KR100381760B1 - 캔의 추출성 향상을 위한 아이어닝 펀치의 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스틸 DI캔의 제조시 캔의 몸체성형 완료후 캔을 펀치로부터 분리하는 과정에서 발생하는 롤백현상을 방지하고 캔의 추출불량을 개선시키기 위한 아이어닝 펀치를 제공한다.

이를 위해, 캔의 몸체성형에 사용되는 통상의 아이어닝 펀치에 있어서, 그 표면에 깊이가 완성 캔 벽두께의 2~8%를 이루고, 길이가 완성 캔 높이의 8~16%를 이루며, 폭이 캔 반경의 8~20%인 오목형상의 홈부를 형성하되, 그 홈부는 양쪽 단부의 곡률이 폭의 50%로 이루어지고, 펀치표면과의 경계면은 완만한 곡률이 형성되어, 펀치의 원주방향으로 홈과 홈사이의 간격이 상기 홈부의 폭의 2~5배가 되도록 배열된다.

이와 같은 본 발명으로 펀치로부터 캔 분리가 용이하고 또한 롤백과 같은 추출불량을 현저히 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

캔의 추출성 향상을 위한 아이어닝 펀치의 구조{Structure of a Ironing punch for improving the strippability of a steel Drawn and Ironed can}

본 발명은 석도강판을 소재로 하는 스틸 DI캔의 몸체성형 완료후 펀치로부터 캔을 분리하는 과정에서 발생하는 롤백을 감소시키기 위한 아이어닝 펀치의 구조에 관한 것으로서, 펀치표면에 가느다란 오목형상의 다수의 홈부를 형성하여 캔의 추출성을 향상시킬 수 있는 아이어닝 펀치에 관한 것이다.

일반적으로 캔은 금속제 재료를 사용해 유동성의 액상 및 가공식품 등을 담을 수 있게 제조된 철제용기로서, 그 구성부위의 수에 따라 3피스 캔과 2피스 캔으로 구분된다. 3피스 캔은 뚜껑부,몸통,바닥부의 3부위로 이루어진 반면에 2피스 캔은 몸통과 바닥부가 일체로 성형이 된다. 따라서 2피스 캔은 3피스 캔에 비하여 내용물의 보존 안전성, 생산의 효율성이 높고 제조원가가 낮기 때문에 음료 및 식품의 저장용기로 널리 사용되고 있다.

2피스 캔은 제조에 적용되는 가공모드에 따라, DRD캔(Drawn Redrawn can), DI캔(Drawn Ironed can), Drawn캔으로 구별된다. DRD캔은 드로잉 가공법과 수회의 리드로잉(Redrawing) 가공법에 의하여 생산되므로 최종 완성캔의 벽두께가 원판 소재 두께와 거의 동일한데 비하여 DI캔은 드로잉 및 리드로잉 가공후 벽두께를 얇게 하는 아이어닝 공정을 적용하므로 캔의 벽두께가 소재 두께 대비 60%이상 얇은 특성을 지니고 있다. 따라서 동일한 캔을 제조할 경우 DI캔은 DRD캔에 비하여 소재 사용량이 적고 가볍기 때문에 맥주나 탄산음료 등의 저장용기로 많이 쓰인다. 여기서, DI캔의 소재로는 석도강판(Tinplate)이나 알루미늄합금이 주로 쓰이고 있으나, 철강재가 저가이며 안정적 공급이 가능하기 때문에 석도강판을 많이 사용하고 있다.

도1a는 종래의 2피스 DI캔의 제조공정과 각 공정별 얻어지는 제품의 형상을 나타낸다.

도1a의 (a),(b),(c)는 각각 드로잉공정, 리드로잉공정, 아이어닝공정을 나타내고 있다. 도시 된 바와 같이 두께가 약 0.22~0.28mm정도인 석도강판으로 딥드로잉(Deep drawing)가공 및 리드로잉(Redrawing)가공을 거쳐 원하는 캔(20)의 직경을 얻고, 또한 아이어닝 가공에 의해 캔(20)의 벽두께를 줄이는 동시에 높이를 증가시켜 최종적인 완성 캔(20)을 얻게 된다.

