KR101528122B1 - 딥드로잉에 의한 원통형 압력용기 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상기에서 기술한 전용 유압프레스를 이용한 딥드로잉 성형 가공법이 지닌 문제점을 해결하기 위해서 경고비(지름에 대한 길이 비)가 2 이상인 원통형 압력용기 제작을 위한 딥드로잉 가공에서 블랭크 홀더 압력을 유압에 의한 것이 아니라 개스스프링이나 에어쿳션과 같은 탄성지지장치를 통해 이루어지고 드로잉 다이의 내경부에 릴리프를 두어 다이와 제품의 접촉면적을 최소화하여 마찰력을 없애고 제품을 취출하는 PAD힘을 최소로 줄이게 되며 상측다이에 블랭크 홀더 가동 지연핀을 설치하여 블랭크홀더의 힘이 시차를 두고 작용하게 됨으로써 제품 측벽부의 찌그러짐을 방지할 수 있게 함과 동시에 다이형상을 2단형으로 설치하여 종래 딥드로잉 제품의 끝이 갈라지는 문제를 해결할 수 있는 발명이다.

Description

딥드로잉에 의한 원통형 압력용기 제조 장치{An apparatus for producing cylinder-type case by deep-drawing}

본 발명은 딥드로잉을 이용한 원통형 용기 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 딥드로잉을 이용하여 원통형 강재 용기를 제조할 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

냉동기나 냉장고, 에어컨, 에어콤프레셔 등에 사용되는 압축기는 주로 로타리형 또는 스크롤형을 사용하게 되는데, 이러한 압축기의 케이스는 로타리 압축기의 경우는 핵심 부품인 모터의 고정자(Stator)를 고정시키는 역할을 하고, 스크롤압축기의 경우는 주요부품인 스크롤(Scroll)을 고정하고, 내부에서 회전하는 모터의 고정자와 로터(Rotor)를 회전시키는 축을 지지하는 메인 프레임을 고정해주는 역할을 하며 상부 챔버, 하부 챔버와 용접 접합하여 압축기를 밀봉시켜 압축기 내부에서 발생하는 소음을 차단 및 감소시키는 기능을 한다.

이러한 로타리 또는 스크롤 압축기의 모든 부품을 지지해 주는 압축기 케이스의 원통형상이 불균일하거나, 케이스의 용접 이음매가 불량할 경우 내부 모터의 회전에 이상이 발생하거나 소음증가의 원인이 된다.

현재까지 일반적으로 압축롤 케이스의 제작에는 플라즈마 용접을 이용한 가공법이 사용되어 왔다. 사각의 철판을 원통 형상으로 Roll 포밍 한 후 접합면을 용접으로 접합하여 제작하는데 그 구체적인 제작공정은 다음 참고도와 같다.

＜참고도＞

그러나 이음매 용접에 의한 원통형 케이스 제조 방법은 제작시 용접시간이 길어 생산성이 떨어지고, 제조 비용이 비싸며 용접과정에서 불량이 많이 발생하고, 확관 작업시 용접 접합부의 crack 및 갈라지는 불량이 자주 발생하여 제품의 신뢰성에 부정적인 영향을 끼치는 단점이 있다.

용접에 의한 압축기 케이스 제작시 상기 단점을 극복하기 위해 판재를 R-Forming하여 용접 접합하는 공법이 아닌 판재를 드로잉 성형하는 가공법이 도입되었는데, 이 방법에 의하면 이음매를 없애 용접으로 인한 불량을 원천봉쇄할 수 있어 제품의 기계적 성능 향상을 꽤 할 수 있고 프레스에서 판금 작업으로 성형하게 되므로 제조공정 단축이 가능하여 생산성 향상을 이룰 수 있다. 따라서 이 기술 분야에서는 경고비(직경에 대한 높이의 비)가 큰 로타리 압축기의 케이스 성형용 딥드로잉 가공을 위해 이에 필요한 금형 및 가공법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

