KR19990076470A - 가동 프레임식 프레스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가동 프레스 프레임(2)의 2개의 기둥을 고정 베이스 프레임(5)의 윗면 양측에 설치된 섭동부(13)를 통해 자유롭게 움직일 수 있게 하고, 가동 프레스 프레임(2)의 자중보다 큰 부하가 액추에이터(6)의 피스톤 로드(7)에 걸리게 되면, 그 부하의 반작용에 의해 역으로 가동 프레스 프레임(2)을 상승시키도록 되어 있는 가동 프레임식 프레스에 관한 것으로, 하나의 액추에이터를 사용하여 피가압물의 양단에서 양축 프레스작업을 가능하게 함과 동시에, 양단에 걸리는 하중을 균등하게 하여 피가압물 즉, 성형체의 밀도 등 물리적 성질을 균일하게 유지할 수 있게 된다.

Description

가동 프레임식 프레스

본 발명은 가동 프레임식 프레스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압축, 용적감소, 압입등의 프레스 작업시 하나의 가압용 액추에이터의 구동 가압에 의하여 피가압물의 양단에서 프레스 가압이 가능하고, 그 양단에서의 가압을 균등하게 제어할 수 있도록 하여 가공이 종료된 피가압물의 밀도 등 물리적인 성질이 균일하게 유지될 수 있도록 한 가동 프레임식 프레스에 관한 것이다.

일반적으로, 분말 등의 분체를 금형에 의해 성형하도록 되어 있는 프레스는 프레임내에 피가압되는 분체가 투입되는 다이금형과 피가압물의 상면을 가압하는 위펀치 및 피가압물의 저면을 가압하는 아래펀치 그리고 가압 수단으로 사용되는 액추에이터를 기본 구성으로 하여 이루어져 있다.

이러한 종래의 분체 성형용 프레스는 피가압물에 대하여 하나의 가압용 액추에이터를 사용하는 방식의 일축식의 프레스와, 하나의 액추에이터로 가성형 과정을 거치거나, 또는 두 개의 액추에이터를 사용하는 방식의 양축식 프레스가 범용적으로 사용되고 있다.

여기에서, 일축식 프레스는 도 1에 도면번호 101로 도시된 바와 같이 외체를 형성하는 프레임(103), 프레임(103)의 상단에 장착되는 액추에이터(105), 액추에이터(105)에 의해 하향 가압되는 위펀치(109), 위펀치(109)와 동축상으로 프레임(103)의 베이스(111) 위에 고정되는 아래펀치(115) 그리고 위펀치(109)와 아래펀치(113) 사이에 설치되어 분말 등의 피가압물(119)이 투입되는 다이금형(117)으로 구성되어 있으며, 액추에이터(105)는 다시 위펀치(109)를 하향 가압하는 피스톤 로드(107)와 피스톤 로드(107)가 삽입 장착되어 외부에서 공급되는 유압(A)에 의해 가압력을 발생시키는 실린더(113)로 이루어져 있다.

이와 같이 구성된 종래의 일축식 프레스는 따라서 도 1a에 도시된 작동정지 상태에서 액추에이터(105)에 유압(A)이 가해지면 도 1b에 도시된 것처럼 피스톤 로드(107)가 하향 가압되어 다이금형(117) 내의 특히 분체로 된 피가압물(119)을 성형하도록 위펀치(109)를 가압하게 된다.

그런데, 이와 같이 위펀치(109)에 의해서만 가압력을 발생시켜 피가압물(119)을 가압하게 되면 다이금형(117) 내에서 성형된 성형체의 밀도가 위펀치(109) 쪽은 높고 아래펀치(115) 쪽은 낮아지게 되는 밀도 불균일의 문제가 야기되는데, 이러한 현상은 분말이 굳기 시작하면서 분말과 다이금형(117) 내측 벽과의 사이에 마찰력이 발생하여, 발생된 마찰력 만큼 위펀치(109)의 하중이 아래펀치(115)로 전달되지 않기 때문에 발생된다. 이를 수식으로 표현하면 도 1b에 도시된 바와 같이 아래펀치(115)에 의한 하중을 fL, 위펀치(119)에 의한 하중을 fU 그리고 마찰력을 fD라고 할 때 fL = fU - fD의 관계로 표현된다.

