KR102374065B1 - 복합 성형 장치 - Google Patents

Abstract

복합 성형 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 성형 장치는 공정의 볼스터 상에 설치되는 하형다이; 상기 하형다이의 중앙부 상면에 장착되며, 내부에 상하방향으로 형성되는 가스통로가 가스 공급관을 통하여 외부의 가스 공급기로부터 성형가스를 공급받도록 연결되며, 상면에는 하부 성형면이 형성되며, 상기 하부 성형면을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지가 내설되는 하형; 상기 하형에 대응하여 승하강 작동하도록 상부의 슬라이더에 장착되며, 상기 하형에 대응하는 하면에 상부 성형면이 형성되고, 상기 상부 성형면의 둘레에 상형 페이스면이 형성되며, 상기 상부 성형면을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지가 내설되는 상형; 및 상기 하형의 둘레에 끼워진 상태로, 상기 하형다이와의 사이에 쿠션 스프링을 통하여 상하방향으로 거동 가능하게 설치되며, 상기 상형 페이스면과 함께, 성형 초기에 소재를 규제하는 홀더 페이스면이 형성되는 블랭크 홀더를 포함하며, 상기 하형의 가장자리 둘레를 따라 구성되어 온도에 반응하여 상기 하형과 소재 사이로 공급되는 상기 성형가스의 누출을 방지하는 실링수단을 더 포함한다.

Description

복합 성형 장치{Device for Multi forming}

본 발명은 복합 성형 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 금형 내에서 온간 성형 및 블로우 성형을 통하여 성형 깊이가 깊고 형상이 복잡한 성형품을 한번의 공정내에서 생산하는 복합 성형 장치에 관한 것이다.

일반적으로 온간 성형 공법은 알루미늄합금 판재(Aluminium Alloy Sheet)보다 금속조직의 밀도가 낮은 경량재질의 마그네슘합금 판재(Magnesium Alloy Sheet)의 성형을 위해 개발된 공법으로, 최근, 북중미 등에서 차체 고강성 경량화를 목적으로 마그네슘합금 판재를 차체에 적용하기 위해 다양한 프레스 성형 공법의 요구에 의해 개발되어 적용되고 있다.

즉, 온간 성형 공법은 냉간 성형과 열간 성형의 중간범위에서 실시되며, 금형 내부에 적용된 가열원에 의해 가열된 고온의 금형으로부터 열량을 공급받아 소재의 항복강도를 낮추어 연신율을 높인 상태로 프레스 성형을 진행하는 공법이다.

이러한 온간 성형 공법이 적용되는 마그네슘합금 판재는 HCP(Hexagonal Closed Packed Structure) 금속의 결정격자구조를 가지며, 이러한 결정격자구조로 인해서 상온에서는 프레스 성형이 어렵고, 고온영역(200℃ 이상)에서 비저면 슬립계(Non-basal plane slip system)가 활성화되는 특성으로 성형성이 급격히 향상된다.

그런데 상기한 마그네슘합금은 비강도(specific strength)가 높은 경량구조용 재료로, 알루미늄합금에 비하여 30% 이상의 경량화가 가능하나, 알루미늄합금 등의 경쟁소재에 비하여 소재가격, 내식성, 성형성 및 용접성 등의 측면에서는 불리하다.

특히, 성형 깊이가 깊거나 형상이 복잡한 제품을 생산하는 경우, 성형성의 한계로 공정수 및 부품수가 늘어나 성형 단가가 상승하고, 생산성이 저하되는 단점이 있다.

반면, 알루미늄합금은 마그네슘합금에 비하여 경량화 측면에서는 불리하나, 소재가격이나 성형성 측면에서 훨씬 유리하여 성형 깊이가 깊거나 형상이 복잡한 제품은 알루미늄합금을 소재로 하여 다이 캐스팅 공법으로 생산하여 왔다.

그러나 상기한 다이 캐스팅 공법은 알루미늄합금을 용탕의 형태로 주형인 다이 내부에 주입하여 주조 성형하는 것으로, 대량 생산을 위해서는 설비비가 많이 들고, 공정수가 많아 여전히 생산성 측면에서는 불리한 단점이 있다.

이에, 최근에는 알루미늄합금 등의 물성적 특성인 초소성(super plasticity, 즉, 재료가 특정한 온도조건 하에서 변형 시, 국부적인 수축을 일으키지 않고, 수백 %의 연성을 보이는 성질)을 이용하여 새로운 성형공법의 개발이 주목받고 있다.

