KR102642390B1 - 복합 업셋 단조장치 및 이를 이용한 단조가공방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강재를 성형품체로 단조 성형하는 복합 업셋 단조장치에 있어서, 바닥프레임과, 상기 바닥프레임의 상측으로 이격 배치된 상부프레임을 포함하는 프레임부; 상기 상부프레임에 결합되는 상부금형과 상기 바닥프레임에 결합되는 하부금형을 포함하는 금형부; 및 상기 금형부의 일측에 이격 배치되되 수평방향으로 이동하는 프레스를 포함하는 단조부;를 포함하고, 상기 하부금형의 상면에 강재가 배치되면, 상기 상부금형이 하강하여 상기 상부금형과 하부금형이 형폐되고, 상기 단조부의 프레스가 상기 강재의 일단을 가압하도록 이동하는 것을 특징으로 하는 이동복합 업셋 단조장치 및 이를 이용한 단조가공방법에 관한 것이다.

Description

복합 업셋 단조장치 및 이를 이용한 단조가공방법{MIXED UPSET FORGING DEVICE AND FORGING PROCESSING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 복합 업셋 단조장치 및 이를 이용한 단조가공방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 수평 방향으로 이동하는 프레스와 이동형판을 통해 강재를 성형할 수 있는 복합 업셋 단조장치 및 이를 이용한 단조가공방법에 관한 것이다.
단조는 소성가공의 일종으로 해머, 망치 등을 이용하여 가공물을 두드려 형상을 성형하는 형태를 의미한다. 이때 상기 단조는 금속 등의 가공물이 재결정되는 온도를 경계로 하여 열간단조, 온간단조 및 냉간단조로 구분된다. 이와 더불어 상기 단조는 자유단조, 형단조, 업셋단조, 로타리 스웨이징(Rotary Swaging) 등 다양한 공정으로 구분될 수 있다. 상기 업셋단조는 헤딩(Heading)이라고도 불리며, 환봉이나 선재의 한쪽 끝 부분의 단면적을 늘리는 용도로 흔히 활용된다. 이때 헤딩 공정은 열간단조, 온간단조 및 냉간단조에서 모두 진행될 수 있다.
한국등록특허공보 제10-2279858호(이하, '종래문헌'이라 함)에서는 상술한 바와 같은 업셋단조의 일 형태에 대해서 개시되어 있다. 위 종래문헌에서는 도 1에서 도시된 바와 같은 샤프트를 제조하기 위한 열간 수평 다단 단조장치가 개시되어 있으며, 상기 열간 수평 다단 단조장치는 도 2에서 도시된 바와 같이 제1베이스금형(1), 제1이동금형(2), 제2베이스금형(3) 및 스토퍼(4)를 포함하여 봉재를 복수의 플랜지가 형성된 샤프트로 성형하도록 구성된다. 이때 상기열간 수평 다단 단조장치는, 제1베이스금형(1), 제1이동금형(2), 제2베이스금형(3) 및 스토퍼(4)가 수평 방향으로 서로 이격 배치되고, 제1이동금형(2)과 제2베이스금형(3)이 형합하여 플랜지의 형상에 대응함에 따라, 업셋단조 후 플랜지가 포함되는 샤프트가 가공되는 것을 특징으로 한다.
하지만 온간단조 및 열간단조의 경우에는 업셋 단조 이전 강재를 재결정 온도 이상으로 가열하는 과정이 필요하며, 위 형태의 업셋단조는 가열된 강재의 위치를 고정하기가 어려운 단점이 있다. 이와 더불어 강재를 전체적으로 가열하는 과정에서 많은 시간과 에너지가 소모되는 문제점이 있으며, 서로 이격된 금형 혹은 프레스 사이에 좌굴이 발생될 수 있는 문제점이 있다. 그리고 기존 업셋단조는 강재에서 플랜지 형태를 구현할 수는 있지만 제품의 세부 형상을 구현하기 위해서는 별도의 공정 과정이 필요한 한계점이 존재한다.
