KR100508645B1 - 균일 전단 변형 장치 및 전단 변형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 전단 변형 장치에 있어서, 입구와 출구가 형성된 금형과; 상기 금형의 입구측에 인입된 소재를 지지하여 상기 금형의 출구측으로 방향을 변환하도록 전단 변형부에 설치됨과 아울러, 표면이 상기 소재와 함께 이동할 수 있는 이송장치를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치를 제공함으로써, 소재와 금형간의 마찰 저항을 줄이며, 사각지대의 발생을 방지하여 변형 저항을 줄일 뿐만아니라, 균일하게 전단 변형을 가할 수 있도록 한다.

Description

균일 전단 변형 장치 및 전단 변형 방법{APPARATUS AND METHOD FOR UNIFORM SHEAR DEFOMATION}

본 발명은 전단 변형 장치(ECA: Equal Channel Angular)에 관한 것으로서, 상세하게는 변형 저항과 마찰 저항을 줄이고, 소용량의 저가 장비로서, 전단 변형이 균일하게 일어날 수 있는 전단 변형 장치에 관한 것이다.

도1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 ECA 장치로 알려진 전단 변형 장치는 동일한 단면적을 갖는 입구측 통로(2)와 출구측 통로(4)가 'ㄴ'자 형으로 교차하는 금형(1)과, 상기 입구측 통로(2)에 소재(3)을 넣고 가압하여 출구측 통로(4)로 밀어내는 가압장치(미도시)로 구성된다.

이러한 전단 변형 장치의 입구(21)에 금속 소재를 넣어 출구(41)측으로 밀어내게 되면, 소재가 'ㄴ'자로 꺾이는 과정에서 전단각, θ만큼 전단 변형이 일어나고, 그 결과, 소재의 조직이 미세화됨으로써, 강도와 성형성 등의 기계적 특성이 개선되는 효과가 발생한다(Journal of Metals, 1998, Jun, 41쪽 내지 45쪽 참조).

마찰이 없는 이상적인 상황에서는 소재 전체에 전단 변형이 θ 만큼 발생하며, 가공 후에도 소재의 단면적이 가공 전과 동일하기 때문에 전단 변형된 소재(5)를 다시 반복 가공하여 조직 미세화 효과를 더욱 높일 수 있다.

그러나, 종래의 방법은 윤활유를 입구측 통로(2)와 출구측 통로(4)의 내벽에 도포하여도, 마찰이 없는 이상적인 조건을 구현 할 수 없어, 도2에 도시된 바와 같이 위치에 따라 전단각, 즉 전단 변형량이 달라지는 불균일 변형이 발생하여 균일한 조직과 물성을 얻을 수 없으며, 특히 바닥면에서는 심한 마찰 저항으로 인해 소재의 흐름이 느려져 뒤로 심하게 처지는 현상이 발생한다(Scripta materiallia, Vol. 37, No. 4, 1997, 437쪽 내지 442쪽 참조).

더욱이, 도3에 도시된 바와 같이, 바깥쪽 모서리에서 소재가 꺾일 때 심한 변형 저항을 받거나 마찰이 매우 큰 경우에는 모서리 부분의 소재는 거의 변형되지 못하고 고착되는 사각 지대(dead zone)(6)가 발생할 뿐만 아니라 소재 가공에 큰 힘이 필요하여 고가의 고용량 장비가 요구된다.

사각지대의 변형 저항을 낮추기 위해 도4와 같이 금형각(φ)를 90도 보다 크게하는 방법이 제시되었으나, 여전히 넓은 마찰 면적으로 인해 마찰 저항의 개선에는 별 효과가 없으며, 더욱이 전단 변형량이 감소하기 때문에 소재의 조직 미세화 효과도 줄어들고, 전단 변형량을 증가시키기 위해 반복 가공 회수를 증가시켜야 하므로, 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

마찰 저항과 변형 저항을 동시에 낮추고 균일한 변형을 얻기 위한 다른 방법으로서 도5에 도시된 바와 같이 바깥 모서리를 둥글게 만들어 마찰 면적을 줄이고 사각지대를 없애는 방법이 개발되었으나, 이 경우에도 소재 전체의 전단 변형량이 감소할 뿐만 아니라, 마찰이 없는 이상적인 조건에서도 바닥면 근처의 소재는 전단 변형이 거의 이루어지지 못하여 소재의 조직과 물성이 불균일 해지는 문제가 발생한다.