딥드로잉 가공이란 원형 또는 사각의 판재를 직경 대비 높이비가 1.0 이상 긴 원통형 또는 사각통 형상으로 변형시켜 일체로 뽑아내는 가공법을 말하며 드로잉 성형이라고도 한다. 이 가공 방법은 판재를 여러 단계의 프레스로 드로잉하여 다이 표면상의 소재판을 원주방향으로 압축하면서 재료를 펀치와 다이 사이에 이동시켜 컵 형상의 측벽을 만드는 것으로 평판에서 이음부 없이 중공의 바닥이 있는 용기를 성형하는 데 쓰이는 대표적인 성형법이다. 이러한 딥드로잉 가공은 기계적 특성이 우수하고 생산성이 높고 제조원가가 낮은 장점이 있다.

대부분의 드로잉 금형구조는 도 1, 2에 나타난 바와 같이 펀치, 다이, 블랭크홀더, 패드 등의 크게 4가지 부품으로 구성된다. 딥 드로잉 가공 작업이 진행되는 동안 이들 각 부분의 동작을 살펴보면 프레스 슬라이더(미도시)가 하강함에 따라 프레스 슬라이더에 장착된 상측 금형이 하강하여 PAD가 재료를 누르고 연속해서 다이가 블랭크홀더를 아래로 밀어내리면 재료는 화살표 방향으로 소성 변형하면서 유동하게 된다.

이때 블랭크 홀더가 재료를 눌러주어야 하며, 누르는 힘이 약하게 되면 소재가 유동 중에 주름이 발생하게 되며, 이렇게 되면 더 이상 드로잉 성형이 진행되지 못하고 제품 TOP 부분이 터지게 된다. 또한 블랭크 홀더가 재료를 너무 센 힘으로 누르게 되면 재료가 유동하지 못해 이 역시 제품의 TOP 부분이 터지게 되어 더 이상 성형을 할 수가 없게 된다. 그러므로 적당한 힘을 가해야 하며, 이 블랭크 홀더력은 이론적으로 계산이 가능하나 실제 제조현장에서는 여러 가지 변수가 많으므로 여러 번의 시험을 통해 적정 블랭크 홀더력을 결정하게 된다.

[선행기술문헌]

[특허문헌] 딥드로잉을 이용한 원통형 용기와 관련된 특허기술문헌으로는 한국특허 공개번호 10-2013-0043803 (공개일자 2013년 05월 02일), 한국 특허 공개번호 10-2003-0050495 (공개일자 2003년 06월 25일), 한국 특허 공개번호 10-2014-0052879 (공개일자 2014년 05월 07일) 등이 있다.

도 1, 2를 다시 살펴보면 프레스 슬라이드가 하사점에 이르러 제품성형이 완료될 시점에는 제품에 복원력(스프링백)이 생겨 다이에 강한 힘으로 들러붙게 되는 현상이 발생하게 되는데 이때 제품을 다이에서 빼내기 위해서는 패드에 압력 P₂ 를 가해주어야 하며 이렇게 하여 프레스 슬라이드가 상승하게 됨과 동시에 블랭크홀더와 패드가 제품을 강한 힘으로 밀어부쳐서 제품을 펀치와 다이속에서 빼내게 된다. 이때 블랭크 홀더력 P₃ 와 패드의 힘 P₂ 가 서로 반대방향으로 작용하게 되며 이 힘은 제품의 측벽부에 집중적으로 걸리게 된다. 이렇게 해서 성형후 제품은 취출할 때 블랭크홀더와 패드로부터 힘을 받은 관계로 제품의 측벽이 찌그러지거나 제품이 벌어지는 변형이 발생하게 된다.