KR 10-2279858 B1 (2021.07.21. 공고)
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 제품의 형상을 보다 정밀하게 표현할 수 있도록 수직으로 이동하는 이동형판을 가진 금형과 수평으로 이동하는 프레스를 포함하는 복합 업셋 단조장치 및 이를 이용한 단조가공방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 강재를 성형품체로 단조 성형하는 복합 업셋 단조장치에 있어서, 바닥프레임과, 상기 바닥프레임의 상측으로 이격 배치된 상부프레임을 포함하는 프레임부; 상기 상부프레임에 결합되는 상부금형과 상기 바닥프레임에 결합되는 하부금형을 포함하는 금형부; 및 상기 금형부의 일측에 이격 배치되되 수평방향으로 이동하는 프레스를 포함하는 단조부;를 포함하고, 상기 하부금형의 상면에 강재가 배치되면, 상기 상부금형이 하강하여 상기 상부금형과 하부금형이 형폐되고, 상기 단조부의 프레스가 상기 강재의 일단을 가압하도록 이동할 수 있다.
또한, 상기 상부금형은, 수직동력부를 통해 이동하는 상형판과 상기 상형판의 하측에 배치되어 성형체의 상부 형상을 구현하는 상부캐비티를 포함하고, 상기 하부금형은, 위치가 고정된 하형판과 상기 하형판의 상측에 배치되어 성형체의 하부 형상을 구현하는 하부캐비티를 포함하며, 상기 상부캐비티와 하부캐비티가 형폐하면 수평 방향으로 관통될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치는, 상기 단조부의 프레스가 상기 상형판과 하형판 사이에 인입될 수 있다.
또한, 상기 강재의 일단부가 상기 금형부에 배치되되, 상기 복합 업셋 단조장치는, 상기 바닥프레임에 고정되는 지지몸체와 상기 지지몸체에 관통 형성되어 타단부가 삽입되는 관통홀을 포함하는 위치고정부; 및 상기 바닥프레임에 고정되되 상기 강재의 타단면과 수평방향으로 면접하는 스토퍼몸체를 포함하는 스토퍼;를 더 포함할 수 있다.
아울러 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법은, 강재를 소정온도로 가열하는 강재가열단계; 및 가열된 상기 강재의 일단을 상기 하부금형의 상면에 배치하여 성형체로 성형하는 강재성형단계;를 포함하고, 상기 강재성형단계에서는, 상기 상부금형의 하강과 상기 프레스의 가압이 동시에 이루어지도록 제어될 수 있다.
또한, 상기 강재가열단계에서는, 상기 강재를 소성온도 이상으로 가열하되, 강재가 성형되는 일단 영역을 국부 가열할 수 있다.
또한, 상기 강재가열단계에서는, 상기 강재의 일단 온도가 1200℃ 내지 1220℃ 사이에 도달하면, 강재성형단계로 이어질 수 있다.
또한, 상기 강재가열단계에서는, 가열하우징의 일면에 삽입홈이 형성된 가열부를 통해 강재의 일단이 상기 삽입홈에 소정깊이만큼 삽입되어 가열되고, 상기 소정깊이에 해당하는 상기 가열영역에는, 상기 강재성형단계에서 비성형되어 강재의 형상을 유지하는 성형체의 베이스부의 일부가 포함될 수 있다.
또한, 상기 상부금형은, 수직동력부를 통해 이동하는 상형판, 상기 상형판의 하측에 배치되어 성형체의 상부 형상을 구현하는 상부캐비티 및, 상기 상부캐비티의 측면에 배치되어 상기 강재의 가열영역과 비가열영역을 함께 상측에서 가압하는 상부고정대를 포함하고, 상기 하부금형은, 위치가 고정된 하형판, 상기 하형판의 상측에 배치되어 성형체의 하부 형상을 구현하는 하부캐비티 및, 상기 하부캐비티의 측면에 배치되어 상기 강재의 가열영역과 비가열영역을 함께 하측에서 지지하는 하부고정대를 포함하며, 상기 복합 업셋 단조장치는, 상기 바닥프레임에 고정되는 지지몸체와 상기 지지몸체에 관통 형성되어 상기 강재의 비가열영역이 삽입되는 관통홀을 포함하는 위치고정부; 및 상기 바닥프레임에 고정되되 강재의 비가열영역의 단부면과 수평방향으로 면접하는 스토퍼몸체를 포함하는 스토퍼;를 포함할 수 있다.
