KR101787884B1 - 복수의 접합 챔버를 갖는 포트홀 다이 금형 구조체 - Google Patents

Abstract

본본 발명에 따른 복수의 접합 챔버를 갖는 포트홀 다이 금형 구조체는 공급되는 빌렛(5)을 저장하는 컨테이너(10); 상기 컨테이너(10)의 하부에 배치되는 포트홀 바디(20); 상기 포트홀 바디(20)의 중앙 하부로 돌출 형성되는 맨드렐(23); 상기 포트홀 바디(20)의 하부에 배치되는 압출 다이(30); 및 상기 압출 다이(30) 내에 상기 맨드렐(23)이 삽입 결합되어 형성되는 접합 챔버(40);를 포함하며, 상기 포트홀 바디(20)는 상기 컨테이너(10)에서 압입되는 빌렛(5)을 다수 가닥으로 분할하는 다수의 포트홀(21)이 형성되고, 상기 맨드렐(23)은 상기 다수의 포트홀(21)의 내측으로부터 하부 방향으로 연장되고, 상기 접합 챔버(40)는 상하를 따라 연속적으로 복수개가 배치됨으로써 압출 소재인 빌렛(5)의 변형량을 증가하여 유효 변형율을 높이게 하고, 지속적인 접합 압력을 발생하게 한다.

Description

복수의 접합 챔버를 갖는 포트홀 다이 금형 구조체{Porthole die mold structure having multiple welding chamber}

본 발명은 포트홀을 통해 유동하는 소재가 복수의 접합 챔버를 통해 유동하는 과정을 통해서 넓은 접합 영역 및 높은 접합 압력을 도출하게 하여 건전한 접합 품질을 확보할 수 있는 기술에 관한 것이다.

관 압출 금형은 어떠한 금속 재료를 이용하여 소망하는 형상의 관을 성형하기 위한 것으로서, 예컨대 알루미늄관 압출 금형의 경우 알루미늄 빌렛을 일정한 온도로 가열하여 이를 압출기에 장착된 압출 금형 내로 고압으로 압입하여 금형을 통해 소망하는 형태로 성형시키는 것으로 사용된다.

이러한 압출 금형에 의한 제품은 주로 관이나 새시를 제조하는데 유용하며, 그 외에도 전기, 전자, 건설,자동차 등의 여러 산업 부분에서 필요에 따라 다양한 제품이 생산되고 있으며, 이는 소비자의 요구에 따라 보다 정밀하고 다양화되고 있는 추세이다.

압출용 금형의 일예로서는 인서트링의 주입구 내에 브리지와 다이 결합체가 삽입되고, 브리지 내에는 중앙에 맨드럴이 삽입되도록 맨드럴 고정부가 형성되어 있으며, 그 주변에는 포트홀이 형성되어 있다.

이러한 구조의 금형에서 관이 성형되는 과정은 다음과 같다. 먼저 주입구를 통해 반 용융원료가 유입되면, 포트홀을 통해 다이의 압출홀로 배출되는데, 이때 관의 내부 중공,유로가 되는 부분은 맨드럴에 의해 성형되고 외형은 압출홀의 형상에 의해 결정된다.

한편, 종래의 압출용 금형 구조에 따르면 압출시 금형에 미치는 압출 압력이 높아 생산이 잘 되지 않기 때문에 현재로서는 작업자가 필요한 적정 압력보다 더욱 고압으로 반 용융원료를 압출하거나 더 높은 온도에서 재료를 가열하여 압출함으로서 반 용융재료의 흐름을 강제하는 등의 방법으로 압출하고 있는 실정이다.

그러나, 반 용융원료의 고온 고압 흐름은 브리지와 맨드럴 등이 급격하고 잦은 온도 변화와 고압 환경에 놓이게 하므로, 금속 재료의 특성상 그 내구성이 현저히 저하되거나 자주 파손되는 문제이 있고, 따라서 고가의 금형을 빈번하게 제조 및 교체해야 하는 등, 유지 보수의 비용이 과다한 문제점이 있다.

