KR101007666B1 - 반용융 압출 장치 및 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 컨테이너에 선 수용된 빌렛이 스템에 의해 가압되어 다이를 통해 압출이 이루어질 때 다음 압출 분량의 빌렛을 임시로 수용하여 고액 공존의 반용융 상태로 등온 유지시키면서 대기하다가 선 수용된 빌렛의 압출 완료 후 즉시 컨테이너의 후방 측에 결합되어 빌렛을 공급함으로써 연속적으로 압출이 이루어지도록 하는 보조 컨테이너를 구비한다. 따라서, 본 발명은 반용융 압출 공정의 소요 시간을 현저히 절감할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

반용융 압출 장치 및 공정{Thixo-extrusing apparatus and process of the same}

본 발명은 압출 장치 및 공정에 관한 것으로서, 특히 알루미늄 합금과 같은 소재 빌렛을 액상과 고상이 동시에 존재하는 복합상의 반용융 상태로 제어하여 압출 성형하되, 연속하여 압출 성형이 이루어지도록 하는 반용융 압출 장치 및 공정에 관한 것이다.

금속 소재에 대한 다양한 소성가공 방법들 중, 압출(extrusion)은 소재 빌렛을 컨테이너에 넣고 강한 압력을 작용시켜 금형을 통해 밀어내는 가공 방법으로서, 치수정밀도와 표면 정도가 높고 복잡한 형상의 제품을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

최근에는 자동차 부품은 물론 철도차량과 LCD-TV 등의 프레임을 제작하는 데에 압출 공정이 적용됨으로써, 제품의 경량화와 생산원가 절감에 크게 기여하고 있다. 특히, 전 세계적으로 환경문제와 에너지 효율의 증대에 대한 요구로 인해 주 소재인 철강계 소재를 알루미늄 합금 소재로 대체하려는 노력이 활발히 이루어지고 있는 상황에서, 알루미늄 합금을 소재로 하여 압출 성형되는 제품은 기존의 철강 소재 제품에 비해 중량이 훨씬 가벼우면서도 만족할만한 강도를 유지할 수가 있음으로 해서 철강재를 빠르게 대체해가고 있는 실정이다.

한편, 알루미늄 합금 소재를 이용한 압출 공정은, 알루미늄의 융점(약 660℃)을 고려하여 450∼520℃로 소재 빌렛을 예열함으로써 적당한 유동성(metal flow)을 부여한 상태에서 압출을 실시하게 된다. 그런데, 이러한 일반적인 압출을 통해 빌렛을 성형할 때, 빌렛은 고상의 상태를 갖기 때문에 빌렛에 대해 압출 초기에 요구되는 압출 압력이 크고, 컨테이너 내에서 빌렛이 등온으로 유지되지 못함으로 인해 제품의 금속학적 조직과 기계적 성질에 악영향을 미치게 된다.

이와 같은 문제점을 개선하기 위해 등록특허 제10-0799739호(명칭 : 반용융 압출 장치 및 반용융 압출 방법)에서는, 압출 빌렛을 고액공존 영역에서 등온 유지시키는 컨테이너와 금형을 구비함과 아울러 고온 압출된 압출재를 냉각시키는 냉각장치를 구비한 반용융 압출 장치를 개시하고 있다. 즉, 이 등록특허는 압출 소재 빌렛을 컨테이너에서 고상과 액상의 복합상으로 형성되는 반용융 상태로 등온 유지시키고, 금형과 냉각장치의 냉각 시스템에 의한 등온 유지 공정을 통해, 빌렛의 초기 압출 압력을 저감시키고, 제품의 미세 조직과 기계적 특성을 개선하고 있다.

그런데, 상기 등록특허를 비롯한 기존의 반용융 압출 장치에서는, 한정된 양의 소재 빌렛을 반용융 상태로 가열하여 컨테이너에 장입하거나, 일정 온도로 예열된 상태로 컨테이너에 장입한 다음 컨테이너에서 반용융 상태로 승온 가열하여 압출 성형 공정을 수행하게 된다. 그리고, 압출이 끝나고 나면 다음 분량의 빌렛을 이와 동일한 방법으로 컨테이너에 장입하여 압출을 하게 된다.

