KR101488019B1 - 확대된 작용면을 가지는 스탬핑 제조를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 확대된 작용면을 가지는 스탬핑(stamping) 제조를 위한 방법 및 장치, 특히 플랫 스트립(flat strip)으로부터 작업편을 정밀 블랭킹하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 플랫 스트립은 폐쇄시 전단 펀치, 전단 펀치를 위한 가압 패드, 가압 패드 상에 정렬된 V형 돌출부와 이젝터로 이루어지는 상부와, 절단 다이와 이젝터로 이루어지는 하부의 사이에 고정되고, 상기 V형 돌출부는 플랫 스트립 쪽으로 가압된다.

본 발명의 과제는 부품 기하학적 구조의 체적에 상응하는 전단처짐을 생성하는 것에 의해 에지 전단처짐을 주로 체계적으로 피하는 동시에 재료를 절약하도록 절단 라인을 따라 이동되는 재료가 없는 더 얇은 정밀 블랭킹 부품에 작용면을 유지하는 것이다.

이러한 과제는, 절단을 시작하기 전 미처리된 상기 고정된 플랫 스트립에서, 절단 방향과 반대방향으로 예비성형 요소로 예비성형하는 네거티브 성형이 실현되는 것으로, 상기 예비성형 요소는 절단시에 크기와 기하학적 형태에 있어서 허용치를 포함하는 절단 다이쪽으로의 예상 에지 전단처짐에 대응하며 전단처짐측에서 거울면-반전 형태로 재료 체적를 생성하고, 절단 초기와 절단 중에 상기 고정된 플랫 스트립의 예비 성형 영역은 예비 성형 요소에 의해 지지되는 것을 수행하여 해결된다.

정밀 블랭킹, 스탬핑, 플랫 스트립, 예비 성형, 예비 성형각

Description

확대된 작용면을 가지는 스탬핑 제조를 위한 장치 및 방법{METHOD AND DEVICE FOR THE PRODUCTION OF A STAMPING WITH ENLARGED FUNCTIONAL SURFACE}

본 발명은 확대된 작용면을 가지는 스탬핑(stamping) 제조를 위한 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플랫 스트립 (flat strip)으로부터 작업편을 정밀 블랭킹하는 것에 관한 것이다. 여기서, 폐쇄시에 플랫 스트립은 전단 펀치, 전단 펀치용 가압 패드, 가압 패드 상에 정렬된 V형 돌출부와 이젝터로 이루어지는 상부와, 절단 다이와 이젝터로 이루어진 하부 사이에 고정되며, 상기 V형 돌출부가 상기 플랫 스트립쪽으로 가압된다.

본 발명은 또한 확대된 작용면을 가지는 스탬핑 제조를 위한 장치에 관한 것으로서, 특히, 적어도 하나의 전단 펀치, 전단 펀치용 가압 패드, 가압 패드 상에 배치된 V형 돌출부, 이젝터 및, 절단 다이와 이젝터를 포함하는 두 부분을 가지는 공구를 이용하여 플랫 스트립으로부터 작업편을 정밀 블랭킹하는 것에 관한 것으로서, 상기 플랫 스트립은 가압 패드와 절단 다이의 사이에 고정되고, V형 돌출부는 플랫 스트립쪽으로 가압된다.

정밀 블랭킹과 성형 기술들은 주로 다양한 스틸(steel)을 가공하는데 사용되 어 진다. 여기서 사용된 다양한 재료들은 고장력(high-tensile) 미립자 스틸과 같은 다목적 구조강을 포함한다.

지난 몇 년 동안 원천 "재료(material)"는 큰 의의를 얻었다. 특히, 최적의 재료 사용으로 부품의 제조비에 상당히 영향을 끼칠 수 있었다. 고장력 스틸은 동일한 강도의 더 얇은 벽을 가지는 부품을 얻을 수 있게 한다.