이러한 마찰력(fD)은 다이금형(115) 내주면의 정밀도나 분말의 성질, 성형 하중의 크기 등에 따라 상이하지만, 비교적 큰 힘이 되며, 일반적으로 성형면압의 30% 이상의 압력이 다이금형(115)의 측벽에 걸린다. 따라서, 성형된 성형체가 얇은 물건일 경우에는 비교적 문제가 되지 않지만 성형체가 두꺼워질수록 성형체의 밀도 불균일이 현저하게 나타나는 문제점이 발생된다.

이와 같이 압축의 상하 방향으로 압력 분포가 달리 나타나는 결점을 해소하기 위하여, 도 2a 내지 도 2d에 201로 도시된 바와 같이 상하 양축으로 분말 등의 분체(219)를 가압 성형하는 양축성형 방식의 프레스가 고안되었다.

도 2a에 도시된 양축식 프레스(201)는 도 1의 일축식 프레스(101)와 대동소이한 구조를 가지고 있으며, 금형을 세팅하기 위한 스페이서(221)가 추가적으로 장착되어 있다.

따라서 양축식 프레스(201)에 의해 분체의 성형을 하기 위해서는 먼저 도 2b에 도시된 바와 같이 유압(B)에 의해 피스톤 로드(207)를 가압하고, 이에 따라 피스톤 로드(207)에서 발생한 하향 가압력으로 위 아래 펀치(209,215)에 의해 다이금형(217)이 마찰력에 의해 떨어지지 않을 정도까지 분말을 가압하는 가성형 공정을 수행하게 된다.

가성형이 종료되면, 도 2c에 도시된 바와 같이 일단 하중을 제거하고 스페이서(221)를 빼내게 되는데, 이때 다이(217)가 부상되어 있으므로 위펀치(209)의 하중이 아래펀치(215)로 100% 전달된다. 그리고 나서 최종적으로 도 2d에 도시된 바와 같이 피가압물을 재가압하여 성형작업을 종료한다.

이러한 방식은 현재 일반적으로 가장 많이 사용하고 있는 양축성형 방법이지만 가성형 후에 스페이서(221)를 빼기 위하여 하중을 제거해야 하기 때문에 작업이 매우 복잡한 것은 물론이며, 스페이서(221)의 제거로 인해 성형체(219)에 기계적으로 나쁜 영향을 미치게 되는 문제점이 있었다.

이를 부연 설명하면, 양축성형 방식은 분말의 금형 프레스 성형시에 아래펀치(215)가 이미 삽입된 다이금형(217)을 스페이서(221)로 받친 상태에서 금형(217)에 피가압물 즉, 분말(219)을 넣고, 위펀치(209)를 가압 하중을 더해 분말을 압축한 다음 바로 감압하여 스페이서(221)를 빼내고 다시 위펀치(209)에 하중을 더해 위 아래 펀치(209,215)에 의하여 분말에 전달되는 압력전파를 균일하게 하는 방식이다.

그런데, 이러한 방식은 가하중의 적용으로 인해 가성형 상태에서 상하 펀치(209,215)의 하중균형을 잡기가 매우 힘들며, 스페이서(221)를 빼내기 위해 또는 금형의 자립안정성을 향상시키거나 아래펀치(215)의 절손 등을 피하기 위해 아래펀치(215)를 짧게 만들하야 하고, 위펀치(209)는 다이금형(217)의 길이보다 길게 제작해야 하는 문제점이 있었다. 또한, 이러한 방법으로 성형한 후 탈형(脫型)할 때는 다이금형(217)을 반전시켜서 위펀치(209)를 아래로 하여 성형체(219)를 끄집어내어야 하는 등 성형작업이 매우 복잡하게 이루어지는 문제점도 있었다.

