KR101305161B1 - 마그네슘 합금용 압출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컨테이너로부터 가압되는 마그네슘 합금 빌렛을 원하는 형상으로 성형하는 금형부를 구비하되, 이 금형부가, 빌렛을 분할된 형태로 변형시키도록 복수 개로 갈라진 형상으로 이루어져 압출 방향의 선상에서 컨테이너의 내부에 돌출된 형태로 삽입되는 브리지와, 이 브리지에 의해 지지되며 상기 분할된 빌렛을 원하는 형상의 중공부를 가진 제품 형상으로 융합하면서 성형하는 맨드럴을 구비한 다이로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명은, 빌렛이 좁은 포트 호울을 통과하는 것이 아니라 컨테이너 내부로 돌출되어 있는 브리지의 갈라진 형상대로 분할되도록 하는 구조를 갖기 때문에 압출 압력을 크게 저감함과 아울러 압출 속도를 크게 향상시키며, 제품의 표면이 산화되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

마그네슘 합금용 압출장치{Extruding equipment for magnesium alloy}

본 발명은 압출장치에 관한 것으로서, 특히 마그네슘 합금 소재를 대상으로 압출 제품의 내부에 중공부(hollow)가 형성되도록 압출하는 마그네슘 합금용 압출장치에 관한 것이다.

금속재료에 대한 여러 가지 소성가공 방법들 중, 압출(extrusion)은 소재 빌렛을 컨테이너에 넣고 강한 압력을 작용시켜 다이를 통해 밀어내는 가공 방법으로서, 치수정밀도와 표면 정도가 높은 제품을 얻을 수 있는 장점이 있다.

일반적으로 압출을 통해 제조할 수 있는 제품의 소재로는 알루미늄 합금이 대표적이지만, 최근에는 마그네슘 합금이나 각종 강재에도 적용하기 위한 기술 개발이 이루어지고 있다.

그런데, 마그네슘 합금의 경우, 결정구조가 조밀육방정으로서 상온에서의 소성변형시 (0001)면만 슬립되기 때문에 상온소성가공이 어려워 높은 압출 압력이 요구되며, 압출 속도 또한 매우 느리게 진행이 된다. 또한, 소재의 온도를 상승시키면 슬립면이 증가하여 압출이 가능하게 되지만, 압출시 발생하는 열에 의해 산화 또는 발화가 발생하는 문제가 있다. 따라서, 마그네슘 합금의 압출 공정을 원활하게 수행하기 위해서는 마그네슘 합금의 특성에 적합한 압출장치의 개발이 요구된다.

한편, 압출 방식은 직접 압출 방식과 간접 압출 방식으로 나뉘는데, 직접 압출 방식은 다이스로부터 나오는 압출물(제품)의 방향이 소재에 가해지는 압력의 방향과 같은 가공법이며, 간접 압출 방식은 다이스로부터 나오는 압출물(제품)의 방향이 소재에 가해지는 압력의 방향과 다른 가공법을 말한다. 또, 압출물의 형태에 따라 솔리드 타입(solid type)과 할로우 타입(hollow type)으로 구분이 되는데, 할로우 타입은 압출물에 중공부가 형성되도록 압출하는 것을 말한다.

이러한 압출 방식들 중, 마그네슘 합금 소재를 직접 압출 방식에 의해 할로우 타입으로 압출하기 위한 종래의 압출장치는, 첨부도면 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 복수 개의 포트 호울(port hole : 11)을 구비한 플로우 가이드(flow guide : 10), 맨드럴(mandrel : 21)과 챔버(chamber : 22)를 구비한 다이(die : 20), 그리고 압출시 작용하는 압력에 의해 다이(20)가 변형되는 것을 방지하는 배커(backer : 30)를 포함하는 금형부를 핵심 구성 요소로 하고 있다.