이러한 문제점을 방지하기 위해 드로잉 가공 시 딥드로잉 전용 유압프레스를 사용하게 되는데 이러한 유압프레스는 프레스 베드 아래에 다이쿳션 장치가 있어서 블랭크홀더 힘을 조절할 수 있고, 또 제품 취출시 블랭크 홀더힘의 작용시점을 늦출 수가 있어서 패드힘과 블랭크홀더 힘을 동시에 충돌시키지 않고, 패드가 제품을 다이 속에서 빼어낸 후에 블랭크홀더가 작동하여 제품을 펀치로부터 빼어내게 할 수 있어서 제품의 변형을 방지할 수 있게 되는 것이다.

그러나 상기에서 설명한 딥드로잉 전용 유압프레스는 유압으로 작동되므로 작업속도가 느리고 (일반적으로 작업속도는 슬라이드의 작동거리에 따라 다르지만 대체로 6 spm (stroke per min) 이하이며 하나의 용기를 드로잉 작업하는데 약 10초 이상 소요된다.) 한 대의 프레스로는 복수의 작업을 할 수가 없으므로 드로잉 작업 공정수만큼 유압프레스가 필요하게 되어 제작시 생산단가가 올라가 경제적이지 못하며 이러한 전용 유압 프레스는 드로잉 성형에만 사용 가능하므로 범용성이 떨어지는 등의 문제점이 있어서 이를 극복하기 위한 여러 가지 시도가 있어 왔다.

본 발명은 상기에서 기술한 전용 유압프레스를 이용한 딥드로잉 성형 가공법이 지닌 문제점을 해결하기 위해서 경고비(지름에 대한 높이 비)가 1.0 이상인 원통형 압력용기 제작을 위한 딥드로잉 가공에서 블랭크 홀더 압력을 유압에 의한 것이 아니라 개스스프링이나 에어쿳션과 같은 탄성지지장치를 통해 이루어지고 드로잉 다이의 내경부에 릴리프를 두어 다이와 제품의 접촉면적을 최소화하여 마찰력을 없애고 제품을 취출하는 PAD힘을 최소로 줄이게 되며 상측다이에 블랭크홀더 가동 지연핀을 설치하여 블랭크홀더의 힘이 시차를 두고 작용하게 됨으로써 제품 측벽부의 찌그러짐을 방지할 수 있게 함과 동시에 다이형상을 2단형으로 설치하여 종래 딥드로잉 제품의 끝이 갈라지는 문제를 해결할 수 있도록 하였다.

본 발명에 나타난 딥드로잉 가공 장치를 이용하여 원통형 용기를 제조하게 되면 작업 속도에 제한이 있는 유압프레스를 사용하는 대신 기계식 프레스를 사용할 수 있어 작업속도 향상과 함께 생산성을 높일 수 있으며 제품의 측벽이 찌그러지거나 제품의 끝이 갈라지는 현상을 방지할 수 있게 되어 종래에는 딥드로잉 가공으로 제작할 수 없었던 경고비가 큰 원통형 압축 용기의 제작도 가능하게 되는 파급 효과를 가져올 수 있다.

도 1은 일반적으로 사용되는 딥드로잉 장치에 사용되는 금형구조를 나타낸 개략도이며 평판형의 재료가 가공되기 직전의 준비상태를 나타내고 있다.
도 2는 도1에 나타난 평판형의 재료가 드로잉 가공 상태를 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명에 사용되는 딥드로잉 장치를 나타낸 개략도다.
도 4는 본 발명에 사용되는 딥드로잉 장치에 있는 릴리프부(210)와 가동지연핀(300)을 나타낸 그림이다.
도 5는 종래 기술에 의한 일반적인 딥드로잉 성형과정을 나타낸 그림이다.
도 6은 본 발명에 나타난 스텝형 다이에 의한 딥드로잉 성형과정을 나타낸 그림이다.
도 7은 본 발명에 나타난 스텝형 다이의 변형예(200-1, 200-2)를 도시한 그림이다.
도 8은 본 발명에 의한 5단계의 딥드로잉 가공의 단계별 제작과정을 나타낸 그림이다.
도 9은 도 8에 나타난 단계별 제작과정에서 다이와 블랭크홀더가 분리된 상태를 나타내 주는 그림이다.
도 10은 본원의 딥드로잉 가공방법에 의해 이루어지는 제조 과정을 나타내 주는 그림이다.

