KR100904871B1 - 팁 시험 방법 - Google Patents

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임용택
강성훈
이현철
정기호
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 압출 부재의 팁 거리를 측정하여 전단 마찰 인자를 산출하는 팁 시험 방법을 개시한다. 본 발명은 금형 구멍이 형성되고, 금형 구멍에 연결되도록 금형 출기구가 마련되는 금형; 압출 부재를 가압하는 펀치; 금형 구멍에 삽입되어 압출 부재를 지지하는 보조 금형; 금형 구멍에 일방향으로 삽입됨으로써 압출 부재를 금형 구멍과 동중심으로 정렬하며 펀치가 삽입되는 센터링 수단 구멍과 센터링 수단 구멍과 연결되도록 센터링 수단 출기구가 마련되는 센터링 수단을 포함하는 팁 시험 장치를 이용한다. 센터링 수단에 압출 부재를 끼우고, 금형 구멍에 보조 금형을 삽입한다. 압출 부재가 조립된 센터링 수단을 금형 구멍에 삽입한다. 펀치를 센터링 수단 구멍에 삽입하여 펀치에 의하여 압출 부재를 보조 금형에 대고 누름과 동시에 센터링 수단 구멍으로부터 센터링 수단 출기구와 금형 출기구를 통하여 공기를 배출함으로써 압출 부재를 예압한다. 센터링 수단을 압출 부재로부터 분리하고, 펀치로 눌러 압출 부재를 후방 압출한다. 압출 부재를 금형에서 분리한 후 압출 부재의 팁 거리를 측정하여 전단 마찰 인자를 산출한다.

Description

팁 시험 방법{Tip testing method}
본 발명은 부피 성형 가공시에 압출 부재와 금형 사이에 발생하는 전단 마찰 인자를 측정하는 팁 시험 방법에 있어서, 후방 압출을 이용하여 전단 마찰 인자를 더욱 쉽게 측정할 수 있는 팁 시험 방법에 관한 것이다.
부피 성형 가공은 다양한 구조 및 기능적 기계 부품을 생산하기 위해 널리 사용되고 있다. 특히, 부피 성형 가공은 원하는 최종 제품의 형상에 가깝게 성형(이를 정형 가공이라 한다)이 가능하므로 후공정이 간단해지고, 소재 절약 및 공정수의 절감 효과를 기대할 수 있다.
최근 기술 발전 추세에 따라 자동차 부품 및 휴대용 기계 제품의 경량소형화는 그 중요성이 날로 증가하고 있으나, 대부분의 제품 또는 부품이 선반, 밀링 등의 기계 가공에 의존하고 있다. 반면 부피 성형 가공은 수치 해석을 이용하여 정형가공(net-shape forming)이 가능하고 대량생산, 후공정 감소 및 소재절약에 따른 원가절감의 효과는 물론 재료의 가공 경화에 의한 우수한 기계적 성질을 제품에 부여할 수 있다.
한편, 소재의 크기가 작아질수록 크기 효과(size effect)에 의한 소재의 유동 및 마찰의 영향이 보통 크기의 제품의 성형시와 다른 양상을 나타내므로 소형 금속 제품의 성형 방법에 관한 많은 연구가 진행 중이다.
부피 성형 가공의 수치 해석시 마찰조건을 정량적으로 표현하기 위해 마찰 모델과 이에 따르는 전단 마찰 인자를 이용한다. 이러한 전단 마찰 모델에서 전단 마찰 인자와 전단 항복 응력을 곱한 것이 마찰력이 된다. 즉, 마찰력은 소재의 전단 항복 응력에 비례하며 비례의 기울기를 결정하는 것은 전단 마찰 인자이다. 따라서, 실제 설계 단계에서 수치 해석에 대한 신뢰성을 높이려면 정확한 마찰 조건의 모사가 요구되며, 이를 위하여 전단 마찰 인자의 정확한 선정이 필요하다.
현재까지 압출 부재와 금형 사이에 발생하는 전단 마찰 인자를 측정하는 방법 중 가장 널리 사용되고 있는 링 압축시험법은 소재의 압축 성형 후 링 내경의 변화가 고르지 않으므로 내경 변화의 측정이 매우 주관적인 문제점과, 공정 자체의 단순성으로 인하여 실제 성형 공정의 전단 마찰을 모사하기에는 부족한 문제점과, 이러한 오차를 보정하기 위하여 비선형 보정선도를 사용해야 하는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로 후방 압출을 이용한 방법을 소개하면 다음과 같다.
먼저, 압출 부재를 금형의 내부에 위치시키고, 압출 부재의 후방에서 하중을 가해 압출 부재를 소성 변형시키며, 성형 제품의 외측면으로부터 성형제품의 후방 압출 방향의 끝점(팁(tip), 도 2 참조, 4b)까지의 수직 거리(도 2 참조, d)를 측정하고, 측정된 수직 거리를 이용하여 전단 마찰 인자를 계산한다.
