KR100319450B1 - 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치 및 그 성형방법 - Google Patents

이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치 및 그 성형방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 판재를 구속하지 않은 상태에서 점진적으로 눌러주는 판재의 굽힘변형 원리로 성형함으로써 판재의 두께변형이 거의 발생하지 않으며 성형된 판재의 표면파형이 자연적으로 일정한 모습을 갖도록 성형하는 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치 및 그 성형방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 제어장치의 제어에 의해 X축, Y축 및 Z축방향으로 이동하는 성형공구를 이용하여 판재를 벤딩하는 성형장치에 있어서, 상기 성형공구는 펀치 받침대(37)에 설치되어 판재(35)를 지지하면서 벤딩하는 2쌍의 지지펀치(36)와, 상기 2쌍의 지지펀치(36)에 의해 형성된 사각형의 테두리안에서 판재(35)를 상부에서 가압하여 벤딩하는 중심펀치(39)를 포함한다. 또한, 본 발명의 성형방법은, 2쌍의 지지펀치(36)와 중심펀치(39)를 이용하여 판재(35)의 중심을 눌러 벤딩하는 단계와, 상기 판재(35)의 중심을 기준으로 전후좌우방향을 따라 벤딩하는 단계와, 상기 판재(35)의 중심을 기준으로 중심에서 바깥쪽 방향으로 그리고 좌우대칭되게 순차적으로 벤딩하는 단계 및, 상기 판재(35)의 가장자리부위를 순차적으로 벤딩하는 단계를 수행한다.

Description

이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치 및 그 성형방법{Apparatus and method for forming doubly-curved sheet}
본 발명은 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치에 관한 것이며, 특히, 금속판재의 벤딩변형원리를 이용하여 판재를 점진적으로 눌러 성형하는 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 장치를 이용하여 판재를 성형하는 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 방법에 관한 것이기도 하다.
곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치와, 이런 장치를 이용하여 판재를 타격함으로써 생성되는 깊이에 따른 표면파형(surface waviness)에 관한 내용이, 「Development of Incremental Sheet Metal Forming System Using Elastic Tools(Principle of Forming Process and Formation of Some Fundamentally Curved Shapes) / M. Matsubara, S. Tanaka, and T. Nakamura / JSME International Journal Series C, Vol. 39, No. 1, 1996, pp. 156-163 ; 이하, '인용문헌1'이라고 칭함」에 기술되어 있다.
인용문헌1의 기술내용을 간단히 살펴보면 다음과 같다.
인용문헌1의 성형장치는, 도 1 및 도 2에 보이듯이, 판재(11)를 지지해 주는 1개의 다이(12)와, 스프링(17)에 의해 고정되는 판재(11)를 X축 및 Y축방향으로 이동시키는 XY축 테이블(13)과, 이런 XY축 테이블(13)을 이동시킬 수 있는 동력을 제공하는 모터 드라이버(14)와, 판재(11)를 타격하여 곡률을 생성하는 1개의 펀치(15) 및, 모터(14) 및 펀치(15)를 제어하는 제어장치(16)로 구성되어 있다.
여기에서, 판재(11)는 충격을 가하면 스트레치(stretch)되거나 벤딩(bending)될 수 있는 금속재질의 것이 사용되고, 다이(12)는 충격을 흡수할 수 있는 탄성재질의 것이 사용되며, 펀치(15)는 강도가 있는 강철재질의 것이 사용된다.
이렇게 구성된 성형장치는 펀치(15)를 이용하여 판재(11)를 타격함으로써 곡률을 갖는 판재를 성형하는 것이다.
그리고, 인용문헌1에는 깊이 타격할수록 스트레치가 많이 발생하여 표면파형이 일정해지려는 경향이 있다는 내용이 기술되어 있다.
즉, 인용문헌1의 내용을 간략하게 정리하면, 성형장치는 1 개의 펀치(15)와 다이(12)를 이용하여 판재(11)를 성형하는 것으로서, 그 기본원리는 펀치(15)의 타격에 의한 스트레치이며, 판재(11)의 표면파형이 일정하게 되기 위해서는 다시 말해서 판재(11)의 표면을 매끄럽게 하기 위해서는 펀치(15)의 타격깊이를 깊게 해야 한다는 것이다.
그러나, 인용문헌1의 판재의 성형방법은 스트레치에 의한 성형이므로, 판재의 두께변형이 발생한다는 문제점과, 이렇게 발생한 판재의 두께변형이 경우에 따라 불규칙하다는 문제점이 있다.