상술한 구성에 의한 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치 및 이를 이용한 단조가공방법은, 국부가열을 통해 제품을 성형하고 수평으로 연장된 강재에 대한 복합 업셋 가공을 통해, 가열시간과 가공시간을 단축할 수 있는 장점이 있으면서 후공정들을 생략하거나 간결하게 처리할 수 있어 재료를 제품으로 가공하기 까지 전 과정에 걸쳐 비용과 인력 및 시간을 절감할 수 있는 장점이 있다.
아울러 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치 및 이를 이용한 단조가공방법은, 가열영역과 비가열영역에 대하여 고정하고 비가열영역에 대하여 지지 및 단부로의 밀림을 방지할 수 있음에 따라, 좌굴 등의 불량이 발생되는 것을 최소화할 수 있음과 더불어 정밀한 형상을 신속하게 성형할 수 있는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 종래문헌에 따른 열간 수평 다단 단조장치를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치를 통해 강재가 제품으로 가공되는 것을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치의 정면도.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치의 작동예시도.
도 7은 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법을 순차적으로 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법의 가열부를 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법의 강재성형단계를 도시한 단면도.
도 10은 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법에서 수직동력부와 수평동력부의 시간별 출력변화를 도시한 그래프.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치 및 이를 이용한 단조가공방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "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.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치에 관한 것으로, 도 3은 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치를 통해 강재가 제품으로 가공되는 것을 도시한 도면을, 도 4는 복합 업셋 단조장치의 정면도를, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치의 작동예시도를 각각 나타낸다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치(10)는, 강재(20)를 성형체(30)로 단조가공하는 것으로, 상기 강재(20)는 일정 형상으로 길이가 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 이때 상기 강재(20)는 일 예로 원형의 단면을 가지는 봉재로 구현될 수 있다. 그리고 상기 성형체(30)는 길이방향 단부 혹은 중심부가 업셋 가공된 형태로 일 예로 길이가 길고 머리가 큰 제품 형태로 성형될 수 있다.
본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치(10)는, 프레임부(100), 금형부(200) 및, 단조부(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 프레임부(100)는 지면 혹은 기구 상에 고정되는 구성으로, 바닥프레임(110), 상부프레임(120) 및 제1지지프레임(130)을 포함할 수 있다. 여기서 상기 바닥프레임(110)은, 위치가 고정된 평판형으로 이루어질 수 있으며, 상기 상부프레임(120)은 상기 바닥프레임(110)의 중심부에서 상측으로 소정높이 이격되어 배치될 수 있다. 그리고 상기 상부프레임(120)의 수평방향의 면적은 상기 바닥프레임(110)의 수평방향의 면적보다 작게 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 아울러 상기 상부프레임(120)은 도시된 바와 같이 별도의 연결프레임을 통해 상기 바닥프레임(110)에 연결되어 위치가 고정될 수 있다. 상기 제1지지프레임(130)은 상기 상부프레임(120)의 일측에 이격 배치되어 상기 바닥프레임(110)의 상면에 결합될 수 있다. 아울러 상기 프레임부(100)는 상기 상부프레임(120)의 타측에 이격 배치되어 상기 바닥프레임(110)의 상면에 결합되는 제2지지프레임(140)을 더 포함할 수 있으며, 상기 제2지지프레임(140)은 위치가 고정되거나 양측 방향으로 이동될 수 있도록 구현될 수 있다.
상기 금형부(200)는 상부금형(210)과 하부금형(220)을 포함할 수 있다. 이때 상기 상부금형(210)은 상기 상부프레임(120)에 결합되고 상기 하부금형(220)은 상기 바닥프레임(110)의 상면에 결합될 수 있다. 여기서 상기 상부금형(210)은 상하로 이동되는 상형판(211)과 상기 상형판(211)의 하면에 배치되어 성형체(30)의 상부형상을 구현하는 상부캐비티(212)를 포함할 수 있다. 아울러 상기 하부금형(220)은 상기 바닥프레임(110)의 상면에 고정되는 하형판(221)과 상기 하형판(221)의 상면에 배치되어 성형체(30)의 하부형상을 구현하는 하부캐비티(222)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 금형부(200)는 상기 상부프레임(120)에 고정되는 수직동력부(200a)를 포함할 수 있으며, 상기 수직동력부(200a)를 통해 상기 상형판(211)의 높이가 조절될 수 있다. 이때 본 발명은 상기 상부프레임(120)에 상단이 고정되어 상하로 연장된 복수의 이동가이드를 포함할 수 있고, 상기 상형판(211)이 복수의 상기 이동가이드를 따라 수평방향에서의 자세가 유지된 상태에서 상하로 이동될 수 있다.
