KR101680461B1 - 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원뿔형 금속관재의 미세조직을 초미세결정립화 또는 나노결정립화를 위한 비틀림 기반의 강소성을 가할 시 금속관재의 형상 유지를 보장하며 동시에 금형이 파손되지 않게 하여 보다 높은 변형량을 가할 수 있도록 하는 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형은, 일측면에 타측을 향할수록 단면적이 점차 줄어들도록 원뿔형 홈이 형성된 하부금형; 및 상기 원뿔형 홈에 대응하는 원뿔형 돌출부가 형성되고, 상기 원뿔형 돌출부의 밑면에서 상기 원뿔형 돌출부의 면적보다 큰 단면적을 갖도록 형성된 원통부를 포함하는 상부금형;을 포함한다.

Description

원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형{DIE FOR TORSIONAL SEVERE PLASTIC DEFORMATION METHOD FOR CONICAL TUBE METALS}

본 발명은 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 원뿔형 금속관재의 미세조직을 초미세결정립화 또는 나노결정립화를 위한 비틀림 기반의 강소성을 가할 시 금속관재의 형상 유지를 보장하며 동시에 금형이 파손되지 않게 하여 보다 높은 변형량을 가할 수 있도록 하는 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형에 관한 것이다.

강소성 가공법은 금속재료가 소성 변형을 받을 시 소경계각 전위셀 구조의 형성을 시작으로 전위셀 아결정립의 결정립계각 증가와 결정립 미세화가 일어난다는 점을 착안하여 소재에 큰 변형을 가해주어 결정립을 초미세결정립화 또는 나노결정립화하여 소재의 강도, 경도, 내마모성 그리고 초소성과 같은 기계적 성질의 향상을 목적으로 통로각 압축 공정(ECAP: Equal Channel Angular Pressing), 고압 비틀림 공정(HPT: High-Pressure torsion), 반복 접착 압연 공정(ARB: Accumulative Roll Bonding), 등 통로각 압연 공정(ECAR: Equal Channel Angular Rolling) 등이 개발되어 있다.

상술한 강소성 가공법은 가공되는 소재의 전체적인 형상 유지와 많은 변형량을 가할 수 있는 반복 공정이 요구되어 높은 수준의 응력을 가하게 된다.

한편, 원뿔형 금속관재는 탄환이나 미사일의 헤드, 항공, 자동차와 같은 수송기기 부품산업 및 주방, 난방기기와 같이 다양한 분야에서 활용되고 있는데, 이러한 원뿔형 금속관재의 경우 강소성 가공 시 요구되는 응력이 굉장히 높다.

특히, 원뿔형 금속관재의 경우 변형이 가해지는 표면적이 넓어 변형량이 크며 가공 시 필요한 응력이 더욱 높아진다. 결국, 이러한 높은 응력을 가해주기 위해 많은 하중이 금속관재에 가해진다.

이러한 원뿔형 금속관재는 종래에는 메탈 스피닝법을 통해 소정의 형상으로 가공되어 사용되고 있다.

그런데 메탈 스피닝법은 소재의 형상 제어를 주목적으로 한 금속성형 기술이기 때문에 미세조직의 제어와 같은 소재의 물성을 향상시키는 것과는 관련성이 적은 기술이다.

더욱이, 메탈 스피닝법은 금속공구의 강한 압력에 의한 변형이 금속관재의 표면에 집중되어, 가공 후 금속관재의 내부와 외부의 물성 차가 큰 문제점이 있다.

금속재료는 소성 변형을 받으면 소경계각 전위셀 구조의 형성을 시작하고 소성변형량이 증가할수록 전위셀 아결정립의 결정립계각 증가와 더불어 결정립이 점차 미세화 되는 현상이 발생한다.

이를 이용하여 소재에 큰 변형을 가해주어 결정립을 초미세결정립화 또는 나노결정립화하게 되면 변형 전의 금속소재와 비교하여 그 기계적 성질(강도, 경도, 내마모성 및 초소성 등)이 매우 향상되므로, 종래의 형상 성형을 위주로 한 소재 가공법에서 벗어나 새로운 초미세/나노결정소재를 제조하기 위한 가공법의 필요성이 점차 커지고 있다.