이에 따라, 상기 압출장치에 투입된 소재 빌렛은 플로우 가이드(10)의 포트 호울(11)을 통과하면서 여러 갈래로 분리되고, 다이(20)의 챔버(22)에서 융합된 후, 맨드럴(21)을 감싸면서 중공부(hollow) 형상을 가진 제품으로 성형이 된다. 도 3은 이렇게 빌렛이 성형되는 모습을 단계별로 보여주는 사진이다.

그런데, 일반적으로 알루미늄 합금을 압출하는 경우에는 고온에서 메탈 플로우(metal flow)가 양호하기 때문에 상기 압출장치의 금형부와 같은 구조에서 압출하는 데에는 큰 어려움이 없지만, 마그네슘 합금을 압출하는 경우에는 온도에 따른 산화가 발생하기 때문에 열간 압출시 온도 설정 범위가 매우 제한적일 뿐만 아니라 빌렛이 포트 호울에 의해 분리되어 압출될 때 압출 압력 부하가 매우 커지는 문제가 있다.

예컨대, 본 발명의 발명자들이 상용 마그네슘 합금인 AZ31 합금을 대상으로 압출 CAE 해석을 통해 실제 압출시 압출 압력을 산정한 결과, 압출기의 최대 압력인 1,750톤의 높은 압력이 발생하였으며, 이러한 높은 압출 압력으로 인해 압출 속도가 저하되었다. 또한, 다이(20)의 챔버(22) 내에서 소성 변형량이 높아져 이에 따른 온도 상승으로 인해, 도 4에 적색 타원으로 표시한 것처럼 제품의 표면에 국부적인 산화가 발생하였다.

전술한 바와 같이, 직접 압출 방식에 의해 할로우 타입으로 소재를 압출하기 위한 종래의 압출장치는 마그네슘 합금 소재용으로 적용할 경우, 과도한 압출 압력이 요구되고, 이로 인해 압출 속도가 저하될 뿐만 아니라, 압출 과정에서 소성 변형량 증가에 따른 소재의 온도 상승으로 인해 제품의 표면이 산화되는 문제점을 유발하게 된다.

본 발명은 이러한 문제점들을 개선하기 위해 개발된 것으로서, 그 목적은, 마그네슘 합금 소재를 대상으로 중공부를 갖는 제품으로 압출 성형함에 있어서 압출 압력을 크게 저감함과 동시에 압출 속도를 향상시키고, 제품 표면의 산화 발생을 방지할 수 있는 마그네슘 합금용 압출장치를 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 마그네슘 합금 빌렛이 수용되는 컨테이너와, 이 컨테이너에 수용된 상기 빌렛을 압출 방향으로 가압하는 램과, 이 램에 의해 가압되는 빌렛을 원하는 형상으로 성형하는 금형부와, 이 금형부를 지지하는 배커를 포함하는 마그네슘 합금용 압출장치에 있어서, 상기 금형부가, 상기 가압되는 빌렛을 분할된 형태로 변형시키도록 복수 개로 갈라진 형상으로 이루어져 압출 방향의 선상에서 상기 컨테이너의 내부에 돌출된 형태로 삽입되는 브리지와, 이 브리지에 의해 지지되며 상기 분할된 빌렛을 원하는 형상의 중공부를 가진 제품 형상으로 융합하면서 성형하는 맨드럴을 구비한 다이로 구성되는 것을 특징으로 한다.

