KR101458345B1 - 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치 - Google Patents

전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치 Download PDF

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강범수
노학곤
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Abstract

본 발명은 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자기력에 의해 성형되는 성형재료의 형상에 따라 코일 높이를 조절하여 성형재료의 성형성을 높이기 위한 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치는 입력 전원에 의해 전자기를 형성하는 코일; 및 코일 하부에 위치하여 코일의 상하 높이를 조절하는 코일 높이 조절장치;를 포함하고, 코일 높이 조절장치는 코일을 지지하고, 코일의 설정된 부분에 상하 높이를 승강시켜 코일 높이를 가변하도록 하는 것을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치의 코일 높이 조절장치는 코일을 지지하는 가변펀치부 및 가변펀치부 하부에 위치하는 승강부를 포함하여 구성되고, 가변펀치부는 소정의 높이를 가지는 복수 개의 펀치로 구성되어 코일의 설정된 부분을 소정 높이로 승강하며, 승강부는 피스톤 타입으로 상기 가변펀치부를 소정 높이로 승강하는 것을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치는 코일 및 코일 높이 조절장치 상호 간에 분리되지 않고 상하 고정하기 위하여, 가변펀치부의 중심에 위치하는 펀치 및 외곽에 위치하는 펀치 각각은 대응하는 위치의 코일과 체결 고정되어 있는 것을 제공하고자 한다.

Description

전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치{Adjustable coil-forming apparatus using electromagnetic}
본 발명은 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자기력에 의해 성형되는 성형재료의 형상에 따라 코일 높이를 조절하여 성형재료의 성형성을 높이기 위한 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치에 관한 것이다.
전자기 성형기술(EMF, Electromagnetic forming)은 고속성형(High speed forming) 기술의 하나로서 강한 전이 자기장을 가공하고자 하는 금속에 직접 작용시켜 물리적 접촉 없이 고속(15~300m/s)으로 금속을 성형하는 기술인데, 근래에는 자동차 경량화를 위해 사용되는 고강도강의 스프링백 또는 알루미늄 합금 등 낮은 성형성 문제를 개선하기 위한 방안 중 하나로서 전자기 성형 기술이 제시되면서 이에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다
이러한 전자기 성형 기술은 종래 금형 제작의 한계로 인해 프레스 성형으로는 가공하기 어려운 부분까지 성형이 가능하며 다양한 형태의 성형을 고속으로 수행할 수 있으며, 비접촉 성형 방식을 사용하는 까닭에 표면 결함, 윤활, 마멸 등의 문제가 거의 발생하지 않으며, 반복적인 성형이 가능하고 성형재료의 성형성을 향상시킨다는 장점을 갖고 있다.
또한, 냉간 가공법으로서 기계적 성질을 그대로 유지하는 것이 가능하며 축관/확관, 평판 성형, 접합 공정 등 다양한 성형공정에 적용이 가능하고, 복잡한 형상도 효과적으로 성형이 가능하여 자동차 산업과 항공 산업 등 다양한 분야에 응용할 수 있다.
그런데, 이러한 종래의 전자기 성형 장치의 경우 성형재료 전체에 균일한 전자기력을 형성하는데 어려움이 있었고, 이 때문에 평면 성형 공정시 성형재료의 면 전체에 균일한 반발력을 형성할 수 없으므로 성형불량이 발생할 가능성이 있다는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 전자기 성형과 관련하여 하부 성형 수단을 갖는 전자기 성형 장치(한국특허등록 제10-1344867호) 기술에서는 전자기를 형성하는 코일과 성형재료 사이에 중간재인 하부 성형 수단을 개입하는 방식을 제안하기도 하였다.
그러나, 상기 전자기 성형 장치는 전자기 성형을 위하여 하부 성형 수단인 중간재가 매번 필요로 하고, 이로 인해 중간재 제작 비용이 추가로 소요됨과 일정 수량이상 성형시에는 그 중간재의 형상이 변형되는 등의 문제점이 있으며, 성형하고자 하는 재료의 형상이 복잡하거나 성형 깊이(depth)가 클 경우에는 한 번의 성형으로 해결할 수 없다는 문제점이 여전히 남아 있다.