특히 바닥면에서는 도6에 도시된 바와 같이 소재가 둥근 모서리의 기하학적인 요인으로 인하여 무전단 변형과 마찰로 인한 끌림 현상이 겹쳐져 전단 변형량이 위치에 따라 심한 차이를 나타내므로 균일한 특성을 얻을 수 없다 (Matallurgical and Materials Transactions 32A, Dec., 2002, 3007쪽 내지 3014쪽 참조).

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 소재와 금형간의 마찰 저항을 줄이며, 사각지대의 발생을 방지하여 변형 저항을 줄일 뿐만 아니라, 균일하게 전단 변형을 가할 수 있는 전단 변형 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 입구와 출구가 형성된 금형과; 상기 금형의 입구측에 인입된 소재를 지지하여 상기 금형의 출구측으로 방향을 변환하도록 전단 변형부에 설치됨과 아울러, 표면이 상기 소재와 함께 이동할 수 있는 이송장치를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치를 제공한다.

여기서, 상기 이송장치는 상기 전단 변형부에 회전 가능하게 설치된 롤러인 것이 바람직하다.

또한, 상기 롤러는 외주 단면의 형상이 소재를 감쌀 수 있도록 형성된 것이 효과적이다.

한편, 상기 이송장치는 회전 밸트로 구성될 수도 있다.

그리고, 상기 전단 변형부는 2이상이 형성되며, 상기 이송 장치는 상기 전단 변형부마다 설치될 수도 있다.

또한, 상기 이송 장치를 구동하는 동력장치를; 더 포함하여 구성된 것이 바람직하다.

그리고, 상기 이송 장치의 속도를 제어하는 제동장치를; 더 포함하여 구성된 것이 효과적이다.

한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 전단 변형부에서 소재의 진행 방향을 꺾어서 전단 변형하는 방법에 있어서, 상기 소재와 함께 이동하면서, 상기 소재가 상기 전단 변형부에서 진행 방향이 꺾이도록 지지하는 것을 특징으로 하는 전단 변형 방법이 제공된다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 하기 위하여 생략하기로 한다. 또한, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도7 및 도8은 본 발명의 제1실시예의 구조를 도시한 도면으로서, 도7은 전단변형 장치의 정면도, 도8은 도7의 전단 변형 장치의 측면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예의 전단 변형 장치는 입구(21)와 출구(41)가 형성된 금형(1)과, 상기 금형(1)을 하부에서 지지하는 하부 구조물(9)과, 상기 금형(1)의 입구(21)측에 인입된 소재를 지지하여 상기 금형(1)의 출구(41)측으로 방향을 변환하도록 전단 변형부(22)에 설치됨과 아울러, 표면이 상기 소재와 함께 이동 할 수 있는 이송장치(7)을 포함하여 구성된다.

상기 이송장치는 상기 하부 구조물(9)에 회전축(71)에 의해 회전 가능하게 설치된 롤러(7)이다. 상기 롤러(7)는 별도의 구동장치 없이 회전 가능하게 결합되어, 소재의 이동에 의해 함께 회전 할 수 있으나, 상기 롤러(7)를 강제로 회전할 수 있도록 구동하는 동력장치(미도시)와 상기 롤러(7)의 속도를 제어할 수 있도록 하는 제동장치(미도시)와 결합되어 구성될 수 도 있다.

또한, 상기 롤러(7)는 외주 단면의 형상이 소재를 감쌀 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 도9에서는 직사각형 형태의 소재의 측면 및 하면을 감쌀 수 있도록 정방형으로 요입되어 형성된다. 따라서, 소재의 단면 형상이 원형인 경우에는 도10와 같이, 롤러(7)의 외주 단면이 반원형으로 요입되어 형성되는 것이 바람직하며, 소재의 단면 형상이 마름모 형상인 경우에는 도11과 같이 롤러(7)의 외주 단면이 삼각형으로 요입되어 형성되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 제1실시예의 동작에 관하여 기술한다.

