관을 소재로 하고, 냉간의 소성 가공으로 일체적으로 가공한 가공품이며, (x) 굽힘부를 1군데 이상 갖고, (y2) 굽힘부의 적어도 1군데에, 관축에 수직인 단면에 있어서의 굽힘 내측을 향하는 방향 및 그 방향에 수직인 방향의 치수가, 금속관의 단부의 원상당 직경의 1.35배 이상인 확관부를 갖고, 또한 (z2) 굽힘부의 외측이, 대략 동일한 곡률 반경으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이드로폼 가공품.

(4) 상기 굽힘부의 외측의 형상에 있어서, (곡률 반경의 최대값 - 곡률 반경의 최소값)/곡률 반경의 최소값이 50％ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (3)에 기재된 하이드로폼 가공품.

본 발명에 따르면, 종래보다도 하이드로폼을 적용할 수 있는 부품의 범위를 확대할 수 있다. 이에 의해, 자동차의 경량화가 더욱 진행되어 연비가 향상되고, 지구 온난화의 억제에도 공헌할 수 있다.

도 1은 하이드로폼 기술의 진전을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 하이드로폼 가공품(본 발명 가공품)의 일 형상을 도시하는 도면으로, 도 2의 (a)는 측면 형상을 도시하는 도면이고, 도 2의 (b)는 단면 형상 을 도시하는 도면이다.

도 3은 금속관의 단부의 원상당 직경에 대한 Y 방향 및 Z 방향에 있어서의 단면 치수의 비를 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명 가공품의 다른 형상을 도시하는 도면으로, 도 4의 (a)는 측면 형상을 도시하는 도면이고, 도 4의 (b)는 단면 형상을 도시하는 도면이다.

도 5는 금속관의 단부의 원상당 직경에 대한 Y 방향 및 Z 방향에 있어서의 단면 치수의 비를 나타내는 도면이다.

도 6은 중간 제품의 형상의 설계를 설명하는 도면으로, 도 6의 (a)는 최종 제품의 형상의 측단면(X-Y면) 형상을 도시하는 도면이고, 도 6의 (b)는 최종 제품의 관축 X에 수직인 단면에서의 단면(Y-Z면) 형상을 도시하는 도면이다.

도 7은 중간 제품의 형상의 설계에 있어서, 최종 제품의 형상의 주위 길이와, 중간 제품의 형상의 주위 길이를 나타내는 도면이다.

도 8은 중간 제품의 형상의 설계에 있어서, 일방향으로만 확관한 중간 제품의 단면(Y-Z면) 형상을 도시하는 도면이다.

도 9는 중간 제품의 형상의 설계에 있어서, 일방향으로만 확관한 중간 제품의 형상을 도시하는 도면으로, 도 9의 (a)는 측면(X-Y면) 형상을 도시하는 도면이고, 도 9의 (b)는 상면(X-Z면) 형상을 도시하는 도면이다.

도 10은 하이드로폼 가공(제1 하이드로폼 공정에서의 가공)의 형태를 도시하는 도면으로, 도 10의 (a)는 금속관을, 상부 금형과 하부 금형의 사이에 끼움 지지한 형태를 도시하는 도면이고, 도 10의 (b)는 양 관 단부로부터 축 압박 펀치를 화 살표 방향으로 압입해 가는 형태를 도시하는 도면이다.

도 11은 다른 하이드로폼 가공(제1 하이드로폼 공정에서의 가공)의 형태를 도시하는 도면으로, 도 11의 (a)는 금속관을, 상부 금형 및 상부 금형에 설치한 카운터 펀치와 하부 금형의 사이에 끼움 지지한 형태를 도시하는 도면이고, 도 11의 (b)는 양 관 단부로부터 축 압박 펀치를 화살표 방향으로 압입해 가, 카운터 펀치가 후퇴하는 형태를 도시하는 도면이다.

도 12는 또 다른 하이드로폼 가공(제1 하이드로폼 공정에서의 가공)의 형태를 도시하는 도면으로, 도 12의 (a)는 금속관을, 가동 금형과 하부 금형의 사이에 끼움 지지한 형태를 도시하는 도면이고, 도 12의 (b)는 관 단부와 가동 금형을, 축 압박 펀치로 화살표 방향으로 압입해 가는 형태를 도시하는 도면이다.

도 13은 또 다른 하이드로폼 가공(제1 하이드로폼 공정에서의 가공)의 형태를 도시하는 도면으로, 도 13의 (a)는 금속관을, 상부 금형과 하부 금형의 사이에 끼움 지지한 형태를 도시하는 도면이고, 도 13의 (b)는 양 관 단부로부터 축 압박 펀치를 화살표 방향으로 압입해 가는 형태를 도시하는 도면이다.