상기 가공공정 중에서 특히, 완성 캔을 제조하는 아이어닝공정에 대한 보다 상세한 설명을 도1b 내지 도1e에서 제시하고 있는데, 그 구성은 펀치(100)와 1,2,3단의 다이(26,27,28)로 이루어져 있다. 그리고 상기 다이(26,27,28)의 내경은 펀치(10)의 전진방향에 대응하여 점차적으로 줄어들게 설계되어 있다. 따라서, 펀치(10)의 전진행정에 있어서는 도1b와 같이 리드로잉이 완료된 소재 즉, 캔(20)은 펀치(10)에 끼인 채로 3단계의 다이(26,27,28)를 연속적으로 통과하게 되고, 상기 각각의 다이(26,27,28)와 펀치(10)사이의 공간을 통과함에 따라 캔(20)의 벽부는 점차적으로 그 두께가 얇아지고 동시에 캔(20)의 높이는 증가하게 된다.

이와 같이 DI캔 제조공정에서의 아이어닝 과정은 3회의 아이어닝 단계를 거쳐 캔(20)의 몸체를 성형하게 되며 최종 완성 캔(20)의 벽두께는 대략 0.08~0.10mm정도로 아주 얇아지게 된다. 3회의 아이어닝 가공에 의하여 몸체성형이 완료된 캔(20)은 이후 펀치(10)에 끼인 채로 전진하여 펀치행정(punch stroke)의 상사점까지 이동되고, 캔(20)의 바닥모양을 형성하는 바닥성형(Doming)공정을 거치게 된다.

그 후 펀치(10)는 후진행정(return stroke)을 개시하는데, 이때 펀치(10)에 끼인 캔(20)을 펀치(10)로부터 분리하는 캔(20)의 추출공정이 동시에 이루어 지게 된다.

도1c는 펀치(10)의 후진행정 및 캔의 추출과정을 모식적으로 나타낸 도면이다. 캔(20)의 추출은 3번째 다이(28)의 후방에 설치된 추출기(30)에 의하여 이루어지고, 도1d는 그 요부를 확대 발췌한 것이다.

도1e는 추출기(30)의 정면에서 바라본 형상을 나타낸 것으로, 추출기(30)는보통 16~20여 개의 조각편(32)으로 구성되어 있고 그 외면이 스프링(미도시)에 의해 지지되어 도1a와 같이 펀치(10)가 전진행정을 할 때에는 추출기(30)의 조각편(3 2)들이 외면으로 벌어져 캔(20)이 쉽게 전진할 수 있게 되어 있으나, 후진행정 시 다시 오무려져 캔(20)의 선단부가 걸리게 되고 결국 캔(20)이 펀치(10)로부터 분리되는 것이다.

이와 같은 과정의 아이어닝 공정은 캔(20) 소재의 두께를 얇게 하는 과정이기 때문에, 공정중의 소재는 심한 소성변형을 받게 된다. 따라서 가공완료 후에는 캔(20)의 벽부에 각각 원주방향, 축방향, 두께방향으로 잔류응력이 잔존해 있게 되며 이는 캔(20) 추출공정의 난이도를 결정하는 주요한 인자중의 하나로 작용한다. 이중 캔(20) 벽부의 원주방향 잔류응력은 캔(20)이 펀치(10)를 강하게 물고 있는 방향으로 작용하게 되므로, 이 응력이 클수록 캔(20)의 추출이 어려워지게 된다. 또한, 원주방향의 잔류응력 크기를 결정하는 인자중의 하나가 소재의 강도이다. 스틸 DI캔용 소재인 석도강판의 경우, 기본적으로 알미늄 소재에 비하여 강도가 높기 때문에 현재 생산되는 대부분의 스틸 DI캔은 그 정도의 차이는 있지만 추출불량 현상 즉, 롤백(roll back)이 발생한다.

