KR20000060156A - 회전 가능한 단조 및 압출 금형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소재의 가공을 위한 프레스 하중을 최소화하면서, 전체적으로 균일한 소재의 변형을 제공할 수 있는 금형장치에 관한 것이다.

본 발명에 의한 단조 및 압출 금형장치는, 상하 이동에 의하여 가공하고자 하는 소재에 압축력을 인가하는 펀치와; 상기 펀치에 의하여 가공되는 소재를 올려놓고, 회전 가능하게 지지되는 다이; 다이를 회전시키기 위한 회전 동력을 가지는 구동모터; 그리고 상기 구동수단의 회전력을 상기 다이에 전달하는 전달수단을 포함하여 구성된다. 상기 전달수단은; 상기 구동모터의 회전축에 연결되는 구동풀리와; 상기 구동풀리와 벨트로 연결되어 회전하는 종동풀리; 상기 종동풀리의 중심에 연결되어 종동풀리와 같이 회전하고, 상단부는 다이와 연결되는 회전축으로 구성된다. 이와 같은 본 발명의 장치에 의하면, 소재의 성형에 수직방향의 압축력과 회전모멘트를 동시에 이용하는 것에 의하여, 소재에 압축력을 인가하는 프레스의 동력을 최소화시킨다.

Description

회전 가능한 단조 및 압출 금형장치{Press apparatus}

본 발명은 단조 및 압출 금형장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가공하고자 하는 소재에 대하여 압축력 및 마찰력을 이용한 회전모멘트를 동시에 인가하는 것에 의하여 소재의 성형 하중을 현저하게 감소시킬 수 있도록 구성되는 단조 및 압출금형장치에 관한 것이다.

먼저 도 1을 참조하면서 일반적인 단조 및 압출을 위한 금형장치에 대하여 살펴보기로 한다. 도시된 바와 같이, 가공하고자 하는 소재(W)는 다이(2)의 상부에 위치하게 되고, 상기 다이(2)는 다이홀더(4)에 의하여 금형장치의 지지부(6) 상에 지지되어 있다. 그리고 상기 소재(W)를 성형하기 위한 펀치(12)는, 펀치홀더(14)에 의하여 지지되는 상태로 장치의 프레스(16)에 연동하게 된다. 상기 펀치(12) 및 다이(2)는, 펀치홀더(14) 및 다이홀더(4)에 각각 볼트 등과 같은 체결요소를 통하여 체결되어 있다.

상기 프레스(16)가 하방으로 이동하게 되면, 상기 펀치(12)가 소재(W)를 소정의 성형력으로 가압하게 된다. 즉, 상기 프레스(16)의 상하운동에 따라, 펀치(12)가 상하운동하면서, 소재(W)에 대하여 소정의 성형력을 가하게 되어, 소재(W)가 소정의 형상으로 성형되는 것이다. 이와 같은 장치는, 펀치 또는 다이의 형상에 따라 단순한 자유업셋단조, 압출, 단조가공 등으로 구분되고, 단순한 원통형, 컵형태, H형 단면을 가지는 부품 들을 생산할 수 있는 것이다.

그리고 도 2에는 다이의 형상이 원통형이 일반적인 후방압출 공정에 대한 금형장치의 개략이 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 금형장치의 프레스(16a)와 연동하고 펀치홀더(14a)에 의하여 지지되는 펀치(12a)가 하향 이동하면서 소재(Wa)에 성형력을 인가하게 된다. 여기서 도면부호 18은 펀치홀더(14a)를 프레스(16a)에 대하여 지지하기 위한 백킹플레이트이다.

상기 펀치(12a)의 하방향으로 가압에 따라, 다이(2a)에 올려진 소재(Wa)의 외주연부분은 다이홀더(4a)의 내측벽을 따라 후방으로 압출된다. 그리고 지지부(6a)를 관통하는 상태로 설치되어 있는 이젝트핀(8)은, 성형이 완료된 소재(Wa)를 다이홀더(4a)에서 이젝트시키기 위한 것이다.

이와 같이 구성되는 종래의 단조 및 압출금형장치에 의하면 다음과 같은 단점이 지적된다.