정밀 블랭킹 부품들의 전형적인 특징은 에지(edge) 전단처짐(rollover 또는 shear droop)과 절단 버(cutting bur)이다. 특히 모서리 영역에서, 모서리 반경이 감소하고 시트 두께가 증가함에 따라 전단처짐이 발생하고 성장하게 된다. 전단처짐의 깊이는 시트 두께의 약 30% 이상 될 수 있고, 폭은 시트 두께의 약 40% 또는 이상이 될 수 있다(DIN 3345, Feinschneiden, 1980, 8월 참조). 이와 같이, 전단처짐은 재료의 두께와 품질(quality)에 달려 있어 그것을 조절할 가능성은 제한되며, 예컨대, 이빨이 있는 부품에서 모서리부의 날카로운 에지가 없는 것으로 인해, 또는 부품의 작용 길이의 변화로 인해 종종 부품의 작업이 제한된다. 이와 같이, 스탬핑 전단처짐은 부품들의 작용성을 줄이고, 제조자들에게 더 두꺼운 원재료를 사용하게 한다.

재-절단(re-cutting, CH 665, 367 A5), 셰이빙(shaving DE, 197 38 636 A1) 또는 절단(cutting)하는 동안 재료의 이동(shifting)(EP 1 815 922 A1) 등 전단처짐을 제거하려는 일련의 해결법이 알려져 있다.

CH 665 367 A5와 DE 197 38 636 A1에 따르는 공지의 해결법은 전단처짐을 줄이지 않고 부품들을 주로 재가공함으로써, 한편으로는 추가적인 기계 가공 작동과 공구들에 의해 상당한 비용이 소요되고, 다른 한편으로는 추가적인 재료를 사용할 필요성으로 인해 재료 손실을 야기한다.

EP 1 815 922 A1에 따른 공지의 해결법에서, 작업편(workpiece)은 다양한 절단 방향으로 적어도 두 개의 시간적으로 연속적인 단계들 중에서 단일-단계 구성(single-step setup)으로 가공되고, 여기서, 수직 작업 방향으로 제1 절단 가공을 하는 동안 작은 전단처짐을 가지는 작업편의 형태에 대응하는 반 제품이 절단되고, 정반대의 작업 방향으로 적어도 하나의 추가 절단 과정 동안 최종적으로 절단된다. 이와 같은 제1 부분 단계의 전단처짐은 적어도 모서리 영역에서 다시 크게 발생할 것이다. 이러한 방법은 돌출되는 스탬핑 버는 피하게 된다. 이와 같이, 공지의 해결법으로 전단처짐은 결국 해결되지 않고, 재료 체적은 절단 라인을 따라 이동하며, 이에 따라 찢어질 가능성은 높아지게 된다.

이러한 배경기술을 기초로, 본 발명은 부품의 기하학적 형상 내의 체적에 대응하는 전단처짐을 생성하는 것에 의해 에지 전단처짐을 체계적으로 피하는 동시에, 절단 라인을 따라 이동되는 재료가 없도록 하고 더 얇은 정밀 블랭킹 부품에서 작용면을 유지하도록 하여 재료를 절약하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적은 청구항 1의 특징적인 구성요소들로 되는 상술한 방법 및, 청구항 10 및 11의 특징적인 구성 요소들로 되는 장치에 의해 달성된다.

상술한 방법과 장치의 이점들은 종속항들로부터 습득된다.

본 발명은, 처음으로 정밀 블랭킹 기술을 부품들, 예컨대 중간 및 그 이상의 두께를 가지는 이빨이 형성된 부품들에 적용하되, 그 날카로운 모서리를 다듬질됨이 없이 그리고 절단선을 따라 재료이동이 없이 경제적으로 완성하도록 했다는 점에서 특징이 있다.

이는, 절단이 시작되기 전에, 고정된 미가공의 플랫 스트립에서 예비성형 요소로 절단방향에 대하여 반대방향으로 예비 성형하는 네거티브 방향 성형함으로써 달성되며, 이때 상기 예비성형 요소는 절단시에 크기와 기하학적 형태에 있어서 허용치를 포함하는 절단 다이쪽으로의 예상 에지 전단처짐에 대응하며 전단처짐측에서 거울면-반전 형태로 재료 체적를 생성하고, 절단 초기와 절단 중에 상기 고정된 플랫 스트립의 예비 성형 영역은 예비 성형 요소에 의해 지지된다.