도1f에 나타낸 (a),(b)는 펀치로부터 캔 추출시 롤백이 발생한 캔의 외형을 예시한 것이다. 롤백이 발생한 (a)의 경우 캔(20) 벽부 상단의 소재 일부가 찢어지면서 뒤로 말린 형태를 여러 개소에서 보이고 있고, (b)의 경우는 추출기(30)에 의하여 캔(20)의 상부가 눌리면서 주름이 발생한 형태이다.

이와 같이, 캔(20)이 분리되는 과정에서 롤백발생의 문제점으로 인해, 후속공정인 트리밍(trimmimg)공정으로 캔(20)이 이송시 끼임현상이 발생하여, 결국은 연속공정 중에 기계의 정지를 초래하게 되거나, 트리밍나이프(trimming knife)의 파손을 유발하는 경우가 비일비재 하였다. 이로 인해 공정지연 및 기계고장으로 인한 시간 및 금전적인 손실을 초래하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 아이어닝가공 후 캔의 몸체에 잔존하는 잔류응력으로 인해 펀치로부터 캔의 분리가 어렵던 문제를 개선하고 롤백을 방지하여 캔의 추출성을 향상시킬 수 있도록 하는 아이어닝 펀치를 제공하는 것이다.

도 1a내지 도1e는 종래기술에 따른 캔 제조공정을 나타낸 공정도로서,

도1a는 2피스DI캔 제조공정별 성형되는 제품을 나타낸 단면도.

도1b는 펀치의 전진행정을 나타낸 상태도.

도1c는 펀치의 후진행정 및 캔 추출과정을 나타낸 상태도.

도1d는 도1c의 상세도.

도1e는 추출기의 정면도.

도1f는 종래기술에 의해 추출된 캔의 외형을 나타낸 예시도.

도2는 본 발명에 따른 아이어닝 펀치의 외형을 도시한 개략도.

도3a 내지 도3c는 아이어닝 펀치가 캔의 제조공정에 적용되는 모습을 나타낸

도면으로서,

도3a는 아이어닝 가공후의 모습을 나타낸 부분 단면도.

도3b는 캔의 바닥 형성작업을 나타낸 부분 단면도.

도3c는 본 발명의 캔 벽부 소재의 움직임을 도시한 상세도.

도4는 종래기술 및 본 발명의 실시예를 비교한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20 : 캔 22 : 캔벽부

24 : 캔바닥부 26,27,28 : 제1,2,3단 아이어닝다이

30 : 추출기 조각편 : 32

42 : 홈부 D : 홈부깊이

H : 완성캔 높이 I : 캔벽두께

L : 홈부길이 N : (홈부사이의) 간격

R : (홈부양측단부의)곡률 S : 캔반경

W : 홈부폭

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 다음과 같이 구성된다. 즉, 본 발명은 캔의 몸체성형에 사용되는 통상의 아이어닝 펀치에 있어서, 그 표면에 깊이가 완성 캔 벽두께의 2~8%를 이루고, 길이가 완성 캔 높이의 8~16%를 이루며, 폭이 캔 반경의 8~20%인 오목형상의 홈부를 형성하되, 그 홈부는 양쪽 단부의 곡률이 폭의 50%로 이루어지고, 펀치표면과의 경계면은 완만한 곡률이 형성되어, 펀치의 원주방향으로 홈과 홈사이의 간격이 상기 홈부의 폭의 2~5배가 되도록 배열되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면 도 2 는 본 발명에 따른 아이어닝 펀치의 개략적인 외형을 도시한 것이고 도3a 내지 도3c는 아이어닝 펀치가 캔의 제조공정에 적용되는 모습을 나타낸 도면이다.