포트홀 다이를 이용한 압출방법은 맨드렐을 갖는 압출다이를 이용한 제조 방법으로서 복잡한 구멍 단면 제품을 형성하는데 큰 장점을 갖는다. 포트홀 다이 압출을 사용하면, 긴 튜브는 맨드렐의 길이와 관계 없이 제작될 수 있다. 컨테이너 내의 소재는 멀티 홀을 갖는 포트홀을 통하여 흐르고, 그 소재는 다수 포트홀을 통하여 나누어지고, 용접 챔버 안에서 만나 높은 압력으로 접합된다. 따라서 강한 접합요인을 갖는 알루미늄과 그의 합금은 유효하다.

그러나, 포트홀 다이를 이용한 압출 방법은 제작비용이 저감되는데 반해, 압출 동안 그 다이의 용접 챔버 내에서 고체 상태의 접합결과로서 압출의 길이 방향을 따르는 다수의 용접심이 생성된다는 것이다. 따라서 포트홀 다이를 사용한 압출 제품의 경우 사용중 충돌이나 내압 시험시 용접 심에서 파괴가 발생되는 문제점을 가지고 있다.

상기와 같이 압출되는 알루미늄 튜브의 접합면에서의 접합 품질이 매우 중요하며, 접합품질 향상을 위해서는 웰딩 챔버 내에서 발생하는 접합 압력 향상 및 접합 압력 발생 시간의 지속이 중요하게 됨에 따라서 접합 압력 향상 및 지속 시간 연장을 위한 압출금형 구조 변경 필요성이 있게 된다.

이음매가 없는 반용융 압출 튜브 제조 방법 및 장치를 제시하는 종래의 문헌으로는 등록특허 제10-0982534호(2010.09.16)를 참조할 수 있다. 상기 문헌은 반용융 압출시 형성되는 고상/액상 또는 액상/액상 접합으로 인한 웰딩 라인 형성을 억제하여 내압, 확관 및 충돌시에도 웰딩 라인의 파괴를 방지하는 이음매가 없는 반용융 압출 튜브 제조 방안 기술을 개시한다.

(특허문헌 1) KR10-0982534 B

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 종래에는 길이가 긴 알루미늄관을 제조하는 과정에서 대부분 포트홀 압출 금형의 경우에 평다이 형태의 하나의 접합 챔버 만을 갖게 되어 보다 높은 접합 압력과 접합 영역의 확보에 불리하다는 점에서, 연속되는 복수의 접합 챔버를 구성함으로써 압출 소재의 변형량을 증가하여 유효 변형율을 높이게 하고, 하부의 접합 챔버에서 지속적인 접합 압력을 발생하게 함으로써 압출품의 품질을 향상하게 하는 기술을 제공하는 것이 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복수의 접합 챔버를 갖는 포트홀 다이 금형 구조체는 공급되는 빌렛(5)을 저장하는 컨테이너(10); 상기 컨테이너(10)의 하부에 배치되는 포트홀 바디(20); 상기 포트홀 바디(20)의 중앙 하부로 돌출 형성되는 맨드렐(23); 상기 포트홀 바디(20)의 하부에 배치되는 압출 다이(30); 및 상기 압출 다이(30) 내에 상기 맨드렐(23)이 삽입 결합되어 형성되는 접합 챔버(40);를 포함하며, 상기 포트홀 바디(20)는 상기 컨테이너(10)에서 압입되는 빌렛(5)을 다수 가닥으로 분할하는 다수의 포트홀(21)이 형성되고, 상기 맨드렐(23)은 상기 다수의 포트홀(21)의 내측으로부터 하부 방향으로 연장되고, 상기 접합 챔버(40)는 상하를 따라 연속적으로 복수개가 배치됨으로써 압출 소재인 빌렛(5)의 변형량을 증가하여 유효 변형율을 높이게 하고, 지속적인 접합 압력을 발생하게 한다.

상기 복수의 접합 챔버(40)는, 상기 다수의 포트홀(21)의 하단에 직접 연결되는 중공의 링 형상의 챔버인 제1 접합 챔버(41) 및 상기 제1 접합 챔버(41)의 하단 내측에 직접 연결되는 중공의 챔버로서 하부 방향으로 갈수록 상기 맨드렐(23)의 중심 측으로 경사지게 배치된 제2 접합 챔버(43)를 포함한다.

