KR20050073125A - 동일단면의 금속 소재를 연속으로 전단변형하는 연속강구속전단변형방법 및 이에 사용되는 금형과 상기 금형을포함하는 금속소재 가공장치 - Google Patents

동일단면의 금속 소재를 연속으로 전단변형하는 연속강구속전단변형방법 및 이에 사용되는 금형과 상기 금형을포함하는 금속소재 가공장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선재/형재/각재/판재와 같이 단면적이나 단면 형상이 전 길이에 걸쳐 거의 동일한 금속소재를 몰드 내에서 연속적으로 전단변형하여 금속조직 내의 결정립을 초미세화 하고 기계적 성질을 개선하며 특히 공정자동화가 가능하게 한 연속 강구속전단변형방법과 상기 방법에서 사용되는 금형 및 상기 금형을 포함하는 금속소재 가공장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 금형은, 동일 형상의 입구/출구가 임의 각도로 교차되는 ECAP공정용 금형에 있어서, 상기 금형의 입구/출구가 연속으로 이어지는 교차부위의 내측곡면 및 외측곡면이 하기의 관계식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
(관계식 : 조건식)
Φ : 두개의 통로가 교차하는 각도
Ψ : 통로 교차부의 모서리에 부여하는 곡면 호의 각도
Ψinner = Φ (단 0≤ 내측곡면호의 반지름 R≤ 채널(입구/출구) 폭의 1/6 )
0≤중심점 P로부터 외측곡면호의 각도(ψouter)≤ 22°
또한, 본 발명이 제공하는 금속소재 가공장치는, 상기 금형의 입구와 출구에 금속소재를 가압하는 램이 각각 설치되고, 금형에 열을 가하는 발열수단이 추가로 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명이 제안하는 연속 강구속전단변형방법은 금속소재와 동일한 단면형상을 가진 금형에 금속소재를 넣은 후 가압하는 강구속전단변형방법에 있어서, 금속소재를 금형의 입구로 밀어넣는 금속소재 공급단계; 금속소재 공급단계에서 금형의 입구로 밀어넣어진 금속소재를 램(상램)으로 가압하여 금형의 출구로 강제 이송하는 1차변형단계; 상기 1차 변형단계에서 금형의 출구로 강제이송된 금속소재의 배후를 램(하램)으로 가압하여 상기 금형의 입구로 다시 강제 이송하는 2차변형단계; 상기 1차변형단계와 2차변형단계를 반복해서 적용하는 반복변형단계; 및 상기 반복변형단계의 완료 후 금속소재를 금형으로부터 빼내는 배출단계;를 포함한다.

