KR101957805B1 - 금속판재의 연속 전단변형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 금속판재의 연속 전단변형장치는 외면에 금형판재의 일면과 마찰되도록 마찰부가 형성되고 회전 가능하게 배치되어 금속판재를 이동시키는 회전금형과, 상기 회전금형의 외면에 고정된 상태로 배치되고 그 내면에는 금속판재가 통과하는 가이드 홈부가 형성되고, 금속판재가 인입되는 인입부와 금형판재가 사출되는 사출부가 형성되는 고정금형과, 상기 인입부 및 사출부 중 적어도 하나에 형성되어 금속판재에 전단변형을 가하는 전단 변형부를 포함하고, 상기 가이드 홈부는 금속판재의 두께방향으로 압축변형을 가할 수 있도록 상기 금속판재의 두께에 비해 작은 두께를 갖는 압축 변형부가 형성되어 금속판재의 판재의 결정립 미세화 및 집합 조직 조절을 통한 금속판재의 기계적, 기능적 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

금속판재의 연속 전단변형장치{CONTINUOUS SHEAR DEFORMATION DEVICE OF METAL SHEETS}

본 발명은 금속판재의 두께방향으로 균일한 전단 변형을 연속적으로 가하여 금속판재의 기계적 물성과 미세 조직적 특성을 향상시키는 금속판재의 연속 전단변형장치에 관한 것이다.

금속판재는 건물, 교량, 자동차, 항공기 등 구조재료 중 가장 범용적으로 사용되는 것으로, 금속판재의 기계적 물성 및 미세조직적 특성 향상은 구조물의 안정성과 밀접한 관련을 가진다. 따라서 금속판재의 기계적, 미세 조직적 특성 향상은 구조물의 안전성과 신뢰도를 향상시키는 가장 큰 요소 중 하나이다.

일반적으로 금속재료의 경우, 고변형 유발을 통한 가공 경화를 이용하여 금속재료의 기계적 성질을 향상시킬 수 있다. 또한, 최근 구조재료의 기계적 성질뿐만 아니라, 전단변형에 의해 유발되는 집합조직 조절을 통해 금속재료의 성형성, 생체적합성, 자기적 특성 등 다양한 기능적 특성의 향상이 필수적이다. 따라서 금속판재의 기계적 성질 및 기능적 특성 향상을 위해, 고변형과 동시에 판재의 두께방향으로 균일한 전단변형을 가하는 것이 핵심적 기술로 대두되고 있다.

일반적인 판재 제조 및 양산과정에서 금속판재의 두께 조절 및 기계적 물성 향상을 위해 압연공정이 주로 이용된다. 압연 공정시 압하율 및 공정온도 등의 조절에 따라 미세조직과 기계적 물성 조절이 가능하나, 종래의 압연공정은 금속판재의 두께 감소의 한계로 인하여 고변형을 유발시킬 수 없어, 금속재료의 기계적 물성 향상 측면에서 한계점을 가진다. 또한, 종래의 압연공정은 무엇보다도 공정 시 롤과 맞닿는 금속판재의 표면부에만 전단변형이 집중되고, 판재 중심부에는 압축변형만이 가해지게 되어, 결과적으로 판재의 두께 방향으로의 불균일한 변형 거동에 의해 판재 표면부와 중심부 간의 기계적 물성 및 집합조직 분포의 불균일 현상이 발생한다.

이러한 압연공정에서의 기계적 특성 및 전단 집합조직 형성에 대한 한계점을 개선하기위해 비대칭압연 공정이 개발되었다. 비대칭압연 공정의 경우, 상부 롤과 하부 롤의 직경, 회전속도 등의 차이를 두어 상부 롤과 맞닿는 판재표면과 하부 롤과 맞닿는 판재표면 간의 유속의 차이를 유발시킴으로써 판재의 두께방향으로 균일전단변형을 일으킬 수 있는 공법이다. 그러나 비대칭 압연의 경우, 공정이 진행됨에 따라 상부 롤과 하부 롤 간의 회전속도가 점차적으로 같아짐으로써 회전속도 평형을 이루게 된다. 또한, 비대칭 압연 롤의 속도차가 크지 않으면 금속판재의 두께방향으로 전단변형이 발생하지 않는 부분이 국부적으로 발생하게 된다. 따라서 비대칭 압연공정에서도 종래의 압연공정과 같은 문제점이 발생하여 불균일 변형에 대한 근본적인 해결책을 제시하지 못한다.

