KR20030084107A - 휠디스크 스피닝 성형기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 버스나 트럭 등 상용차의 휠에 사용되는 중, 대형 차량용 휠디스크를 금형 형상에 따라 압착성형을 수행하는 스피닝 성형기에 관한 것이다.

휠디스크 스피닝 성형기는 크로스 헤드(cross head), 베드(bed), 컬럼(colunm)의 몸체와, 금형이 얹혀져 회전하는 메인 스핀들(main spindle)과 성형소재를 압착하는 클램프 슬라이드(clamp slide), 좌우 x-y축이 유압 서보 밸브(servo valve)에 의해 구동되는 호리존틀 앤 버티칼 슬라이드(Horizontal & Vertical slide) 및 CNC자동제어장치와 유압시스템으로 구성된다.

Description

휠디스크 스피닝 성형기{A wheel disc spining machine}

본 발명은 휠디스크 스피닝 성형기의 설계 및 제작기술에 관한 것으로 특히 버스나 트럭 등 상용차의 휠에 사용되는 중, 대형 차량용 휠디스크를 금형 형상에 따라 압착성형을 수행하는 스피닝 성형기에 관한 것이다.

종래에는 휠 디스크와 같은 축 대칭형 제품을 성형하기 위하여서는 프레스공법을 이용하였다.

이러한 공법에서는 변형과 강도의 저하에 따른 문제점을 가지고 있다. 예를 들면 프레스공법으로 생산되는 휠디스크는 휠 샤프트(shaft)와 체결될 볼트홀(bolt hole) 부위에서 강도가 약할 뿐만 아니라 프레스공정시 발생하는 평판의 변형에 의해 평면도가 좋지 않아 또다시 선반작업을 수행하여야 하는 단점을 가지고 있다.

하지만 스피닝 공법의 휠 디스크는 휠 샤프트와 체결되는 볼트홀 부위를 강하게 압착한 상태에서 소재(Blank)두께를 유지하는 반면 림(rim)과 용접하기 위해 안쪽으로 프로파일(profile)을 갖는 부위만을 얇게 하여 생산하는 방법이므로 아우터 림(outer rim), 센터 홀(center hole) 그리고 필요하다면 밴틸레이션(vantilation)만 가공되면 된다.

스피닝 공법으로 생산된 휠 디스크는 기존 프레스(PRESS) 공법의 것보다 내구성이 2배로 증가하고 중량이 30% 줄면서 연비는 0.4% 향상된다.

본 발명은 스피닝 성형기의 설계와 그 제작기술을 제공하고자 하는 것으로서 자동화된 공정으로 우수한 제품을 대량생산이 가능한 스피닝 성형기의 설계 및 제작기술과 휠 디스크 스피닝 공정설계의 기술확보를 목적으로 발명된 것이다.

도 1의 (a)는 본 발명의 스피닝 성형기의 전체구성도.

(b)는 본 발명의 스피닝 성형기의 측면도.

도 2는 본 발명의 맨드렐(Mandrel)의 상세도.

도 3은 본 발명의 메인 스핀들(Main spindle)의 상세도.

도 4는 본 발명의 컬럼 어셈블리(Column assembly)의 상세도.

도 5는 롤러 및 호리존틀 슬라이드 어셈블리(horizontal slide assembly)의 상세도.

도 6은 클램프 슬라이드 어셈블리(Clamp slide assembly)의 상세도.

도 7은 크로스 헤드(cross head)의 상세도로 (a)는 평면도, (b)는 정면도, (C)는 측면도.

도 8의 (a)는 베드(bed)의 상세도로 (b)는 정단면도이고 (c)는 측단면도로 (a)는 평면도, (b)는 정면도 (c)는 측면도.

도 9의 (a)(b)는 롤의 단면도.

도 10은 스피닝 성형기에 의해 제조되는 휠디스크의 단면도.

도 11은 유압회로도.

도면의 주요 부분에 대한 설명

1: 금형 2: 클램프 슬라이드(clamp slide)

3: 메인스핀들(main spindle)

4,5: 버티컬 호리존틀 슬라이드(vertical, horizontal slide)

6: 유압실린더 7: CNC콘트롤러(controller)

8: 롤

본 발명은 스피닝 성형기의 설계와 제작에 관한 기술에 관한 것으로 도 1의 (A)는 본 발명의 스피닝 성형기의 전체구성도이고 (b)는 본 발명의 스피닝 성형기의 측면도를 도시한 것이다.