도 14는 또 다른 하이드로폼 가공(제1 하이드로폼 공정에서의 가공)의 형태를 도시하는 도면으로, 도 14의 (a)는 금속관을, 상부 금형과 하부 금형의 사이에 끼움 지지한 형태를 도시하는 도면이고, 도 14의 (b)는 양 관 단부로부터 축 압박 펀치를 화살표 방향으로 압입해 가는 형태를 도시하는 도면이다.

도 15는 제1 하이드로폼 공정에서 가공하여 얻은 중간 제품에 3점 굽힘 가공을 실시하는 형태를 도시하는 도면으로, 도 15의 (a)는 중간 제품을 지지점에서 지 지하고 있는 형태를 도시하는 도면이고, 도 15의 (b)는 중간 제품에 펀치를 압입하여 굽힘 가공을 실시하는 형태를 도시하는 도면이다.

도 16은 굽힘부를 갖는 중간 제품에 하이드로폼 가공(제2 하이드로폼 공정에서의 가공)을 실시하는 형태를 도시하는 도면으로, 도 16의 (a)는 중간 제품을 하부 금형에 장착한 형태를 도시하는 도면이고, 도 16의 (b)는 Y 방향으로 찌부러뜨리면서 몰드 클램핑(mold clamping)을 행하는 형태를 도시하는 도면이고, 도 16의 (c)는 내압을 부하하거나 및/또는 축 방향으로 압입하여 최종 제품을 얻는 형태를 도시하는 도면이다.

도 17은 확관부가 굽힘부의 관축에 대해 내측으로 돌출되어 있는 경우의 굽힘 가공의 형태를 도시하는 도면으로, 도 17의 (a)는 중간 제품을 지지점에서 지지하고 있는 형태를 도시하는 도면이고, 도 17의 (b)는 중간 제품에, 오목부를 형성한 펀치를 압박하여, 굽힘 가공을 실시하는 형태를 도시하는 도면이다.

도 18은 중간 제품의 형상의 설계에 이용하는 최종 제품의 형상을 도시하는 도면으로, 도 18의 (a)는 최종 제품의 측단면(X-Y면) 형상을 도시하는 도면이고, 도 18의 (b)는 관축 X 방향의 단면(Y-Z면) 형상을 도시하는 도면이다.

도 19는 중간 제품의 형상의 설계에 있어서, 최종 제품의 형상의 주위 길이와, 중간 제품의 형상의 주위 길이를 도시하는 도면이다.

도 20은 중간 제품의 형상의 설계에 있어서, 일방향으로만 확관한 중간 제품의 단면(Y-Z면) 형상을 도시하는 도면이다.

도 21은 중간 제품의 형상의 설계에 있어서, 일방향으로만 확관한 중간 제품 의 형상을 도시하는 도면으로, 도 21의 (a)는 측면(X-Y면) 형상을 도시하는 도면이고, 도 21의 (b)는 상면(X-Z면) 형상을 도시하는 도면이다.

도 22는 가동 금형 장치를 이용하여, 하이드로폼 가공(제1 하이드로폼 공정에서의 가공)을 행하는 형태를 도시하는 도면으로, 도 22의 (a)는 하이드로폼 상부 금형과 하부 금형의 사이에 금속관(강관)을 끼움 지지한 형태를 도시하는 도면이고, 도 22의 (b)는 축 압박 펀치를 압입하여 하이드로폼 가공을 행하는 형태를 도시하는 도면이다.

도 23은 중간 제품에 3점 굽힘 프레스 가공을 실시하는 형태를 도시하는 도면으로, 도 23의 (a)는 지지점 상에 중간 제품을 적재한 형태를 도시하는 도면이고, 도 23의 (b)는 상방으로부터 펀치를 압입하여 굽힘 가공을 행하는 형태를 도시하는 도면이다.

도 24는 중간 제품에 제2 하이드로폼 가공을 실시하는 형태를 도시하는 도면으로, 도 24의 (a)는 중간 제품을 하부 금형 상에 적재한 형태를 도시하는 도면이고, 도 24의 (b)는 상방으로부터 상부 금형을 강하시켜 몰드 클램핑을 행하는 형태를 도시하는 도면이고, 도 24의 (c)는 축 압박 펀치를 양단부로부터 압입하는 동시에, 내압을 부하하는 형태를 도시하는 도면이다.

도면에 기초하여, 본 발명에 대해 설명한다.

도 2에, 본 발명의 하이드로폼 가공품(이하,「본 발명 가공품」이라 하는 경우가 있음)의 일 형상을 도시한다. 도 2의 (a)에, 확관부(21)가, 굽힘부(20)의 관 축에 대해 외측으로 돌출된 본 발명 가공품의 측면 형상을 도시한다.

