KR101049294B1 - 연속전단변형용 압출 금형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속소재의 압출공정과 연속 전단변형을 동시에 구현하여, 성형 가공되는 제품의 두께 및 길이에 제한을 받지 않으면서 전단 변형된 제품을 연속적으로 대량 생산할 수 있도록 한 연속전단변형용 압출 금형장치에 관한 것이다.

이를 위해, 컨테이너와 프레임 사이에 금형을 장착하되, 금형 내부를 꺽어진 형태로 조성하여 금속소재를 상기 금형 내부에 밀어 넣어 메인스템을 통해 가압함으로써 압출 성형과 동시에 금속소재가 전단 변형을 일으켜 가공하는 금형장치에 있어서, 전, 후를 관통하여 전단변형홀을 형성하고, 상기 전단변형홀과 수직 교차하는 양측에 가이드홀을 각각 관통 형성한 하우징과; 상기 가이드홀에 삽입 장착되어 단부에 장착된 구동수단에 의해 개별적으로 이동 조작되는 다수의 플레이트 다이를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 따라, 플레이트 다이의 이동을 통해 전단변형홀 내부공간을 ECAP형상으로 변형시켜 금속소재의 두께 및 전단변형 가공회수를 조절할 수 있고, 금속소재의 압출공정과 연속 전단변형의 동시 구현을 통해 금속소재의 두께 및 길이에 제한을 받지 않고 다양한 형상의 제품을 연속적으로 대량 생산할 수 있는 효과가 있다.

ECAP, 연속전단변형, 압출, 금형, 플레이트 다이, 강도.

Description

연속전단변형용 압출 금형장치{Extrusion Tooling with Equal Channel Angular Pressing}

본 발명은 압출 금형장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속소재의 압출공정과 전단변형을 동시에 구현하여, 성형 가공되는 제품의 두께 및 길이에 제한을 받지 않으면서 전단 변형된 제품을 연속적으로 대량 생산할 수 있도록 한 연속전단변형용 압출 금형장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연속전단변형은 금속 소재에 전단변형을 일으켜 소재의 강도, 연성 및 성형성 등을 향상시키는 가공법을 일컫는 것으로, 대표적으로 등통로 각압출법(Equal Channel Angular Pressing, ECAP)과, 등통로 각인발법(Equal Channel Angular Drawing, ECAD) 및 등통로 각압연법(Equal Channel Angular Rolling, ECAR) 등을 들 수 있다.

이 중, ECAP장치로 알려진 전단변형장치에 대해 간단하게 설명하면, 통상 동일한 단면적을 갖는 입구측 통로와 출구측 통로를 'L'자 형으로 형성한 금형을 구비하고, 상기 입구측 통로에 금속 소재를 넣어 가압장치를 통해 가압함으로써, 금속 소재를 출구측 통로로 밀어내게 된다.

이처럼, 금속 소재를 밀어내는 가공을 하게 되면, 가공 후의 금속 소재 단면적은 변하지 않게 되므로 반복적인 가공이 가능하고, 또한 금속 소재가 'L'자로 꺽이는 과정에서 소재에 심한 전단소성변화를 가할 수 있으므로, 소재의 결정립을 미세화시켜 강도를 크게 강화시킬 수 있고, 기계적 성질을 개선하게 된다.

그러나, 이같은 ECAP장치는 한 번 소재를 밀어내고 나면 금형으로부터 가압장치를 빼낸 후 또 다른 금속 소재를 공급해야 함으로써, 가공작업이 번거로움은 물론 금속 소재를 연속적으로 공급하는 것이 실질적으로 불가능할 뿐만 아니라, 특히 전단변형이 가해지는 소재의 두께 및 길이가 크게 제한되는 문제가 있었다.