한국특허번호 제10-0956027호, "전자기 성형장치 및 이를 이용하여 제작되는 범퍼 스테이성형품", 2010.04.27. 한국특허번호 제10-1344867호, "하부 성형 수단을 갖는 전자기 성형 장치", 2013.12.18. 한국특허번호 제10-1034592호, "다수의 성형 펀치를 포함하는 판재 성형 장치 및 이를 이용한 판재 성형 방법", 2011.05.04. 한국특허번호 제10-1034593호, "다수의 성형 펀치를 포함하는 스트레칭 판재 성형 장치 및 이를 이용한 스트레칭 판재 성형 방법", 2011.05.04.
전자기력을 이용한 박판 성형공정의 해석적 연구 (한국소성가공학회지, 제17권 제1호, 2008) 전자기 로렌쯔력을 이용한 박판 성형 장비 개발 (한국소성가공학회지, 제19권 제1호, 2010) 순차적 전자기구조 연성해석을 통한 전자기성형 공정 해석 (한국소성가공학회지, 제21권 제7호, 2012)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 성형재료와 코일 간의 사이 간격, 즉 공극을 좁혀 로렌쯔의 힘이 감소하는 것을 적절히 조절하고 성형재료의 성형 깊이(depth)가 클 경우에는 다단 공정인 멀티스텝(Multi-Step) 공정을 이용하여 여러 차례 성형을 통하여 성형성을 높이는 성형장치를 제안하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치는 입력 전원에 의해 전자기를 형성하는 코일; 및 코일 하부에 위치하여 코일의 상하 높이를 조절하는 코일 높이 조절장치;를 포함하고, 코일 높이 조절장치는 코일을 지지하고, 코일의 설정된 부분에 상하 높이를 승강시켜 코일 높이를 가변하도록 하는 것을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치의 코일 높이 조절장치는 코일을 지지하는 가변펀치부 및 가변펀치부 하부에 위치하는 승강부를 포함하여 구성되고, 가변펀치부는 소정의 높이를 가지는 복수 개의 펀치로 구성되어 코일의 설정된 부분을 소정 높이로 승강하며, 승강부는 피스톤 타입으로 상기 가변펀치부를 소정 높이로 승강하는 것을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치는 코일 및 코일 높이 조절장치 상호 간에 분리되지 않고 상하 고정하기 위하여, 가변펀치부의 중심에 위치하는 펀치 및 외곽에 위치하는 펀치 각각은 대응하는 위치의 코일과 체결 고정되어 있는 것을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치는 코일의 전자기에 의한 전자기력를 발생시켜 성형재료를 적어도 N번 이상의 성형 단계를 가지는 것을 제공하고자 한다.(단, N는 1이상의 자연수이다.)
본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치는 본 발명 이외의 방법으로 성형재료가 일부 성형이 된 후, 코일의 전자기에 의한 전자기력을 발생시켜 상기 성형재료를 N번 이상의 성형 단계를 가지는 것을 제공하고자 한다.(단, N는 1이상의 자연수이다.)
본 발명에 따르면, 성형재료와 코일 간의 간격을 조절 가능하여 동일한 입력 전류 값에도 로렌쯔의 힘이 작아지는 것을 막을 수 있는 이점이 있다.
또한, 코일과 성형재료 간의 중간재가 필요하지 않아 로렌쯔의 힘이 직접 전달되므로 전자기력 효율성이 높은 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 멀티스텝(Multi-Step) 공정을 통하여 전자기력을 이용하여 여러 번의 성형 단계를 통하여 동일한 조건 하에서 성형재료의 성형성 및 정밀성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 코일 성형장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일을 예시적으로 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 코일 성형장치의 1차 성형 전후 상태를 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 코일 성형장치의 2차 성형 전후 상태를 보여주는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 코일 성형장치의 N차 성형 전후 상태를 보여주는 개략도이다. ( N는 1이상의 자연수이다.)