금속재료에 고변형 및 두께 방향으로의 균일전단변형을 유발하기위해, 최근 위 언급한 압연공정과 등통로각압축 공정(ECAP: Equal channel angular pressing)의 원리를 결합한 다양한 장치들이 개발되고 있다. 대표적으로, Conshearing process, Continuous constrained strip shearing(C2S2), 그리고 Continuous equal channel angular pressing 등의 공정이 있다.

Conshearing, C2S2 공정의 경우, 소재를 금형으로 사입시키는 다수의 롤과 ECAP 공정 원리를 이용한 금형을 결합하여 연속 전단변형을 유발하는 공정 방법이다. 허나 상기 공정의 경우, 금속재료가 ECAP 영역에서의 변형저항을 극복하기 위해 큰 구동력이 필요하여 다수의 롤을 사용하고, 최종적으로 금속재료의 두께변화를 유발시켜 판재의 단면적 형상 변화에 의해 반복공정이 불가능한 단점을 지닌다.

또한, Continuous equal channel angular pressing 의 경우, 하나의 공전 롤을 통한 금속 선재의 연속 전단변형 장치로써, 최종적인 금속재료의 변형량 크기와 분포가 기존의 ECAP 공정과 같은 특징을 보인다. 해당 공정은 공전 롤에 새겨진 홈의 3개면이 재료에 마찰력을 가하여 공정이 구동되며, 이로 인해 금속선재 단면형상에 따른 분리형 롤에 새겨진 홈의 수정이 불가피하다. 또한, 특정 모양으로 홈이 파인 분리형 롤을 사용함에 따라 기존 압연 롤에 대한 적용가능성이 낮은 한계점을 가진다.

종래의 연속 전단변형장치는 등록특허공보 10-0778763(2007. 11. 16)에 개시된 바와 같이, 소재가 유입되는 유입부를 형성하는 제1 상ㆍ하부 금형과, 상기 소재가 전단변형되어 배출되는 출구부를 형성하는 제2 상ㆍ하부 금형과, 상기 제1, 제2 상ㆍ하부 금형의 사이에 배치되어 상기 제1 상ㆍ하부 금형의 출구와 상기 제2 상ㆍ하부 금형의 입구에 전단변형부를 각각 형성하는 공전롤(Idle Roll) 및 상기 소재를 인발 이송시키는 인발장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 한 개의 공전롤을 갖도록 구성된다.

이와 같은 종래의 전단변형장치는 금속 소재를 이송하기 위한 별도의 인발장치를 필요로 하여 구성이 복잡한 문제가 있다. 즉, 인발장치의 경우 제2상하부금형과 인발장치 사이 영역에서 금속재료에 국부적인 네킹(Necking)을 유발하여 연속적인 공정수행이 어려운 문제가 있다.

또한, 종래의 전단변형장치는 제1상하부 금형과 제2상하부금형의 입구와 출구에 전단변형부가 구비되어 금속소재를 절곡함에 따른 전단변형만 이루어지므로 금속 소재의 기계적, 기능적 특성이 저하되는 문제가 있다.

또한, 종래의 전단변형장치는 제1상하부 금형과 제2상하부 금형의 높낮이를 조절하여 전변변형량을 조절하는 데, 제1상하부 금형 및 제2상하부 금형의 높낮이를 조절하기 위해 별도의 높낮이 조절장치를 필요로 하게 되고 구조가 복잡해지는 문제가 있다.