이러한 초미세/나노결정립 형성에는 압축, 인장, 전단 변형과 같은 소재에 가해지는 소성 변형량이 중요할 뿐 아니라, 많은 양의 변형량을 가할 수 있는 반복공정이 가능하도록 공정 전후의 소재의 형상이 실질적으로 동일하게 금형을 설계하는 것이 대단히 중요하다.

이러한 조건을 만족하는 강소성 가공법으로는 현재까지, 등 통로각 압축 공정(ECAP: Equal Channel Angular Pressing), 고압 비틀림 공정(HPT: High-Pressure torsion), 반복 접착 압연 공정(ARB: Accumulative Roll Bonding), 등 통로각 압연 공정(ECAR: Equal Channel Angular Rolling) 등이 개발되어 있다.

한편, 원뿔형 금속관재의 형상에 맞게 강소성 가공할 수 있는 방법과 관련하여, 본원 출원인이 출원하여 등록받은 '원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공법'에 대해 개시된 바 있다.

상기 '원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공법'의 경우에, 도 1에 도시된 바와 같이, 금속관재에 가해지는 하중이 늘어남에 따라 재료가 압력의 작용으로 금형 밖으로 밀려나와 최종적으로 재료손실뿐만 아니라 금형끼리 맞닿는 현상이 일어날 수 있어 회전하는 금형의 회전수가 제한되는 문제점이 있었다.

즉, 기존의 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공법에 사용된 금형은 높은 하중과 반복 공정을 동시에 만족시키는데 한계가 있었던 것이다.

이러한 한계점을 극복하기 위해 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공 시 가해지는 높은 하중 하에서 공정이 수차례 반복되더라도 금속관재의 형상 유지가 보장되는 금형의 설계가 굉장히 중요하며, 이를 위한 개선이 필요하다.

등록특허 제10-1323168호(등록일자 2013년10월23일)

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 원뿔형 금속관재의 미세조직을 초미세결정립화 또는 나노결정립화를 위한 비틀림 기반의 강소성을 가할 시 금속관재의 형상 유지를 보장하며 동시에 금형이 파손되지 않게 하여 보다 높은 변형량을 가할 수 있도록 하는 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형은, 일측면에 타측을 향할수록 단면적이 점차 줄어들도록 원뿔형 홈이 형성된 하부금형; 및 상기 원뿔형 홈에 대응하는 원뿔형 돌출부가 형성되고, 상기 원뿔형 돌출부의 밑면에서 상기 원뿔형 돌출부의 면적보다 큰 단면적을 갖도록 형성된 원통부를 포함하는 상부금형;을 포함한다.

바람직하게, 상기 원뿔형 돌출부와 상기 원통부의 사이에는 상기 원뿔형 돌출부의 밑면의 면적에 대응하여 소정 두께로 형성된 미소원통부가 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 미소원통부의 형성 두께는 상기 하부금형과 상부금형의 사이에 장착되는 원뿔형 금속관재의 재질에 따라 다르게 설정될 수 있다.

바람직하게, 상기 원뿔형 돌출부에 인접한 상기 원통부의 표면은 거칠기 처리될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 원뿔형 금속관재의 미세조직을 초미세결정립화 또는 나노결정립화를 위한 비틀림 기반의 강소성을 가할 시 금속관재의 형상 유지를 보장하며 동시에 금형이 파손되지 않게 하여 보다 높은 변형량을 가할 수 있도록 하는 이점이 있다.

또한, 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공법을 빠른 속도로 공정에 필요한 응력을 원뿔형 금속관재에 가해주어 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공이 빠르게 진행될 수 있다는 이점이 있다.

또한, 흘러나온 재료에 하중을 가해줘 더 이상 흐르는 것을 방지하여 재료손실 최소화가 가능하다는 이점이 있다.

또한, 흘러나온 재료에 하중을 가해주며 비틀림이 진행되어 원뿔형 금속관재 끝부분까지 높은 변형을 가해줄 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 종래의 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형을 이용한 가공과정을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형의 사시도(a)와 측면도(b)이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형을 이용한 가공과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형과 공지의 금형을 이용하여 압축하는 중 금속관재에 가해지는 하중을 유한요소해석법으로 계산한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형과 공지의 금형을 이용하여 하중이 가해지는 방향으로 금형의 이동량을 유한요소해석법으로 계산한 결과이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형을 이용하여 원뿔형 금속관재의 강소성 공정을 연속적으로 5회전을 가해주었을 때의 금속관재의 사진이다.