이하, 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 일 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 코일 성형장치를 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일을 예시적으로 나타내는 사진이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치(100)는 코일(110) 및 코일 높이 조절장치(120)를 포함할 수 있고, 상부 금형(130)을 더 포함하여 이루어질 수 있으며, 상기 코일(110)에 전원을 공급하기 위한 전원 공급 장치(140)를 또한 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치(100)는 상부 금형(130)과 전원 공급 장치(140)를 제외한 기본적인 패키지로 코일(110)과 코일 높이 조절장치(120)만으로 제공될 수도 있고, 상부 금형(130) 또는 전원 공급 장치(140)를 더 포함하여 확장된 하나의 전자기 성형 장치 패키지로 제공될 수도 있다.
더 자세히는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치(100)는 입력 전원에 의해 전자기를 형성하는 코일(110); 및 코일(110) 하부에 위치하여 코일(110)의 상하 높이를 조절하는 코일 높이 조절장치(120);를 포함하고, 상기 코일 높이 조절장치(120)는 코일(110)을 지지하고, 코일(110)의 설정된 부분에 상하 높이를 승강시켜 코일(110) 높이를 가변하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또는, 본 발명에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치(100)는 입력 전원에 의해 전자기를 형성하는 코일(110); 코일(110) 하부에 위치하여 코일(110)의 상하 높이를 조절하는 코일 높이 조절장치(120); 및 코일(110) 상부에 성형재료(w)가 놓이고 성형재료(w)의 상부에 소정 거리의 공간이 형성되며 코일(110)의 전자기에 의한 전자기력으로 성형재료(w)의 형상을 유도하는 상부 금형(130);를 포함하고, 상기 코일 높이 조절장치(120)는 코일(110)을 지지하고, 코일(110)의 설정된 부분에 상하 높이를 승강시켜 코일(110) 높이를 가변하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치(100)의 코일 높이 조절장치(120)는 코일(110)을 지지하는 가변펀치부(121) 및 가변펀치부(121) 하부에 위치하는 승강부(124)를 포함하여 구성되고, 가변펀치부(121)는 소정의 높이를 가지는 복수 개의 펀치(122)로 구성되어 코일(110)의 설정된 부분을 소정 높이로 승강하며, 승강부(124)는 피스톤 타입으로 가변펀치부(121)를 소정 높이로 승강하는 것을 특징으로 한다.
또한, 코일(110) 및 코일 높이 조절장치(120) 상호 간에 분리되지 않고 상하 고정하기 위하여, 가변펀치부(121)의 중심에 위치하는 펀치(122) 및 외곽에 위치하는 펀치(122) 각각은 대응하는 위치의 코일(110)과 체결 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치(100)에 대한 구성의 설명은 다음과 같다.
먼저, 코일(110)은 인가되는 입력 전원에 의해 전자기력을 형성한다.
코일(110)은 평판코일(planar coil)이면서 감김수에 따라 원턴 코일(one turn coil), 투턴코일(two turn coil), 멀티턴코일(multi turn coil)로 나누어질 수 있다.
전자기의 분포는 원턴 코일, 투턴 코일, 멀티턴 코일 순으로 균일하나 공정속도가 느려지고 소비전력에도 차이가 있으므로 성형조건에 적절하게 선택하여야 한다.
본 발명에서는 코일(110)의 전자기 분포가 불균일하더라도 아래에서 설명할 코일 높이 조절장치(120)에 의해 성형재료(W)의 특정 부위에 집중적인 힘을 가할 수 있으므로 코일(110)은 적절히 조절 가능한 멀티턴(multi turn) 코일로 구성하였다.(도 2는 코일의 모양을 예시적 나타내는 사진이다.)
본 발명에서 코일(110)의 감기는 모양이 모기향처럼 중심에서 외곽으로 원 모양의 나선형 타입(도 2에 도시된 바와 같이)일 수 있지만 성형재료(W)의 형상과 전자기력을 적용하고자는 위치에 따라서 코일이 감기는 모양을 결정할 수 있으므로 다각 모양의 나선형 타입(
Figure 112014058843366-pat00001
)일 수 있으며 그 모양은 성형재료의 형상이나 전자기력을 적용하고자 하는 위치에 따라 다양하게 변경 가능하다.
