KR101825660B1 - 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법 - Google Patents

마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펀치를 회전시켜 하부로 압입되도록 함으로써 펀치의 회전력에 의해 외측방향으로 소재의 유동이 발생되어 언더컷의 생성이 용이하도록 하고, 클린칭에 의한 목파괴 현상을 방지할 수 있도록 하는 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법을 제공한다. 본 발명은 상부소재의 상측에서 펀치가 상부소재를 가압할 시 회전하여 가압하도록 함으로써 펀치의 회전으로 인해 소재와 마찰열이 발생하여 소재의 온도가 상승하게 되고, 이로 인해 소재의 유동응력이 감소하여 펀치에 작용하는 반력을 최소화시킬 수 있기 때문에 금형의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법{Multi-material Joining Method by Friction Stir Hole Clinching}
본 발명은 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 펀치를 회전시켜 하부로 압입되도록 함으로써 펀치의 회전력에 의해 외측방향으로 소재의 유동이 발생되어 언더컷의 생성이 용이하도록 하고, 클린칭에 의한 목파괴 현상을 방지할 수 있도록 하는 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법에 관한 것이다.
판재를 가공하여 물품을 제조하는 과정에서 중첩된 시트를 접합시키는 작업은 매우 빈번하게 발생하는 작업이다. 그러한 접합방법으로는 용접이나 리벳팅이 주로 사용되지만, 물성상 용접이 불가능하거나 용접에 따른 물성변화를 용인할 수 없거나 리벳구멍에서의 누설이나 응력집중이 문제로 되는 것 등의 이유로 인하여 용접이나 리벳팅 이외의 방법이 채택되기도 한다.
그 중에서도 유력하게 채택되는 것은 맞대어진 판재의 단부를 변형시켜 서로 에 대한 결합상태를 유지하는 접합구조를 형성하는 것이다. 이러한 변형에 의한 접합구조의 형성방법으로 보편적으로 사용되는 것이 모루와 망치 또는 그 대용품을 이용하여 맞대어진 판재의 양단부를 서로 접어붙이는 것이다. 그러나, 이러한 방법은 판재의 단부에서나 이용할 수 있는 것이며, 겹쳐진 판재의 중간부분을 서로 접합시키는 경우에는 이용할 수 없다.
판재의 중간을 변형시켜 서로 접합시키는 방법으로 대표적인 것은 클린칭이며, 이러한 클린칭을 행하기 위한 다양한 장치들이 개발되고 있다.
상기의 클린칭 공정을 통해 이종소재를 접합하는 기술은 특허문헌 1의 "중첩판재를 클린칭하는 장치 및 방법", 특허문헌 2의 "금속 접합 장치"에서 보는 바와 같이 제안되어 있다. 또한, 본 출원인은 특허문헌 3에서 보는 바와 같이 "테이퍼 홀 클린칭 접합 방법"에서 클린칭 공정을 통해 이종 소재를 접합하는 방법을 제안하여 등록받은 바 있고, 이와 같은 클린칭 공정을 통해 이종소재를 접합하는 방법은 펀치에 의해 상부소재가 홀 내부로 유입되도록 하여 이종소재를 접합하도록 한다.
그러나, 상기와 같은 클린칭 공정을 통해 이종소재를 접합하는 방법은 펀치와 홀의 간격이 미미하여 도 1의 (a)에서 보는 바와 같이 목파괴가 발생하거나, 도 1의 (b)에서 보는 바와 같이 펀치와 홀의 간격을 넓혀 목 두께를 충분히 하면 언더컷이 생성되지 않는 문제점이 있었다.