후방 압출을 이용한 전단 마찰 인자의 측정 장치(이를 팁 시험 장치라 한다)는 종래의 링 압축 시험 장치의 단점을 극복할 수 있으며 실제 성형 공정에 가깝도록 정량화된 전단 마찰 인자의 측정이 가능하게 한다. 또한, 부피 성형 가공시 재료의 가공 경화를 얻을 수 있으므로 성형 제품에 우수한 기계적 성질을 부여할 수 있는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 압출 부재(2)의 다이(3) 장착 상태에 따른 팁 형성 경향을 비교하기 위한 것이다. 펀치(1)에 하중을 가하기 전 초기 상태에서, 도 1의 경우 압출 부재(2)는 다이(3)에 밀착되도록 장착되며 도 2의 경우 압출 부재(2)는 다이(3)에 이격된 채로 장착된다. 본 발명의 경우, 초기 상태에서 압출 부재는 금형의 내벽과 이격되어 있으므로 도 2와 동일한 상태로 압출 부재가 위치한다.
펀치(1)에 하중을 가하여 후방 압출된 압출 부재(2)의 형상을 비교하면, 도 1에서는 압출 부재(2)의 선단부(4a)와 다이(3) 사이의 수직 거리가 미소하여 잘 관 찰되지 않지만, 도 2에서 전단 마찰 인자의 측정을 위한 팁(4b)이 측정 가능할 만큼 충분한 수직 거리(d)에 형성되는 것을 알 수 있다.
전단 마찰 인자는 수직 거리(d)에 선형적으로 비례하므로 수직 거리(d)를 측정함으로써 전단 마찰 인자가 계산된다. 이때 압출 부재(2)가 압출 방향에 대하여 축대칭으로 장착(이를 센터링이라 한다)되지 않으면 수직 거리(d)가 압출 부재(2)의 원주 방향을 따라 균일하게 형성되지 않으므로 펀치(1)의 하중에 대한 수직 거리(d)를 일정하게 측정할 수 없으며, 전단 마찰 인자의 계산이 부정확해지는 문제점이 있다.
도 3은 본 발명과 비교를 위한 것으로, 압출 부재(2)를 축대칭 위치에 센터링하는 그루브(5)를 도시한다. 참조 부호 (a)로 도시된 초기 상태에서 압출 부재(2)가 끼워져 고정되는 그루브(5)를 다이(3)에 형성함으로써 압출 부재(2)를 축대칭으로 장착할 수 있고, 참조 부호 (b)로 도시된 하중 작용 상태에서 팁(4b) 형성 위치 및 수직 거리(d)를 압출 부재(2)의 원주 방향을 따라 일정하게 형성할 수 있다.
그러나, 그루브(5)가 있는 경우, 다른 조건이 동일하더라도 그루브(5)가 없는 경우에 비하여 소재의 유동이 제약을 받게 되어 펀치(1)에 가해지는 하중이 증가되는 문제점과, 수치 해석시 그루브(5)의 영향을 보정해 주어야 하는 문제점이 발생한다. 즉, 수치 해석시 메쉬(mesh)를 자주 수정해 주어야 하며, 해석 오차가 증가하고, 마찰 계수의 모사값이 부정확하게 된다.
따라서, 그루브(5)를 대체할 수 있는 것으로서, 압출 부재(2)를 정확하게 센 터링할 수 있는 센터링 수단을 구비한 팁 시험 장치를 이용하여 전단 마찰 인자를 측정하는 팁 시험 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
또한, 압출 부재의 크기가 작아질수록 사이즈 이펙트에 의한 압출 부재의 유동 및 마찰 조건의 영향이 보통 크기의 제품 성형과는 다른 양상을 나타내므로, 보통 크기의 제품 성형에 대한 물성 및 마찰 조건을 간단히 적용할 수 없는 문제점을 개선하는 팁 시험 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
그리고, 부적절한 센터링 및 펀칭은 물론, 후방 압출이 완료된 소재의 제거시 팁 시험 장치에 과부하를 주면 장치의 수명 감소는 물론 측정 결과의 신뢰성을 훼손할 수도 있다. 실제 제품의 정형 가공을 위한 수치 해석시 부정확하게 산출된 전단 마찰 인자를 대입하면 비현실적인 해석 결과를 초래하여 결과적으로 후방 압출을 이용한 전단 마찰 인자의 측정 방법 자체의 의도를 상실할 문제점을 방지하기 위함이 본 발명의 목적이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 팁 시험 방법은, 금형 구멍이 형성되고, 상기 금형 구멍에 연결되도록 금형 출기구가 마련되는 금형; 압출 부재를 가압하는 펀치; 상기 금형 구멍에 삽입되어 상기 압출 부재를 지지하는 보조 금형; 상기 금형 구멍에 일방향으로 삽입됨으로써 상기 압출 부재를 상기 금형 구멍과 동중심으로 정렬하며 상기 펀치가 삽입되는 센터링 수단 구멍과 상기 센터링 수단 구멍과 연결되도록 센터링 수단 출기구가 마련되는 센터링 수단; 을 포함하는 팁 시험 장치를 이용한 팁 시험 방법으로서, 상기 센터링 수단에 상기 압출 부재를 끼우는 단계; 상기 금형 구멍에 보조 금형을 삽입하는 단계; 상기 압출 부재가 조립된 상기 센터링 수단을 상기 금형 구멍에 삽입하는 단계; 상기 펀치를 상기 센터링 수단 구멍에 삽입하여 상기 펀치에 의하여 상기 압출 부재를 상기 보조 금형에 대고 누름과 동시에 상기 센터링 수단 구멍으로부터 상기 센터링 수단 출기구와 상기 금형 출기구를 통하여 공기를 배출함으로써 상기 압출 부재를 예압하는 단계; 상기 센터링 수단을 상기 압출 부재로부터 분리하는 단계; 상기 펀치로 눌러 상기 압출 부재를 후방 압출하는 단계; 상기 압출 부재를 상기 금형에서 분리하는 단계; 상기 압출 부재의 팁 거리를 측정하여 전단 마찰 인자를 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예로서, 상기 팁 시험 방법은, 상기 펀치로 눌러 상기 압출 부재를 후방 압출하는 단계를 완료한 다음에 상기 펀치를 상기 압출 부재로부터 분리하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예로서, 상기 압출 부재를 상기 금형에서 분리하는 단계에서, 상기 금형을 뒤집은 다음 상기 보조 금형을 누름으로써 상기 압출 부재를 상기 금형으로부터 분리한다.