도면을 참조하여 설명하면 본 발명에 의한 아이어닝펀치(40)는 통상의 펀치 외주면상에 길이방향 즉, 축방향으로 가늘고 길게 뻗은 홈부(42)가 형성되어 있다. 여기서 상기 홈부(42)의 깊이(D)는 완성캔 벽두께(I)의 2~8%를 이루고 있는데, 만일 상기 값보다 작을 경우 본 발명의 홈부(42)의 효과는 없어지며 반대로, 그 이상일 경우에는 오히려 캔(20) 추출성능이 약화된다.

한편, 상기 홈부(42)의 길이(L)는 완성캔 높이(H)의 8~16%를 이루며 홈부(42 )의 폭(W)은 캔 반경(S)의 8~20%로 이루어져 있다. 또한 홈부(42)의 양쪽 단부의 곡률(R)은 상기 홈부(42)의 폭(W)의 절반 즉, 50%를 형성하고 아이어닝펀치(40)의 표면과 홈부(42)의 경계면은 완만한 곡률로 처리되어 있다.

또한 상기 홈부(42)는 아이어닝펀치(40)의 원주방향으로 배열되어 각각의 홈부(42) 사이의 간격(N)이 홈부(42)의 폭(W)의 2~5배가 되도록 적절히 배치되며 아이어닝펀치(40)의 길이방향 즉, 축방향으로 2열이 되도록 한다. 이러한 홈부(42)의 길이, 폭 및 그 개수를 규정하는 이유는 그 크기가 과다할 경우 아이어닝 공정시 홈부(42)에 채워지는 소재의 양이 많아지기 때문에 완성캔의 높이(H)가 낮아질 가능성이 있으며, 반대로 너무 작을 경우 홈부(42)의 효과를 얻지 못하는 결과가 발생하기 때문이다. 따라서 위와 같이 제시된 적정치수 값에 해당되는 경우에만본 발명의 바람직한 효과를 기대할 수 있다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도3a는 본 발명에 의한 아이어닝펀치(40)를 적용하여 캔(20)의 몸체성형을 끝낸 상태를 나타낸 도면이다. 도면에서 보는 바와 같이 아이어닝 가공이 완료되면 캔(20)을 이루는 소재는 아이어닝펀치(40)에 형성된 오목한 홈부(42)의 내부에 채워진 상태를 이루게 된다. 이러한 캔(20)의 소재가 홈부(42)에 채워진 상태에서는 오히려 추출작업이 어려워질 것으로 생각할 수 있지만, 이후에 설명하는 통상의 제관 공장에서 행해지는 캔(20) 바닥형성(Bottom doming)작업시에 본 발명에 대한 효과가 나타나게 된다.

도3b는 캔(20)의 바닥 형성작업을 나타낸 것인데, 캔바닥부(24)에 오목한 형상을 부여하는 캔(20)의 바닥성형 시 도면의 화살표가 진행하는 방향으로 소재 즉, 캔벽부(22)는 캔바닥부(24)를 향하여 약간 이동하게 된다. 이와 같은 현상을 통상 풀다운(pull-down)이라고 일컫는데, 오목한 돔 형상의 캔바닥부(24)를 가지는 모든 DI캔의 제조시에 일어나게 되는 현상이다.

이와 같은 풀다운 현상이 발생하게 될 경우, 캔벽부(22)는 아이어닝펀치(40)표면의 홈부(42)를 이탈하여 도3c에서 보는 바와 같이 아이어닝펀치(40) 표면과의 접촉상태가 해제하게 된다. 따라서 통상의 가공법에서는 소재 즉, 캔벽부(22)와 아이어닝펀치(40)가 강한 접촉상태를 유지한 채 추출이 진행되는 것에 비하여, 본 발명에 의한 추출시에는 캔벽부(22)의 대부분이 상기 아이어닝펀치(40) 외면과의 접촉이 해제된 상태에서 아이어닝 펀치(40)로부터 분리되기 때문에 추출성능이 우수해지며 롤백과 같은 추출불량이 크게 감소되는 것이다.