특허문헌 1: 등록특허공보 10-0778763(2007. 11. 16)

따라서, 본 발명의 목적은 회전금형과 금속판재 사이의 마찰력에 의해 금속판재가 이동되도록 함으로써, 금속판재를 이동하기 위한 별도의 인발장치가 불필요하여 구조를 단순화할 수 있는 금속판재의 연속 전단변형장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 금속판재가 통과하도록 고정금형에 형성되는 가이드홈의 두께를 조절하여 금속판재와 회전금형 사이의 마찰력을 증대시킴과 아울러 금속판재에 압축 및 전단변형을 연속적으로 가하여 판재의 결정립 미세화 및 집합 조직 조절을 통한 금속판재의 기계적, 기능적 특성을 향상시킬 수 있는 금속판재의 연속 전단변형장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전단 변형부의 각도를 보다 쉽게 조절할 수 있어 원하는 전단 변형값을 얻을 수 있며 공정 전, 후 금속판재의 단면적 형상이 유지됨에 따라 반복적인 공정을 통해 금속판재의 기계적, 미세조직적 특성을 조절할 수 있는 연속 전단변형장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 금속판재의 연속 전단변형장치는 외면에 금형판재의 일면과 마찰되도록 마찰부가 형성되고 회전 가능하게 배치되어 금속판재를 이동시키는 회전금형과, 상기 회전금형의 외면에 고정된 상태로 배치되고 그 내면에는 금속판재가 통과하는 가이드 홈부가 형성되고, 금속판재가 인입되는 인입부와 금형판재가 사출되는 사출부가 형성되는 고정금형과, 상기 인입부 및 사출부 중 적어도 하나에 형성되어 금속판재에 전단변형을 가하는 전단 변형부를 포함하고, 상기 가이드 홈부는 금속판재의 두께방향으로 압축변형을 가할 수 있도록 상기 금속판재의 두께에 비해 작은 두께를 갖는 압축 변형부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 회전금형의 외면에는 금속판재와의 마찰력을 증가시키기 위해 표면 조도의 거칠기를 조절한 마찰부가 형성되고, 상기 마찰부는 금속판재의 표면 결함을 유발하지 않는 범위의 거칠기를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 압축 변형부의 두께는 금속판재를 두께방향으로 가압한 후 원상태의 두께로 회복될 수 있는 범위 내인 것을 특징으로 한다.

상기 압축 변형부는 상기 금속판재가 순차적으로 압축 변형될 수 있도록 상기 인입부에서 사출부로 갈수록 두께가 점차적으로 작아지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 압축 변형부는 상기 인입부에 가깝게 위치되어 금속판재의 두께에 비해 작은 두께를 갖는 제1압축 변형부와, 상기 제1압축 변형부의 후방에 위치되고 더 작은 두께로 형성되는 제2압축 변형부와, 상기 전단 변형부에 가깝게 위치되고 제2압축 변형부에 비해 두께가 더 작게 형성되는 제3압축 변형부를 포함한다.

상기 제1압축 변형부는 금속판재의 두께가 1mm일 경우 0.97~0.99mm로 형성되고, 상기 제2압축 변형부는 0.95~0.96mm로 형성되며, 상기 제3압축 변형부는 금속판재의 두께가 원상태로 복원될 수 있는 0.93~0.94mm로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 고정금형의 사출부에는 상기 전단 변형부의 전단 변형량을 조절할 수 있도록 전단 변형부의 각도를 조절하는 각도 조절부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 각도 조절부는 상기 고정금형에 관통되게 형성되는 슬라이드홈부와, 상기 슬라이드홈부에 원주방향으로 슬라이드 이동 가능하게 장착되고 사출부가 형성되는 이동부재를 포함하고, 상기 슬라이드홈부의 양쪽 측면에는 걸림턱이 일정 간격으로 복수로 형성되고, 이동부재의 양쪽 측면에는 걸림턱에 걸림되는 걸림돌기가 형성되어 이동부재를 고정금형에 고정하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 금속판재의 연속 전단변형장치는 회전 금형과 금속판재 사이의 마찰력에 의해 금속판재가 이동되도록 함으로써, 금속판재를 이동하기 위한 별도의 인발장치가 불필요하여 구조를 단순화할 수 있다.