한편, 본 발명의 팁 시험 방법은, 펀치로 압출 부재를 후방 압출하기 전에 상기 압출 부재를 센터링 수단에 끼운 상태로 금형 구멍에 삽입하여 상기 압출 부재를 상기 금형 구멍과 동중심으로 정렬한 다음, 상기 펀치를 상기 센터링 수단에 삽입하여 상기 펀치에 의하여 상기 압출 부재를 누름과 동시에 상기 센터링 수단의 내부 공기를 상기 센터링 수단에 마련된 센터링 수단 출기구와 상기 금형에 마련된 금형 출기구를 통하여 배출하여 상기 압출 부재의 후방을 예압함으로써 상기 압출 부재의 동중심 상태가 유지되도록 하고, 동중심 정렬이 완료된 상기 압출 부재를 상기 센터링 수단과 분리한 다음 상기 펀치로 후방 압출함으로써 상기 압출 부재의 후방 압출 유동이 상기 센터링 수단에 의하여 구속되지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 팁 시험 방법은, 펀치로 압출 부재를 후방 압출하기 전에 상기 압출 부재를 센터링 수단에 끼운 상태로 금형 구멍에 삽입하여 상기 압출 부재를 상기 금형 구멍과 동중심으로 정렬한 다음 상기 센터링 수단을 상기 압출 부재에서 분리하고 상기 펀치로 상기 압출 부재를 후방 압출하되, 상기 센터링 수단의 분리시 상기 펀치로 상기 압출 부재를 누름과 동시에 상기 센터링 수단의 내부 공기를 상기 센터링 수단에 마련된 센터링 수단 출기구와 상기 금형에 마련된 금형 출기구를 통하여 배출하여 상기 압출 부재의 후방을 예압함으로써 상기 압출 부재의 동중심 상태가 틀어지지 않도록 하는 것을 특징으로
본 발명에서 제시되는 일체형 센터링 수단 및 이를 구비한 팁 시험 장치를 이용함으로써, 효율적으로 팁 시험을 수행할 수 있고, 후방 압출을 이용한 전단 마찰 인자의 측정에 적합하게 설계된 각 부품들로 인하여 시험 결과의 왜곡 또는 신뢰성에 영향을 줄 수 있는 잘못된 장치의 조작 및 불필요한 시험 과정 등을 피할 수 있다.
또한, 금속제품 정형가공을 위하여 후방 압출을 이용한 전단 마찰 인자의 측정시 센터링 수단을 구비함으로써, 팁이 축 대칭으로 센터링되도록 하여 팁의 수직 거리에 비례하는 전단 마찰 인자를 정확하게 산출할 수 있다.
그리고, 센터링 수단 및 금형은 서로 연결되는 출기구를 각각 구비하므로, 예압을 가할 때 펀치가 압출 부재와 접촉하기 전에 센터링 수단 내의 공기가 압축되어 센터링 수단을 밀어올림으로써 압출 부재가 센터링 수단과 조기에 분리되어 적절한 동중심 위치를 확보하지 못하는 현상을 방지하고, 후방 압출 성형 중 금형 내부의 공기 압축에 의한 성형 하중의 증가를 방지하여 결과적으로 정확한 전단 마찰 인자의 측정이 가능토록 한다.
측정된 전단 마찰 인자는 금속 제품의 부피 성형을 위한 수치 해석에 사용됨 으로써 공정의 예측은 물론 정형 가공(net-shape forming)이 가능토록 하여 실제 산업현장에서 원가절감 및 생산성 향상을 꾀할 수 있도록 한다.
또한, 센터링 수단을 구비한 팁 시험 장치는 팁이 형성되는 수직 거리의 편차의 감소와 원주 방향으로 균일한 팁 형성을 이룰 수 있으므로 소형화된 금속 제품의 성형시에도 사이즈 이펙트에 무관하게 정확한 전단 마찰 인자를 산출할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 4는 팁 시험 장치의 조립 사시도이다. 금형(240)은 금형 고정 장치(290)에 마련된 금형 고정부(294)에 삽입되며 금형 고정부(294)는 볼트(298)에 의하여 고정된다. 금형(240)에는 금형 구멍(245)이 마련되며, 금형 구멍(245)에는 보조 금형(230), 압출 부재(220), 센터링 수단(250), 펀치(210)가 차례로 조립된다. 금형(240)의 상부에는 슬롯(도 8 참조, 242)이 마련되며 슬롯(242)에는 센터링 수단(250)의 머리부(252)가 착탈된다. 본 발명의 팁 시험 장치는 종래의 그루브를 대신하여 센터링 수단(250)이 압출 부재(220)를 센터링하므로, 수치 해석시 추가적인 리메쉬(re-mesh) 및 하중의 과도한 증가 등을 회피하여 정확한 전단 마찰 인자를 산출할 수 있게 된다.