실질적으로 다이상에 올려진 소재를 가공하기 위한 힘은 프레스와 같이 하강하는 펀치의 압축력에 의한 것이다. 이 때, 금속성의 소재(W)에 접촉하는 부분에는 소정의 마찰력이 작용하게 된다. 즉 금형의 펀치(12, 12a) 및 다이(2,2a)와 각각 접촉하는 소재(W)의 면에는 일정한 마찰력이 작용하게 되는데, 상기 소재의 성형을 위해서는, 성형력(즉 프레스의 하중)이 상기 마찰력 보다 커야만 단조 및 압출 가공이 수행되는 것이다. 따라서 이러한 마찰력에 기인하여 금형에는 과도한 하중이 걸리게 되어, 과도한 하중에 의한 금형의 마모 및 손상이 우려된다.

그리고 자유업셋 단조가공에 있어서는, 소재의 불균일한 유동에 의하여, 성형 제품에 배불림 현상이 일어나기 때문에 소재의 성형에 일정한 한계가 지적되고 있다. 예를 들어, 원통형 소재의 자유업셋 단조가공시 일어나는 배불림 현상이 도 3에 도시되어 있다.

이와 같은 소재의 불균일한 유동은, 실질적으로 소재를 성형하기 위한 성형력이 일방향으로만 작용하는 것, 도시한 실시예에 있어서는 y축 방향으로만 펀치의 성형력이 작용하는 것에 기인하는 것이라고 볼 수 있다.

그리고 일반적으로 금속소재는, 주조에 의하여 생산되기 때문에, 주조에 의한 제품의 성형시 소재 자체가 가지고 있는 결함, 예를 들면 소재 내부의 기공, 수축공, 주조조직 상의 문제 등이, 상술한 단조 및 압출 금형장치에 의하여 완성된 제품의 결함으로 남게될 가능성이 큰 단점이 지적되고 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 성형을 위한 하중을 현저하게 감소시킬 수 있는 단조 및 압출 금형장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 성형 하중을 감소시키는 것에 의하여 장치에 사용되는 금형의 내구성을 높일 수 있는 단조 및 압출 금형장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 소재의 유동성을 향상시키는 것에 의하여 양호한 품질의 제품을 생산할 수 있는 단조 및 압출 금형장치를 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 자유업셋 단조공정에 대한 금형장치의 개략도.

도 2는 일반적인 후방압출 공정에 대한 금형장치의 개략도.

도 3은 일반적인 자유업셋 단조공정에 의한 금속 부품의 배불림 현상의 예시도.

도 4는 본 발명에 의한 금형장치의 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20 ..... 프레스 22 ..... 펀치

30 ..... 프레임 31 ..... 종동풀리

33 ..... 구동풀리 34 ..... 회전축

36 ..... 턴테이블 38 ..... 다이

Wa ..... 소재

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단조 및 압출 금형장치는, 상하 이동에 의하여 가공하고자 하는 소재에 압축력을 인가하는 펀치와; 상기 펀치에 의하여 가공되는 소재를 올려놓고, 회전 가능하게 지지되는 다이; 다이를 회전시키기 위한 회전 동력을 가지는 구동모터; 그리고 상기 구동수단의 회전력을 상기 다이에 전달하는 전달유니트를 포함하여 구성된다.

따라서 본 발명에 의하면, 가공되는 소재에 압축력 및 회전모멘트를 동시에 받으면서 가공된다. 이와 같은 본 발명의 장치에 의하면, 가공하고자 하는 소재의 성형력을 확보하기 위하여, 수직방향의 압축력과 회전모멘트를 동시에 이용하는 것에 의하여, 소재에 압축력을 인가하는 프레스의 동력을 최소화시키는 것이 가능하게 됨과 동시에, 회전모멘트는 소재의 유동방향으로 인가되기 때문에, 전체적으로 소재의 변형이 균일하게 되는 잇점을 기대할 수 있을 것이다.

그리고 상기 전달수단에 대한 구체적인 실시예에 의하면, 상기 구동모터의 회전축에 연결되는 구동풀리와; 상기 구동풀리와 벨트로 연결되어 회전하는 종동풀리; 상기 종동풀리의 중심에 연결되어 종동풀리와 같이 회전하고, 상단부는 다이와 연결되는 회전축으로 구성된다.

