KR101030382B1 - 금속판 성형을 위한 가변형 금형장치용 성형펀치 및 이를 구비한 가변형 금형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변형 금형장치의 성형펀치 및 이를 이용한 가변형 금형장치에 관한 것으로서, 종래 유압식 가변형 금형장치보다 규모가 작아 설치가 용이하며, 설치비용이 저렴하고, 위치제어가 신속하고 정밀하며, 역회전 방지 기능을 갖도록 모터와 스크류를 이용하여 구성한 가변형 금형장치용 성형펀치에 관한 것이다.

본 발명에서는, 금속판 성형을 위한 가변형 금형장치용 성형펀치에 있어서,

케이싱 내부에 지지 고정되어 회전동력을 제공하는 구동모터; 상기 구동모터에 동력 연결되어 회전하는 것으로서 외주면 상에 나사산이 형성되는 회전축; 상기 케이싱 내부에 설치되어 상기 회전축을 제동하기 위한 제동장치; 및 상기 회전축에 결합하는 것으로서 상기 회전축이 회전함에 따라 상기 회전축의 나사산을 따라 직선 이동하는 펀치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가변형 금형장치용 성형펀치를 제안한다.

성형펀치, 케이싱, 구동모터, 펀치, 펀치캡, 회전축, 스크류, 너트, 제동 장치, 슬립링, 슬립패드, 유압실린더, 가변형 성형장치

Description

금속판 성형을 위한 가변형 금형장치용 성형펀치 및 이를 구비한 가변형 금형장치{Forming punch of a changeable die for metal plate forming and a changeable die using the same}

본 발명은 금속판의 성형을 위한 가변형 금형장치용 성형펀치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가공 대상 금속판의 탄소성 대변형 비선형 거동 특성을 이용하여 목표곡면을 성형하기 위한 가변형 금형장치에 적용되는 개선된 구조를 가지는 성형펀치 및 이를 구비한 성형장치에 관한 것이다.

금속 곡판의 성형 가공방법은 크게 열간 가공과 냉간가공으로 나눌 수 있다. 열간 가공은 강판을 국부적으로 가열하여 급히 냉각시키면 국부적인 수축이 발생하는 성질을 이용하여 강판을 굽히는 것이다. 이러한 열간 가공법에는 대표적으로 선상가열법 (Line heating method)등이 있는데 이 방법은 작업환경이 열악할 뿐아니라 작업자의 숙련도 및 경험에 의존하는 비율이 매우 높아 최근 숙련공의 고령화 및 숙련공 감소에 따라 일정한 품질을 유지하기가 매우 어렵다는 문제가 있으며, 효율적인 컴퓨터 시스템과의 연계도 용이하지 않아 그 작업효율의 향상에 한계가 있다.

한편, 냉간 가공은 상온에서 벤딩 롤러나 유압 프레스를 이용하여 기계적인 힘을 가하여 재료에 소성변형을 일으켜 가공대상 목표곡면을 성형하는 방법이다. 이중에서 벤딩롤러는 3~4개의 롤러를 위, 아래로 배치하여 상부 롤러와 하부 롤러 사이의 틈으로 강판을 넣고 상부의 롤러를 유압 잭으로 강판에 압력을 가하고 롤러를 회전시켜 강판을 굽히고, 밀어내면서 원하는 곡면이 형성될 때까지 여러 차례 반복적으로 작업을 하게 된다. 이는 주로 2차원 곡면 강판의 굽힘 작업에 적합하고, 3차원 곡면의 경우에는 상기 과정으로 강판을 대략 굽힌 후 다시 열간 가공, 특히 선상가열법 등을 이용하여 원하는 곡면이 되도록 수차례 반복 작업을 하게 된다. 또 유압프레스는 곡판을 유압장치와 연결된 프레스로 압착하여 목표곡면을 가공하는 방법으로서 대량 생산을 목적으로 하는 경우, 사전에 설계 제작된 고정식 금형장치를 이용하여 유압 프레스 가공하게 된다. 그러나 가공 대상 곡판의 수가 많지 않고 다품종 소량생산이 요구되는 경우에는 고정식 금형장치의 제작에 막대한 비용이 소요되어 실제 적용이 어렵다.

