KR101530854B1 - 하이드로포밍 장치 - Google Patents

하이드로포밍 장치 Download PDF

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KR101530854B1
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한상빈
이태오
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Abstract

외주면에 돌기부가 형성된 림형 제품을 성형하기 위한 하이드로포밍 장치는 제품으로 성형될 튜브형 소재를 수용하며 돌기부가 성형되는 성형 공간을 구비한 금형부, 튜브형 소재의 일측을 밀폐하는 액팅 펀치, 튜브형 소재의 타측을 밀폐하는 카운터 펀치, 액팅 펀치를 관통하여 튜브형 소재의 내부 공간과 연통하는 유체 통로와, 유체 통로를 통해 튜브형 소재의 내부 공간으로 가압된 유체를 공급하는 유체 펌프를 포함하는 유체 공급 기구, 및 튜브형 소재의 내부 공간으로 유체가 공급되기 전에 튜브형 소재의 외주면에 돌기부를 예비로 성형하기 위한 예비 성형 기구를 포함한다.

Description

하이드로포밍 장치{HYDRO-FORMING APPARATUS}
본 발명은 돌기부를 갖는 림형 제품을 가공하기 위한 하이드로포밍 장치에 관한 것이다.
일반적으로 하이드로포밍 기술은 스탬핑 기술보다 강도 및 강성이 높은 고품질의 부품을 얻을 수 있는 기술의 하나로 부각되고 있다.
이러한 하이드로포밍 기술을 도 1을 참조하여 간략하게 설명한다. 우선, 속이 빈 튜브형 소재(M)을 성형하고자 하는 성형 공간이 형성된 금형(1)에 위치시키고 나서, 펀치(2, 3)를 이용하여 튜브형 소재(M)의 양단을 밀폐시킨다. 그런 다음, 일측 펀치의 중앙에 형성된 유체 주입구(4)를 통해 튜브형 소재(M) 내부에 유체를 주입하여 높은 압력을 가한다. 이에 따라 소재(M) 내부에 주입된 유체의 압력에 의해 소재(M)가 금형(1)에 형성된 성형 공간(1')으로 확장되면서 희망하는 형상을 갖는 튜브형 제품으로 성형되는 것이다.
그런데, 이러한 하이드로포밍 기술을 이용하여 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 외주면 둘레에 다수의 돌기부(Mp)가 소정 간격으로 형성된 림형 제품을 성형하는 것에는 매우 어려운 난제가 있었다. 즉, 특히 이 모서리 부분(10)이 각이 지고 돌기부(Mp)의 크기가 작은 경우에, 튜브형 소재(M)가 견딜 수 있을 정도의 유체 압력을 가지고서는 돌기부(Mp)의 모서리 부분(10)이 희망하는 형상대로 충분히 성형되지 못하고, 유체의 압력을 높이게 되면 튜브형 소재(M)가 압력을 견디지 못해 찢어지는 문제가 발생되곤 하였다.
본 발명의 목적은 외주면에 돌기부를 구비한 림형 제품을 쉽게 성형할 수 있는 하이드로포밍 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 하이드로포밍 장치는 제품으로 성형될 튜브형 소재를 수용하며 돌기부가 성형되는 성형 공간을 구비한 금형부, 튜브형 소재의 일측을 밀폐하는 액팅 펀치, 튜브형 소재의 타측을 밀폐하는 카운터 펀치, 액팅 펀치를 관통하여 튜브형 소재의 내부 공간과 연통하는 유체 통로와, 유체 통로를 통해 튜브형 소재의 내부 공간으로 가압된 유체를 공급하는 유체 펌프를 포함하는 유체 공급 기구, 및 튜브형 소재의 내부 공간으로 유체가 공급되기 전에 튜브형 소재의 외주면에 돌기부를 예비로 성형하기 위한 예비 성형 기구를 포함하며, 상기 예비 성형 기구는, 튜브형 소재의 내경과 동일한 외경을 갖는 관형 부재로서, 카운터 펀치로부터 튜브형 소재의 내부 공간으로 연장되고, 돌기부의 예비 성형을 행하는 전진 위치와 하이드로포밍을 행하는 후퇴 위치 사이에서 이동 가능한 성형체 지지부, 돌기부의 형상에 상응하는 형상을 가지고서 성형체 지지부의 돌기부에 대응하는 위치에 형성된 관통공을 통해 성형체 지지부의 반경 방향 외부로 돌출되고 그리고 지지부의 반경 방향 내부로 후퇴될 수 있게 설치되는 성형체, 액팅 펀치로부터 튜브형 소재의 내부 공간으로 연장되고, 전진 위치에 있는 성형체 지지부와 맞물려서 성형체가 성형체 지지부의 외부로 돌출되게 하는 전진 위치와 하이드로포밍을 행하도록 성형체 지지부와 분리되는 후퇴 위치 사이에서 이동 가능한 성형체 구동부, 및 성형체 지지부와 성형체 구동부를 각각 전진 위치와 후진 위치 사이에서 왕복 이동시키기 위한 한 쌍의 액추에이터를 포함한다. 바람직하게는, 액추에이터는 유압 실린더 또는 공압 실린더일 수 있다.