이와 같이 기존의 반용융 압출 장치에서는 소재 빌렛이 컨테이너에 단속적으로 장입이 되어 가열되면서 일정 분량씩만 압출 성형을 수행하기 때문에, 다음 압출 성형 작업분의 빌렛을 가열하고 장입하는 데에 공정 시간이 많이 소요되므로 생산성이 현저히 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위해 개발된 것으로서, 그 목적은, 반용융 압출 성형을 수행함에 있어서 소재 빌렛을 연속적으로 컨테이너에 장입하여 작업을 진행함으로써 생산성을 향상시키게 되는 반용융 압출 장치 및 공정을 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 압출 소재 빌렛을 수용하되 빌렛을 고/액상 공존의 반용융 상태로 등온 유지시키는 가열수단을 내장한 컨테이너와, 이 컨테이너 내의 빌렛을 압출 방향으로 가압하는 스템과, 상기 컨테이너로부터 스템에 의해 가압되는 빌렛을 원하는 형상으로 성형하는 금형을 포함하는 반용융 압출 장치에 있어서, 상기 컨테이너에 선(先) 수용된 빌렛이 스템에 의해 가압되어 금형을 통해 압출이 이루어질 때, 다음 압출 분량의 빌렛을 임시로 수용하여 고/액 공존의 반용융 상태로 등온 유지시키면서 대기하다가, 상기 선 수용된 빌렛의 압출 완료 후 스템이 컨테이너로부터 완전히 후퇴하였을 때 컨테이너의 후방 측에 결합이 되고, 다음 압출 분량의 빌렛이 스템에 의해 가압되면서 컨테이너 내부로 진입하면 컨테이너로부터 이탈되어 또 다음 압출 분량의 빌렛을 수용할 수 있게 됨으로써, 연속적으로 압출이 이루어지도록 하는 보조 컨테이너가 더 구비된 것을 특징으로 하는 반용융 압출 장치를 제공한다.

상기 구성에 있어서, 상기 보조 컨테이너는, 빌렛의 압출 방향으로 관통되는 빌렛 수용부가 형성되면서, 일측이 회전축으로 결합되어 이 회전축을 중심으로 개폐 가능하게 되고, 내부에는 상기 빌렛 수용부에 수용된 빌렛을 고/액 공존의 반용융 상태로 등온 유지시킬 수 있도록 가열하는 가열수단이 매입된 구조로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 보조 컨테이너는 복수 개가 구비되어 상기 컨테이너를 상대로 순환하게 되는 구성으로 이루어질 수도 있다.

한편, 본 발명은, 고/액상 공존의 반용융 상태로 압출 소재 빌렛을 등온 유지시키는 컨테이너 내의 상기 빌렛을 스템에 의해 압출 방향으로 가압하여 금형을 통해 원하는 형상으로 성형하는 반용융 압출 공정에 있어서, 상기 컨테이너에 선(先) 수용된 빌렛이 스템에 의해 가압되어 금형을 통해 압출될 때, 다음 압출 분량의 빌렛을 보조 컨테이너에 임시로 수용하여 고/액 공존의 반용융 상태로 등온 유지시키면서 대기하다가, 상기 선 수용된 빌렛의 압출 완료 후 스템이 컨테이너로부터 완전히 후퇴하였을 때 보조 컨테이너를 컨테이너의 후방 측에 결합시키고, 다음 압출 분량의 빌렛이 스템에 의해 가압되면서 컨테이너 내부로 진입하면 보조 컨테이너를 컨테이너로부터 이탈시켜 또 다음 압출 분량의 빌렛을 수용할 수 있게 함으로써, 연속적으로 압출이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 반용융 압출 공정을 제공한다.

상기 공정에 있어서, 상기 보조 컨테이너를 복수 개 구비하여, 복수 개의 보조 컨테이너를 상기 컨테이너를 상대로 순환시키면서 다음 압출 분량의 빌렛을 수용하도록 할 수도 있다.

위와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 반용융 압출 성형 공정을 수행할 때 소재 빌렛을 고/액상 공존의 반용융 상태로 등온 유지하면서 연속적으로 컨테이너에 장입하여 작업을 진행할 수 있게 되므로 생산성을 향상시키게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 반용융 압출 장치에 대한 구성의 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 반용융 압출 장치를 구성하는 보조 컨테이너에 빌렛이 장입되는 모습을 예시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 반용융 압출 장치에 대한 구성의 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 반용융 압출 장치를 구성하는 보조 컨테이너에 빌렛이 장입되는 모습을 예시한 도면이다.