또한, 금속판재가 통과하도록 고정금형에 형성되는 가이드홈의 두께를 조절하여 금속판재와 회전금형 사이의 마찰력을 증대시킴과 아울러 금속판재에 압축변형 및 전단변형을 연속적으로 가하여 판재의 결정립 미세화 및 집합 조직 조절을 통한 금속판재의 기계적, 기능적 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 전단 변형부의 각도를 보다 쉽게 조절할 수 있어 원하는 전단 변형값을 얻을 수 있고, 반복공정을 통해 결정립 크기 및 집합조직 분포의 조절이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 전단변형장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 전단변형장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 전단변형장치의 압축 변형부를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 전단변형장치의 각도 조절부의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 전단변형장치의 각도 조절부의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 전단변형장치를 통과하는 금속판재의 두께변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 전단변형장치를 통과하는 금속판재의 경도분포를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속판재가 압축 변형부를 통과할 때와 전단 변형부를 통과할 때의 소성 변형량 분포를 유한요소해석법으로 계산한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 전단변형장치를 이용한 금속판재의 두께방향으로 유발되는 전단변형분포와 일반 압연공정에 의한 전단변형분포를 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 전단변형장치를 통과하기 전 금속판재와 통과한 후의 금속판재의 미세조직의 전단변형에 의한 결정립 형상변화를 비교한 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속판재의 응력과 변형률 곡선을 나타낸 그래프와, 금속판재의 결정립 크기 및 인장물성을 나타내는 표이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속판재의 압축변형 및 전단변형에 의해 형성되는 집합조직의 분포와 이상적인 경우를 비교한 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 전단장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 전단장치의 단면도이다.

본 발명에 따른 금속판재의 연속 전단장치는 회전 가능하게 배치되어 금속판재를 마찰력에 의해 이동시키는 회전금형(10)과, 회전금형(10)의 외면에 고정된 상태로 배치되고 금속판재(30)가 통과하는 가이드 홈부(22)가 형성되는 고정금형(20)을 포함한다.

회전금형(10)은 원형으로 형성되고, 그 외면에는 원주방향으로 금속판재(30)와 마찰되는 마찰부가 형성되고, 회전금형(10)을 회전시키는 구동장치(미도시)와 연결되어 구동장치가 작동되면 회전금형(10)이 회전되면서 금속판재(30)를 이동시킨다.

마찰부는 금속판재(30)와 회전금형(10) 사이의 수직항력 대비 금속판재가 받는 마찰력의 크기를 증가시키기 위해 금속판재(30)의 표면 결함이 유발되지 않는 범위에서 표면 조도를 비교적 거칠게 형성한다.

본 실시예에 따른 연속 전단장치는 회전금형(10)과 금속판재(30) 사이의 마찰력에 의해 금속판재(30)가 이동된다. 따라서, 회전금형(10)의 외면에 마찰부를 형성하여 회전금형(10)과 금속판재(30) 사이의 마찰력을 극대화시켜 구동력을 가해주는 금속판재(30)의 접촉면이 한 면임에도 불구하고 연속적인 공정수행이 가능하게 한다.

이러한 연속 전단장치는 특정두께에서 금속판재의 폭, 너비에 따라 추가적인 설비 및 금형 수정이 필요 없으며, 다양한 폭의 금속판재에 대해 적용이 가능하다.

고정금형(20)은 회전금형(10)이 내부에 위치되는 원통 형태이고, 그 일측에는 금속판재(30)가 삽입되는 인입부(40)가 형성되고, 그 타측에는 금속판재(30)가 인출되는 사출부(42)가 형성된다. 그리고 사출부(42)가 형성되는 부분에는 금속판재(30)에 전단 변형을 가하는 전단 변형부(44)가 형성된다. 그리고, 고정금형(20)의 내면에는 금속판재(30)가 통과하는 가이드 홈부(22)가 형성된다.

가이드 홈부(22)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 금속판재(30)에 두께방향으로 압축변형을 가하여 금속판재(30)의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 압축 변형부(50,52,54)가 형성된다.

압축 변형부(50,52,54)의 두께는 금속판재(30)의 두께에 비해 작게 형성되어 금속판재(30)가 통과하면 금속판재(30)의 두께방향으로 가압하는 것으로, 압축 변형부(50,52,54)의 두께는 금속판재(30)를 가압한 후 원상태로 두께로 회복될 수 있는 범위 내로 형성된다.

이러한 압축 변형부(50,52,54)의 높이는 금속판재(30)가 순차적으로 압축 변형될 수 있도록 인입부(40)에서 사출부(42)로 갈수록 점차적으로 작아지게 형성된다.

