KR101535113B1 - 하이브리드 점진 판재 성형 장치 및 점진 판재 성형 방법 - Google Patents

Abstract

점진 판재 성형 장치는, 하부 다이, 상기 하부 다이 상에 위치하며, 양 단이 고정 부재에 의해 상기 하부 다이에 고정되어 있는 하부 더미 판재 및 상부 더미 판재를 포함하는 더미 판재, 상기 하부 더미 판재와 상부 더미 판재 사이에 위치하며, 상기 하부 다이에 대하여 고정되어 있지 않아, 양 단의 변위가 발생할 수 있는 성형 판재 및 상기 상부 더미 판재를 가압하며 소정의 궤적을 따라 이동하면서 상기 성형 판재를 성형하는 성형용 공구를 포함한다.

Description

하이브리드 점진 판재 성형 장치 및 점진 판재 성형 방법 {HYBRID INCREMENTAL SHEET FORMING APPARATUS AND INCREMENTAL SHEET FORMING METHOD}

본 발명은 하이브리드 점진 판재 성형 장치 및 점진 판재 성형 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 성형 판재 대신에 하부 다이에 고정되는 상하 더미 판재 사이에 성형할 판재를 채용하여 성형할 판재에 장출 성형과 드로잉 성형을 동시에 부여하는 점진 판재 성형 장치 및 점진 판재 성형 방법에 관한 것이다.

일반적인 판재의 성형방법으로는 암수 한 쌍의 금형을 이용하여 금형 사이에 판재를 넣고 프레스로 금형을 누름으로써 금형의 형상대로 성형이 되도록 하는 매칭 다이 성형법이 널리 사용되고 있다. 이러한 판재 성형방법은 금형을 사용함에 따라 대량 생산에 적합하나, 성형품의 구조가 복잡한 경우에는 적용이 곤란하고 성형품마다 금형을 다시 제작하여야 하는 단점이 있다.

이에 따라 최근 추세에 맞는 소량 다품종 생산에 적합하고 성형품의 구조에 관계없이 판재 성형이 가능한 점진 판재 성형 기술이 개발되었다. 점진 판재 성형 기술이란 통상적인 판재 성형과는 달리 금형을 이용하지 않고 3 차원 형상의 제품을 성형할 수 있도록 하는 성형 기술이다. 구체적으로, 성형 판재의 가장자리 부분을 고정 부재로 고정한 상태에서 성형용 공구가 등고선 형태의 궤적을 따라 이동하면서 3 차원 형상의 성형품을 제조하는 기술이다.

그러나, 종래의 점진 판재 성형 방법 (한국 특허출원발명 제10-2006-0032167호) 은, 성형 판재의 가장자리 부분을 고정 부재로 고정한 상태에서 성형용 공구에 의해 눌려지는 성형 판재 부분이 장출 성형하여 점진적 성형이 이루어지기 때문에, 성형된 제품의 두께는 원래 재료인 성형 판재의 두께보다 많이 얇아져서, 성형공정 중에 파단이 발생하거나 성형된 제품의 강성이 낮은 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 성형품의 두께 감소를 작게 하여 원하는 강성을 지니는 성형품을 제조할 수 있는 점진 판재 성형 장치 및 성형 방법의 필요성이 대두되고 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는, 성형품의 두께 감소를 작게 하여 원하는 강성을 지니는 성형품을 제조할 수 있고, 복잡한 제품의 시제작이 가능한 점진 판재 성형 장치 및 성형 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 장치는, 하부 다이, 상기 하부 다이 상에 위치하며, 양 단이 고정 부재에 의해 상기 하부 다이에 고정되어 있는 하부 더미 판재 및 상부 더미 판재를 포함하는 더미 판재, 상기 하부 더미 판재와 상부 더미 판재 사이에 위치하며, 상기 하부 다이에 대하여 고정되어 있지 않아, 양 단의 변위가 발생할 수 있는 성형 판재 및 상기 상부 더미 판재를 가압하며 소정의 궤적을 따라 이동하면서 상기 성형 판재를 성형하는 성형용 공구를 포함한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 방법은, 하부 다이 상에 하부 더미 판재, 성형 판재 및 상부 더미 판재 순으로 상기 판재들을 위치시키는 단계, 상기 판재들 중에서 상기 하부 더미 판재 및 상부 더미 판재의 양 단을 고정 부재를 통해 상기 하부 다이에 고정시키는 단계 및 성형용 공구가 상기 상부 더미 판재를 가압하며 소정의 궤적을 따라 이동하면서 상기 성형 판재를 성형하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 성형품의 두께 감소를 작게 하여 원하는 강성을 지니는 성형품을 제조할 수 있고, 복잡한 제품의 시제작이 가능한 점진 판재 성형 장치 및 성형 방법을 제공할 수 있다.