다음에는 도면에 도시한 실시예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 4를 참조하면서, 본 발명에 의한 금형장치에 대하여 자세하게 설명하기로 한다.

도시한 바와 같이, 금형장치의 프레스(20)에는 펀치(22)가 펀치홀더(24)에 의하여 지지되어 있다. 따라서 상기 프레스(20)가 하강하게 되면, 상기 펀치(22)가 같이 하강하면서, 가공하고자 하는 소재(Wa)에 성형력(압축력)을 인가하게 된다. 실질적으로 상기 펀치(22)의 하향 이동을 위한 프레스(20)의 구성은 종래와 동일하다.

그리고 본 발명에 의하면 가공하고자 하는 소재(Wa)가 올려지는 다이(38)가 회전하도록 구성하는 것을 기본적인 기술사상으로 하고 있다. 소재(Wa)를 올려놓는 다이(38)을 회전시키는 것에 의하여, 소재(Wa) 자체도 회전하게 될 것이다. 따라서 소재(Wa)는, 상기 펀치(22)에 의한 압축력을 받는 동안에 회전하게 된다. 상기 펀치(22)가 하강하여 소재(Wa)에 접촉한 상태로 압축력을 인가하는 동안, 상기 펀치(22)와 소재(Wa) 사이에는 마찰력이 발생하게 되고, 이러한 마찰력으로 인하여 소재(Wa)가 회전하는 동안, 소재에는 일정한 회전력(회전모멘트)가 걸리게 된다. 즉, 본 발명에 의하면, 단조 및 압출가공에 있어서, 소재(Wa)에 압축력과 상술한 회전모멘트를 동시에 걸리도록 하고 있다.

다음에는 상기 다이(38)를 회전시키기 위한 구성에 대하여 설명하기로 한다. 도시한 바와 같이, 금형장치의 하부에는 프레임(30)이 설치되어 있다. 그리고 상기 프레임(30)의 일측면에는 구동력을 인가하기 위한 모터(M)가 장착되어 있다. 상기 모터(M)의 회전력은 모터축(Ms)을 통하여 구동풀리(33)으로 전달된다. 구동풀리(33)의 회전력은 벨트(B)를 통하여 종동풀리(31)로 전달된다. 여기서 상기 종동풀리(31)는, 판베어링(32)을 통하여 상기 프레임(30)에 회전 가능하게 지지되어 있음을 알 수 있을 것이다.

상기 종동풀리(31)의 중심에 설치된 회전축(34)은 상기 종동풀리(31)의 회전에 의하여 같이 회전하게 된다. 상기 회전축(34)의 외주면에는 트러스트 베어링(34)이 설치되어 있어서, 상기 회전축(34)이 마찰하지 않고 회전할 수 있도록 지지하고 있다. 그리고 상기 회전축(34)의 상단부에는 턴테이블(36)이 설치되어 있고, 상기 턴테이블(36)의 하면에는, 그 회전을 지지하기 위한 판베어링(35)이 설치되어 있다.

상기 턴테이블(36)의 상면에는 다이(38)이 연결되어 있어서, 상기 턴테이블(36)의 회전은 실질적으로 상기 다이(38)를 회전시키게 된다. 상기 다이(38)가 회전하게 되는 것은, 그 상면에 올려지는 가공물인 소재(Wa)를 회전시키게 되는 결과로 된다. 따라서 상기 다이(38)의 상부에 올려진 소재(Wa)는 회전하면서, 펀치(22)에 의한 압축력을 받게 되는 것이다.

상기와 같은 구성에 의하면, 모터(M)의 회전력이 실질적으로 다이(38)를 회전시키게 되는 것임을 알 수 있을 것이다. 그리고 도 4에 도시한 실시예에 있어서, 상기 모터(M)에서 다이(38)에 회전 동력을 전달하는 동력전달을 위한 구성은, 풀리(31,33) 및 벨트(B) 등을 이용하는 것으로 도시하고 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 모터(M)에서 다이(38) 까지의 동력전달에 대한 구성에는 다른 많은 변형이 가능함은, 업계의 통상의 기술자에 있어서는 당연할 것이다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 하강하는 펀치(22)의 압축력에 의하여 가공되는 소재(Wa)는. 펀치(22)에 의하여 하방을 향하는 압축력을 받는 동안에, 다이(38)의 회전에 의하여 회전하기 때문에, 펀치(22)와의 마찰에 의하여 회전력을 동시에 받게 됨을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 하강하는 펀치의 압축력 이외에도, 상기 다이(38)의 회전에 의한 회전모멘트를 받게 되기 때문에, 단순한 펀치의 압축력만이 작용하는 가공되는 종래의 것과는 다른 형태로 성형력이 작용하게 된다.

