KR100478786B1 - 표면 광택성 및 스트리핑성이 우수한 스틸 2피스 캔 가공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면 광택성 및 스트리핑성이 우수한 스틸 2피스 캔의 가공법에 관한 것으로서, 스틸 소재를 D＆I(Drawing and Ironing) 가공법에 의해 2피스 캔을 성형함에 있어서, 통상의 방법으로 드로잉(Drawing) 및 아이어닝(Ironing) 공정을 실시한 캔을 버니싱 공정에서 두께 감소율의 범위를 7∼10%로 제한함으로써, 종래 방법에 의해 성형된 캔보다 표면 광택성을 향상시키고, 고속가공에서 연속 작업성에 영향을 미치는 롤백(Roll Back) 현상의 감소로 인한 스트리핑성(Strippability)을 크게 개선하는 것을 특징으로 한다.

Description

표면 광택성 및 스트리핑성이 우수한 스틸 2피스 캔 가공법{Steel 2-pc Can with Excellent Surface Brightness and Strippability}

본 발명은 표면 광택성 및 스트리핑성이 우수한 스틸 2피스 캔의 가공법에 관한 것으로서, 상세히는 스틸 소재를 D＆I(Drawing and Ironing) 가공법에 의해 2피스 캔을 성형함에 있어서, 가공조건 및 성형조건을 적절하게 하여 종래 방법에 의해 성형된 캔보다 표면 광택성을 향상시키고, 고속가공에서 연속 작업성에 영향을 미치는 롤백(Roll Back) 현상의 감소로 인한 스트리핑성(Strippability)을 크게 개선하는 것을 특징으로 한다.

최근 다양한 음료 및 식품의 개발에 따라 이들을 저장하는 캔, 병 등의 용기도 다양하게 변화하고 있다. 주로 용기의 제조에 사용되는 소재는 철강재인 스틸을 비롯하여 플라스틱, 유리, 알루미늄 또는 종이 등이 있으나, 그 중에서 철강재는 다른 소재에 비하여 가격이 낮으며, 캔 형태로 가공된 용기는 내용물에 대한 안정성, 즉 내식성이 우수하고 운반 등의 편리성을 가지고 있기 때문에 가장 널리 이용되고 있다.

캔 형태로 가공하여 사용되는 알루미늄의 경우는 원광석으로부터 목적으로 하는 캔 제조까지의 전력 사용량이 높으며, 국내의 경우 사용량 전체를 수입에 의해 의존하므로 소재의 제조비용이 철강재에 비하여 훨씬 높을 뿐 아니라, 자원의 재활용 측면에서 회수방법이 복잡하고, 재생에 소요되는 비용이 높으므로 철강재에 비하여 불리한 것으로 알려져 있다.

한편, 플라스틱과 유리병의 경우 운반 중에 손상이 쉽게 발생하고, 빛이 용기를 통과하는 문제점이 있으며, 특히 플라스틱의 경우 기체의 투과를 완전히 억제하기 곤란하기 때문에, 일부 내용물에 대해서 제한적으로 사용되고 있고, 이들 용기를 재활용하는 경우에도 세정 및 회수에 많은 비용이 추가되는 것으로 알려져 있다.

스틸 2피스 캔과 알루미늄 2피스 캔의 품질 특성은 큰 차이가 있다. 스틸 캔의 경우 내용물의 종류에 관계없이 충분한 내식성을 가지기 때문에, 보관하고자 하는 내용물에 대한 제한이 없으나, 알루미늄 캔은 내용물이 염분을 함유한 식품인 경우에는 국부적으로 부식이 진행되므로 저장이 곤란하며, 현재까지도 염분을 함유한 내용물을 알루미늄 캔에 적용한 실예는 없는 실정에 있다.

또, 스틸 캔은 알루미늄 캔에 비하여 강도가 높기 때문에, 안정성, 즉 캔의 운반 중에 상기 캔에 작용하는 압축 또는 충격에 의한 용기의 손상이 적은 특징이 있다.

캔에 내용물을 보관하는 것에는 내용물의 종류에 따라 캔 내부를 대기의 압력보다 높게 하는 탄산 음료 또는 스포츠 음료 등의 저장방법과 대기의 압력보다 낮게 하는 과일 음료, 차 종류 또는 건강 식품 등의 저장방법으로 나눌 수 있다.

알루미늄의 경우는 철강재에 비하여 강도가 낮기 때문에, 캔의 내부를 대기의 압력보다 낮게 하는 경우, 캔이 손상을 입기 쉬우므로 사용할 수 없으나, 스틸 캔의 경우는 충분한 강도를 가지므로 캔 내부의 압력에 관계없이 사용이 가능하기 때문에, 내용물의 종류 또는 저온, 고온 등의 보관방법에 제한을 받지 않고 널리 사용되고 있다.