도 1 은 종래의 점진 판재 성형 장치의 개략도이다.
도 2 는 종래의 점진 판재 성형 장치에 의해 제조된 성형품을 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 장치의 개략도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 장치의 성형용 공구의 이동 경로 궤적을 나타내는 간략도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 장치에 의해 제조된 성형품의 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 방법의 흐름도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 1 및 2 를 참조하여, 종래의 점진 판재 성형 장치 및 성형 방법을 설명한다. 도 1 은 종래의 점진 판재 성형 장치의 개략도이다. 도 2 는 종래의 점진 판재 성형 장치에 의해 제조된 성형품을 나타내는 도면이다.

종래의 점진 판재 성형 장치는 하부 다이 (10), 성형 판재 (30), 고정 부재 (20) 및 성형용 공구 (40) 를 포함한다. 하부 다이 (10) 상에 성형 판재 (30) 가 위치되어 하부 다이 (10) 는 성형 판재 (30) 를 지지하며, 성형 판재 (30) 의 양 단은 고정 부재 (20) 에 의해 하부 다이 (10) 에 고정되어 있다. 이러한 배치 관계 하에서, 성형용 공구 (40) 가 성형 판재 (30) 를 가압하면서 3 차원 궤적을 따라 이동함에 따라 성형품이 제조된다.

그러나, 이러한 종래의 점진 판재 성형 방법의 경우, 성형 판재 (30) 의 양 단이 고정 부재 (20) 에 의해 하부 다이 (10) 에 고정됨에 따라, 성형 판재 (30) 가 장출 성형되는 동안 하부 다이 (10) 내부로 성형 판재 (30) 의 유입이 일어나지 않게 되고, 그 결과 성형품 (70) 의 두께가 감소하여 도 2 에서 보는 바와 같이, 성형품의 소정 부분, 특히 모서리 부분 (도 2 에서 1 점 쇄선으로 그려진 원의 내부) 에 파단 현상 등이 발생한다는 문제점이 있어왔다.

이러한 문제점을 해결하고자 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 점진 판재 성형 장치 및 방법이 발명되었으며, 이하 이에 대해서 자세히 설명한다.

도 3 내지 5 를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 장치를 설명한다. 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 장치의 개략도이다. 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 장치의 성형용 공구의 이동 경로 궤적을 나타내는 간략도이다. 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 장치에 의해 제조된 성형품의 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 장치는 하부 다이 (10), 더미 판재, 성형 판재 (30), 성형용 공구 (40) 를 포함한다.

하부 다이 (10) 는 더미 판재 및 성형 판재 (30) 를 지지하며, 성형 판재 (30) 의 작업 공간이 형성될 수 있도록 소정의 형상을 가질 수 있고, 특히 성형품 (70) 이 깊이를 가지는 부재 (예: 바구니) 일 경우 제조 과정에서 성형품 (70) 에 깊이를 부여하기 위해 성형용 공구 (40) 가 아래 방향으로 성형 판재 (30) 를 가압하여 성형 판재 (30) 가 부분적으로 함몰 될 수 있도록 하부 다이 (10) 에는 함몰 부분이 형성되어 있을 수 있다.