예비 성형을 위한 영역에서 예비 성형되는 공정 매개 변수들, 예를 들면, 기하학적 형태 및 전단처짐의 재료 체적은 가상 성형 시뮬레이션에 의해 작업편의 재료 종류, 형태 및 기하학적 형태에 따라 결정된다. 이것은 예비 성형 요소, 특히 예비 성형 요소의 예비 성형각에 관하여 빠른 실제적인 디자인을 가능하게 한다.

그러나, 본 발명의 테두리를 벗어나지 않고, 예비 성형을 위한 공정 매개 변수들은 또한 실제 제조된 정밀 블랭킹 부품들을 측정함으로써 반복적으로 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 다양하게 적용가능하다. 예를 들면, 공구내에서 연속적인 절단 동작으로서 별도의 예비 스테이지에서 예비 성형이 수행될 수 있다. 그 러나 그것은 이젝터가 예비 성형 요소로 동시에 사용되는 경우에 복잡한 절단 동작에서 문제없이 수행될 수 있고, 본 발명의 방법에 따른 복잡한 절단 동작은 특히 얇은 부품에 유리하다. 따라서 본 발명에 따른 방법은 예를 들면 복잡한 절단 동작으로 중간 두께, 더 작은 중간 크기 부품, 연속적인 절단 동작에서 큰 두께 부품에 이르기까지 광범위한 치수로 정밀 블랭킹 하는 것을 포함한다.

본 발명을 따른 장치들은 단순하고 튼튼한 구조를 가진다. 연속 절단을 적용하는 경우 절단 스테이지 이전에 절단 방향에 반대로 실행되도록 정렬된 적어도 하나의 코이닝 스탬프가 예상 전단처짐에 대응하는 전단처짐측상의 재료 체적을 네거티브 방향으로 예비 성형하도록 제공되고, 코이닝 스탬프는 그 활동측에서 허용치를 더하는 예상 전단처짐의 기하학적 형태에 대응하는 예비 성형각이 있는 외곽을 가진다.

복합 절단을 위해, 절단 스테이지에 할당되어 절단 방향의 반대로 실행되는 적어도 하나의 이젝터가 예상 전단처짐에 대응하는 전단처짐측상의 재료 체적을 네거티브 방향으로 예비 성형하도록 제공되되, 상기 이젝터는 그 활동측 상에서 각각 상기 예상 전단처짐에 허용치를 더한 기하학적 형상에 대응하는 예비 성형각의 외곽을 가지며, 상기 이젝터는 절단시 예비 성형 영역을 지지한다.

연속 절단에 있어서 상기 코이닝 스탬프와, 복합 절단에 있어서 상기 이젝터(13)의 상기 예비 성형각(α)은 20° 내지 40°에 달한다.

본 발명은 부품의 형상 내에서 체적에 상응하는 전단처짐을 생성하는 것에 의해 에비 전단처짐을 체계적으로 피하는 동시에, 재료가 절단 라인을 따라 이동하는 경우 없이 더 얇은 정밀 블랭킹 부품에 작용면을 유지하도록 하여 재료를 절약할 수 있다는 이점이 있다.

다음에서 본 발명의 일 실시 예에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 상부(1)와 하부(2)를 포함하는 본 발명에 따른 장치의 기본 구조를 나타낸다. 상부는 V형 돌출부(3)를 가지는 가압 패드(4), 가압 패드(4)내에서 가이드된 전단 펀치(5) 및 도시되지 않은 이젝터로 이루어진다. 하부(2)는 절단 다이(7)와 이젝터(9)로 이루어진다. 4.5㎜의 두께를 가지는 합금 스텐레스 강의 플랫 스트립(10)으로부터 본 발명의 방법을 따라 이빨(12)을 가지는 구동 기어(11)가 제조되고, 공구의 도시된 상태에 따라 플랫 스트립(10)은 가압 패드(4)와 절단 다이(7) 사이에 고정되고, V형 돌출부(3)는 이미 플랫 스트립(10)에 들어가고, 이에 따라 V형 돌출부(3)의 작용력이 작용함으로써, 재료가 절단되는 동안 움직이는 것이 방지된다.