이하 본 발명에 나타난 딥드로잉 가공 장치를 이용한 원통형 용기를 제조하는 방법 및 장치에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 사용되는 딥드로잉 장치(10)을 나타낸 개략도이다. 도 3의 (a), (b)에 나타난 본 발명에 의하면 딥드로잉 장치(10)의 주요 구성은 크게 상부 다이(200), 상기 상부다이와 가공 재료(600)를 사이에 두고 맞물리면서 재료를 잡아 주는 블랭크 홀더(400), 상기 블랭크 홀더를 지지하며 가공에 필요한 압력을 상기 블랭크홀더에 작용시켜주는 탄성지지부(100, 800), 가공 재료(600)의 상부(top)와 접촉하며 가공에 필요한 압력을 작용시켜 상부 다이와 함께 제품의 형상을 만들어 내는 패드(500), 그리고 제품 내면과 접촉하면서 제품의 내측 형상을 만들어 내는 펀치(700)로 이루어진다.

본 발명에 따르면 도 3의 (a)와 같이 기존 딥드로잉 성형 가공에서 사용되는 유압을 이용한 프레스 쿠션 대신 범용 개스스프링(100)을 쿠션으로 사용하여 블랭크 홀더를 지지하고 가압 작용을 하게 함으로써 유압프레스가 아닌 일반 범용 기계식 프레스에서도 딥드로잉 작업이 가능하게 되는 것이다. 여기서 프레스라 함은 딥드로잉 작업시 딥드로잉 장치를 지지하며 가공재료에 상하 방향의 가압력을 작용시키기 위해 필요한 기계장치를 말하며 프레스면(150)에 탄성지지부가 연결되어 설치되는 것이다. 본 발명의 또 다른 실시 예에 의하면 상기의 개스스프링 대신 [도 3]의 (b)에 나타난 것처럼 에어쿳션을 사용하여 블랭크 홀더(400)을 지지할 수도 있다.

본 발명에 나타난 개스스프링이나 에어쿳션을 사용하게 되면 모두 기계식 프레스를 사용할 수 있게 되는데 기계식 프레스는 유압 프레스에 비해 작업속도가 빠르므로 생산성을 2∼3배 정도 높이는 것이 가능해지며. 일반 기계식 프레스를 사용함으로써 도 8이나 도 9에 나타난 것과 같이 한 대의 프레스에 여러 공정의 금형을 설치하여 동시에 작업이 가능하므로 공정간 이동 중에 야기될 수 있는 작업불량을 대폭 줄일 수 있어서 생산성 향상과 더불어 제조원가를 낮출 수 있게 된다. 이러한 개스스프링이나 에어쿳션 장치는 금형 내에 장착될 수 있고 지지 가능한 압력의 크기 조절도 가능하여 여러 가지 제품의 딥드로잉 작업에 다양하게 적용될 수 있는 특징을 가지고 있다.

본 발명에 따르면 상부다이(200)에 릴리프부(210, relief)를 두어 딥드로잉 성형 후 다이속에서 제품을 빼낼 때 다이와 제품의 접촉면적을 최소화하여 제품과 다이 사이에 발생하는 마찰력을 감소시키고 제품을 취출하는데 작용되는 패드(500)힘을 최소로 줄일 수 있게 된다. 상기 릴리프부(201)는 다이(200)의 내부 원주면의 위쪽 부분에 다이 내면과 재료(600) 간의 완전한 밀착을 피하기 위해 설치하는 일정한 간극을 말한다.