하부 다이 (10) 는 전후 방향 및 좌우 방향 중 하나 이상의 방향으로 이동할 수 있으며, 이러한 하부 다이 (10) 의 이동은 성형용 공구 (40) 의 이동과 함께 성형품 (70) 을 좀 더 정교하고 효율적으로 제조 가능하게 한다. 하부 다이 (10) 을 이동시키는 이동 수단으로는 하부 다이 (10) 를 전후 방향 및 좌우 방향으로 이동시킬 수 있다면 제한이 없다. 또한, 경우에 따라서는, 하부 다이 (10) 는 전후 방향 및 좌우 방향뿐만 아니라 상하 방향으로도 이동할 수 있으며, 이동하지 않고 고정되어 있을 수도 있다.

더미 판재는 상부 더미 판재 (50) 및 하부 더미 판재 (60) 를 포함하며, 상부 더미 판재 (50) 및 하부 더미 판재 (60) 는 하부 다이 (10) 상에 배치되어, 그들의 사이에 성형 판재 (30) 를 수용하고 있다. 본 발명에서는 종래의 경우와 다르게 더미 판재를 사용하고 있는 데, 더미 판재의 양 단이 고정 부재 (20) 에 의해 하부 다이 (10) 에 고정되고 그들의 사이 공간에 성형 판재 (30) 를 배치시킴으로써, 성형 판재 (30) 가 고정 부재 (20) 에 의해 하부 다이 (10) 에 고정되어 있지 않음에도 성형 판재 (30) 를 하부 다이 (10) 상에 위치시킬 수 있으며, 또한 성형 판재 (30) 가 이동 가능하여 성형 과정에서 하부 다이 (10) 의 만곡부를 따라 하부 다이 (10) 내부로 유입되는 드로잉이 허용된다.

구체적으로, 성형 판재 (30) 를 성형하는 과정에서, 성형용 공구 (40) 가 상부 더미 판재 (50) 를 가압하면서 3 차원 궤적, 특히 상하 방향으로 이동함에 따라, 더미 판재 및 성형 판재 (30) 가 하부 다이 (10) 의 함몰부에 대응하여 부분적으로 함몰되며, 동시에 성형 판재 (30) 가 고정되어 있지 않아 성형 판재 (30) 의 양 단이 고정 부재 (20) 로부터 멀어지면서 성형 판재 (30) 는 하부 다이 (10) 의 함몰되는 부분으로 유입된다. 이렇게 성형 판재 (30) 가 유입됨에 따라, 성형 판재 (30) 가 장출 성형되는 동안 재료가 계속적으로 수급되어 성형품 (70) 의 두께가 감소하지 않고 일정한 두께를 유지하며, 그 결과 종래의 문제점인 성형품의 파단 현상 등이 발생하지 않게 된다.

또한, 더미 판재는 성형 과정에서 성형 판재 (30) 의 드로잉에 의해 성형 판재에 주름이 발생되는 것을 억제할 수 있는 항복 응력을 가질 수 있으며, 그 결과 성형용 공구 (40) 가 상부 더미 판재 (50) 를 가압하여 함몰시키더라도 성형 판재 (30) 에 주름이 생기지 않게 되어 성형품 (70) 의 제품으로서의 가치를 높일 수 있고, 제조 과정에서 성형품 (70) 의 불량률을 줄일 수 있다.

성형 판재 (30) 는 점진 판재 성형 방법에 의해 성형품 (70) 으로 제조될 소재로서, 이러한 소재는 스테인리스 합금 (SUS) 또는 알루미늄 (Al) 등의 블랭크 소재일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제조하고자 하는 성형품 (70) 의 종류에 따라 성형 판재 (30) 의 소재는 다양하다. 한편, 성형 판재 (30) 로서 난성형 소재를 사용하는 경우는 소재를 가열하여 온간 성형을 실시할 수도 있다.

또한, 성형 판재 (30) 는 양 단의 거리가 더미 판재의 양 단의 거리보다 짧아, 더미 판재는 고정 부재 (20) 에 의해 하부 다이 (10) 에 고정되는 반면에 성형 판재 (30) 는 고정되지 않아 양 단의 변위 (a, b) 발생이 가능하여 드로잉이 허용된다.