즉, 압축 변형부(50,52,54)는 인입부에 가깝게 위치되어 금속판재의 두께에 비해 작은 두께를 갖는 제1압축 변형부(50)와, 제1압축 변형부(50)의 후방에 위치되고 제1압축 변형부(50)의 두께에 비해 작은 두께로 형성되는 제2압축 변형부(52)와, 전단 변형부(44)에 가깝게 위치되고 제2압축 변형부(52)의 두께 비해 더 작은 두께로 형성되는 제3압축 변형부(54)를 포함한다.

제1압축 변형부(50)는 금속판재(30)의 두께가 1mm일 경우 0.97~0.99mm로 형성되고, 제2압축 변형부(52)는 0.95~0.96mm로 형성되며, 제3압축 변형부(54)는 금속판재(30)의 두께가 원상태로 복원될 수 있는 0.93~0.94mm로 형성되어, 금속판재(30)가 인입부(40)로 인입되어 제1압축 변형부(50)를 통과하면서 1차로 가압되고, 순차적으로, 제2압축 변형부(52) 및 제3압축 변형부(54)를 통과하면서 점차적으로 가압력이 높아지게 되어 금속판재(30)의 이동은 원활하게 이루어지면서 금속판재(30)에 압축변형을 가할 수 있고, 최종적으로 전단 변형부(44)에서 강한 전단변형을 받아 초기 금속판재의 두께를 회복한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속판재의 전단 변형량을 조절하기 위해 전단 변형부의 각도를 조절하는 각도 조절부의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속판재의 전단 변형량을 조절하기 위한 전단 변형부의 각도를 조절하는 각도 조절부의 평면도이다.

고정금형(20)의 사출부(42)에는 전단 변형부(44)의 각도를 조절하여 전단 변형량을 조절하는 각도 조절부가 설치된다.

각도 조절부는 고정금형(20)에 관통되게 형성되는 슬라이드 홈부(60)와, 슬라이드 홈부(60)에 원주방향으로 슬라이드 이동 가능하게 장착되고 사출부(42)가 형성되는 이동부재(62)를 포함한다. 그리고 슬라이드홈부(60)의 양쪽 측면에는 걸림턱(64)이 일정 간격으로 복수로 형성되고, 이동부재(62)의 양쪽 측면에는 걸림턱(64)에 걸림되는 걸림돌기(66)가 형성되어 이동부재(62)를 슬라이드홈부(60)에서 원주방향으로 슬라이드 이동시킨 후 걸림돌기(66)가 걸림턱(64)에 삽입되면 이동부재(62)가 고정금형(20)에 고정되고 전단 변형부(44)의 각도가 조절되어 원하는 전단 변형량을 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 고정금형(20)에 비교적 간단한 구조의 각도 조절부가 설치되어 작업자가 이동부재(62)를 고정금형(20)의 원주방향으로 이동시키면 전단 변형부(44)의 각도를 조절할 수 있어 전단 변형량 조절이 쉽게 이루어질 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속판재가 인입부로 인입되어 사출부로 인출될 때 금속판재의 두께변화를 나타낸 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 인입부로 인입된 금속판재(30)의 두께가 1mm일 경우, 금속판재(30)가 (1) 영역에서는 두께가 1mm로 가이드 홈부(22)로 삽입되고, 제1압축 변형부(50)를 통과하는 (2) 영역에서는 두께가 0.98mm로 가압되어 1차 압축 변형이 이루어지고, 두께가 점차적으로 감소하면서 제2압축 변형부(52)를 통과하는 (3) 영역에서는 두께가 0.95mm로 가압되어 2차 압축 변형이 이루어지고, 제3압축 변형부(54)를 통과하는 (4) 영역에서는 두께가 0.94mm로 가압되어 3차 압축 변형이 이루어진다. 그리고, 전단 변형부(44)를 통과한 후 사출부(42)로 인출되는 (5) 영역에서는 금속판재(30)의 두께가 1mm로 원상태로 복귀된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속판재가 압축 변형부 및 전단 변형부를 통과할 때의 경도분포를 나타낸 것으로, 금속판재(30)가 압축 변형부(50,52,54)를 통과할 때 압축변형에 의해 (1) 영역에서 (4) 영역까지 재료의 경도가 서서히 증가하고, 최종적으로 전단 변형부(44)를 통과할 때 강한 전단변형에 의해 경도가 급격히 상승하는 것을 알 수 있다.

