KR19990028951A - 경질재료의 성형 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비교적 경질의 재료를 성형시키는 방법에 관한 것으로, 비교적 경질재료로 된 스트립(10)상에 성형동작을 수행시키기 위한 도구를 제공하는 것을 포함한다. 도구는 고속 각인·성형기계(70)에 결합된 취합다이(24) 및 성형도구(22)를 포함한다. 도구와 기계는 성형재료의 응력이완 시간상수보다 작은 시간주기 안에서 성형동작이 수행되도록 배열된다.

Description

경질재료의 성형 방법
본 발명은 각인·성형기로 경질재료를 성형시키는 방법에 관해, 보다 상세하게는 성형위치 또는 그 근처를 파쇄함이 없이 경질재료를 성형시키는 방법에 관한 것이다.
현재 산업상 존재하는 절차 및 장치를 이용하여 어떤 경질재료를 성형시키는데 있어, 성형작업에 의해 야기된 재료의 변형은 얼마의 최소값 이상이어야 하고 또는 변형위치 또는 그 부근에서의 재료의 파쇄가 일어난다. 예컨대, 굽힘의 경우, 만곡반경 또는 만곡도중 어느 하나는 얼마의 최소값 이상이어야 한다. 통상적으로 성형으로서 재료의 가공경화가 일어나고 그런다음 굽힘으로써 균열이 계속되며 또한 재료의 탄성한계도 가공경화 영역에서는 초과된다고 믿고 있다. 항공산업에 이용되는 경질의 알루미늄 합금과 같은 재료에 대해 성형작업과 관련하여 균열없이 한정된 성형을 이루는 열처리 절차가 개발되었다. 그러나, 이들 절차들은 번거롭고, 고가이고, 그리고 몇몇 경질재료에 한정된다. 그러나, 어떤 재료들은 종래의 각인 및 성형 속도로 성형될수 없으며 이들 재료가 쉽게 성형되어질 수 있는 열처리 절차도 없다. 그와 같은 재료의 일예가 하드포트 씨티의 J M Ney회사가 제조한 Paliney 7의 고강도 팔라듐 금합금으로, 완전히 어려운 조건에서 최대인장 강도가 약 195,000lb/in2으로 된 것이다. 그러나, 하기한 바와같이 정상적인 각인 및 성형속도로 이 재료를 성형하는 것은 얼마의 최소 반경으로 제한된다. 어떤 경질재료를 성공적으로 형성하는데 어떤 폭약이 이용될 수 있다고 알려졌다. 예컨대, 20,000ft/sec 이상의 충격파 속도를 가지는 리드 아지드(Lead Azide)가 종래의 절차와 장비를 이용하면서 굽힘과 성형이 시도될 때 일반적으로 균열이 일어나는 재료들을 굽힘가공 및 용접가공에서 사용된다. 이 절차는 큰 탱크, 압력밥통, 보일러 및 그와 유사한 구조의 단부와 같은 비교적 큰 구성품에 이용된다. 그러나, 전기 커넥터용 전기 컨택트와 같은 소형부품들을 형성하기 위해 폭약의 사용은 잘 알려지지 않았고 또한 실시 불가능한 것으로 간주되었다.
위험한 폭약을 이용하는 열처리 절차들을 합성시키는데 의존함이 없이 전기 컨택트와 같은 비교적 소형의 부품들의 제조에 이들 경질재료로서 쉽게 성형시키는 방법이 잘 알려지지 않았다는데 문제점이 있다. 일편의 와이어를 손을 앞뒤로 굽히면 굽힘영역에는 온도상승이 일어난다. 이 국부적인 온도 상승은 굽힘 속도에 비례한다. 이들 재료를 고속으로 성형시키면 성형영역에는 충분한 고온이 발생하여 마치 어닐링과 같은 거동이 일어나고, 나아가, 그 재료의 응력 이완시간 상수보다 더 짧은 시간 주기로 성형이 수행되다면, 재료의 성형한계는 본질적으로 개선되어진다는 것을 알수 있다.