최근 선박 강판, 심해 자원개발용 해양플랜트 및 기타 다양한 산업용 금속판의 3차원 곡면성형에 대한 수요가 급증하고 있는 추세이다. 현재 이들 곡판 가공은 주로 열간 가공법에 의해 이루어지고 있으나 전술한 바와 같은 어려움이 있으며, 냉간 가공법을 적용함에 있어서도 가공 제품의 수가 제한적이고 다품종 소량생산이 요구되는 경우에는 고정식 금형장치의 설계 제작이 현실적으로 불가능한 실정이다.

이 문제를 극복할 수 있는 유용한 방법으로서 종래 소위 다점 성형 가공법이 제시된 바 있으며, 상기 다점 성형 가공 방법은 기본적으로 유압 프레스를 적용한 냉간 가공기술의 일종으로서, 성형펀치라 불리는 일련의 강체 펀치를 연속적으로 배열하여 목적 곡면에 근접한 형상의 금형을 설정한 뒤에 유압 프레스 가공을 통해 성형하는 방법이다. 이 방법은 전술한 바와 같이 가공 대상 제품의 수가 많지 않은 경우에 필요에 따라 금형 형상을 변경시킬 수 있기 때문에 한 개의 성형 장치로 다종의 곡면 가공이 가능한 장점이 있다.

도 1은 종래의 무금형 다점 성형장치의 일 예를 보인 개략적인 단면도로서, 특허등록번호 제10-0345288호 "무금형 성형장치"에 개시된 것이다. 이는 고분자 탄성체(4) 상에 성형재(3)를 위치시킨 후 다수의 펀치(2)가 배열된 성형장치를 이용하여 성형가공하는 장치에 관한 것이다.

도 2는 출원인에 의하여 특허등록된 특허등록번호 제10-0783417호 "선박용 강판의 무금형 다점 곡면성형방법"에서 개시한 유압 프레싱 성형장치의 구성도이다. 여기서는 먼저 가공대상 금속판에 대하여 스프링백 효과를 고려한 탄소성 대변형 유한요소해석을 수행한 후 하중-변위의 관계를 결정하고 이를 토대로 제어장치(120)에 연결된 유압 프레싱 장치(132)를 이용하여 금속판의 곡면 성형을 수행한다.

이러한 종래의 성형장치들은 상하 일방 또는 상하 양측으로 배열된 다수의 성형펀치를 제어하여 금속판 등의 재료를 가공한다는 공통점이 있으며, 성형펀치의 작동원으로 유압 시스템을 채택하고 있다. 그런데, 이러한 유압 시스템의 경우 장 치가 크고 무거우며 설치공간을 많이 필요로 한다는 단점이 있고, 그 제작비가 비싸다는 문제가 있다.

따라서, 소형화가 용이하고, 정밀한 제어가 가능하면서도 내구성이 우수하고 제작비도 저렴한 새로운 성형장치의 개발이 절실히 요청되고 있다.

본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 착안한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래 유압식 성형장치를 모터와 스크류를 이용한 전기식 가변형 성형장치로 개선함으로써, 설치장소에 구애되지 않으며, 유지보수가 용이하고, 정밀한 제어가 용이할 뿐 아니라 제작비가 저렴한 가변형 금형장치용 성형펀치 및 이를 구비한 가변형 금형장치를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제의 해결을 위하여 본 발명에서는, 금속판 성형을 위한 가변형 금형장치용 성형펀치에 있어서, 케이싱 내부에 지지 고정되어 회전동력을 제공하는 구동모터, 상기 구동모터에 동력 연결되어 회전하는 것으로서 외주면 상에 나사산이 형성되는 회전축 및 상기 회전축에 결합하는 것으로서 상기 회전축이 회전함에 따라 상기 회전축의 나사산을 따라 직선 이동하는 펀치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가변형 금형장치용 성형펀치에 관하여 개시한다.