도 5는 센터링 수단 구멍에 압출 부재가 끼워진 상태를 도시한다. 압출 부재(220)의 외경은 센터링 수단 구멍(255)의 내경과 실질적으로 일치함으로써 압출 부재(220)를 금형 구멍과 동중심으로 센터링할 수 있다.
도 6은 압출 부재(220)가 끼워진 상태로 센터링 수단(250)이 금형 구멍(245)에 삽입된 상태를 도 4의 A-A' 절단선을 따라 도시한 단면도이다. 압출 부재(220)의 예압(pre-load)을 위하여 센터링 수단 구멍(255)에 펀치(210)가 삽입된다. 압출 부재(220)는 펀치(210)에 의하여 후방 압출되기 전에 펀치(210)로 미리 예압됨으로써 센터링 수단(250)이 분리되더라도 압출 부재(220)의 센터링이 유지되도록 한다.
도 7은 펀치(210)에 의하여 압출 부재(220)가 예압된 상태에서 센터링 수단(250)이 금형 구멍(245)의 상측 방향으로 들어올려짐으로써 압출 부재(220)가 센터링 수단 구멍(255)으로부터 분리된 상태를 도시한다. 도 8은 도 7의 사시도이다.
도 11 및 도 12는 펀치 이젝터(400) 및 펀치 이젝터 핀(500)을 이용하여 펀치(210)를 센터링 수단(250)으로부터 분리하는 상태를 도시한다.
도 13 및 도 14는 금형을 뒤집은 다음 보조 금형 이젝터(600)를 이용하여 보조 금형 및 후방 압출 완료된 압출 부재를 금형에서 분리하는 상태를 도시한다.
도 15는 펀치(210)와 압출 부재(220) 상면의 밀폐된 공간의 공기가 센터링 수단 출기구(256) 및 금형 출기구(246)를 통하여 배출되는 상태를 도시한다. 도 16은 센터링 수단 출기구(256)의 일 실시예를 도시한 사시도이고, 도 17은 도 16의 B-B' 절단선에 대한 단면도이다.
도 18은 센터링 수단 출기구의 다른 실시예(256')를 도시한 사시도이다. 도 18을 참조하면, 센터링 수단 출기구(256')는 축 방향을 따른 개구가 형성되도록 센터링 수단(250)의 일부를 절개한 형상이다. 이러한 센터링 수단 출기구(256')는 센터링 수단 구멍(255)을 축 방향에 평행하게 절개한 형상이 된다.
센터링 수단 출기구(256, 256')는 센터링 수단(250)이 압출 부재(220) 방향으로 삽입된 상태에 있을 때 금형 출기구(246)와 연결됨으로써 펀치(210) 삽입시 공기를 배출하여 공기압에 의한 펀치(210) 하중의 이상 증가를 억제한다.
후방 압출을 이용한 전단 마찰 인자의 측정시 압출 부재(220)의 크기가 작아질수록 팁 거리(d)에 대한 편차의 비중이 커지므로 센터링 정밀도가 좋아야 한다. 즉, 금형 구멍(245)의 중앙에 압출 부재(220)의 초기 위치가 존재하도록 해야 하며, 이로써 축대칭 성형이 가능해지고 결과적으로 정확한 전단 마찰 인자를 측정할 수 있다.
도 4 내지 도 18에 도시된 팁 시험 장치는 일체형 팁 시험 장치로서, 센터링 수단(250)을 사용하여 압출 부재(220)를 금형 구멍(245)의 중앙에 센터링시킨 후 센터링 수단(250)를 금형 구멍(245)에서 분리하지 않고 압출 부재(220)를 후방 압출 하는 의미에서 일체형 팁 시험 장치로 정의한다.
센터링 수단 구멍(255)을 통해 펀치(210)를 삽입하고 적당한 예압 하중(약 40N)을 가하여 압출 부재(220)가 펀치(210)와 보조 금형(230) 사이에 견고히 고정되도록 하며, 센터링 수단(250)을 상향으로 들어올려 압출 부재(220)를 분리한 후에도 압출 부재(220)는 초기의 위치를 유지하도록 할 수 있다.
펀치(210)가 압출 부재(220)의 상면에 접촉할 때까지 센터링 수단(250)은 압출 부재(220)의 위치를 계속 유지해 주어야만 하며, 만약 센터링 수단 출기구(256) 및 금형 출기구(246)가 없을 경우를 가정하면, 펀치(210), 압출 부재(220), 센터링 수단 구멍(255)의 내벽으로 이루어지는 폐쇄된 공간 내에 공기가 압축되면서 펀치(210)가 압출 부재(220)의 상부에 접촉하기 전에 공기압으로 센터링 수단(250)이 상향으로 밀려 올라오게 된다. 이때 압출 부재(220)가 센터링 수단 구멍(255)에서 조기에 분리되면서 압출 부재(220)가 금형 구멍(245)의 중앙에 위치하지 못하게 되는 경우가 발생하며 이로 인해 성형 후 올바른 시험을 할 수 없게 된다.