본 발명의 실시 예는 하나의 금형 내에서 알루미늄합금의 초소성을 이용하여 온간 상태로 가압력에 의한 소성변형으로 최대 성형 깊이까지 성형한 후, 알루미늄합금의 초소성(super plasticity) 온도에서 블로우 성형을 통해 제품의 최종 형상으로 성형 시, 바이메탈을 이용한 실링수단으로 성형가스의 누출을 방지하여 가스의 소모량을 줄이고 블로우 성형성을 향상시키는 복합 성형 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 공정의 볼스터 상에 설치되는 하형다이; 상기 하형다이의 중앙부 상면에 장착되며, 내부에 상하방향으로 형성되는 가스통로가 가스 공급관을 통하여 외부의 가스 공급기로부터 성형가스를 공급받도록 연결되며, 상면에는 하부 성형면이 형성되며, 상기 하부 성형면을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지가 내설되는 하형; 상기 하형에 대응하여 승하강 작동하도록 상부의 슬라이더에 장착되며, 상기 하형에 대응하는 하면에 상부 성형면이 형성되고, 상기 상부 성형면의 둘레에 상형 페이스면이 형성되며, 상기 상부 성형면을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지가 내설되는 상형; 및 상기 하형의 둘레에 끼워진 상태로, 상기 하형다이와의 사이에 쿠션 스프링을 통하여 상하방향으로 거동 가능하게 설치되며, 상기 상형 페이스면과 함께, 성형 초기에 소재를 규제하는 홀더 페이스면이 형성되는 블랭크 홀더를 포함하며, 상기 하형의 가장자리 둘레를 따라 구성되어 온도에 반응하여 상기 하형과 소재 사이로 공급되는 상기 성형가스의 누출을 방지하는 실링수단을 더 포함하는 복합 성형 장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 소재로 초소성 소재가 적용될 수 있으며, 상기 초소성 소재로 알루미늄합금 판재가 적용될 수 있다.

또한, 상기 가스 공급관이 상기 하형다이의 중앙부에 형성되는 공간부 내부를 통하여 상기 가스통로와 연결될 수 있다.

또한, 상기 실링수단은 상기 하형의 가장자리 둘레를 따라 형성된 단차홈 상에 열챙창 계수가 다른 2개의 금속띠로 이루어지는 바이메탈 실링이 안착되어 이루어질 수 있다.

또한, 상기 바이메탈 실링은 상기 단차홈에 안착되는 제1금속띠; 상기 제1금속띠의 상면에 부착되어 상기 제1금속띠보다 열팽창 계수가 작은 제2금속띠로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 바이메탈 실링은 상기 단차홈의 깊이와 일치하도록 두께가 설정될 수 있다.

또한, 상기 하부 성형면이 소재의 최대 성형 깊이까지만 성형하도록 미완성 제품 형상면으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 상부 성형면이 제품의 최종 형상을 성형하도록 최종 제품 형상면으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 예는 초소성 소재인 알루미늄합금 판재를 온간 상태에서, 상형과 하형의 합형에 의한 가압력으로 소성변형을 유도하여 최대 성형 깊이까지 성형하는 온간 성형과, 상기 알루미늄합금 판재의 초소성(super plasticity) 온도에서 고온고압의 성형가스를 이용하여 제품의 최종 형상을 성형하는 블로우 성형을 하나의 금형 내에서 진행할 수 있다.

또한, 알루미늄합금의 초소성(super plasticity) 온도에서 블로우 성형을 통해 제품의 최종 형상으로 성형 시, 바이메탈을 이용한 실링수단으로 성형가스의 누출을 방지하여 가스의 소모량을 줄이고 블로우 성형성을 향상시킬 수 있다.

또한, 성형 깊이가 깊고 복잡한 성형품의 제조 시, 단일품으로 부품수를 최소화하며, 최소화된 공정을 통하여 원가 측면에서 유리한 이점이 있다.

또한, 형상이 복잡한 부분은 블로우 성형을 통하여 금형과의 비접속에 의한 가압력으로 확대시켜 성형함으로써, 기존 다이케스팅 공법에 비하여 불량률을 최소화하는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 성형 장치의 단면 구성도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 성형 장치의 단계별 작동 상태도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 성형 장치의 단면 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 성형 장치는 초소성 소재인 알루미늄합금 판재를 최대 성형 깊이까지 온간 성형 후, 제품의 최종 형상으로 블로우 성형과 동시에, 트림라인을 따라 소재를 절단 성형한다.