바람직하게는, 성형체는 탄성 수단에 의해 성형체 지지부의 내부로 탄력적으로 지지될 수 있고, 탄성 수단은 코일 스프링일 수 있다.
바람직하게는, 성형체는 그 저면에 경사면을 구비할 수 있고, 성형체 구동부는 전진 위치에서 성형체의 경사면과 맞물려서 성형체를 성형체 지지부의 외부로 돌출시키는 경사면을 구비할 수 있다.
바람직하게는, 액팅 펀치와 성형체 구동부가 일체로 형성되고, 카운터 펀치와 성형체 지지부가 일체로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 유체 공급 장치의 유체 통로가 액팅 펀치 및 성형체 구동부를 관통하여 튜브형 소재의 내부 공간과 연통할 수 있다.
본 발명에 따른 하이드로포밍 장치에 의하면, 예비 성형 기구를 이용하여 튜브형 소재에 돌기부를 예비로 성형한 후에 유체의 압력을 이용하여 돌기부를 온전한 형상으로 하이드로포밍하게 된다. 따라서, 종래와 같이 돌기부를 단지 유압에 의해 한번에 성형하는 경우에 발생하던 불충분한 성형 또는 소재가 찢어지는 현상이 일어나는 문제를 겪지 않으면서 림형 제품의 돌기부를 충분히 희망하는 형상대로 성형할 수 있다.
도 1은 하이드로포밍 기술의 개념을 설명하는 단면도이다.
도 2는 돌기부를 구비한 림형 제품을 하이드로포밍 기술로 제조하는 경우의 단점을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로 포밍 장치를 도시한 일부 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로 포밍 장치에서 성형체 지지부와 성형체 구동부가 분리된 상태로 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로 포밍 장치에서 성형체 지지부와 성형체 구동부가 맞물려 성형체가 제품의 돌기부를 예비성형하도록 돌출된 상태를 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍 장치가 도 3 내지 도 7에 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍 장치는 금형부(100)와, 액팅 펀치(220)와, 카운터 펀치(240)와, 유체 공급 기구와, 예비 성형 기구(400)를 포함하여 이루어진다.
금형부(100)는 림형 제품으로 성형될 튜브형 소재(M)를 수용하며, 림형 제품의 돌출부를 성형하기 위한 성형 공간(120)을 구비한다.
튜브형 소재(M)가 금형부(100)에 수용되면, 액팅 펀치(220)와 카운터 펀치(240)가 튜브형 소재(M)의 양단을 밀폐한다. 이에 따라 튜브형 소재의 내부 공간이 외부와 완전히 차단된다.
유체 공급 기구는 유체 펌프(미도시)와 유체 펌프로부터 토출되는 유체를 튜브형 소재(M)의 내부 공간으로 안내하는 유체 통로(320)를 포함한다. 대부분의 경우, 유체 통로는 액팅 펀치(220)를 관통하여 튜브형 소재(M)의 내부 공간과 연통된다.
여기까지의 구성은 일반적인 하이드로포밍 장치의 구성과 동일하며, 튜브형 소재(M)가 금형부(100)에 수용된 상태에서 한 쌍의 펀치가 소재(M)의 양단을 밀폐하고 유체 통로(320)를 통해 소재(M)의 내부 공간으로 유체가 공급됨으로써 유체의 압력에 의해 소재(M)가 희망하는 형상대로 성형되는 것이다.
본 발명은, 그러나, 유체를 이용한 하이드로포밍 작업을 행하기 전에 예비 성형 기구(400)를 이용하여 튜브형 소재(M)의 외주면에 돌기부(Mp)를 미리 예비로 성형한다는 것에 그 특징이 있다. 즉, 본 발명에서는 예비 성형 기구(400)를 이용하여 소재(M)에 돌기부(Mp)를 미리 그 형상에 가깝게 예비 성형한 다음에 유체의 압력으로 돌기부(Mp)를 온전히 희망하는 형상대로 성형하게 되는 것이다.