한편, 상술한 양축 성형 방법외에도 프레임의 하부에 실린더 즉, 액추에이터를 별도로 추가 설치하여 상부 액추에이터와 동시에 가압하는 양축 성형 방식도 있으나, 이러한 프레스는 결국 두 개의 액추에이터를 구동 제어해야 하며, 특히 양단의 액추에이터에서 하중을 가할 때 그 압력을 균등하게 하기 위해서 정밀한 유압 제어 회로가 요구되는 등 제조가 복잡하고 까다로우며 따라서 제조 단가가 비싸지는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 위와 같은 종래의 분말 성형용 프레스 들이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 프레스 프레임을 별도의 베이스 등에 고정시키지 않고 자유롭게 상하 또는 좌우로 이동할 수 있도록 가동식으로 구성하여, 하나의 가압용 액추에이터만을 구동시키더라도 피가압물의 양단에서 프레스 가압이 가능할 뿐만 아니라 피가압물 양단에서의 하중 압력을 균등하게 제어할 수 있으며 따라서 성형체의 밀도를 균일하게 유지할 수 있도록 한 가동 프레임식 프레스를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 전형적인 일축식 프레스의 개략 단면도로서, 도 1a는 성형개시 상태를, 도 1b는 일축 성형종료 상태를 각각 도시한다.

도 2는 종래의 전형적인 양축식 프레스의 개략 단면도로서, 도 2a는 성형개시 상태를, 도 2b는 가성형 상태를, 도 2c는 압력을 방출하고 스페이서를 탈거한 상태를, 도 2d는 재가압 완료 상태를 각각 도시한다.

도 3은 본 발명에 따른 가동 프레임식 프레스의 개략 종단면도.

도 4는 도 3에 도시된 프레스의 분말 성형 흐름을 나타낸 도면으로서, 도 4a는 성형개시 상태를, 도 4b는 분말 압축 중 가동 프레스 프레임이 상승한 상태를, 도 4c는 탈형용 어댑터를 장착하여 성형물을 압출하여 탈형하기 위한 상태를 각각 도시한 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 가동 프레임식 프레스 2 : 가동 프레스 프레임

3 : 피가압물 4 : 스페이서

5 : 고정 베이스 프레임 6 : 액추에이터

7 : 피스톤 로드 8 : 위펀치

9 : 아래펀치 10 : 하중계

12 : 다이금형 13 : 섭동부

19 : 고정로드 27 : 탈형용 어댑터

따라서, 본 발명은 위에서 언급한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 다이금형에 피가압물을 장입하고, 피가압물을 다이금형 내에서 2개 이상의 펀치로 가압하도록 되어 있는 성형 프레스에 있어서, 한쪽 펀치를 피스톤 로드에 의해 가압하는 액추에이터가 일측에 일체로 부착되어 있으며 다른 쪽 펀치를 가압하는 고정로드가 타측에 돌출되어 있는 가동 프레스 프레임과, 가동 프레스 프레임을 고정로드측에서 미끄럼 이동 가능하게 지지하는 고정 베이스 프레임을 포함하고 있는 가동 프레임식 프레스를 제공하고자 하는 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 3에 도면번호 1로 도시된 본 발명에 따른 가동 프레임식 프레스는 기본적으로 종래의 분말 성형용 프레스와 유사한 구조를 가지고 있으나 구조체를 이루는 프레임이 가동 프레스 프레임(2)과 고정 베이스 프레임(5)로 각각 분리되어져 있는 큰 차이점이 있다.

