KR101033534B1 - 곡면형상을 위한 초소성 성형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치는, 성형가스 공급배관을 통하여 내부로 성형가스가 유입되는 모재를 감싸되, 내면에 상기 모재의 성형 후 곡면윤곽과 동일한 형상의 성형면이 형성되어 있는 상부금형 및 하부금형; 상기 상부금형 및 하부금형을 가열하는 가열부; 및 상부금형과 하부금형을 밀착시키는 구속부를 포함하며, 상기 상부금형 및 하부금형에는, 상기 상부금형 및 하부금형의 성형면과 상기 모재 사이에 보호가스를 공급하는 보호가스 공급홀이 형성되며, 상기 상부금형 또는 하부금형 중 적어도 어느 하나에는 외면에서 상기 성형면으로 형성된 온도감지용 삽입홈이 형성될 수 있다.

개시된 곡면형상을 위한 초소성 성형장치는, 성형과정에서 금형 내부의 온도를 연속적으로 정확하게 측정할 수 있기 때문에 성형이 용이하게 이루어지며, 완성품의 품질이 향상되는 이점이 있다.

초소성, 모재, 가열부, 상부금형, 하부금형

Description

곡면형상을 위한 초소성 성형장치{Superplastic forming device for curved shape}

본 발명은 곡면형상을 위한 초소성 성형장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 모재의 초소성 특성을 이용하여 원하는 모재를 원하는 곡면형상으로 성형하는 곡면형상을 위한 초소성 성형장치에 관한 것이다.

일반적으로, 각종 기계 부품 등은 주조 및 프레스를 이용하여 성형 제작하게 되는 데, 프레스는 상하부에 제품형상의 금형을 각각 구비하고, 하부금형의 상부에 성형하고자 하는 성형물을 얹은 상태에서 일정한 압력으로 상부금형을 하부로 이동시켜 누르게 됨으로써 상, 하부금형에 적절한 형상으로 성형물을 성형 제작하게 되는 것이다.

그러나, 이와 같이 프레스 타입으로 성형 제작되는 부품 등은 주로 연신율이 낮은 금속을 사용하여 성형하게 되는 것으로, 이는 연신율이 높은(200%이상) 알루미늄, 티타늄 등의 박판(5mm이내)의 금속판재를 사용한 성형시에는 금속자체가 찢어져 성형이 불가능하게 된다.

이로 인해 경량이 요구되는 분야, 즉 우주 항공산업, 자동차산업, 전자사업 등에서 사용되는 부품 제작에는 적합하지 않게 되었으며, 또한 상대적으로 소음 및 진동이 심하게 발생되는 등의 제반문제점이 발생되었다.

또한, 상기와 같은 프레스가공의 경우에는 모재를 곡면형상으로 성형하기 어려운 문제점이 있다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 초소성 성형이 제안되고 있다.

상기 초소성 성형은 미세한 결정립 조직의 재료가 고온에서 낮은 응력으로 수백 ~ 수천%의 높은 연성을 갖는 특성을 이용하여 밀폐된 용기 내에서 금형에 놓인 판재에 금형 반대편에서 기체로 압력을 가하여 성형하는 기술로서, 딥드로잉(deep drawing) 등 다른 성형법으로는 불가능한 복잡한 형상도 한 번의 공정으로 제조할 수 있는 이점이 있다.

한편, 상기와 같은 초소성 성형에서는 성형을 위해 상기 금형내의 온도를 일정온도로 유지시켜야 하며, 성형시 상기 모재의 보호를 위해 보호가스를 공급해주어야 한다.

또한, 상기 초소성가공은 고압 및 고온에서 이루어지기 때문에 상기 금형내의 온도를 정확하며 지속적으로 측정할 필요가 있다.

그러나, 종래기술에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치는, 성형시 상기 금형내의 온도를 간접적으로 측정하기 때문에 정확한 금형내부의 온도를 알 수 없어 부적절한 금형내부의 온도에서 성형이 이루어져 완성품의 품질이 낮은 단점이 있다.

또한, 성형시 보호가스를 계속 공급할 수 없기 때문에 완성품에 불량이 발생될 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 성형과정에서 금형 내부의 온도를 정확하게 측정할 수 있으며, 성형시 보호가스를 직접적으로 모재에 공급할 수 있는 곡면형상을 위한 초소성 성형장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치는, 성형가스 공급배관을 통하여 내부로 성형가스가 유입되는 모재를 감싸되, 내면에 상기 모재의 성형 후 곡면윤곽과 동일한 형상의 성형면이 형성되어 있는 상부금형 및 하부금형; 상기 상부금형 및 하부금형을 가열하는 가열부; 및 상부금형과 하부금형을 밀착시키는 구속부를 포함하며, 상기 상부금형 및 하부금형에는, 상기 상부금형 및 하부금형의 성형면과 상기 모재 사이에 보호가스를 공급하는 보호가스 공급홀이 형성되며, 상기 상부금형 또는 하부금형 중 적어도 어느 하나에는 외면에서 상기 성형면으로 형성된 온도감지용 삽입홈이 형성될 수 있다.