다음, 성형재료(W)는 도체이고 코일(110)의 상부에 간격유지부재(111)에 의해 이격되어 놓여지며, 코일(110)의 기전력에 의한 반발력으로 상부로 팽창하게 된다.
이때, 성형재료(W)가 아래에서 설명할 상부 금형(130)에 최종 접촉하여 성형하게 된다.
한편, 간격유지부재(111)는 코일(110)과 성형재료(W) 사이에 위치하여 전기적 절연이 되도록 세라믹과 같은 절연체나 에폭시와 같이 절연물질로 코팅처리될 수 있다.
성형재료(W)는 코일(110) 상부에 이격되어 놓여지고 코일(110)의 기전력에 의해 반대 방향의 유도전류가 유기되어 로렌츠 힘(Lorentz force)에 의한 반발력으로 상부로 팽창하여 올라가게 된다.
다음, 코일 높이 조절장치(120)는 코일(110)을 지지하는 가변펀치부(121) 및 가변펀치부(121) 하부에 위치하는 승강부(124)를 포함하여 구성된다.
코일 높이 조절장치(120)의 가변펀치부(121)는 코일(110) 하부에 위치하고 설정된 부분의 코일(110)을 상하 높이 조절이 가능하도록 소정의 높이를 가지는 원기둥 형상의 펀치(122)가 복수 개 설치되어 이루어진다. 펀치(122)의 형상은 소정 높이를 가지는 다각기둥 등 다양할 수 있고 특정 형상으로 제한할 필요는 없다.
코일(110)과 접하는 펀치(122)의 상부면은 전기적 고절연성을 가지고, 펀치(122)의 각각은 상하로 소정 높이 승강이 가능할 수 있다.
즉, 가변펀치부(121) 내의 구동장치(미도시)에 의해서 복수 개의 펀치(121) 각각은 상하로 승강하여 코일(110)의 높이를 조절하는 기능을 수행할 수 있다.
특히, 코일(110)이 코일 높이 조절장치(120)에 의해 상하 승강이 있어도 코일(110)과 코일 높이 조절장치(120) 상호 간에 분리되지 않고 위치하기 위하여, 가변펀치부(121)의 중심에 위치(p)하는 펀치(122)와 외곽에 위치(q)하는 펀치(122)는 해당하는 위치의 코일(110)과 체결 고정되도록 한다. 이에 코일(110)과 코일 높이 조절장치(120)가 별개로 움직이는 것을 방지한다.
상기 구동장치(미도시)는 가변펀치부(121) 외부에 위치할 수도 있고 후술하는 승강부(124)를 구동하는 구동장치와 겸용하여 사용될 수 있다.
가변펀치부(121)는 본 출원인이 특허출원한 다수의 성형 펀치 장치를 이용하여 구현할 수도 있다.(특허등록번호 제10-1034592호, "다수의 성형 펀치를 포함하는 판재 성형 장치 및 이를 이용한 판재 성형 방법")
코일 높이 조절장치(120)의 승강부(124)는 오르고 내림이 가능한 피스톤 타입으로 가변펀치부(121)의 하부를 지지하고, 코일 높이 조절장치(120) 내의 구동장치(미도시)에 의해 상하로 승강하고 가변펀치부(121)를 소정 높이로 승강시키는 기능을 수행한다. 다만, 가변펀치부(121)를 승강시키는 승강부(124)는 피스톤 타입으로 한정하지 않으며 그 기능에 대응하는 다른 장치로 대체 가능한 것은 자명하다.
코일 높이 조절장치(120) 내의 상기 구동장치(미도시)는 가변펀치부(121)의 구동장치(미도시)와 겸용으로도 사용할 수 있다.
이와 같이 코일 높이 조절장치(120)는 승강부(124)를 통하여 가변펀치부(121)를 소정 높이 승강시키고, 가편펀치부(121)를 통하여 코일(110)의 부분적 높이 조정하여 코일(110)과 성형재료(W) 간의 간격을 적절히 좁혀 전자기력에 의한 성형성 및 정밀성을 높여 준다.