여기에서 가동 프레스 프레임(2)은 상단 횡빔(15), 2개의 측면 기둥(11) 그리고 하단 횡빔(17)으로 구성되어 있으며, 상단 횡빔(15)에는 액츄에이터(6)가 장착되어 있고, 하단 횡빔(17)에는 아래펀치(9)를 지지하는 가동 프레임 고정로드(19)가 돌출되어 있다. 또한, 가동 프레스 프레임(2)의 2개의 기둥(11)은 고정 베이스 프레임(5)의 섭동부(13)에 끼워져 상하로 자유롭게 미끄럼 운동할 수 있도록 되어 있는데, 이때 가동 프레스 프레임(2)과 고정 베이스 프레임(5)이 접촉하는 섭동부(13)는 일반적으로 마찰저항을 줄이기 위해, 예를 들면 가동 프레스 프레임(2)의 기둥으로는 연마된 로드를 사용하고, 고정 베이스 프레임(5)의 섭동면은 볼베어링 또는 부싱베어링이나 윤활제등을 이용함으로써 가동 프레스 프레임(2)의 자체 중량에 의한 자중 이외에는 다른 부하의 영향을 받지 않도록 되어 있다.

그리고, 고정 베이스 프레임(5)은 상판(21)과 하판(23) 및 상하판을 연결하는 연결부(25)로 이루어지며, 상판(21)에는 위에서 설명한 바와 같은 섭동부(13)가 양측에 구비되어 있고 중앙에는 고정로드(19)가 삽입되는 관통공(20)이 형성되어 있으며, 하판(23)에는 프레스(1) 정지시 가동 프레스 프레임(2)이 올려 놓여진다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 가동 프레임식 프레스(1)의 작동 원리를 도 4a 내지 4c를 통해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이 액추에이터(6)를 액압, 공기압 또는 나사식 등의 임의 구동원을 이용해 작동시켜서 피스톤 로드(7)를 아래로 이동시킨다. 이때 이미 고정 베이스 프레임(5)의 상판(21)에 장착되어진 아래펀치(9)와 스페이서(4) 그리고 아래펀치(9) 위에 있는 피가압물(3)과 피가압물(3) 위에 놓여진 위펀치(8)는 접촉되어져 있는 상태이다.

이 상태에서 구동원에 의해 피스톤 로드(7)를 더 세게 압하시켜 도 4b에 도시된 바와 같이 위펀치(8)를 누르면 피스톤 로드(7)에 가압에 필요한 부하가 걸려 하중계(10)가 작동하기 시작한다. 그리고 가동 프레스 프레임(2)의 자중 이상의 부하가 피스톤 로드(7)에 걸리면 피스톤 로드(7)와 위펀치(8)의 경계면에서 오히려 도 4b의 화살표(C) 방향으로 뉴튼의 제3 법칙인 작용과 반작용 원리에 따라 가동 프레스 프레임(2)를 들어 올리는 힘이 발생하여 고정 프레스 프레임(5)의 가동 프레임 고정로드(19)에 의해 아래쪽에서부터 아래펀치(9)를 밀어 올리게 된다.

이때, 하중이 크면 클수록 가동 프레스 프레임(2)과 고정 베이스 프레임(5)의 사이에서 발생하는 미끄럼 마찰저항과 자중의 부가는 무시할 수 있는 수치가 되므로 피가압물(3)의 양단에 걸리는 하중은 거의 비슷한 값을 갖게 된다.

지금까지 설명한 가동 프레임식 프레스의 작동원리는 상하축 방향으로 작동하는 프레스(1)을 예로 들어 설명하였지만, 이는 당연히 좌우축 방향으로 압축력이 작용하는 경우 뿐만이 아니라, 어떤 방향이든 2축 방향으로 압축력이 작용하는 경우에는 모두 동일하게 적용된다. 또한 무중력계 내에서도 섭동부의 마찰저항만이 피가압물 양단에 작용하는 하중차이므로 이 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있다.