여기서, 상기 초소성(super plasticity) 소재라 함은 물성적 특성이 특정한 온도조건 하에서 변형 시, 국부적인 수축을 일으키지 않고, 수백 %의 연성을 보이는 성질을 갖는 소재로, 본 발명의 실시 예에서는 알루미늄합금으로 이루어지는 판재를 소재로 한다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 성형 장치는 초소성 소재인 알루미늄합금 판재의 조직내 전위밀도를 낮추는 어닐링 온도 이하에서 가압력에 의한 소성변형으로 최대 성형 깊이까지 온간 성형을 진행한 후, 상기 초소성 소재의 초소성(super plasticity) 온도에서 제품의 최종 형상을 블로우 성형하는 공정을 하나의 금형 내에서 진행하여 성형 깊이가 깊고 복잡한 성형품을 생산한다.

본 발명의 실시 예에 따른 복합 성형 장치는 하형다이(1), 하형(3), 상형(5), 블랭크 홀더(7) 및 실링수단을 포함한다.

상기 하형다이(1)는 공정의 볼스터(미도시) 상에 설치되며, 중앙 내부에 공간부(SP)가 형성된다.

상기 하형(3)은 상기 하형다이(1)의 중앙 상면에 장착되고, 내부에 상하방향으로 가스통로(L1)가 형성되고, 상면에는 하부 성형면(3a)이 형성된다. 여기서, 상기 하형(3)은 하부 성형면(3a)을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지(13)가 내설되어 전원 공급기(15)의 전원제어에 의해 하형(3)을 일정온도까지 가열하도록 구성된다.

또한, 상기 가스통로(L1)는 가스 공급관(L2)를 통하여 외부에서 고압의 성형가스를 공급하는 가스 공급기(11)와 연결된다. 이때, 상기 가스 공급관(L2)은 외부의 가스 공급기(11)와 연결된 상태로, 상기 하형다이(1)의 공간부(SP)를 통하여 상기 가스통로(L1)에 연결된다

여기서, 상기 하부 성형면(3a)은 소재의 최대 성형 깊이까지만 성형하도록 미완성 제품 형상면으로 형성된다.

그리고 상기 상형(5)은 상기 하형(3)의 상부에서, 하형(3)에 대응하여 승하강 작동하도록 상부의 슬라이더(9)에 장착된다. 또한, 상기 상형(5)은 상기 하형(3)에 대응하는 하면에 상부 성형면(5a)이 형성되고, 상기 상부 성형면(5a)의 둘레에 상형 페이스면(5b)이 형성된다.

여기서, 상기 상형(5)은 상부 성형면(5a)을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지(13)가 내설되어 전원 공급기(15)의 전원제어에 의해 상형(5)을 일정온도까지 가열하도록 구성된다.

또한, 상기 상부 성형면(5a)은 제품의 최종 형상을 성형하도록 최종 제품 형상면으로 형성된다.

여기서, 상기 전원 공급기(15)의 별도의 제어기(C)에 의해 전원 제어되어 상기 상형(5) 및 하형(3) 내부의 히팅 카트리지(13)의 온도를 제어한다. 또한, 상기 제어기(C)는 상기 가스 공급기(11)를 제어하여 상기 가스 공급관(L2)과 가스통로(L1)를 통하여 금형 내부로 공급되는 성형가스의 공급량과 공급압력을 제어한다.

그리고 상기 블랭크 홀더(7)는 상기 하형(3)의 둘레에 끼워진 상태로, 상기 하형다이(1)와의 사이에 쿠션 스프링(17)을 통하여 상하방향으로 거동 가능하도록 설치된다.

이러한 블랭크 홀더(7)는 상기 상형 페이스면(5b)과 함께, 성형 초기에 소재를 규제하는 홀더 페이스면(7a)이 형성된다.

그리고 상기 실링수단은 상기 하형(3)의 가장자리 둘레를 따라 구성되어 온도에 반응하여 상기 하형(3)과 소재 사이로 공급되는 상기 성형가스의 누출을 방지한다.

이러한 실링수단(19)은 상기 하형(3)의 가장자리 둘레를 따라 단차홈(G)을 형성하고, 상기 단차홈(G) 냐부에 열챙창 계수가 다른 2개의 금속띠(M1,M2)로 이루어여 안착되는 바이매탈 실링(19)으로 이루어진다.

