KR101172408B1 - 인발형 연속전단변형 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속소재의 연속적인 전단변형을 위한 인발형 연속전단변형 장치를 개시한다. 본 발명은 프레임, 다이스, 홀더와 피드롤로 구성되어 있다. 다이스는 프레임에 설치되어 있으며, 일측에 금속소재의 공급을 위한 입구가 형성되어 있고, 타측에 금속소재의 배출을 위한 출구가 형성되어 있으며, 금속소재의 연속적인 전단변형을 위하여 입구와 출구를 연결하는 입구측 채널과 출구측 채널을 갖는 채널이 형성되어 있고, 채널은 입구측 채널의 제1 중심축선과 출구측 채널의 제2 중심축선이 교차되어 있는 만곡 부분과 단면적이 감소되는 구간을 가지며, 제1 다이스 분할체와 제2 다이스 분할체로 분할되어 있다. 홀더는 프레임에 설치되어 있고, 홀더에는 다이스를 수용하는 장착구멍이 형성되어 있다. 피드롤은 입구에 근접되도록 설치되어 있으며, 금속소재를 구름운동에 의하여 입구에 공급한다. 본 발명에 의하면, 피드롤에 의하여 다이스의 입구측에서 금속소재에 압축응력을 부여함으로써, 금속소재의 연속적인 신선가공과 전단가공에 의한 인발이 가능하면서도 금속소재의 강도를 증가시키고, 금속소재의 단선을 방지하여 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속소재의 유동성이 향상되어 다단공정에 의하여 금속소재의 전단신선공정을 실시할 수 있고, 다이스의 분할 구조에 의하여 유지비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

인발형 연속전단변형 장치{DRAWING TYPE CONTINUOUS SHEAR DEFORMATION APPARATUS}
본 발명은 인발형 연속전단변형 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속소재의 연속적인 전단변형을 위한 인발형 연속전단변형 장치에 관한 것이다.
금속소재는 단조(Forging), 압연(Rolling), 압출(Extrusion), 인발 등 다양한 방법으로 가공되고 있다. 금속소재의 결정립 미세화(Grain refinement)는 강도, 인성 및 성형성의 향상, 낮은 열전도도, 초가소성(Superplasticity), 경량화 등 우수한 기계적 성질을 보유하는 특징이 있다. 강소성가공공정(Severe plastic deformation process, SPD)은 금속소재에 큰 소성변형을 가하여 초미세 결정립의 금속소재를 제조하는 방법이다. SPD 중 일반적으로 이용되고 있는 등내부각압출공정(Equal channel angular pressing process, ECAP)은 비연속적인 특성으로 인하여 봉재(Bar), 선재(Wire rod) 등 금속소재의 연속적인 가공에 적용하는데 어려움이 있다. 등내부각신선공정(Equal channel angular drawing process, ECAD)은 ECAP의 불연속성을 개선한 것이나, 다단공정의 경우 금속소재의 유동이 불안정한 단점이 있다.
본 출원인은 금속소재의 유동성을 개선한 전단신선공정(Shear drawing process, SD)을 개발하여 대한민국 공개특허 제10-2010-0076734호 전단신선용 다이스를 출원하였다. 이 특허 문헌의 전단신선용 다이스는 입구, 출구, 입구에서 출구를 향하여 단면적이 감소되는 구간이 형성되어 있는 채널(Channel)을 구비하고 있다. 채널은 금속소재의 이동방향후단에 배치되어 있는 입구측 채널과 이동방향선단에 배치되어 있는 출구측 채널로 구성되어 있다. 입구측 채널의 중심축선과 출구측 채널의 중심축선은 교차되어 있다. 금속소재는 드로우헤드(Draw head), 와인더(Winder) 등에 의하여 출구에서 당기면서 가공한다.
상기한 바와 같은 전단신선용 다이스는 금속소재의 직경을 연속적으로 감면(Reduce)시키는 연속공정을 구현하고 금속소재의 유동 불안전성을 개선하였으나, 금속소재의 고강도화에 미흡한 단점이 있다.