특허문헌 1 : 국내등록특허공보 등록번호 제10-0431640호 "중첩판재를 클린칭하는 장치 및 방법" 특허문헌 2 : 국내등록특허공보 등록번호 제10-0969374호 "금속 접합 장치" 특허문헌 3 : 국내등록특허공보 등록번호 제10-1576425호 "테이퍼 홀 클린칭 접합 방법"
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로, 펀치를 회전시켜 하부로 압입되도록 함으로써 펀치의 회전력에 의해 외측방향으로 소재의 유동이 발생되어 언더컷의 생성이 용이하도록 하고, 클린칭에 의한 목파괴 현상을 방지할 수 있도록 하는 새로운 형태의 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 상부소재의 상측에서 펀치가 상부소재를 가압할 시 회전하여 가압하도록 함으로써 펀치의 회전으로 인해 소재와 마찰열이 발생하여 소재의 온도가 상승하게 되고, 이로 인해 소재의 유동응력이 감소하여 펀치에 작용하는 반력을 최소화시킬 수 있기 때문에 금형의 수명을 향상시킬 수 있도록 하는 새로운 형태의 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 판재로 된 상부소재(1)와 설정크기의 홀(3)이 형성된 하부소재(2)가 구비되고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 큰 중앙홀(11)을 형성한 다이(10) 표면에 상부소재(1)와 하부소재(2)가 적층되는 소재 배치단계와; 상하이동 및 회전이 가능하게 설치된 펀치(20)가 다이(10)에 적층된 상부소재(1)로부터 상측으로 이격된 위치에 배치된 상태에서 하강하여 상부소재(1)와 접촉하게 되는 펀치 초기 하강단계와; 상부소재(1)와 접촉한 펀치(20)가 회전하는 동시에 하강하여 상부소재(1)의 소성유동을 유도하면서 상부소재(1)가 하부소재(2)의 홀(3)과 다이(10)의 중앙홀(11)로 유입되도록 하는 펀치 회전-하강 기반 소재유동 유도단계와; 펀치(20)의 계속적인 회전과 하강에 의한 상부소재(1)의 소성유동으로 하부소재(2) 저면에 언더컷(4)이 생성되면서 상부소재(1)와 하부소재(2)가 접합되는 이종소재 접합단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법에서 상기 소재 배치단계는 하부소재(2)보다 큰 두께의 상부소재(1)가 배치되도록 하되, 펀치(20)는, 상부소재(1)와 접촉하는 하부 표면이 수평면으로 이루어지고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 큰 직경을 갖는 평펀치(20a)인 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법에서 상기 소재 배치단계는 하부소재(2)와 동일한 두께의 상부소재(1)와, 하부소재(2)보다 작은 두께의 상부소재(1) 중에서 선택된 어느 하나가 배치되도록 하되, 펀치(20)는, 하부 표면 중앙부위에 돌출형성되어 상부소재(1)의 중앙부위와 접촉하고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 작은 직경을 갖는 프로브(21)와; 프로브(21) 외측 부위에 형성되어 상부소재(1)의 중앙 외측 부위와 접촉하고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 큰 직경을 갖는 숄더(shoulder)(22)를 포함하는 구성의 다단 펀치(20b)인 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법에서 상기 소재 배치단계는 상부소재(1)보다 융점이 낮은 하부소재(2)가 배치되도록 하고, 상기 펀치 회전-하강 기반 소재유동 유도단계와 이종소재 접합단계는 펀치(20)의 하강에 의한 가압력과 펀치(20)의 회전력에 의해 발생되는 열로 상부소재(1)의 온도가 상승하면서 하부소재(2)를 용융시키고, 하부소재(2)의 용융부위에서도 상부소재(1)와 하부소재(2)가 서로 접합되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법에 의하면, 펀치를 회전시켜 하부로 압입되도록 함으로써 펀치의 회전력에 의해 외측방향으로 소재의 유동이 발생되어 언더컷의 생성이 용이하도록 하고, 클린칭에 의한 목파괴 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
특히, 상부소재의 상측에서 펀치가 상부소재를 가압할 시 회전하여 가압하도록 함으로써 펀치의 회전으로 인해 소재와 마찰열이 발생하여 소재의 온도가 상승하게 되고, 이로 인해 소재의 유동응력이 감소하여 펀치에 작용하는 반력을 최소화시킬 수 있기 때문에 금형의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 클린칭 접합에 의해 발생되는 문제점을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법의 블럭도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법에서 소재의 두께에 따라 사용되는 펀치의 종류를 다르게 하여 접합되는 공정을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법에서 소재의 용융부위에서 접합되는 구성을 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하며, 도 2 내지 도 5에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다. 한편, 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법은 판재로 된 상부소재(1)와 설정크기의 홀(3)이 형성된 하부소재(2)가 구비되고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 큰 중앙홀(11)을 형성한 다이(10) 표면에 상부소재(1)와 하부소재(2)가 적층되는 소재 배치단계와, 상하이동 및 회전이 가능하게 설치된 펀치(20)가 다이(10)에 적층된 상부소재(1)로부터 상측으로 이격된 위치에 배치된 상태에서 하강하여 상부소재(1)와 접촉하게 되는 펀치 초기 하강단계와, 상부소재(1)와 접촉한 펀치(20)가 회전하는 동시에 하강하여 상부소재(1)의 소성유동을 유도하면서 상부소재(1)가 하부소재(2)의 홀(3)과 다이(10)의 중앙홀(11)로 유입되도록 하는 펀치 회전-하강 기반 소재유동 유도단계와, 펀치(20)의 계속적인 회전과 하강에 의한 상부소재(1)의 소성유동으로 하부소재(2) 저면에 언더컷(4)이 생성되면서 상부소재(1)와 하부소재(2)가 접합되는 이종소재 접합단계를 포함하여 이루어진다.