예비 스테이지는, 하부(2)에서 안내되며 예비 성형을 수행하기 위한 예비성형 요소(V)로서 설계된 코이닝 스탬프(13)로 이루어지며, 코이닝 스탬프(13)는 활동측(14) 상에서 가상 성형 시뮬레이션으로 미리 결정된 성형각(α)과 외곽(15 : contour)을 포함하는데, 이는 실험치로부터 결과하는 허용치를 더한 예상 전단처짐의 기하학적 형태에 대응한다. 상부(1)와 하부(2)의 사이에 고정된 것의 예비 성형은 전단 펀치(5)의 절단 방향(SR)에 대하여 반대방향으로 작동하는 코이닝 스탬 프(13)에 의해 수행된다. 전진하는 동안 코이닝 스탬프(13)는 플랫 스트립(10)을 변형시키는데, 예비 성형각(α)을 가지는 코이닝 스탬프(13)의 활동측(14)의 외곽(15)은 전단처짐의 기하학적 형태로 조정된 값에 도달할 때까지 플랫 스트립 속으로 들어가고, 전단처짐의 예상 체적에 대응하는 플랫 스트립(10)의 변형을 일으킨다. 도 3은 그 활동측상에서 각각의 외곽(15)을 가지는 코이닝 스탬프(13)의 예를 나타낸다. 이러한 외곽은 전단처짐의 기하학적 형태와 정확하게 대응한다는 것을 알 수 있다.

예비 성형을 위한 공정 매개 변수들(parameters), 예들 들면, 전단처짐의 높이와 전단처짐의 폭과 같은 기하학적 형태와, 전단처짐의 체적과 같은 재료의 체적은 재료의 종류(type), 형태(shape) 및 가상 성형 시뮬레이션에 의한 작업편의 기하학적 형태에 의해 결정되는데, 상기 가상 성형 시뮬레이션을 통해 성형 공정 중의 재료 유동이 표시되고, 연신 및 기준 응력 값(reference stress values)들은 성형이 실현될 수 있는지 그리고 공구 요소들이 하중을 견딜 수 있는지를 알아보기 위해 분석된다.

그러나, 공정 매개 변수들(process parameters)은 실제 정밀 블랭킹부에서 전단처짐의 높이와 전단처짐의 폭을 각각 측정하고 전단처짐의 체적을 산출하는 것에 의해 결정될 수 있다. 이를 위해 일련의 테스트 및 분석이 필요하며, 이러한 테스트 및 분석을 기초로 코이닝 스탬프(13)가 각각 설계될 수 있다.

여기서 매우 상세하게 기술된 별도의 예비 스테이지 대신에, 소정의 전단처짐의 기하학적 형상에 따라, 고정된 플랫 스트립의 예비 성형을 위한 예비 성형요 소로서 이젝터(9)를 사용하는 것도 물론 가능하다.

본 발명에 따른 방법을 이해하기 위한 상호 관련성이 도 4a, 4b, 5 및 6에 도시되어 있다.

도 4a는 본 발명을 적용하지 않고 제조된 정밀 블랭킹부에서 나타나는 전단처짐을 나타낸다. DIN 6930과, VDI 가이드 라인들 2906에 따른 이 전단처짐(E)은 에지 전단처짐 높이(h)와, 에지 전단처짐 폭(b) 및 절단 버 높이 및 절단 버 폭에 의해 나타나는 절단 버(burr)에 의해 정의된다. 버 체적(burr vloume)에 대한 전단처짐 체적(V)이 여러 배 더 크다는 것은 확실히 알려진 사실이다. 말하자면, 체적이 손실된다. 한편으로 이 체적은 부품의 외곽 뒤로 이동하는 것이 확실하며, 또 다른 한편으로는 작은 양이 재료의 가공 경화(strain hardening)로 인해 손실된다.