본 발명은 상기한 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 금속소재의 연속적인 전단변형이 가능하면서도 금속소재의 강도를 증가시킬 수 있는 인발형 연속전단변형 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 금속소재의 단선을 방지할 수 있는 인발형 연속전단변형 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 금속소재의 유동성을 향상시킬 수 있는 인발형 연속전단변형 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 다이스의 마모를 방지하여 신뢰성을 향상시킬 수 있는 인발형 연속전단변형 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 다이스의 분할 구조에 의하여 마모가 발생된 것만을 교체하여 사용할 수 있기 때문에 유지보수비용을 절감할 수 있는 인발형 연속전단변형 장치를 제공함에 있다.
이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 프레임과; 프레임에 설치되어 있으며, 일측에 금속소재의 공급을 위한 입구가 형성되어 있고, 타측에 금속소재의 배출을 위한 출구가 형성되어 있으며, 금속소재의 연속적인 전단변형을 위하여 입구와 출구를 연결하는 입구측 채널과 출구측 채널을 갖는 채널이 형성되어 있고, 채널은 입구측 채널의 제1 중심축선과 출구측 채널의 제2 중심축선이 교차되어 있는 만곡 부분과 단면적이 감소되는 구간을 가지며, 제1 다이스 분할체와 제2 다이스 분할체로 분할되어 있는 다이스와; 프레임에 설치되어 있고, 다이스를 수용하는 장착구멍이 형성되어 있는 홀더와; 입구에 근접되도록 설치되어 있으며, 금속소재를 구름운동에 의하여 입구에 공급하는 피드롤을 포함하는 인발형 연속전단변형 장치에 있다.
본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치는 피드롤에 의하여 다이스의 입구측에서 금속소재에 압축응력을 부여함으로써, 금속소재의 연속적인 신선가공과 전단가공에 의한 인발이 가능하면서도 금속소재의 강도를 증가시키고, 금속소재의 단선을 방지하여 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속소재의 유동성을 향상시킬 수 있으므로, 다단공정에 의하여 금속소재의 전단신선공정을 실시할 수 있다. 다이스의 마모가 방지되어 신뢰성이 향상되며, 다이스의 분할 구조에 의하여 유지비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치의 구성을 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치의 구성을 나타낸 측면도,
도 3은 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치의 구성을 나타낸 정면도,
도 4는 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치의 구성을 부분적으로 나타낸 측면도,
도 5는 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치에서 다이스의 제1 실시예의 구성을 분리하여 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치에서 다이스의 제1 실시예의 구성을 설명하기 위하여 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치에서 제1 실시예의 다이스의 작동을 설명하기 위하여 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치에서 제1 실시예의 다이스에 의한 SDR과 SD에 대한 유한요소해석의 결과를 보여주는 도면,
도 9는 도 8의 SDR과 SD에 의하여 구한 유효변형률의 그래프,
도 10은 교차각 120°의 제1 실시예의 다이스에 의한 SDR과 SD에 대한 유한요소해석의 결과를 보여주는 도면,
도 11은 교차각 135°의 제1 실시예의 다이스에 의한 SDR과 SD에 대한 유한요소해석의 결과를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치에서 다이스의 제2 실시예를 나타낸 단면도,
도 13은 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치에서 제2 실시예의 다이스에 의한 SDR에 대한 유한요소해석의 결과를 보여주는 도면,
도 14는 도 13의 SDR에 의하여 구한 유효변형률의 그래프,
도 15는 도 13의 SDR에 의하여 구한 전단변형률의 그래프,
도 16은 교차각 120°, 130°와 140°의 제2 실시예의 다이스에 의한 SDR에 대한 유한요소해석의 결과를 보여주는 도면,
도 17은 도 16의 SDR에 의하여 구한 유효변형률의 그래프,
도 18은 도 16의 SDR에 의하여 구한 전단변형률의 그래프이다.