또한, 본 발명에 있어서, 굽힘부라 함은, 관축(22)의 방향(X축)이 직선이 아닌 부분이며, 도 2의 (a)에 도시하는 바와 같이, 단면이 원형인 단면 A-A와 단면 G-G[도 2의 (b) 참조]의 사이의 부분을 말한다.

도 2의 (b)에, 굽힘부(20)의 평면 내에 있어서의 관축 방향을 X축으로 하고, X축에 수직인 단면 A-A, 단면 B-B, 단면 C-C, 단면 D-D, 단면 E-E, 단면 F-F 및 단면 G-G[도 2의 (a) 참조]에 있어서의 단면 형상을 도시한다.

도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 도 2의 (a)에 도시하는 본 발명 가공품은 굽힘부(20)에 있어서 Y 방향[도 2의 (a)에 있어서, 지면(紙面) 내의 방향] 및 Z 방향[도 2의 (a)에 있어서, 지면에 수직인 방향]으로 크게 확관되어 있다.

단, Y 방향에 있어서는, +의 방향, 즉 굽힘부(20)의 외측(이하,「굽힘 외측」이라 하는 경우가 있음)을 향하는 방향으로만 확관되어 있다.

여기서, 도 3에 금속관의 단부의 원상당 직경[도 2에 도시하는 형상의 경우는, 단부가 소관(素管)(원형) 상태이므로, 직경]에 대한 Y 방향 및 Z 방향에 있어서의 단면 치수의 비를 나타낸다. 도면으로부터, Y 방향 및 Z 방향 중 적어도 1군데의 단면에 있어서, 소관의 단부의 원상당 직경의 1.35배 이상으로 확관되어 있는[도 2의 (a) 중, "21" 참조] 것을 알 수 있다[상기 (1)의 발명 참조].

확관된 금속관의 단부는 통상 소관 상태이므로, 원형이지만 단부를 편평하게 변형시켜 사용하는 경우도 있으므로, 본 발명에 있어서는 확관한 금속관의 단부의 원상당 직경을 기준으로 한다.

그리고 본 발명에 있어서는「굽힘부의 적어도 1군데에, 관축에 수직인 단면에 있어서의 굽힘 외측 또는 내측을 향하는 방향 및 그 방향에 수직인 방향의 치수가, 금속관의 단부의 원상당 직경의 1.35배 이상의 확관부를 갖는다」[요건 (y1) 및 (y2)]고 규정한다.

굽힘부를 갖는 금속관을, 한정된 공간 내에 배치하기 위해서는 소요의 치수비 이상으로 확관하여, 굽힘부를 형성할 필요가 있다.

본 발명자들은, 상기 치수비가 1.35 미만이면 금속관의 구부러짐이 작아, 한정된 공간 내로의 배치가 어려워지는 것을 실험적으로 확인하고, 확관부의 단면 치수를, "금속관의 단부의 원상당 직경의 1.35배 이상"으로 규정하였다.

도 2의 (a) 및 도 2의 (b)에 도시하는 본 발명 가공품은, 확관부(21)가, 굽힘부(20)의 관축(22)에 대해 외측(굽힘 외측)으로 돌출되어 있지만, 굽힘부(20)의 내측(굽힘 내측)은 곡률 반경이 대략 동일한 원호 형상의 형상을 유지하고 있다.

본 발명 가공품에 있어서는, 이 점도 특징이다[상기 (1)의 발명 참조].

굽힘부의 내측의 형상은, 곡률 반경이 대략 동일한 원호 형상의 형상 외에, 타원 형상, 다차 함수의 곡선 형상, 복수의 곡률 반경의 조합 형상이라도 좋다.

굽힘부의 내측의 형상에 있어서, (곡률 반경의 최대값 - 곡률 반경의 최소값)/곡률 반경의 최소값이 50％ 이하이면, 자동차의 하부 구조 등의 한정된 공간 내에, 본 발명 성형품을 배치하는 것이 가능해진다.

다음에, 도 4에, 확관부가 굽힘부의 관축에 대해 내측으로 돌출되고, 굽힘부의 외측이 대략 동일한 곡률 반경의 형상을 유지하고 있는 본 발명 가공품의 일례 를 도시한다[상기 (2)의 발명 참조].

도 4의 (a)에, 확관부(21)가 굽힘부(20)의 관축에 대해 내측으로 돌출되어 구부러진 본 발명 가공품의 측면 형상을 도시한다.

도 4의 (b)에, 굽힘부(20)의 평면 내에 있어서의 관축 방향을 X축으로 하고, X축에 수직인 단면 A-A, 단면 B-B, 단면 C-C, 단면 D-D, 단면 E-E, 단면 F-F 및 단면 G-G[도 4의 (a) 참조]에 있어서의 단면 형상을 도시한다.