즉, 코일 높이 조절장치(120)를 구성하는 가변펀치부(121) 및 승강부(124)는 코일(110)를 승강시키는 데 직·간접적으로 관여한다. 가변펀치부(121) 및 승강부(124)의 구동은 코일 높이 조절장치(120) 내에 하나의 구동장치(미도시)를 설치하여 작동시킬 수 있으며, 가변펀치부(121) 및 승강부(124) 내부 각각에 구동장치(미도시)를 별도로 설치하여 작동시킬 수도 있다.
다음, 상부 금형(130)은 성형재료(W)의 상부에 이격되어 구비되고, 성형재료(W)가 팽창하여 올라온 부분과 마찰하여 성형재료(W)를 성형한다.
또한, 상부 금형(130)의 하면에는 성형을 위한 모양 또는 패턴이 형성된다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 성형과정을 더욱 자세하게 설명하면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 코일 성형장치(100)의 1차 성형 전후 상태를 보여주는 개략도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 코일 성형장치(100)의 2차 성형 전후 상태를 보여주는 개략도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 코일 성형장치(100)의 N차 성형 전후 상태를 보여주는 개략도이다.
본 발명에서 멀티스텝(Multi-Step)이란 전류를 통해 발생되는 자기장에서 유도되는 자기력을 이용하여 성형재료를 성형함에 있어서, 성형재료의 성형 깊이(depth)가 깊어 한번에 성형이 완성되지 않거나 성형성과 정밀성을 높이기 위하여 성형재료를 성형하는 과정을 적어도 N번 이상의 성형단계로 구성하는 것을 말한다.(단, N은 1이상의 자연수이다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치(100)는 코일의 전자기에 의한 전자기력을 발생시켜 성형재료(W)를 N번 이상의 성형 단계를 가지는 것을 특징으로 한다.(단, N는 1이상의 자연수이다.)
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치(100)는 성형재료(W)가 프레스 성형 등으로 소정의 성형이 된 후, 코일의 전자기에 의한 전자기력을 발생시켜 성형재료(W)를 N번 이상의 성형 단계를 가지는 것을 특징으로 한다.(단, N는 1이상의 자연수이다.)
먼저, 성형재료(W)를 간격유지부재(111) 위에 올려놓고, 코일(110)에 전압을 인가한다.
이때 성형재료(W)는 도체이고 간격유지부재(111)에 의해 코일(110)과 일정한 거리를 유지하며 코일(110)의 상부에 올려져 있다.
다음, 코일(110)에 전압을 인가하면, 기전력에 의해 성형재료(W)에 유도 전류가 발생한다.
다음, 코일(110)과 성형재료(W) 사이에 로렌츠 힘에 의한 반발력이 발생하고, 도 3에 도시된 바와 같이(a1 -> a2) 성형재료(W)가 상부로 팽창하여 소정 높이까지 부풀어 오르면서 1차 성형이 된다.
다음, 부풀어 오른 성형재료(W) 하부 높이까지 코일(110)은 코일 높이 조절장치(120)에 의해 상승되어 코일과 성형재료(W) 간 공극(사이 간격)을 좁혀 전자기력에 의한 반발력이 감소하는 것을 적절히 조절한다.
다음, 코일(110)에 전압을 인가하면, 기전력에 의해 성형재료(W)에 유도 전류가 발생하고, 코일(100)과 성형재료(W) 사이에 로렌츠 힘에 의한 반발력이 발생하며, 도 4에 도시된 바와 같이(b1 -> b2) 성형재료(W)가 상부로 팽창하여 소정 높이까지 부풀어 오르면서 2차 성형이 된다.
위와 같이 반복하여 도 5에 도시된 바와 같이(c1 -> c2), N차 성형 단계에서 성형재료(W)는 상부 금형(130)과 마찰하게 되고 상부 금형(130)과 성형재료(W)가 팽창되어 올라가는 반발력의 압축하중에 의해 상부 금형(130)의 패턴대로 최종 성형된다. 단, N은 1이상의 자연수이다.
다만, N이 1이나 2가 허용되는 이유는 프레스 성형과 같이 다른 방법으로 1, 2차 성형이 완료되었다면 본 발명의 일 실시예의 1, 2차 성형이 생략 가능하고 최종단계인 N차 성형 단계로 적용할 수 있기 때문이거니와 본 발명의 일 실시예를 실시하는 성형재료(W)가 상기 1, 2차 성형 없이 바로 최종 성형으로 완성될 수도 있기 때문이다.