상기 단조부(300)는 상기 제1지지프레임(130)의 상측에 배치될 수 있으며, 상기 강재(20)를 가압하여 단조 성형하는 프레스(310)와 일단이 상기 프레스(310)에 결합되어 수평방향으로 길이가 조절되는 실린더(320)를 포함할 수 있다. 이때 상기 단조부(300)는 상기 제1지지프레임(130)에 고정되는 수평동력부(300a)를 포함할 수 있으며, 상기 실린더(320)의 타단이 상기 수평동력부(300a)에 연결되어 수평방향으로 이동되어 길이가 조절될 수 있다. 여기서 상기 수직동력부(200a)와 수평동력부(300a)는 모터나 유압실린더 등 다양한 형태로 구현될 수 있다.
성형전인 상기 강재(20)의 일단부가 상기 하부금형(220)의 하부캐비티(222)에 삽입될 수 있다. 그리고 상기 상부금형(220)이 하강하면 상기 상부캐비티(212)와 하부캐비티(222)가 제품의 형상으로 형성되도록 형폐될 수 있다. 여기서 형폐된 상기 상부캐비티(212)와 하부캐비티(222)는 양측으로 개구된 형태일 수 있으며, 상기 단조부(300)가 배치된 일측으로 개구된 홀은 상기 프레스(310)의 형상과 대응할 수 있으며, 이와 배향되는 타측으로 개구된 홀은 상기 강재(20)의 몸체 형상과 대응할 수 있다. 아울러 상기 프레스(310)는 상기 실린더(320)의 길이가 가변되어 상기 상부캐비티(212)와 하부캐비티(222)의 일측 입구 측으로 인접하도록 전진할 수 있으며, 일측으로 개구된 홀의 입구를 밀폐하도록 가압할 수 있다. 여기서 상기 강재(20)는 상기 상부캐비티(212)와 하부캐비티(222)의 일측 입구보다 상기 단조부(300)가 위치된 방향으로 돌출된 형태로 놓일 수 있으며, 가열된 상기 강재(20)가 변형되어 상기 상부캐비티(212)와 하부캐비티(222)가 형성하는 성형체(30)의 형상으로 단조 가공될 수 있다.
본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치(10)는 위치고정부(400) 및 스토퍼(500)를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 위치고정부(400)는, 상기 바닥프레임(110)에 상기 제2지지프레임(140)을 통해 고정되는 지지몸체(410)와 상기 지지몸체(410)에 관통 형성되어 상기 강재(20)의 타단부가 삽입되는 관통홀(420)을 포함할 수 있다. 그리고 상기 스토퍼(500)는, 상기 바닥프레임(110)에 고정되되 상기 강재(20)의 타단면과 수평방향으로 면접하는 스토퍼몸체(510)를 포함할 수 있다. 이에 따라 상기 상부금형(210)이 수직방향으로 하강하고 상기 프레스(310)가 수평방향으로 이동할 시에, 상기 위치고정부(400)는 상기 강재(20)가 회전되는 것을 방지함과 동시에 상기 스토퍼(500)를 통해 상기 강재(20)가 밀리는 것을 방지할 수 있다.
상기 상부금형(210)은 수직동력부(200a)를 통해 이동하는 상형판(211), 상기 상형판(211)의 하측에 배치되어 성형체(30)의 상부 형상을 구현하는 상부캐비티(212) 및, 상기 상부캐비티(212)의 측면에 배치되어 상기 강재(20)의 일부를 상측에서 가압하는 상부고정대(213)를 포함하여 구성될 수도 있다. 그리고 상기 하부금형(220)은 위치가 고정된 하형판(221), 상기 하형판(221)의 상측에 배치되어 성형체(30)의 하부 형상을 구현하는 하부캐비티(222) 및, 상기 하부캐비티(222)의 측면에 배치되어 상기 강재(20)의 일부를 하측에서 지지하는 하부고정대(223)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때 상기 상부고정대(213)와 하부고정대(223) 사이에는 양측으로 관통된 홀이 형성될 수 있으며, 상기 홀은 상기 강재(20)의 형상과 대응하도록 형성될 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법에 관한 것으로, 도 7은 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법을 순차적으로 도시한 도면을, 도 8은 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법의 가열부를 도시한 도면을 각각 나타낸다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법은, 성형할 강재(20)를 준비하는 재료준비단계(a)와, 상기 강재(20)를 소정온도로 가열하는 강재가열단계(b) 및 가열된 상기 강재(20)의 일단을 상기 하부금형의 상면에 배치하여 성형체(30)로 성형하는 강재성형단계(c)를 포함할 수 있다.
