KR101472344B1 - 금속 표면 롤의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 균일한 너비를 갖는 금속 리본의 서로 평행한 밑변과 윗변이 각각 둥글게 말려 금속튜브의 하, 상단 원주를 구성하고 양 단면이 나선 방향으로 서로 맞닿아 금속튜브를 구성하는 금속 층; 상기 금속 층위의 도금층; 및 상기 금속 층 아래 부착 경화된 섬유강화 수지층을 갖는 금속 표면 롤과 이의 제조방법을 제공한다.
본원발명에서 대강 또는 판재를 밑변과 윗변이 각각 금속튜브의 하, 상단 원주를 구성하도록 서로 평행하게 소정의 길이의 금속 리본으로 절단하여 원통형 금형에 삽입하면 대강의 탄성과 정밀하게 가공된 양 단면에 의하여 금속 리본은 금형 내에 비교적 쉽게 양 단면이 중첩되지 않고 맞닿아 나선형태를 이루면서 금속 리본 전체로 금속튜브를 쉽게 형성할 수 있다. 뒤이어, 상기 형성된 금속튜브 내에 섬유강화 프리프레그 적층 시트를 삽입하여 고정하면 진직도가 금속튜브 전체로 판재의 두께 오차 범위를 벗어 나지 않는 롤을 제조할 수 있다. 따라서, 공정단계가 줄어 들고 초박판 금속 복합재료 롤의 제조가 가능한 장점이 있다.

Description

금속 표면 롤 및 이의 제조방법{a roll having metal surface and a preparing method thereof}

본 발명은 복합재료 지지층을 갖는 금속 표면 롤 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

공업용 롤(roll)은 인쇄공업, 제지공업, 섬유공업, 필름 제조공업, 테이프 제조공업과 전자공업 등과 같은 매우 다양한 분야에 다양한 형태로 사용되고 있다. 예를 들면, 종이, 필름, 포일과 직물들의 제조와 가공에 사용되는 이송 롤, 가이드 롤과 프린팅 롤로서 강철 또는 알루미늄과 같은 금속 롤이 널리 사용되어 왔다. 이러한 금속 롤은 상대적으로 높은 표면 경도, 경면 가공성, 높은 열전도성, 높은 전기전도성과 높은 미끄럼성 등의 물리적 성질을 가지므로 내마모성, 정전기 발생 감소, 냉각성과 재료 보호 등의 장점을 가지고 있다. 특히 알루미늄 롤은 상대적으로 낮은 비중과 높은 비탄성률을 갖는 금속 롤로 널리 사용된다. 그러나 이러한 알루미늄 롤도 여전히 낮은 표면경도와 충분하지 못한 비탄성률과 높은 비중 등의 문제가 있다. 따라서, 롤의 처짐을 방지하는 높은 비탄성률, 고속회전성, 경량성, 높은 진동감쇄성과 경제성 등을 함께 충족시키기 위하여 복합재료 지지층을 갖는 다양한 금속 표면 롤이 연구되어 왔다.

한국특허등록 제10-0430553호와 10-0737243호에는 알루미늄과 같은 금속 인발 튜브 내부에 섬유강화플라스틱(FRP)을 적층하여 제조하는 복합재료 롤의 제조방법에 대하여 개시하고 있다. 그러나 이 기술은 진원도와 진직도를 가진 금속튜브의 제공을 전제로 하는 것이지만 실제로는 특정한 규격의 진원도와 진직도를 가진 금속튜브를 경제적으로 얻는 것은 거의 불가능하다. 왜냐 하면 요행히 원하는 규격(외경, 두께 등)의 금속튜브가 제공된다고 하드라도 소성가공인 인발 가공의 특성상 금속튜브의 진원도와 진직도를 동시에 만족시킬 수 없기 때문이다. 원하는 직진도의 금속튜브를 얻기 위해서 외면만을 기계가공 한다면 직진 오차에 의하여 잔존 부위 두께가 들쭉날쭉하여 불량이 되거나 편심이 되어 롤 회전성에 문제가 생기며 내면을 동시에 기계가공 한다면 비용이 많이 들고 얇은 두께의 튜브의 경우는 가공압력 때문에 정밀기계가공 자체가 불가능한 문제가 있다. 따라서, 얇은 두께의 표면 금속 층을 갖는 복합재료 롤을 제조하는 것이 실질적으로 불가능하다.