도 19는 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치에서 다이스의 제3 실시예를 나타낸 단면도,
도 20은 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치에서 제3 실시예의 다이스에 의한 SDR에 대한 유한요소해석의 결과를 보여주는 도면,
도 21은 도 20의 SDR에 의하여 구한 유효변형률의 그래프,
도 22는 도 20의 SDR에 의하여 구한 전단변형률의 그래프,
도 23은 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치에서 제3 실시예의 다이스에 부여되는 하중을 보여주는 그래프,
도 24는 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치에서 제3 실시예의 다이스에 부여되는 응력분포에 대한 유한요소해석의 결과를 보여주는 도면이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치는 프레임(10)과 프레임(10)의 일측에 틸팅(Tilting)할 수 있도록 설치되어 있는 틸팅프레임(12)을 구비한다. 틸팅프레임(12)은 프레임(10)의 상부에 피봇(Pivot: 14)을 중심으로 틸팅되도록 설치되어 있다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치는 프레임(10)의 일측에 설치되어 있는 홀더(Holder: 20)와 홀더(20)의 수용되어 프레임(10)에 설치되어 있는 제1 실시예의 다이스(30)를 구비한다. 홀더(20)는 볼팅(Bolting)에 의하여 프레임(10)에 탈착할 수 있도록 설치되어 있다. 홀더(20)의 내측에 다이스(30)를 수용하도록 하부가 개방되어 있는 장착구멍(22)이 형성되어 있다. 홀더(20)의 일측에 금속소재(2)의 투입을 위한 입구(24)가 장착구멍(22)과 연결되도록 형성되어 있고, 타측에 금속소재(2)의 배출을 위한 출구(26)가 장착구멍(22)과 연결되도록 형성되어 있다.
제1 실시예의 다이스(30)는 홀더(20)의 장착구멍(22)에 수용되어 프레임(10)에 설치되어 있다. 다이스(30)는 제1 다이스 분할체(30a)와 제2 다이스 분할체(30b)로 분할되어 있다. 다이스(30)의 일측에 금속소재(2)의 투입을 위한 입구(32)가 형성되어 있고, 타측에 금속소재(2)의 배출을 위한 출구(34)가 형성되어 있다. 입구(32)는 제1 다이스 분할체(30a)의 측면에 입구(24)와 정렬되도록 형성되어 있다. 출구(34)는 제2 다이스 분할체(30b)의 상면에 출구(26)와 정렬되도록 형성되어 있다.
입구(32)와 출구(34)는 입구(32)에서 출구(34)를 향하여 단면적이 감소되는 구간을 갖는 채널(36)에 의하여 연결되어 있다. 채널(36)은 금속소재(2)의 이동방향후단에 배치되어 있는 입구측 채널(36a)과 이동방향선단에 배치되어 있는 출구측 채널(36b)로 구성되어 있다. 입구측 채널(36a)은 제1 다이스 분할체(30a)에 형성되어 있고, 출구측 채널(36b)은 제2 다이스 분할체(30b)에 형성되어 있다. 입구측 채널(36a)의 제1 중심축선(L1)과 출구측 채널(36b)의 제2 중심축선(L2)은 교차되어 있다. 교차각(Intersecting angle: θ1)은 제1 중심축선(L1)과 제2 중심축선(L2)이 이루는 각도를 의미한다. 채널(36)은 교차각(θ1)을 기준으로 내부각(Internal angle: θ2)과 만곡각(Curve angle: θ3), 즉 만곡(Curve) 또는 라운드(Round)가 이루는 각도를 갖는다. 다이스(30)의 내부각(θ2)은 내부각(Channel angle)이라 부르고, 만곡각(θ3)은 코너각(Conner angle)이라 부르고도 있다.