그리고, CNC machine tools를 이용하여 판재를 스트레치-익스펜딩(stretch-expanding)원리로 성형하는 성형장치에 관한 내용이, 「Incremental Sheet Metal Stretch-Expanding with CNC Machine Tools / K. Kitazawa / Proceeding of the Fourth International Conference on Technology of Plasticity, pp. 1899-1904 ; 이하, '인용문헌2'이라고 칭함」에 기술되어 있다.
인용문헌2의 기술내용을 간단히 살펴보면 다음과 같다.
인용문헌2의 성형장치는, 도 3에 보이듯이, 금속판재(21)의 양단부를 블랭크 홀더(blank holder ; 22)로 고정시키고 펀치(23)를 이용하여 금속판재(21)를 누름으로써 곡률을 갖는 판재를 성형하는 것이다.
그러나, 인용문헌2의 성형장치는 금속판재(21)의 양단부를 블랭크 홀더(22)로 고정시킨 상태에서 성형함으로, 그 고정부위가 성형되지 않아 최종형상을 기준으로 불필요한 부분이 형성되고, 그에 따른 블랭크 홀더(22)로 고정된 부분만큼의 재료손실이 발생한다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 판재를 구속하지 않은 상태에서 판재의 굽힘변형 원리로 점진적으로 눌러주어 성형함으로 판재의 두께변형이 거의 발생하지 않으며 성형된 판재의 표면파형이 자연적으로 일정한 모습을 갖도록 하는 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치 및 그 성형방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시된 성형장치의 성형공구를 분리하여 도시한 사시도이고,
도 3은 종래기술에 따른 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치의 성형공구를 도시한 개략도이고,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고,
도 5a는 도 4에 도시된 성형장치의 성형공구를 분리하여 도시한 사시도이고,
도 5b는 도 5a에 도시된 성형공구의 사이에 판재가 배치된 상태를 도시한 사시도이고,
도 6은 도 4에 도시된 성형장치를 이용하여 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 과정을 도시한 공정도이고,
도 7은 도 4에 도시된 성형장치를 이용하여 판재의 가장자리부위를 성형하는 개념도이고,
도 8은 도 4에 도시된 성형장치를 이용하여 판재를 성형하는 성형경로를 설명하기 위한 공정도이며,
도 9는 도 4에 도시된 성형장치 및 그 성형방법을 이용함으로써 성형된 이중곡률을 갖는 판재의 사시도.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
31 : 고정테이블 32 : X축테이블
33 : Y축테이블 34 : Z축테이블
35 : 금속판재 36 : 지지펀치
37 : 펀치 받침대 38 : 제어장치
39 : 중심펀치
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 제어장치의 제어에 의해 X축, Y축 및 Z축방향으로 이동하는 성형공구를 이용하여 판재를 벤딩하는 성형장치에 있어서, 상기 성형공구는 펀치 받침대에 설치되어 판재를 지지하면서 벤딩하는 2쌍의 지지펀치와, 상기 2쌍의 지지펀치에 의해 형성된 사각형의 테두리안에서 판재를 상부에서 가압하여 벤딩하는 중심펀치로 구성되어 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제어장치의 제어에 의해 X축, Y축 및 Z축방향으로 이동하는 성형공구를 이용하여 판재를 벤딩하는 성형방법에 있어서, 2쌍의 지지펀치와 중심펀치를 이용하여 판재의 중심을 눌러 벤딩하는 단계와, 상기 판재의 중심을 기준으로 전후좌우방향을 따라 벤딩하는 단계와, 상기 판재의 중심을 기준으로 중심에서 바깥쪽 방향으로 그리고 좌우대칭되게 순차적으로 벤딩하는 단계 및, 상기 판재의 가장자리부위를 순차적으로 벤딩하는 단계를 수행한다.
아래에서, 본 발명에 따른 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치 및 그 성형방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도면에서, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고, 도 5a는 도 4에 도시된 성형장치의 성형공구를 분리하여 도시한 사시도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 성형공구의 사이에 판재가 배치된 상태를 도시한 사시도이다.
도 4에 보이듯이, 본 발명의 성형장치는 고정테이블(31)을 포함한다. 이런 고정테이블(31)에는 Y축방향으로 이동하는 Y축테이블(33)이 설치되어 있고, 이런 Y축테이블(33)에는 Z축방향으로 이동하는 Z축테이블(34)이 설치되어 있으며, 이런 Z축테이블(34)에는 X축방향으로 이동하는 X축테이블(32)이 설치되어 있다. 이렇게 구성된 X축, Y축, Z축테이블(32, 33, 34)은 각각의 모터(도시생략)의 구동력에 의해 작동하고, 이런 모터들은 제어장치(38)에 의해 각각 제어된다.