한국특허등록 제 10-0779032호와 한국특허공고 제 10-1991-0007195호에는 복합재료 베이스 튜브에 금속용사 층을 입힌 롤에 대하여 개시하고 있다. 이러한 기술들에서는 금속 층을 형성하기 위하여 복합재료 베이스 튜브에 금속용사를 적용하고 있다. 특히 한국특허공고 제 10-1991-0007195호에는 탄소섬유 강화 에폭시 수지로 경화시킨 베이스 튜브를 연마가공하고 표면처리층, 금속용사처리층, 도금층과 크롬도금층을 가지는 복합재료 롤에 대하여 개시하고 있다. 상기 한국특허공고 제 10-1991-0007195호에는 균일한 금속층을 얻기 위하여 금속용사 전에 별도의 표면처리 층을 필수요건으로 하고 있으나 금속용사의 특성상 열전도성이 낮은 수지 기재에 균일하고 치밀한 금속 층을 경제적으로 얻는 것이 용이하지 않다.

본 발명은 다양한 규격과 다양한 두께의 금속 층을 갖는 복합재료 롤을 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 복합재료 지지층을 갖는 금속 표면 롤을 경제적으로 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 의하여, 내경이 롤 외경에 상응하는 원통형 금형을 준비하는 단계; 균일한 너비를 갖고 양 단면이 서로 교합하도록 가공된 금속 판을 밑변과 윗변이 각각 금속튜브의 하, 상단 원주를 구성하도록 서로 평행하게 소정의 길이로 절단하여 금속 리본을 준비하는 단계; 상기 원통형 금형에 상기 절단된 금속 리본을 삽입하여 밑변과 윗변이 각각 둥글게 말려 금속튜브의 하, 상단 원주를 구성하고 양 단면이 서로 맞닿아 상기 절단된 금속 리본이 전체적으로 금속튜브를 구성하도록 배치하는 단계; 섬유강화 프리프레그 적층 시트를 상기 금속튜브 내부에 배치하고 가압 가열하여 경화시키는 단계; 및 탈형하는 단계를 포함하는 복합재료 지지층을 갖는 금속 표면 롤의 제조방법이 제공된다. 상기 원통형 금형은 원주가 2개 이상으로 분할되어 분리 결합될 수 있다. 필요한 경우에는 나선 방향의 맞닿은 부분에 레이저 용접과 같은 정밀용접을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 필요에 따라 금속 표면을 도금하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 필요에 따라 도금된 금속 표면을 연마하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 필요에 따라 상기 롤의 회전 중심에 샤프트 또는 베어링 하우징을 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하여, 균일한 너비를 갖는 금속 리본의 서로 평행한 밑변과 윗변이 각각 둥글게 말려 금속튜브의 하, 상단 원주를 구성하고 양 단면이 나선 방향으로 서로 맞닿아 금속튜브를 구성하는 금속 층; 상기 금속 층위의 도금층; 및 상기 금속 층 아래 부착 경화된 섬유강화 수지층을 갖는 금속 표면 롤이 제공된다. 바람직하게는 양 단면이 나선방향으로 맞닿은 부분에는 레이저와 같은 미세접합용접에 의하여 접합된다. 또한, 필요에 따라 상기 롤의 회전 중심에 부착되는 샤프트 또는 베어링 하우징을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 복합재료 지지층을 갖는 금속 표면 롤과 그 제조방법에 있어서, 금속 층 또는 금속 리본의 금속 재료는 사용 목적에 따라 다양한 금속 재료가 선택될 수 있으나, 바람직하게는 구리, 구리합금, 탄소강 또는 스테인레스 강이다. 상기 금속재료로서 두께가 일정한 오차 범위로 가공된 판재는 모두 사용가능하나, 바람직하게는 대강의 형태이다. 양 단면이 맞닿은 부분은 튜브의 원주 방향에 수직선을 형성할 수도 있으나 일반적으로는 나선을 형성한다. 양 단면은 정확하게 가공되는 것이 필요하다. 대강이 감긴 상태에서 양 단면을 연마 가공하면 양 단면이 직각으로 정밀가공된 금속 리본을 얻을 수 있다. 금속 리본의 밑변과 윗변이 각각 둥글게 말려 금속튜브의 하, 상단 원주를 구성하므로 대강의 너비와 금속튜브의 원주의 길이에 따라 금소 리본의 절단 각도(θ)가 정해진다. 이때, 금속튜브의 원주의 길이 R=대강의 폭 W/sinθ이다(여기서 θ는 0 < θ≤ 90°의 범위이다).

