KR101091824B1 - 금형 내면의 표면거칠기 측정방법 - Google Patents

금형 내면의 표면거칠기 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소재의 업세팅과 후방압출 후 성형품으로부터 측정된 팁 거리와 하중을 이용하여 금형 내면의 표면거칠기를 측정하는 금형 내면의 표면거칠기 측정방법을 개시한다. 본 발명은 금형의 캐비티에 캐비티의 직경보다 작은 직경을 갖는 소재를 공급하고, 소재의 직경보다 작은 직경을 갖는 펀치에 의하여 소재를 업세팅하여 후방압출한다. 소재의 후방압출에 의하여 성형되는 성형물의 팁 거리를 측정하고, 펀치의 표면거칠기, 팁 거리와 펀치에 의하여 소재에 가해지는 최대하중의 관계로부터 금형 내면의 표면거칠기를 산출한다. 본 발명에 의하면, 소재의 업세팅과 후방압출 후 성형품으로부터 측정된 팁 거리와 하중에 의하여 금형 내면의 표면거칠기를 간편하게 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 표면거칠기 측정기를 사용하지 않고서도 캐비티의 깊이, 측정 면적, 파상도에 구애받지 않고 표면거칠기를 측정할 수 있다. 이 결과, 금형 내면의 품질 평가가 용이해져 정형가공을 통한 제품의 품질을 향상 및 균일화할 수 있는 유용한 효과가 있다.