이에 도시된 바와 같이 스피닝 성형기는 금형(1)에 성형소재를 얹혀놓고 클램프 슬라이드(clamp slide)(2)로 압착한 후 메인스핀들(main spindle)(3)을 회전시킨 상태에서 버티컬, 호리존틀 슬라이드(vertical, horizontal slide)(4)(5)의 좌우 X-Y축이 유압실린더(6)의 유압 서보 밸브(servo valve)에 의해 CNC 콘트롤러(controller)(7)로 자동제어 되는 롤(8)로 성형을 수행하는 구성으로 이루어졌다.

이러한 구성에 따라 본 발명품은 가공력이 크기 때문에 기계본체에 큰 힘이걸리고 롤러(8) 및 유압실린더(6)에 큰 부하가 걸리기 때문에 설계시 주의를 요하는 부분이 많다.

본 발명에서 다음은 스피닝 성형기의 주요부분에 관한 설명이다.

맨드렐(Mandrel)의 형상은 도 2에 나타나 있으며 맨드렐(10)은 제품형상을 따르게 되며 코너부(11)의 반경이 너무 작으면 파단이 발생하므로 너무 작지 않게 적당한 값을 선정하며 보통재료의 두께보다 크게 선정한다.

또한 대형의 경우 주철을 가공한 후, 열처리하여 사용하되 중소형의 경우 공구강을 HRC 60-63으로 열처리하여 사용하며 표면조도는 되도록 좋게 한다.

롤(8)은 직접 성형을 수행하는 공구로써 중가공용 롤의 전형적인 형태는 도 9에 나타나 있으며 도 (a)의 경우는 표준형으로서 노말(normal) 스피닝 및 쉬어(shear) 스피닝에 사용되며 (b)의 경우는 중하중시 사용하며 도피각은 10° 정도로 하는 것이 바람직하다.

롤(8)의 직경, 코너반경 및 재질은 다음과 같다.

롤(8)은 롤(8)과 소재 사이의 압력에 견디어야 하며 기계의 용량과 맨드렐(10)의 형상에 대하여 여러 가지로 채용된다. 즉, 맨드렐(10)의 직경이 커진다고 롤(8)의 직경을 키울 필요는 없으며 보통은 제품의 직경이 50-1000mm 에 대하여 40-300mm 의 값을 선정한다.

보통 소재의 두께가 커지면 부하가 많이 걸리므로 롤(8)의 직경이 커지는 경우가 많은데 이와 같은 중하중용은 복열 베어링을 사용하여 롤(8)의 직경이 지나치게 커지는 것을 막는게 좋으며 이때에도 150-300mm 의 범위가 좋다.

코너 반경은 소재의 두께 및 재질과 관련이 많은데 알루미늄 등과 같은 경금속의 경우는 작게 하는 것이 좋으나 이 때에는 이송속도를 키우기 힘들다.

반면에 코너반경이 커지면 플랜지의 직립도에 영향을 준다.

롤(8)의 재질에 있어서는 내마모성 및 단가가 중요한 변수이며 생산량 및 제품품질을 검토하여 냉간 가공용으로는 SK2, SK3, SK11 열간 가공용으로는 SKD61을 사용하는 것이 바람직하다.

롤(8)의 이송속도는 가공조건 중에서 가장 중요한 것으로 가공력, 가공한계(주름, 파단) 및 제품정도(면조도-R_s)에 직접적인 영향을 미친다.

즉, 강성이 작은 기계, 용량이 작은 기계, 변형력이 큰 재료에서는 이송속도를 줄이면 가공력이 작아지므로 가공이 가능하다. 속도가 커지면 제품의 두께가 변하는 경우도 발생(기계의 강성부족 때에)할 수 있으며, 이송용 실린더에 공급되는 유온이 변동하면 이송속도에 변화가 생겨 문제가 발생할 수 있으므로 유온을 일정하게 유지해야 한다.

메인 스핀들(Main spindl)(3)의 회전수의 선정에는 분당 회전수(RPM)와 성형가공부의 주속개념으로 검토한다. 어느 경우에는 주속이 300-600m/min 정도가 좋은 실시예와 함께 낮은 속도는 좋지 않은 경우를 볼 수 있다.