즉, 상기 바이메탈 실링(19)은 상기 단차홈(G) 내부에 안착되는 제1금속띠(M1)과 상기 제1금속띠(M1)의 상면에 부착되어 상기 제1금속띠(M1)보다 열팽창 계수가 작은 제2금속띠(M2)로 이루어진다.

이때, 상기 바이메탈 실링(19)은 상기 단차홈(G)의 깊이와 일치하도록 두께가 설정될 수 있다.

도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 복합 성형 장치의 단계별 작동 상태도이다.

이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 복합 성형 장치의 작동을 단계별로 설명한다.

본 발명의 실시 예에 따른 복합 성형 장치는 총 5단계에 걸쳐 순차적으로 작동한다.

먼저, 제1단계에서는 도 2를 참조하면, 하형(3)과, 상기 하형(3)의 둘레에 대응하여 상승된 블랭크 홀더(7) 상에 초소성 소재인 알루미늄합금 판재(P)가 투입된다.

이어서, 제2단계에서는, 도 3을 참조하면, 슬라이더(9)의 구동에 의해 상형(5)이 1차 하강 구동하여 상기 알루미늄합금 판재(P)의 가장자리를 상기 블랭크 홀더(7)와 함께 홀딩하여 상기 상형(5) 및 하형(3) 내부에 구성된 히팅 카트리지(13)를 통해 상기 알루미늄합금 판재(P)를 온간 성형 온도까지 가열한다.

여기서, 상기 알루미늄합금 판재(P)의 가장자리는 상기 상형(5)과 블랭크 홀더(7) 사이에서, 상형 페이스면(5b)과 홀더 페이스면(7a)에 의해 홀딩되고, 상기 온간 성형 온도는 초소성을 갖는 알루미늄합금 판재(P)의 조직내 전위밀도를 낮추는 어닐링 온도 이하에서 설정된다.

이후, 제3단계에서는, 도 4를 참조하면, 상기 알루미늄합금 판재(P)가 온간 성형 온도까지 가열되면, 상기 슬라이더(9)의 구동에 의해 상형(5)이 하형(3)에 합형되면서 가압력에 의한 소성변형으로 상기 알루미늄합금 판재(P)를 최대 성형 깊이까지 온간 성형한다.

이러한 온간 성형으로, 상기 알루미늄합금 판재(P)는 성형부가 최대 성형 깊이까지 소성변형되어 1차 성형 형상을 가지게 된다.

이러한 알루미늄합금 판재(P)의 약 250℃의 온간 성형 과정에, 상기 실링수단인 바이메탈 실링(19)은 상형(5) 및 하형(3)과 알루미늄합금 판재(P)로부터 열전도에 의해 직접적으로 열을 전달받아 열팽창 계수가 작은 제2금속띠의 방향으로 휘어지면서 상기 하형(3)과 알루미늄합금 판재(P)의 하면 사이에 접촉되면서 밀폐시킨다.

이러한 상태로, 제4단계가 진행되는데, 도 5를 참조하면, 상기 상형(5)과 하형(3)이 합형된 상태로 최대 성형 깊이까지 온간 성형된 알루미늄합금 판재(P)는 상기 히팅 카트리지(13)를 통해 초소성(super plasticity) 온도까지 추가 가열된 후, 상기 하형(3)의 내부에 형성되는 가스통로(L1)를 통하여 고압의 성형가스가 공급되어 가스압에 의해 상기 상형(5)의 상부 성형면(5a)을 따라 상기 알루미늄합금 판재(P)를 부풀려져 복잡한 제품의 최종 형상으로 블로우 성형한다.

이때, 상기 바이매탈 실링(19)은 약 500℃의 알루미늄합금 판재(P)의 초소성 온도로 가열되어 휨량이 더욱 커져 블로우 성형 과정 동안, 상기 하형(3)과 알루미늄합금 판재(P)의 하면 사이에 접촉압력이 높아지면서 성형가스의 누출을 신뢰성있게 차단하도록 밀폐시킨다.