이러한 측면에서 스틸 캔은 경제적 이점뿐만 아니라, 내용물에 대한 안정성, 운반의 편리성 또는 고강도이므로 파손에 대한 저항성 등의 특성을 이용하여 식품 및 음료의 저장용기로 널리 사용되고 있으며, 향후에도 식생활의 변화에 따라 그 사용이 점차 확대될 전망이다.

스틸 캔은 구성하고 있는 개체수에 따라 2피스 캔과 3피스 캔으로 구분되는데, 2피스 캔의 경우는 캔 바닥과 몸통이 일체이고, 뚜껑이 있는 두 개의 개체로 구성되어 있지만, 3피스 캔은 용접에 의해 형성된 몸통과 바닥 그리고 뚜껑의 세 개의 개체로 구성되어 있다.

2피스 캔은 3피스 캔과는 다르게 내용물과 접촉하기 용이한 용접부가 없기 때문에, 내용물을 장기간 보관할 수 있고, 가공공정에서도 산업적으로 비교적 단순한 공정에 의해 고속생산이 가능하며, 제조공정에서 발생하는 환경오염 물질의 방출이 적고, 캔 표면의 색상을 고려한 디자인이 일체형이므로 외관이 우수한 특징이 있으므로 최근에는 3피스 캔보다 2피스 캔의 적용이 확대되고 있는 실정이다.

2피스 D＆I 캔의 가공공정은 기계적인 성형공정으로 크게 드로잉(Drawing), 리드로잉(Redrawing), 아이어닝(Ironing), 트리밍(Trimming), 도밍(Doming) 공정으로 구분할 수 있다.

드로잉 공정에서는 소재로부터 블랭크(Blank)를 절단하여 일정한 컵의 형태로 가공하고, 리드로잉 공정에서는 컵의 직경을 감소시키게 되며, 아이어닝 공정에서는 펀치와 금형을 이용하여 직경의 변화는 없이 두께를 단계적으로 감소시켜 캔의 높이를 형성하고, 트리밍 공정에서는 불균일한 캔의 상단부를 일정한 높이가 되도록 절단하게 되며, 도밍에 의해 캔의 바닥부를 가공하게 된다.

그 다음으로 화학적인 공정으로 표면을 세정한 다음, 인쇄(Decorating)를 실시하게 되고, 캔의 내면에는 내용물과의 접촉을 방지하기 위하여 도료를 분사(Laquering)하여 건조시키며, 다시 기계적인 공정인 뚜껑을 체결할 수 있도록 직경을 감소시키는 넥킹(Necking)과 직경을 다시 확대하는 플랜징(Flanging) 공정을 거치게 된다.

그런데, 상기한 바와 같이, 2피스 캔은 3피스 캔에 비하여 경제적이며 우수한 품질 특성을 보이고 있음에도 불구하고, 최근에는 스틸 2피스 캔에 대해 더욱 이점을 더하기 위하여 고속가공 조건에서의 캔의 표면 광택성을 부가하거나, 가공공정에서 고속, 연속성을 향상시키기 위하여 성형공정을 최적화 하고자 하는 노력이 진행되고 있는 실정에 있다.

그러나, 캔의 가공공정에서 D＆I 방법은 주로 기계적인 성형방법이므로 가공조건에 따라 캔의 표면에 영향을 크게 미치게 되며, 고속조건에서 연속성에 지장을 주는 장애가 되는 요인이 많다고 할 수 있다.

2피스 캔용 강판은 표면에 주석을 도금한 석도강판을 사용하게 되며, 주석층은 가공 중에 윤활작용을 하여 캔의 두께 감소를 용이하게 하는 역할을 하나, 주석층은 실제 가공조건에서 소재의 두께 감소에 따라 발생하는 변형열 또는 캔의 표면과 가공금형과의 접촉에 의한 마찰열에 의해 일부 녹거나 재응고하여 광택성을 저하시키는 요인이 되고 있다.

주석층의 용융에 의해 발생되는 표면 결함은 주로 서리와 같이 부옇게 되는 프로스팅(Frosting, Wipe-Out) 현상을 가져오며, 이 현상은 인쇄 후에도 잔류하여 투명하지 못한 인쇄 결함을 야기하기도 하는 문제점이 있다. 따라서, 가공 중에 우수한 광택성을 얻기 위해서는 표면 주석층의 용융요인이 되는 온도의 상승을 가능한 억제하는 성형기술이 요구된다고 할 수 있다.