여기서, 상기 펀치의 내부에는 상기 회전축의 나사산에 결합하는 너트가 마련되는 것이 바람직하다.

상기 펀치의 단부에는 별도의 펀치캡이 결합하는 것이 바람직하다.

상기 펀치캡은 합금 공구강, 초경합금 및 고속도강 중에서 선택되는 어느 하나로 형성되거나, 그 외면에 다이아몬드 박막이 결합하도록 할 수 있다.

상기 케이싱 내에는 상기 회전축을 제동하기 위한 제동장치가 내설될 수 있다.

상기 제동장치는 회전축의 외주면 바깥측에 설치되는 슬립링, 상기 슬립링에 접촉하는 슬립패드 및 피스톤로드의 선단이 상기 슬립패드에 연결되는 유압실린더로 구성될 수 있다.

상기 구동모터는 전자 브레이크 등의 제동장치가 내장된 것을 선택할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면 상기 성형펀치를 상·하로 다수개 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변형 금형장치가 제공된다.

본 발명의 성형펀치 및 이를 구비한 가변형 금형장치는 종래의 유압식의 성형장치에 비하여 장치의 사이즈가 작고 경량화에 유리하며 따라서, 설치가 용이하고 유지보수가 간편하다는 장점이 있다.

또한,전기 모터에 의하여 성형펀치의 구동을 제어함으로써 고속 정밀한 제어가 가능하며, 금속판 가공시 발생하는 반발력에 저항하기 위한 별도의 제동 수단을 가지므로 가공 안정성이 우수하다는 장점이 있다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작동원리를 상세하게 설명한다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 가변형 금형장치용 성형펀치의 개략적인 단면도이다. 도 3은 성형펀치(100)의 펀치(120)가 전진하기 전의 상태를 나타낸 것이고, 도 4는 펀치(120)가 어느 정도 전진 이동한 상태를 나타낸 것이다.

본 발명의 성형장치(100)는 기본적으로 구동모터(111), 회전축(130) 및 펀치(120)를 포함하여 구성된다. 상기 케이싱(110) 내부에 지지 고정되는 구동모터(111)의 모터축(111a)은 커플링(112) 등에 의하여 회전축(130)에 동력 연결되어 회전력을 전달한다. 상기 케이싱(110) 내부에는 상기 회전축(130)에 결합하는 베어링(113)이 설치된다. 상기 케이싱(110)의 하부에는 상기 회전축(130)에 결합하는 펀치(120)가 위치한다. 상기 회전축(130)의 하단부에는 나사산(130a,screw)이 형성되고, 상기 펀치(120) 내에는 내부에 나사산이 형성되는 너트(122)가 형성된다. 따라서, 상기 회전축(130)이 구동모터(111)로부터 동력을 전달받아 회전하면 상기 펀치(120)는 회전축(130)의 나사산(130a)과 너트(122)의 내부에 형성되는 나사산에 의하여 직선운동을 하게 된다. 즉, 회전축(130)이 회전하게 되면, 상기 펀치(120)는 상기 회전축(130) 상의 나사산을 타고 나사 운동하여 전진 또는 후진하여 직선운동을 하게 되는 것이다.

도 6은 본 발명의 성형펀치를 구비한 가변형 금형장치를 이용한 금속판 성형 시스템의 구성도이다. 본 발명의 성형펀치를 구비한 가변형 금형장치(230)를 이용하여 금속판을 성형하는 공정을 개략적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, (a) 금속판의 부재 치수, 재료 물성치, 재료의 응력-변형율 관계 데이터 및 가공 목표곡면 을 컴퓨터 시스템(210)에 입력한다. 이후, (b) 컴퓨터 시스템(210)에서 금속판의 스프링백 효과를 계산하여 이를 토대로 목표곡면을 형성하기 위하여 성형 펀치점에 가할 전체 변위량을 설정하게 된다. 다음으로, (c) 상기 (b)단계에서 얻어진 데이터를 토대로 다수의 성형펀치들이 상·하로 배치되도록 구성되는 가변형 금형장치의 성형펀치의 위치를 배열하게 된다. 마지막으로, (d) 상기 상·하 성형펀치 사이에 로딩된 금속판을 프레싱하여 성형 가공하면 되는 것이다. 이때, (e) 성형의 정밀도를 확인하기 위해 성형 가공된 상기 금속판의 곡면을 측정하여 목표곡면과 비교하는 공정을 위한 측정장치(240)가 추가될 수도 있다.