전단이 이루어지는 동안 원자 격자에서의 결합력(cohering forces)보다 결국 더 커지는 인장력(tensile forces)이 재료에 적용된다. 이것은 전단 펀치(5)와 절단 다이(7) 사이의 결합면들 사이의 미끄럼의 원인이 된다. 그러나, 실제 전단 이전에 에지 전단처짐(E)의 원인이 되는 소성 변형(plastic deformations)이 일어난다.

본 발명의 방법에 따라 제조되는 부품의 각 기하학적 형태를 얻기 위하여 예상 에지 전단처짐(expected edge rollover)의 크기와 체적(V)이 결정된다. 이것은 성형 시뮬레이션 또는 실제 부품의 직접 측정에 의해 얻어질 수 있다.

도 4b에는 그와 같이 결정된 전단처짐(E)이 개략적으로 도시되어 있으며, 거울면-반전된 형태로 전단처짐쪽의 반대 방향에 나타나 있다. 이것은 예상 에지 전 단처짐(E)의 기하학적 상황에 따라 조정된 예비 성형각(α)을 가지는 외곽(15)이 형성된 코이닝 스탬프(13)에 의해 각각 수행되는 것에 의해 실현된다.

도 5는 코이닝 스탬프(13)에서 외곽(15)과 플랫 스트립(10)의 예비 성형 영역 사이에서의 특히 좋은 조정(coordination) 상태를 나타낸다. 이젝터측상의 예비 성형 영역은 코이닝 스탬프(13)의 외곽(15)에 의해 지지되고, 전단 펀치(5)가 전단처짐 높이(h)만큼 후퇴되어 있기 때문에 안내측에서 중공의 공간이 생긴다. 이러한 조정의 결과는 중공의 공간 H이지만, 그럼에도 불구하고 전단처짐의 체적에 비해 버의 체적이 상당히 더 작기 때문에 중공의 공간은 완전하게 채워질 수 없다. 절단 다이(4)에 의한 측면 제한 때문에 재료는 벗어날 수 없고, 각각 성형되며, 이로 인해 전단처짐(E) 영역에서 유입-영역(inflow-zone)의 추가 경화가 발생된다.

도 6은 본 발명의 방법에 따라 제조된 구동 기어(11)의 예를 나타내는 것으로서, 구동기어의 이빨 선단에서 전단처짐 감소치가 36%에 달했다.

도 1은 폐쇄된 공구 내에서 플랫 스트립의 상부와 하부 사이에 고정되어 전단처짐 기하학적 형태를 미리 실행하는 별도의 프리-스테이지(pre-stage)를 가지는 본 발명을 따른 장치의 개략도이다.

도 2는 폐쇄된 공구 내에서 절단된 플랫 스트립을 가지는 도 1을 따른 본 발명 장치의 개략도이다.

도 3은 예비 성형각 (preforming angle)을 가지는 코이닝 스탬프(coining stamp)의 확대도이다.

도 4a와 도 4b는 종래 기술과 본 발명을 따른 전단처짐의 기하학적 형태의 개략도이다.

도 5는 코이닝 스탬프와 플랫 스트립의 수행 영역 사이의 정합 (coordination)을 나타내는 도면이다. 그리고,

도 6은 예비 성형 없이 본 발명의 방법을 따라 제조된 구동 기어의 예이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 정밀 블랭킹 공구의 상부

2 : 정밀 블랭킹 공구의 하부

3 : V형 돌출부

4 : 가압 패드

5: 전단 펀치

7 : 절단 다이 (다이 플레이트)

9 : 이젝터

10 : 플랫 스트립

11 : 구동 기어

12 : 치차

13 : 코이닝 스탬프/ 이젝터

14 : 13의 활동측

15 : 13의 외곽

E : 전단처짐

b : 전단처짐 폭

h : 전단처짐 높이

H : 중공 공간

SR : 절단 방향

V : 전단처짐 체적

α : 예비 성형각

Claims (12)

1. 전단 펀치, 상기 전단 펀치를 위한 가압패드, 가압 패드상에 배치된 V형 돌출부 및 이젝터로 구성되는 상부와, 절단 다이, 이젝터 및 내부성형 펀치로 구성되는 하부 사이에서, 폐쇄시에 플랫 스트립이 고정되며, V형 돌출부는 상기 플랫 스트립쪽으로 눌려지는 정밀 블랭킹에서 확대된 작용면을 가지는 스탬핑 제조 방법에 있어서,