도 4의 (b)에 도시하는 바와 같이, 도 4의 (a)에 도시하는 본 발명 가공품은, 굽힘부(20)에 있어서, Y 방향[도 4의 (a)에 있어서, 지면 내의 방향] 및 Z 방향[도 4의 (a)에 있어서, 지면에 수직인 방향]으로 크게 확관되어 있다.

단, Y 방향에 있어서는, 일방향, 즉 굽힘부(20)의 내측(이하「굽힘 내측」이라 하는 경우가 있음)을 향하는 방향으로만 확관되어 있다.

여기서, 도 5에, 금속 소관의 단부의 원상당 직경[도 4에 도시하는 형상의 경우는, 단부가 소관(원형) 상태이므로, 직경]에 대한 각 방향에 있어서의 단면 치수의 비를 나타낸다.

도면으로부터, Y 방향 및 Z 방향 모두 적어도 1군데의 단면에 있어서, 소관의 단부의 원상당 직경의 1.35배 이상으로 확관되어 있는 확관부[도 4의 (a) 중 "21" 참조]를 갖는 것을 알 수 있다[상기 (2)의 발명 참조].

또한, 상기 단면 치수비를, "소관의 단부의 원상당 직경의 1.35배 이상"으로 규정하는 기술적 이유는, 전술한 바와 같다.

도 4의 (a)에 도시하는 본 발명 가공품은, 도 2의 (a)에 도시하는 본 발명 가공품과 대조적으로, 확관부(21)가, 굽힘부(20)의 관축(22)에 대해 내측(굽힘 내측)으로 돌출되어 있지만, 굽힘부(20)의 외측의 형상은 곡률 반경이 대략 동일한 원호 형상의 형상을 유지하고 있다.

본 발명 가공품에 있어서는, 이 점도 특징이다[상기 (3)의 발명 참조].

굽힘부의 외측의 형상은, 곡률 반경이 대략 동일한 원호 형상의 형상 외에, 타원 형상, 다차 함수의 곡선 형상, 복수의 곡률 반경의 조합 형상이라도 좋다.

굽힘부의 외측의 형상에 있어서, (곡률 반경의 최대값 - 곡률 반경의 최소값)/곡률 반경의 최소값이 50％ 이하이면, 자동차의 하부 구조 등의 한정된 공간 내에, 본 발명 성형품을 배치하는 것이 가능해진다.

다음에, 도 2 또는 도 4에 도시하는 형상의 본 발명 가공품을 얻는 가공 방법에 대해 설명한다.

가공 방법은, 기본적으로는 제1 하이드로폼 공정, 굽힘 가공 공정 및 제2 하이드로폼 공정의 3공정으로 이루어진다.

도 6 내지 도 9에 기초하여, 제1 하이드로폼 공정을 거친 후의 중간 제품의 형상의 설계 순서를 설명한다.

도 6의 (a)에, 최종 제품의 형상의 측단면(X-Y면) 형상을 도시하고, 도 6의 (b)에, 관축 X에 수직인 단면(단면 A-A, 단면 B-B, 단면 C-C, 단면 D-D, 단면 E-E, 단면 F-F 및 단면 G-G)에서의 단면(Y-Z면) 형상을 도시한다.

도 7에 최종 제품의 형상의 주위 길이와, 중간 제품의 형상의 주위 길이를 나타낸다. 이 점에 대해서는, 후술한다.

도 8에, 제1 하이드로폼 공정에서, 일방향으로만 확관한 중간 제품의, 단면 A-A, 단면 B-B, 단면 C-C, 단면 D-D, 단면 E-E, 단면 F-F 및 단면 G-G에서의 단면(Y-Z면) 형상을 도시한다.

도 9의 (a)에 상기 중간 제품의, 단면 A-A, 단면 B-B, 단면 C-C, 단면 D-D, 단면 E-E, 단면 F-F 및 단면 G-G에서의 측면(X-Y면) 형상을 도시하고, 도 9의 (b)에 상기 중간품의 상기 단면에서의 상면(X-Z면) 형상을 도시한다.

제1 하이드로폼 공정에서는, 일방향으로만 확관한다. 도 8 및 도 9에 도시하는 중간 제품에 있어서는, Y 방향으로만 확관되어 있다.

일방향으로만 확관하면, 변형이, 순수 전단 변형에 가까운 변형으로 되어 대변형이 가능해지므로, 본 발명에 있어서는 일방향으로만 확관한다.

특허 문헌 1에 기재된 종래법에 있어서도, 대변형이 가능해지는 이론을 채용하고 있지만, 상기 종래법의 제2 하이드로폼 공정에서, 실제로 순수 전단 변형을 시키는 것은 어렵다.