이하, 위와 같은 작동원리에 따라 본 발명에 따른 프레스(1)의 작동을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이 고정 베이스 프레임(5) 위에 다이금형(12) 하단에 삽입되는 아래펀치(9)와 다이금형(12)을 지지하는 스페이서(4)를 설치한다. 다음으로, 다이금형(12)안에 금속분말이나 세라믹 등의 미세 분말을 채워넣고, 위펀치(8)를 그 위에 올려 놓으면, 프레스 성형 준비가 완료된다.

구동원(D)에서 핸드펌프 또는 전동펌프 등으로 액추에이터(6)의 실린더 내부에 작동유를 공급하면 피스톤 로드(7)가 아래로 움직이기 시작하여 위펀치(8)를 누르게 되고 이로써 분말의 압축성형이 개시된다.

분체가 굳어지기 시작하면 다이금형 측벽에 압력이 생겨 위펀치(8)의 하중이 아래펀치(9)에 100% 전달되지 않는다. 이에 따라 위펀치(8)의 하중이 아래펀치(9)의 하중보다도 높아지게 되며 그 차이가 가동 프레스 프레임(2)의 자중과 고정 베이스 프레임(5)과의 섭동저항을 더한 합보다 커지면, 가동 프레스 프레임(2)은 피스톤 로드(7)와 위펀치(8)의 접촉면을 지점으로 하여 작용 반작용원리에 의해 위로 올라가기 시작한다.

도 4b는 가동 프레스 프레임(2)이 상승하기 시작하여 아래펀치(9)의 하중이 증대됨으로써 상하에서 작용하는 압축하중이 균등하게 될 때까지 분말을 압축하고 있는 상태를 나타낸다. 그 다음부터는 상하 펀치(8,9)의 하중차가 항상 가동 프레스 프레임(2)의 자중과 마찰저항뿐이기 때문에 임의의 설정하중까지 상하 균일하게 압축을 계속한다.

이렇게 해서 성형이 완료되면 도 4c에 도시된 바와 같이 압축된 프레스 성형체(3)를 꺼내게 되는데, 먼저 가해진 압력을 일차 방출시켜 피스톤 로드(7)를 상승시킨 다음, 탈형용 어댑터(27)를 위펀치(8) 위에 설치하고, 다시 피스톤 로드(7)를 천천히 하강시킨다.

도 4c와 같이 다이금형(12) 아래쪽의 스페이서(4)를 꺼내 놓으면, 다이금형(12)과 프레스 성형체(3)와의 측압 크기에 따라, 다이금형(12)이 눌려 내려오거나 아니면 가동 프레임 고정로드(19)가 밀려 올라가는 것이 결정된다.

즉, 측압하중이 가동 프레스 프레임(2)의 자중과 그 섭동부의 마찰저항의 부가하중을 더한 합보다 적을 경우에 다이금형(12)은 하강하게 되며, 클 경우에는 가동 프레임 고정로드(19)에 의해 밀려 올려가므로, 프레스 성형체(3)는 이 동작을 반복한 후에 금형(12)에서 빼내어 진다.

도 4c의 가동 프레임 고정로드(19)는 피가압물의 치수, 형상 등에 따라 여러 개 설치해도 무방하다.

이와 같이 프레스 성형된 압축 성형체는 상하에서 균등하게 가압 되어진다. 이는 통상의 양축 프레스 금형성형에서 분말이 이동하지 않아 나타나는 성형체 중심부근의 띠모양 계면 라인을 통해 확인할 수 있는데, 만일 띠모양 라인이 성형체의 중앙에 나타난다면 성형체가 띠모양 라인을 중심으로 분말이 상하 균등하게 압축 이동하여 보다 균일한 밀도분포를 가지고 있는 것이며, 이로써 고밀도 균질의 성형체가 제작된 것임을 알 수 있게 된다.