비교적 경질재료로 된 스트립상에 성형작업을 수행하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 다음 단계들을 포함한다. 이 성형작업을 수행하는데는 제 1 도구와 이 제 1 도구와 취합되는 제 2 도구가 제공된다. 각인·성형기계기는 제 1 및 제 2 도구들이 결합되어 있다. 제 1 도구는 제 2 도구가 취합결합 상태로의 이동 및 이 취합결합 상태로부터 제 2 도구가 벗어나는 이동을 취하도록 배열된다. 비교적 경질의 재료로 된 스트립이 제 1 및 제 2 도구 사이에 배치된다. 그런 다음 각인·성형 기계가 작동되어 제 1 도구를 제 2 도구쪽을 향하여 이동하도록 하여서 비교적 경질의 재료로 된 스트립과 결합상태로 된 제 1 위치에까지 이동된다. 그런다음 제 1 도구를 제 2 도구와 취합결합상태로 된 제 2 위치까지 이동시켜 성형작업을 완료하게 된다. 제 1 도구가 제 1 위치로부터 충분히 빠른 속도로 제 2 위치까지 이동하게 됨으로써 성형작업은 비교적 경질의 재료로 된 스트립의 균열없이 완료되어진다.
도1은 성형예정된 비교적 경질재료의 스트립의 횡단면도이다.
도2는 성형후의 도1의 스트립에 유사한 도면이다.
도3은 성형작업을 수행하기 위한 시험장치의 개략 설명도이다.
도4는 도3에 도시한 도구의 확대단면도이다.
도5는 성형후의 도4의 도구와 유사한 도면이다.
도6은 고속 각인·성형기계의 일부 단면의 전면도이다.
도7은 도6에 도시한 기계에 있어서의 시간에 대한 램행정의 관계를 보여주는 그래프이다.
도8은 종래의 각인·성형기계에 있어서의 시간에 대한 램행정의 관계를 보여주는 그래프이다.
그럼 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고로 하여 설명하기로 한다.
와이어와 같은 금속 부재를 굽힐 때, 굽힙측에는 열이 발생한다. 굽힘이 고속으로 수행 된다면 통상적으로 발생하는 파쇄(fracturing)은 일어나지 않는다는 것을 알 수 있다. 굽힙중 마치 재료가 완전히 어닐링처리된 것처럼 수정면이 슬립되는 변형측에는 아주 고온이 발생한다고 믿고 있다. 변형률의 영향, 즉 굽힘의 속도는 큰 변형을 이기는 재료의 능력에 관해, 굽힘이 충분히 짧은 시간에 수행된다면 가공경화가 일어날 시간이 없게 된다는 것을 알수 있다. 따라서, 굽힘작업의 결과 재료의 파쇄는 전혀 없다. 이를 위해 굽힘 동작의 시간 주기는 재료의 응력이완 시간 상수보다 작아야 한다.
현재의 각인·성형 기계류 및 실시예들은 이들의 비교적 경질재료의 성공적인 성형에 필요한 속도를 제공하지 않고 있다. 그러나, 그와 같은 성형이 쉽게 얻어지는 장치가 제조되어 시험되고 있다. 이 장치 및 본 발명의 방법을 설명하기로 한다.