성형용 공구 (40) 는 상하 이동하면서 상부 더미 판재 (50) 를 가압하여 결과적으로 성형 판재 (30) 를 가압함으로써 성형 판재 (30) 가 원하는 형상의 성형품 (70) 이 되도록 하는 공구이다. 성형용 공구 (40) 는 상부 더미 판재 (50) 에 대하여 등고선 모양의 공구궤적을 그리면서 일주 운동을 한 후, 아래 방향으로 이동하면서 성형 판재 (30) 를 성형하게 된다. 따라서, 성형용 공구 (40) 는 도 4 에 도시된 바와 같이 등고선을 그리듯이 성형품 (70) 의 가장 높은 부분부터 낮은 부분으로 점진 성형을 수행하게 된다.

또한, 성형용 공구 (40) 는 상부 더미 판재 (50) 와 맞닿는 부분이 소정의 곡률 반경을 갖는 반구 형상일 수 있다.

추가적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 장치는, 성형용 공구 (40) 를 이동시키는 구동기 및 구동기를 제어하는 제어 장치를 포함할 수 있으며, 또한 제어 장치는 성형용 공구 (40) 의 이동 경로 정보를 제공하는 컴퓨터 수치 제어 (Computer Numerical Control; CNC) 장치를 포함할 수 있다.

제어 장치의 컴퓨터 수치 제어 장치는 CAD/CAM 을 통해 성형용 공구 (40) 의 이동 경로에 관한 NC 데이터를 생성한 후, 생성한 NC 데이터를 제어 장치에 제공할 수 있다. 이렇게, 컴퓨터 수치 제어 장치를 이용함에 따라 점진 판재 성형 과정을 자동화할 수 있고, 그 결과 복잡한 형상을 가진 성형품 (70) 을 성형할 수 있으며, 3D CAD 정보만 있으면 언제든지 제품 생산이 가능하므로 A/S 부품을 보유하지 않아도 되는 장점이 있다. 또한, 설계 변경에 대한 즉각적인 수용이 가능하여 개발단계의 디자인 검증 및 기계적 성질 테스트를 위한 시작품의 제작에 유용하다.

전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 장치에 의해 제조된 성형품 (70) 은 자동차 또는 건축물의 시제품일 수 있으며, 그 적용 대상은 다양할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 장치를 설명하였으며, 이하 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 방법을 설명한다.

도 3 내지 6 을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 방법을 설명한다. 도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 방법의 흐름도이다.

도 6 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 방법은, 하부 다이 상에 하부 더미 판재, 성형 판재 및 상부 더미 판재 순으로 판재들을 위치시키는 단계 (S10), 하부 더미 판재 및 상부 더미 판재의 양 단을 고정 부재를 통해 하부 다이에 고정시키는 단계 (S20), 성형용 공구가 상부 더미 판재를 가압하며 소정의 궤적을 따라 이동하면서 성형 판재를 성형하는 단계 (S30) 를 포함한다.

도 3 및 6 을 참조하면, 하부 다이 상에 하부 더미 판재, 성형 판재 및 상부 더미 판재 순으로 판재들을 위치시키는 단계 (S10) 는, 하부 다이 (10) 상에 하부 더미 판재 (60) 및 상부 더미 판재 (50) 를 위치시키고, 상기 판재들 사이에 성형 판재 (30) 를 배치하여, 하부 다이 (10) 상에 하부 더미 판재 (60), 성형 판재 (30) 및 상부 더미 판재 (50) 순으로 판재들을 위치시킨다.

도 3 및 6 을 참조하면, 하부 더미 판재 및 상부 더미 판재의 양 단을 고정 부재를 통해 하부 다이에 고정시키는 단계 (S20) 는, 하부 다이 (10) 상에 하부 더미 판재 (60), 성형 판재 (30) 및 상부 더미 판재 (50) 순으로 판재들을 위치시킨 후, 하부 더미 판재 (60) 및 상부 더미 판재 (50) 를 고정 부재 (20) 를 통해 하부 다이 (10) 상에 고정시킨다. 이 때, 성형 판재 (30) 의 크기는 하부 더미 판재 (60) 및 상부 더미 판재 (50) 의 크기보다 작기 때문에, 구체적으로 성형 판재 (30) 의 양 단의 거리는 하부 더미 판재 (60) 와 상부 더미 판재 (50) 의 양 단의 거리보다 짧기 때문에, 성형 판재 (30) 는 고정 부재 (20) 를 통해 하부 다이 (10) 에 고정되지 않는다.