소재 배치단계에서 상부소재(1)와 하부소재(2)가 적층시 상부소재(1)와 하부소재(2)의 두께에 따라 펀치(20)의 종류가 다르게 적용되도록 하는데, 상부소재(1)의 두께가 하부소재(2)의 두께에 비해 큰 경우 펀치(20)는 상부소재(1)와 접촉하는 하부 표면이 수평면으로 이루어지고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 큰 직경을 갖는 평펀치(20a)를 적용하도록 하고, 하부소재(2)의 두께가 상부소재(1)의 두께에 비해 크거나 동일한 경우 펀치(20)는 하부 표면 중앙부위에 돌출형성되어 상부소재(1)의 중앙부위와 접촉하고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 작은 직경을 갖는 프로브(21)와; 프로브(21) 외측 부위에 형성되어 상부소재(1)의 중앙 외측 부위와 접촉하고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 큰 직경을 갖는 숄더(shoulder)(22)를 포함하는 구성의 다단 펀치(20b)를 적용하도록 한다.
상기와 같이 소재 배치단계에서 상부소재(1)가 하부소재(2)의 두께보다 큰 경우 즉, 평펀치(20a)를 적용하여 상부소재(1)와 하부소재(2)를 접합하는 공정을 도 3을 통해 살펴보면, 먼저, 하부소재(2)의 홀(3) 보다 큰 중앙홀(11)을 갖는 다이(10)의 상부에 하부소재(2)와 상부소재(1)가 적층되도록 하고, 상부소재(1)의 상측으로 이격된 위치에 평펀치(20a)가 배치되도록 한다. 이때, 다이(10)의 중앙홀(11)과 하부소재(2)의 홀(3)은 중심이 대응되도록 위치시킨다(a). 이후, 평펀치(20a)를 하강하여 상부소재(1)와 접촉하게 된다(b). 상부소재(1)와 접촉한 평펀치(20a)는 회전하는 동시에 하강하여 상부소재(1)의 소성유동을 유도하면서 상부소재(1)가 하부소재(2)의 홀(3)과 다이(10)의 중앙홀(11)로 유입되도록 한다(c). 그리고, 평펀치(20a)의 계속적인 회전과 하강에 의한 상부소재(1)의 소성유동으로 하부소재(2) 저면에 언더컷(4)이 생성되면서 상부소재(1)와 하부소재(2)는 접합되어 진다(d).
이와 같이 상부소재(1)와 접촉하는 하부 표면이 수평면으로 이루어지고, 하부소재(2)의 홀(3) 보다 큰 직경을 갖는 평펀치(20a)를 적용하여 상부소재(1)와 하부소재(2)를 접합하는 경우 상부소재(1)에 회전과 가압력으로 언더컷(4)을 생성할 수 있는 장점이 있고, 목두께가 두껍게 형성되기 때문에 전단강도가 높은 장점이 있다.