한편, 위와 같은 연속전단변형법의 종래에 개시된 기술들 중 몇 가지를 아래와 같이 살펴본다. 먼저 도 1은 국내 공개특허공보 공개번호 제2001-0103208호 "연속 전단변형장치"에 개시된 도면으로 간단하게 설명하면, 금형(1)(2) 내부에 굴곡부를 갖는 금형로(3)를 구비하고, 상기 금형 내부에 소재(5)를 넣어 구비하며, 이 소재(5)를 펀치(4)로 밀어내어 금형로(3)를 통과시킨다.

그러나, 상기한 종래의 연속 전단변형장치는 장치 구조 특성상 위에서 언급한 문제점을 그대로 갖고 있어, 소재의 두께 및 길이가 크게 제한되고, 소재의 연속 공급이 불가능한 문제가 있었다.

또한, 상기한 종래 기술 이 외에도 공지된 기술들 중 대부분이 위와 같은 문제점을 갖고 있는 바, 다른 종래 기술들을 간단하게 살펴보면 도 2와 도 3은 국내 공개특허공보 공개번호 제2005-0045469호 "균일 전단 변형 장치 및 전단 변형 방법"에 개개된 도면으로, 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)를 넣어 가압하여 출구측 통로(4)로 밀어내는 가압장치(도시 생략)로 구성된다.

그러나, 이는 도 4에 도시한 바와 같이, 소재가 꺽일 때 심한 변형 저항을 받거나 마찰이 매우 큰 경우, 내측면 바깥쪽 모서리 부분의 소재는 거의 변형되지 못하게 되면서 고착되는 사각지대(6)가 발생되는 문제가 있었다.

이에, 도 5와 같이 금형각(φ)을 90°보다 큰 둔각 형태로 형성한 금형을 사용하기도 하였으나, 전단 변형량의 감소로 인해 소재의 조직 미세화 효과가 크게 떨어지고, 전단 변형량을 증가시키기 위해 반복 가공 회수를 늘려야 하는 문제가 있었다.

이에, 도 6과 같이 금형의 내측면 바깥 모서리를 둥글게 만들어 사각지대를 없애는 금형이 개발되기도 하였으나, 이 경우에도 소재 전체의 전단 변형량이 감소할 뿐만 아니라, 도 7의 실험 결과와 같이 바닥면 근처의 소재는 전단 변형이 거의 이루어지지 못하는 폐단이 있었다.

한편, 상기한 도 5에서 도시한 금형과 유사한 금형이 개시된 종래 기술로, 국내 등록특허공보 등록번호 제10-0756433호의 "이송압연을 이용한 고강도 금속 판재의 제조방법"에 도시되어 있고, 또한 국내 등록특허공보 제10-0778763호의 "한 개의 공전롤을 갖는 인발형 연속 전단변형장치"에도 도시되어 있으며, 또한 도 6에서 도시한 금형과 유사한 금형이 개시된 종래 기술로, 국내 공개특허공보 공개번호 제2008-0046393호의 "ECAP 공정용 저하중 분리형 금형" 등 다수가 출원된 바 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 금속소재의 압출공정과 전단병형을 동시에 구현하여 가공되는 제품의 두께 및 길이에 제한을 받지 않으면서 전단 변형된 제품을 연속적으로 대량 생산할 수 있도록 한 연속전단변형용 압출 금형장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 컨테이너와 프레임 사이에 금형을 장착하되, 금형 내부를 꺽어진 형태로 조성하여 금속소재를 상기 컨테이너 내부에 밀어 넣어 메인스템을 통해 가압함으로써 상기 금속소재에 전단 변형을 일으켜 가공하는 금형장치에 있어서, 전, 후를 관통하여 전단변형홀을 형성하고, 상기 전단변형홀과 수직 교차하는 양측에 가이드홀을 각각 관통 형성한 하우징과; 상기 가이드홀에 삽입 장착되어 단부에 장착된 구동수단에 의해 개별적으로 이동 조작되는 다수의 플레이트 다이를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 구동수단은 액추에이터가 사용되거나, 혹은 수동 조작된다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 플레이트 다이의 이동을 통해 전단변형홀 내부 공간을 ECAP 형상으로 변형시켜 금속소재의 두께 제어 및 전단변형 가공회수를 적절하게 조절 가능한 효과가 있고, 특히 금속소재의 압출공정과 연속 전단변형의 동시 구현을 통해 금속소재의 두께 및 길이에 제한을 받지 않고 금형의 교환 작업없이 다양한 형상의 제품을 연속적으로 대량 생산할 수 있는 효과도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 8 내지 도 11b는 본 발명의 일례로 도시한 압출용 금형장치에 대해 도시한 것으로, 컨테이너(10)와, 금형(20)과, 프레임(30)으로 구성된다.

