KR101118953B1 - 차량용 멤버 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이종두께의 보론 강판 또는 보론 강판과 함께 이종재질의 일반 강판을 소재로 TWB를 제작하여 튜브 관제로 조관 성형한 후, 하이드로 포밍으로 멤버 성형품을 제작하고, 열처리를 통하여 마르텐사이트 조직으로 변태시켜 소재 자체의 강도와 폐단면을 이용한 구조적인 강성을 동시에 확보하며, 충돌 에너지의 흡수 방향성도 순차적으로 이루어지도록 유도하는 차량용 멤버를 제작하는 차량용 멤버 제작방법을 제공한다.

멤버 제작방법, 조관, TWB, 사이드 멤버, 하이드로 포밍, 강도

Description

차량용 멤버 제작방법{METHOD FOR FABRICATING A MEMBER OF VEHICLE}

본 발명은 차량용 멤버 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이종두께의 보론 강판 또는 보론 강판과 함께 이종재질의 일반 강판을 소재로 TWB를 제작하여 튜브 관제로 조관 성형한 후, 하이드로 포밍으로 멤버 성형품을 제작하여 열처리를 통해 소재 자체의 강도와 폐단면을 이용한 구조적인 강성을 동시에 확보하며, 충돌 에너지의 흡수 방향성도 순차적으로 이루어지도록 유도하는 차량용 멤버를 제작하는 차량용 멤버 제작방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 메이커에서 최초로 신차 개발 시에는 개발된 차량의 안전도를 검증하기 위하여 다양한 안전성 시험을 하게되는데, 이는 일정한 기준을 마련하고 이 기준에 합당한지 여부에 따라 완성도를 체크하게 된다.

차량에 있어서의 안전성은 특히, 승차자의 생명에 관련하는 바, 차량의 완성도에 가장 많은 영향을 미치는 요소라 할 수 있으며, 세계 여러 나라에서도 이와 같은 차량의 안전도에 가장 엄격한 기준을 적용시키고 있는 실정이다.

이러한 안전성 시험에서, 특히, 차량의 정면 충돌에 대비하기 위한 차체의 예로 차량용 프론트 사이드 멤버(SM)는, 도 1에서 도시한 바와 같이, 그 전방 선단에 크래쉬 박스(1)와 스테이(3)를 통하여 범퍼빔(5)이 설치되고, 중앙부에 대시패널(7)이 용접 조립되며, 그 후방 선단이 센터 사이드 멤버(9)와 용접 조립된다.

이와 같이 조립된 프론트 사이드 멤버(SM)는 전방의 범퍼빔(5)으로부터 충돌에너지(F)가 1차 흡수된 후, 잔여 충돌에너지(F)가 전달되면, 그 잔여 충돌에너지(F)를 차체에 전달하는 기능을 하게 된다.

그런데, 종래의 프론트 사이드 멤버(SM)는 스틸(Steel)계 강판 소재를 프레스 성형하여 구성되는 인너 멤버(11)와 아웃터 멤버(13)로 이루어져 그 강성과 경량화를 동시에 만족하기에는 한계가 있다.

이에 따라, 최근에는 강성과 경량화를 동시에 만족시킬 수 있는 신 성형공법과 고 강도 초경량 신소재에 대한 연구가 집중되고 있다.

이러한 연구 개발에 의해 상기한 프론트 사이드 멤버(SM)에 적용되는 신 성형공법의 사례로 서로 다른 재질, 두께, 강도를 갖는 소재로 맞춤 블랭크를 제조하는 테일러 웰디드 블랭크(TWB; Tailor Welded Blank, 이하, TWB라 칭함) 기술이나 일체화 성형기술인 하이드로 포밍(hydroforming) 공법이 적용되고 있다.

그러나 상기한 TWB 기술의 경우, 부분적으로 강도가 다른 소재로 맞춤 제작된 블랭크를 프레스 성형하여 프론트 사이드 멤버(SM)를 제작함으로서 강성과 경량화는 가능하나, 기존 프레스 성형공정의 특성상, 폐단면 형상의 멤버로 한번에 제작이 불가하여 상기의 인너 멤버(11)와 아웃터 멤버(13)와 같이, 분리하여 제작한 후, 별도의 용접공정을 통하여 조립해야 하며, 국부적인 구조적 강성 보강을 위해 별도의 보강부재를 추가 구성하여야 하는 등의 단점이 있다.