한편, 제1 및 제2 다이스 분할체(30a, 30b)의 분할면(30c), 즉 경계면은 채널(36)을 상하부로 분할하고 있는 수평평면으로 이루어져 있다. 제1 및 제2 다이스 분할체(30a, 30b)는 분할면(30c)에 의하여 제1 및 제2 중심축선(L1, L2)의 교차 부분, 즉 채널(36)의 만곡 부분(36c)이 제1 다이스 분할체(30b)에 배치되도록 분할되고 있다. 본 실시예에 있어서 다이스(30)는 채널(36)이 수평평면의 분할면(30c)에 의하여 분할되어 있는 것을 도시하고 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 분할면(30c)의 위치는 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 또한, 분할면(30c)은 경사지게 형성되거나 채널(36)을 좌우로 분할하는 수직평면으로 형성될 수도 있다.
도 1 내지 도 4를 다시 참조하면, 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치는 다이스(30)의 입구(32)에 금속소재(2)를 공급하기 위하여 입구(32)와 근접되도록 설치되어 있는 롤피드(Roll feed: 40)를 구비한다. 롤피드(40)는 제1 피드롤러(Feed roller: 42), 제2 피드롤러(44), 서보모터(Servo motor: 46), 기어장치(50)와 체인전동장치(60)로 구성되어 있다.
제1 및 제2 피드롤러(42, 44)는 축(42a, 44b)을 중심으로 한 쌍을 이루어 회전할 수 있도록 틸팅프레임(12)에 각각 장착되어 있고, 입구(32)에 근접되도록 배치되어 있다. 금속소재(2)는 제1 및 제2 피드롤러(42, 44) 사이에 마찰력을 부여받도록 개재되어 있다. 제1 및 제2 피드롤러(42, 44)는 구름운동(Rolling motion)에 의하여 금속소재(2)를 이송한다. 서보모터(46)는 제1 및 제2 피드롤러(42, 44)에 구동력을 제공하도록 프레임(10)에 장착되어 있다.
기어장치(50)는 제1 및 제2 피드롤러(42, 44)가 동시에 회전되도록 제1 피드롤러(42)의 회전력을 제2 피드롤러(44)에 전달한다. 기어장치(50)는 원동기어(52)와 종동기어(54)로 구성되어 있다. 원동기어(52)와 종동기어(54)는 서로 이맞물림되어 있고, 제1 및 제2 피드롤러(42, 44)의 축(42a, 44a)에 각각 결합되어 있다. 본 실시예에 있어서 제2 피드롤러(44)는 아이들롤러(Idle roller)로 구성될 수 있다. 아이들롤러는 제1 피드롤러(42)와 협동하여 금속소재(2)를 이송하도록 제1 피드롤러(42)에 대하여 금속소재(2)를 밀착시켜 마찰력을 부여한다. 이 경우, 기어장치(50)는 삭제되고, 체인전동장치(60)는 서보모터(46)의 구동력을 피드롤러(42)에 전달하도록 구성될 수 있다.
체인전동장치(60)는 서보모터(46)의 구동력을 기어장치(50)에 전달하도록 원동스프로킷(Driving sprocket: 62), 종동스프로킷(Driven sprocket: 64)과 체인(66)로 구성되어 있다. 원동스프로킷(62)은 서보모터(46)의 구동에 의하여 회전되도록 프레임(10)에 장착되어 있다. 종동스프로킷(64)은 제1 피드롤러(42)의 축(42a)과 결합되어 있다. 체인(66)은 원동스프로킷(62)의 회전력을 종동스프로킷(64)에 전달하도록 원동스프로킷(62)과 종동스프로킷(64)에 감아 걸려 있다. 본 실시예에 있어서 서보모터(46)는 원동기어(52)에 직접 연결될 수 있다. 이 경우, 체인전동장치(60)는 삭제된다. 체인전동장치(60)는 벨트전동장치로 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치는 제1 피드롤러(42)에 대하여 제2 피드롤러(44)를 이동시키는 에어실린더(70)를 구비한다. 에어실린더(70)는 틸팅프레임(12)의 상부에 설치되어 있다. 에어실린더(70)의 실린더로드(72)는 브래킷(Bracket: 74)에 결합되어 있다. 제1 피드롤러(42)는 틸팅프레임(12)에 장착되어 있다. 제2 피드롤러(44)는 브래킷(74)에 장착되어 있다. 실린더로드(72)의 신축에 의하여 제2 피드롤러(44)는 제1 피드롤러(42)에 접근 또는 제1 피드롤러(42)로부터 이격된다. 본 실시예에 있어서 에어실린더(70)는 필요에 따라 유압실린더, 솔레노이드 액츄에이터로 구성될 수도 있다.