한편, 스틸 D＆I 2피스 캔 가공은 고속조건에서 연속으로 가공하기 때문에, 설비요인 이외에 캔의 품질이 양호하지 못할 경우에, 연속 작업성을 확보하기 곤란하며, 생산성 저하의 주요 요인으로 작용하게 된다. 연속 작업성에 영향을 미치는 캔 품질 중에서 자주 문제가 되는 결함은 롤백(Roll Back) 현상으로, 가공 후 캔이 펀치로부터 분리되는 정도를 나타내는 스트리핑성이 양호하지 않아 캔의 상단부가 말리는 현상이 발생하는 것으로서, 이는 트리밍 공정에서 원활하게 이동하지 않으므로 기계적으로 연속적인 성형을 어렵게 하는 문제가 된다. 따라서, 고속조건에서 연속 성형을 실시하는 D＆I 캔 가공에서는 상기 캔의 상단부에 발생하는 롤백(말림) 현상을 가능한 억제하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.

캔의 몸통(Body)을 성형하는 공정(Body Making)은 아이어닝(Ironing) 공정과 버니싱(Burnishing) 공정으로 구분되며, 아이어닝 공정은 캔의 직경의 변화가 없는 상태에서 펀치를 이용하여 상기 캔을 금형 사이로 통과시킴으로써 두께를 감소시키는 공정으로, 두께의 감소량 만큼 캔의 높이는 증가하게 된다. 이 때, 펀치와 금형 사이의 간격은 캔의 두께보다 약간 작게 하여 소성변형에 의해 캔 두께의 감소가 일어나게 하는 공정이다. 통상 스틸 캔의 경우 3단계의 아이어닝을 연속적으로 실시하여 두께를 감소시키게 되며, 각 단계에서의 두께 감소율은 약 20∼40% 범위이고, 초기 소재로부터 최종 캔 두께까지는 약 60∼70%의 두께 감소가 일어난다.

한편, 버니싱 공정은 아이어닝과 마찬가지의 공정이지만 두께 감소율은 10% 미만으로 실제 캔의 높이를 형성시키기 위한 두께의 감소보다는 아이어닝에 의해 손상된 캔의 표면을 약간의 두께 감소에 의해 마무리하는 공정으로, 표면 광택성을 향상시키는 역할은 물론, 캔을 펀치로부터 분리하는 것이 용이하게 하는 작용을 하는 공정이다. 따라서, 아이어닝은 두께 감소를 목적으로 하지만, 버니싱 공정은 표면 광택성을 향상시키고 펀치로부터 캔을 용이하게 분리하기 위한 공정이라고 할 수 있다.

최근에는 캔 표면을 인쇄한 후에 색상을 밝고 선명하게 하기 위하여 가공된 캔의 표면의 광택성을 향상시키기 위한 노력이 진행되고 있으며, 이를 위하여 냉각유를 변화시키거나 소재의 도금상태 등을 조절하고 있다. 그러나, 이러한 방법은 냉각유의 교체에 따른 시간적 또는 경제적인 부담이 되기도 하고, 도금량 증가에 따른 소재 비용의 증가를 초래하는 문제점이 있다. 따라서, 종래의 설비 또는 성형방법을 기본으로 하여 광택성을 향상시키는 기술이 필요하다.

한편, 캔이 펀치로부터 분리되는 특성인 스트리핑성을 개선하여 고속 가공조건에서 작업하는 것이 생산성 측면에서 바람직하지만, 소재 강도의 증가와 가공속도의 증가에 따라 캔이 펀치에 고착되는 현상의 증가로 인해 연속 작업성에 문제로 지적되고 있다.

상기한 바와 같이, D＆I 캔 가공에서 소재의 두께 감소율이 65% 이상이므로 강판 자체의 변형뿐만 아니라, 표면 주석층의 변형율도 매우 높게 되며, 이 때 주석층은 강판의 강도보다 낮기 때문에 가공 중에 우선적으로 변형이 진행되고, 윤활역할을 한다. 그러나, 실제 가공에서 주석층은 소재의 변형에 따른 변형열과 소재 및 금형과의 접촉에 의한 마찰열에 의하여 약간 용융되는 현상이 발생하며, 용융된 주석층은 다시 응고하여 입자상으로 캔의 표면에 형성되므로 광택성을 저하시키는 주요 요인으로 작용한다.

한편, 성형된 캔은 펀치를 감싸안으려는 힘(Hugging Force)이 작용하므로 펀치로부터 분리하는 과정에서 캔의 상단부에 주름이 발생하게 되고, 이를 롤백(Roll Back)이라고 하는데, 상기 롤백은 상기한 바와 같이 캔이 펀치를 감싸안으려는 힘이 증가할 수록 용이하게 발생되므로 스트리핑성은 저하된다는 것을 의미하기도 한다. 즉, D＆I 캔 성형과 같이 고속, 연속가공 조건에서는 스트리핑성이 우수하여야 하며 이를 위해서는 롤백의 감소가 필수적이다. 그러나, 이러한 현상은 경량 캔을 성형하기 위하여 소재의 강도를 증가시키며 두께를 감소시키는 경우에 더욱 뚜렷하게 나타나고 있으며, 연속 작업성을 저하시키는 문제점이 되기도 한다.