상기 맨드렐(23)은, 상기 포트홀 바디(20)에서 하부로 연장되어져 제1 접합 챔버(41)를 형성하게 하는 제1 맨드렐 바디(24) 및 상기 제1 맨드렐 바디(24)에서 하부 방향으로 경사지게 연장되어 제2 접합 챔버(43)를 형성하게 하는 제2 맨드렐 바디(25)를 포함한다.

상기 제2 맨드렐 바디(25)는, 그 상단이 상기 맨드렐(23)의 반경 방향을 따라 외측으로 소정 거리 연장된 후, 하부 방향을 따라 상기 맨드렐(23)의 중심을 향하여 경사지게 연장되는 형태를 갖는다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 복수의 접합 챔버를 갖는 포트홀 다이 금형 구조체는 연속되는 복수의 접합 챔버를 적용함으로써 알루미늄 튜브 압출 시 압출 소재인 빌렛의 변형량을 증가하여 유효 변형율을 높이게 하고, 복수의 접합 챔버 중 하부를 구성하는 제2 접합 챔버에서 지속적으로 접합 압력 발생 면적 및 접합 압력 발생 시간의 증가를 통해 알루미늄 압출 튜브의 접합 품질을 향상하게 한다.

본 발명은 압출 시 소재의 온도를 용융 온도 이하로 유지함으로써 표면 국부 결함 발생 가능성을 낮게 한다.

도 1은 본 발명에 따른 복수의 접합 챔버를 갖는 포트홀 다이 금형 구조체를 보이고,
도 2는 본 발명에 따른 포트홀 다이 금형 구조체의 내부가 보이는 절단 사시도이며,
도 3 내지 도 4는 컨테이너에 수용된 빌렛을 가압하여 포트홀 및 복수의 접합 챔버로 유동하는 과정을 설명하는 도면이고,
도 5는 종래의 압출 다이 및 본 발명의 복수의 접합 챔버를 통한 압출 소재의 온도 분포 비교를 보이고,
도 6은 종래의 압출 다이 및 복수의 접합 챔버를 통한 압출 소재의 유효 변형률 분포를 보이고,
도 7은 복수의 접합 챔버를 통한 압출 소재에 대해 시간에 대한 압출 하중 변동을 보이고,
도 8은 종래의 압출 다이 및 본 발명의 포트홀 다이 금형 구조체의 접합 압력의 분포를 보이고,
도 9는 제2 접합 챔버의 수직 길이에 따른 접합 압력의 분포를 보이고,
도 10은 제2 접합 챔버의 폭에 따른 접합 압력의 분포를 보인다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 복수의 접합 챔버를 갖는 포트홀 다이 금형 구조체를 설명한다.

포트홀 다이 금형 구조체는 공급되는 빌렛(5)을 저장하는 컨테이너(10), 컨테이너(10)의 하부에 배치되는 포트홀 바디(20), 포트홀 바디(20)의 중앙 하부로 돌출 형성되는 맨드렐(23), 포트홀 바디(20)의 하부에 배치되는 압출 다이(30) 및 압출 다이(30) 내에 형성되는 접합 챔버(40)를 포함한다.

포트홀 바디(20)는 컨테이너(10)에서 압입받는 빌렛(5)을 다수 가닥으로 분할하는 다수의 포트홀(21)이 형성된다. 상기 포트홀(21)은 복수개가 원주 상에서 일정한 간격으로 배치된다. 포트홀 바디(20)는 복수의 포트홀(21)의 내측으로부터 하부 방향으로 연장되는 구조의 맨드렐(23)을 갖는다.