딥드로잉 가공에서 제품 성형 후에 제품을 취출 하려고 하면 제품에는 블랭크홀더 힘과 패드 힘이 서로 마주보고 동시에 작용하게 되고 이때 걸리는 힘은 모두 제품의 측벽부에 작용하게 되며 제품 측벽부의 좌굴응력보다 측벽에 걸리는 힘이 세면 제품이 찌그러지게 되는 현상이 발생하게 된다. 이러한 현상을 방지하기 위해 릴리프부를 두는 것이고 이러한 릴리프는 제품 측벽부 좌굴응력보다 훨씬 작은 힘을 패드에 작용시켜 제품을 취출하게 하는 역할을 하게 됨으로써 변형 없이 제품을 취출할 수 있게 되는 것이다.

본 발명에 따르면 상부다이와 블랭크 홀더 사이에 가동 지연핀(300)을 설치하게 되는데, 상기 가동 지연핀은 제품 취출시 블랭크홀더의 가동을 지연시킬 목적으로 설치되는 것으로, 가동 지연핀으로 인해 제품이 패드에 의해 다이속에서 어느 정도 빠져나온 시점에서 블랭크홀더가 가동을 시작하므로 제품의 측벽부에는 다이 속에 있는 제품을 밀어내는 패드힘과 하측의 펀치(700)에 끼인 제품을 빼주는 블랭크홀더의 힘이 시차를 두고 작용하게 됨으로써 제품 측벽부의 찌그러짐을 방지할 수 있게 되는 것이다.

본 발명에 따르면 다이(200)의 형상을 도 6의 원 내부에 나타난 2단의 계단형 형상을 갖게 함으로써 딥드로잉 제품의 끝이 갈라지는 형상을 방지하도록 하는데 이를 자세히 설명하면 다음과 같다. 도 5는 일반적인 드로잉 성형과정을 나타낸 것으로 드로잉 작업을 여러번 반복하게 되면 소재가 경화되어 드로잉성형이 잘되지 않게 되는 것이 일반적인 현상이고 이로 말미암아 제품의 끝 부분이 갈라지는 불량이 발생하게 되는 것이다. 이는 드로잉 성형이 진행되다 마지막 끝 부분 플랜지부가 드로잉 성형작업 될 때 플랜지 끝부분이 벌어지면서 제품의 끝 라인이 늘어나지 않고 터지게 되어 발생하게 된다.

이러한 터짐 문제를 해결하기 위해 본 발명의 도 6과 같이 다이 형상을 2단 스텝형상으로 하게 되면 (원으로 표시된 부분)이 계단 형상의 다이에 의해 제품 소재의 끝부분이 드로잉 성형 시 밖으로 벌어지지 않고 안쪽으로 들어오게 되어 재료 끝 부분이 도 5에 나타난 일반 딥드로잉 가공의 경우와 같이 벌어져서 터지는 것을 방지할 수 있게 됨으로써 제품의 끝단부를 매끄럽게 성형하는 것이 가능하게 되는 것이다.

스텝형 다이는 도 6에 나타난 것과 같이 일체형(200)으로 만들 수도 있지만 도 7에 표시된 것과 같이 단이 지는 경계선을 따라 서로 다른 재질을 가진 2개의 부분(2001-1, 200-2)으로 분리하여 제작할 수도 있다. 이러한 구조로 제작하는 이유는 드로잉 가공이 진행되어 소재의 유동이 일어나게 되면 분리형 다이(200-1)의 경사면과 소재간에 마찰력이 다이의 다른 면보다 훨씬 강하게 작용하게 됨으로써 내마모성이 큰 재질의 사용이 요구되기 때문에 200-1 부분의 경사면이 표면경화 처리된 다이를 사용하게 되면 다이의 내구성을 크게 향상시킬 수 있기 때문이다.