따라서 센터링 수단 출기구(256)와 금형 출기구(246)를 통해 공기가 갇히지 않고 외부로 배출될 수 있도록 해야 한다. 이때 센터링 수단(250) 상부의 머리부(252)가 금형(240)의 상부에 마련된 슬롯(242)과 일치하도록 절단된 원판 형상을 취하며, 머리부(252)가 슬롯(242)에 삽입되었을 때 센터링 수단 출기구(256)와 금형 출기구(246)가 서로 일치하도록 한다.
센터링 수단(250)의 센터링 수단 구멍(255)에 압출 부재(220)를 장착한 후, 센터링 수단(250)을 금형 구멍(245)에 삽입한다. 센터링 수단(250)을 금형(240)에 장착시 센터링 수단 구멍(255)에 삽입된 압출 부재(220)가 분리되지 않도록 센터링 수단 구멍(255)의 치수 관리가 매우 중요하다.
펀치(210)를 삽입하여 압출 부재(220)의 위치를 결정한 후 센터링 수단(250)을 들어올리고 90°회전시켜 도 7 및 도 8과 같이 슬롯(242)에 인접한 금형(240) 상면에 의하여 센터링 수단(250)의 머리부(252)가 받쳐지도록 한다(이때 압출 부 재(220)가 센터링 수단 구멍(255)에서 분리된다). 따라서, 압출 부재(220)로부터 센터링 수단(250)이 도피되며 압출 부재(220)의 성형이 방해받지 않는다. 이를 위하여, 센터링 수단(250)의 하부 끝까지의 길이는 도 6과 같이 센터링 수단(250)을 삽입하였을 때 압출 부재(220)를 금형(240)의 중앙에 위치하도록 함은 물론, 도 7과 같이 센터링 수단(250)을 분리하였을 때 압출 부재(220)의 성형에 방해가 되지 않도록 하는 소정의 길이가 되어야 한다.
도 7에 도시된 것과 같이, 금형 구멍(245)에 내경 단차(참조부호 245 와 참조부호 245'의 차이)가 있도록 한 것은 센터링 수단(250)의 선반 가공시 진직도 문제를 해결하며 동시에 단차 부분에 의하여 간섭됨으로써 적절한 깊이까지만 센터링 수단(250)이 삽입되도록 하는 역할도 하게 된다.
후방 압출된 압출 부재(220)는 컵 모양을 형성하게 되는데 금형 구멍(245)의 내벽은 압출 부재(220)의 컵 모양의 외벽면을 형성하도록 해주는 역할을 한다.
도 7을 참조하면, 금형(240)의 축방향을 따라 상부와 하부는 중앙부에 비해 외경이 큰데, 이는 금형 고정 장치(290)에 결합하기 위함이다. 후방 압출 성형 후 프레스와 같은 펀치 구동부(미도시)의 동력을 이용하여 펀치(210)를 분리할 때 펀치(210), 압출 부재(220), 금형 구멍(245)이 서로 강한 수축력으로 고정되어 있어 금형(240)을 고정하지 않으면 금형(240) 자체가 펀치(210)에 딸려 올라가게 된다. 따라서, 외경이 큰 하부는 금형 고정 장치(290)를 이용하여 프레스(미도시)에 금형(240)을 고정시킴으로써 펀치(210)의 분리가 용이하도록 한다.
반면, 외경이 큰 상부는 성형 및 펀치(210) 제거 후 압출 부재(220)를 금 형(240)에서 빼낼 때 금형(240)을 뒤집어서 보조 금형(230)을 가압하게 되는데, 이때 금형 고정 장치(290)에 결합할 수 있도록 한다. 시험 절차의 전반에 걸쳐 금형 고정 장치(290)는 프레스(미도시)에 단단히 고정되어 있으므로 금형 고정 장치(290)를 제거하지 않고 금형(240)만 뒤집어 압출된 소재를 제거할 수 있도록 함으로써 시험의 효율성을 제고하기 위함이다.
또한, 금형 출기구(246)는 후방 압출 성형시 공기가 압축되어 하중이 증가하지 않도록 하는 역할을 하게 되며 도 6과 같이 센터링 수단 출기구(256)와 일치되도록 하면, 초기에 펀치(210) 삽입시 공기가 압축되어 센터링 수단(250)과 압출 부재(220)가 조기에 분리되는 현상을 막아주는 역할도 한다.
금형 고정 장치(290)는 일체형 가공이 어려우므로 금형(240)을 볼트(298)로 체결함으로써 그 제작이 용이하도록 한다.
펀치(210)는 센터링 수단 구멍(255)에 삽입 후 가압시 수직방향 외에는 구속되어 대칭 성형이 가능하도록 해야 하므로 펀치(210)의 상부 직경은 센터링 수단 구멍(255)의 내경과 일치하도록 하는 한편, 펀치(210)의 하부 직경은 압출 부재(220)보다 작아야 한다.