또한 상기와 같은 방법에 의하여 완성된 캔(20)의 몸체는 중간 중간에 캔(20)의 벽두께(I)가 보강된 부분이 존재하므로 캔(20)의 안정성 측면에서도 유리하게 된다.

이하, 본 발명 및 공지기술의 비교예를 통하여 효과를 설명한다.

<비교예>

도4는 스틸 DI캔을 통상의 펀치로 가공한 결과(X)와 본 발명의 아이어닝 펀치로 가공한 결과(Y)를 각각의 추출성을 비교하여 나타낸 것으로서, 종축은 소재경도를, 횡축은 소재경도에 따른 롤백 발생률을 나타낸 것이다.

먼저, 본 실시예에 있어서는 소재의 경도가 약 56에서 59의 범위에 속하는 8가지의 석도강판을 대상으로 하여 DI캔 가공시험을 실시하였으며, 각 조건에서의 추출성능은 롤백 발생률을 측정하여 비교하였다. 여기서, 롤백 발생률은 캔 상부에서의 롤백이 발생한 길이를 측정하여 캔의 원주둘레로 나눈 값으로, 이 값이 100%이면 캔의 전체둘레에서 롤백이 발생하였음을 의미한다.

또한, 본 시험에서 적용된 석도강판은 그 두께가 0.245mm이며, 완성 캔의 반경(S)은 33mm, 완성 캔의 높이(H)는 132mm, 완성 캔의 벽두께(I)는 0.082mm이다. 시험에 사용된 본 발명의 아이어닝펀치(40)는 홈부(42)의 깊이가 완성 캔 벽두께( I)의 약 3%, 홈부(42)의 길이는 완성 캔 높이(H)의 10.2%, 홈부(42)의 폭(W)은 캔 반경(S)의 12.8%, 홈부(42)의 양쪽 단부의 곡률(R)은 홈부(42)의 폭(W)의 약 4배,또한 아이어닝펀치(40) 길이방향으로는2열의 홈부(42)가 배치되도록 하였다.

도면에 나타낸 결과에서 알 수 있듯이 통상의 펀치로 가공한 경우 평균 약 25%정도의 롤백이 발생하였으나, 본 발명에 의한 아이어닝 펀치(40) 가공한 경우에는 약 7%의 롤백이 발생하였다. 결과적으로 캔(20)의 롤백현상이 큰 폭으로 감소하여 추출성능이 현저하게 개선되었음을 알 수 있다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 종래의 아이어닝 펀치로 가공할 경우 발생하던 롤백 발생률을 현저하게 감소시킬 수 있기 때문에 캔 추출시 불량률을 줄일 수 있고, 또한 DI캔 가공시 강도가 높은 석도강판과 같은 소재에 있어서도 그 작업성을 향상시킬 수 있기 때문에 시간 및 경제적인 효과를 도모할 수 있다.

Claims (2)

1. 스틸 DI캔의 추출성능을 향상시키기 위하여 통상의 아이어닝 펀치의 외주면에, 깊이가 완성 캔 벽두께의 2~8%를 이루고, 길이가 완성 캔 높이의 8~16%를 이루며, 폭이 캔 반경의 8~20%인 오목형상의 홈부를 형성하되, 그 홈부는 양쪽 단부의 곡률이 폭의 50%로 이루어지고, 상기 홈부와 펀치표면이 이루는 경계면은 완만한 곡률이 형성되어, 펀치의 원주방향으로 각 홈부 사이의 간격이 상기 홈부의 폭의 2~5배가 되도록 배열되도록 하는 것을 특징으로 하는 캔의 추출성 향상을 위한 아이어닝 펀치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 홈부는 펀치의 길이방향 즉, 축방향으로 2열이 되도록 배열하는 것을 특징으로 하는 캔의 추출성 향상을 위한 아이어닝 펀치.