한편, 상기 하이드로 포밍 공법은 소재의 연신율이 중요한 성형인자로 고 강도 강판을 사용하는 것보다는 폐단면을 이용하여 구조적으로 강성을 확보하는데 초점이 맞추어져 있다.

이에 따라, 상기한 하이드로 포밍 공법은 소재 자체의 고강도화는 성형성의 문제로 인하여 적용이 불가능하며, 폐단면을 이용한 구조적 강성의 확보에는 여전히 한계가 있다.

특히, 상기한 프론트 사이드 멤버(SM)의 경우, 충돌에너지를 차체에 고르게 분산하기 위하여 충돌에너지의 흡수 방향성이 중요하나, 이러한 프론트 사이드 멤버(SM)를 하이드로 포밍을 통하여 폐단면의 구조적 강성을 갖도록 한 경우, 충돌에너지의 순차적인 흡수보다는 국부적인 좌굴 현상을 먼저 일으켜 차량의 안전도를 현저히 떨어트리는 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 차체 부품의 강성과 경량화를 동시에 만족시키기 위한 신 성형공법과 고 강도 초경량 신소재 연구개발을 통하여 상기한 종래 기술의 단점 및 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로써, 본 발명이 이루고자 하는 과제는 이종두께의 보론 강판 또는 보론 강판과 함께 이종재질의 일반 강판을 소재로 TWB를 제작하여 튜브 관제로 조관 성형한 후, 하이드로 포밍으로 멤버 성형품을 제작하고, 열처리를 통하여 마르텐사이트 조직으로 변태시켜 소재 자체의 강도와 폐단면을 이용한 구조적인 강성을 동시에 확보하며, 충돌 에너지의 흡수 방향성도 순차적으로 이루어지도록 유도하는 차량용 멤버를 제작하는 차량용 멤버 제작방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 본 발명의 차량용 멤버 제작방법은 다수의 이종 강판을 소재로 다수의 이종 블랭크를 준비하는 단계; 충돌 에너지 흡수 방향성을 고려하여 상기 각 이종 블랭크를 배치하여 각 테일러 용접선을 따라 레이저 용접함으로써 맞춤 블랭크를 제작하는 단계; 상기 맞춤 블랭크를 튜브 관제로 조관하여 연결부의 조관 용접선을 따라 레이저 용접하는 단계; 상기 튜브 관제를 하이드로 포밍 금형 내에서 확관 성형하여 하나의 멤버 성형품으로 제작하는 단계; 상기 멤버 성형품을 프레스 열간 성형 금형 내에서 변태점 온도 이상의 고온으로 가열하는 단계; 상기 가열된 멤버 성형품을 급속 냉각에 의해 냉각하여 고 강도의 금속조직을 갖도록 하는 단계; 상기 고 강도의 금속조직을 갖는 멤버 성형품을 트림라인 및 홀 가공라인을 따라 레이저 컷팅하는 단계를 포함한다.

상기 이종 강판은 두께가 서로 다른 다수의 보론 강판인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이종 강판은 재질이 서로 다른 보론 강판과 일반 강판인 것으로 할 수 있다.

상기 보론 강판은 연신율 30% 이상의 페라이트 금속조직으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 각 테일러 용접선은 상기 맞춤 블랭크를 튜브 관제로 조관 성형 시, 그 조관 용접선에서 교차하지 않도록 일정각의 사선방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 급속 냉각은 프레스 금형의 내부에 냉매가 순환하는 냉각유로를 형성하여 일정속도 이상의 냉각속도로 수냉 켄칭(Quenching)하는 것을 특징으로 한다.