스트리핑성의 개선, 즉 롤백을 감소시키기 위하여 소재의 강도를 저하시키거나 캔 가공 후 내부에 고압의 공기를 불어 넣어 스트리핑성을 개선시키고 있으나, 소재의 강도를 낮추는 경우 소재의 두께를 상대적으로 증가시켜야 하므로 캔을 가볍게 하고자 하는 경량화의 달성이 어렵게 되며, 고압의 공기를 이용하는 경우 일부 스트리핑에 유리하게 작용은 하지만, 이 때의 압력은 캔과 펀치와의 접촉면에서의 저항보다 훨씬 높아야 하고, 이러한 경우 캔 바닥(Dome)을 형성하는 공정에서 바닥부에 변형이 가해져 목적으로 하는 캔의 형상을 얻을 수 없으며, 결국 캔의 안정성인 내압강도를 확보하기 어려우므로 실제적으로 용이한 스트링핑성을 확보하기에는 곤란한 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 스틸 D＆I 2피스 캔의 가공방법의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 스틸 D＆I 2피스 캔의 가공공정에서 캔의 표면 광택성을 향상시키고 고속가공에서 작업의 연속성을 향상시키기 위하여 적절한 가공조건 및 성형조건을 얻는 것을 특징으로 하여, 이를 달성하기 위한 표면 광택성 및 스트리핑성을 향상시킬 수 있는 스틸 2피스 캔 가공법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 D＆I 캔 성형공정에서 우수한 캔의 광택성과 스트리핑성을 얻기 위하여 종래의 방법과는 다르게 버니싱 공정에서의 두께 감소율을 제어하여 그 특성을 얻고자 한다. 버니싱 공정은 캔 성형에 있어서 표면에 영향을 미칠 수 있는 최종 공정으로 약간의 두께 감소에 의해 주석층을 재분포시켜 우수한 광택성을 얻을 수 있는 특징이 있으며, 또한 적절한 두께 감소율은 캔과 펀치 사이에서 작용하는 힘을 감소시키는 효과가 있으므로 이를 이용하여 스트리핑성을 개선시키는 효과를 이용하고자 한다.

즉, 본 발명에서는 버니싱 공정에서 두께 감소율을 제어함으로써, 캔 광택성이 크게 향상되는 효과와 스트리핑성이 용이하게 되는 효과를 동시에 얻고자 하였으며, 종래 캔 표면의 광택성 향상을 위한 냉각유의 교체, 소재 도금량과 스트리핑성 향상을 위한 소재 강도의 변화, 공기압력의 증가 방법보다 비용의 감소와 아울러 비교적 용이하게 캔 성형 특성을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 스틸 2피스 캔 가공법의 구성에 대해 상세히 설명한다.

스틸 D＆I 캔 성형방법은 종래의 3피스 캔 가공방법에 비하여 가공속도가 빠르기 때문에 생산성이 우수하고, 가공공정이 비교적 단순하며, 배출가스에 의해 환경에 미치는 영향을 감소시킬 수 있으므로 캔을 가공하기 위하여 주로 사용되고 있는 기술이다. 또한, D＆I 캔 성형방법에 의하여 얻어진 2피스 캔은 용접에 의해 얻어진 3피스 캔에 비하여 내용물에 대한 안정성이 우수하므로, 보관방법 및 기간에 관계없이 음료 및 식품 등의 다양한 내용물을 보관하는 캔으로 가장 널리 사용되고 있고, 최근에는 캔의 표면 광택성을 향상시켜 인쇄 후에 밝고 선명한 인쇄 품질을 얻고자 하고 있으며, 또한 생산성을 더욱 증가시키기 위한 노력이 진행되고 있다.

그러나, D＆I 캔 성형방법은 가공속도가 분당 250∼350개의 고속에서 가공하는 조건이므로 두께의 감소, 즉 소재의 변형 또는 캔과 금형 사이의 마찰에 의해 발생되는 열이 방출되지 못하고 캔의 표면 및 금형에 축적되게 되며, 이로 말미암아 캔 표면의 주석층이 일부 용융되는 문제가 있고, 용융된 주석층의 재응고에 의해 캔의 표면에 불규칙하게 분포하여 광택성을 저하시키므로 실제 가공조건에서 광택성을 향상시키는 것은 용이하지 않다.