대강의 양 단면은 직각으로 가공되는 것이 일반적이나 경우에 따라서는, 양 당면이 서로 교합한다면 어떤 형태로도 가공될 수 있다. 예를 들면, 경사각으로 가공하거나 또는 양 단면이 각각 "〈", "〈" 형태로 가공될 수 있다. 금속튜브 위의 도금은, 바람직하게는, 니켈 또는 크롬도금이다. 금속 리본의 두께는, 바람직하게는 3 내지 0.01mm, 가장 바람직하게는 1 내지 0.03mm이다. 본 발명에서, 섬유강화 프리프레그 또는 섬유강화 수지는, 다양한 섬유, 예를 들면, 탄소 섬유, 유리 섬유, 세라믹 섬유, 위스커 섬유 등이 사용될 수 있다. 수지 소재로는 일반적으로 경화성 수지, 예를 들면, 에폭시수지, 불포화폴리에스테르수지, 요소수지, 멜라민수지, 페놀수지와 우레탄수지 등이 포함될 수 있다. 바람직하게는, 에폭시 수지이다.

본원발명에서 대강 또는 판재를 밑변과 윗변이 각각 금속튜브의 하, 상단 원주를 구성하도록 서로 평행하게 소정의 길이의 금속 리본으로 절단하여 원통형 금형에 삽입하면 대강의 탄성과 정밀하게 가공된 양 단면에 의하여 금속 리본은 금형 내에 비교적 쉽게 양 단면이 중첩되지 않고 맞닿아 나선형태를 이루면서 금속 리본 전체로 금속튜브를 쉽게 형성할 수 있다. 뒤이어, 상기 형성된 금속튜브 내에 섬유강화 프리프레그 적층 시트를 삽입하여 고정하면 진직도가 금속튜브 전체로 판재의 두께 오차 범위를 벗어 나지 않는 롤을 제조할 수 있다.

이러한 롤은 작은 진원 오차와 특히 작은 진직 오차에 의하여 연마가공을 포함한 기계가공이 필요 없거나 최소로 이루어져 공정단계가 줄어 들고 초박판 금속 복합재료 롤의 제조가 가능한 장점이 있다.

도1a는 본 발명에서 사용하는 원통형 금형의 사시도
도1b는 본 발명에서 사용하는 스테인레스 대강의 감긴 상태의 사시도
도1c는 본 발명에서 사용하는 금속 리본의 평면도
도1d는 본 발명에서 사용하는 금속튜브의 사시도
도1e는 본 발명에서 사용하는 금속 리본 롤러 성형기의 정면도
도1f는 본 발명에서 사용하는 FRP 프리프레그 적층 시트의 사시도
도2는 본 발명 금속표면 롤의 단면도.

이하, 도면에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이러한 설명은 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 보호범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

도1a 내지 도1f를 참조하여 설명한다. 반원으로 상하 분리되고 내경이 롤 외경에 상응하는 철 원통형 금형(10)을 준비한다. 상기 금형은 진공 배기구(18)를 가질 수 있다. 하단 스토퍼(14)와 체결기구(16)를 결합한다. 양 단면이 정밀 가공된 스테인레스 대강(28)을 밑변(26')과 윗변(27')이 각각 금속튜브의 하단 원주(26)와 상단 원주(27)를 구성하도록 서로 평행하게 소정의 길이로 절단하여 금속 리본(20')을 준비한다. 도1b에서와 같이 스테인레스 대강(28)이 감긴 상태에서 양 단면을 연마 가공하면 양 단면이 정밀가공된 금속 리본을 얻을 수 있다. 이 때 금속 리본(20')의 밑변(26')과 윗변(27')이 각각 둥글게 말려 금속튜브의 하, 상단 원주를 구성하도록 소정의 각도(θ)로 절단된다. θ는 대강의 너비와 형성되는 금속튜브의 원주와 폭에 따라 설정된다.