이러한 기능을 하는 예비 성형 기구(400)는 성형체(410)와 성형체 지지부(420)와 성형체 구동부(440)와 한 쌍의 액추에이터(460, 470)로 이루어진다. 성형체(410)는 성형체 지지부(420)에 설치되고, 성형체 지지부(420)는 카운터 펀치(240)에 고정되고, 성형체 구동부(440)는 액팅 펀치(220)에 고정된다.
구체적으로, 성형체 지지부((420)는 카운터 펀치(240)의 내면으로부터 튜브형 소재(M)의 내부 공간을 향해 연장되는 관 형상의 부재이다. 성형체 지지부(420)의 외경은 튜브형 소재(M)의 내경과 대략 일치한다. 바람직하게는, 성형체 지지부(420)는 카운터 펀치(240)와 일체로 형성되고, 카운터 펀치(240)의 후측에 배치된 액추에이터(460)에 의해서 돌기부(Mp)의 예비 성형 작업을 행하는 전진 위치(도 6 및 도 7의 위치)와 하이드로포밍 작업을 행하는 후퇴 위치(도 4 및 도 5의 위치) 사이에서 이동될 수 있다. 이를 위해 카운터 펀치(240)는 그 전단부가 튜브형 소재(M)의 타단을 밀폐한 상태에서 튜브형 소재(M)의 내부로 좀 더 들어갈 수 있게 구성된다. 대안적으로, 성형체 지지부(420)가 카운터 펀치(240)와 일체로 형성되는 대신 성형체 지지부(420)가 카운터 펀치(240)를 관통하여 상대이동할 수 있게 구성될 수도 있다. 이 경우 성형체 지지부(420)를 이동시키는 액추에이터(460)는 카운터 펀치(240)를 관통하여 튜브형 소재(M)의 외부로 돌출되는 성형체 지지부(420)의 부분과 직접 연결된다. 성형체 지지부(420)를 전진 위치와 후진 위치 사이에서 이동시키는 액추에이터(460)는 유압 실린더 또는 공압 실린더일 수 있다.
성형체 지지부(420)가 전진 위치에 있는 상태에서 금형부(100)의 돌기부 성형 공간(120)에 대응하는 성형체 지지부(420)의 위치에 관통공(422)이 형성되고, 이 관통공에 성형체(410)가 설치된다. 성형체(410)의 상부는 돌기부의 형상에 가까운 형상으로 형성된다. 그리고 성형체(410)의 하부에는 소정의 곡면(412) 또는 경사면이 형성된다. 성형체(410)는 림형 제품에 구비된 돌기부의 수에 대응하는 수로 성형체 지지부(420)의 원주를 따라 소정 간격으로 형성된다.
성형체(410)의 중앙부에 전후로 돌출된 한 쌍의 지지판(414)이 형성되어 있고, 이 지지판(414)과 성형체 지지부(420)의 내주면 사이에 다수의 탄성 수단, 바람직하게는 코일 스프링(416)들이 개재된다. 이에 따라, 성형체(410)는 그 상단이 성형체 지지부(420)의 외주면 밖으로 돌출하지 않도록 성형체 지지부(420)의 내부를 향해 탄력적으로 지지된다. 도면 부호 418과 419는 성형체(410)를 성형체 지지부(420)에 고정하는 고정편과 볼트이다.
한편, 성형체 구동부(440)는 액팅 펀치(220)의 내주면으로부터 튜브형 소재(M)의 내부 공간을 향해 연장하는 원통형 부재이다. 성형체 구동부(440)는 그 단부측 부분이 성형체 지지부(420)의 내부로 삽입되어 맞물리도록 단부측 부분의 외경이 대략 성형체 지지부(420)의 내경과 동일하게 형성된다. 바람직하게는, 성형체 지지부(420)와 마찬가지로, 성형체 구동부(440)도 액팅 펀치(220)와 일체로 형성되고, 액팅 펀치(220)의 후측에 배치된 액추에이터(470)에 의해서 돌기부의 예비 성형 작업을 행하는 전진 위치(도 6 및 도 7의 위치)와 하이드로포밍 작업을 행하는 후퇴 위치(도 4 및 도 5의 위치) 사이에서 이동될 수 있다. 이를 위해, 액팅 펀치(220)는 그 전단부가 튜브형 소재(M)의 일단을 밀폐한 상태에서 튜브형 소재(M)의 내부로 좀 더 들어갈 수 있게 구성된다. 그리고, 유체 공급 기구의 유체 통로는 액팅 펀치(220)와 성형체 구동부(440)를 관통하여 튜브형 소재(M)의 내부 공간과 연통할 수 있다. 대안적으로, 성형체 구동부(440)가 액팅 펀치(220)와 일체로 형성되는 대신에 성형체 구동부(440)가 액팅 펀치(220)를 관통하여 상대이동할 수 있게 구성될 수도 있다. 이 경우 성형체 구동부(440)를 이동시키는 액추에이터(470)는 액팅 펀치(220)를 관통하여 튜브형 소재(M)의 외부로 돌출되는 성형체 구동부(440)의 부분과 직접 연결된다. 성형체 구동부(440)를 전진 위치와 후진 위치 사이에서 이동시키는 액추에이터(470)는 유압 실린더 또는 공압 실린더일 수 있다.
