KR101647212B1 - 가압 성형 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 유체의 정수압을 사용하여 부품을 성형할 수 있으며, 유체의 압력을 크게 유지하지 않더라도 금형과의 조합에 의해 큰 압력을 형성할 수 있어 우수한 성형 특성을 얻을 수 있도록 한 가압 성형 장치 및 방법을 제공하는 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 가압 성형 장치는 소재 성형을 위한 캐비티를 갖는 제1금형; 상기 제1금형에 형합되도록 가동되는 제2금형; 및 상기 제1금형과 상기 제2금형 사이에 개재되며 내부에 유체가 충진되어 상기 제2금형의 가동시 전달되는 압력을 매개로 성형할 소재를 상기 제1금형의 캐비티로 가압하는 정수압 백(hydrostatic bag);을 포함하고, 상기 정수압 백은 내부에 유체가 충진되는 가요성 재질로 제공되며 적어도 상기 캐비티에 대응하는 체적을 갖는다.

Description

가압 성형 장치 및 방법 {PRESSURE FORMING APPARATUS AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 가압 성형 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체의 정수압을 이용하여 부품을 성형하는 가압 성형 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 프레스 성형장치는 박판성형공정에서 프레스를 이용하여 원하는 형상으로 소재를 가공하여 박판소재를 가공하는 장치로, 일반적인 부품제조공정에서 널리 사용되고 있다.
도 1을 참고하면, 프레스 성형장치(10)를 이용한 성형공정에서는 제1금형(20)과, 제2금형(30)을 포함하며, 제1금형(20)과 제2금형(30) 사이에 소재(S)를 장입한 상태에서 금형을 이동하여 소재(S)를 성형한다.
이때, 프레스 성형장치는 제1금형(20)과 제2금형(30)이 소재(S)를 가압하는 과정에서 소재(S)의 이동을 방지하도록 제공된다.
이에 따라 종래에는 캐비티(22)를 갖는 제1금형(20)에 가공하고자 하는 소재(S)가 공급된 후, 소재(S)의 외곽부를 고정하는 바인더(40)가 제공되고 있다. 이 바인더(40)는 소재(S)가 제1금형(20)에 공급된 후, 소재(S)의 외곽부에 내려와 제1금형(20)과 함께 가공할 소재(S)를 일정한 압력으로 고정한다.
그리고, 제2금형(30)이 제1금형(20)과 바인더(40)에 고정된 가공할 소재(S)로 이동하여 소재(S)를 변형하며, 이에 따라 소재(S)가 제1금형(20)의 캐비티(22)와 완전히 만나서 최종 형상을 만들 때까지 이동하게 된다.
이와 같이 프레스를 이용한 부품 성형기술은 공정의 단순함으로 인해 널리 사용되고 있으나, 소재(S)와 펀치의 접촉에 의한 집중하중이 걸리게 되고, 이에 따른 마찰력 차이로 변형에 불균일이 발생하게 된다. 따라서 소재(S)에 균일한 힘, 정수압을 부여할 수 있는 유체를 이용한 하이드로 포밍 공정에 도입되어 사용중이다.
도 2는 종래 기술에 따른 하이드로 포밍 장치를 도시한 도면이다.
도 2를 참고하면, 하이드로 포밍 장치(50)는 유체의 압력을 이용하여 부품을 성형하는 공정이다.
하이드로 포밍 장치(50)는 소정의 형태를 갖는 제1금형(60)과 제2금형(70) 사이에 소재(S)를 장입하고, 소재(S)의 주변부 및 제1금형(60)과 제2금형(70) 사이에 바인더(80)를 설치하여 내부를 밀봉한다.
또한, 제2금형(70)에는 캐비티로 고압의 유체를 공급하기 위한 유체 공급부(90)가 제공된다.
한편, 하이드로 포밍 장치(50)는 제2금형(70)을 통해 고압의 유체를 공급하면, 유체의 압력에 의해 소재(S)가 제1금형(60)의 캐비티에 밀착되며 원하는 형태의 완제품이 성형된다.
이러한 하이드로 포밍 장치(50)는 유체의 특성에 의해 소재(S) 표면에 동일한 정수압이 작용하게 되어 소재(S)의 변형을 일정하게 유지시킬 수 있고, 이에 따라 성형이 어려운 난성형 부품의 성형도 가능한 장점이 있다.