또한, 연속적인 가공공정이므로 가능한한 작업의 연속성에 지장을 주는 요인을 제거하는 것이 바람직하지만 기계적 요인 또는 소재의 요인에 의해 연속 작업성에 영향을 주기도 한다. 연속 작업성에 가장 큰 영향을 미치는 요인 중의 하나는 스트리핑성의 저하로 캔이 펀치로부터 분리되지 않아 연속적으로 성형을 곤란하게 하는 문제점이 있다.

아이어닝 공정에서 캔은 직경의 변화가 없는 상태에서 두께 감소에 의해 높이를 형성하는 단계를 거치게 되므로 캔은 원주방향으로 펀치를 감싸 안으려는 힘이 작용하게 되며, 이로 인하여 기계적으로 분리하는 과정에서 캔의 상단부에 주름(롤백 현상)을 형성하게 된다. 이러한 주름은 불규칙하게 형성된 캔의 상단부를 절단하는 다음 고정인 트리밍 공정에서 끼임으로 발생되는 문제점이 있으므로 원활한 공정의 진행이 어렵게 되고, 일부 절단이 되었다 하더라도 주름이 형성된 부위에서의 절단면이 양호하지 못하여 파단의 요인이 되기도 한다. 따라서, 연속 작업성을 확보하기 위해서는 롤백의 감소에 의해 스트리핑성을 향상시키는 것이 중요한 기술이다.

본 발명에서는 상기한 바와 같이, 캔 표면의 광택성과 스트리핑성이 우수한 캔 성형방법을 제시하고 있으며, 이를 달성하기 위하여 D＆I 캔 성형에 있어서, 캔의 표면특성과 스트리핑성에 영향을 미치는 버니싱 기술에 대하여 상세히 설명한다.

먼저 광택성에 미치는 영향으로 D＆I 캔 성형에서 버니싱 공정은 캔의 표면에 영향을 미치는 최종 단계로서 아이어닝에 비하여 훨씬 낮은 두께 감소율에 의해 표면 광택성을 향상시키는 특징이 있다. 아이어닝 공정에서 소재의 두께는 약 50∼70% 정도 감소하므로 강판 표면에 도금된 주석층도 유사한 수준으로 변형을 받게 되며, 이 때 주석층은 강판보다 강도가 낮기 때문에 우선적으로 변형이 진행되는 고체윤활 역할을 하게 되며, 가공 후에는 강판 표면에 아주 얇은 피막 상태로 존재한다.

그러나, 소재의 변형에 의해 발생되는 변형열 또는 캔과 금형 사이의 마찰에 의해 발생되는 마찰열에 의해 실제 캔의 표면은 고속 가공조건에서 250∼300℃의 높은 온도를 보이게 되며, 이는 주석의 용융온도 232℃보다 높으므로 주석층의 일부가 용융이 진행하게 되고, 버니싱 공정 직전에 다시 응고하게 된다. 이 때, 용융된 주석층은 표면 장력이 최소가 되도록 캔의 표면에 원형으로 응고하게 되며, 용융이 진행되지 않은 표면과 주석의 분포 차이를 나타내게 된다.

한편, 강판은 어느 정도의 표면 거칠기를 가지게 되며, 아이어닝 공정은 두께 감소율이 매우 크므로 주석층은 강판의 표면 거칠기에 따라 국부적으로 집적하는 현상에 의해 캔 표면의 주석층은 균일하게 분포하지 않는다. 즉, 캔 표면의 광택성은 주석층의 분포상태에 따라 영향을 받으며, 상기한 바와 같이 주석층의 용융 및 응고 또는 가공 변형에 의한 국부적인 불균일 분포에 의해 저하되는 특성이 있다.

따라서, 광택성을 향상시키기 위해서는 상기한 바와 같이 불규칙하게 분포되는 주석층을 제어하는 방법이 필요하게 되며, 이를 목적으로 버니싱 공정에서는 적절하게 캔의 두께를 감소시켜 주석층의 재분포 효과를 이용한 것이다. 즉, 버니싱 공정은 주석층의 재분포 효과를 이용하는 것이므로 너무 낮은 두께 감소율인 경우는 금형과 캔 표면과의 접촉을 기대하기 곤란하거나, 일부 표면에서만 접촉이 진행되므로 재분포 효과를 기대하기 곤란하며, 과다한 두께 감소율이 적용되는 경우는 주석층이 다시 변형되어 불규칙한 분포상태를 형성하기 때문에 광택성의 향상을 기대할 수 없다.

다음으로 D＆I 캔 성형에 있어서, 버니싱 공정이 스트리핑성에 미치는 영향을 설명한다.