위와 같이 구성된 본 발명의 마그네슘 합금용 압출장치는, 빌렛이 좁은 포트 호울을 통과하는 것이 아니라 컨테이너 내부로 돌출되어 있는 브리지의 갈라진 형상대로 분할되도록 하는 구조를 갖기 때문에, 종래의 압출장치에서 빌렛이 금형부의 플로우 가이드에 형성되어 있는 복수 개의 포트 호울을 통과하면서 분할되는 구조에 비하여 압출 압력을 크게 저감함과 아울러 압출 속도를 크게 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 마그네슘 합금용 압출장치는, 저압 고속으로 압출을 진행함과 아울러 소성 변형량의 증가에 따른 온도 상승을 배제하게 되므로 제품의 표면이 산화되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 마그네슘 합금 소재를 직접 압출 방식에 의해 할로우 타입으로 압출하는 종래 압출장치의 금형부(배커 생략)를 정면도와 배면도 및 배면부 사시도 순으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 금형부에 대한 측단면도이다.
도 3은 종래의 압출장치에 의해 빌렛이 성형되는 모습을 단계별로 보여주는 사진이다.
도 4는 종래의 압출장치에 의해 성형된 압출 제품의 표면 사진이다.
도 5는 본 발명의 압출장치를 전체적으로 묘사한 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 압출장치의 금형부에 대한 실시예를 나타낸 도면으로서, 좌측 하단부터 반시계 방향으로 정면도, 배면도, 저면도, 배면도 사시도이다.
도 7은 도 6에 예시된 압출장치의 금형부를 정면도와 측단면도로 나타낸 것이다.
도 8은 도 6에 예시된 압출장치의 금형부에 대한 측면부 사시도이다.
도 9는 도 6의 금형부에 구비된 브리지와 맨드럴만을 따로 도시한 것이다.
도 10은 도 9에 도시된 브리지의 배면부 사시도이다.
도 11∼도 13은 본 발명의 압출장치를 이용한 압출시 빌렛의 변형 모습을 순서대로 예시한 그림이다.
도 14는 본 발명의 압출장치에 의해 성형된 압출 제품을 예시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 압출장치에 의해 성형된 압출 제품의 표면 사진이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 5는 본 발명의 압출장치를 전체적으로 묘사한 모식도로서 전체 구성 요소는, 마그네슘 합금 빌렛(B)이 수용되는 컨테이너(100)와, 이 컨테이너(100)에 수용된 마그네슘 합금 빌렛(B)을 압출 방향으로 가압하는 램(200)과, 이 램(200)에 의해 가압되는 마그네슘 합금 빌렛(B)을 원하는 형상으로 성형하는 금형부(300)와, 이 금형부(300)를 지지하는 배커(400)를 포함하고 있다.

이들 구성 요소 중에 상기 금형부(300)는 본 발명의 특징부를 이루는 구성 요소로서, 이하에서는 금형부(300)의 실시예를 중심으로 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 압출장치의 금형부에 대한 실시예를 나타낸 도면으로서 좌측 하단부터 반시계 방향으로 정면도, 배면도, 저면도, 배면도 사시도이고, 도 7은 도 6의 금형부를 정면도와 측단면도로 나타낸 것이며, 도 8은 도 6의 금형부에 대한 측면부 사시도이다. 그리고, 도 9는 도 6의 금형부에 구비된 브리지와 맨드럴만을 따로 도시한 것이고, 도 10은 도 9에 도시된 브리지의 배면부 사시도이다.

상기 도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명 실시예의 금형부(300)는 브리지(310)와 다이(320)로 이루어져 있다.

상기 브리지(310)는, 컨테이너(100)에 수용된 마그네슘 합금 빌렛(이하, '빌렛' : B)이 램(200)에 의해 압출 방향으로 가압될 때, 가압되는 빌렛(B)을 복수의 갈래로 분할된 형태로 변형시킬 수 있도록 복수 개로 갈라진 형상으로 이루어져 있다. 본 실시예에서 브리지(310)는 십자형과 같은 네 갈래 형태로 예시되어 있지만, 세 갈래나 그 이상의 복수의 갈래로 형성될 수 있다. 또한, 이 브리지(310)는 다이(320)의 정면으로부터 돌출된 구조로 구비됨으로써, 도 5에서 볼 수 있는 것처럼 금형부(300)가 컨테이너(100)에 결합이 되었을 때 브리지(310)는 압출 방향의 선상에서 컨테이너(100)의 내부에 돌출된 형태로 삽입이 된다. 따라서, 컨테이너(100) 내에서 가압되는 빌렛(B)은 다이(320)로 유입되기 전에 브리지(310)와 접촉하면서 브리지(310)의 갈라진 형상을 따라 갈라지면서(즉, 분할되면서) 변형이 된다.