상기 모재는 중공된 내부를 가지며, 상기 성형가스의 압력에 의해 팽창될 수 있도록 밀폐형으로 형성될 수 있다.

상기 성형가스 및 보호가스는 불활성 가스로 이루어진다.

상기 온도감지용 삽입홈에는 온도감지센서가 삽입될 수 있다.

본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치는, 성형과정에서 금형 내부의 온도를 연속적으로 정확하게 측정할 수 있기 때문에 성형이 용이하게 이루어지며, 완성품의 품질이 향상되는 이점이 있다.

또한, 본 본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치는, 성형과정에서 보호가스를 모재에 계속 공급할 수 있기 때문에 완성품의 품질이 우수한 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야한다.

도 1은 본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치에서 상부금형이 도시된 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치에서 상부금형과 하부금형이 도시된 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치에서 모재가 도시된 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 곡면형상 을 위한 초소성 성형장치에서 하부금형이 도시된 단면도이다.

곡면형상을 위한 초소성 성형장치는, 성형가스 공급배관(P)을 통하여 내부로 성형가스가 유입되는 모재(M)를 감싸되, 내면에 상기 모재(M)의 성형 후 곡면윤곽과 동일한 형상의 성형면(R)이 형성되어 있는 상부금형(110) 및 하부금형(120); 상기 상부금형(110) 및 하부금형(120)을 가열하는 가열부; 및 상부금형(110)과 하부금형(120)을 밀착시키는 구속부를 포함하며, 상기 상부금형(110) 및 하부금형(120)에는, 상기 상부금형(110) 및 하부금형(120)의 성형면(R)과 상기 모재(M) 사이에 보호가스를 공급하는 보호가스 공급홀(H)이 형성되며, 상기 상부금형(110) 또는 하부금형(120) 중 적어도 어느 하나에는 외면에서 상기 성형면(R)으로 형성된 온도감지용 삽입홈(130)이 형성된다.

상기 모재(M)는 중공된 내부를 가지며, 상기 성형가스 공급배관(P)에 의해 유입되는 성형가스의 압력에 의해 팽창될 수 있도록 밀폐된다.

본 실시에예서, 상기 모재로 유입되는 성형가스의 압력은 20 내지 40bar인 것이 바람직하자만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 성형가스의 압력이 상기 범위를 벗어나 더 클 경우 가스누출의 문제가 발생될 수 있고 더 작을 경우 성형이 제대로 접합되지 않는 문제가 발생될 수 있으나, 바람직하게 상기 성형가스의 압력은 상기 모재(M)의 고온 특성과 온도에 따라 결정되어야 한다.

상기 모재(M)는, 둘 이상의 복수의 편재가 내부가 중공된 블랭크(blank)를 형성하도록, 가장자리가 용접된 형태로 이루어진다.

또한, 상기 모재(M)는 도 2에 도시된 바와 같이 성형가스 공급배관(P)과 결 합되며, 본 실시예에서 상기 성형가스 공급배관(P)은 2개로 이루어지며, 상호 마주보는 위치에 대응되어 상기 모재(M)에 결합된다. 이때, 상기 모재(M)와 성형가스 공급배관(P)은, 상기 모재(M)와 성형가스 공급배관(P)의 결합부에서 상기 성형가스의 누설이 발생되지 않도록 결합된다.

상기 성형가스 공급배관(P)은 압력펌프와 연결되어 성형시 상기 모재(M)의 내부에 성형가스를 공급함은 물론이다.

상기 구속부는 성형시 상기 상부금형(110)과 하부금형(120)을 체결하는 클램프로 이루어지거나, 성형시 상기 상부금형(110)과 하부금형(120)을 가압하는 프레스로 이루어질 수 있다.

본 실시예에서 상기 상부금형(110) 및 하부금형(120)은 상호 대칭되는 형상으로 이루어지지만, 모재(M)의 완성형상에 따라 상기 상부금형(110) 및 하부금형(120)은 다양한 형상으로 구비될 수 있다.

상기 상부금형(110)의 하면과 상기 하부금형(120)의 상면에는 상기 성형가스 공급배관(P)이 안착되는 안착홈이 형성된다.

상기 상부금형(110)과 하부금형(120)에 형성된 보호가스 공급홀(H)은 출구가 상기 상부금형(110) 및 하부금형(120)의 성형면(R)에 형성된다. 상기 보호가스 공급홀(H)의 입구는 상기 보호가스를 공급하는 공급펌프와 연결된다.