D＆I 캔 성형공정은 펀치에 의해 캔의 두께보다 간격이 작은 금형 사이로 캔을 통과시켜 두께를 감소시키는 공정으로서, 가공이 진행되는 동안 캔은 펀치와 접촉하지만 가공이 완료된 후에는 분리하여야 하며, 용이하게 분리될 수록 스트리핑성이 양호하게 된다. 그러나, 캔이 아이어닝에서 가공되는 변형 형태를 보면 캔의 원주방향으로 크기 변화는 없는 상태에서 두께 감소에 의한 높이를 증가시키는 변형 방법이므로, 변형에 의해 형성된 응력의 일부는 캔의 안 쪽 방향, 즉 펀치를 감싸 안으려는 힘의 잔류응력으로 작용하게 된다.

또한, 가공 중에 분사되는 냉각유는 펀치의 표면 또는 캔의 안 쪽 면 사이에 존재하게 되므로, 캔을 펀치로터 분리하기 위해서는 냉각유의 유막에 의한 접촉저항력보다 높은 힘이 필요하다. 따라서, 펀치로부터 캔을 분리하는데 필요한 힘은 캔의 가공에 의한 잔류응력과 유막에 의한 접촉저항력의 합보다 높은 힘이 필요하게 된다.

실제 캔 성형에서 상기 캔을 펀치로부터 분리하기 위하여 두 가지의 방법을 동시에 사용하는데, 펀치 내부에 고압을 공기를 분사하는 방법과 캔의 상단부를 스트리퍼 핑거(Stripper Finger)에 의해 분리하는 기계적인 추출방법이 있다. 고압의 공기 분사방법은 펀치의 내부에 압력을 가하여 캔의 바닥부에 작용하게 함으로써 스트리핑을 돕는 방법이며, 스트리퍼 핑거를 이용한 방법은 캔 가공후 펀치가 후진하는 공정에서 손가락 모양의 구조를 갖는 스트리퍼 핑거가 캔의 상단부에 접촉하도록 하여 물리적으로 분리하는 방법이다.

위의 방법은 동시에 사용되지만 스트리퍼 핑거 방법을 주로 적용하게 되며, 고압 공기의 분사방법은 보조 역할을 하게 된다. 따라서, 캔과 펀치 사이에 작용하는 힘이 증가할 수록 분리가 어렵게 되며, 스트리퍼 핑거와의 접촉에 의해 캔의 상단부에서 되말림에 의한 주름이 발생하게 되고, 이를 상기한 바와 같이 롤백이라고 한다. 즉, 롤백의 발생이 적을 수록 스트리핑성이 양호하다고 할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 D＆I 캔 성형에서 스트리핑성의 향상, 즉 롤백을 감소시키기 위하여 버니싱 공정에서 적절한 조건을 부여하여 효과적으로 이용하는 기술이다.

스트리핑성 향상을 목적으로 하는 버니싱 공정에서 약간의 두께 감소는 크게 두 가지 효과가 있다.

먼저, 가공 후 캔의 원주방향으로 존재하는 응력의 감소이다. 버니싱 공정을 통과하게 되면 약간의 두께 감소가 일어나므로 캔의 두께 방향으로 응력상태를 변화시키며, 이는 원주방향으로 응력을 해소하는 방향으로 작용하므로 펀치의 표면에 작용하는 힘이 상대적으로 감소하게 된다.

또 다른 효과는 캔의 내면과 펀치 표면 사이에 작용하는 접촉저항력의 감소이다. 캔과 펀치 사이에는 냉각유의 유막에 의해 접촉저항력이 작용하여 캔을 고착시키려는 힘이 작용하지만 약간의 두께를 감소시키는 경우, 캔의 높이가 약간 증가하므로 펀치 표면으로부터 캔이 약간 이동하게 되어 가공 중에 형성된 유막 상태에 변화가 생긴다. 즉, 캔과 펀치가 약간 분리되는 현상이 발생하므로 접촉저항력이 감소하게 되며, 캔의 스트리핑성이 양호하게 된다.

이와 같이, 버니싱 공정은 스트리핑성을 개선하는 효과가 있지만 너무 낮은 두께 감소율의 경우 캔과 금형과의 접촉이 없으므로 캔에 잔류하는 응력과 접촉저항력의 감소를 기대할 수 없으며, 또 과다한 두께 감소율의 경우에는 아이어닝과 마찬가지로 캔의 잔류응력이 증가되므로 스트리핑성의 개선을 기대할 수 없다. 따라서, 버니싱 공정에서는 이들 효과를 이용하기 위해서는 두께 감소율을 적절히 제어할 필요가 있다.

따라서, 본 발명은 스틸 D＆I 캔 성형공정에서 캔의 표면 광택성을 향상시키고, 스트리핑성을 용이하게 하는 기술에 관한 것으로서, 버니싱 공정에서의 두께 감소율 조건을 제어하는 것을 특징으로 한다.

다음은 석도강판을 이용하여 표면 광택성 및 스트리핑성이 우수한 스틸 2피스 캔 가공을 위하여 실시예로부터 얻어진 결과를 이용하여 상세히 설명한다.