상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반용융 압출 장치는, 압출 소재 빌렛(B)을 수용하는 컨테이너(10)와, 이 컨테이너(10)에 수용된 빌렛(B)을 유압장치(20)로부터 제공되는 동력에 의해 압출 방향으로 가압하는 스템(30)과, 이 스템(30)에 의해 가압되는 빌렛(B)을 원하는 형상으로 성형하는 금형(40)과, 상기 컨테이너(10)에 수용될 빌렛(B)을 미리 수용하여 컨테이너(10)로 연속 공급하는 보조 컨테이너(50)를 포함한 구성으로 이루어져 있으며, 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 압출하고자 하는 소재인 빌렛(B)은 액상과 고상이 동시에 존재하는 복합상의 반용융 상태에서 압출이 이루어지는데, 압출 전에 빌렛(B)은 고액 공존의 반용융 상태로 가열되어 컨테이너(10)에 장입되거나 또는 컨테이너(10) 내에서 가열이 되어 고액 공존의 반용융 상태로 될 수도 있다.

알루미늄 합금을 예로 들면, 종래의 압출 장치에서 이루어지는 일반 압출에서는 빌렛을 450∼550℃로 예열하여 고상인 상태로 컨테이너에 장입하고, 고상인 상태 그대로 압출을 하게 된다. 그러나, 본 발명에서는 알루미늄 합금 빌렛을 570∼650℃로 가열하여 고상과 액상이 공존하는 복합상의 반용융 상태로 만들고, 컨테이너(10)에서 등온으로 유지하면서 압출을 하게 된다. 합금계에 따라 빌렛을 반용융 상태로 하는 온도 범위는 다소 상이할 수 있는데, 5000계열 알루미늄 합금에 대해서는 600∼650℃, 6000계열 알루미늄 합금에 대해서는 580∼650℃, 7000계열 알루미늄 합금에 대해서는 570∼640℃로 가열하여 등온 유지하면서 압출하는 것이 바람직하다. 이러한 알루미늄 합금 이외에도 마그네슘 합금이나 동 합금 등 다른 소재에 대해서도 해당 합금의 융점을 고려하여 고액 공존의 반용융 상태인 온도 범위로 빌렛을 가열하면 된다.

만일, 소재 빌렛을 반용융 압출할 때, 상기와 같이 고액 공존의 복합상으로 되는 반용융 상태로 유지하기 위한 온도 범위에서 하한값 미만이 되면 액상이 고상으로 상변화를 일으켜 압출 압력이 증가함은 물론 반용융 압출이 곤란해진다. 또한, 상기 온도 범위에서 상한값을 초과하여 가열되면 고상의 분율이 감소함에 따라 반용융 압출이 아닌 액상의 압출이 이루어지게 된다. 따라서, 압출하고자 하는 빌렛에 대해 고액 공존의 복합상으로 되는 반용융 상태의 온도 범위로 등온에서 균일하게 유지하는 것이 중요하다.

이와 같이 빌렛(B)을 고액 공존의 복합상을 갖는 반용융 상태로 가열하여 등온 유지할 수 있도록 하기 위해, 상기 컨테이너(10)는 그 둘레방향을 따라 제1가열수단(11)과 제1온도측정수단(12)을 구비하고 있다. 제1가열수단(11)으로는 히트 카트리지(heat cartridge) 혹은 고주파 가열장치 등과 같이 사용될 수 있고, 제1온도측정수단(12)으로는 열전대가 사용될 수 있다.

따라서, 컨테이너(10)의 빌렛 수용부(10a)에 빌렛(B)이 장입되면 제1온도측정수단(12)에 의해 빌렛(B)의 온도를 측정한 뒤, 제1가열수단(11)을 제어하여 빌렛(B)이 고액 공존의 반용융 상태에서 등온 유지가 되도록 컨테이너(10)를 가열하게 된다.