본 명세서에서 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치의 다이스(30)와 롤피드(40)에 의한 금속소재(2)의 가공은 SDR(Shear drawing process with roll, SDR)이라 하고, 금속소재(2)의 신선가공은 DR이라 한다. DR은 다이스의 채널 또는 구멍에 금속소재를 통과시켜 금속소재의 직경을 감면시키는 인발 중 하나의 가공 방법이다.
지금부터는, 이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치의 작용을 설명한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 에어실린더(70)의 작동에 의하여 실린더로드(72)가 수축되면, 제2 피드롤러(44)가 제1 피드롤러(42)로부터 이격된다. 따라서 작업자는 제1 피드롤러(42)와 제2 피드롤러(44) 사이에 금속소재(2)를 개재시킨 후, 금속소재(2)의 이송방향선단을 다이스(30)에 입구(32)에 끼울 수 있다. 에어실린더(70)의 실린더로드(72)가 신장되면, 제2 피드롤러(44)가 제1 피드롤러(42)에 접근되어 금속소재(2)를 밀착한다. 서보모터(46)의 구동력은 체인전동장치(60)의 원동스프로킷(62), 종동스프로킷(64)과 체인(66)에 의하여 기어장치(50)의 원동기어(52)와 종동기어(54)에 전달된다. 원동기어(52)와 종동기어(54)의 회전에 의하여 제1 피드롤러(42)와 제2 피드롤러(44)가 동시에 회전된다.
도 7을 참조하면, 제1 및 제2 피드롤러(42, 44)의 구름운동에 의하여 금속소재(2)는 다이스(30)의 채널(36)을 통과하고, 금속소재(2)의 직경은 감면된다. 금속소재(2)의 SDR 시 도 7에 은선으로 도시되어 있는 제1 영역(Z1), 즉 교차각(θ1)의 전후방 부근에서는 금속소재(2)에 인장과 압축응력이 부여되어 금속소재(2)의 전단변형이 발생된다. 제2 영역(Z2), 즉 출구(34)와 근접되는 부근에서는 금속소재(2)에 인장응력이 부여되고, 출구(34)를 빠져나오는 가공품(4)에 인장응력이 부여된다. 가공품(4)은 드로우헤드, 와인더 등의 당김수단에 의하여 출구(34)측에서 당기면서 가공한다.
교차각(θ1) 150°의 제1 실시예의 다이스에 의한 SDR과 SD에 대하여 유한요소해석을 실시하여 그 결과를 도 8에 나타냈다. 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 다이스의 출구를 빠져나오는 가공품의 슬라이스 평면(Slice plane)에서 중앙영역을 간격(A-B)(mm)로 지정하여 슬라이스 평면(Slice plane)에 대한 유효변형률(Effective strain)을 구하여 도 9의 유효변형률 그래프에 나타냈다. 도 9의 유효변형률 그래프를 보면, SDR은 SD에 비하여 유효변형률이 높은 것을 알 수 있다.
다이스(30)의 교차각(θ1)이 금속소재에 주는 영향을 평가하기 위하여 교차각(θ1) 120°와 135°의 제1 실시예의 다이스에 의한 SDR과 SD에 대하여 유한요소해석을 실시하여 그 결과를 도 10과 도 11에 나타냈다. 도 10과 도 11을 보면, SD에 의해서는 금속소재의 단선이 발생된 것을 알 수 있다. 특히, 교차각(θ1) 120°의 제1 실시예의 다이스에 의한 SD에서는 금속소재의 단선이 초기에 발생된다. 반면, SDR에 의해서는 금속소재의 단선이 발생되지 않고 가공된 것을 알 수 있다. 따라서 SDR에서는 금속소재에 압축응력이 작용되면서 인장응력에 의한 감면률(Reduce rate)이 감소되어 단선의 가능성이 줄어드는 것을 알 수 있다. 즉, SDR에서는 연속공정이 가능하고, 작은 교차각(θ1)에서도 금속소재에 높은 변형률을 가할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치는 피드롤(40)에 의하여 다이스(30)의 입구(32)측에서 금속소재(2)에 압축응력을 발생시켜 상대적으로 인장응력을 감쇄시킴으로써, 금속소재(2)의 품질과 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 금속소재(2)의 유동성이 향상되어 다단공정에 의하여 금속소재(2)의 전단신선공정을 실시할 수 있다.