그러나, 하이드로 포밍 장치(50)는 유체를 사용하므로, 공정중에 유체를 배출하기 위한 설비가 구비되어야 하며, 소재(S)를 변형시키는 힘이 유체의 압력에만 의존하게 되므로, 소재(S)의 강도가 높아질 경우, 고압이 요구되게 되어 고가의 대용량 유압설비를 필요로 한다.
또한, 종래의 하이드로 포밍 장치(50)는 성형시 압력을 원하는 수준까지 올리기 위해서는 상당한 시간이 요구되어 생산성이 기존 프레스 성형 대비하여 떨어지는 요인이 되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 유체의 정수압을 사용하여 부품을 성형할 수 있으며, 유체의 압력을 크게 유지하지 않더라도 금형과의 조합에 의해 큰 압력을 형성할 수 있어 우수한 성형 특성을 얻을 수 있도록 한 가압 성형 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 가압 성형 장치는 소재 성형을 위한 캐비티를 갖는 제1금형; 상기 제1금형에 형합되도록 가동되는 제2금형; 및 상기 제1금형과 상기 제2금형 사이에 개재되며 내부에 유체가 충진되어 상기 제2금형의 가동시 전달되는 압력을 매개로 성형할 소재를 상기 제1금형의 캐비티로 가압하는 정수압 백(hydrostatic bag);을 포함하고, 상기 정수압 백은 내부에 유체가 충진되는 가요성 재질로 제공되며 적어도 상기 캐비티에 대응하는 체적을 갖는다.
삭제
또한, 상기 정수압 백의 일측에 연계되어 상기 정수압 백의 유체 공급을 조절하는 유체 조절부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2금형의 외곽부에서 상기 정수압 백의 외곽부 및 소재가 상기 제1금형에 밀착 고정되도록 가압하는 바인더를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 정수압 백의 외곽부는 상기 바인더의 외측에 위치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 정수압 백은 상기 바인더에 결합되어 이동할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 가압 성형 소재 성형을 위한 캐비티를 갖는 제1금형과 제2금형 사이에 내부에 유체가 충진되는 정수압 백을 설치하는 준비단계; 상기 제1금형의 상부에 가공할 소재를 공급하는 소재공급단계; 상기 정수압 백이 상기 캐비티와 대응하는 체적을 갖도록 유체 공급을 조절하는 유체 조절단계; 상기 제2금형을 가동하여 상기 정수압 백을 매개로 성형할 소재를 상기 제1금형의 캐비티로 가압하는 가압단계; 및 상기 가압단계에서 가압되어 성형된 소재를 인출하는 인출단계;를 포함한다.
또한, 상기 유체 조절단계후 상기 정수압 백의 외곽부 및 상기 소재의 외곽부가 상기 제2금형에 밀착 고정되도록 가압하는 소재 고정단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 정수압을 가하기 위해 사용되는 유체가 별도의 정수압 백에 유지되므로 성형후 유체를 배출하거나, 유체를 충전도 불필요하여 사용이 용이하고, 종래의 프레스의 성형력을 사용하여 성형에 필요한 정수압을 발생할 수 있어 종래의 프레스 장치를 이용할 수 있고, 별도의 고압 가압설비를 설치하지 않아도 되며, 정수압 백에는 직접적인 고압이 작용하지 않으므로 정수압 백이 높은 강도를 가진 재질을 사용하지 않아도 되고, 다양한 크기와 형태로 제작되어 가압 특성을 조절할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 프레스 가압 장치를 도시한 단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 하이드로 포밍 장치를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 성형 장치를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 성형 장치의 작동상태를 도시한 순서도.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 성형 장치를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 성형 장치의 작동상태를 도시한 순서도이다.
도 3과 도 4를 참고하면, 본 실시예의 가압 성형 장치(110)는 소재(S)의 성형을 위한 캐비티를 갖는 제1금형(120)과, 제1금형(120)에 형합되도록 가동되는 제2금형(130)을 포함할 수 있다.
일례로, 제1금형(120)은 작업면에 제공되는 하부 금형일 수 있고, 제2금형(130)은 하부 금형의 상부에서 승강가능하게 제공되는 상부 금형일 수 있다.