그리고, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, X축테이블(32)에는 성형하고자 하는 금속판재(35)를 지지하는 2쌍의 지지펀치(36)가 결합된 펀치 받침대(37)가 고정되어 있다. 그리고, 펀치 받침대(37)에 결합된 지지펀치(36)는 2개의 펀치로 구성된 것으로서, 펀치 받침대(37)에 결합된 총 4개의 펀치에 의해 사각형이 형성된다. 이런 4개의 펀치의 끝단부는 금속판재(35)가 자연스럽게 벤딩될 수 있도록 라운드지게 형성되어 있다.
이렇게 결합된 2쌍의 지지펀치(36)는 펀치 받침대(37)에 대해 전후좌우로 이동할 수 있도록 설치되어 있다. 즉, 이런 2쌍의 지지펀치(36)를 전후좌우로 이동시킴으로써, 이런 2쌍의 지지펀치(36)에 의해 형성되는 사각형의 크기를 조절하게 된다. 이렇게 사각형의 크기를 조절하는 것은 판재가 벤딩되는 정도를 조절하기 위해서다.
그리고, 도 4에 보이듯이, 고정테이블(31)의 상부에는 2쌍의 지지펀치(36)의 상부에 놓인 금속판재(35)를 벤딩하는 데 사용되는 중심펀치(39)가 고정되어 있다. 이런 중심펀치(39)의 끝단부는 금속판재(35)가 자연스럽게 벤딩될 수 있도록 라운드지게 형성되어 있다.
아래에서는 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 성형장치의 작동에 대해 상세히 설명하겠다.
도면에서, 도 6은 도 4에 도시된 성형장치를 이용하여 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 과정을 도시한 공정도이고, 도 7은 도 4에 도시된 성형장치를 이용하여 판재의 가장자리부위를 성형하는 개념도이다.
먼저, 도 4에 보이듯이, 2쌍의 지지펀치(36)의 상부에 성형하고자 하는 금속판재(35)를 올려놓고, 1회 작동시에 벤딩되는 깊이의 치수를 제어장치(38)에 입력한 후 작업을 개시한다. 그러면, X축, Z축 테이블(32, 34)이 이동하여, 중심펀치(39)가 2쌍의 지지펀치(36)에 의해 형성된 사각형의 중심에 위치한다.
그런 다음, 도 6에 보이듯이, 제어장치(38)의 제어에 의해 Y축테이블(33)이 상부로 이동하여 중심펀치(39)가 1회 작동시에 벤딩되는 깊이만큼 금속판재(35)를 눌러준다. 그러면, 금속판재(35)는 지지펀치(36)와 중심펀치(39)의 사이에 작용하는 힘에 의해 벤딩변형이 일어나게 된다.
이렇게 하여 해당부위에 대한 벤딩이 완료되면, 제어장치(38)의 제어에 의해 Y축테이블(33)은 원위치로 복귀한다. 그러면, 금속판재(35)를 수동으로 이동시켜 성형하고자 하는 부위를 2쌍의 지지펀치(36)의 사각형의 중심에 위치시킨다. 이때, 별도의 장치를 부착하여 자동으로 금속판재(35)를 2쌍의 지지펀치(36)의 사각형의 중심에 위치시킬수도 있다.
이렇게 하여 성형부위가 설정되면, 앞서 설명한 바와 동일한 방법으로 벤딩작업이 수행된다. 이런 과정을 걸쳐 이중곡률을 갖도록 판재(35)를 성형하다가 가장자리부위를 성형하고자 할 경우에는, 도 7에 도시된 바와 같이 2쌍의 지지펀치(36) 중 3개의 펀치만을 이용하여 금속판재(35)를 지지하고, 중심펀치(39)의 위치도 금속판재(35)를 지지하고 있는 3개의 펀치에 의해 형성되는 삼각형의 중심위로 조정되어 금속판재(35)를 성형하게 된다.
이 때, 중심펀치(39)의 중심은 제어장치(38)에 의한 X축, Z축테이블(32, 34)의 이동에 의해 조정된다. 그리고, 금속판재(35)의 가장자리부위의 성형시에는 중심부위 성형시의 2/3정도의 깊이만큼 가압된다.
위와 같은 일련의 과정을 따라 금속판재(35)의 전면이 1회 벤딩되면, 이와 동일한 과정을 연속적으로 수행하여 원하는 깊이만큼 벤딩함으로써 이중곡률을 갖는 판재를 성형하게 된다.