종래에는 성형펀치들이 유압장치에 연결되어 유압에 의하여 금속판을 프레싱 가공하는 방식이었다. 따라서, 장치의 규모가 지나치게 크고 설치장소에 제약이 많았던 것이 사실이다. 또한, 장치의 제작비용이나 유지관리비용이 많이 든다는 단점이 있었다. 그러나, 본 발명의 성형펀치(100)는 구동모터(111)와 스크류가 형성된 회전축(130)을 이용하여 펀치(120)를 제어하므로 장치의 구조가 간단하고 사이즈가 작으며, 제작비용이나 유지보수 비용이 저렴한 특징이 있다. 게다가, 정밀한 제어가 용이한 모터를 사용함으로써 유압방식보다 신속하고 정밀한 콘트롤이 가능하다는 잇점이 있다.

상기 구동모터(111)로는 기어드 모터, 유도모터나 스태핑 모터 등 그 필요에 따라 다양한 것을 선택하여 적용할 수 있다. 구동모터(111)와 회전축(130)의 동력을 연결하는 방식도 커플링(112)을 이용한 직결방식 외에 체인이나 기어 등을 이용하여 연결할 수도 있다.

본 발명의 성형펀치(120)를 이용하여 전술한 공정으로 금속판을 프레싱 가공하는 경우 성형된 금속판이 다시 복원되려는 성질 때문에 성형펀치(120)에는 반력이 가해지게 된다. 이러한 금속판의 반력으로 인하여 나사산(130a)이 형성된 회전축(130)이 다시 역회전하는 경우가 생길 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 상기 구동모터(111)의 모터 내부에 전자 브레이크 등의 제동장치가 마련된 것을 선택할 수 있다. 가공 대상 금속판이 알루미늄 등의 경금속 소재이거나 두께가 얇은 판재인 경우에는 전술한 제동장치가 내장된 구동모터(111)만으로도 충분히 회전축(130)의 역회전을 방지할 수 있으나, 선박용 강판 등의 후판을 가공하는 경우에는 금속판의 반력이 매우 클 수 있으므로 이러한 경우에는 별도의 제동 장치를 구비하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변형 금형장치용 성형펀치의 개략적인 단면도이다. 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는 금속판의 반력으로 인한 회전축(130)의 역회전을 방지하기 위한 제동 장치(140)가 케이싱(110) 내에 마련된다. 상기 제동 장치(140)는 나사산(130a)이 형성되지 않은 회전축(130) 상에 접촉하여 마찰력에 의하여 회전축(130)의 회전을 제어하는 것을 예로 도시하였다. 즉, 상기 제동 장치(140)는 회전축(130)의 외주면에 접촉하도록 링 형상을 가지는 슬립링(141), 상기 슬립링(141)에 결합하는 슬립패드(142) 및 상기 슬립패드에 피스톤 로드의 선단이 결합하는 유압실린더(143)로 구성될 수 있다. 상기 유압실린더(143)의 피스톤 로드가 전진하면서 슬립패드(142)를 밀어 슬립링(141)을 회전축(130)에 밀착시키면 회전축(130)의 역회전이 방지되어 제동되는 것이다. 상 기 회전축(130)의 제동 장치(140)로는 이러한 유압실린더에 의한 경우에 한정되지 않으며, 에어실린더 타입 또는 기타 기계적 또는 전기적 방식의 제동장치가 다양하게 선택될 수 있을 것이다.