상기 고 강도의 금속조직은 마르텐사이트 조직인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 차량용 멤버 제작방법에 의하면, 연신률이 확보된 이종두께의 보론 강판 또는 보론 강판과 함께 이종재질의 일반 강판을 소재로 TWB를 제작하여 튜브 관제로 조관 성형한 후, 하이드로 포밍으로 멤버 성형품을 제작하고, 다시 열처리를 통하여 마르텐사이트 조직으로 변태시켜 소재 자체의 강도와 폐단면을 이용한 구조적인 강성을 동시에 확보하는 차량용 멤버를 제작할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 상기한 차량용 멤버 제작방법에 의해 제작된 프론트 사이드 멤버는 전방으로부터 두께 또는 강성이 다른 보론 강판 또는 일반 강판으로 맞춤 제작된 블랭크를 적용함으로 충돌 에너지가 순차적으로 흡수되도록 하여 충돌 흡수 성능을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 상기한 차량용 멤버 제작방법에 의하면, 기존의 프레스 성형공정의 특성상, 폐단면 형상의 멤버로 한번에 제작이 불가하여 인너 멤버와 아웃터 멤버로 각각 분리하여 제작한 후, 용접조립하던 단점과, 성형성의 문제로 인해 고 강도 소재를 적용할 수 없었던 종래 하이드로 포밍 공법의 단점을 동시에 해소할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 멤버 제작방법에 의해 제작되는 프론트 사이드 멤버의 사시도이고, 도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 멤버 제작방법의 공정 블록도 및 공정도이다.

단, 본 발명의 구성을 설명함에 있어 종래 기술의 구성요소과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하여 설명한다.

본 실시예에 따른 차량용 멤버 제작방법을 설명하기 위하여, 차량용 멤버의 일례로, 도 2에서 도시한 바와 같이, 차량용 프론트 사이드 멤버(SM)를 예로 하여 설명한다.

이러한 차량용 프론트 사이드 멤버(SM)의 본 실시예에 따른 제작방법에는 보론 강판과 일반 강판을 그 소재로 하여 적용한다.

상기 보론 강판은 미량의 보론(boron, B)을 첨가한 강판으로, 본 실시예에서는 산화피막 발생을 방지하기 위해 Al+Si을 도금처리한 USIBOR 1500P 소재로서 일반적으로 22MnB5로 알려져 있는 보론 첨가강을 사용한다.

이러한 보론 강판은, 도 3에 도시한 보론 첨가에 따른 효과를 나타낸 등온냉각 변태곡선(TTT: Time Temperature Transformation)에서 알 수 있듯이 보론의 첨가로 온도조건에 따른 마르텐사이트 금속조직의 생성을 지연하는 효과가 있다.

상기 보론 강판은 900℃의 온도 조건에서 오스테나이트 결정입계에 보론이 원자상태로 편석하여, 오스테나이트 결정입계의 자유에너지를 낮춤으로서 초석 페라이트 핵 생성을 억제시켜 강의 경화능이 현저히 개선된다.

한편, 이러한 보론 강판은 열처리 전의 페라이트 조직에서는 500~800MPa 정도의 인장강도를 가지며, 연신율 또한 30%이상으로 하이드로 포밍 가공이 가능하며, 내부 경도는 Hv200 내외로 형성된다. 이러한 페라이트 조직의 보론 강판을 900℃ 이상의 고온에서 오스테나이트화 되며, 이를 급속 냉각시키면 1300~1600MPa 정도의 고 인장강도와 내부 경도가 Hv500 내외인 마르텐사이트 조직을 얻게 된다.

여기서 얻는 열처리 후의 보론 강판 부품은 일반 강판 부품보다 강도가 4~5배 높으면서도 무게는 기존에 비하여 최대 40%까지 줄일 수 있어 차체 부품의 경량화와 강도 향상을 동시에 이룰 수 있는 이점이 있다.

이러한 보론 강판의 물리적 특성을 이용하여 본 실시예에 따른 차량용 프론트 사이드 멤버(SM)의 제작방법은, 도 4와 도 5에서 도시한 바와 같이, 상기한 연신율을 확보한 1.4t의 일반 강판과 1.2t와 1.8t의 보론 강판(20)을 소재로 프론트 사이드 멤버(SM)를 제작하기 위한 이종의 블랭크(B1,B2,B3)를 준비하는 이종 블랭크 소재준비단계(S1)를 진행한다.

이때, 상기 보론 강판(20)은 그 연신율이 30% 이상인 페라이트 금속조직이 적용된다.

이어서, 프론트 사이드 멤버(SM)의 충돌 에너지 흡수 방향성을 고려하여 상기 1.4t의 일반 강판 블랭크(B1)과 1.2t와 1.8t의 보론 강판 블랭크(B2,B3)를 순서대로 배치하여 각 테일러 용접선(TW)을 따라 레이저빔(LB)을 조사하여 레이저 용접함으로써 맞춤 블랭크(30)를 제작하는 맞춤 블랭크 제작단계(S2)를 진행한다.