본 발명을 위하여 사용한 강판의 두께는 0.29㎜이고, 표면에 주석의 부착량이 1.0∼3.6g/㎡인 전기도금 주석강판이며, 표면의 주석은 합금화(강판과 주석과의 화학적 결합)를 실시하지 않은 순수한 주석으로서, 가공 중에 윤활작용을 하도록 하였으며, 이 강판은 상업적으로 D＆I 캔을 가공하기 위하여 사용되는 소재이다.

2피스 캔의 가공성은 상업설비와 동일한 능력을 가지는 파일럿 설비를 이용하여 연속적으로 캔을 가공하여 표면의 광택성을 조사하였으며, 스트리핑성을 평가하는 롤백의 발생량을 측정하였다. 캔 표면의 광택성은 실제 평가방법과 마찬가지로 가공된 캔을 세정하여 완전히 건조한 다음 육안으로 관찰하여 1∼4등급으로 구분하여 수준을 정하였으며, 캔 표면이 아주 우수한 광택도를 보이는 경우를 수준 1, 90% 이상의 광택도를 수준 2, 70% 이상의 광택도를 수준 3, 50% 이상의 광택도를 수준 4로 하였고, 수준 1∼3은 상업적으로 적용되는 표면 품질 수준이다.

스트리핑성의 평가는 롤백의 발생량을 측정하여 평가하였으며, 발생량은 캔의 원주방향으로 형성된 주름의 길이를 전부 합하여 원주에 대한 백분율로 산출하였으므로 롤백 발생량이 낮을 수록 스트리핑성이 우수하다고 할 수 있다. 버니싱 공정에서 두께 감소율은 버니싱 이전 캔의 두께와 버니싱 이후 캔의 두께의 변화로부터 산출하였다.

다음의 표 1에 나타낸 바와 같이, 캔의 가공조건으로 드로잉 공정에서 원형의 컵을 가공하기 위한 블랭크(Blank)의 크기는 134㎜이고, 펀치의 직경은 88.9㎜이며, 가공속도는 분당 125∼175개로 상업설비와 동일하게 하였다. 목표로 하는 최종 캔의 크기는 직경이 66㎜이고, 높이는 102㎜이며, 캔의 두께는 0.125∼0.135㎜로서 초기 소재에 비하여 약 53∼57% 정도 두께가 감소하는 조건이다. 캔의 가공속도는 분당 265개로 가공하여 상업 생산과 동일한 조건이다.

스틸 D＆I 캔을 가공하는 조건을 나타내는 표

드로잉(Drawing)		아이어닝(Ironing)
블랭크 직경(Db)	134㎜	펀치 직경	65.8㎜
펀치 직경(Dp)	88.9㎜	리드로우비	1.35
드로우비(Db/Dp)	1.51	캔 두께	0.125∼0.135㎜
속도(스트로크/분)	125∼175	캔 높이	102.7
블랭크 압력(PSI)	40∼100	속도	250∼350개/분

도 1은 본 발명에 따른 가공법에 의해 성형된 캔의 표면 광택성을 나타낸 것으로서, 종래의 방법에 의한 광택성이 수준 3을 보이는 반면에 본 발명에서는 버니싱을 할 때의 두께 감소율이 7% 이상에서 광택성이 증가되는 경향을 보이고 있다.

캔 표면의 광택성이 증가하는 이유는 아이어닝 공정에서 변형에 의해 불균일한 분포를 보이는 주석층이 약간의 두께 감소에 의해 균일하게 재분포하기 때문이며, 7% 미만에서는 주석층에 영향을 미칠만큼 충분하게 금형과의 접촉이 없었기 때문에 광택성의 개선효과가 나타나지 않았다. 종래에 상업적으로 적용이 가능한 수준이 3 정도임을 감안한다면 본 발명의 가공법에 의한 캔 표면은 우수한 광택도를 보인다고 할 수 있다.

도 2는 D＆I 캔 성형에서 스트리핑성에 미치는 버니싱에서의 두께 감소율의 영향을 보이는 것으로 롤백의 발생량을 측정하여 스트리핑성을 평가하였다. 스트리핑성은 특정한 두께 감소율 범위에서 롤백의 감소에 의해 개선되는 경향을 보이고 있다. 캔의 원주방향으로 형성된 롤백의 발생량은 두께 감소율이 약 3%인 경우 약 27%이며, 두께 감소율이 7∼10% 범위에서 23%로서 최소인 값을 보이지만, 그 이상의 두께 감소율에서는 다시 롤백 발생량이 증가하여 스트리핑성이 저하되는 경향을 보이고 있다. 따라서, 본 발명의 방법과 같이 우수한 스트리핑성은 7∼10%의 특정한 두께 감소율 범위에서 얻을 수 있으며, 이는 스틸 D＆I 캔 성형공정에서 캔 표면의 광택성과 스트리핑성을 개선하기 위해서는 버니싱에서 두께 감소율의 제어가 매우 중요한 기술임을 의미한다.