앞서 설명한 본 발명의 성형장치는 Y축테이블(33)이 상하로 작동함으로써 금속판재(35)를 성형하고 있지만, Y축테이블(33)은 고정되고 중심펀치(39)를 상하로 작동시켜 금속판재(35)를 성형할 수도 있다.
아래에서는 본 발명의 성형장치를 이용한 판재의 성형방법에 대해 상세히 설명하겠다.
도면에서, 도 8은 도 4에 도시된 성형장치를 이용하여 판재를 성형하는 성형경로를 설명하기 위한 공정도이고, 도 9는 도 4에 도시된 성형장치 및 성형방법을 이용함으로써 성형된 이중곡률을 갖는 판재의 사시도이다.
도 8에 보이듯이, 먼저, 금속판재(35)의 중심을 눌러 벤딩한 후, 금속판재(35)의 중심을 기준으로 전후좌우방향을 따라 벤딩한다. 그런 다음, 금속판재(35)의 중심을 기준으로 중심에서 바깥쪽 방향으로 그리고 좌우대칭되게 순차적으로 벤딩한다. 그리고 나서, 금속판재(35)의 가장자리부위를 순차적으로 벤딩한다.
위와 같은 일련의 과정을 따라 금속판재(35)의 전면이 1회 벤딩되면, 이와 동일한 과정을 연속적으로 수행하여 원하는 깊이만큼 벤딩함으로써 이중곡률을 갖는 판재를 성형하게 된다. 그러면, 도 9에 도시된 바와 같은 이중곡률을 갖는 판재가 성형된다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치 및 그 성형방법은 판재의 벤딩변형원리로 점진적으로 눌러주어 성형함으로 판재의 두께변형이 거의 발생하지 않는다.
또한, 본 발명의 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치 및 그 성형방법은 판재가 구속되지 않은 상태에서 가장자리부위까지 전범위를 성형함으로 판재의 손실이 전혀 발생하지 않을 뿐만 아니라 이중곡률의 분포를 보다 고르게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치 및 그 성형방법은 원하는 깊이를 1회에 벤딩하지 않고 다수회에 걸쳐 벤딩하여 성형함으로 박판 금속재료로부터 자동차, 선박, 항공기 등의 몸체를 이루고 있는 두꺼운 금속 판재의 성형까지 여러 두께의 금속 판재를 성형하는 데 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치 및 그 성형방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (5)

  1. 제어장치의 제어에 의해 X축, Y축 및 Z축방향으로 이동하는 성형공구를 이용하여 판재를 벤딩하는 성형장치에 있어서,
    상기 성형공구는 펀치 받침대(37)에 설치되어 판재(35)를 지지하면서 벤딩하는 2쌍의 지지펀치(36)와, 상기 2쌍의 지지펀치(36)에 의해 형성된 사각형의 테두리안에서 판재(35)를 상부에서 가압하여 벤딩하는 중심펀치(39)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2쌍의 지지펀치(36)는 펀치 받침대(37)에 대해 전후좌우방향으로 이동할 수 있게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 장치.
  3. 제어장치의 제어에 의해 X축, Y축 및 Z축방향으로 이동하는 성형공구를 이용하여 판재를 벤딩하는 성형방법에 있어서,
    2쌍의 지지펀치(36)와 중심펀치(39)를 이용하여 판재(35)의 중심을 눌러 벤딩하는 단계와,
    상기 판재(35)의 중심을 기준으로 전후좌우방향을 따라 벤딩하는 단계와,
    상기 판재(35)의 중심을 기준으로 중심에서 바깥쪽 방향으로 그리고 좌우대칭되게 순차적으로 벤딩하는 단계 및,
    상기 판재(35)의 가장자리부위를 순차적으로 벤딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 판재(35)는 벤딩변형원리로 점진적으로 누름으로써 성형되며, 상기 판재(35)의 전면을 1회 벤딩한 후, 이와 동일한 과정을 다수회 수행하여 원하는 깊이만큼 벤딩하는 것을 특징으로 하는 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 판재(35)의 가장자리부위의 성형시에는, 상기 2쌍의 지지펀치(36) 중 3개의 펀치만을 이용하여 판재(35)를 지지하고, 상기 중심펀치(39)가 판재(35)를 지지하고 있는 3개의 펀치에 의해 형성되는 삼각형의 중심 위치에서 판재(35)의 중심부위 성형시의 2/3정도의 깊이로 눌러 벤딩하는 것을 특징으로 하는 이중곡률을 갖는 판재를 성형하는 방법.
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