상기 맨드렐(23)은 제1 맨드렐 바디(24), 제1 맨드렐 바디(24)에서 하부 방향으로 경사지게 연장되는 제2 맨드렐 바디(25) 및 제2 맨드렐 바디(25)의 하단에 형성되는 맨드렐 단부(26)을 포함한다. 제2 맨드렐 바디(25)의 윤곽은 그 상단이 제2 맨드렐 바디(25)의 반경 방향을 따라 외측으로 소정 거리 연장된 후, 하부 방향을 따라 제2 맨드렐 바디(25)의 중심을 향하여 경사지게 연장되는 형태를 갖는다. 즉, 제2 맨드렐 바디(25)는 그 상부가 제1 맨드렐 바디(24)의 직경보다는 큰 상태에서 하부로 갈수록 점점 그 직경이 작아지는 형태를 갖는다.

상기 맨드렐(23)은 압출 다이(30)의 내부에 삽입된 상태를 유지함으로써 복수의 접합 챔버(40)를 형성하게 한다.

압출 다이(30)는 복수의 포트홀(21)을 통해 분리된 상태로 유입되는 빌렛을 복수의 접합 챔버(40)를 통해 순차적으로 접합하게 하고, 이를 통해 최종적으로 관 형상의 제품을 토출하게 한다.

복수의 접합 챔버(40)는 압출 다이(30) 내에서 제1 맨드렐 바디(24)의 배치로 인하여 형성되는 제1 접합 챔버(41) 및 압출 다이(30) 내에서 제2 맨드렐 바디(25)의 배치로 인하여 형성되는 제2 접합 챔버(43)를 포함한다.

제1 접합 챔버(41)는 복수의 포트홀(21)의 하단에 직접 연결되는 중공의 챔버로서, 제1 맨드렐 바디(24)를 중심으로 한 링 형태의 챔버 구조이다.

제2 접합 챔버(43)는 제1 접합 챔버(41)의 하단 내측에 직접 연결되는 중공의 챔버로서, 제2 맨드렐 바디(25)를 중심으로 한 링 형태의 챔버 구조이다.

본 발명은 연속되는 복수의 접합 챔버(40)를 구성함으로써 압출 소재인 빌렛의 변형량을 증가하여 유효 변형율을 높이게 하고, 하부를 구성하는 제2 접합 챔버(43)에서 지속적인 접합 압력을 발생하게 함으로써 압출품의 품질을 향상하게 한다.

도 5는 종래의 압출 다이 및 본 발명의 복수의 접합 챔버를 통한 압출 소재의 온도 분포 비교를 보인다.

압출 과정은 업세팅(upsetting), 디바이딩(dividing), 웰딩(welding) 및 포밍(forming)의 단계를 거친다.

종래의 압출 다이 및 본 발명의 포트홀 다이 금형 구조체를 비교하는 경우에는, 업세팅 및 디바이딩 과정에서는 온도 분포가 거의 균일하게 발생하는 것을 볼 수 있지만, 웰딩 및 포밍 단계를 거치면서 온도 편차가 점점 벌어지는 것을 확인할 수 있다. 포밍 단계에서는 하단의 토출 온도가 20도 정도 차이나는 것을 확인할 수 있다.

도 6은 종래의 압출 다이 및 복수의 접합 챔버를 통한 압출 소재의 유효 변형률 분포를 보인다.

본 발명에서는 제2 접합 챔버(43)의 수직 길이 및 폭에 따라 다양한 압출 소재의 유효 변형률 분포를 보이고 있는데, 전체적으로는 복수의 접합 챔버(40)의 접합면을 중심으로 하여 유효 변형률이 상승된 상태인 것을 확인할 수 있다.

도 7은 복수의 접합 챔버를 통한 압출 소재에 대해 시간에 대한 압출 하중 변동을 보인다.

압출 하중은 업세팅, 디바이딩, 웰딩 및 포밍 과정으로 변동하면서 증가하는 경향을 보인다. 업세팅 단계에서는 디바이딩 단계로 이전하기 진전에 급격한 상승을 보이고, 디바이딩 단계에서는 거의 일정한 상태를 유지하며, 웰딩 단계에서는 가파른 상승 곡선을 그리고, 포밍 단계에서는 상하 진동이 있는 변화 형태를 보인다.

종래의 압출 다이에 비해서, 본 발명에 따른 포트홀 다이 금형 구조체를 통한 압출 소재의 변동시에는 업세팅, 디바이딩 단계에서는 압출 하중의 변동 차이가 거의 없지만 웰딩 및 포밍 단계에서는 현격하게 압출 하중이 작아지는 것을 확인할 수 있다.