그 결과, 금속판재로 무산소 구리판재를 사용할 경우 압축 변형부(50,52,54)에서의 압축변형에 의해 평균 경도가 약 10.2 HV, 전단 변형부(44)에서의 전단변형에 의해 평균 경도가 약 24.7 HV 향상되는 것을 확인하였다. 따라서 본 발명은 전단 변형부(44)에서의 전단변형과 더불어 압축 변형부(50,52,54)에서의 압축변형에 의해 금속판재(30)의 기계적 물성을 크게 향상시킬 수 있다.

도 8은 금속판재의 재질을 무산소 구리로 지정하고 금속판재의 장입 및 공정이 진행되는 상태에 대한 소성변형률 분포를 유한요소해석으로 계산한 것으로, 압축 변형부(50,52,54)에서 금속판재(30)에 압축변형으로 인한 소성변형이 발생하고, 전단 변형부(44)에서 강한 전단변형에 의해 소성변형량이 급격히 증가함을 확인할 수 있다. 또한, 금속판재(30)의 길이방향으로 연속적이고 균일한 소성변형이 발생함을 확인하였다.

이와 같이, 전단 변형부 전 단계에서 금속판재에 두께방향으로 가압하여 압축 변형을 가한 후 전단 변형부에서 전단변형을 가하면 소성 변형량이 급격히 증가하여 금속판재의 기계적 물성을 전단 변형만 가할때에 비해 크게 향상되는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명은 기존의 압연공정에 비해 금속판재의 두께방향으로 균질하고 강한 전단변형을 유발한다.

도 9는 유한요소해석법을 이용해 본 실시예에 따른 전단 변형장치에 적용한 구리판재와 일반 압연공정을 적용한 금속판재의 전단변형량 분포를 보여준다. 압연공정의 경우, 본 발명을 통해 재료에 야기된 소성변형률과 같은 양의 소성변형률을 일으키는 압하율 조건(압하율 약 25%)에서 시뮬레이션하였다. 이 후 금속판재의 두께방향으로 야기된 전단변형에 대해 분석한 결과, 기존의 압연공정에서는 상, 하부 롤에 맞닿는 금속판재의 표면에서 서로 반대부호의 전단변형이 일어났으며, 금속판재의 중심부에는 전단변형이 발생하지 않음을 확인하였다. 그러나 본 발명의 전단변형장치를 적용한 금속판재의 경우 금속판재의 전 영역에 걸쳐 전단변형이 같은 방향으로 발생함과 동시에 기존 압연공정에 비해 매우 높은 전단변형량을 보이는 것을 알 수 있다.

또한, 불균일성 지수를‘(최댓값-최솟값)/(평균값)’의 식으로 계산한 결과, 본 발명의 전단변형장치에서는 1.06, 기존의 압연공정은 271.11로 기존의 압연공정이 아주 높은 불균일성을 보이는 반면, 본 발명의 전단변형장치의 경우 아주 낮은 불균일성을 보임을 확인하였다. 또한, 도 9의 그래프와 같이, 최대값에 대한 정규화 분포를 비교한 결과 본 발명의 전단변형장치가 기존 압연공정에 비해 금속판재의 전 영역에서 균일한 전단변형을 유발함을 확인할 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 금속판재(일예로 무산소 구리판재)가 전단변형장치를 통과하기 전/후의 미세조직을 분석한 것으로, 금속판재의 미세조직이 초기에 비해 전체적으로 화살표 방향을 따라 기울어짐에 따라, 금속판재의 전체적인 영역에 걸쳐 단방향으로 강한 전단변형이 발생했음을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 전단 변형장치는 금속판재에 대해 압축변형과 더불어 강한 균일전단변형을 가함에 따라, 결정립 미세화와 전단 집합조직 형성을 통해 우수한 기계적, 기능적 특성을 보이는 금속판재 양산이 가능하다.