정확하게 절단된 금속 리본(20')을 별도의 롤러 성형기(29) 사이로 밑변(26')과 윗변(27")이 직각이 되도록 통과시키면 금속튜브를 형성하는 데 유리하다. 이 금속 리본(20')을 상기 원통형 금형에 밑변(26')과 윗변(27')이 각각 둥글게 말려 금속튜브의 하, 상단 원주를 구성하도록 삽입한다. 대강의 탄성과 정밀하게 가공된 양 단면에 의하여 금속 리본(20')은 금형(10) 내에 비교적 쉽게 양 단면이 중첩되지 않고 맞닿아 나선(25) 형태를 이루면서 금속 리본(20') 전체로 금속튜브(20)를 형성한다. 상단 스토퍼(15)를 결합하여 금속튜브(20)를 고정한다.

도1f에 보이는 바와 같이 미리 맨드렐에 일정형태로 감겨져서 만들어진 FRP 프리프레그 적층 시트(30')를 맨드렐을 빼낸 후 에어튜브(32)를 넣은 상태에서 금형(10)내에 삽입하고 에어튜브(32)를 가압하고 금형(10)을 가열하여 프리프레그 적층시트(30')를 금속튜브(20)에 부착경화시킨다. 상기 에어튜브(32)는, 일반적으로 실리콘 또는 이형제 처리가 된 비닐계 수지를 사용한다. 금형(10)을 냉각 후 성형물을 탈형한 다음, 성형물 외부의 금속튜브(20)의 나선형 접합부를 레이저 용접으로 접합한 후 금속튜브의 표면에 크롬도금을 한다. 필요한 경우 금속튜브의 양 단부를 절단한다.

샤프트를 롤 중심부를 관통하여 설치하고 도금 층을 연마하여, 도2에 보이는 바와 같이 층 아래 부착 경화된 섬유강화 수지 층(30), 나선형 접합부를 갖는 금속튜브(20), 도금 층(41)과 샤프트(51)를 갖는 금속 표면 롤(50)이 제공된다.

10; 원통형 금형 14; 하단 스토퍼 15; 상단 스토퍼
18; 진공 배기구 20; 금속 리번 25; 나선
26'; 금속 리번의 밑변 27'; 금속 리번의 윗변 26; 금속튜브 하단 원주 27; 금속튜브 하단 원주
28; 스테인레스 대강 29; 롤러 성형기
30'; 프리프레그 적층 시트 30; 섬유강화 수지 층
41; 도금층 51; 샤프트 50; 금속 표면 롤

Claims (13)

1. 내경이 롤 외경에 상응하는 원통형 금형을 준비하는 단계; 균일한 너비를 갖고 양 단면이 서로 교합하도록 가공된 금속 판을 밑변과 윗변이 각각 금속튜브의 하, 상단 원주를 구성하도록 서로 평행하게 소정의 길이로 절단하여 금속 리본을 준비하는 단계; 상기 원통형 금형에 상기 절단된 금속 리본을 삽입하여 밑변과 윗변이 각각 둥글게 말려 금속튜브의 하, 상단 원주를 구성하고 양 단면이 서로 맞닿아 상기 절단된 금속 리본이 전체적으로 금속튜브를 구성하도록 배치하는 단계; 섬유강화 프리프레그 적층 시트를 상기 금속튜브 내부에 배치하고 가압 가열하여 경화시키는 단계; 및 탈형하는 단계를 포함하는 복합재료 지지층을 갖는 금속 표면 롤의 제조방법
2. 제1항에 있어서, 상기 금속 리본 양 단면의 맞닿은 부분이 나선을 형성하는 금속 표면 롤의 제조방법
3. 제2항에 있어서, 상기 절단하여 금속 리본을 준비하는 단계 뒤에 롤러 성형기 사이로 상기 금속 리본을 밑변과 윗변이 직각이 되도록 통과시키는 단계를 더 포함하는 금속 표면 롤의 제조방법
4. 제2항에 있어서, 상기 금속튜브의 맞닿은 부분에 레이저 용접을 실시하는 단계를 더 포함하는 금속 표면 롤의 제조방법
5. 제2항에 있어서, 상기 금속튜브의 표면을 도금하는 단계를 더 포함하는 금속 표면 롤의 제조방법
6. 제5항에 있어서, 상기 도금된 금속튜브의 표면을 연마하는 단계를 더 포함하는 금속 표면 롤의 제조방법
7. 제1항에 있어서, 상기 금속튜브의 금속이 구리, 구리합금 또는 스테인레스강인 금속 표면 롤의 제조방법
8. 제1항에 있어서, 상기 롤의 회전 중심에 샤프트를 부착하는 단계를 더 포함하는 금속 표면 롤의 제조방법
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