이와 같이, 맞춤 블랭크(30)가 제작되면, 이를 튜브 관제(40)로 조관하고, 그 연결부인 조관 용접선(W)을 따라 레이저빔(LB)을 조사하여 레이저 용접하여 접합하는 튜브조관 및 용접단계(S3)를 진행한다.

이때, 상기 튜브 관제(40)의 접합부는 레이저빔(LB)에 의해 고집적 입열되도록 레이저 용접하는 것이 중요하다.

여기서, 상기 맞춤 블랭크(30)를 제작하는 과정에서, 각 테일러 용접선(TW)은 상기 맞춤 블랭크(30)를 튜브 관제(40)로 조관 성형 시, 그 조관 용접선(W)에서 상호 교차하지 않도록 일정각(θ)의 사선방향으로 형성되는 것이 중요하다.

이와 같이, 조관된 상기 튜브 관제(40)는 하이드로 포밍 금형(15) 내에 투입 하여 액압에 의한 확관 성형으로 하나의 일체형 프론트 사이드 멤버 성형품(50)으로 제작하는 하이드로 포밍단계(S4)를 진행한다.

여기서, 상기 맞춤 블랭크(30)를 튜브 관제(40)로 조관한 후, 레이저 용접으로 접합되는 접합부는 입열에 의해 조직이 마르텐사이트 조직으로 변태되나, 그 입열부가 국부적이어서 그 접합부의 마르텐사이트 조직이 최소화되고 조관 용접선(W)을 따라 선형으로 접합되어 오히려 하이드로 포밍에 의한 확관 성형에 유리하게 작용한다.

이어서, 상기한 하이드로 포밍에 의해 확관 성형된 상기 프론트 사이드 멤버 성형품(50)을 다시 프레스 열간 성형 금형(17) 내에 투입하여 변태점 온도 이상의 고온으로 가열하는 열처리 단계(S5)를 진행한다.

즉, 프레스 열간 성형 금형(17; 핫 스탬핑 성형 금형)을 통하여 상기 프론트 사이드 멤버 성형품(50)를 변태점 온도인 900℃ 이상의 고온으로 일정시간 가열하게 된다.

이어서, 상기 가열된 프론트 사이드 멤버 성형품(50)을 급속 냉각하여 금속조직이 고 강도의 마르텐사이트 조직을 갖도록 하는 급속냉각단계(S6)를 진행한다.

여기서, 상기 급속 냉각은 프레스 열간 성형 금형(17)의 내부에 냉매가 순환하는 냉각유로(19)를 형성하여 일정속도 이상의 냉각속도로 수냉 켄칭(Quenching)하는 것이 바람직하다.

이로써, 상기 가열된 프론트 사이드 멤버 성형품(50)은 그 금속조직이 열처리 전 500~800MPa 정도의 강도를 가지는 페라이트(P) 조직에서, 900℃ 이상의 고온 에서 오스테나이트화하여 급속 냉각에 의해 1300~1600MPa 정도의 고 강도를 갖는 마르텐사이트 조직을 갖게 된다.

이때, 상기 급속 냉각의 속도는 57℃/sec 이상의 냉각속도가 이상적이며, 수냉 켄칭(Quenching) 이외에 유냉 혹은 강제 공냉 등의 방법이 적용될 수도 있을 것이다.

이러한 단계들을 통하여 생산되는 마르텐사이트 금속조직의 고 강도 프론트 사이드 멤버 성형품(50)을 트림라인(TL) 및 홀 가공라인(HL)을 따라 레이저빔(LB)을 이용하여 절단하는 레이저 컷팅단계(S7)를 진행한다.

이로써, 상기한 고 강도 프론트 사이드 멤버 성형품(50)으로부터 불필요한 부분(T)과 다른 차체 부품과의 조립 및 위치 결정 등을 위한 홀(H)을 가공하여 소재 자체의 강도와 폐단면을 이용한 구조적인 강성을 동시에 갖는 차량용 프론트 사이드 멤버(SM)를 제작하게 된다.