즉, 종래법에 있어서는, 카운터 등의 대책을 강구하지 않으면, 가공 초기에, 돌출 변형이 일어나 균열이 발생하기 쉽다.

그것에 대해, 본 발명에 있어서는, 제2 하이드로폼 공정에서의 성형 난도(難度)를 낮추기 위해, 제1 하이드로폼 공정에서, 최종의 제품 형상의 주위 길이와 대략 동일한 정도, 예를 들어 상기 주위 길이의 90％ 이상까지 확관한다. 이 점이, 종래법과 상이한 점이다.

단, 제1 하이드로폼 공정에서, 최종 제품의 형상의 주위 길이의 100％를 초 과하여 성형하면, 부분적으로 재료 잔류가 발생하여 주름이 되는 경우도 있으므로, 제1 하이드로폼 공정에서는 도 7에 나타내는 바와 같이, 최종 제품의 형상의 주위 길이의 90 내지 100％의 범위에서, 중간 제품의 형상의 주위 길이를 설정한다.

이 생각에 기초하여, 도 8 및 도 9에 도시하는 중간 제품의 형상을 설계할 수 있다.

즉, 도 8 및 도 9에 도시하는 중간 제품의 형상에 있어서는, 단면의 Z 방향으로는 확관하지 않고, Y 방향의 +측으로만 확관하고, 그 주위 길이는 모든 단면에 있어서 최종 제품의 주위 길이의 90 내지 100％의 범위로 설정되어 있다.

최종 제품의 형상은, Y 방향 및 Z 방향으로 확관된 형상이므로, 중간 제품의 형상의 Y 방향에 있어서의 높이는, 최종 제품의 형상의 Y 방향에 있어서의 높이보다도 높다.

또한, 최종 제품의 상부와 하부의 형상은, 평탄한 형상, 즉 직사각형이라도 상관없지만, 그 경우는 코너부 근방에서 두께가 감소하기 쉬워지므로, 확관율이 큰 경우는 불리해진다.

따라서, 도 8에 도시하는 바와 같이, 최종 제품의 상부와 하부의 형상은, 소관과 대략 동일한 곡률 반경[제품의 곡률 반경(r)과 동일한 곡률 반경]의 형상으로 설정하는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 도 10에 도시하는 하이드로폼 가공(제1 하이드로폼 공정에서의 가공)으로, 도 8 및 도 9에 도시하는 형상의 중간 제품(7)을 제조한다.

즉, 도 10의 (a)에 도시하는 바와 같이 금속관(1)을 상부 금형(2)과 하부 금 형(3)의 사이에 끼움 지지하고, 도 10의 (b)에 도시하는 바와 같이 양 관 단부로부터 축 압박 펀치(4)로 화살표 방향(관축 방향)으로 압입해 간다.

이때, 동시에, 축 압박 펀치(4)에 설치한 물 장입구(5)로부터 물(6)을 금속관(1)의 내부로 송급하여, 내압을 높인다. 그 결과, 상부 금형(2)과 하부 금형(3)의 공동부의 형상에 합치하도록 금속관(1)이 가공되어, 중간 제품(7)이 얻어진다.

제1 하이드로폼 공정에서의 확관율이 큰 경우에는, 도 11에 도시하는 바와 같이 상부 금형(2)에 카운터 펀치(8)를 설치하고[도 11의 (a) 참조], 카운터 펀치(8)의 후퇴에 의해 금속관(1)의 버스트(burst)나 좌굴(buckling)을 억제하면서[도 11의 (b) 참조] 하이드로폼 가공을 행해도 좋다.

직관 부분의 미끄럼 이동 저항이 커, 확관부에 압입이 전달되기 어려운 경우는, 도 12에 도시하는 바와 같이 가동 금형(9)을 이용하여[도 12의 (a) 참조], 관 단부와 가동 금형을, 축 압박 펀치(10)로 동시에 압입하여[도 12의 (b) 참조], 하이드로폼 가공을 행해도 좋다.

하이드로폼 가공에 있어서는, Z 방향으로 확관해서는 안 된다고 하는 것은 아니므로, 도 13의 (a) 및 도 13의 (b) 및 도 14의 (a) 및 도 14의 (b)에 도시하는 바와 같이, 약간 Z 방향으로 확관하면서 Y 방향으로 확관해도 좋다.

도 14의 (a) 및 도 14의 (b)에는, Z 방향으로, 소관 직경(2r)의 1.05배 정도까지 확관하는 경우를 도시한다.

중간 제품(7)을, Z 방향으로도 약간 확관하여 성형함으로써, 최종 제품에서 보다 확관율이 큰 본 발명 가공품을 얻을 수 있다.