이렇게, 성형 판재 (30) 가 고정되지 않음으로써, 하부 더미 판재 (60) 와 상부 더미 판재 (50) 사이에서 성형 판재 (30) 는 이동이 가능하며, 성형 과정에서 성형 판재 (30) 가 함몰됨과 함께, 성형 판재 (30) 의 양 단이 변위 (a, b) 를 발생하여 성형 판재 (30) 가 함몰부로 유입되게 된다. 그 결과, 성형품 (70) 의 두께를 일정하게 유지하여 성형품 (70) 의 파단이 발생하지 않는다.

도 4 내지 6 을 참조하면, 성형용 공구가 상부 더미 판재를 가압하며 소정의 궤적을 따라 이동하면서 성형 판재를 성형하는 단계 (S30) 는, 하부 다이 (10) 상에 하부 더미 판재 (60), 성형 판재 (30) 및 상부 더미 판재 (50) 순으로 판재들을 위치시키고, 하부 더미 판재 (60) 및 상부 더미 판재 (50) 를 고정 부재 (20) 를 통해 하부 다이 (10) 상에 고정시킨 후, 성형용 공구 (40) 는 등고선 궤적 또는 3 차원 형상의 궤적을 따라 이동하면서 상부 더미 판재 (50) 를 가압하고, 그에 따라 상부 더미 판재 (50) 아래에 위치한 성형 판재 (30) 도 가압되면서 하부 다이 (10) 내부로 유입되는 드로잉이 일어나며, 이러한 과정을 거쳐 성형 판재 (30) 는 성형품 (70) 으로 제조된다. 이렇게 제조된 성형품 (70) 은 자동차 또는 건축물의 시제품일 수 있다.

이상 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 점진 판재 성형 방법은, 기존의 점진 성형 기술 및 장비를 활용하면서 장출과 드로잉을 조합한 하이브리드 형태의 성형품 제조가 가능하기 때문에 복잡한 형상의 시제품 제조에 활용이 가능하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10: 하부 다이 20: 고정 부재
30: 성형 판재 40: 성형용 공구
50: 상부 더미 판재 60: 하부 더미 판재
70: 성형품

Claims (5)

1. 하부 다이;
   상기 하부 다이 상에 위치하며, 양 단이 고정 부재에 의해 상기 하부 다이에 고정되어 있는 하부 더미 판재 및 상부 더미 판재를 포함하는 더미 판재;
   상기 하부 더미 판재와 상부 더미 판재 사이에 위치하며, 상기 하부 다이에 대하여 고정되어 있지 않아, 양 단의 변위가 발생할 수 있는 성형 판재; 및
   상기 상부 더미 판재를 가압하며 소정의 궤적을 따라 이동하면서 상기 성형 판재를 성형하는 성형용 공구를 포함하는 점진 판재 성형 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 성형 판재를 성형하는 과정에서, 상기 더미 판재 및 성형 판재가 부분적으로 함몰되며, 동시에 상기 성형 판재가 상기 함몰되는 부분으로 유입됨에 따라 상기 성형 판재의 양 단이 상기 고정 부재로부터 멀어지는 점진 판재 성형 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 성형 판재의 양 단의 거리가 상기 더미 판재의 양 단의 거리보다 짧은 점진 판재 성형 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 더미 판재는 상기 성형 과정에서 상기 성형 판재에 주름이 발생되는 것을 억제할 수 있는 항복 응력을 가지는 점진 판재 성형 장치.
5. 하부 다이 상에 하부 더미 판재, 성형 판재 및 상부 더미 판재 순으로 상기 판재들을 위치시키는 단계;
   상기 판재들 중에서 상기 하부 더미 판재 및 상부 더미 판재의 양 단을 고정 부재를 통해 상기 하부 다이에 고정시키는 단계; 및
   성형용 공구가 상기 상부 더미 판재를 가압하며 소정의 궤적을 따라 이동하면서 상기 성형 판재를 성형하는 단계를 포함하는 점진 판재 성형 방법.

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