도 12에 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치에서 다이스의 제2 실시예가 도시되어 있다. 도 12를 참조하면, 제2 실시예의 다이스(130)는 제1 실시예의 다이스(30)와 마찬가지로 제1 다이스 분할체(130a)와 제2 다이스 분할체(130b)로 분할되어 있으며, 입구(132), 출구(134), 채널(136), 교차각(θ1), 내부각(θ2)과 만곡각(θ3)을 구비한다. 채널(136)은 금속소재(2)의 이동방향후단에 배치되어 있는 입구측 채널(136a)과 이동방향선단에 배치되어 있는 출구측 채널(136b)과 만곡 부분(136c)로 구성되어 있다. 제1 다이스 분할체(130a)와 제2 다이스 분할체(130b)는 분할면(130c)에 의하여 제1 및 제2 중심축선(L1, L2)의 교차되는 만곡 부분(136c)이 제1 다이스 분할체(130a)에 배치되도록 분할되어 있다. 다이스(130)의 교차각(θ1)은 150°이며, 만곡각(θ3)은 0°이다.
도 13에 교차각(θ1) 150°와 만곡각(θ3) 0의 제2 실시예의 다이스에 의한 SDR에 대하여 유한요소해석을 실시한 결과를 나타냈다. 도 13을 보면, 만곡각(θ3) 0°의 SDR은 만곡각(θ3) 60°의 SDR보다 금속소재의 변형률이 높은 것을 알 수 있다. 도 14와 도 15에 교차각(θ1) 150°와 만곡각(θ3) 0°의 다이스에 의한 SDR에 대한 유효변형률의 그래프와 전단변형률(Shear strain) 그래프를 각각 나타냈다. 도 14의 유효변형률의 그래프를 보면, 만곡각(θ3) 0°에 의한 SDR의 유효변형률이 SD와 만곡각(θ3) 60°의 다이스에 의한 SDR보다 높은 것을 알 수 있다. 도 15의 전단변형률의 그래프를 보면, 만곡각(θ3) 0°의 다이스에 의한 SDR의 전단변형률이 SD와 만곡각(θ3) 60°의 다이스에 의한 SDR보다 높은 것을 알 수 있다.
도 16에 교차각 120°, 130°와 140°의 제2 실시예의 다이스에 의한 SDR에 대하여 유한요소해석을 실시한 결과가 나타나 있다. 교차각 120°, 130°와 140°의 다이스에 의한 SDR에 대한 도 17의 유효변형률 그래프와 도 18의 전단변형률 그래프를 보면, 교차각(θ1)이 작아질수록 유효변형률과 전단변형률이 증가되는 것을 알 수 있다. 한편, 만곡각(θ3) 0°의 다이스는 적은 설계인자를 고려하여 제작할 수 있으므로, SD 다이스의 구조보다 간단하고 용이하게 제작할 수 있다.