본 실시예에서 상기 보호가스 공급홀(H)은 상부금형(110)과 하부금형(120)에 각각 2개씩 형성되며, 상기 보호가스가 균일하게 확산되도록 상기 보호가스 공급홀(H)의 출구는 일정간격 이격되어 구비된다.

본 실시예에서, 상기 성형가스 및 보호가스는 아르곤과 같은 불활성 가스로 이루지지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 온도감지용 삽입홈(130)은 상기 상부금형(110) 또는 하부금형(120)의 성형면(R)에 근접하도록 연장형성된다. 상기 온도감지용 삽입홈(130)에는 온도감지센서가 삽입된다.

이때, 상기 온도감지용 삽입홈(130)의 밑면은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 성형면(R)에 최대한 근접하게 형성되는 것이 바람직하다. 다만, 상기 온도감지센서의 파손 및 성형성능 등을 고려하여 상기 온도감지용 삽입홈(130)의 밑면의 위치를 조절한다.

상기 온도감지용 삽입홈(130)은 상기 상부금형(110) 또는 하부금형(120) 중 어느 하나에 형성될 수 있으며, 더욱 정확한 온도측정을 위해 상기 상부금형(110) 및 하부금형(120) 모두에 형성될 수도 있다.

물론, 본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치는, 상기 온도감지센서에서 송신된 온도정보를 수신 받아 상기 가열부를 제어하는 제어부를 더 포함한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 상부금형(110)과 하부금형(120) 사이에 상기 모재(M)를 정위치에 안착시킨다. 이후 상기 상부금형(110)과 하부금형(120)을 밀착시키고, 상기 클램프 또는 프레스를 통해 상기 상부금형(110)과 하부금형(120)을 구속한다.

다음 상기 가열부가 상기 상부금형(110) 및 하부금형(120)을 가열하며, 온도감지용 삽입홈(130)에 삽입된 온도감지센서가 상기 상부금형(110) 및 하부금형(120)의 성형면(R)의 온도를 측정한다.

상기 온도감지센서의 측정온도에 따라 상기 제어부가 상기 가열부의 작동을 제어한다.

상기 성형면(R)의 온도가 성형온도에 도달하게 되면, 상기 압력펌프가 작동되고, 상기 성형가스 공급배관(P)을 통해 상기 모재(M) 내부로 상기 성형가스가 공급된다.

이때, 상기 온도감지센서는 상기 성형면(R)의 온도를 계속 감지할 수 있어 상기 모재(M)에 대해 적절한 성형온도를 유지할 수 있다.

상기 성형가스 공급배관(P)으로부터 공급된 성형가스의 압력에 의해 상기 모재(M)가 초소성 변형되어 상기 모재(M)는 완성품으로 성형된다.

상기와 같은 과정을 통해 성형시 상기 모재(M)에 대해 적절한 온도를 유지시킬 수 있어 완제품의 품질이 향상된다.

또한, 본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치는 성형과정에서 상기 보호가스를 상기 보호가스 공급홀(H)을 통해 상기 모재(M)에 공급할 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지 식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치에서 상부금형이 도시된 평면도,

도 2는 본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치에서 상부금형과 하부금형이 도시된 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치에서 모재가 도시된 평면도,

도 4는 본 발명에 따른 곡면형상을 위한 초소성 성형장치에서 하부금형이 도시된 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

110: 상부금형 120: 하부금형

130: 온도감지용 삽입홈 H: 보호가스 공급홀

M: 모재 R: 성형면

P: 성형가스 공급배관

Claims (4)

1. 성형가스 공급배관을 통하여 내부로 성형가스가 유입되는 모재를 감싸되, 내면에 상기 모재의 성형 후 곡면윤곽과 동일한 형상의 성형면이 형성되어 있는 상부금형 및 하부금형;

   상기 상부금형 및 하부금형을 가열하는 가열부; 및

   상부금형과 하부금형을 밀착시키는 구속부를 포함하며,

   상기 상부금형 및 하부금형에는, 상기 상부금형 및 하부금형의 성형면과 상기 모재 사이에 보호가스를 공급하는 보호가스 공급홀이 형성되며,

   상기 상부금형 또는 하부금형 중 적어도 어느 하나에는 외면에서 상기 성형면으로 형성된 온도감지용 삽입홈이 형성된 것을 특징으로 하고,

   상기 온도감지용 삽입홈에는 온도감지센서가 삽입되는 것을 특징으로 하는 곡면형상을 위한 초소성 성형장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 모재는 중공된 내부를 가지며, 상기 성형가스 공급배관에 의해 공급된 성형가스의 압력에 의해 팽창될 수 있도록 밀폐된 것을 특징으로 하는 곡면형상을 위한 초소성 성형장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 성형가스와 보호가스는 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 곡면형상을 위한 초소성 성형장치.
4. 삭제

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