실제 성형시 적절한 센터링에 실패할 경우, 성형 중 압출 부재가 펀치와 금형 구멍 사이에서 편중된 마찰을 받게 되며, 각 부위의 마찰이 균일하지 못하여 측정 결과의 신뢰성을 훼손할 수 있다.
이하에서 도 4 내지 도 14를 참조하며 본 발명의 팁 시험 방법을 순차적으로 다시 설명한다.
먼저, 금형 고정 장치(290)를 프레스(미도시) 또는 재료 시험기(미도시)에 볼트 등으로 단단히 고정한다. 후방 압출 완료 후 펀치(210)의 제거시 펀치(210)와 금형 구멍(245) 사이의 강한 수축력으로 인하여 금형(240)이 펀치(210)에 딸려 올라가는 것을 방지하기 위함이다.
다음으로 금형 고정 장치(290)의 금형 고정부(294)에 대하여 측면 방향으로 금형(240)을 삽입한다. 금형(240)을 금형 고정부(294)의 끝까지 삽입해야만 금형(240)의 부적절한 좌우 유동을 방지할 수 있다.
그리고, 금형 구멍(245)에 보조 금형(230)을 삽입한다. 보조 금형(230)은 후방 압출시 압출 부재(220)의 하부와 접촉하여 가압에 의한 소재의 유동이 측방향으로 흐르게 한다. 따라서, 보조 금형(230)은 적절하고 균일한 표면 거칠기가 보장되어야 시험 결과의 신뢰성을 얻을 수 있다. 보조 금형(230)은 도 6과 같이 금형 구멍(245)에 삽입 후 금형 고정 장치(290)와 접촉할 정도로 끝까지 삽입한다. 만일 삽입 깊이가 부족할 경우, 펀치(210)의 가압시 보조 금형(230)이 금형 고정 장치(290)의 표면에 큰 힘으로 충돌하게 되어 금형(240) 및 금형 고정 장치(290)가 손상될 수 있으며, 이러한 충돌은 펀치(210) 또는 압출 부재(220)에도 충격력을 작용하게 되어 시험 결과에 영향을 미칠 수 있다.
압출 부재(220)를 센터링 수단(250)에 결합하기에 앞서, 시험을 원하는 윤활제를 압출 부재(220)의 상면 및 측면에 고르게 도포한다. 압출 부재(220)의 상면은 펀치(210)로 가압되는 부분인데 압출 부재(220)를 센터링 수단(250)에 결합한 다음에는 노출되지 않으므로 윤활제를 도포하기 어렵기 때문에 윤활제 도포를 미리 선 행하는 것이 바람직하다. 압출 부재(220)의 상면은 금형 구멍(245)의 내벽과 펀치(210) 사이로 후방 압출되면서 극심한 전단 마찰을 받기 때문에 윤활제 도포가 필수적이다. 다음으로, 보조 금형(230)에 의하여 지지되는 압출 부재(220)의 하면에도 윤활제를 도포한다.
그리고, 압출 부재(220)를 센터링 수단(250)에 삽입한다. 압출 부재(220)가 끼워진 센터링 수단(250)은 금형 구멍(245)에 삽입된다.
다음으로, 펀치(210)를 센터링 구멍에 삽입하여 압출 부재(220)가 보조 금형(230)에 대하여 눌려지게 함으로써 압출 부재(220)를 예압하여 센터링 상태가 유지되도록 한다. 압출 부재(220)가 보조 금형(230) 또는 금형 구멍(245)과 동중심되는 곳에 초기 위치를 잡아야 압출 부재(220)의 대칭 성형이 가능해진다. 따라서, 펀치(210)에 의하여 예압함으로써 센터링 수단(250)이 압출 부재(220)와 분리되어도 압출 부재(220)의 센터링 상태가 틀어지지 않게 한다.
그리고, 도 6 및 도 7과 같이 센터링 수단(250)을 들어올려 90°회전시킴으로써 압출 부재(220)가 분리되게 한다. 센터링 수단(250)을 분리하는 이유는 압출 부재(220)가 횡 방향 또는 연직 방향으로 밀려 올라갈 때 방해받지 않도록 하기 위함이다. 만약 센터링 수단(250)을 분리하지 않고 후방 압출할 경우 압출 부재(220)의 횡 방향 팽창에 의하여 센터링 수단(250)의 단부 치수에 변화가 야기되어 추후에 센터링 수단(250)의 조립이 불가능하게 될 수도 있다.
다음으로 펀치(210)를 이용하여 압출 부재(220)를 후방 압출한다. 후방 압출시 하중이 완전히 포화될 때까지 펀치(210)를 가압하여야 한다. 하중의 포화라 함 은 하중이 크게 변동되지 않더라도 변형이 계속 일어나는 소성 변형시 하중이 수렴되는 것처럼 관찰되는 것을 말한다. 이는 도 9의 우측 상단 부분에 해당한다.
만약 도 10의 우측 상단과 같이 가압이 불충분하여 하중이 포화되지 않으면 추가적인 가압의 여지가 남아 있기 때문에 전단 마찰 인자의 산출시 오차 발생 요인이 된다.