Description

금형 내면의 표면거칠기 측정방법{SURFACE ROUGHNESS MEASUREMENT METHOD FOR MOLD INSIDE SURFACE}
본 발명은 금형 내면의 표면거칠기 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소재의 업세팅(Upsetting)과 후방압출(Backward extrusion) 후 성형품으로부터 측정된 팁 거리와 하중을 이용하여 금형 내면의 표면거칠기를 측정하는 금형 내면의 표면거칠기 측정방법에 관한 것이다.
부피성형가공(Bulk forming)은 금형을 이용하여 소재에 압축하중을 가하여 다양한 구조 및 기능의 성형품으로 가공하는데 널리 채택되고 있다. 부피성형가공은 성형품을 완성품에 가깝게 성형하는 정형가공(Net-shape forming)이 가능하여 후공정이 간단하고, 소재의 절약 및 공정수를 줄일 수 있는 장점이 있다.
한편, 소형·정밀 부품의 부피성형가공에서 소재의 크기가 작아질수록 크기 효과(Size effect)에 의하여 유동 및 마찰의 영향을 받는다. 이러한 소형·정밀 부품의 부피성형가공을 위하여 소재와 접촉하는 금형 내면의 표면거칠기를 정량적으로 측정해야 한다.
일반적으로 표면거칠기의 측정방법은 접촉식과 비접촉식으로 구분되고 있다. 접촉식 표면거칠기 측정방법은 측정 표면을 따라 촉침식 표면거칠기 측정기의 스타일러스(Stylus)를 이동시켜 스타일러스의 변위를 전기적 신호로 변환하여 측정한다. 접촉식 표면거칠기 측정방법은 스타일러스 및 구동유닛(Drive unit)의 크기로 인하여 공간의 제약을 크게 받고, 파상도(Waviness) 및 곡면 형상에 영향을 받는 단점이 있다. 비접촉식 표면거칠기 측정방법은 광학식 표면거칠기 측정방법으로 부르고도 있으며, 현미간섭식 표면거칠기 측정방법과 광절단식 표면거칠기 측정방법으로 세분되고 있다. 비접촉식 표면거칠기 측정방법은 광학계로부터 획득되는 이미지의 면적이 수 마이크로미터(Micrometer)에서 수 밀리미터(Millimeter)까지만 가능하기 때문에 상대적으로 대면적을 갖는 금형 내면에 대한 표면거칠기의 측정은 일부분만 가능한 단점이 있다. 또한, 비접촉식 표면거칠기 측정방법은 캐비티(Cavity)의 깊이가 깊은 경우 측정이 곤란한 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 소재의 업세팅과 후방압출 후 성형품으로부터 측정된 팁 거리와 하중에 의하여 금형 내면의 표면거칠기를 간편하게 측정할 수 있는 금형 내면의 표면거칠기 측정방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 표면거칠기 측정기를 사용하지 않고서도 캐비티의 깊이, 측정 면적, 파상도에 구애받지 않고 표면거칠기를 측정할 수 있는 금형 내면의 표면거칠기 측정방법을 제공함에 있다.
이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 금형의 캐비티에 캐비티의 직경보다 작은 직경을 갖는 소재를 공급하는 단계와; 소재의 직경보다 작은 직경을 갖는 펀치에 의하여 소재를 업세팅하여 후방압출하는 단계와; 소재의 후방압출에 의하여 성형되는 성형물의 팁 거리를 측정하는 단계와; 펀치의 표면거칠기, 팁 거리와 펀치에 의하여 소재에 가해지는 최대하중의 관계로부터 금형 내면의 표면거칠기를 산출하는 단계로 이루어지는 금형 내면의 표면거칠기 측정방법에 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 금형 내면의 표면거칠기 측정방법에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 금형 내면의 표면거칠기 측정방법은 일례로 부피성형가공을 위한 금형 내면의 표면거칠기를 측정한다. 금형(10)은 소재(2)를 성형품(4)으로 성형하기 위한 캐비티(12)를 갖는다. 캐비티(12)는 원통형으로 형성되어 있다. 금형(10)은 다이(Die)라 부르고도 있다. 캐비티(12)의 하부에 소재(2)의 하단을 지지하기 위한 패드(Pad: 20)가 장착되어 있다. 캐비티(12)의 직경(D1)은 소재(2)의 직경(D2)보다 크다. 펀치(30)는 캐비티(12)에 놓여있는 소재(2)를 가압하여 성형품(4)으로 성형한다. 펀치(30)의 하단 직경(D3)은 소재(2)의 직경(D2)보다 작다.
도 1과 도 2를 참조하면, 작업자는 금형(10)의 캐비티(12)에 소재(2)를 공급한 후, 펀치(30)의 작동에 의하여 소재(2)를 가압하여 성형품(4)으로 성형한다. 성형품(4)의 후방압출방향 가장자리에 팁(Tip: 6)이 형성된다. 성형품(4)의 외면(8)과 팁(6) 사이의 거리를 팁 거리(Tip distance: d)라 한다.
도 3은 펀치의 스트로크(Stroke, mm)와 하중(kN)에 따른 소재의 변형을 나타내는 그래프이다. 도 3의 그래프를 보면, 소재(2)의 변형은 하중(kN)이 급격하게 증가되기 시작하는 시점을 기준으로 업세팅과 후방압출의 2단계로 나눌 수 있다.
도 4를 참조하면, 업세팅 단계에서는 패드(20)와 펀치(30) 사이에서 소재(2)가 성형품(4)으로 성형되면서 그 외면(8)이 불룩해지는 벌징 현상(Bulging Effect)이 발생된다. 벌징 현상은 금형 내면, 즉 캐비티(12)의 내면의 표면거칠기가 클수록 소재(2)의 유동을 방해-금형 내면과 소재의 마찰이 증가-하여 표면거칠기가 작을 때와 다른 양상을 나타낸다.
도 4에 도시되어 있는 패드(20)의 표면거칠기는 도 5에 도시되어 있는 패드(20)의 표면거칠기보다 높다. 도 4에 도시되어 있는 성형품(4)의 외면(8)은 도 5에 도시되어 있는 성형품(4`)의 외면(8`)보다 큰 곡면으로 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
도 6은 성형품의 팁 거리(㎛)와 최대하중(Ton)의 관계에 따른 패드의 표면거칠기를 나타낸 그래프이다. 소재는 알루미늄합금 Al6061, Al2024와 Al7075를 시편으로 사용하였다. 도 6의 그래프를 보면, 기울기의 변화는 특정한 팁 거리, 즉 380 ㎛를 중심으로 회전, 즉 재료별로 패드의 표면거칠기가 증가했을 때 양의 기울기에서 음의 기울기로 변화하는 형태를 보인다. 여기서, 기울기의 회전중심이 되는 점은 소재와 금형 내면 사이의 마찰을 낮춰주는 윤활유, 예를 들어 그리스에 의하여 얻을 수 있다. 도 6의 그래프에서 회전중심의 범위는 은선으로 나타냈다.
도 7은 펀치의 스트로크(Stroke, mm)와 최대하중(kN, Kilonewton)에 따른 금형 내면의 표면거칠기를 나타낸 그래프이다. 도 7의 그래프를 보면, 후방압출 단계에서 금형 내면의 표면거칠기가 변화되면, 펀치의 스트로크(mm)에 대하여 최대하중(kN)이 증가 또는 감소되는 것을 알 수 있다. 이때, 팁 거리는 비슷한 상태에서 최대하중만 변화하게 된다. 그 이유는 팁 거리는 업세팅 상태에서 결정되고, 후방압출이 시작된 이후에는 팁 거리의 큰 변화 없이 하중의 증가만 나타나기 때문이다.
도 8은 회전중심에 대한 성형품의 팁 거리(㎛)와 최대하중(Ton)의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 8의 그래프를 보면, 동일한 윤활유를 사용하여 실험하였을 때 금형 내면과 패드의 표면거칠기에 따라 기울기가 변화된 것을 알 수 있다. 또한, 측정된 팁 거리(d)를 x축 좌표값으로 하고 최대하중을 y축 좌표값으로 한 것을 측정점이라 할 때 금형 내면과 패드의 표면거칠기의 변화가 클수록 측정점의 이동량이 크게 나타난다. 측정점의 상하좌우 이동량을 금형 내면과 패드의 표면거칠기에 대하여 정량화하면 금형 내면과 패드의 표면거칠기를 수학식 1과 수학식 2에 의하여 구할 수 있다. 수학식 1은 펀치와 패드의 표면거칠기를 측정점의 좌우 이동량을 통하여 구한다. 수학식 2는 펀치와 금형 내면의 표면거칠기를 측정점의 상하 이동 량을 통하여 구한다.
Figure 112009037908370-pat00001
여기서, Ra1은 펀치의 표면거칠기, Ra2는 패드의 표면거칠기(미지수), d는 팁 거리, d0는 팁 거리와 최대하중의 관계에 따른 그래프에서 얻어지는 회전중심의 팁 거리, A1, A2는 상수이다.
Figure 112009037908370-pat00002
여기서, Ra1은 펀치의 표면거칠기, Ra3는 금형 내면의 표면거칠기(미지수), L은 측정점의 최대하중, L0는 팁 거리와 최대하중의 관계에 따른 그래프에서 얻어지는 회전중심의 최대하중, B1, B2는 상수이다.
금형 내면과 패드의 표면거칠기가 성형품의 팁 거리(㎛)와 최대하중(Ton)의 관계로부터 구해지면, 측정된 표면거칠기는 금형 각 부분의 전체 면적이 소재의 변형에 영향을 미치기 때문에 국소 면적의 측정값을 전체 면적으로 가정하지 않고, 측정하고자 하는 실제 면적의 평균적인 표면거칠기로 반영된다. 원통형 캐비티의 경우, 캐비티 내면의 표면거칠기는 축대칭 형상으로 인하여 일정하게 반영된다. 한편, 패드가 금형과 일체로 형성되어 있는 경우에도 캐비티의 깊이와 관계없이 표면 거칠기를 원활하게 측정할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 금형 내면의 표면거칠기 측정방법에 의하면, 소재의 업세팅과 후방압출 후 성형품으로부터 측정된 팁 거리와 하중에 의하여 금형 내면의 표면거칠기를 간편하게 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 표면거칠기 측정기를 사용하지 않고서도 캐비티의 깊이, 측정 면적, 파상도에 구애받지 않고 표면거칠기를 측정할 수 있다. 이 결과, 금형 내면의 품질 평가가 용이해져 정형가공을 통한 제품의 품질을 향상 및 균일화할 수 있는 유용한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 금형 내면의 표면거칠기 측정방법을 위한 금형의 구성을 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 금형 내면의 표면거칠기를 측정하기 위하여 펀치에 의하여 소재를 성형품으로 성형한 구성을 나타낸 단면도,
도 3은 펀치의 스트로크와 하중에 따른 소재의 변형을 나타낸 그래프,
도 4와 도 5는 본 발명에 따른 금형 내면의 표면거칠기를 측정하기 위하여 펀치에 의하여 소재를 성형품으로 성형한 구성을 나타낸 도면들,
도 6은 성형품의 팁 거리와 최대하중의 관계에 따른 패드의 표면거칠기를 나 타낸 그래프,
도 7은 펀치의 스트로크와 최대하중의 관계에 따른 금형 내면의 표면거칠기를 나타낸 그래프,
도 8은 회전중심에 대한 성형품의 팁 거리와 최대하중의 관계를 나타낸 그래프이다.
♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♣
2: 소재 4: 성형품
6: 팁 8: 외면
10: 금형 12: 캐비티
14: 금형 내면 20: 패드
30: 펀치 d: 팁 거리