또한, 가압 성형 장치(110)는 제1금형(120)과 제2금형(130) 사이에 개재되는 정수압 백(hydrostatic bag)(150)을 포함할 수 있다.
정수압 백(150)은 내부에 유체가 충진되어 있고, 제2금형(130)의 가동시 전달되는 압력을 매개로 성형할 소재(S)를 제1금형(120)의 캐비티로 가압할 수 있다.
일례로, 제1금형(120)에 형성되는 캐비티는 성형할 소재(S)의 형상에 대응하는 다양한 형태로 제공될 수 있다.
또한, 정수압 백(150)은 내부에 유체가 충진되는 가요성 재질로 제공될 수 있다.
이러한 정수압 백(150)으로는 소재(S) 변형에 수반되는 약간의 변형을 받을 수 있는 탄성을 가진 재질이 사용될 수 있으며, 유체의 무게를 견딜 정도의 강도를 갖는 재질이 사용되는 것이 바람직하다. 일례로, 이러한 정수압 백(150)으로 사용되는 소재(S)로는 고무 소재(S)가 대표적으로 사용될 수 있다.
이러한 정수압 백(150)은 튜브, 풍선과 같이 내부가 빈 형태로 고무 소재(S)를 사출하여 제공할 수 있으며, 바람직하게는 두 장의 고무판을 맞대어 놓고 가장자리를 접합 또는 봉합한 형태로 구성할 수 있다.
또한, 정수압 백(150)에 충진되는 유체는 낮은 점도를 가진 액체가 사용될 수 있다. 또한, 이러한 액체로 오일(oil)이 사용될 수 있으며, 이외에도 비용 절감과, 작업의 편의성 및 윤활을 목적으로 약간의 윤활유를 첨가한 물이 사용되는 것도 바람직하다.
또한, 정수압 백(150)은 내부에 충진되는 유체로 인해 체적이 증가할 수 있으며, 이에 따라 캐비티의 체적과 같거나 더 크게 제공될 수 있다.
제1금형(120)과 제2금형(130)이 형합되는 과정에서 제2금형(130)이 가동하며 정수압 백(150)을 가압시, 정수압 백(150)이 캐비티에 꽉 차게되거나, 캐비티 보다 더 크게 제공되며, 이에 소재(S)를 틈새 없이 안정적으로 가압할 수 있다.
이를 위해, 본 실시예의 정수압 백(150)은 일측에 정수압 백(150)으로 유체 공급을 조절하기 위한 유체 조절부가 연계될 수 있다.
일례로, 유체 조절부는 유체 공급원(152)과 배관(154)을 통해 연결될 수 있고, 이 배관(154)에는 공급되는 유체를 가압하기 위한 펌프(156)가 제공될 수 있다. 또한, 배관(152)의 일측에는 유체의 공급 또는 배출을 제어하기 위한 밸브(158)가 구비될 수 있다.
이러한 정수압 백(150)은 초기 작업시 유체 공급원에 저장된 유체가 펌프(156)에 의해 가압되어 배관(154)을 통해 공급되며, 이때 밸브(154)에 의해 유체의 공급량이 조절될 수 있다. 또한, 정수압 백(150)은 내부에 저장된 유체를 활용하여 연속 작업이 진행될 수 있고, 필요에 따라 정수압 백(150)에 유체를 더 공급하거나, 정수압 백(150)에 저장된 유체를 배출하는 것도 가능하다. 또한, 정수압 백(150)은 작업이 완료되면, 내부에 충진된 유체를 제거하여 보관하는 것도 가능하다.
한편, 본 실시예에서 정수압 백(150) 및 소재(S)는 제1금형(120) 및 제2금형(130)의 형합에 의해 고정되는 것으로 설명하고 있으나, 정수압 백(150) 및 소재(S)를 고정하는 구조는 한정되지 않으며 다양하게 변형될 수 있다.
일례로, 본 실시예에서와 같이, 가압 성형 장치(110)는 제2금형(130)의 외곽부에서 가동 가능하게 제공되는 바인더(140)를 더 포함할 수 있다.
바인더(140)는 제2금형(130)과는 별개로 가동 가능하게 제공될 수 있다. 이러한 바인더(140)는 제2금형(130)의 외곽부에서 가동되며 정수압 백(150) 및 소재(S)가 제1금형(120)의 외곽부에 밀착 고정되도록 가압할 수 있다.