성형체 구동부(440)는 그 전단부에 곡면(442) 또는 경사면이 형성되어 있는데, 이 곡면(442) 또는 경사면은 성형체 구동부(440)가 전진 위치로 이동되는 경우에 성형체(410)의 곡면(412) 또는 경사면과 맞물려서 성형체(410)의 상부가 성형체 지지부(420)의 외주면 밖으로 돌출되도록 성형체(410)를 밀어내는 역할을 한다. 대부분의 경우 림형 제품의 돌기부가 림형 제품의 원주를 따라 다수 형성되고 이에 따라 성형체(410)도 성형체 지지부(420)의 원주를 따라 다수 형성되기 때문에, 성형체 구동부(440)의 곡면 또는 경사면도 성형체 구동부의 전단부에 원주를 따라 형성되어서 다수의 성형체(410)의 곡면(412)들 또는 경사면들과 한꺼번에 맞물리게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 성형체 지지부(420)는 카운터 펀치(240)에 설치되고 성형체 구동부(440)는 액팅 펀치(220)에 설치되는 것으로 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 이와 반대로 성형체 지지부(420)가 액팅 펀치(220)에 설치되고 성형체 구동부(440)가 카운터 펀치(240)에 설치되는 구성을 취할 수도 있다.
이하, 위에서 설명한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍 장치의 작용을 설명한다.
돌기부를 갖는 림형 제품으로 성형될 튜브형 소재(M)가 금형부(100)에 안착되고, 성형체 구동부(440)를 구비한 액팅 펀치(220)와 성형체 지지부(420)를 구비한 카운터 펀치(240)가 튜브형 소재(M)의 양단을 밀폐하도록 세팅된다(도 4 및 도 5).
이 상태에서 액추에이터(460)가 작용하여 성형체 지지부(420)를 카운터 펀치(240)와 함께 전진 위치까지 이동시킨다. 성형체 지지부(420)가 전진 위치에 위치되면, 성형체 지지부(420)의 원주를 따라 배치된 성형체(410)가 소재(M)의 돌기부가 형성될 부분, 다시 말해 금형의 돌기부 성형 공간(120)에 대응하는 위치에 놓이게 된다.
다음으로 성형체 구동부(440)가 액추에이터(470)에 의해 전진 위치까지 전진된다. 성형체 구동부(440)가 전진 위치로 전진함에 따라, 성형체 구동부(440)의 전단부에 형성된 곡면(442) 또는 경사면이 성형체(410)의 곡면(412) 또는 경사면과 맞물리면서 성형체(410)의 상부를 성형체 지지부(420)의 외주면 바깥으로 밀어내게 된다. 이에 따라 튜브형 소재(M)의 해당 부분이 성형체(410)의 상부에 의해 성형 공간(120)으로 밀리면서 돌기부(Mp)가 예비 성형된다(도 6 및 도 7). 성형체 구동부(440)가 전진 위치에 위치된 상태에서 성형체(410)는 성형체 지지부(420)의 바깥으로 가장 돌출된 상태가 되고, 돌기부(Mp)도 모서리 일부를 제외하고는 거의 희망하는 형상에 가깝게 예비 성형된다.
예비 성형이 완료된 후에, 액추에이터(470)가 작동하여 성형체 구동부(440)가 후퇴 위치로 후퇴한다. 그러면, 성형체 구동부(440)의 곡면(442) 또는 경사면이 성형체(410)의 곡면(412) 또는 경사면으로부터 떨어지고, 스프링(416)의 탄성에 의해 성형체(410)가 원래 위치로 복귀된다. 이에 따라 성형체(410)의 상부가 성형체 지지부(420)의 내부에 위치된다. 그런 다음, 성형체 지지부(420)가 후퇴 위치로 후퇴된다. 이에 따라 튜브형 소재(M)에 대한 예비 성형 작업이 완료된다.