상기 펀치(120)의 단부는 가공 대상 금속판의 성형을 정밀하게 하기 위하여곡면 형상을 가지도록 하는 것이 바람직하며, 펀치(120) 자체가 일체형으로 형성될 수도 있으나, 도시한 것처럼 별도의 펀치캡(121)을 펀치(120)의 말단에 부착하는 형식으로 하는 것도 가능하다. 별도의 펀치캡(121)을 펀치의 본체에 착탈가능한 분리형으로 구성하면 잦은 가공 등에 의하여 펀치의 단부면이 마모되거나 파손되는 경우에 펀치캡(121) 만을 교체하면 되므로 펀치 전체를 교체하는 낭비나 수고로움 등을 예방할 수 있게 된다.

또한, 상기 펀치캡(121)이 강판 등의 금속판과 수시로 접촉하는 부분임을 고려하여 펀치캡(121) 자체를 강도가 우수한 합금 공구강, 초경합금 및 고속도강 등으로 형성하거나 이러한 재질의 금속으로 표면처리를 하는 것이 바람직하다. 혹은 상기 펀치캡(121)의 외면에 다이아몬드를 코팅하거나 다이아몬드 박막을 부착하게 되면 펀치캡(121)의 수명은 훨씬 오래가고 펀치캡(121)의 잦은 교체로 인한 낭비를 막을 수 있게 될 것이다.

도 1은 종래의 무금형 성형장치의 일 예를 보인 개략적인 단면도.

도 2는 종래의 유압 프레싱 성형펀치를 이용한 성형장치의 구성도.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 가변형 금형장치용 성형펀치의 개략적인 단면도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변형 금형장치용 성형펀치의 개략적인 단면도.

도 6은 본 발명의 성형펀치를 구비한 가변형 금형장치를 이용한 금속판 성형 시스템의 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 성형펀치 110: 케이싱

111: 구동모터 111a: 모터축

112: 커플링 113: 베어링

120: 펀치 121: 펀치캡

130; 회전축 130a: 나사산

140: 제동 장치 141: 슬립링

142: 슬립패드 143: 유압실린더

210: 컴퓨터 시스템 220: 제어장치

230: 가변형 성형장치 240: 측정장치

Claims (9)

1. 금속판 성형을 위한 가변형 금형장치용 성형펀치에 있어서,

   케이싱 내부에 지지 고정되어 회전동력을 제공하는 구동모터;

   상기 구동모터에 동력 연결되어 회전하는 것으로서 외주면 상에 나사산이 형성되는 회전축;

   상기 케이싱 내부에 설치되어 상기 회전축을 제동하기 위한 제동장치; 및

   상기 회전축에 결합하는 것으로서 상기 회전축이 회전함에 따라 상기 회전축의 나사산을 따라 직선 이동하는 펀치

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가변형 금형장치용 성형펀치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 펀치의 내부에는 상기 회전축의 나사산에 결합하는 너트가 마련되는 것을 특징으로 하는 가변형 금형장치용 성형펀치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 펀치의 단부에는 별도의 펀치캡이 결합하는 것을 특징으로 하는 가변형 금형장치용 성형펀치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 펀치캡은 합금 공구강, 초경합금 및 고속도강 중에서 선택되는 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 가변형 금형장치용 성형펀치.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 펀치캡의 외면에는 다이아몬드막이 형성되는 것을 특징으로 하는 가변형 금형장치용 성형펀치.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,

   상기 제동장치는 회전축의 외주면 바깥측에 설치되는 슬립링, 상기 슬립링에 접촉하는 슬립패드 및 피스톤로드의 선단이 상기 슬립패드에 연결되는 유압실린더로 구성되는 것을 특징으로 하는 가변형 금형장치용 성형펀치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 구동모터에는 제동장치가 내장되는 것을 특징으로 하는 가변형 금형장치용 성형펀치.
9. 제1항 내지 제5항 및 제7항 내지 제8항 중에서 선택되는 어느 하나의 성형펀치를 상·하로 다수개 배치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변형 금형장치.

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