Claims (4)

  1. 금형의 캐비티에 상기 캐비티의 직경보다 작은 직경을 갖는 소재를 공급하는 단계와;
    상기 소재의 직경보다 작은 직경을 갖는 펀치에 의하여 상기 소재를 업세팅하여 후방압출하는 단계와;
    상기 소재의 후방압출에 의하여 성형되는 성형물의 팁 거리를 측정하는 단계와;
    상기 펀치의 표면거칠기, 상기 팁 거리와 상기 펀치에 의하여 상기 소재에 가해지는 최대하중의 관계로부터 상기 금형 내면의 표면거칠기를 산출하는 단계로 이루어지는 금형 내면의 표면거칠기 측정방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 캐비티는 원통형으로 형성되고, 상기 캐비티의 하부에 상기 소재를 지지하는 패드가 장착되어 있으며, 상기 팁 거리에 의하여 상기 패드의 표면거칠기를 산출하는 단계를 더 포함하는 금형 내면의 표면거칠기 측정방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 패드의 표면거칠기(Ra2)는,
    Figure 112009037908370-pat00003
    에 의하여 구하고, 여기서, Ra1 은 펀치의 표면거칠기, d는 팁 거리, d0는 팁 거리와 최대하중의 관계에 따른 그래프에서 얻어지는 회전중심의 팁 거리, A1, A2는 상수인 금형 내면의 표면거칠기 측정방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 금형 내면의 표면거칠기(Ra3)는,
    Figure 112009037908370-pat00004
    에 의하여 구하고, 여기서, Ra1은 펀치의 표면거칠기, L은 측정점의 최대하중, L0는 회전중심의 최대하중, B1, B2는 상수이며, 상기 측정점은 상기 팁 거리를 x축 좌표값으로 하고 최대하중을 y축 좌표값으로 하는 금형 내면의 표면거칠기 측정방법.
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