후방 압출이 완료된 후 압출 부재(220)를 분리하기에 앞서 압출 부재(220)와 강한 수축력으로 결합되어 있는 펀치(210)를 제거해야 한다. 이를 위하여 펀치 이젝터(400) 및 펀치 이젝터 핀(500)을 이용한다. 즉, 도 11에서 펀치 이젝터(400)의 프레스 장착부(410)를 프레스(미도시) 등에 고정한 다음, 펀치 이젝터 핀(500)을 핀 삽입부(450)에 삽입하여 펀치(210)의 선단부(215)에 걸쳐지게 하고, 프레스를 이용하여 펀치 이젝터(400)를 들어 올리면 펀치(210)가 압출 부재(220)로부터 분리된다.
펀치(210)를 제거하면 도 12와 같은 상태가 되는데, 금형 구멍(245)과 압출 부재(220) 사이의 수축력이 여전히 존재하므로 프레스의 기계적인 힘을 이용하여 압출 부재(220)를 분리해야 한다. 이를 위하여 도 13과 같이 금형(240)을 금형 고정 장치(290)에서 빼내어 뒤집은 다음, 보조 금형 이젝터(600)를 보조 금형(230)의상부에 장착하고 이를 프레스로 누름으로써, 압출 부재(220)가 금형 구멍(245)으로부터 분리되게 한다. 이때, 보조 금형(230)의 홈(235)에 보조 금형 이젝터(600)의 돌기(650)를 조립함으로써 보조 금형(230) 및 보조 금형 이젝터(600)가 좌우 유동 없이 눌려지는 것이 바람직하다.
도 14와 같이 적정 깊이까지 보조 금형(230)이 눌려지면 압출 부재(220)는 금형 고정 장치(290)의 상면에 추출된다.
도 20은 후방 압출 완료된 압출 부재의 사시도이다. 도 21은 도 20의 측단면도이다. 상술한 과정을 거쳐 후방 압출 완료된 압출 부재(220)는 도 20 및 도 21과 같이 압출 부재(220)의 원주 방향을 따라 일정한 팁 두께(t) 및 일정한 팁 거리(d)를 형성하므로 축대칭 성형된다. 이때, 팁 거리(d) 또는 팁 거리를 팁 두께로 나눈 값인 d/t 와 전단 마찰 인자 사이에 성립하는 비례 관계를 이용하여 전단 마찰 인자를 산출할 수 있다.
도 19는 본 발명의 팁 시험 장치를 이용하여 AL2024-O로 예시된 알루미늄 합금(aluminum alloys) 재질의 압출 부재를 다양한 윤활 조건에 대하여 팁 측정 결과를 도시한 그래프이다. 윤활 조건은 윤활제의 종류에 따라 참조부호 A 내지 D로 표시되었다.
도 19를 참조하면, 팁 거리 d는 펀치에 의한 최대 하중에 선형적으로 비례하는 것이 특징이며, 실험 결과와 수치 해석 결과를 비교하여 압출 부재와 펀치 접촉면의 전단 마찰 인자 mfp와, 압출 부재와 금형 구멍면 및 보조 금형 접촉면의 전단 마찰 인자 mfd 및 그래프에서 기울기로 나타나는 mfp와 mfd의 비율 X를(X=mfd/mfp) 알 수 있다. 또한, 선형적인 비례 관계를 이용하여 전단 마찰 인자와 팁 거리 d간의 관계를 수식으로 정리할 수 있게 되며 산업 현장에서는 팁 거리 측정 후 수식에 대입하여 해당 공정에서의 전단 마찰 계수를 도출할 수 있게 된다.
예를 들어 AL2024 재료를 이용하여 다른 형상의 제품(기어, 볼트 등)을 성형할 경우, 상기와 같이 얻어낸 구체적인 mfp 와 mfd 를 실제 제품의 수치 해석시 입력함으로써, 최적의 공정 설계 및 정확한 결과 예측을 할 수 있게 되고 궁극적으로는 정형가공(net shape forging)이 가능하게 된다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1 및 도 2는 압출 부재의 다이 장착 상태에 따른 팁 형성 경향을 비교하기 위한 설명도이다.
도 3은 본 발명과 비교를 위한 것으로, 압출 부재를 축대칭 위치에 센터링하는 그루브를 도시한다.
도 4는 본 발명의 팁 시험 방법에 이용되는 팁 시험 장치의 조립 사시도이다.
도 5는 센터링 수단 구멍에 압출 부재가 끼워진 상태를 도시한다.
도 6은 압출 부재가 끼워진 상태로 센터링 수단이 금형 구멍에 삽입된 상태를 도 4의 A-A' 절단선을 따라 도시한 단면도이다.
도 7은 압출 부재가 센터링 수단으로부터 분리된 상태를 도시한다.
도 8은 도 7의 사시도이다.
도 9 및 도 10은 하중의 포화 여부를 설명하는 그래프이다.
도 11 및 도 12는 펀치를 센터링 수단으로부터 분리하는 상태를 도시한다.
도 13 및 도 14는 압출 부재를 금형에서 분리하는 상태를 도시한다.
도 15는 공기가 센터링 수단 출기구 및 금형 출기구를 통하여 배출되는 상태를 도시한다.
도 16은 센터링 수단 출기구의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 17은 도 16의 B-B' 절단선에 대한 단면도이다.