제1 하이드로폼 공정에서 가공한 중간 제품(7)에, 예를 들어 도 15의 (a) 및 도 15의 (b)에 도시하는 바와 같이, 프레스(비교적 간이한 3점 굽힘 공법)로 굽힘 가공을 실시한다.

즉, 제1 하이드로폼 공정에서 가공한 중간 제품(7)을, 지지점(15) 상에 적재하고[도 15의 (a) 참조], 상방으로부터 펀치(14)를 압입해 가[도 15의 (b) 화살표 참조], 중간 제품(16)을 얻는다.

또한, 굽힘 가공의 공법은, 3점 굽힘 공법 외에, 회전 드로우 벤딩 공법이나, 프레스 굽힘 공법 등 어떠한 방법이라도 좋고, 관재의 사이즈나, 재질, 굽힘 반경 등에 의해 구분하여 사용하면 된다.

펀치(14)의 곡률 반경은 특별히 한정되지 않지만, 뒤에 나오는 도 16으로 설명하는 하이드로폼 금형(하측)의 곡률 반경과 마찬가지로, (곡률 반경의 최대값 - 곡률 반경의 최소값)/곡률 반경의 최소값≤50％의 범위로 하면, 확관부가, 굽힘부의 관축에 대해 외측으로 돌출되고, 굽힘부의 내측이 대략 동일한 곡률 반경으로 이루어지는 본 발명 가공품을 얻을 수 있다.

마지막으로, 굽힘 가공한 중간 제품(16)을, 도 16의 (a) 내지 도 16의 (c)에 도시하는 바와 같이 제2 하이드로폼 공정에서 가공한다. 즉, 중간 제품(16)을 하부 금형(12)에 장착하여[도 16의 (a) 참조], 상부 금형(11)으로 Y 방향으로 찌부러뜨리면서 몰드 클램핑을 행한다[도 16의 (b) 화살표 참조].

이 몰드 클램핑에 의해, 중간 제품(16)은, Y 방향으로 찌부러지는만큼 Z 방향으로 단면이 확대된다. 이때, 중간 제품(16)의 내부에 내압을 부하하면서 몰드 클램핑을 행하면, 주름 발생을 억제할 수 있다.

몰드 클램핑을 행한 후에는, 통상의 하이드로폼 가공으로 내압을 부하하고, 및/또는 축 방향으로 압입하여, 금형 형상에 합치한 최종 제품(13)을 얻을 수 있다[도 16의 (c) 참조].

하이드로폼 금형(하측)의 곡률 반경을, (곡률 반경의 최대값 - 곡률 반경의 최소값)/곡률 반경의 최소값≤50％의 범위로 하면, 상기 (1)의 발명에 있어서의 확관부가 굽힘부의 관축에 대해 외측으로 돌출되고, 굽힘부의 내측은 대략 동일한 곡률 반경으로 이루어지는 가공품을 얻을 수 있다.

이와 같이 하여, 확관부가 굽힘부의 관축 방향의 외측으로 돌출된 본 발명 가공품을 얻을 수 있다.

본 발명 가공품에 있어서, 확관부의 돌출은 굽힘 외측이 아닌, 굽힘 내측이라도 좋다. 굽힘 내측으로 확관부를 돌출시키는 경우, 도 17에 도시하는 바와 같이 지지점(15)으로 중간 제품(7)을 지지하고, 오목부(23)를 형성한 펀치(14)로 압박하여, 굽힘 가공을 실시한다.

이때, 펀치(14)나 지지점(15)으로 확관부를 압궤하지 않도록 한다. 단, 그 후의 제2 하이드로폼 공정에서 지장이 없는 범위이면, 약간 확관부가 변형되어 있어도 상관없다.

도 17에 도시하는 굽힘 가공에 이어지는 제2 하이드로폼 공정(도 16에 대응하는 공정, 도시하지 않음)에 있어서, 굽힘 외측의 하이드로폼 금형의 곡률 반경을, (곡률 반경의 최대값 - 곡률 반경의 최소값)/곡률 반경의 최소값≤50％의 범위 로 하면, 상기 (3)의 본 발명에 있어서의 확관부가 굽힘부의 관축에 대해 내측으로 돌출되고, 굽힘부의 외측이 대략 동일한 곡률 반경으로 이루어지는 본 발명 성형품을 얻을 수 있다.

다음에, 본 발명의 실시예에 대해 설명하지만, 실시예의 조건은 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이며, 본 발명은 이 일 조건예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.

(제1 실시예)

금속관으로서, 외경 63.5㎜, 두께 2.3㎜, 전체 길이 400㎜의 강관을 이용하였다. 강종은 기계 구조용 탄소강 강관인 STKM11A이다.