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.

제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형의 사시도(a)와 측면도(b)이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형을 이용한 가공과정을 도시한 도면이다.

본 발명의 일실시예에 따른 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형은, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하부금형(100)과 상부금형(200)으로 구성된다.

상기 하부금형(100)은 일측면에서 타측면 중심 방향을 향하여 단면적이 점차 줄어들도록 원뿔형 홈(110h)이 된다.

상기 상부금형(200)은 상기 원뿔형 홈(110h)에 대응하여 형성된 원뿔형 돌출부(210)와, 상기 원뿔형 돌출부(210)의 밑면에서 상기 원뿔형 돌출부(210)의 면적보다 큰 단면적을 갖도록 형성된 원통부(220)로 이뤄진다.

구체적으로, 상기 원통부(220)는 상기 원뿔형 돌출부(210)에 밑면에 일체로 형성된 제1원통부(220a)와 상기 제1원통부(220a)의 외주를 감싸도록 링 형태로 형성된 제2원통부(220b)를 포함하여 이뤄진다.

한편, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 원뿔형 돌출부(210)와 상기 원통부(220)의 사이에는 상기 원뿔형 돌출부(210)의 밑면의 면적에 대응하여 소정 두께(G)로 형성된 미소원통부(220c)가 형성된다.

즉, 상기 원뿔형 돌출부(210)와 상기 제1원통부(220a)의 사이에 상기 미소원통부(220c)가 형성되는 것이다.

상기 미소원통부(220c)는 상기 상부금형(200)과 상기 하부금형(100)에 의해 원뿔형 금속관재(S)가 비틀림 강소성 가공될 때에, 상기 하부금형(100)의 원뿔형 홈(110h)과 상기 원뿔형 돌출부(210)의 사이에서 상기 원뿔형 금속관재(S)가 가압됨에 따라 상부금형(200)과 하부금형(100)의 사이를 통해 원뿔형 금속관재(S)를 이루는 재료가 일부 밀려날 수 있는 통로로 기능하여, 밀려나온 재료에 의해 상부금형(200)과 하부금형(100)이 서로 맞닿는 것을 방지할 수 있도록 한다.

한편, 상기 미소원통부(220c)의 형성 두께는 상기 하부금형(100)과 상부금형(200)의 사이에 장착되는 원뿔형 금속관재(S)의 재질에 따라 다르게 설정되는 것이 바람직하며, 이는 재질의 종류에 따라 밀려나오는 양이 다르기 때문이다.

한편, 상기 원뿔형 돌출부(210)에 인접한 상기 원통부(220)의 표면, 구체적으로는 상기 제1원통부(220a)의 표면은 거칠기 처리되도록 구성되어, 상부금형(200)과 하부금형(100)의 사이로 밀려나오는 재료의 양을 최소화하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구조의 원뿔형 금속관재(S)의 비틀림 강소성 가공용 금형에 따르면, 원뿔형 금속관재(S)의 비틀림 강소성 가공 시 상부금형(200)과 하부 금형의 사이에 위치한 원뿔형 금속관재(S)가 가압되어 상부금형(200)과 하부금형(100)의 사이로 재료가 밀려나오는 경우, 상부금형(200)이 하중을 가하는 방향으로 밀려나온 재료를 가압하기 때문에 원뿔형 금속관재(S)를 이루는 재료의 일부가 상부금형(200)과 하부금형(100)의 사이로 밀려나오는 양을 최소화할 수 있게 된다. 즉, 원뿔형 금속관재(S)의 내측 형상에 맞춘 금형이 원뿔형 금속관재(S)의 밑면이 되는 위치에서 직경이 원뿔형 금속관재(S)의 외측 직경보다 큰 원통형이 되도록 맞춰줌으로써 압력이 가해졌을 시 재료가 흘러나오자마자 하중이 가해지는 상부금형(200)과 맞닿음과 동시에 응력이 집중되어 재료가 지속적으로 흘러나오는 것을 방지하는 것이다.