한편, 하부소재(2)의 두께가 상부소재(1)의 두께보다 크거나 동일할 경우 도 4에서 보는 바와 같이 다단 펀치(20b)를 적용하여 상부소재(1)와 하부소재(2)를 접합하는데 도 4를 통해 접합공정을 살펴보면, 먼저, 하부소재(2)의 홀(3) 보다 큰 중앙홀(11)을 갖는 다이(10)의 상부에 하부소재(2)와 상부소재(1)가 적층되도록 하고, 상부소재(1)의 상측으로 이격된 위치에 다단 펀치(20b)가 배치되도록 한다. 이때, 다이(10)의 중앙홀(11)과 하부소재(2)의 홀(3)은 중심이 대응되도록 위치시킨다(a). 이후, 다단 펀치(20b)를 하강하여 상부소재(1)와 접촉하게 된다(b). 상부소재(1)와 접촉한 다단 펀치(20b)는 회전하는 동시에 하강하여 상부소재(1)의 소성유동을 유도하면서 상부소재(1)가 하부소재(2)의 홀(3)과 다이(10)의 중앙홀(11)로 유입되도록 한다(c). 그리고, 다단 펀치(20b)의 계속적인 회전과 하강에 의한 상부소재(1)의 소성유동으로 하부소재(2) 저면에 언더컷(4)이 생성되면서 상부소재(1)와 하부소재(2)는 접합되어 진다(d).
이와 같이 하부소재(2)의 홀(3) 보다 작은 직경을 갖는 프로브(21)와, 프로브(21)의 외측 부위에 형성되어 상부소재(1)의 중앙 외측 부위와 접촉하고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 큰 직경을 갖는 숄더(shoulder)(22)를 포함하는 구성의 다단 펀치(20b)를 적용하여 상부소재(1)와 하부소재(2)를 접합하는 경우 하부소재(2)의 홀(3) 내부에 프로브(21)가 삽입되어 회전되기 때문에 다단 펀치(20b)의 회전으로 발생되는 열에 의해 상부소재(1)의 온도가 상승하면서 하부소재(2)를 용융시키고, 하부소재(2)의 용융부위에서도 상부소재(1)와 하부소재(2)가 서로 접합되도록 하여 효율적으로 언더컷(4)을 생성할 수 있는 효과가 있다.
한편, 하부소재(2)와 상부소재(1)를 적층하여 접합시 상부소재(1) 보다 융점이 낮은 하부소재(2)가 적용될 경우 펀치 회전-하강 기반 소재유동 유도단계와 이종소재 접합단계는 도 5에서 보는 바와 같이 펀치(20)의 하강에 의한 가압력과 펀치(20)의 회전력에 의해 발생되는 열로 상부소재(1)의 온도가 상승하면서 하부소재(2)를 용융시키고, 하부소재(2)의 용융부위에서도 상부소재(1)와 하부소재(2)가 서로 접합되도록 한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법에 의하면, 펀치(20)를 회전시켜 하부로 압입되도록 함으로써 펀치(20)의 회전력에 의해 외측방향으로 상부소재(1)의 유동이 발생되어 언더컷(4)의 생성이 용이하도록 하고, 클린칭에 의한 목파괴 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
특히, 상부소재(1)의 상측에서 펀치(20)가 상부소재(1)를 가압할 시 회전하여 가압하도록 함으로써 펀치(20)의 회전으로 인해 상부소재(1)와 마찰열이 발생하여 상부소재(1)의 온도가 상승하게 되고, 이로 인해 상부소재(1)의 유동응력이 감소하여 펀치에 작용하는 반력을 최소화시킬 수 있기 때문에 금형의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
1 : 상부소재 2 : 하부소재
3 : 홀 4 : 언더컷
10 : 다이 11 : 중앙홀
20 : 펀치 20a : 평펀치
20b : 다단 펀치 21 : 프로브
22 : 숄더

Claims (4)

  1. 판재로 된 상부소재(1)와 설정크기의 홀(3)이 형성된 하부소재(2)가 구비되고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 큰 중앙홀(11)을 형성한 다이(10) 표면에 상부소재(1)와 하부소재(2)가 적층되는 소재 배치단계와;