상기 강재가열단계(b)에서는 상기 강재(20)의 일부에 국한하여 국부가열할 수 있으며, 이에 따라 상기 강재(20)는 가열영역(21)과 비가열영역(22)으로 구분될 수 있다. 여기서 가열영역(21)과 비가열영역(22)은 직접적으로 가열되는 영역으로 구별될 수 있으며, 일 예로 도 8에서 도시된 바와 같은 가열부(50)를 활용하여 상기 가열부(50)에 상기 강재(20)의 일부가 삽입되면, 삽입된 영역을 가열영역(21)으로 삽입되지 않은 영역을 비가열영역(22)으로 구분할 수도 있다.
상기 가열부(50)는 가열하우징(51), 상기 가열하우징(51)의 일측으로 개구된 삽입홈(52) 및 상기 가열하우징(51)의 내부에 배치되어 상기 삽입홈(52)에 인입되는 상기 강재(20)를 가열하는 발열코일(53)을 포함할 수 있다. 이때 상기 삽입홈(52)에 상기 강재(20)의 일단이 삽입되면, 상기 발열코일(53)이 배치된 영역에서 상기 강재(20)로의 가열이 이루어질 수 있으며, 상기 가열영역(21)은 상기 발열코일(53)의 배치된 영역과 대응할 수 있다. 여기서 상기 강재(20)는 소정온도까지 가열될 수 있으며, 소정온도는 1200℃ 내지 1220℃ 사이로 구현될 수 있다. 이와 같은 소정온도까지 가열되는 경우, 가공 시의 성형이 보다 원활하게 이루어지면서 스케일이 많이 생성되는 것을 억제하여 후가공 공정을 생략할 수 있는 장점으로 이어질 수 있다.
본 발명은, 상기 가열부(50)의 발열코일(53)과, 상기 수직동력부(200a) 및 수평동력부(200b)를 제어하는 컨트롤러(40)를 통해, 데이터를 설정하여 상기 강재(20)의 가열온도와, 상기 상부금형(210)의 수직하강 및 상기 프레스(310)의 수평이동을 제어할 수 있다.
상기 강재가열단계(b)에서는, 상술한 바와 같이 가열하우징(51)의 일면에 삽입홈(52)이 형성된 가열부(50)를 통해 강재(20)의 일단이 상기 삽입홈(52)에 소정깊이만큼 삽입되어 가열되고, 상기 소정깊이에 해당하는 상기 강재(20)의 가열영역(21)에는, 상기 강재성형단계(c)에서 비성형되어 기존 강재(20)의 형상을 유지하는 성형체(30)의 베이스부(31)의 일부가 포함될 수 있다. 즉, 성형체(30)의 성형부(32)에 인접한 베이스부(31)의 일부가 함께 소성온도 이상으로 가열될 수 있다. 이때 상술한 상기 상부캐비티(212)와 하부캐비티(222) 사이에는 상기 강재(20)의 가열영역(21)이 배치되어 상기 성형체(30)의 성형부(32)로 형성되고, 상기 상부고정대(213)와 하부고정대(223) 사이에는 가열영역(21)과 비가열영역(22)이 함께 배치되어 상기 성형체(30)의 베이스부(31)로 형성될 수 있다. 이에 따라 본 발명은 성형 시에 성형부(32)와 인접한 베이스부(31)에서의 좌굴이 발생되는 것을 최소화할 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법에 관한 것으로, 도 9는 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법의 강재성형단계를 도시한 단면도를, 도 10은 수직동력부와 수평동력부의 시간별 출력변화를 도시한 그래프를 각각 나타낸다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명은 상기 컨트롤러(40)를 통해 상기 수직동력부(200a)의 출력(F1)과 상기 수평동력부(200b)의 출력(F2)을 각각 제어할 수 있다. 이때 출력은 액추에이터에서 출력되는 동력을 의미할 수 있다.