이때, 코일(110)은 코일 높이 조절장치(120)에 의해서 정밀한 성형을 위해서 코일(110) 높이를 상승시켜 성형성이 떨어지는 설정된 부분에 성형재료(W) 간의 공극을 좁히게 된다. 이에 전자기력이 집중되게 되고 성형재료(W)가 상부 금형(130)의 패턴에 압축하중을 받게 함으로써 성형재료(W)의 상면이 패턴과 밀착하게 되어 성형재료(W)의 내측 골이 깊은 곳(131)과 같은 부분을 정교하게 성형할 수 있게 된다.
따라서, 성형재료(W)가 불균일한 자기장에 의해 상면의 모든 지점에서 균일한 반발력을 갖지 않더라도 코일 높이 조절장치(120)를 이용하여 코일(110)의 높이를 조절하므로 성형성이 떨어지는 부분에 공극(사이 간격)을 좁히므로 좁힌 부분에 강한 전자기력을 발생시켜 정밀한 성형을 할 수 있는 것이다.
이에 선행기술에는 코일과 성형재료 간의 중간재를 통하여 성형재료를 성형하므로 중간재가 성형시마다 필요하였고 중간재를 통하여 로렌쯔의 힘이 간접 전달되므로 전자기력 효율성이 떨어지는 단점이 있었다.
또한, 여러 차례 전자기 성형을 시도할 시에는 중간재와 성형재료 간의 공극 발생으로 인하여 로렌쯔의 힘이 감소하고 이에 성형재료의 성형성 및 정밀성도 떨어지는 단점이 있었다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치(100)은 코일과 성형재료 사이에 중간재를 제거하므로 전자기력의 효율을 높였고, 코일 높이 조절장치(120)를 통하여 코일 높이를 조절하여 코일과 성형재료 사이의 공극을 좁히므로 성형재료의 성형성 및 정밀성을 높였다.
또한, 성형재료의 성형 깊이가 소정 높이 이상일 때에도 여러 차례 나누어서, 즉, 멀티스텝(Multi-Step) 성형을 실행하므로 성형성 및 정밀성을 향상시켰다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 일 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
참고로 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력을 이용한 가변 코일 성형 장치의 전자기력은 다음과 같다. 즉, 전원공급장치에 의해서 순간적으로 짧은 시간 이내에 감쇠하는 전류를 방전하게 되면 코일의 자속(Magnetic flux)의 변화로 인해 성형재료에 유도 기전력이 발생하게 되는데, 이 유도 기전력에 의해 도체인 성형재료에 입력 전류와 반대되는 유도 전류(Induced current)가 발생한다. 이러한 자기장내에서 전류가 흐르는 도체가 받는 힘을 로렌쯔의 힘(Lorentzs force)이라 하며, 이 힘이 전자기성형에서 성형력으로 작용하게 되는 전자기력이라 할 수 있다.
또한, 본 발명의 이론적 근거로 임의의 폐회로에서 자속이 시간에 따라 변하게 되면 자속의 시간변화율과 같고 방향은 반대인 유도기전력이 유도된다. 이를 패러데이 법칙(Faraday's law)이라 하고 식 (1)과 같이 표현된다.
Figure 112014058843366-pat00002
(1)
식 (1)에서 ε은 유도 기전력, Φ는 자속, t는 시간을 나타낸다. 전자기 성형에서 커패시터를 통해 코일에 순간적으로 100 ~ 900 μs의 짧은 시간 이내에 감쇠하는 전류를 방전하게 되면 자속의 변화로 인해 성형재료(workpiece)에 유도 기전력이 발생하게 된다. 이 유도 기전력에 의해 도체인 성형재료에 유도전류(induced current)가 흐르게 된다.
자기장으로 인하여 전류가 흐르는 도체가 받는 힘을 로렌쯔의 힘(Lorentz's force)이라고 하고 식(2)로 표현된다.