도1에는 비교적 경질의 재료로 된 스트립(10)의 단면이 도시된 것으로, 본 실시예는 J M Ney회사에 의해 제조된 바의 약 195,000lb/in2의 최대 인장강도의 완전 경화상태의 Paliney 7제품이다. 이 스트립(10)은 0.0018인치 두께로서 스트립을 통해 연장하는 0.005인치 직경의 작업개시 구멍(12)을 포함한다. 이 스트립은 0.010인치의 내경을 가지는 환형플랜지(14) 및 약 0.006인치의 길이부(16)를 형성하도록 구멍(12) 둘레의 재료를 하방으로 변형시킴으로써 도2에 도시한 형상으로 형성되어진다. 도3에 도시한 바와 같이 오디오 스피커(20)가 변환기(transducer)로서 사용되어 성형도구(22)를 다이(24)와 취합상태로 구동시켜 플랜지(14)가 형성되도록 한다. 회로(30)에 의해 스피커의 보이스 코일(28)에 신호 발생기(26)가 상호접속된다. 보이스 코일(28)은 가동콘(32)에 부착되어 콘을 구동시키며 그것에는 성형도구(22)가 어떤 적당한 수단 예컨대 접착제에 의해 부착된다. 보이스 코일(28)은 통상적인 방도로 마그네틱 코어(36)에 자기 결합되어서 콘의 이동이 신호 발생기(26)에 의해 회로(30)를 통해 보이스 코일에 전송되는 신호(34)의 상승시간, 길이, 및 진폭이 매우 정밀하게 제어될 수 있도록 한다. 도4에 도시한 바와 같이, 성형도구(22)는 얼마의 주변단(40)과 직경(42)을 가지며 상기 직경은 직경(12)에 일치하는 것으로 본 실시예에서는 0.010인치이다. 다이(24)는 성형도구(22)의 형상에 일치하지만 플랜지(14)의 소정의 벽두께보다 약간 더큰 치수를 가지는 다이구멍(46)을 가지는 상향대면다이면(44)을 포함한다. 다이 구멍(46)의 상연부는 반경부(48)을 포함하는데, 본 실시예에서는 0.0001 내지 0.0005인치를 가지어 성형 절차중 찢김을 방지하는데 도움을 준다. 동작중, 스트립(10)은 도4에 도시한 바와 같이, 다이구멍과 성형도구(22)와 정렬된 상태로 개시 구멍(12)을 갖춘 다이면(44)에 놓인다. 신호 발생기(26)는 그다음 콘(32) 및 부착된 성형도구(22)를 구동시키는데 충분한 진폭을 가지는 신호펄스(34)를 전송하도록 동작하여 팁(40)은 다이구멍(46)을 통해 도5에 도시한 위치에 이동한다. 펄스(34)는 0.015msec이 코일 주행시기를 제공하는 형상으로 되어서 팁(40)이 스트립과 결합되는 상태로 이동한 후, 그 시간주기 이내에 도5에 도시한 위치까지 이동하기를 계속하게 된다. 즉, 팁(40)이 일차적으로 스트립(10)과 결합하는 시간으로부터 팁이 다이(24)와 완전히 취합하는 시간까지의 전체 성형동작은 약0.15msec정도이다.
1.5인치의 행정을 가지며 또한 분당 1200 행정으로 동작되는 종래의 각인·성형기계에는 유사한 성형도구 및 다이가 배열된다. 스트립(10)에 유사한 경질 Paliney 7의 스트립이 성형도구 및 다이와 플랜지(14)에 유사한 플랜지를 성형하도록 작동된 기계 사이에 배치된다. 성형도구는 스트립과 결합상태로 이동된후 다이와 완전히 취합된 위치로 계속 이동시키는데는 0.39msec가 요구된다. 성형동작을 수행하기 위한 이러한 비교적 긴시간주기는 예상되는 성형측에서 파쇄된 재료 및 스트립의 응력이완 시간 상수보다 크다.