도 19에 본 발명에 따른 인발형 연속전단변형 장치에서 다이스의 제3 실시예가 도시되어 있다. 도 19를 참조하면, 제3 실시예의 다이스(230)는 제1 실시예의 다이스(30)와 마찬가지로 제1 다이스 분할체(230a)와 제2 다이스 분할체(230b)로 분할되어 있으며, 입구(232), 출구(234), 채널(236), 교차각(θ1), 내부각(θ2)과 만곡각(θ3)을 구비한다. 채널(236)은 금속소재(2)의 이동방향후단에 배치되어 있는 입구측 채널(236a)과 이동방향선단에 배치되어 있는 출구측 채널(236b)과 만곡 부분(236c)로 구성되어 있다. 제1 다이스 분할체(230a)와 제2 다이스 분할체(230b)는 분할면(230c)에 의하여 제1 및 제2 중심축선(L1, L2)의 교차되는 만곡 부분(236c)이 제1 다이스 분할체(230a)에 배치되도록 분할되어 있다. 입구측 채널(236a)은 제1 다이스 분할체(230a)에 배치되어 있고, 출구측 채널(236b)은 제2 다이스 분할체(230b)에 배치되어 있다. 다이스(230)의 교차각(θ1)은 130°이며, 만곡각(θ3)은 0°이다.
한편, 제3 실시예의 다이스(230)의 분할 구조에 있어서 입구측 채널(236a)의 단면적은 제1 다이스 분할체(230a)가 ECAP 다이스의 기능을 보유하도록 동일하게 형성되어 있다. 즉, 제1 다이스 분할체(230a)의 입구측 채널(236a)은 등통로각 채널로 형성되어 금속소재(2)에 높은 변형률을 부여한다. 또한, 출구측 채널(236)의 단면적은 제2 다이스 분할체(230b)가 SD 다이스의 기능을 보유하도록 분할면(230c)으로부터 출구(234)를 향하여 점진적으로 감소되어 있다. 즉, 제2 다이스 분할체(230b)의 출구측 채널(236b)은 테이퍼형으로 형성되어 금속소재(2)의 감면, 설정 치수의 가공과 유동을 안내한다.
도 20에 교차각(θ1) 130°와 만곡각(θ3) 0°의 제3 실시예의 다이스에 의한 SDR에 대한 유한요소해석을 실시한 결과를 나타냈다. 도 21과 도 22에 교차각(θ1) 130°와 만곡각(θ3) 0°의 제3 실시예의 다이스와 일체형 다이스에 의한 SDR에 대한 유효변형률의 그래프와 전단변형률의 그래프를 각각 나타냈다. 일체형 다이스는 대한민국 공개특허 제10-2010-0076734호에 개시되어 있는 전단신선용 다이스를 사용하였다. 도 21의 유효변형률의 그래프를 보면, 제3 실시예의 다이스에 의한 SDR의 유효변형률이 일체형 다이스보다 높은 것을 알 수 있다. 도 22의 전단변형률의 그래프를 보면, 제3 실시예의 다이스에 의한 SDR의 전단변형률이 일체형 다이스보다 높은 것을 알 수 있다.
도 23에 제3 실시예의 다이스와 일체형 다이스에 부여되는 하중(kN)을 그래프로 나타냈다. 도 23의 그래프를 보면, 일체형 다이스에는 약 18kN이 일정하게 부여되고, 제3 실시예의 다이스의 제1 및 제2 다이스 분할체에는 하중이 분할되어 분포된다. 이와 같이 제1 및 제2 다이스 분할체에 부여되는 하중을 합하면, 제3 실시예의 다이스에 부여되는 하중이 일체형 다이스보다 높을 수 있으나, 제1 및 제2 다이스 분할체 각각에 부여되는 하중은 일체형 다이스보다 낮기 때문에 제1 및 제2 다이스 분할체의 마모로 인한 수명 단축을 방지하여 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 제1 및 제2 다이스 분할체는 마모가 발생된 것만을 교체하여 사용할 수 있기 때문에 유지보수비용을 절감할 수 있다.