도 8은 종래의 압출 다이 및 본 발명의 포트홀 다이 금형 구조체의 접합 압력의 분포를 보인다.

종래에는 단일 접합 챔버의 하단 일측 상에 일부 웰딩 존이 형성되지만, 본 발명에서는 제1 접합 챔버의 하부 영역 및 제2 접합 챔버 전체 영역을 따라 길게 웰딩 존이 형성되는 것을 확인할 수 있다.

도 9는 제2 접합 챔버의 수직 길이에 따른 접합 압력의 분포를 보이고, 도 10은 제2 접합 챔버의 폭에 따른 접합 압력의 분포를 보인다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 복수의 접합 챔버를 갖는 포트홀 다이 금형 구조체는 복수의 접합 챔버를 적용함으로써 알루미늄 튜브 압출 시 접합 챔버 내부에 접합 압력 발생 면적 및 접합 압력 발생 시간의 증가를 통해 알루미늄 압출 튜브의 접합 품질을 향상하게 한다.

이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 공급되는 빌렛(5)을 저장하는 컨테이너(10);
   상기 컨테이너(10)의 하부에 배치되는 포트홀 바디(20);
   상기 포트홀 바디(20)의 중앙 하부로 돌출 형성되는 맨드렐(23);
   상기 포트홀 바디(20)의 하부에 배치되는 압출 다이(30); 및
   상기 압출 다이(30) 내에 상기 맨드렐(23)이 삽입 결합되어 형성되는 접합 챔버(40);를 포함하며,
   상기 포트홀 바디(20)는 상기 컨테이너(10)에서 압입되는 빌렛(5)을 다수 가닥으로 분할하는 다수의 포트홀(21)이 형성되고, 상기 맨드렐(23)은 상기 다수의 포트홀(21)의 내측으로부터 하부 방향으로 연장되고,
   상기 맨드렐(23)은,
   상기 포트홀 바디(20)에서 하부로 연장되는 제1 맨드렐 바디(24), 상기 제1 맨드렐 바디(24)에서 하부 방향으로 경사지게 연장되는 제2 맨드렐 바디(25) 및 상기 제2 맨드렐 바디(25)의 하단에 형성되는 맨드렐 단부(26)을 포함하고,
   상기 제2 맨드렐 바디(25)는 그 상단이 상기 제2 맨드렐 바디(25)의 반경 방향을 따라 외측으로 소정 거리 연장된 후, 하부 방향을 따라 상기 제2 맨드렐 바디(25)의 중심을 향하여 내측 방향으로 경사지게 연장되는 형태로써, 상기 제2 맨드렐 바디(25)의 상부가 상기 제1 맨드렐 바디(24)의 직경보다는 큰 상태에서 하부로 갈수록 점점 그 직경이 작아지는 형태인,
   상기 접합 챔버(40)는 상하를 따라 연속적으로 복수개가 배치됨으로써 압출 소재인 빌렛(5)의 변형량을 증가하여 유효 변형율을 높이게 하고, 지속적인 접합 압력을 발생하게 하는,
   포트홀 다이 금형 구조체.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 접합 챔버(40)는,
   상기 다수의 포트홀(21)의 하단에 직접 연결되는 중공의 링 형상의 챔버인 제1 접합 챔버(41) 및 상기 제1 접합 챔버(41)의 하단 내측에 직접 연결되는 중공의 챔버로서 하부 방향으로 갈수록 상기 맨드렐(23)의 중심 측으로 경사지게 배치된 제2 접합 챔버(43)를 포함하고,
   상기 제1 접합 챔버(41)는 상기 제1 맨드렐 바디(24)에 의해 형성되고, 상기 제2 접합 챔버(43)는 상기 제2 맨드렐 바디(25)와 맨드렐 단부(26)에 의해 형성되고,
   상기 제2 맨드렐 바디(25)와 맨드렐 단부(26)의 연결 지점 상에는 외측으로 형성된 돌출부가 형성되는,
   포트홀 다이 금형 구조체.
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