본 발명의 교시에 따라 매우 작은 부품들에 대해 스피커(20)가 적절히 적용되지만, 0.15msec의 소정의 시간 주기로 성형동작으로 수행하는 능력을 가지는 고속 각인·성형기계가 전기 커넥터용 전기 컨택트와 같은 큰 부품들에 더 적절할 수도 있다. 도6에 도시한 고속 기계(70)는 미국특허 출원 제08/496,376호(1995. 6. 29출원)에 기재되어 있으며 이 발명은 본 발명자에 의해 본 양수인에 양도된 것으로 명칭은 "고속 각인·성형 동작을 수행하는 기계"으로 본 명세서에 참고적으로 이용되어 있다. 고속기계(70)는 램(72)을 포함하며 램은 분당 6000행정의 속도로 볼스터 플레이트(bolster plate)(74)를 향해 그리고 그 플레이트로부터 떨어져 이동한다. 행정의 길이는 0.4인치이다. 크랭크에 의해 램을 구동시키는 편심부(80)를 가진 구동축(78)에 결합된다. 구동축과 크랭크는 유체정압 베어링에 저널연결되고 램은 특이한 유체도관을 포함하는 선형 유체정압 베어링에 놓이며, 이들 모두는 기계가 고속으로 동작하도록 설계된다. 상부 공작용 마운트(84)가 램(72)에 부착되어 램에 의해 운반된다. 성형도구(22)는 이 공작용 마운트(84)에 고정되고 취합용 다이(24)는 볼스터 플레이트(74)에 통상의 방도로 고정된다.
0.4인치의 램행정을 가지며 그리고 분당 6000행정으로 동작하는 1.5인치의 램행정을 가지며 그리고 분당 1200행정으로 동작하는 종래의 각인·성형기계를 이용하는 이들 2 실시예가 도7 및 8도에 도시한 곡선(90 및 92)을 가지는 2개의 그래프로 예시되어 있다. 도7에 도시한 바와 같이, 곡선(90)은 Y축선을 따라 0.4인치 행정으로, 그리고 X축선을 따라 단일행정으로 완성시키기 위해 0.00sec로부터 0.01sec까지의 시간으로 기계(70)의 램(72)의 운동을 나타냈다.
성형도구(22)의 팁(40)이 먼저 스트립(10)과 결합하는 지점은 Y축선상의 0.0018 지점에 있는 라인(94)으로 지시되었다. 곡선(90)은 도7의 96으로 지시한 바와 같이 X축선을 따라 4.85msec 지점에서 이 라인을 가로지른다. 곡선(90)은 또한 98로 지시된 바와 같이 X축선을 따라 5.00msec 지점에서 X축선을 가로지른다. 모든 성형은 이들 2 지점 사이에서 0.0018인치의 램변위와 0.15msec의 시간 주기에서 일어난다. 반면에, 도8에 도시한 곡선(92)은 Y축선을 따라 1.5인치의 행정을 그리고 X축선을 따라 0.00sec 내지 0.05sec의 시간으로 단일 행정을 완료시키는 종래의 각인·성형 기계의 램의 운동을 보여준다. 성형도구(22)의 팁(40)이 우선적으로 스트립(10)과 맞닿는 지점은 Y축선상의 0.0018지점에 선분 102로 나타나 있다. 곡석(92)은 도8에 104로 지시된 바와 같이 X축선을 따라 24.61msec 지점에서 이 선분(102)을 가로지른다. 곡선(92)은 또한 106으로 지시된 바와 같이 X축선을 따라 25.00msec지점에서 X축선을 가로지른다. 이들 모든 성형은 이들 2지점 사이에서 0.0018인치의 램 변위 및 0.89msec의 시간주기로 일어난다. 앞서 지시한 바와 같이, 이 시간주기는 스트립(10)의 재료에 대한 응력이완 시간 상수보다 크며, 따라서 성형측에 가까운 곳에 파쇄가 일어나게 된다.
본 발명은 도3에 도시한 스피커(20), 및 도6에 도시한 고속 각인·성형기계(70)에 의해 실시될수 있지만, 기타 적절한 장치도 셩형되는 특정재료 및 그의 응력이완 시간상수에 따라 약 0.39msec와 0.15msec 또는 그이하 사이의 범위를 가지는 임계적인 시간주기 안에서 성형동작을 수행하는데 이용될 수 있다. 그와 같은 기타 적절한 장치는 종래의 속도와 압력으로 동작하고 그리고 성형이 요구된 시간주기 안에서 일어나도록 한다. 아울러, 여기에 예시한 성형동작이 재료를 변위시키는 인발동작이지만, 본 발명의 교시는 굽힘, 블랭킹, 코인닝, 트위스팅, 업셋팅, 드로우잉, 및 재료가 절단 또는 변형되는 기타 작업과 같은 재료를 변위시키는 기타 각인·성형 작업과 더불어 유익하게 실시될 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다.