따라서 상기한 바와 같은 차량용 멤버 제작방법은 두께 1.4t의 일반 강판 블랭크(B1)와 연신율이 30% 이상 확보된 페라이트 조직으로 두께 1,2t, 1.8t의 보론 강판 블랭크(B2,B3)을 순서대로 용접하여 맞춤 블랭크(30)를 제작하고, 이를 다시 튜브 관제(40)를 조관 성형한 다음, 하이드로 포밍 금형(15) 내에서 프론트 사이드 멤버 성형품(50)으로 제작한 후, 다시 프레스 열간 성형 금형(17; 핫 스탬핑 금형)내에서 열처리 및 급냉 과정을 통하여 마르텐사이트 조직으로 변태시켜 소재 자체의 고 강도화와 폐단면을 이용한 구조적인 강성을 동시에 갖는 차량용 프론트 사이드 멤버(SM)를 제작하게 된다.

한편, 상기한 바와 같은 차량용 멤버 제작방법에 의해 프론트 사이드 멤 버(SM)를 제작하게 되면, 전방으로부터 두께와 강성이 다른 일반 강판과 보론 강판으로 맞춤 제작된 맞춤 블랭크(30)를 적용함으로 충돌 에너지를 순차적으로 흡수하도록 유도함으로써, 종전의 단일 소재로 하이드로 포밍을 통하여 폐단면의 구조적 강성을 갖도록 한 경우, 충돌 에너지의 순차적인 흡수보다는 국부적인 좌굴 현상을 먼저 일으키는 단점을 해소할 수 있게 된다.

이로써, 상기한 차량용 프론트 사이드 멤버(SM)는 부가적인 보강재 없이도 그 충돌 성능이 향상되고, 고 강도 경량화도 이룰 수 있게 된다.

또한, 상기한 차량용 프론트 사이드 멤버(SM)는 기존의 프레스 성형공정의 특성상, 프레스 금형(미도시) 내부에서 성형되는 바, 폐단면 형상의 멤버로 한번에 제작이 불가하여 인너 멤버와 아웃터 멤버로 각각 제작하여 상호 조립하여 구성하던 단점과, 성형성의 문제로 인해 고 강도 소재를 적용할 수 없었던 하이드로 포밍 공법의 단점을 동시에 해소할 수 있다.

이상에서는 현재로서 실질적이라 고려되는 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것으로 이해되어서는 아니 되며, 오히려, 전술한 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 일반적인 프론트 사이드 멤버의 조립 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 멤버 제작방법에 의해 제작되는 프론트 사이드 멤버의 사시도이다.

도 3은 보론 첨가에 따른 효과를 나타낸 등온냉각 변태곡선(TTT: Time Temperature Transformation)이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 멤버 제작방법의 공정 블록도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 멤버 제작방법의 공정도이다.

Claims (8)

1. 차량용 멤버 제작방법에 있어서,

   두께가 서로 다르고, 연신율이 30% 이상 50% 미만의 페라이트 금속조직을 갖는 다수의 보론 강판을 소재로 다수의 이종 블랭크를 준비하는 단계;

   충돌 에너지 흡수 방향성을 고려하여 상기 각 이종 블랭크를 배치하여 각 테일러 용접선을 따라 레이저 용접함으로써 맞춤 블랭크를 제작하는 단계;

   상기 맞춤 블랭크를 튜브 관제로 조관하여 연결부의 조관 용접선을 따라 레이저 용접하는 단계;

   상기 튜브 관제를 하이드로 포밍 금형 내에서 확관 성형하여 하나의 멤버 성형품으로 제작하는 단계;

   상기 멤버 성형품을 프레스 열간 성형 금형 내에서 변태점 온도 이상의 고온으로 가열하는 단계;

   상기 가열된 멤버 성형품을 급속 냉각에 의해 냉각하여 고 강도의 마르텐사이트 금속조직을 갖도록 하는 단계;

   상기 고 강도의 마르텐사이트 금속조직을 갖는 멤버 성형품을 트림라인 및 홀 가공라인을 따라 레이저 컷팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 멤버 제작방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에서,

   상기 각 테일러 용접선은

   상기 맞춤 블랭크를 튜브 관제로 조관 성형 시, 그 조관 용접선에서 교차하지 않도록 상기 튜브 관제의 외면을 따라 일정각의 사선방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 멤버 제작방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

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