최종 제품의 형상을, 도 18에 도시한다. 도 18의 (a)에 최종 제품의 측단면(X-Y면) 형상을 도시하고, 도 18의 (b)에 관축 X 방향의 단면(Y-Z면) 형상을 도시한다.

상기 형상은, 확관율 M은 최대 2.00이고, 게다가 금속관의 단부의 원상당 직경(외경) 63.5㎜에 대해 단면의 Y 방향 치수는, 최대 1.67배, Z 방향 치수는 최대 2.17배로 굽힘부가 크게 확관되는 형상이다.

주위 길이(L)의 분포를, 도 19에 나타낸다. 중간 형상의 주위 길이(도면 중의 굵은선)를, 최종 제품의 주위 길이와, 그 90％의 주위 길이(도면 중의 파선)의의 사이의 범위가 되도록 설정하였다. 그리고 중간 제품의 단면 형상을, 설정한 주위 길이와 합치하도록 설계하였다.

그때, 도 20에 도시하는 바와 같이, 단면의 Z 방향의 치수는 소관의 외경과 동일한 63.5㎜로 하였다.

그리고 도 21의 (a)에 금속관의 측단면(X-Y면) 형상을 도시하고, 도 21의 (b)에 금속관의 상면(X-Z면) 형상을 도시하는 바와 같이, Y 방향의 치수만을 축 방향(X 방향)에 있어서 변화시켰다.

최종 제품의 형상은, Y의 -측으로는 확관되지 않는 형상이므로, 중간 제품의 형상도 Y의 -측으로는 확관하지 않고, +측으로만 확관하는 형상으로 하였다.

또한, 중간 제품의 단면 상하(Y 방향의 +측 및 -측)의 형상은, 소관과 동일한 곡률 반경인 31.75㎜의 반원형의 형상으로 하였다.

상기 설계의 중간 제품을 얻기 위해, 전체 길이 400㎜의 금속관(강관)에, 도 22에 도시하는 가동 금형 장치로 하이드로폼 가공을 실시하였다. 확관율이 비교적 크기 때문에, 가공시의 두께 감소를 최대한 억제하기 위해 가동 금형을 이용하였다.

도 22의 (a)에 도시하는 바와 같이, 가동 금형(9)을 구비하는 제1 하이드로폼 상부 금형(2)과 제1 하이드로폼 하부 금형의 사이에 금속관(강관)(1)을 끼움 지지하고, 도 22의 (b)에 도시하는 바와 같이 축 압박 펀치(10)로 금속관(1)과 가동 금형(9)을 동시에 도면 중 화살표 방향으로 양단부에서 40㎜ 압입하였다.

이때, 축 압박 펀치(10)의 물 장입구(5)로 물을 송급하여, 금속관(1)의 내압을 32㎫로 유지하였다.

하이드로폼 가공의 완료시에, 금속관(1)은 전체 길이가 320㎜가 되어, 설계대로의 형상을 갖는 중간 제품(도 18 내지 도 21 참조)을 얻을 수 있었다.

다음에, 중간 제품에, 도 23에 도시하는 바와 같이 3점 굽힘 프레스 가공 방법으로 굽힘 가공을 실시하였다.

도 23의 (a)에 도시하는 바와 같이, 간격 240㎜의 지지점(15) 상에 제1 하이드로폼 공정에서 얻은 중간 제품(7)을 적재하고, 도 23의 (b)에 도시하는 바와 같이 상방으로부터 반경 111㎜, 각도 90°의 펀치(14)를 압입하여 중간 제품(7)에 굽힘 가공을 실시하였다.

또한, 지지점(15)의 정상부는 중간 제품(7)을 적재하는 중앙부가 반경 10㎜의 원형 형상으로 성형되고, 양측부가 반경 41.75㎜의 원형 형상으로 성형되어 있다[도 23의 (a)의 좌측 도면 참조].

또한, 펀치(14) 및 지지점(15)의 정상부에는 굽힘 가공시에 중간 제품(7)이 최대한 찌부러지지 않도록 중간 제품(7)의 직관부와 동일한, 반경 31.75㎜의 반원형의 홈이 형성되어 있다[도 23의 (b)의 좌측 도면 참조].

상기 굽힘 가공에서, 굽힘부의 외측에 확관부를 갖고, 굽힘부의 내측이 곡률 반경 111㎜의 곡면 형상을 갖는 중간 제품(16)을 얻었다.

다음에, 중간 제품(16)에, 도 24에 도시하는 하이드로폼 장치로 제2 하이드로폼 가공을 실시하였다. 도 24의 (a)에 도시하는 바와 같이, 중간 제품(16)을 하부 금형(12) 상에 적재하고, 도 24의 (b)에 도시하는 바와 같이 상방으로부터 상부 금형(11)을 강하시켜 몰드 클램핑을 행하였다. 하부 금형(12)의 곡률 반경은 111 ㎜로 하였다.