F = Idl × B (2)
여기서 I는 도체에 흐르는 전류, dl은 도체의 길이, B는 자속밀도, F는 로렌쯔의 힘이다. 도체의 길이 dl과 자속밀도 B에 의해 정의되는 면에 수직으로 로렌쯔의 힘이 발생하게 된다. 이 힘이 전자기 성형에서 성형력이 된다.
특히, 이와 관련한 논문으로 순차적 전자기구조 연성해석을 통한 전자기성형 공정 해석(한국소성가공학회지, 제21권 제7호, 2012)에 따르면, 순간적으로 짧은 시간 이내에 감쇠하는 전류를 방전하게 되면 자속의 변화로 인해 성형재료에 유도 기전력이 발생하게 되는데, 이 유도 기전력에 의해 도체인 성형재료에 입력 전류와 반대되는 유도 전류가 발생한다. 이러한 자기장내에서 전류가 흐르는 도체가 받는 힘을 로렌쯔의 힘이라 하며, 이 힘이 전자기성형에서 성형력으로 작용하게 된다.
또한, 성형재료의 변형에 따라 성형재료과 코일 사이의 간격이 즉 공극이 점점 증가하게 되고, 성형재료의 변형에 기인하는 공극의 변화가 자기장의 세기에 상당한 영향을 미친다. 다시 말해, 공극이 증가할수록 자속밀도가 낮아져 자기장의 세기 또한 낮아지게 되고, 동일한 입력 전류 값에도 로렌쯔의 힘이 작아지게 된다.
이에 본 발명은 성형재료와 코일 간의 사이 간격, 즉 공극을 좁혀 로렌쯔의 힘이 감소하는 것을 적절히 조절하고자 하고 성형재료의 성형 깊이(depth)가 클 경우에는 멀티스텝(Multi-Step) 공정을 이용하여 여러 차례 성형을 통하여 성형성을 높이고자 하는 것이다.
100 : 가변 코일 성형장치
110 : 코일
120 : 코일 높이 조절장치
130 : 상부 금형

Claims (7)

  1. 입력 전원에 의해 전자기를 형성하는 코일; 및
    상기 코일 하부에 위치하여 상기 코일의 상하 높이를 조절하는 코일 높이 조절장치;를 포함하고,
    상기 코일 높이 조절장치는 상기 코일을 지지하고, 상기 코일의 소정 부분을 선택적으로 승강시켜 상기 코일 높이를 가변하도록 하며,
    상기 코일 높이 조절장치는 상기 코일을 지지하는 가변펀치부 및 상기 가변펀치부 하부에 위치하는 승강부를 포함하여 구성되고,
    상기 가변펀치부는 소정의 높이를 가지는 복수 개의 펀치로 구성되어 상기 코일의 소정 부분을 소정 높이로 승강시키며,
    상기 승강부는 피스톤 타입으로 상기 가변펀치부를 소정 높이로 승강시키는 것을 특징으로 하는 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변펀치부의 중심에 위치하는 펀치 및 외곽에 위치하는 펀치 각각은 대응하는 위치의 상기 코일과 체결되어, 상기 코일 및 상기 코일 높이 조절장치 상호 간을 고정시키는 것을 특징으로 하는 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일의 전자기에 의한 전자기력을 순차적으로 발생시켜 상기 코일 위에 놓여지는 성형재료에 대하여 적어도 N번(단, N는 1이상의 자연수이다.) 이상 순차 성형시키는 것을 특징으로 하는 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    성형재료가 소정의 성형이 된 후, 상기 코일의 전자기에 의한 전자기력을 순차적으로 발생시켜 상기 코일 위에 놓여지는 상기 성형재료를 N번(단, N는 1이상의 자연수이다.) 이상 순차 성형시키는 것을 특징으로 하는 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일 상부에 성형재료가 놓이고 상기 성형재료의 상부에 소정 거리의 공간이 형성되며 상기 코일의 전자기에 의한 전자기력으로 상기 성형재료의 형상을 유도하는 상부 금형을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기력을 이용한 가변 코일 성형장치.
  7. 제 4 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형재료는 도체인 것을 특징으로 하는 전자기력을 이용한 가변 코일 성형 장치.
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