상기 수직동력부(200a)의 출력(F1)은 상기 상부금형(210)을 하강시키는 동력으로, 상기 상부캐비티(212)와 하부캐비티(222) 사이 및, 상기 상부고정대(213)와 하부고정대(223) 사이에 배치된 강재(20)의 상부를 가압할 수 있다. 이때 가압하는 상기 수직동력부(200b)의 압력(P1)은 상기 수직동력부(200b)의 출력(F1)과 상기 상부금형(210)이 상기 강재(20)에 접촉되는 면적(A1)을 나눈 값으로, 상기 상부금형(210)이 상기 강재(20)에 접촉되는 면적(A1)은 최종 성형체의 형상을 고려하여 시스템에 입력되는 기 설정값일 수 있다.
상기 수평동력부(300a)의 출력(F2)은 상기 프레스(310)를 수평 이동시키는 동력으로, 강재(20)의 일단면을 가압할 수 있다. 이때 가압하는 상기 수평동력부(300b)의 압력(P2)은 상기 수평동력부(300b)의 출력(F2)과 상기 강재(20)의 일단부 면적(A2)을 나눈 값으로, 상기 상부금형(210)이 상기 강재(20)에 접촉되는 면적(A2)은 초기에는 강재(20)의 일단부 면적(AS)으로 말기에는 성형체(30)의 일단부 면적(AF)이 되도록 시간에 따라 변화될 수 있다. 이때 상기 프레스(310)와 상기 강재(20)가 최초 접하는 시간을 기준으로, 단조가공이 끝나거나 상기 강재(20)의 일단부 형상이 가공된 후 경화된 시간까지 소요되는 시간을 기준시간(△T)으로 설정하고, 상기 강재(20)의 가공 초기부터 말기까지의 면적의 변화량(△A)을 상기 기준시간으로 나누어 단위시간당 접촉면적 변화량(
Figure 112023049529996-pat00001
)을 산정할 수도 있다. 그리고 상기 강재(20)의 초기면적(AS)에서 경과기간(T)을 상기 단위시간당 면적 변화률에 반영한 값(
Figure 112023049529996-pat00002
)을 고려하여, 상기 수평동력부(300b)의 압력(P2)은 아래의 식을 통해 산출할 수 있다.
Figure 112023049529996-pat00003
상기 컨트롤러(40)는 상기 수직동력부(200b) 및 상기 수평동력부(300b)를 통해 상기 프레스(310)와 상기 상부금형(210)이 상기 강재(20)의 가열영역(21) 일단면과 상부면에 각각 동일한 시간에 접할 수 있도록 제어할 수 있다. 여기서 상기 프레스(310)와 상부금형(210)이 상기 강재(20)에 접하는 시간을 단조시작시간(O)으로 설정할 수 있다. 그리고 상기 컨트롤러(40)는 상기 단조시작시간(O)이후 제1시간(TA)에 도달할 때까지 상기 수직동력부(200a)의 압력(P1)과 상기 수평동력부(300a)의 압력(P2)이 제1압력(PA)으로 동일하도록 상기 수직동력부(200a)의 출력(F1)과 상기 수평동력부(300a)의 출력(F2)을 제어할 수 있다. 이를 통해 재결정온도의 상기 강재(20)의 가열영역(21)의 형상을 우선적으로 형성할 수 있다. 이어 상기 제1시간(TA)을 경과하면, 상기 컨트롤러(40)는 상기 수평동력부(300a)의 압력(P2)을 상기 제1압력(PA)으로 유지하고, 상기 수직동력부(200a)의 압력(P1)을 상기 제1압력(PA) 보다 점진적으로 커지도록 제어할 수 있다. 즉, 상기 강재(20)가 형을 갖춘 후에 경화되기 시작하면, 상기 프레스(310)를 통해 일측방향으로의 확장을 제한하면서, 상기 상부금형(210)을 통해 상부형상을 정밀하게 단조가공하도록 가압할 수 있다. 여기서 상기 컨트롤러(40)는 제1시간(TA) 이후 제2시간(TB)에 도달할때까지 상기 수직동력부(200a)의 압력(P1)을 제1압력(PA)에서 제2압력(PB)으로 변화시킬 수 있다. 그리고 상기 제2시간(TB)이 경과되면, 단조가공이 완료될때까지 상기 컨트롤러(40)는 상기 수직동력부(200a)의 압력(P1)을 제2압력(PB)으로 유지하고 상기 수평동력부(300a)의 압력(P2)을 제1압력(PA)으로 유지시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 복합 업셋 단조장치
20 : 강재
21 : 가열영역
22 : 비가열영역
30 : 성형체
31 : 베이스부
32 : 성형부
40 : 제어부
50 : 가열부