상기 다이(320)는 브리지(310)를 경유한 빌렛(B)이 원하는 제품 형상으로 성형되도록 하는데, 특히 도 14에 예시된 것과 같이 중공부(H)를 가진 제품의 형상으로 성형하기 위한 맨드럴(321)을 구비하고 있다. 이 맨드럴(321)은 브리지(310)를 경유하면서 분할된 빌렛(B)을 원하는 형상의 중공부(H)를 가진 제품 형상으로 다시 융합하면서 성형하게 된다.

맨드럴(321)은 중공부(H)와 제품의 형상에 따른 외형을 갖는데, 압출되는 빌렛(B)은 맨드럴(321)의 둘레를 감싸면서 통과함과 아울러 맨드럴(321) 내측의 간극들을 통과하게 된다. 도 10은 브리지(310)의 배면부 사시도인데, 브리지(310)로부터 맨드럴(321)을 통과하는 빌렛(B)은 맨드럴(321)의 형상에 대응하는 중공부(H)를 형성하기 위해, 도 10에 적색 원으로 표시한 공간으로 이동되면서 융합(접합)이 된다.

도 11∼도 13은 압출시 빌렛의 변형 모습을 순서대로 예시한 그림으로서, 도 11과 도 12는 브리지(310)의 형상으로 빌렛(B)이 변형된 모습을 보여주고 있고, 도 13은 맨드럴(321)의 형상을 감싸기 위해 변형되는 단계의 빌렛을 보여주고 있다.

한편, 맨드럴(321)은 상기 브리지(310)에 의해 지지된다. 즉, 도 9를 참조하면 맨드럴(321)의 전방 쪽에 브리지(310)가 위치하여 브리지(310)가 맨드럴(321)을 지지하고 있음을 알 수 있다.

다이(320)에는 또한, 맨드럴(321)을 감싸며 압출되는 빌렛(B)이 통과하면서 최종 제품의 형상으로 형성되도록 하기 위한 이른바 베어링(322)으로 불리는 통로가 형성되어 있다(도 7의 측단면도 참조).

상술한 바와 같이, 본 발명의 마그네슘 합금용 압출장치에서는, 컨테이너(100)에 수용된 마그네슘 합금 빌렛(B)이 램(200)에 의해 압출 방향으로 가압될 때, 가압되는 빌렛(B)은 컨테이너(100)의 내부에 돌출된 형태로 삽입되어 있는 금형부(300)의 브리지(310)에 의해 브리지(310)의 갈라진 형상을 따라 분할이 된다.

즉, 본 발명의 압출장치에 구비된 금형부(300)는 빌렛(B)이 좁은 포트 호울을 통과하는 것이 아니라 컨테이너(100) 내부로 돌출되어 있는 브리지(310)의 갈라진 형상대로 분할되도록 하는 구조를 갖기 때문에, 종래의 압출장치에서 빌렛이 금형부의 플로우 가이드에 형성되어 있는 복수 개의 포트 호울을 통과하면서 분할되는 구조에 비하여 압출 압력을 크게 낮출 수가 있다.

부연하면, 종래의 압출장치에 구비된 금형부의 경우에는 빌렛이 챔버 내로 채워지기 전에 플로우 가이드의 포트 호울을 통과하면서 포트 호울의 형상으로 분리되는 단계를 거쳐야 하지만, 본 발명의 압출장치에서는 컨테이너(100)가 종래 금형부의 챔버 역할을 한다고 볼 수 있으므로 압출시 빌렛이 컨테이너(100)에 채워져 있기 때문에 압출 압력을 크게 저감할 수 있게 된다.