다음은 본 발명의 D＆I 캔 성형에 있어서 두께 감소율을 7∼10%로 한정한 이유에 대해 설명한다.

캔의 표면 광택성에 미치는 버니싱의 두께 감소율을 나타낸 실시예(도 1)로부터 두께 감소율이 7% 이상에서 광택성이 증가하는 경향을 보이고 있다. 감소율 7% 이하의 범위에서는 금형과 캔 표면의 접촉이 상대적으로 감소하거나 국부적인 접촉에 의해 아이어닝 공정에서 심한 가공에 의해 불균일하게 분포된 표면 주석층을 재분시키기에 효과적이지 않기 때문에 광택성의 향상 효과를 기대하기 어렵게 되고, 광택성을 향상시키는 범위보다 훨씬 높은 두께 감소율을 적용하게 되면 아이어닝 공정과 마찬가지로 심한 가공에 의해 주석층이 다시 불균일하게 분포하기 때문에 광택성의 향상을 기대기 곤란하기 때문이다.

한편, 스트리핑성과의 상관성을 살펴보면 실시예(도 2)에 나타낸 바와 같이, 두께 감소율이 10%보다 높은 범위에서는 롤백의 증가에 따라 스트리핑성이 다시 저하하게 되므로 광택성의 향상을 목적으로 버니싱에서의 두께 감소율의 한정 범위는 7% 이상이며, 스트리핑성을 개선할 수 있는 범위로 제한하였다.

스트리핑성에 미치는 버니싱 공정에서의 두께 감소율의 영향을 나타내는 실시예(도 2)로부터 두께 감소율이 약 3%인 경우보다 7∼10%인 경우 롤백의 감소에 의해 스트리핑성이 감소하는 경향을 보이고 있으며, 약 10% 이상에서는 다시 증가하는 경향을 보이고 있다. 이는 특정한 범위의 두께 감소율의 적용에 의해 스트리핑성을 향상시킬 수 있음을 의미한다. 두께 감소율이 7% 이하로 낮은 경우에는 캔의 내면을 펀치로부터 분리하는 효과의 감소, 즉 마찰저항력의 감소가 충분하지 않거나 캔의 원주방향에서 아이어닝에서 형성된 응력을 효과적으로 제거하지 못하였기 때문으로 해석할 수 있다.

한편, 10% 이상의 두께 감소율에서 스트리핑성이 다시 저하하는 경향은 아이어닝과 마찬가지로 심한 가공에 의해 캔과 펀치와의 접촉면적의 증가로 접촉저항이 증가할 뿐만 아니라, 변형에 의한 캔의 잔류응력이 증가하기 때문에 캔이 펀치를 감싸 안으려는 힘(Hugging Force)이 증가하여 롤백 발생량을 증가시키고, 이로 말미암아 스트리핑성을 저하시키게 된다. 이는 종래의 방법에 의해 상업설비에서 가공한 캔의 롤백의 발생량이 25∼30% 수준임을 감안한다면 크게 향상되는 효과가 있다.

따라서, 본 발명에서는 D＆I 캔 성형공정에서 표면 광택성은 10% 이상에서도 일부 개선되는 효과를 기대할 수 있으나, 스트리핑성을 동시에 만족하기 위해서는 버니싱 공정에서의 두께 감소율을 7∼10%로 제한하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 목적과 구성으로 이루어진 본 발명의 스틸 2피스 캔 가공법에 의하면, 버니싱 공정에서 두께 감소율을 적절히 하여 캔의 광택성과 스트리핑성을 동시에 만족하는 성형조건을 제시함으로써, 종래의 설비를 이용하여 캔의 품질 및 연속 작업성을 향상시키는 효과가 기대되며, 향후 고강도 극박 강판을 이용하여 경량 D＆I 캔을 성형하는 기술에 적용하는 것이 가능해 진다.

도 1은 표면 광택성에 미치는 버니싱 감소율의 영향을 나타내는 그래프,

도 2는 스트리핑성에 미치는 버니싱 조건의 효과를 나타내는 그래프.

Claims (1)

1. D＆I 캔 가공에 의해 스틸 2피스 캔을 가공하는 가공법에 있어서,

   통상의 방법으로 드로잉 및 아이어닝 공정을 실시한 캔을 버니싱 공정에서 두께 감소율의 범위를 7∼10%로 제한하는 것을 특징으로 하는 표면 광택성과 스트리핑성이 우수한 스틸 2피스 캔 가공법.