예비 성형 작업이 완료된 후에, 유체 펌프가 작동하여 가압된 유체를 유체 통로(320)를 통해 튜브형 소재(M)의 내부 공간으로 공급한다. 내부 공간으로 공급되는 유체의 압력이 상승함에 따라 예비 성형된 돌기부(Mp)가 성형 공간(120)에 꽉 차게 변형되어 돌기부(Mp)가 희망하는 형상대로 완전히 성형된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로포밍 장치에 의하면, 예비 성형 기구(400)를 이용하여 튜브형 소재(M)에 돌기부(Mp)를 예비로 성형한 후에 유체의 압력을 이용하여 돌기부(Mp)를 온전한 형상으로 하이드로포밍하게 된다. 따라서, 종래와 같이 돌기부(Mp)를 단지 유압에 의해 한번에 성형하는 경우에 발생하던 불충분한 성형 또는 소재(M)가 찢어지는 현상이 일어나는 문제를 겪지 않으면서 림형 제품의 돌기부를 충분히 희망하는 형상대로 성형할 수 있다.
이상에서는, 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 얼마든지 다양하게 본 발명을 개조, 변형 또는 응용하여 실시할 수 있을 것이다.
M: 튜브형 소재 Mp: 돌기부
100: 금형부 120: 돌기부 성형 공간
220: 액팅 펀치 240: 카운터 펀치
320: 유체 통로 400: 예비 성형 기구
410: 성형체 412: 곡면
414: 지지판 416: 스프링
420: 성형체 지지부 440: 성형체 구동부
442: 곡면 460, 470: 액추에이터

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  2. 외주면에 돌기부가 형성된 림형 제품을 성형하기 위한 하이드로포밍 장치로서,
    제품으로 성형될 튜브형 소재를 수용하며 돌기부가 성형되는 성형 공간을 구비한 금형부;
    튜브형 소재의 일측을 밀폐하는 액팅 펀치;
    튜브형 소재의 타측을 밀폐하는 카운터 펀치;
    액팅 펀치를 관통하여 튜브형 소재의 내부 공간과 연통하는 유체 통로와, 유체 통로를 통해 튜브형 소재의 내부 공간으로 가압된 유체를 공급하는 유체 펌프를 포함하는 유체 공급 기구; 및
    튜브형 소재의 내부 공간으로 유체가 공급되기 전에 튜브형 소재의 외주면에 돌기부를 예비로 성형하기 위한 예비 성형 기구를 포함하며,
    상기 예비 성형 기구는,
    튜브형 소재의 내경과 동일한 외경을 갖는 관형 부재로서, 카운터 펀치로부터 튜브형 소재의 내부 공간으로 연장되고, 돌기부의 예비 성형을 행하는 전진 위치와 하이드로포밍을 행하는 후퇴 위치 사이에서 이동 가능한 성형체 지지부;
    돌기부의 형상에 상응하는 형상을 가지고서 성형체 지지부의 돌기부에 대응하는 위치에 형성된 관통공을 통해 성형체 지지부의 반경 방향 외부로 돌출되고 그리고 지지부의 반경 방향 내부로 후퇴될 수 있게 설치되는 성형체;
    액팅 펀치로부터 튜브형 소재의 내부 공간으로 연장되고, 전진 위치에 있는 성형체 지지부와 맞물려서 성형체가 성형체 지지부의 외부로 돌출되게 하는 전진 위치와 하이드로포밍을 행하도록 성형체 지지부와 분리되는 후퇴 위치 사이에서 이동 가능한 성형체 구동부; 및
    성형체 지지부와 성형체 구동부를 각각 전진 위치와 후진 위치 사이에서 왕복 이동시키기 위한 한 쌍의 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드포밍 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    액추에이터는 유압 실린더 또는 공압 실린더인 것을 특징으로 하는 하이드로포밍 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    성형체는 탄성 수단에 의해 성형체 지지부의 내부로 탄력적으로 지지되는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    성형체는 그 저면에 경사면을 구비하고,
    성형체 구동부는 전진 위치에서 성형체의 경사면과 맞물려서 성형체를 성형체 지지부의 외부로 돌출시키는 경사면을 구비한 것을 특징으로 하는 하이드로포밍 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    액팅 펀치와 성형체 구동부가 일체로 형성되고, 카운터 펀치와 성형체 지지부가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 하이드로포밍 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    유체 공급 장치의 유체 통로가 액팅 펀치 및 성형체 구동부를 관통하여 튜브형 소재의 내부 공간과 연통하는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2000140965A (ja) * 1998-11-10 2000-05-23 Shikoku:Kk 突起付きパイプ及びその製造装置
JP2006263752A (ja) * 2005-03-22 2006-10-05 Nissan Motor Co Ltd 液圧成形方法と装置

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