도 18은 센터링 수단 출기구의 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 19는 다양한 윤활 조건에 대하여 팁 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 20은 후방 압출 완료된 압출 부재의 사시도이다.
도 21은 도 20의 측단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
210...펀치(punch) 220...압출 부재
230...보조 금형 240...금형
245...금형 구멍 250...센터링 수단
255...센터링 수단 구멍 242...슬롯(slot)
246...금형 출기구 252...머리부
256...센터링 수단 출기구 290...금형 고정 장치
294...금형 고정부 298...볼트
400...펀치 이젝터 410...프레스 장착부
450...핀 삽입부 500...펀치 이젝터 핀
550...블레이드 600...보조 금형 이젝터
650...돌기

Claims (8)

  1. 금형 구멍이 형성되고, 상기 금형 구멍에 연결되도록 금형 출기구가 마련되는 금형; 압출 부재를 가압하는 펀치; 상기 금형 구멍에 삽입되어 상기 압출 부재를 지지하는 보조 금형; 상기 금형 구멍에 일방향으로 삽입됨으로써 상기 압출 부재를 상기 금형 구멍과 동중심으로 정렬하며 상기 펀치가 삽입되는 센터링 수단 구멍과 상기 센터링 수단 구멍과 연결되도록 센터링 수단 출기구가 마련되는 센터링 수단; 을 포함하는 팁 시험 장치를 이용한 팁 시험 방법으로서,
    상기 센터링 수단에 상기 압출 부재를 끼우는 단계;
    상기 금형 구멍에 보조 금형을 삽입하는 단계;
    상기 압출 부재가 조립된 상기 센터링 수단을 상기 금형 구멍에 삽입하는 단계;
    상기 펀치를 상기 센터링 수단 구멍에 삽입하여 상기 펀치에 의하여 상기 압출 부재를 상기 보조 금형에 대고 누름과 동시에 상기 센터링 수단 구멍으로부터 상기 센터링 수단 출기구와 상기 금형 출기구를 통하여 공기를 배출함으로써 상기 압출 부재를 예압하는 단계;
    상기 센터링 수단을 상기 압출 부재로부터 분리하는 단계;
    상기 펀치로 눌러 상기 압출 부재를 후방 압출하는 단계;
    상기 압출 부재를 상기 금형에서 분리하는 단계;
    상기 압출 부재의 팁 거리를 측정하여 전단 마찰 인자를 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 팁 시험 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펀치로 눌러 상기 압출 부재를 후방 압출하는 단계를 완료한 다음에 상 기 펀치를 상기 압출 부재로부터 분리하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 팁 시험 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압출 부재를 상기 금형에서 분리하는 단계에서,
    상기 금형을 뒤집은 다음 상기 보조 금형을 누름으로써 상기 압출 부재를 상기 금형으로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 팁 시험 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 팁 시험 장치는 상기 금형을 고정하는 금형 고정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 팁 시험 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전단 마찰 인자를 산출하는 단계는,
    상기 팁 거리가 상기 펀치에 의한 최대 하중에 선형적으로 비례하므로 상기 압출 부재와 상기 펀치의 접촉면의 전단 마찰 인자 mfp와, 상기 금형 구멍 또는 상기 보조 금형과 상기 압출 부재의 접촉면의 전단 마찰 인자 mfd 와, 상기 mfp 및 상기 mfd의 비율 X를 산출하여 상기 전단 마찰 인자와 상기 팁 거리 간의 비례 관계식을 산출하는 것을 특징으로 하는 팁 시험 방법.
  7. 펀치로 압출 부재를 후방 압출하기 전에 상기 압출 부재를 센터링 수단에 끼운 상태로 금형 구멍에 삽입하여 상기 압출 부재를 상기 금형 구멍과 동중심으로 정렬한 다음, 상기 펀치를 상기 센터링 수단에 삽입하여 상기 펀치에 의하여 상기 압출 부재를 누름과 동시에 상기 센터링 수단의 내부 공기를 상기 센터링 수단에 마련된 센터링 수단 출기구와 상기 금형에 마련된 금형 출기구를 통하여 배출하여 상기 압출 부재의 후방을 예압함으로써 상기 압출 부재의 동중심 상태가 유지되도록 하고,
    동중심 정렬이 완료된 상기 압출 부재를 상기 센터링 수단과 분리한 다음 상기 펀치로 후방 압출함으로써 상기 압출 부재의 후방 압출 유동이 상기 센터링 수단에 의하여 구속되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 팁 시험 방법.
  8. 펀치로 압출 부재를 후방 압출하기 전에 상기 압출 부재를 센터링 수단에 끼운 상태로 금형 구멍에 삽입하여 상기 압출 부재를 상기 금형 구멍과 동중심으로 정렬한 다음 상기 센터링 수단을 상기 압출 부재에서 분리하고 상기 펀치로 상기 압출 부재를 후방 압출하되,
    상기 센터링 수단의 분리시 상기 펀치로 상기 압출 부재를 누름과 동시에 상기 센터링 수단의 내부 공기를 상기 센터링 수단에 마련된 센터링 수단 출기구와 상기 금형에 마련된 금형 출기구를 통하여 배출하여 상기 압출 부재의 후방을 예압함으로써 상기 압출 부재의 동중심 상태가 틀어지지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 팁 시험 방법.
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