한편, 정수압 백(150)의 외곽부(150a), 즉 접합부 또는 봉제선이 위치한 부분은 바인더(140)의 외측에 위치되도록 제공될 수 있다. 이러한 정수압 백(150)은, 바인더(140)의 가압에 의해 접합부 또는 봉제선이 위치한 외곽부(150a)에는 제2금형(130)의 가동에 의해 정수압 백(150)이 소재(S)를 제1금형(120)의 캐비티에 가압하는 과정에서 발생하는 유체의 압력이 전달되지 않을 수 있고, 이에 따라 접합부 또는 봉제선이 터지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에서 정수압 백(150)은 바인더(140)에 결합되어 이동될 수 있다.
바람직하게는 정수압 백(150)은 외곽부(150a)에 바인더(140)와 걸이부재 또는 와이어 등의 연결부재(142)를 통해 연결될 수 있으며, 이에 따라 바인더(140)의 승강 이동시 정수압 백(150)이 함께 들어올려지거나 내려올 수 있어 소재(S)의 공급이나, 인출시 정수압 백(150)과의 간섭을 피할 수 있다.
전술된 바와 같이 구성된 가압 성형 장치를 이용한 가압 성형 방법을 살펴보면 다음과 같다.
본 실시예의 가압 성형 방법은, 준비단계, 소재공급단계, 유체 조절단계, 가압단계 및 인출단계를 포함할 수 있다.
먼저, 준비단계에서는 소재(S) 성형을 위한 캐비티를 갖는 제1금형(120)과 제2금형(130)을 마련하고, 제1금형(120)과 제2금형(130) 사이에 유체가 충진되는 정수압 백(150)을 설치한다.
이와 같이, 가압 성형 장치(110)가 준비되면, 소재공급단계가 진행되며 제1금형(120)과 제2금형(130) 사이에 가공할 소재(S)를 공급한다.
그리고, 유체 조절단계에서는 유체 조절부를 이용하여 정수압 백(150)의 내부로 유체를 적절한 압력으로 충진하며, 이때 충진되는 유체에 의해 정수압 백(150)의 체적은 전체적으로 캐비티의 체적보다 같거나 크게 될 수 있다.
다음으로, 소재(S) 고정단계가 진행되며 소재(S)와 정수압 백(150)을 금형에 고정할 수 있다. 소정 고정단계에서는 바인더(140)를 가동하여 정수압 백(150)의 외곽부(150a) 및 소재(S)를 가압하게 되며, 이에 따라 정수압 백(150) 및 소재(S)가 제1금형(120)의 외곽부에 밀착 가압되며 고정될 수 있다.
바인더(140)는 정수압 백(150)의 유체 공급부가 위치된 부분이 외곽부에 연계되며, 금형의 내부와는 분리된 상태로 고정할 수 있다. 또한, 정수압 백(150)은 바인더(140)에 의해 밀폐된 내부는 충분한 압력을 유지할 수 있다.
바인더(140)는 정수압 백(150)의 외곽부 및 소재(S)를 동시에 가압하게 되며, 이때 정수압 백(150)에 의해 실링 기능이 부여되어 내부를 더욱 완전하게 밀봉할 수 있다.
다음으로, 가압단계가 진행된다. 가압단계에서는 제2금형(130)이 가동되며 정수압 백(150)을 가압하게 된다. 정수압 백(150)은 내부에 충진된 유체에 의해 캐비티 공간을 다 채울 수 있는 체적으로 유지되며, 이에 따라 정수압 백(150)으로 전달된 압력에 의해 소재(S)가 변형되어 제1금형(120)의 캐비티에 밀착되며 완제품 형태로 성형될 수 있다.
이때, 정수압 백(150)은 제1금형(120) 및 제2금형(130)에 둘러싸인 상태에서 압력이 전달됨에 따라 소재(S)에 밀착되어 수직방향의 정수압을 받게 되므로, 정수압 백(150)의 자체적인 강도는 크게 요구되지 않는다.
한편, 정수압 백(150)의 외곽부는 소재(S)를 성형하는 중에는 바인더(140)에 의해 유체의 공급이 차단됨에 따라 큰 힘을 받지는 않지만, 정수압 백(150)의 내부 체적 등에 따라 일부 유체가 외곽부(150a)로 빠져나오며 힘을 받을 수 있다.