도 8을 통해 설명하면, 먼저 컨테이너(10)는 압출 금형장치 전방에 고정 장착되는 것으로, 중앙에 관통홀(11)을 형성하여 그 내부에 금속소재를 내장 구비할 수 있게 구성한다.

그리고, 상기 컨테이너(10) 일측방에는 유압실린더(12)가 장착되고, 상기 유압실린더(12) 단부에는 상기 금속소재를 가압할 수 있도록 메인스템(13)이 장착된다. 즉, 상기 유압실린더(12)의 유압 작용을 통해 메인스템(13)을 금속소재에 접촉한 상태에서 전, 후 이동시켜, 금속소재를 가압할 수 있는 것이다.

프레임(30)은 압출 금형장치 후방에 고정 장착되는 것으로, 중앙에 인출홀(31)을 형성하여 그 내부에 압출 가공된 제품이 빠져나오는 통로 역할을 한다. 그리고, 상기 프레임(30) 전면에는 금형(20)을 고정 장착한다.

여기서, 상기한 바와 같이 설명된 컨테이너(10)와 프레임(30)의 구성은 본 발명의 이해 편의를 위해 예시한 구성에 불과한 것으로, 상기한 구성 이 외에도 압출소재의 가압 및 압출이 가능한 다른 구성으로 대체할 수 있으며, 이와 같은 구성 역시 본 발명의 구성에 포함됨은 자명한 사항에 해당된다.

한편, 본 발명의 특징적인 구성인 금형(20)은 상기 컨테이너(10)와 프레임(30) 사이에 장착되어 금속소재를 연속전단변형시키면서 제품을 가공하는 역할을 하는 것으로, 가공하고자 하는 제품의 특성에 따라 전단변형홀(22)의 형상을 다르게 변경 조절하여 구비할 수 있다.

이러한, 상기 금형(20)은 크게 하우징(21)과, 플레이트 다이(25)를 포함하여 구성되는데, 도 9 내지 도 10c를 통해 보다 상세하게 설명하면, 상기 금형(20)은 대략 육면체의 형상으로 형성한 것으로, 볼트 등을 사용하여 프레임(30) 전면에 고정 장착할 수 있다.

그리고, 상기 금형(20)의 외관을 구성하는 하우징(21)은 전, 후방을 관통하여 금속소재를 통과시킬 수 있도록 전단변형홀(22)을 관통 형성하고, 상기 전단변형홀(22)과 수직 교차하는 하우징(21) 양측면에 전단변형홀(22)과 연통되게 가이드홀(23)을 각각 관통 형성한다. 즉, 상기 가이드홀(23)은 하우징(21)의 좌, 우측면이나 상, 하면 중 어느 양면에 형성할 수 있는데, 플레이트 다이(25)의 구동성 및 정비성 등 여러 요소를 감안할 때에 하우징(21) 좌, 우측면에 형성하는 것이 적절하다.

플레이트 다이(25)는 양측 이동을 통해 전단변형홀(22)의 내부 공간을 변형시키는 역할을 하는 것으로, 각각의 가이드홀(23)에 다수개의 플레이트 다이(25)가 삽입 장착된다. 이러한, 상기 플레이트 다이(25)는 외측 단부에 구동수단을 연결 설치하여, 상기 플레이트 다이(25)들 각각을 개별적으로 이동시키는 것이 가능하게 구성함으로써, 전단변형홀(22) 내부 공간을 다양하게 변경시킨다.