이와 같이 소재에 작용하는 회전력은, 회전하는 소재(Wb)와 금형(펀치)의 마찰력에 의하여 소재(Wb)에 전달되는 회전모멘트이고, 이러한 회전모멘트도, 실질적으로 소재(Wb)의 성형력으로 작용하게 된다. 따라서 본 발명에 의하면, 소재(Wb)의 성형시, 소재에 대한 압축력 이외에도, 소재에 대하여 회전모멘트가 작용하게 되어, 실질적으로 보다 작은 하중으로도 소재를 단조 및 압축 가공이 가능하게 되는 것임을 알 수 있다.

이와 같이 상기 펀치(22)에 의하여 소재에 가해지는 회전모멘트는, 실질적으로 가공되는 소재의 유동방향을 순방향으로 작용시키는 것에 의하여 금속성 소재의 변형 상태를 전체적으로 균일하게 분산시킬 수 있게 되어, 소재의 유동성을 향상시키게 된다. 따라서 전체적으로 양호한 품질의 가공제품을 얻을 수 있게 될 것이다.

또한 실질적으로 소재(Wa)에 가해지는 압력축이 종래에 비하여 작아도 소재(Wa)를 충분하게 가공하는 것이 가능하게 되는 잇점이 있다. 즉 본 발명에 의한 펀치(22)는 소재에 대하여 압축력 및 회전모멘트를 동시에 작용시키기 때문에, 단순히 압축력의 면에서만 볼 때, 종래에 비하여 상대적으로 작은 힘을 필요로 하게 된다. 따라서 보다 작은 프레스의 동력으로 충분한 가공이 가능하게 된다. 이러한 점을 수식으로 살펴보기로 한다.

먼저, 종래의 금형장치에 필요로 하는 프레스의 압축력을 P라고 하고, 금속 소재를 성형시키기 위하여 필요한 총에너지율를 N으로, 그리고 금속소재의 내부 변형 에너지율을 N_i로, 또한 금속소재와 금형의 마찰력에 의한 마찰 에너지율을 N_f라고 하였을 경우에는 다음과 같은 수식이 성립하게 된다.

P = N = N_i+ N_f(식 1)

즉, 프레스에 작용하는 압축력(P)은, 금속소재를 성형시키는데 필요한 총 에너지소비율(N)이고, 이는 금속 소재의 내부 변형에 사용되는 에너지율(N_i)과 금형과 소재 사이의 마찰에 사용되는 에너지율(N_f)를 합한 것과 같게 된다. 따라서 상기 식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 마찰력이 커지게 되면, 전체적인 성형력도 커져야 하기 때문에, 프레스(20)의 용량도 커지지 않으면 안되는 것이다.

그러나 본 발명에 따라 펀치(20)의 압축력과 회전에 의한 모멘트를 동시에 소재(Wa)의 성형에 이용하는 경우의 프레스의 압축력을 계산하면 다음과 같은 식으로 나타날 수 있다.

P_k+ Mω= N = N_i+ N_f(식 2)

여기서 P_k는 펀치의 회전을 가지고 단조 및 압출 가공을 실행하였을 경우에 소재에 가해지는 압축력을,

그리고 M은 회전하는 펀치의 마찰력에 의하여 소재에 전달되는 회전모멘트를 의미하고,

ω는 펀치의 회전에 의하여 발생하는 금속 소재의 회전각속도를,

N은 금속소재를 성형시키는데 필요한 총에너지율을,

N_i는 금소소재의 내부 변형 에너지율을,

N_f는 금속소재와 금형의 마찰력에 의한 마찰에너지율을 의미한다.