한편, 브리지(310)에 의해 일차적으로 분할된 빌렛(B)은 브리지(310)의 후방에서 다이(320)에 구비된 맨드럴(321)의 둘레를 감싸면서 통과함과 아울러 맨드럴(321) 내측의 간극들을 통과함에 따라 맨드럴(321)의 형상에 대응하는 중공부(H)를 형성하게 되고, 최종적으로 다이(320)의 베어링(322)을 통과하면서 제품으로 성형이 완료된다.

본 발명의 발명자들은 상용 마그네슘 합금인 AZ31 합금을 대상으로 본 발명의 압출장치 및 종래의 압출장치를 이용하여 중공부(H)를 갖는 제품을 압출하는 시험을 실시하였다. 아래의 표 1은 본 발명의 압출장치를 이용한 경우와 종래의 압출장치를 이용한 경우에 대하여, 압출 CAE 해석 결과에 따른 압출 압력과 실제 압출시 압출 압력 결과를 산정하여 비교한 것이다.

		압출 압력
본 발명의 압출장치	압출CAE 해석 결과	약 750톤
	실제 압출 결과	약 1,200톤
종래의 압출장치	압출CAE 해석 결과	약 1,500톤
	실제 압출 결과	약 1,750톤

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 상용 마그네슘 합금인 AZ31 합금을 동일하게 적용하여 본 발명의 압출장치 및 종래의 압출장치에 대해 압출 CAE 해석 결과상으로는 본 발명의 압출장치를 이용하여 압출하였을 때 종래의 압출장치를 이용한 경우에 비해 압출 압력이 50% 저감되는 효과를 확인할 수 있었다.

또한, 동일 압출 조건에서 실제 압출을 하였을 때에 압출 CAE 해석 결과와는 약간의 차이는 있었지만 본 발명의 압출장치가 종래의 압출장치에 비해 압출 압력이 약 1,750톤에서 약 1,200톤으로 크게 저감되는 효과를 확인할 수 있었다.

이와 같이 압출 압력의 저감 효과는 압출 속도의 향상 효과로 바꾸어 말할 수 있으므로, 결국 본 발명의 압출장치를 이용한 마그네슘 합금의 압출 공정은, 압출 압력을 크게 저감함과 아울러 압출 속도를 크게 향상시키는 효과를 나타낸다 할 것이다.

한편, 도 15는 본 발명의 압출장치에 의해 성형된 압출 제품의 표면 사진으로서, 종래의 압출장치에 의해 성형된 압출 제품의 표면 사진인 도 4와 비교하여 보면 제품의 표면에 산화 현상이 전혀 발생하지 않았음을 알 수 있다. 이는, 본 발명의 압출장치가 저압 고속으로 압출을 진행함과 아울러 소성 변형량의 증가에 따른 온도 상승을 배제하게 되므로 제품의 표면이 산화되는 것을 방지할 수 있기 때문인 것이다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100 : 컨테이너 200 : 램
300 : 금형부 310 : 브리지
320 : 다이 321 : 맨드럴
322 : 베어링 400 : 배커
B : 빌렛 H : 중공부

Claims (1)

1. 마그네슘 합금 빌렛이 수용되는 컨테이너와, 이 컨테이너에 수용된 상기 빌렛을 압출 방향으로 가압하는 램과, 이 램에 의해 가압되는 빌렛을 원하는 형상으로 성형하는 금형부와, 이 금형부를 지지하는 배커를 포함하는 마그네슘 합금용 압출장치에 있어서,
   상기 금형부는,
   상기 가압되는 빌렛을 분할된 형태로 변형시키도록 복수 개로 갈라진 형상으로 이루어져 압출 방향의 선상에서 상기 컨테이너의 내부에 돌출된 형태로 삽입되는 브리지;
   상기 브리지에 의해 지지되며 상기 분할된 빌렛을 원하는 형상의 중공부를 가진 제품 형상으로 융합하면서 성형하는 맨드럴을 구비한 다이로 구성되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금용 압출장치.

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