한편, 상기 빌렛(B)이 스템(30)에 의해 가압될 때와 금형(40)을 통과할 때, 스템(30)과 금형(40)에 접촉하고 있는 부분이 국부적으로 냉각되어 압출재의 미세조직을 변화시키고 결국에는 기계적 특성을 악화시킬 수 있으므로, 스템(30)과 금형(40)에도 별도의 가열수단(도시되지 않음)을 구비하여 가열을 하도록 함으로써 스템(30)과 금형(40)에 의한 빌렛(B)의 국부적인 냉각을 방지하는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 보조 컨테이너(50)는 컨테이너(10)의 구조에 대응하는 원통형으로 예시되어 있는데, 빌렛(B)의 압출 방향으로 관통된 빌렛 수용부(50a)를 구비하고 있으며, 좌우로 양분되어 일측이 서로 회전축(51)으로 결합되어 있다. 따라서, 이 회전축(51)을 중심으로 회전하여 상기 빌렛 수용부(50a)가 개폐됨으로써, 빌렛 수용부(50a) 내에 빌렛(B)을 수용할 수 있게 된다.

그리고, 보조 컨테이너(50)의 내부에는 빌렛 수용부(50a)에 수용된 빌렛(B)을 고/액 공존의 반용융 상태로 등온 유지시킬 수 있도록 가열하는 제2가열수단(52)이 매입되어 있다. 이와 아울러, 보조 컨테이너(50) 내에 수용된 빌렛(B)의 온도를 측정하기 위한 제2온도측정수단(53)도 구비될 수 있다. 이렇게 구비된 제2온도측정수단(53)에 의해 빌렛(B)의 온도를 측정하여 보조 컨테이너(50) 내에서 빌렛(B)이 고/액 공존의 반용융 상태로 등온 유지되도록 제2가열수단(52)의 작동을 제어하게 된다.

위의 설명과 같이 구비된 본 발명의 반용융 압출 장치를 이용한 압출 공정은 다음과 같이 진행된다.

먼저, 컨테이너(10)의 빌렛 수용부(10a)에 압출 소재 빌렛(B)이 고/액 공존의 복합상을 갖는 반용융 상태로 등온 유지되도록 장입된 상태에서, 스템(30)에 의해 가압되어 금형(40)을 통해 원하는 형상과 크기로 압출이 이루어진다.

이렇게 컨테이너(10)에 선(先) 수용된 빌렛(B)이 압출되고 있을 때, 다음 압출 분량의 빌렛(B)을 보조 컨테이너(50)에 임시로 수용하고, 제2가열수단(52)을 가동하여 빌렛(B)을 고/액 공존의 복합상을 갖는 반용융 상태로 가열하고 등온 유지시키면서 대기한다.

그리고, 컨테이너(10)에 선 수용되어 있던 빌렛(B)이 모두 압출된 후, 스템(30)이 컨테이너(10)로부터 완전히 후퇴하면, 보조 컨테이너(50)를 컨테이너(10)의 후방 측으로 이동시켜 결합한다. 그러면 보조 컨테이너(50)의 빌렛 수용부(50a)는 컨테이너(10)의 빌렛 수용부(10a)와 연통됨으로써, 보조 컨테이너(50) 내의 빌렛(B)이 컨테이너(10)의 빌렛 수용부(10a)로 이동할 수 있게 된다.

이때, 스템(30)의 가동하여 보조 컨테이너(50) 측으로 이동시킴으로써 보조 컨테이너(50) 내의 빌렛(B)을 가압하면, 빌렛(B)이 컨테이너(10)의 빌렛 수용부(10a)로 진입하면서 금형(40)을 통해 압출이 이루어지게 된다.

이렇게 보조 컨테이너(50)의 빌렛 수용부(50a)에 있던 다음 압출 분량의 빌렛(B)이 스템(30)에 의해 가압되면서 컨테이너(10)의 빌렛 수용부(10a)로 진입하면, 보조 컨테이너(50)를 컨테이너(10)로부터 이탈시킨다. 그리고, 보조 컨테이너(50)에 또 다음 압출 분량의 빌렛(B)을 수용하는 과정을 반복함으로써 연속적으로 압출이 이루어지도록 한다.