Description

동일단면의 금속 소재를 연속으로 전단변형하는 연속 강구속전단변형방법 및 이에 사용되는 금형과 상기 금형을 포함하는 금속소재 가공장치{Continuous Equal Channel Angular Pressing Method and Mold being used for the said method, and manufacturing apparatus with the above mold}
본 발명은 선재/형재/각재/판재와 같이 단면적이나 단면 형상이 전 길이에 걸쳐 거의 동일한 금속소재를 몰드 내에서 연속적으로 전단변형하여 금속조직 내의 결정립을 초미세화 하고 기계적 성질을 개선하며 특히 공정자동화가 가능하게 한 연속 강구속전단변형방법과 상기 방법에서 사용되는 금형 및 상기 금형을 포함하는 금속소재 가공장치에 관한 것이다.
강소성법의 일종인 ECAP(Equal Channel Angular Pressing : 등통로각압출법 또는 강구속전단변형법)공정은, 동일/유사한 형상의 입구/출구가 임의 각도로 교차된 금형에 금속소재를 통과시켜 상기 금속소재에 큰 소성변형(전단변형)을 부여하는 공정으로서, 상기 방법에 따르면 금속소재 내의 결정립이 미세화되고 기계적 성질이 개선된다.(참고문헌 : US Patent No.5,513,512)
그러나, 상기한 강구속전단변형방법(ECAP)은 변형률이 최대가 되는 90°각도로 연결된 "L"자형 채널(금형 내 이동통로)을 사용하므로, 금속소재의 압출과정에서 채널 벽면과의 마찰에 의해 상기 금속소재가 원활하게 유동되지 못하는 단점이 있다. 즉, 압출과정에서 상기 금속소재가 채널의 내측면을 따라서는 쉽게 변형되는 반면, 바깥면을 따라서는 변형이 잘 되지 않기 때문에 국부적으로 변형률에 차이가 생기고 이로 인해 금속소재의 강도와 결정립의 크기 등이 일정치 못한 문제가 있었던 것이다(금속학회지 제37권 4호 1999년 p441-447 참조)
이러한 문제점을 개선하기 위하여, 종래에는 도 1에 도시한 바와 같이 금속소재의 가공 시 ECAP공정을 최소 4차례 이상이 실시하였지만, 이 경우 이전압출작업에서 높은 온도로 가열된 금속소재가 다음번 압출작업에 제공되기 전 공기와 접촉하여 금속소재의 표면에 산화피막이 형성되는 문제가 발생되었다.
한편, 종래의 ECAP공정에서는 전단변형이 이루어진 금속소재의 전면부 중간부분이 돌출되기 때문에 다음번 압출작업을 위해 이 부분을 제거해야 하는 번거로움이 있었다. 이로 인해 현재까지 ECAP공정의 완전자동화가 이루어지지 않고 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서 단속(斷續)적으로 시행되던 종래의 ECAP공정을 연속화 하여, 금속소재의 기계적 성질이 더욱 더 개선되도록 함과 동시에, 금속소재 내부의 결정립이 종래보다 더 미세해지게 한 연속 강구속전단변형방법을 제공하는데 목적이 있다.
따라서, 본 발명의 금속가공방법에 따르면, 가공시간이 짧아져 생산성이 향상되며 작업설비의 완전자동화가 가능하므로 공정변수의 조절이 용이하다.
앞에서 살펴본 바와 같이, 현재 시행되고 있는 ECAP공정은 심한 소성변형을 금속소재에 부여해 결정립을 미세화 시키고 기계적 성질을 개질하는 공정이다(US Patent No.5,513,512). ECAP공정에서는 변형 전후의 단면형상이 동일하며, 반복해서 시행할 경우 1 이상의 전단변형을 균일하게 부여할 수 있다. 하지만, 작업이 단속적으로 이루어지기 때문에 가공시간 또는 제조시간이 길어 생산성이 저하된다.
또한, ECAP공정에서는 변형 후 탄성회복에 의해 금속소재가 길이방향으로 약간 휘어지기 때문에, 작업을 반복해서 수행하려면 금속소재의 표면을 연마해 주어야 한다. 한편, 이러한 단점을 개선하기 위해 입구통로보다 출구통로가 작은 금형을 사용하기도 하나, 이 경우 금속소재가 변형되는 동안 단면형상이 변하기 때문에 부하가 증가하게 된다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하고자 하는 본 발명은, ⒜ 금속소재와 동일한 단면형상을 가진 금형에 상기 금속소재를 넣은 후 가압하는 강구속전단변형방법에 있어서, 금속소재를 금형의 입구로 밀어넣는 금속소재 공급단계; 상기 금속소재 공급단계에서 금형의 입구로 밀어 넣어진 금속소재를 램(상램)으로 가압하여 상기 금형의 출구로 강제 이송하는 1차변형단계; 상기 1차 변형단계에서 금형의 출구로 강제 이송된 금속소재의 배후를 램(하램)으로 가압하여 상기 금형의 입구로 강제 이송하는 2차변형단계; 상기 1차변형단계와 2차변형단계를 반복해서 적용하는 반복변형단계; 및 상기 반복변형단계의 완료 후 금속소재를 금형으로부터 빼내는 배출단계;를 포함한다.
⒝ 한편, 상술한 본 발명의 연속 강구속전단변형방법에 사용되는 금형은, 동일 형상의 입구/출구가 임의 각도로 교차되는 ECAP공정용 금형에 있어서, 상기 금형의 입구/출구가 연속으로 이어지는 교차부위의 내측곡면 및 외측곡면이 아래 조건식에 따라 제작된 것을 특징으로 한다.
(관계식 : 조건식)
Φ : 두개의 통로가 교차하는 각도
Ψ : 통로 교차부의 모서리에 부여하는 곡면 호의 각도
Ψinner = Φ (단 0≤ 내측곡면호의 반지름 R≤ 채널(입구/출구) 폭의 1/6 )
0≤중심점 P로부터 외측곡면호의 각도(ψouter)≤ 22°
⒞ 또한, 본 발명의 금속소재 가공장치는 상기 금형의 입구/출구에 금속소재를 가압하는 램(상램과 하램)이 각각 설치되고 상기 금형에 열을 가하는 발열수단이 추가로 설치된 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 구성되는 본 발명에 따르면, 금형 내에서 연속적으로 전단변형이 이루어지기 때문에 작업이 종료되기 전까지는 상기 금형으로부터 금속소재를 빼낼 필요가 없다.
또한, 작업공정의 자동화가 가능하고 공정변수(작업회수, 변형속도, 변형량, 가공온도 등등)의 조절이 용이하므로 작업의 효율성을 높일 수 있으며, 제조시간의 단축을 통해 생산성이 향상되어 상업적인 생산체제 도입에 유리하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 강구속전단변형방법 및 이에 사용되는 금형과 상기 금형을 포함하는 금속소재 가공장치에 대해 설명한다.
실시예
㈎ 장치구성
도 3은 본 발명의 연속 강구속전단변형방법이 실시될 수 있는 금속소재 가공장치의 개략적인 구성도이며, 도 4는 상기 금속소재 가공장치에 채용되는 금형의 설계 개념도이다.
도면에서 보듯이, 본 발명에서는 ECAP공정의 연속적인 실시를 위해 금형의 입구쪽과 출구쪽에 각각 상램/하램을 설치하였는데, 상기 상램/하램은 유압실린더의 신축작용에 연동하여 상기 금형의 "L"자형 채널 안으로 밀려들어가거나 상기 채널에서 빠져 나오게 된다.
또한, 상기 금형의 둘레에는 발열체(발열수단)가 설치되어 있다.
여기서, 상기 발열체와 유압실린더는 본 발명의 금속소재 가공장치에 마련되어 있는 자동화 조절판에 의해서 작동시기와 발열량 또는 공정회수(작업회수)가 설정된다.
금형에서 "L"자형 채널의 내측 코너와 외측 코너는 금속소재가 원활히 유동하면서도 큰 전단변형이 가능하도록 곡면처리를 하되 다음의 조건이 만족되도록 가공한다.
(관계식 : 조건식)
Φ : 두개의 통로가 교차하는 각도
Ψ : 통로 교차부의 모서리에 부여하는 곡면 호의 각도
Ψinner = Φ (단 0≤ 내측곡면호의 반지름 R≤ 채널(입구/출구) 폭의 1/6 )
0≤중심점 P로부터 외측곡면호의 각도(ψouter)≤ 22°
㈏ 작업공정
첨부된 도 2는 본 발명에 따른 연속 강구속전단변형방법의 작업공정도이다.
작업은, 금속소재의 장입 및 작업조건 설정→금형 내에서의 연속적인 전단변형→배출의 순서로 이루어진다.
1 cycle은 금형의 입구쪽에 설치한 상램이 금속소재를 출구쪽으로 밀어내는 1단계와, 금형의 출구쪽에 설치한 하램이 금속소재를 다시 입구쪽으로 밀어올리는 2단계로 이루어진다. 따라서, 1 cycle 당 2번의 전단변형이 금속소재에 부여된다.
한편, 금속소재의 압출 시에는, 금속소재와 채널 사이의 마찰을 완화시키는 흑연 등의 무기계 윤활제를 사용하는 것이 좋다.
이와 같이 하여 상기 금속소재에 충분한 전단변형이 주어졌으면 작업을 종료하고 금형에서 빼내게 된다.
이상과 같이, 본 발명에 따르면 금속소재를 장입한 후 작업종료 시까지 종래 ECAP공정을 연속해서 적용할 수 있기 때문에 금속소재의 가공시간을 대폭으로 단축할 수 있다.
또한, 금형 내에서 완전히 전단변형시킨 후에 금속소재를 빼내므로 작업 중에는 공기와 접촉하는 일이 없어 산화피막제거를 위한 추가공정이 필요치 않으며, 거의 이론에 가까운 기계적 성질을 얻을 수 있게 된다.
또한, 작업조건 등을 자동화 조절판에서 설정할 수 있으므로 공정자동화를 달성할 수 있으며, 이로부터 상업적인 생산체제를 구축하기에 유리한 이점이 있다.
도 1은 종래 강구속전단변형방법의 작업공정도이다.
도 2는 본 발명의 연속 강구속전단변형방법의 작업공정도이다.
도 3은 본 발명의 연속 강구속전단변형방법이 실시될 수 있는 금속소재 가공장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 금속소재 가공장치에 채용되는 금형의 설계 개념도이다.