그리고 상기 회전모멘트(M)은, 다음식으로 구해질 수 있다.

(식 3)

여기서 τ_f는 금형과 소재 사이의 마찰압력이고, γ은 소재의 반경, S는 금형과 소재의 접촉 면적이다.

상기 식에서 알 수 있는 바와 같이, 프레스의 압축력과 함께 소재(Wa)가 회전하는 경우에는, 프레스에 작용하는 압축력(P_k)과 회전에 의한 비틀림 모멘트 일률(Mω)의 합이 금속소재를 성형시키는데 필요한 총 에너지소비율(N)이고, 이는 금속 소재의 내부변형에 사용된 에너지율(N_i)과 금형과 소재 사이의 마찰에 사용한 에너지율(N_f)을 합한 것과 같게 된다. 즉, 마찰력은 소재(Wa)에 걸리는 회전모멘트의 크기를 크게 하여, 결과적으로 순수한 프레스의 압축력(P_k)를 감소시킬 수 있는 결과를 가져오게 된다. 따라서 실질적인 프레스(20)의 압축력을 작게하는 것으로도 충분하게 소재(Wb)를 가공하는 것이 가능하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 가공하고자 하는 소재(Wa)에, 프레스(20)에 의한 압축력과 회전하는 소재와 펀치(22)의 마찰력에 의한 회전모멘트를 동시에 가하는 것에 의하여, 보다 작은 하중으로도 충분하게 소재를 가공할 수 있는 것을 기술적 요지로 하고 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 단조 및 압출가공을 위한 금형장치에서, 소재에 성형력을 인가하는 경우, 일방향의 압축력과 회전모멘트를 동시에 인가하는 것을 기본적인 기술 사상으로 하고 있다.

이와 같은 기술적 범위 내에서 업계의 통상의 기술자에 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

변형예의 일례로서, 상기 모터(M)의 회전동력을 다이(38)에 전달하기 위한 동력전달구성에는 다른 많은 변형이 가능할 것이다. 예를 들면 회전동력을 기어열을 이용하여 전달하는 것도 가능할 것이다.

이와 같이 금속성 소재의 단조 및 압출가공에서 단순한 일방향의 압축력과, 이러한 압축력에 기인하는 회전력을 소재에 동시에 가하는 것에 의하여 보다 손쉬운 가공이 가능하게 될 것이다.

즉 단조 및 압출가공을 위하여 필요한 하중의 면에 있어서도, 상술한 바와 같이 보다 작은 성형하중을 가지는 프레스로도 충분하게 수행할 수 있게 된다. 따라서 보다 작은 동력가지는 금형장치를 사용하는 것이 가능하게 된다.

또한 본 발명에 의하여 소재에 가해지는 회전모멘트는 실질적으로 소재의 유동방향(순방향)으로 작용하게 되는 것임을 알 수 있다. 따라서 소재의 변형상태를 소재 전체에 균일하게 하는 것에 의하여, 상술한 배불림 등의 성형결함을 줄일 수 있고, 주조에 의하여 성형되는 금속성 소재 자체의 주조결함 등도 본 발명에 의한 단조 및 압출 가공을 통하여 상당히 저하시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 상하 이동에 의하여 가공하고자 하는 소재에 압축력을 인가하는 펀치와;

   상기 펀치에 의하여 가공되는 소재를 올려놓고, 회전 가능하게 지지되는 다이;

   다이를 회전시키기 위한 회전 동력을 가지는 구동모터; 그리고

   상기 구동수단의 회전력을 상기 다이에 전달하는 전달수단을 포함하여 구성되어;

   가공되는 소재는 회전하는 것에 의하여 펀치에 의한 압축력 및 회전모멘트가 동시에 인가되는 것을 특징으로 하는 단조 및 압출 금형장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 전달수단은;

   상기 구동모터의 회전축에 연결되는 구동풀리와;

   상기 구동풀리와 벨트로 연결되어 회전하는 종동풀리;

   상기 종동풀리의 중심에 연결되어 종동풀리와 같이 회전하고, 상단부는 다이와 연결되는 회전축으로 구성되는 단조 및 압출 금형장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 다이와 회전축은 턴테이블을 통하여 연결되는 단조 및 압출 금형장치.