상기 회전수의 선정에는 기계의 동력, 작업시의 안정성, 생산성, 소재 및 제품에 대하여 종합적으로 고려해야 하는데 500rpm 근처가 가장 바람직하다고 판단되며 주속으로 선정시 U=500-1130m/min 의 범위에서 많이 선정하고 있다.

주속은 제품의 표면상태에도 영향을 미치므로 되도록 일정하게 하는 것이 좋으며, 롤(8)의 이송속도가 성형의 가부에 영향을 미치므로 생산성을 높이기 위해서는 회전수를 높이는 것이 유리하다.

이송속도 일정시 회전수를 키우면 회전당 이송량이 작아지므로 가공력이 작아지게 된다. 또한 회전 주속을 높이면 윤활 효과가 커지는 특징도 있다.

성형소재의 기계적 특성에서는 기본적인 세가지의 스피닝 방법(교축스피닝, 전단스피닝, 튜브스피닝)에 대하여 가공성은 변형의 특징과 관련하여 한계교축비, 판두께감소율 등으로 구분하여 나타낼 수 있는데 이는 가공조건 뿐만 아니라 소재의 물성치에도 관련이 많다.

스피닝에서의 결함요소 즉, 성형 도중의 파단현상이나 주름발생에 대하여 소재의 소성역학적 특성(연신율, 항복강도, 인장간도, 가공경화지수, 이방성계수)은 소재형상(직경, 두께) 및 각종의 가공조건(소재의 회전수, 롤의 직경, 롤의 코너반경, 회전당 이송속도 등)과 함께 성형한계에 영향을 미친다.

메인베드(Main Bed)(20)는 모든 부품들이 고정되며, 운용될 때 발생되는 하중과 처짐에 대해 충분한 강도를 가지도록 용접구조물로 제작하여야 한다.

도 8에 메인베드(20) 형상이 나타나 있으며 메인 스핀들 어셈블리(main spindle assembly), 컬럼(column)이 설치되고 이 컬럼(column)에는 호리존틀 앤 버티칼 슬라이더(horizontal & vertical slider)(4)(5)가 각각 설치된다.

메인 스핀들(Main spindle)(3)은 도 3에 나타나 있으며 약 350 마력의 모터로 구동되며 위에는 맨드렐(10)과 디스크 방출기(12)가 설치되고 메인 스핀들 베어링(Main spindle bearing)은 크로스 헤드(cross head)로부터 커다란 축방향 클램핑포오스(clamping force)에 견딜 수 있도록 견고한 트러스트/롤러 베어링(thrust/roller bearing)이 설치된다. 롤러 베어링(Roller bearing)내부는 항상 기름에 담겨져 있도록 함과 함께 메인 스핀들(Main spindle)은 직경 약 35Omm 의 원통형으로 정밀 연마가공하여 설치한다.

드라이빙 앤 콘트롤 시스템(Driving and control system)의 D.C 인덕션 모터(D.C induction motor)는 350 마력 이상 동력을 발생시키고 속도를 제어하며, 타이밍 벨트(timing belt)로 메인 스핀들(3)축에 동력을 전달한다. 그리고 디스크 브레이크(brake)와 모터(motor) 제어에 의한 제동장치를 병행 적용한다.

모터(Motor)의 회전속도는 테코미터(techometer) 또는 인코더(encoder)신호를 피드백(feed-back)하여 인버터(inverter: 변환장치)로 제어한다.

모터(21)는 메인 보드(20) 뒤에 설치되어 벨트(belt)의 장력조절이 용이하게 한다.

클램프 슬라이드(Clamp slide)(2)는 도 6에 나타나 있으며 도 7의 크로스헤드(cross head)(30)에 설치되며, 크로스헤드(30)는 견고한 용접구조물로 제작되어 컬럼(column)을 통해 메인베드(20) 위에 설치된다.

상기 컬럼은 진동에 강하면서 제품의 크기를 작게 제작할 수 있도록 견고하고 처짐에 강한 구조물로 제작되고 클램프 슬라이드(2)의 압력 헤드(head)에는 견고한 트러스트/롤러 베어링(thrust/roller bearing)이 내장되고, 베어링(bearing)은 항상 기름에 잠겨 있도록 한다.

2-버티칼앤 호리존틀 슬라이드는 도 4와 도 5에 그 형상이 나타나 있다.