이후, 제5단계에서는, 도 6을 참조하면, 상기 슬라이더(9)의 구동에 의해 상형(5)이 상승 구동하여 하형(3)으로부터 이형되며, 성형이 완료된 최종 제품 형상의 알루미늄합금 성형품(PP)을 취출하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 성형 장치에 의하면, 초소성 소재인 알루미늄합금 판재(P)의 조직내 전위밀도를 낮추는 어닐링 온도 이하에서 온간 상태로 상형(5)과 하형(3)의 합형에 의한 가압력으로 소성변형을 유도하여 최대 성형 깊이까지 온간 성형을 먼저 진행하고, 동일한 금형 내에서, 상기 알루미늄합금 판재(P)를 초소성(super plasticity) 온도까지 가열하여 고온고압의 성형가스를 이용하여 제품의 최종 형상으로 블로우 성형을 진행할 수 있어 별도의 금형을 추가로 구비하지 않아도 되는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 복합 성형 장치에 의하면, 성형 깊이가 깊고 복잡한 성형품의 제조 과정에, 단일품으로 부품수를 줄이고, 최소화된 공정을 통하여 원가 측면에서도 유리하며, 형상이 복잡한 부분은 블로우 성형을 통하여 금형과의 비접속에 의한 가압력으로 확대시켜 성형함으로써, 기존 다이케스팅 공법에 비하여 불량률을 최소화할 수 있다.

또한, 알루미늄합금의 초소성(super plasticity) 온도에서 블로우 성형을 통해 제품의 최종 형상으로 성형 시, 바이메탈 실링이 성형가스의 누출을 완벽하게 방지하여 가스의 소모량을 줄이고 블로우 성형성을 향상시킨다.

이상으로 본 발명의 하나의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

1: 하형다이
3: 하형
5: 상형
7: 블랭크 홀더
9: 슬라이더
11: 가스 공급기
13: 히팅 카트리지
15: 전원 공급기
17: 쿠션 스프링
19: 바이메탈 실링
M1,M2: 제1,제2금속띠(열팽창 계수 M1〉M2)
G: 단차홈
P: 알루미늄합금 판재
PP: 알루미늄합금 성형품
SP: 공간부
L1: 가스 공급통로
L2: 가스 공급관
C: 제어기
3a: 하부 성형면
5a: 상부 성형면
5b: 상형 페이스면
7a: 홀더 페이스면

Claims (12)

1. 공정의 볼스터 상에 설치되는 하형다이;
   상기 하형다이의 중앙부 상면에 장착되며, 내부에 상하방향으로 형성되는 가스통로가 가스 공급관을 통하여 외부의 가스 공급기로부터 성형가스를 공급받도록 연결되며, 상면에는 하부 성형면이 형성되며, 상기 하부 성형면을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지가 내설되는 하형;
   상기 하형에 대응하여 승하강 작동하도록 상부의 슬라이더에 장착되며, 상기 하형에 대응하는 하면에 상부 성형면이 형성되고, 상기 상부 성형면의 둘레에 상형 페이스면이 형성되며, 상기 상부 성형면을 따라 내부에 복수개의 히팅 카트리지가 내설되는 상형; 및
   상기 하형의 둘레에 끼워진 상태로, 상기 하형다이와의 사이에 쿠션 스프링을 통하여 상하방향으로 거동 가능하게 설치되며, 상기 상형 페이스면과 함께, 성형 초기에 소재를 규제하는 홀더 페이스면이 형성되는 블랭크 홀더를 포함하며,
   상기 하형의 가장자리 둘레를 따라 구성되어 온도에 반응하여 상기 하형과 소재 사이로 공급되는 상기 성형가스의 누출을 방지하는 실링수단을 더 포함하는 복합 성형 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 소재로 초소성 소재가 적용되는 것을 특징으로 하는 복합 성형 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 초소성 소재로 알루미늄합금 판재가 적용되는 것을 특징으로 하는 복합 성형 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 가스 공급관이 상기 하형다이의 중앙부에 형성되는 공간부 내부를 통하여 상기 가스통로와 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 성형 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 실링수단은
   상기 하형의 가장자리 둘레를 따라 형성된 단차홈 상에 열챙창 계수가 다른 2개의 금속띠로 이루어지는 바이메탈 실링이 안착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 성형 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 바이메탈 실링은
   상기 단차홈에 안착되는 제1금속띠;
   상기 제1금속띠의 상면에 부착되어 상기 제1금속띠보다 열팽창 계수가 작은 제2금속띠;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 성형 장치.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 바이메탈 실링은 상기 단차홈의 깊이와 일치하도록 두께가 설정되는 것을 특징으로 하는 복합 성형 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 하부 성형면이 소재의 최대 성형 깊이까지만 성형하도록 미완성 제품 형상면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 성형 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 상부 성형면이 제품의 최종 형상을 성형하도록 최종 제품 형상면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 성형 장치.
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