도 8에는 본 발명에 나타난 딥드로잉 제조 장치를 사용하여 경고비가 커지는 순서대로 5단계의 딥드로잉 가공을 통해 로타리형 압축기의 케이스를 제작하는 단계별 제작과정이 나타나 있으며 도 9에는 도 8에 나타난 단계별 제작과정에서 다이와 블랭크홀더가 분리된 상태를 나타내 주고 있다. 도 8과 도 9에 나타난 딥드로잉 가공 과정을 도 10을 참조하여 종합적으로 다시 설명하면 다음과 같다.
상형을 매단 프레스 슬라이더가 상사점 위치에 있는 상태에서 가공재료(600)을 블랭크홀더(400)에 [도10]의 (A)에 나타난 바와 같이 올려놓은 후 프레스가 하강하게 되면 상부 다이(200)의 내측 스텝부(또는 제품 가이드부)가 제품의 모서리 라운드부에 닿아 제품을 아래로 밀게 되고 제품은 블랭크홀더를 아래로 밀어 내리게 된다. 계속해서 슬라이드가 하강하면 가공재료(600)의 내측 상면부분이 펀치(700)에 닿게 되고, 이때부터 드로잉성형이 시작되는 것이다. [도10]의 (B)는 드로잉 성형이 진행중인 상태를 나타내고 있으며 그림에서 보는 바와 같이 다이(200)와 블랭크홀더(400)와 가공재료(600)이 서로 맞닿는 시점에 가동지연핀(300)이 블랭크홀더와 다이사이의 간격을 일정하게 유지시켜서 드로잉성형이 깨끗하게 될 수 있도록 돕는 역할을 하게 되는 것이다.
프레스 슬라이더가 계속 하강하여 하사점에 도달하면 드로잉 성형작업은 완료되고 ([도10]의 (C) 참조) 프레스 슬라이더가 상승하게 되면 하측의 블랭크홀더(400)는 개스스프링(100)힘을 받아 제품을 펀치로부터 밀어 올리게 되고 상형의 패드(500)도 개스스프링의 힘으로 가공재료(600)을 다이(200)속에서 분리되도록 하고 슬라이더가 상사점에 도달했을 때는 [도10]의 (D)와 같이 제품이 펀치(700)와 상부다이로(200)부터 완전히 빠져나와 그림과 같이 블랭크홀더(400)위에 놓이게 되어 딥드로잉 과정이 끝나는 되는 것이다.

10 딥드로잉 장치
100 개스 스프링부
150 프레스면
200 (200-1, 200-2) 상부 다이
210 릴리프부
220 다이 스텝 형상부
250 스텝 선
300 가동지연핀
400 블랭크 홀더
500 패드
600 가공재료
700 펀치
800 에어쿳션부
900 상블록

Claims (4)

1. 판재로 된 가공재료를 딥드로잉하여 원통형 압력용기를 제조하는 장치에 있어서, 상기 제조 장치는 블랭크 홀더를 지지하기 위한 탄성지지부; 상부다이 내부의 상부와 상기 가공재료와의 마찰감소를 위해 설치된 릴리프부; 상기 상부 다이와 상기 블랭크 홀더 사이에 위치하며 상기 블랭크 홀더와 상기 상부 다이 사이의 간격을 일정하게 유지시키기 위한 가동지연핀; 상기 상부 다이 내부의 하부에 형성되어 있는 계단 형상의 스텝부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 딥드로잉 원통형 압력 용기 제조 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄성지지부는 프레스면과 연결되어 설치되는 개스스프링부 또는 프레스 내부에 설치되는 에어쿳션장치로 이루어지며 지지 가능 압력의 크기를 조절할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는 딥드로잉 원통형 압력 용기 제조 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 상부 다이는 스텝 선(250)을 기준으로 서로 다른 표면강도를 가진 두 부분이 상하로 결합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 딥드로잉 원통형 압력 용기 제조 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 장치를 사용하여 제조된 원통형 압력용기.

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