버티칼 슬라이드(5)는 180도 간격으로 2지점에서 box-type용접구조물로 제작하며 4지점이 LM-guide로 지지되어 하중에 대해 처짐이 없도록 견고하게 제작된다.

버티칼 슬라이드는 하이드로릭 서보 실린더(vertical slide hydraulic servo cylinder)로 구동되며 견고한 컬럼(column) 안에서 상, 하 이동되며 인코더(encoder)로 이동위치를 측정하여 제어기로 피드백(feedback)한다.

호리존틀 슬라이드(4)는 원형으로 제작되었으며 양 끝단의 메탈 부쉬(metal bush)안에서 수평방향으로 슬라이딩(sliding)되면서 하이드로릭 서보 실린더(hydraulic serbo cylinder)로 구동되며 인코더(encoder)로 이동위치를 측정하여 제어기로 피드백 한다.

호리존틀 슬라이드(4)의 끝단에 설치된 2개의 스피닝 롤러는 멘드렐(10)의 회전속도에 따라 동일하게 아이들(idle)로 회전시킨다.

하이드로릭 시스템(Hydraulic System)은 도 11도의 유압시스템 회로도로 설계되며 유압시스템은 하이드로릭 파워 서플라이(hydraulic power supply), 서비스 매니폴드(service manifold), 일렉트로닉(electronic), 어큐뮬레이터(accumulator), 하이드로릭 서보 밸브(hydraulic servo valve)등으로 구성되고 하이드로릭 파워 유니트(hydraulic power unit)는 기계본체와 별도로 설치되며, 하이드로릭 오일(hydraulic oil) 은 자동으로 히팅/쿨링(heating/cooling)되도록 하였다.

하이드로릭 서보 밸브(hydraulic servo valve)는 4축이 동시에 위치와 속도가 CNC로 제어되도록 하였다.

CNC 콘트롤러(controller)(7)는 일반 CNC 공작기계용으로 4축 제어가 가능한콘트롤 유니트(control unit)를 본 발명의 용도에 적합하게 개량하여 사용하며 CNC 콘트롤 유니트(control unit), 서보 밸브(servo valve) 제어축(control axes), 스핀들(spindle) 제어축, 피드 백 유니트(feed back unit)로 구성된다.

제어시스템은 플랜트(plant)의 제어, 감시, 조작 등의 프로세스 콘트롤(process control)이 조작반에서 일괄제어되고 모니터(monitor)에 디스플레이(display)되도록 하였으며 신설되는 통합운전실에서 운용 가능토록 설계하였다.

운전 및 감시는 기본적으로 CRT에 의한 조업관리를 하도록 하였고 또 제어시스템은 자기진단 기능을 보유하고, 오프 라인(Off-line)상태에서 정비 보수가 가능한 시스템(system)으로 하였다.

콘트를 시스템(Control system)의 운용은 프로세스 콘트롤 시스템(Process Control system)과 로직 콘트롤 시스템(logic control system)으로 구분하여 구성하고, 공정별 제어는 오퍼레이터 스테이션(operator station)에서 조작 및 감시를하며 공급되는 시스템(system)은 사양서에 기재된 하드웨어(hardware) 및 소프트웨어(software)에 준하여 적절한 장치선정 및 프로세스(process)에 적합하도록 설계구성하였다.

이상에 의한 휠디스크 스피닝의 가공력 및 동력의 계산은 다음과 같다.

실제로 휠디스크(100)의 가공공정 중에는 전단스피닝이 기본적으로 적용되며 부분적으로 교축스피닝이 부가된 형태이다. 일반적으로 기초검토에 의하면 교축스피닝에서의 가공력은 전단스피닝에 비해 상당히 작은 값을 갖는다.

도 10에서 A-B 구간은 교축스피닝이 주가되는 부분이므로 힘의 계산을 생략하고 부하가 많이 걸리는 C-F 구간에 대하여 가공력을 계산한다.

계산방식은 전단스피닝에 대하여 가공력을 계산한 뒤, 교축스피닝의 부가에 따른 부가가공력에 대한 여유를 주어 가공력으로 환산하였다.

전단스피닝에 의한 가공력

상용차용 휠디스크 생산용 소재(두께 14mm)에 대하여 쉬어스피닝(shear spinning)할 경우 단순전단 모델에서는으로 표시된다. 여기서 P_θ은 원주방향의 가공력이며, t_O는 소재의 두께이다.