도 11에 도시된 바와 같이, 금속판재의 평균 결정립 크기를 측정한 결과, 초기재료가 약 149.66 μm로 비교적 조대한 결정립을 가지는 것에 비해 공정 후 결정립크기가 약 74.46 μm로 결정립 미세화가 발생함을 확인하였고 그에 따라 기계적 물성이 초기 재료에 비해 크게 향상된 것을 알 수 있다.

또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 미세조직의 집합조직 분포를 분석한 결과, 전단변형에 의해 발생하는 이상적인 집합조직 분포와 유사한 경향을 보임을 확인하였다. 따라서 본 발명에 따른 전단 변형장치는 공정 전, 후 단면적 형상이 유지됨에 따라 추가적인 반복공정을 통해 결정립 크기와 집합조직 분포 조절이 가능하다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

10: 회전금형 20: 고정금형
22: 가이드 홈부 40: 인입부
42: 사출부 44: 전단 변형부
50: 제1압축 변형부 52: 제2압축 변형부
54: 제3압축 변형부 60: 슬라이드 홈부
62: 이동부재

Claims (8)

1. 외면에 금형판재의 일면과 마찰되도록 마찰부가 형성되고 회전 가능하게 배치되어 금속판재를 이동시키는 회전금형;
   상기 회전금형의 외면에 고정된 상태로 배치되고 그 내면에는 금속판재가 통과하는 가이드 홈부가 형성되고, 금속판재가 인입되는 인입부와 금형판재가 사출되는 사출부가 형성되는 고정금형;
   상기 인입부 및 사출부 중 적어도 하나에 형성되어 금속판재에 전단변형을 가하는 전단 변형부를 포함하고,
   상기 가이드 홈부는 금속판재의 두께방향으로 압축변형을 가할 수 있도록 상기 금속판재의 두께에 비해 작은 두께를 갖는 압축 변형부가 형성되고,
   상기 고정금형의 사출부에는 상기 전단 변형부의 전단 변형량을 조절할 수 있도록 전단 변형부의 각도를 조절하는 각도 조절부가 형성되는 것을 특징으로 하는 금속판재의 연속 전단변형장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전금형의 외면에는 금속판재와의 마찰력을 증가시키기 위해 표면 조도의 거칠기를 조절한 마찰부가 형성되고, 상기 마찰부는 금속판재의 표면 결함을 유발하지 않는 범위의 거칠기를 갖는 것을 특징으로 하는 금속판재의 연속 전단변형장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 압축 변형부의 두께는 금속판재를 두께방향으로 가압한 후 원상태의 두께로 회복될 수 있는 범위 내인 것을 특징으로 하는 금속판재의 연속 전단변형장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 압축 변형부는 상기 금속판재가 순차적으로 압축 변형될 수 있도록 상기 인입부에서 사출부로 갈수록 두께가 점차적으로 작아지게 형성되는 것을 특징으로 하는 금속판재의 연속 전단변형장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 압축 변형부는 상기 인입부에 가깝게 위치되어 금속판재의 두께에 비해 작은 두께를 갖는 제1압축 변형부와,
   상기 제1압축 변형부의 후방에 위치되고 더 작은 두께로 형성되는 제2압축 변형부와,
   상기 전단 변형부에 가깝게 위치되고 제2압축 변형부에 비해 두께가 더 작게 형성되는 제3압축 변형부를 포함하는 금속판재의 연속 전단변형장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1압축 변형부는 금속판재의 두께가 1mm일 경우 0.97~0.99mm로 형성되고, 상기 제2압축 변형부는 0.95~0.96mm로 형성되며, 상기 제3압축 변형부는 금속판재의 두께가 원상태로 복원될 수 있는 0.93~0.94mm로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속판재의 연속 전단변형장치.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 각도 조절부는 상기 고정금형에 관통되게 형성되는 슬라이드홈부와,
   상기 슬라이드홈부에 원주방향으로 슬라이드 이동 가능하게 장착되고 사출부가 형성되는 이동부재를 포함하고,
   상기 슬라이드홈부의 양쪽 측면에는 걸림턱이 일정 간격으로 복수로 형성되고, 이동부재의 양쪽 측면에는 걸림턱에 걸림되는 걸림돌기가 형성되어 이동부재를 고정금형에 고정하는 것을 특징으로 하는 연속 전단변형장치.

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