한편, 상기 보조 컨테이너(50)는 하나만 구비하여 컨테이너(10)를 상대로 순환하도록 할 수도 있지만, 압출 속도에 따라 적정 수의 보조 컨테이너(50)를 복수 개 설치하여 공정을 수행할 수도 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 반용융 압출 장치를 이용하여 압출 공정을 수행하게 되면, 보조 컨테이너(50)를 이용하여 소재 빌렛(B)을 고액 공존의 복합상을 갖는 반용융 상태로 등온 유지하면서 연속적으로 컨테이너에 장입할 수 있기 때문에, 종래에 몇 차례의 압출 성형 작업분의 빌렛을 가열하고 컨테이너에 장입하는 데에 소요되던 공정 시간을 현저히 절감할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10 : 컨테이너 10a,50a : 빌렛 수용부
11 : 제1가열수단 12 : 제1온도측정수단
20 : 유압장치 30 : 스템
40 : 금형 50 : 보조 컨테이너
51 : 회전축 52 : 제2가열수단
53 : 제2온도측정수단 B : 빌렛

Claims (5)

1. 압출 소재 빌렛을 수용하되 상기 빌렛을 고/액상 공존의 반용융 상태로 등온 유지시키는 가열수단을 내장한 컨테이너와, 상기 컨테이너 내의 빌렛을 압출 방향으로 가압하는 스템과, 상기 컨테이너로부터 상기 스템에 의해 가압되는 빌렛을 원하는 형상으로 성형하는 금형을 포함하는 반용융 압출 장치에 있어서,
   상기 컨테이너에 선(先) 수용된 빌렛이 상기 스템에 의해 가압되어 상기 다이를 통해 압출이 이루어질 때, 다음 압출 분량의 빌렛을 임시로 수용하여 고/액 공존의 반용융 상태로 등온 유지시키면서 대기하다가, 상기 선 수용된 빌렛의 압출 완료 후 상기 스템이 상기 컨테이너로부터 완전히 후퇴하였을 때 상기 컨테이너의 후방 측에 결합이 되고, 상기 다음 압출 분량의 빌렛이 상기 스템에 의해 가압되면서 상기 컨테이너 내부로 진입하면 상기 컨테이너로부터 이탈되어 또 다음 압출 분량의 빌렛을 수용할 수 있게 됨으로써, 연속적으로 압출이 이루어지도록 하는 보조 컨테이너가 더 구비된 것을 특징으로 하는 반용융 압출 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 보조 컨테이너는, 빌렛의 압출 방향으로 관통되는 빌렛 수용부가 형성되면서, 일측이 회전축으로 결합되어 이 회전축을 중심으로 개폐 가능하게 되고, 내부에는 상기 빌렛 수용부에 수용된 빌렛을 고/액 공존의 반용융 상태로 등온 유지시킬 수 있도록 가열하는 가열수단이 매입된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 반용융 압출 장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 보조 컨테이너는 복수 개가 구비되어 상기 컨테이너를 상대로 순환하게 되는 것을 특징으로 하는 반용융 압출 장치.
   
4. 고/액상 공존의 반용융 상태로 압출 소재 빌렛을 등온 유지시키는 컨테이너 내의 상기 빌렛을 스템에 의해 압출 방향으로 가압하여 금형을 통해 원하는 형상으로 성형하는 반용융 압출 공정에 있어서,
   상기 컨테이너에 선(先) 수용된 빌렛이 상기 스템에 의해 가압되어 상기 다이를 통해 압출될 때, 다음 압출 분량의 빌렛을 보조 컨테이너에 임시로 수용하여 고/액 공존의 반용융 상태로 등온 유지시키면서 대기하다가, 상기 선 수용된 빌렛의 압출 완료 후 상기 스템이 상기 컨테이너로부터 완전히 후퇴하였을 때 상기 보조 컨테이너를 상기 컨테이너의 후방 측에 결합시키고, 상기 다음 압출 분량의 빌렛이 상기 스템에 의해 가압되면서 상기 컨테이너 내부로 진입하면 상기 보조 컨테이너를 상기 컨테이너로부터 이탈시켜 또 다음 압출 분량의 빌렛을 수용할 수 있게 함으로써, 연속적으로 압출이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 반용융 압출 공정.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 보조 컨테이너를 복수 개 구비하여, 복수 개의 보조 컨테이너를 상기 컨테이너를 상대로 순환시키면서 다음 압출 분량의 빌렛을 수용하도록 하는 것을 특징으로 하는 반용융 압출 공정.

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