α는 반원추각이며, σ_m은 Flow Stress이다. 이 식은 von-Mises 항복조건에 따른 것으로 t₀=14mm, σ_m=52kg/㎟를 적용한다.

이와 같은 단순전단 모델에서는 롤과의 접촉부에서의 곡면부의 변형을 고려하기가 어렵다.

따라서 곡면부의 변형을 고려하여으로 표시되는 데, v₁, v₂는 각각

로 표시된다.

θ_m, r_m은 각각 접촉부에서의 원주방향의 평균 접촉각 및 평균반지름을 나타내는 것으로서 θ_m= 8.16° = 0.14rad 정도로 하며, r_m은 위치에 따라 다르다.

위의 식에서 v₂는 m에 따라 변하는 수치로서 m은 0에서 1 사이의 값을 갖는 데 보통은 경험적으로 0.2∼0.6의 값을 취한다.

접선 및 법선방향의 작용력

소재의 두께방향과 롤의 진행방향의 가공력을 각각 P_n, P_t라 했을 때,의 관계를 갖는다.

P_θ는 상대적으로 P_n, P_t에 비해 매우 작으므로 경험적이 수치인 v_θ를 도입한 것으로 보통 0.07 근처에서 잘 일치한다.

반경방향 및 축방향 작용력

여기서 a_act는 실제의 반원추각을 나타낸다.

주축의 소요동력

소요동력 Power는 다음 식으로 나타내어지고, 대형 휠디스크 스피닝시 원주방향(P_θ), 반경방향(P_r), 축방향(P_z) 가공력 및 소요동력의 계산결과는 도표에서 보여준다.

소재두께 = 14mm

flow stress σ_m= 52kg/㎟

main spindle RPM = 500 RPM

계산결과

본 발명을 통하여 스피닝 성형기의 설계와 제작기술을 확보하게 되어 휠 디스크의 생산기술 확보 및 스피닝 기술 응용이 가능하게 되었으며, 신속한 문제점 해결 및 성능개선 용이하게 되었다.

그러므로 중대형 휠 디스크 스피닝 장비는 물론 소형 휠 디스크 스피닝 장비의 개발에 100% 적용이 가능하며, 유압시스템을 활용한 대형 공작기계의 CNC국산화도 가능한 특징을 가지게 된다.

이로써 기존에는 전량수입에 의존하던 상용차용 휠 디스크를 국내에서 수입가격의 약 40% 로 생산이 가능하게 되어 수입대체 효과를 기대할 수 있게 되어 외국에서 수입하던 스피닝 휠 디스크의 국내수요는 물론 외국으로 수출도 지향할 수 있게 된 유용한 발명인 것이다.

Claims (4)

1. 스피닝 성형기는 금형에 성형소재를 얹혀놓고 클램프 슬라이드로 압착한 후 메인스핀들을 회전시킨 상태에서 버티컬 호리존틀 슬라이드의 좌우 X-Y축이 유압실린더의 유압 서보 밸브에 의해 CNC 콘트롤러로 자동제어 되는 롤로 휠디스크를 성형함을 수행하도록 함을 특징으로 하는 휠디스크 스피닝 성형기.
2. 제 1항에 있어서,

   CNC 콘트롤러(7)는 4축 제어의 콘트롤 유니트와 서보 밸브 제어축, 스핀들 제어축, 피드 백 유니트로 구성되고 제어시스템은 플랜트의 제어, 감시, 조작 등의 프로세스 콘트롤이 조작반에서 일괄제어되고 모니터에 디스플레이되도록 함과 함께 통합운전실에서 운용 가능토록 함과,

   유압시스템은 하이드로릭 파워 서플라이, 서비스 매니폴드, 일렉트로닉, 어큐뮬레이터, 하이드로릭 서보 밸브로 구성되어 4축이 동시에 위치와 속도가 제어되도록 함을 특징으로 하는 휠디스크 스피닝 성형기.
3. 제 1항에 있어서,

   휠디스크 스피닝 성형시 수직 및 반경방향의 가공력 및 필요 동력을 계산하는 설계과정과 그 결과를 얻기 위한 소프트웨어 프로그램으로 이루어지는 휠디스크 스피닝 성형기.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 소프트웨어 프로그램에 의하여 스피닝 휠디스크를 생산하는 순서와 방법을 규정한 생산기술공정에 의한 휠디스크 스피닝 성형기.