또한, 상부금형(200)과 하부금형(100)의 사이로 흘러나오는 재료가 하중을 가해주는 상부금형(200)과 맞닿으며 접히기 시작하며, 하중이 가해지는 방향에 수직한 면적을 늘려주어 빠르게 강소성 가공법에 요구되는 하중조건을 충족하며 압축단계에서의 재료손실을 줄여줄 수 있고, 또한, 흘러나온 재료가 접히는 부분에 우선적으로 응력이 집중되는 현상을 이용하여 하중을 가해주는 단계에서 재료의 손실을 줄여주게 된다.

또한, 원뿔형 금속관재(S)의 강소성 가공법에서 고압 비틀림 단계에서 흘러나온 재료를 구속시켜 재료가 흘러나오는 움직임에 제한을 두어 재료손실을 최소화시킬 수 있고, 이와 같이, 재료손실의 최소화에 따라 원뿔형 금속관재(S)의 형상 변화가 최소화가 되며 고압 비틀림을 가해주는 금형과 금속관재의 외측 형상에 맞춘 금형 사이의 간격이 일정하게 유지되어 금형이 맞닿지 않으며 수차례 연속되는 공정이 용이해진다.

또한, 본 발명의 실시에 있어서 원뿔형 금속관재(S)의 내측 형상에 맞춘 금형이 원뿔형 금속관재(S)의 밑면이 되는 위치에서 하중이 가해지는 반대 방향으로 직경이 큰 원통형이 되는 지점을 변경해주어 금속관재에 쓰이는 재료의 두께 조절을 가능하게 해준다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형과 공지의 금형을 이용하여 압축하는 중 금속관재에 가해지는 하중을 유한요소해석법으로 계산한 결과이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형과 공지의 금형을 이용하여 하중이 가해지는 방향으로 금형의 이동량을 유한요소해석법으로 계산한 결과이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 기존의 금형(Load from open die)의 경우에는 가공 시간이 지나더라도 금형에 가해지는 압력(Load)의 증가가 미비하지만, 본원발명의 금형(Load from semi-closde die)의 경우에는 재료의 일부가 원통부에 의해 가압되는 시점인 대략 2초 쯤부터 압력(Load)의 증가가 급격하게 일어나는 것을 알 수 있고, 이를 통해 재료가 흘러나오는 것이 방지되어 원뿔형 금속관재(S)의 가압과 비틀림이 효과적으로 일어나고 있음을 알 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 기존의 금형(Stroke Open)의 경우에 가공 시간이 지남에 따라 상부금형의 이동량(Stroke)이 지속적으로 증가하고 있지만, 본원발명의 금형(Stroke Closed)의 경우에는 재료의 일부가 원통부에 의해 가압되는 시점인 대략 2초 쯤부터 상부금형의 이동량(Stroke)이 제한되어 원뿔형 금속관재(S)의 가압과 비틀림이 효과적으로 일어나고 있음을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형을 이용하여 원뿔형 금속관재의 강소성 공정을 연속적으로 5회전을 가해주었을 때의 금속관재의 사진이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.

100:하부금형
110h:원뿔형 홈
200:상부금형
210:원뿔형 돌출부
220:원통부
220a:제1원통부
220b:제2원통부
220c:미소원통부

Claims (4)

1. 일측면에 타측을 향할수록 단면적이 점차 줄어들도록 원뿔형 홈이 형성된 하부금형; 및
   상기 원뿔형 홈에 대응하는 원뿔형 돌출부가 형성되고, 상기 원뿔형 돌출부의 밑면에서 상기 원뿔형 돌출부의 면적보다 큰 단면적을 갖도록 형성된 원통부를 포함하는 상부금형;을 포함하며,
   상기 원뿔형 돌출부와 상기 원통부의 사이에는 상기 상부금형과 하부금형의 사이를 통해 재료가 일부 밀려날 수 있는 통로로 기능하는 미소원통부가 소정 두께로 형성되어 상기 상부금형과 하부금형의 사이로 밀려나온 재료에 의해 상부금형과 하부금형이 서로 맞닿는 것이 방지되도록 구성되고,
   상기 미소원통부의 형성 두께는 상기 하부금형과 상부금형의 사이에 장착되는 원뿔형 금속관재의 재질에 따라 다르게 설정되며,
   상기 원뿔형 돌출부에 인접한 상기 원통부의 표면은 거칠게 처리된 것을 특징으로 하는 원뿔형 금속관재의 비틀림 강소성 가공용 금형.
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