도 24에 3 실시예의 다이스와 일체형 다이스에 부여되는 응력분포에 대한 유한요소해석을 실시한 결과를 나타냈다. 도 24를 보면, 일체형 다이스는 제3 실시예의 다이스보다 만곡 부분에 응력분포가 높게 나타났다. 만곡 부분에서의 응력집중은 마모를 증가시켜 수명을 단축시키는 원인이 된다. 제3 실시예의 다이스의 만곡 부분에서는 응력집중이 나타나지 않음을 알 수 있다. 또한, 제2 다이스 분할체에서의 응력분포는 균일하게 나타나고 있다. 따라서 제3 실시예의 다이스는 일체형 다이스보다 마모를 효과적으로 방지하여 수명을 보장할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
2: 금속소재 10: 프레임
12: 틸팅프레임 14: 피봇
20: 홀더 30, 130, 230: 다이스
30a, 130a, 230a: 제1 다이스 분할체
30b, 130b, 230b: 제2 다이스 분할체
32, 132, 232: 입구 34, 134, 234: 출구
36, 136, 236: 채널 40: 피드롤
42: 제1 피드롤러 44: 제2 피드롤러
46: 서보모터 50: 기어장치
52: 원동기어 54: 종동기어
60: 체인전동장치 70: 에어실린더

Claims (10)

  1. 프레임과;
    상기 프레임에 설치되어 있으며, 일측에 금속소재의 공급을 위한 입구가 형성되어 있고, 타측에 금속소재의 배출을 위한 출구가 형성되어 있으며, 상기 금속소재의 연속적인 전단변형을 위하여 상기 입구와 상기 출구를 연결하는 입구측 채널과 출구측 채널을 갖는 채널이 형성되어 있고, 상기 채널은 상기 입구측 채널의 제1 중심축선과 상기 출구측 채널의 제2 중심축선이 교차되어 있는 만곡 부분과 단면적이 감소되는 구간을 가지며, 제1 다이스 분할체와 제2 다이스 분할체로 분할되어 있는 다이스와;
    상기 프레임에 설치되어 있고, 상기 다이스를 수용하는 장착구멍이 형성되어 있는 홀더와;
    상기 입구에 근접되도록 설치되어 있으며, 상기 금속소재를 구름운동에 의하여 상기 입구에 공급하는 피드롤을 포함하는 인발형 연속전단변형 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 피드롤은,
    상기 금속소재의 이송을 위하여 상기 입구에 근접되도록 배치되어 있는 제1 피드롤러와;
    상기 금속소재를 이송하기 위하여 상기 입구에 근접되도록 배치되어 있는 제2 피드롤러와;
    상기 제1 피드롤러의 구동력을 제공하는 서보모터와;
    상기 서보모터의 구동력을 상기 제1 피드롤러와 상기 제2 피드롤러에 전달하는 기어장치로 구성되어 있는 인발형 연속전단변형 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 프레임에 대하여 틸팅할 수 있도록 설치되어 있는 틸팅프레임을 더 구비하고, 상기 제1 피드롤러와 상기 제2 피드롤러는 상기 틸팅프레임에 설치되어 있는 인발형 연속전단변형 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1 피드롤러에 대하여 상기 제2 피드롤러를 이동시키도록 상기 틸팅프레임에 설치되어 있는 에어실린더를 더 구비하는 인발형 연속전단변형 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 다이스 분할체와 상기 제2 다이스 분할체는 상기 만곡 부분이 상기 제1 다이스 분할체에 배치되도록 분할면에 의하여 분할되어 있는 인발형 연속전단변형 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 입구측 채널은 상기 제1 다이스 분할체에 형성되어 있고, 상기 출구측 채널은 상기 제2 다이스 분할체에 형성되어 있는 인발형 연속전단변형 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 입구측 채널의 단면적은 동일하게 형성되어 있고, 상기 출구측 채널의 단면적은 상기 출구를 향하여 점진적으로 감소되도록 형성되어 있는 인발형 연속전단변형 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 입구측 채널의 제1 중심축선과 상기 출구측 채널의 제2 중심축선이 교차되어 이루는 교차각을 가지고, 상기 다이스는 상기 교차각을 기준으로 내부각과 만곡각을 가지며, 상기 교차각은 120~150°로 이루어지는 인발형 연속전단변형 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 만곡각은 0°로 이루어지는 인발형 연속전단변형 장치.
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