여기서, 상기 구동수단으로는 유압 또는 공압을 작동유로 하는 액추에이터(26)가 사용되는 것이 적절하나, 플레이트 다이(25)의 이동이 가능한 구성이라면 액추에이터(26) 이 외의 다른 구동수단이 적용될 수도 있고, 또한 경우에 따라 플레이트 다이(25)의 수동조작도 가능하게 구성될 수 있다.

그리고, 상기 플레이트 다이(25)는 하우징(21) 및 전단변형홀(22)의 크기, 제품의 전단변형정도 등 여러 가지 가공요소에 따라 그 개수나 이동범위를 다양하게 변경할 수 있는 바, 본 발명의 도시된 플레이트 다이(25)의 구성이 본 발명에 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다.

즉, 도 10a 내지 도 10c와 같이 전단변형 가공의 회수를 제어하기 위해 플레이트 다이(25)를 자유롭게 이동 조절하거나 플레이트 다이(25)의 수를 변경하여 장착할 수 있고, 또한 도 11a 및 도 11b와 같이 전단변형되는 제품의 두께를 제어하기 위해 플레이트 다이(25)를 자유롭게 이동 조절할 수도 있다.

그리고, 상기 플레이트 다이(25)의 구동시키는 구동수단 중 액추에이터(26)의 제어구성은 도면에서 자세하게 도시하지는 않았으나, 공지된 기계적 제어장치(콘트롤러) 및 전자적인 제어시스템을 통해 플레이트 다이(25)의 이동을 조절 및 제어할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 압출 금형장치를 통해 금속소재를 전단변형 가공하여 강도가 향상 되고 기계적 성질이 개선된 원하는 형상의 제품을 압출 가공하기 위해서는, 먼저 컨테이너(10) 중앙의 관통홀(11)에 금속소재를 내장 구비한 후, 컨테이너(10) 일측에 설치된 유압실린더(12)를 구동하여 메인스템(13)으로 금속소재를 가압하게 된다.

이처럼, 메인스템(13)에 의해 가압되는 금속소재는 금형(20) 중앙의 전단변형홀(22) 내부에 인입되면서 압출과 동시에 전단변형 가공이 시작되고, 상기한 전단변형홀(22) 내부에 인입되는 금속소재는 메인스템(13)의 가압에 따라 점진적으로 금형(20) 내부로 진입된다.

이때, 압출 성형하고자 하는 제품에 따라 플레이트 다이(25)를 이동시켜 전단변형홀(22) 내부 공간의 꺽어지는 형태를 변형시키게 되는데, 도 10a와 같이 변형된 금형(20)의 경우 금속소재가 그 내부로 통과되면서 금속소재의 양측으로 각각 한 번씩 전단변형을 일으키게 된다.

또한, 도 10b와 같이 변형된 금형(20)의 경우 금속소재가 그 내부로 통과되면서 금속소재 양측으로 각각 두 번씩 전단변형을 일으키게 되고, 또 도 10c와 같이 변형된 금형(20)의 경우 금속소재가 그 내부로 통과되면서 금속소재 양측으로 각각 세 번씩 전단변형을 일으키게 될 수 있다.

즉, 상기 플레이트 다이(25)의 이동을 통해 전단변형홀(22)의 형태가 도 10a 내지 도 10c와 같이 두 번, 네 번, 여섯 번 등으로 적어도 두 번 이상 꺽여지는 형태가 될 수 있게 형성하는 것이다.

뿐만 아니라, 도 11a와 같이 변형된 금형(20)의 경우 금속소재가 그 내부로 통과되면서 금속소재를 도 10a의 금속소재보다 얇게 압출하면서 금속소재에 전단변형을 일으킬 수 있고, 또한 도 11b와 같이 변형된 금형(20)의 경우에는 도 11a에서 압출되는 금속소재보다 한층 더 얇게 압출하면서 금속소재에 전단변형을 일으킬 수 있게 된다.