본 발명의 중요한 잇점은 지금까지 쉽게 성형되지 않았던 수많은 비교적 경질의 재료들의 성형을 가능하게 한다는 것이다. 이는 NGK Metals Company of Reading PA의 의해 제조된 베릴늄 니켈, 및 종래의 성형 속도로 성형이 시도된 경우에는 행해질 수 없는 전기 접촉 재료인 Paliney 7과 같은 많은 합금도 성형가능하다는 것이다.

Claims (9)

  1. (a) 제 1 도구(22) 및 상기 제 1 도구와 취합되어 성형동작을 수행하는 제 2 도구(24)를 제공하는 단계;
    (b) 상기 제 1 및 제 2 도구가 결합되고, 상기 제 1 도구(22)는 상기 제 2 도구(24)를 향해 취합결합되도록 그리고 상기 제 2 도구로부터 떨어져서 상기 취합결합으로부터 분리되는 순환운동을 취하도록 배열되어진 각인·성형기계(70)를 제공하는 단계;
    (c) 상기 제 1 및 제 2 도구(22, 24) 사이에 비교적 경질의 재료로 된 스트립(10)을 배치시키는 단계;
    (d) 상기 각인·성형기계(70)를 동작시켜 상기 제 1 도구가 상기 제 2 도구 쪽으로 이동하여 상기 비교적 경질재료로 된 스트립(10)과 결합되는 제 1 위치로 순환운동을 실행하고 그리고 상기 제 1 도구(22)를 상기 제 2 도구(24)와 취합결합되는 제 2 위치로 이동하여 상기 성형동작을 완료시키는 단계를 포함하고;
    상기 제 1 도구(22)는 충분히 빠른 속도로 제 1 위치로부터 제 2 위치로 이동하여 상기 성형동작이 비교적 경질의 재료로 된 스트립(10)을 균열시키지 않은 상태로 완료되도록 한 것을 특징으로 하는, 비교적 경질의 재료로 된 스트립(10)의 성형방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도구(22)가 적어도 약 5인치/초의 속도로 제 1 위치로부터 제 2 위치로 이동하는 것을 특징으로 하는 성형방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도구(22)가 약 15인치/초의 속도로 제 1 위치로부터 제 2 위치로 이동하는 것을 특징으로 하는 성형방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 (d)단계의 순환운동이 약 0.40인치의 길이를 가지며, 상기 (d)단계의 상기 제 1 위치로부터 제 2 위치로의 상기 도구(22)의 이동이 상기 순환 운동길이의 약 0.45퍼센트의 길이를 지나 일어나는 것을 특징으로 하는 성형방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 도구(22)가 약 0.5msec 이내로 상기 제 1 위치로부터 제 2 위치로 이동하는 것을 특징으로 하는 성형방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 도구(22)가 약 0.2msec 이내로 상기 제 1 위치로부터 제 2 위치로 이동하는 것을 특징으로 하는 성형방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 (d)단계의 순환운동이 약 6000 사이클/분의 속도로 일어나는 것을 특징으로 하는 성형방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 (d)단계의 순환운동이 약 0.40인치의 길이를 가지며, 상기 (d)단계의 상기 제 1 도구(22)의 제 1 위치로부터 제 2 위치까지의 이동이 상기 순환운동 길이의 약 0.45퍼센트의 길이를 지나 일어나는 것을 특징으로 하는 성형방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 성형동작이 비교적 경질재료로 된 스트립(10)의 일부분을 배치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 성형방법.
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