Claims (3)

  1. 동일 형상의 입구/출구가 임의 각도로 교차되는 ECAP공정용 금형에 있어서,
    상기 금형의 입구/출구가 연속으로 이어지는 교차부위의 내측곡면 및 외측곡면이 하기 관계식을 만족하는 동일단면의 금속 소재를 연속으로 전단변형하는 ECAP공정용 금형.
    (관계식 : 조건식)
    Φ : 두개의 통로가 교차하는 각도
    Ψ : 통로 교차부의 모서리에 부여하는 곡면 호의 각도
    Ψinner = Φ (단 0≤ 내측곡면호의 반지름 R≤ 채널(입구/출구) 폭의 1/6 )
    0≤중심점 P로부터 외측곡면호의 각도(ψouter)≤ 22°
  2. 제 1항에 기재된 ECAP공정용 금형의 입구/출구에 금속소재를 가압하는 램이 각각 설치되고 상기 금형에 열을 가하는 발열수단이 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 동일단면의 금속 소재를 연속으로 전단변형하는 금속소재 가공장치.
  3. 금속소재와 동일한 단면형상을 가진 금형에 상기 금속소재를 넣은 후 가압하는 강구속전단변형방법에 있어서,
    상기 금속소재를 상기 금형의 입구로 밀어넣는 금속소재 공급단계;
    상기 금속소재 공급단계에서 상기 금형의 입구로 밀어 넣어진 상기 금속소재를 램(상램)으로 가압하여 상기 금형의 출구로 강제 이송하는 1차변형단계;
    상기 1차 변형단계에서 상기 금형의 출구로 강제 이송된 상기 금속소재의 배후를 램(하램)으로 가압하여 상기 금형의 입구로 강제 이송하는 2차변형단계;
    상기 1차변형단계와 2차변형단계를 반복해서 적용하는 반복변형단계; 및
    상기 반복변형단계의 완료 후 상기 금속소재를 상기 금형으로부터 빼내는 배출단계;를 포함하는 동일단면의 금속 소재를 연속으로 전단변형하는 연속 강구속전단변형방법.
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