51 : 가열 하우징
52 : 삽입홈
53 : 발열코일
100 : 프레임부
110 : 바닥프레임
120 : 상부프레임
130 : 제1지지프레임
140 : 제2지지프레임
200 : 금형부
200a : 수직동력부
210 : 상부금형
211 : 상형판
212 : 상부캐비티
213 : 상부고정대
220 : 하부금형
221 : 하형판
222 : 하부캐비티
223 : 하부고정대
300 : 단조부
300a : 수평동력부
310 : 프레스
320 : 실린더
400 : 위치고정부
410 : 지지몸체
420 : 관통홀
500 : 스토퍼
510 : 스토퍼몸체

Claims (9)

  1. 강재를 성형체로 단조 성형하는 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법에 있어서,
    상기 복합 업셋 단조장치는,
    바닥프레임과, 상기 바닥프레임의 상측으로 이격 배치된 상부프레임을 포함하는 프레임부;
    상기 상부프레임에 결합되는 상부금형과 상기 바닥프레임에 결합되는 하부금형을 포함하는 금형부; 및
    상기 금형부의 일측에 이격 배치되되 수평방향으로 이동하는 프레스를 포함하는 단조부;
    를 포함하고,
    상기 하부금형의 상면에 강재가 배치되면,
    상기 상부금형이 하강하여 상기 상부금형과 하부금형이 형폐되고,
    상기 단조부의 프레스가 상기 강재의 일단을 가압하도록 이동하며,
    상기 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법은,
    강재를 소정온도로 가열하는 강재가열단계; 및
    가열된 상기 강재의 일단을 상기 하부금형의 상면에 배치하여 성형체로 성형하는 강재성형단계;
    를 포함하고,
    상기 강재성형단계에서는,
    상기 상부금형의 하강과 상기 프레스의 가압이 동시에 이루어지도록 제어되며,
    상기 강재가열단계에서는,
    상기 강재를 소성온도 이상으로 가열하되,
    강재가 성형되는 일단 영역을 국부 가열하고,
    가열하우징의 일면에 삽입홈이 형성된 가열부를 통해 강재의 일단이 상기 삽입홈에 소정깊이만큼 삽입되어 가열되고,
    상기 소정깊이에 해당하는 상기 가열영역에는,
    상기 강재성형단계에서 비성형되어 강재의 형상을 유지하는 성형체의 베이스부의 일부가 포함되며,
    상기 상부금형은,
    수직동력부를 통해 이동하는 상형판, 상기 상형판의 하측에 배치되어 성형체의 상부 형상을 구현하는 상부캐비티 및, 상기 상부캐비티의 측면에 배치되어 상기 강재의 가열영역과 비가열영역을 함께 상측에서 가압하는 상부고정대를 포함하고,
    상기 하부금형은,
    위치가 고정된 하형판, 상기 하형판의 상측에 배치되어 성형체의 하부 형상을 구현하는 하부캐비티 및, 상기 하부캐비티의 측면에 배치되어 상기 강재의 가열영역과 비가열영역을 함께 하측에서 지지하는 하부고정대를 포함하며,
    상기 복합 업셋 단조장치는,
    상기 바닥프레임에 고정되는 지지몸체와 상기 지지몸체에 관통 형성되어 상기 강재의 비가열영역이 삽입되는 관통홀을 포함하는 위치고정부; 및
    상기 바닥프레임에 고정되되 강재의 비가열영역의 단부면과 수평방향으로 면접하는 스토퍼몸체를 포함하는 스토퍼;
    를 포함하는 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부캐비티와 하부캐비티가 형폐하면 수평 방향으로 관통된 것을 특징으로 하는 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단조부의 프레스가 상기 상형판과 하형판 사이에 인입되는 것을 특징으로 하는 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 강재가열단계에서는,
    상기 강재의 일단 온도가 1200℃ 내지 1220℃ 사이에 도달하면,
    강재성형단계로 이어지는 것을 특징으로 하는 복합 업셋 단조장치를 이용한 단조가공방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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