입구(21)측으로 공급된 소재가 'ㄴ'자로 꺾이어 전단 변형이 일어난 후 소재의 이동 속도와 동일한 속도로 회전하는 롤러(7)의 표면을 따라 출구(41)로 배출된다. 따라서, 종래와 달리 전단 변형부(22)에 고착되는 사각지대가 발생하지 않고, 금형(1)과의 직접적으로 마찰되는 면적도 크게 감소하여 변형 저항과 마찰 저항이 모두 크게 줄어들어, 균일한 전단 변형이 이루어진다. 이 때 소재의 전단 변형량은 소재가 롤러(7)의 표면과 접촉하는 위치에 따라 변하며, 소재가 롤러(7) 표면과 접촉하는 위치에서 소재의 중심 공급 방향과 롤러(7) 표면에서 소재가 이동하는 방향의 접선이 이루는 각도 φ가 금형각에 해당하며, 전단 변형량 γ는 φ와 아래의 수학식 1과 같은 관계가 있다.

γ= 2 cot(φ/2)

즉, 소재 공급 방향이 롤러(7)의 중심축에 가까울수록 전단 변형량이 커진다.

그러나, 소재 공급 방향이 롤러(7)의 중심축에 가까우면 전단 변형을 일으키기 위해 큰 힘이 요구된다. 따라서, 본 발명의 제1실시예는 동력장치(미도시)를 사용하여 롤러(7)의 회전속도를 소재의 공급속도와 동일하게 회전시킴으로써, 소재가 쉽게 꺾일 수 있게 된다. 또한, 소재의 공급 속도에 비해 롤러(7)의 회전 속도가 지나치게 빠르면 소재가 꺾이는 바깥 모서리에서 만곡부가 생겨 도5에 도시된 바와 같이 소재의 아래부분은 전단 변형이 없는 불균일한 변형이 발생하므로 제동장치(미도시)를 사용하여 적절히 속도를 조절함으로써, 이를 방지할 수 있다.

또한, 롤러의 외주 단면이 소재를 감싸도록 형성됨으로써, 소재가 금형과 접촉하는 면적을 더욱 줄여 줄 수 있다. 따라서, 마찰 저항을 줄임과 동시에 바닥면과 측면 모두에서 변형이 균일하게 일어나게 된다.

도12는 본 발명의 제2실시예의 구조를 도시한 것으로서, 전단 변형 장치의 정면도이다.

도시된 바와 같이, 제2실시예의 전단 변형 장치는 전단 변형부(22)가 2개 형성되며, 롤러(7)는 상기 전단 변형부(22) 각각에 설치된다. 제2실시예의 전단 변형 장치는 한번의 공정으로 여러 번 전단 변형을 함으로써, 작은 마찰 저항과 변형 저항으로 큰 전단 변형을 용이하게 얻을 수 있다는 장점이 있다.

도13은 본 발명의 제3실시예의 구조를 도시한 것으로서, 제1실시예와 이송 장치의 구성이 상이하다.

즉, 제1실시예는 이송장치가 롤러(7)로 구성되었음에 반해, 제3실시예의 이송장치는 회전 벨트(10)인 점에서 차이가 있다. 그 이외의 구성은 제1실시예와 동일하다. 따라서, 그 작용 효과도 동일하다.

도14는 본 발명의 제4실시예의 구조를 도시한 것으로서, 제2실시예와 이송 장치의 구성이 상이하다.

즉, 제2실시예는 이송장치가 롤러(7)로 구성되었음에 반해, 제3실시예의 이송장치는 회전 벨트(10)인 점에서 차이가 있다. 즉, 회전 벨트를 2개의 전단 변형부(22)에서 꺾이도록 구성한 점에서 차이가 있다. 그 이외의 구성은 제2실시예와 동일하다. 따라서, 그 작용 효과도 동일하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.

먼저, 본 발명은 소재와 금형 간의 마찰 저항을 줄이며, 사각지대의 발생을 방지하여 변형 저항을 줄일 뿐만 아니라, 균일하게 전단 변형을 가할 수 있는 전단 변형 장치를 제공한다.

그리고, 동력 장치와, 제동 장치를 구비함으로써, 소재의 전단 변형을 더욱 용이하게 할 수 있다.