    상하이동 및 회전이 가능하게 설치된 펀치(20)가 다이(10)에 적층된 상부소재(1)로부터 상측으로 이격된 위치에 배치된 상태에서 하강하여 상부소재(1)와 접촉하게 되는 펀치 초기 하강단계와;
    상부소재(1)와 접촉한 펀치(20)가 회전하는 동시에 하강하여 상부소재(1)의 소성유동을 유도하면서 상부소재(1)가 하부소재(2)의 홀(3)과 다이(10)의 중앙홀(11)로 유입되도록 하는 펀치 회전-하강 기반 소재유동 유도단계와;
    펀치(20)의 계속적인 회전과 하강에 의한 상부소재(1)의 소성유동으로 하부소재(2) 저면에 언더컷(4)이 생성되면서 상부소재(1)와 하부소재(2)가 접합되는 이종소재 접합단계를 포함하되,
    상기 소재 배치단계는 하부소재(2)보다 큰 두께의 상부소재(1)가 배치되도록 하되, 상기 다이(10)의 중앙홀(11)과 상기 하부소재(2)의 홀(3)은 중심이 대응되도록 위치시키고,
    펀치(20)는,
    상부소재(1)와 접촉하는 하부 표면이 수평면으로 이루어지고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 큰 직경을 갖는 평펀치(20a)인 것을 특징으로 하는 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법.
  2. 삭제
  3. 판재로 된 상부소재(1)와 설정크기의 홀(3)이 형성된 하부소재(2)가 구비되고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 큰 중앙홀(11)을 형성한 다이(10) 표면에 상부소재(1)와 하부소재(2)가 적층되는 소재 배치단계와;
    상하이동 및 회전이 가능하게 설치된 펀치(20)가 다이(10)에 적층된 상부소재(1)로부터 상측으로 이격된 위치에 배치된 상태에서 하강하여 상부소재(1)와 접촉하게 되는 펀치 초기 하강단계와;
    상부소재(1)와 접촉한 펀치(20)가 회전하는 동시에 하강하여 상부소재(1)의 소성유동을 유도하면서 상부소재(1)가 하부소재(2)의 홀(3)과 다이(10)의 중앙홀(11)로 유입되도록 하는 펀치 회전-하강 기반 소재유동 유도단계와;
    펀치(20)의 계속적인 회전과 하강에 의한 상부소재(1)의 소성유동으로 하부소재(2) 저면에 언더컷(4)이 생성되면서 상부소재(1)와 하부소재(2)가 접합되는 이종소재 접합단계를 포함하되,
    상기 소재 배치단계는 하부소재(2)와 동일한 두께의 상부소재(1)와, 하부소재(2)보다 작은 두께의 상부소재(1) 중에서 선택된 어느 하나가 배치되도록 하되, 상기 다이(10)의 중앙홀(11)과 상기 하부소재(2)의 홀(3)은 중심이 대응되도록 위치시키고,
    펀치(20)는,
    하부 표면 중앙부위에 돌출형성되어 상부소재(1)의 중앙부위와 접촉하고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 작은 직경을 갖는 프로브(21)와; 프로브(21) 외측 부위에 형성되어 상부소재(1)의 중앙 외측 부위와 접촉하고, 하부소재(2)의 홀(3)보다 큰 직경을 갖는 숄더(shoulder)(22)를 포함하는 구성의 다단 펀치(20b)로 이루어지며,
    상기 소재 배치단계는 상부소재(1)보다 융점이 낮은 하부소재(2)가 배치되도록 하고,
    상기 펀치 회전-하강 기반 소재유동 유도단계와 이종소재 접합단계는 펀치(20b)의 하강에 의한 가압력과 펀치(20b)의 회전력에 의해 발생되는 열로 상부소재(1)의 온도가 상승하면서 하부소재(2)를 용융시키고, 하부소재(2)의 용융부위에서도 상부소재(1)와 하부소재(2)가 서로 접합되도록 하는 것을 특징으로 하는 마찰 교반 홀 클린칭을 통한 이종소재 접합방법.
  4. 삭제
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