즉, 제어장치 및 제어시스템의 제어를 통해 구동수단을 제어하여 플레이트 다이(25)를 각각 개별적으로 이동시키면, 상기 플레이트 다이(25)는 가이드홀(23)을 따라 하우징(21) 내부 또는 외부로 이동하게 되고, 이를 통해 하우징(21) 내부에 인입된 플레이트 다이(25)의 단부가 전단변형홀(22)의 공간부 형상과 두께를 제어하는 것이 가능하여, 해당 금속소재를 압출과 동시에 전단변형 가공할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이, 압출 성형되는 금속소재는 메인스템(13)의 지속적인 가압 작용에 의해 전단변형홀(22)을 통과하고, 프레임(30) 중앙에 형성된 인출홀(31)을 통해 빠져나가게 되면서 압출 성형 및 전단변형 가공을 완료할 수 있게 된다.

즉, 본 발명의 연속전단변형용 압출 금형장치는 압출 성형 이 전에 플레이트 다이(25)의 이동을 통해 전단변형홀(22) 내부 공간을 변형시킬 수 있으므로, 금속소재의 두께를 제어하여 압출 성형하는 것이 가능함은 물론, 금속소재의 전단변형 가공회수를 적절하게 조절할 수 있게 된다. 따라서, 금속소재의 압출공정과 연속 전단변형을 동시 구현하는 것이 가능함으로써, 금속소재의 두께 및 길이에 제한을 받지 않고 금형(20)의 교환 작업없이 다양한 형상의 제품을 연속적으로 대량 생산할 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 종래 기술에 의한 전단변형장치를 도시한 개략도,

도 2는 다른 종래 기술에 의한 전단변형장치의 정면도,

도 3은 도 2에 의한 전단변형장치를 통해 시험한 결과를 나타낸 정면도,

도 4는 도 2에 의한 전단변형장치에 사각지대가 발생한 것을 도시한 정단면도,

도 5는 도 2에 의한 전단변형장치의 변형예,

도 6은 도 2에 의한 전단변형장치의 다른 변형예,

도 7은 도 6에 의한 전단변형장치를 통해 시험한 결과를 나타낸 정면도,

도 8은 본 발명에 의한 압출 금형장치를 도시한 정면도,

도 9는 본 발명에 의한 금형을 도시한 분리 사시도,

도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 플레이트 다이의 제어 및 플레이트 다이의 개수 제어에 의한 전단변형홀의 여러 변형 형태를 나타낸 평단면도,

도 11a와 도 11b는 본 발명의 플레이트 다이의 제어에 의한 전단변형홀의 두께 조절 형태를 나타낸 평단면도.

*도면 중 주요 부호에 대한 설명*

10 : 컨테이너 11 : 관통홀

12 : 유압실린더 13 : 메인스템

20 : 금형 21 : 하우징

22 : 전단변형홀 23 : 가이드홀

25 : 플레이트 다이 26 : 액추에이터

30 : 프레임 31 : 인출홀

Claims (4)

1. 컨테이너와 프레임 사이에 금형을 장착하되, 금형 내부를 꺽어진 형태로 조성하여 금속소재를 상기 금형 내부에 밀어 넣어 메인스템을 통해 가압함으로써 상기 금속소재에 전단 변형을 일으켜 가공하는 금형장치에 있어서,

   전, 후를 관통하여 전단변형홀(22)을 형성하고, 상기 전단변형홀(22)과 수직 교차하는 양측에 가이드홀(23)을 각각 관통 형성한 하우징(21)과;

   상기 가이드홀(23)에 삽입 장착되어 단부에 장착된 액추에이터 또는 수동 조작 중 어느 하나에 의한 구동수단에 의해 개별적으로 이동 조작되는 다수의 플레이트 다이(25)를 포함하여 구성하되,

   상기 전단변형홀(22)은 플레이트 다이(25)의 이동을 통해 적어도 두 번 이상 꺽여지는 형태가 될 수 있게 형성하는 것을 특징으로 하는 연속전단변형용 압출 금형장치.
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