또한, 제2금형(130)은 정수압 백(150)의 체적이 캐비티 보다 클 경우, 내부 압력이 증가할 수 있으므로 바인더(140)를 가압하는 압력을 조절하여 정수압 백(150)의 내부 유체가 외곽부(150a)로 유출되게 허용하며, 캐비티 내에 발생하는 과부하를 방지할 수 있다.
바람직하게는 정수압 백(150)의 외곽부에는 바인더(140) 압력에 따라 흘러나오는 유체압을 완충할 수 있도록 내부에 채워지는 유체량이 조절될 수 있으며, 이를 통해 유체 압력에 대한 완충 역할을 할 수 있다. 또한, 정수압 백(150)의 외곽부로 필요 이상의 유체가 유출되면, 배관(154) 및 밸브(158)를 통해 이를 배출하여 내부 압력이 필요 이상 증가하는 것을 차단할 수 있다.
한편, 전술된 과정을 거쳐 소재(S)가 완제품으로 성형되면, 인출단계가 진행되며 완성된 소재(S)를 인출하게 된다.
이때 제2금형(130)을 승강하여 정수압 백(150)에 작용되는 압력을 먼저 해소하고, 이후 정수압 백(150)의 외곽부를 가압하던 바인더(140)를 승강하여 압력을 해제한다. 이와 같이, 제2금형(130)과 바인더(140)가 순차적으로 이동함에 따라 정수압 백(150) 내부의 유체가 급격하게 이동하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 바인더(140)가 상승함에 따라 바인더(140)에 걸이부재 또는 와이어 등의 연결부재(142)로 연결된 정수압 백(150)이 함께 이동하게 되어, 소재(S)의 상부를 완전하게 개방하게 된다.
다음으로, 제2금형(130) 및 바인더(140), 정수압 백(150)이 완전하게 이동되면, 제1금형(120)의 캐비티에 성형 완료된 완제품 형태의 소재(S)를 인출한다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
110: 가압 성형 장치 120: 제1금형
130: 제2금형 140: 바인더
142: 연결부재 150: 정수압 백

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 소재 성형을 위한 캐비티를 갖는 제1금형; 상기 제1금형에 형합되도록 가동되는 제2금형; 및 상기 제1금형과 상기 제2금형 사이에 개재되며 내부에 유체가 충진되어 상기 제2금형의 가동시 전달되는 압력을 매개로 성형할 소재를 상기 제1금형의 캐비티로 가압하는 정수압 백(hydrostatic bag);을 포함하고,
    상기 정수압 백은 내부에 유체가 충진되는 가요성 재질로 제공되며 적어도 상기 캐비티에 대응하는 체적을 갖는 가압 성형 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 정수압 백의 일측에 연계되어 상기 정수압 백의 유체 공급을 조절하는 유체 조절부를 더 포함하는 가압 성형 장치.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 제2금형의 외곽부에서 상기 정수압 백의 외곽부 및 소재가 상기 제1금형에 밀착 고정되도록 가압하는 바인더를 더 포함하는 가압 성형 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 정수압 백의 외곽부는 상기 바인더의 외측에 위치되는 가압 성형장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 정수압 백은 상기 바인더에 결합되어 이동하는 가압 성형 장치.
  7. 소재 성형을 위한 캐비티를 갖는 제1금형과 제2금형 사이에 내부에 유체가 충진되는 정수압 백을 설치하는 준비단계;
    상기 제1금형의 상부에 가공할 소재를 공급하는 소재공급단계;
    상기 정수압 백이 상기 캐비티와 대응하는 체적을 갖도록 유체 공급을 조절하는 유체 조절단계;
    상기 제2금형을 가동하여 상기 정수압 백을 매개로 성형할 소재를 상기 제1금형의 캐비티로 가압하는 가압단계; 및
    상기 가압단계에서 가압되어 성형된 소재를 인출하는 인출단계;
    를 포함하는 가압 성형 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 유체 조절단계후
    상기 정수압 백의 외곽부 및 상기 소재의 외곽부가 상기 제2금형에 밀착 고정되도록 가압하는 소재 고정단계를 더 포함하는 가압 성형 방법.
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