본 발명에 따른 프레임으로 압축 성형한 세라믹 분말 성형체를 별도의 실험장치로 압축성형 테스트를 해본 결과, 위와 같은 대상라인이 성형체의 중앙에 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 스페이서(4)는 빼내지 않은 채로 임의의 최종압력까지 가압했다가 그후에 탈형했는데, 종래의 경우처럼 가하중을 더한 후에 스페이서(4)를 빼고 재가압한 경우에도 동일한 결과가 나타났다. 이렇게 스페이서를 빼지 않고도 같은 결과를 얻을 수 있다면 프레스 작업은 훨씬 간편해진다.

또한 양축에서 피스톤으로 가압해도 조건 자체로는 띠모양 라인을 성형체의 중심에 오도록 할 수 있었지만, 편차가 심하고 분말의 종류에 따라 측압, 분말과 다이금형(12)의 마찰저항이 변화하기 때문에 정밀한 제어를 필요로 하는 등 조건 설정이 매우 곤란했다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 하나의 액추에이터만으로 양축에서 프레스 가압을 할 수 있으며, 양축에서의 하중을 가동 프레스 프레임의 자중 및 가동 프레스 프레임과 고정 베이스 프레임과의 섭동마찰저항을 제외한 상태에서 균일하게 유지할 수 있게 된다. 즉, 가압하는 양단에 액추에이터를 설치할 필요가 없어지므로 프레스의 구조를 단순하게 할 수 있으며, 정밀한 제어를 할 필요도 없어진다.

그러므로 본 발명의 프레스를 이용하게 되면 여러가지 프레스 작업 공정시에 피가압물의 양단에서 하중관리를 하지 않아도 균등한 하중을 작용시킬 수 있으며, 분말 압축성형이나 용적감소, 압입, 압축 등의 프레스 공정에서 하중의 균등화가 요구될 때 그에 부응할 수 있게 된다.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 다이금형(12)에 피가압물(3)을 장입하고, 상기 피가압물(3)을 상기 다이금형(12) 내에서 2개 이상의 펀치(8,9)로 가압하도록 되어 있는 성형 프레스에 있어서, 상기 한쪽 펀치(8)를 피스톤 로드(7)에 의해 가압하는 액추에이터(6)가 일측에 일체로 부착되어 있으며 상기 다른 쪽 펀치(9)를 가압하는 고정로드(19)가 타측에 돌출되어 있는 가동 프레스 프레임(2)과, 상기 가동 프레스 프레임(2)을 상기 고정로드(19)측에서 미끄럼 이동 가능하게 지지하는 고정 베이스 프레임(5)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가동 프레임식 프레스.
2. 제1 항에 있어서, 상기 가동 프레스 프레임(2)은 상기 액추에이터(6)가 일체로 부착되어 있는 상단의 횡빔(15), 상기 고정로드(19)가 상향 돌출되어 있는 하단의 횡빔(17) 및, 상기 상단 횡빔(15)과 상기 하단 횡빔(17)을 연결하는 좌우 2개의 기둥(11)으로 이루어져 있으며, 상기 고정 베이스 프레임(5)은 상기 좌우 기둥(11)이 미끄럼 이동 가능하게 삽입되는 섭동부(13)와 상기 고정로드(19)가 삽입되는 관통공(20)이 형성되어 있는 상판(21)과, 기초부로서 지면과 접촉하는 하판(23)과, 상기 상하판(21,23)을 연결하는 연결부(25)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 가동 프레임식 프레스.
3. 제2 항에 있어서, 상기 고정로드(19) 위에는 상기 아래쪽 펀치(9)가 올려 놓여져 있으며, 상기 피스톤 로드(7)의 아래쪽에는 상기 위쪽 펀치(8)가 인접 설치되어 있어, 상기 액추에이터(6)의 작용으로 가압되는 피가압물(3)에 상기 가동 프레임(2) 자중 이상의 압력하중이 발생하면, 상기 가동 프레임(2)이 상향 이동함으로써 상기 피가압물(3)을 양축가압하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 가동 프레임식 프레스.