   절단을 시작하기 전 미처리된 상기 고정된 플랫 스트립에서, 절단 방향과 반대방향으로 예비성형 요소로 성형하는 네거티브 방향 성형이 실현되는 것으로, 상기 예비성형 요소는 절단시에 크기와 기하학적 형태에 있어서 허용치를 포함하는 절단 다이쪽으로의 예상 에지 전단처짐에 대응하며 전단처짐측에서 거울면-반전 형태로 재료 체적를 생성하고, 절단 초기와 절단 중에 상기 고정된 플랫 스트립의 예비 성형 영역은 예비 성형 요소에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 확대된 작용면을 가지는 스탬핑 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 예비 성형될 영역에서 성형을 위한 공정 매개 변수들인 기하학적 형태 및 에지 전단처짐의 재료 체적은 가상 성형 시뮬레이션에 의해 작업편의 재료 종류, 형상 및 기하학적 형태에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 확대된 작용면을 가지는 스탬핑 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 예비 성형될 영역의 성형 공정 매개 변수들인 전단처짐의 재료 체적과 기하학적 형태는 적어도 두 개의 실제 정밀 블랭킹 부품을 측정함으로써 작업편의 재료 종류, 형상 및 기하학적 형태에 따라 반복적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 확대된 작용면을 가지는 스탬핑 제조 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성형은 별도의 예비 스테이지 또는 절단 공정을 시작하기 전에 수행되고, 상기 예비 성형의 공정 매개 변수들은 상기 결정된 에지 전단처짐에 따라 각각 조정되는 것을 특징으로 하는 확대된 작용면을 가지는 스탬핑 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 가압 패드 측으로 성형을 하고, 다음 단계에서 절단하는 것은 3mm~5㎜의 두께를 가지는 부품에 실행되는 것을 특징으로 하는 확대된 작용면을 가지는 스탬핑 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 예비 성형 요소로서 상기 정밀 블랭킹 공구의 이젝터가 사용되는 것을 특징으로 하는 확대된 작용면을 가지는 스탬핑 제조 방법.
7. 제4항에 있어서,

   상기 예비 성형과 복합 절단 방식으로 절단하는 것은 3mm~7㎜ 크기의 두께를 가지는 부품에서 실행되는 것을 특징으로 하는 확대된 작용면을 가지는 스탬핑 제조 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 절단 다이 및 전단 펀치에 의해 결정된 절단 라인을 따라 재료가 이동하지 않는 것을 특징으로 하는 스탬핑 제조 방법.
9. 청구항 1을 따르는 제조 방법을 실현하기 위한 것으로서, 적어도 하나의 전단 펀치(5), 상기 전단 펀치(5)용 가압 패드(4), 상기 가압 패드(4)상에 배치된 V형 돌출부(3), 절단 다이(7) 및 이젝터(9)를 구비하는 두 부분의 툴(tool)을 가지며, 상기 플랫 스트립은 상기 가압 패드(4)와 상기 절단 다이(7)사이에 고정되고, 상기 V형 돌출부는 상기 플랫 스트립쪽으로 가압되는 확대된 작용면을 가지는 스탬핑 제조를 위한 장치에 있어서,

   절단 스테이지에 할당되어 절단 방향(SR)의 반대로 실행되는 적어도 하나의 이젝터(9)가 예상 전단처짐(E)에 대응하는 전단처짐측상의 재료 체적(V)을 네거티브로 성형하도록 제공되되, 상기 이젝터(9)는 그 활동측 상에서 상기 예상 전단처짐에 허용치를 더한 기하학적 형상에 대응하는 20° 내지 40°의 예비 성형각(α)을 가지며, 상기 이젝터(9)는 절단시 예비 성형 영역을 지지하는 것을 특징으로 하는 확대된 작용면을 가지는 스탬핑 제조를 위한 장치.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

Images