또한, 롤러의 외주단면 혹은 회전 벨트의 단면이 소재를 감쌀 수 있도록 형성됨으로써, 마찰 저항을 더욱 감소시킬 수 있다.

그리고, 전단 변형부를 2이상 형성한 후, 각각의 전단 변형부에 이송장치를 설치함으로써, 작은 마찰 저항과 변형 저항으로, 큰 전단 변형을 할 수 있다.

도1 내지 도6은 종래의 전단 변형 장치의 구조를 도시한 것으로서,

도1은 전단 변형 장치의 정면도

도2는 도1의 전단 변형 장치를 사용하여 전단 변형을 시험한 결과를 도시한 정면도

도3은 도1의 전단 변형 장치에 사각지대가 발생한 것을 도시한 정단면도

도4는 도1의 전단 변형 장치의 변형예

도5는 도1의 전단 변형 장치의 또 다른 변형예

도6은 도5의 전잔 변형 장치의 전단 변형을 시험한 결과를 도시한 정면도

도7 및 도8은 본 발명의 제1실시예의 구조를 도시한 도면으로서,

도7은 전단변형 장치의 정단면도

도8은 도7의 전단 변형 장치의 측면도

도9는 도8의 롤러의 변형예를 도시한 측면도

도10은 도8의 롤러의 또 다른 변형예를 도시한 측면도

도11은 도8의 롤러의 또 다른 변형예를 도시한 측면도

도12는 본 발명의 제2실시예의 구조를 도시한 것으로서, 전단 변형 장치의 정면도

도13은 본 발명의 제3실시예의 구조를 도시한 것으로서, 전단 변형 장치의 정면도

도14는 본 발명의 제4실시예의 구조를 도시한 것으로서, 전단 변형 장치의 정면도

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1: 금형 21: 입구

22: 전단 변형부 41: 출구

7: 이송 장치, 롤러, 10: 회전 밸트

Claims (13)

1. 입구와 출구가 형성된 금형과;

   상기 금형의 입구 측에 인입된 소재를 지지하여 상기 금형의 출구 측으로 방향을 변환하도록 전단 변형부에 설치됨과 아울러, 표면이 상기 소재와 함께 이동할 수 있는 이송장치를;

   포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 이송장치는 상기 전단 변형부에 회전 가능하게 설치된 롤러인 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 롤러는 외주 단면의 형상이 소재를 감쌀 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 이송장치는 회전 벨트인 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 회전 벨트는 단면의 형상이 소재를 감쌀 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전단 변형부는 2이상이 형성되며, 상기 이송 장치는 상기 전단 변형부마다 설치된 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이송 장치를 구동하는 동력장치를;

   더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이송 장치의 속도를 제어하는 제동장치를;

   더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치.
9. 입구와 출구가 형성된 금형과;

   상기 금형의 입구 측에 인입된 소재를 지지하여 상기 금형의 출구 측으로 방향을 변환하도록 전단 변형부에 회전 가능하게 설치된 롤러와;

   상기 롤러를 구동하는 동력장치와;

   상기 롤러의 속도를 제어하는 제동장치를; 포함하고,

   상기 롤러의 외주 단면의 형상이 소재를 감쌀 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 전단 변형부는 2이상이 형성되며, 상기 롤러는 상기 전단 변형부마다 설치되는 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치.
11. 입구와 출구가 형성된 금형과;

    상기 금형의 입구 측에 인입된 소재를 지지하여 상기 금형의 출구 측으로 방향을 변환하는 회전 벨트와;

    상기 회전 벨트를 구동하는 동력장치와;

    상기 회전 벨트의 속도를 제어하는 제동장치를; 포함하고,

    상기 회전 벨트는 단면의 형상이 소재를 감쌀 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 전단 변형부는 2이상이 형성되며, 상기 회전 벨트는 상기 전단 변형부마다 설치되는 것을 특징으로 하는 전단 변형 장치.
13. 전단 변형부에서 소재의 진행 방향을 꺾어서 전단 변형하는 방법에 있어서,

    상기 소재와 함께 이동하면서, 상기 소재가 상기 전단 변형부에서 진행 방향이 꺾이도록 지지하는 것을 특징으로 하는 전단 변형 방법.