마지막으로, 도 24의 (c)에 도시하는 바와 같이, 축 압박 펀치(4)를 양단부로부터 20㎜ 압입하는 동시에, 최대 압력 180㎫의 내압을 부하하였다.

이상의 일련의 가공에 의해, (i) 굽힘부의 확관율이 2.00이고, 게다가 (ii) 금속관의 단부의 원상당 직경(외경) 63.5㎜에 대해, 단면의 Y 방향 치수가 최대 1.67배, Z 방향 치수가 최대 2.17배로, 굽힘부의 도중에서 크게 확관된 형상의 확관부를 굽힘부의 관축에 대해 외측에 갖고, (iii) 굽힘부의 내측이 동일한 곡률 반경으로 이루어지는 본 발명 가공품을 제조할 수 있었다.

(제2 실시예)

굽힘부의 관축에 대해, 내측에 확관부를 갖는 본 발명 가공품을 제조하였다. 제1 실시예에서 사용한 금속관과 동일한 금속관을 이용하고, 제1 실시예에서 이용한 금형과 동일한 금형을 이용하여, 제1 실시예와 동일한 형상으로 가공(제1 하이드로폼 공정에서의 가공)하였다.

다음의 굽힘 가공 공정에서는, 확관부를 굽힘 내측에 위치시켜, 굽힘 가공을 행하였다. 그때, 확관부가 찌부러지지 않도록, 굽힘 가공용의 펀치에, 확관부가 들어가는 오목부를 형성하여(도시하지 않음) 굽힘 가공을 행하였다.

마지막으로, 확관부를 찌부러뜨리면서 제2 하이드로폼 금형으로 몰드 클램핑을 행하여, 하이드로폼 가공을 행하였다. 최종 제품의 굽힘부의 외측이 되는 하이드로폼 금형의 곡률 반경은, 중앙부에서 111㎜, 중앙부로부터 좌우 45도의 위치에서 165㎜로 하고, 그 범위 밖에서는 직선 형상으로 연속적으로 변화되도록 하였다.

그 결과, 굽힘부의 관축에 대해 내측으로 확관되고, 굽힘부의 외측은 대략 동일한 곡률 반경으로 이루어지는 본 발명 가공품을 얻을 수 있었다. 또한, 확관부의 크기는 제1 실시예의 경우와 동일하며, 금속관의 단부의 원상당 직경(외경) 63.5㎜에 대해 단면의 Y 방향 치수는 최대 1.67배, Z 방향 치수는 최대 2.17배이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 종래보다도 하이드로폼을 적용할 수 있는 부품의 범위를 확대할 수 있다. 이에 의해, 자동차의 경량화가 더욱 진행되어 연비가 향상되고, 지구 온난화의 억제에도 공헌할 수 있다. 따라서, 본 발명은 자동차 산업에 있어서 이용 가능성이 높은 것이다.

Claims (4)

1. 금속관을 소재로 하고, 냉간의 소성 가공으로 일체적으로 가공한 가공품이며, (x) 굽힘부를 1군데 이상 갖고, (y1) 굽힘부의 적어도 1군데에, 관축에 수직인 단면에 있어서의 굽힘 외측을 향하는 방향 및 그 방향에 수직인 방향의 치수가, 금속관의 단부의 원상당 직경의 1.35배 이상인 확관부를 갖고, 또한 (z1) 굽힘부의 내측이, 대략 동일한 곡률 반경으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 하이드로폼 가공품.
2. 제1항에 있어서, 상기 굽힘부의 내측의 형상에 있어서, (곡률 반경의 최대값- 곡률 반경의 최소값)/곡률 반경의 최소값이 50％ 이하인 것을 특징으로 하는, 하이드로폼 가공품.
3. 금속관을 소재로 하고, 냉간의 소성 가공으로 일체적으로 가공한 가공품이며, (x) 굽힘부를 1군데 이상 갖고, (y2) 굽힘부의 적어도 1군데에, 관축에 수직인 단면에 있어서의 굽힘 내측을 향하는 방향 및 그 방향에 수직인 방향의 치수가, 금속관의 단부의 원상당 직경의 1.35배 이상인 확관부를 갖고, 또한 (z2) 굽힘부의 외측이, 대략 동일한 곡률 반경으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 하이드로폼 가공품.
4. 제3항에 있어서, 상기 굽힘부의 외측의 형상에 있어서, (곡률 반경의 최대값 - 곡률 반경의 최소값)/곡률 반경의 최소값이 50％ 이하인 것을 특징으로 하는, 하이드로폼 가공품.

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