KR20070100994A - 무금형 점진 판재 성형용 가열장치 - Google Patents

무금형 점진 판재 성형용 가열장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금형을 사용하지 않고 성형용 공구가 이동함으로써 3차원 형상의 판재 성형품을 만드는 무금형 점진 판재 성형장치에서 사용될 수 있도록 성형용 공구와 함께 움직이는 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 관한 것으로서,
성형용 공구(20)를 이용하여 판재(40)를 3차원 성형하는 무금형 판재 성형장치에서 사용되고, 상기 성형용 공구(20)가 결합되어 판재(40)를 국부적으로 가열하는 가열부재(11)와, 상기 가열부재(11)의 상단에서 상기 성형용 공구(20)를 지지하는 공구 결합부재(15)와, 상기 가열부재(11)에 의한 판재(40)의 가열 온도를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 가열장치가 성형용 공구의 움직임을 저해하지 않아 무금형 점진 판재 성형장치의 활용도를 높일 수 있고, 성형 대상 소재를 전체적으로 가열하지 않고 성형 부위 주변만을 가열하게 되므로 가열장치에 의한 소재 가열 효과를 증가시킬 수 있으며, 난성형 소재에 대한 무금형 점진 판재 성형시 유용하다.
무금형 점진 판재 성형, 가열장치, 할로겐램프, 수냉장치, 방열시트, 3차원,난성형 소재, 최대성형속도

Description

무금형 점진 판재 성형용 가열장치{Heating Apparatus for Dieless Incremental Sheet Forming}
도 1은, 일반적인 난형성 소재에 대한 판재 성형 구조가 도시된 구성도.
도 2는, 무금형 점진 판재 성형 기술의 개념도.
도 3은, 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치가 도시된 구성도.
도 4는, 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 성형 공구를 결합시키는 과정이 도시된 도면.
도 5는, 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 성형 공구가 결합된 상태의 단면도.
도 6은, 본 발명의 가열장치를 이용한 무금형 점진 판재 성형시 최대 성형 속도를 설명하기 위한 참고도.
도 7은, 본 발명의 가열장치를 이용한 판재의 국부 성형시 가열 부분의 온도 변화가 도시된 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 가열장치 11: 가열부재
12: 열원(할로겐 램프) 13: 수냉장치
14: 냉각수 밸브 15: 공구 결합부재
16: 방열시트 20: 성형용 공구
본 발명은 금속 판재의 고온 성형을 위한 가열장치에 관한 것으로서, 특히 금형을 사용하지 않고 성형용 공구가 이동함으로써 3차원 형상의 판재 성형품을 만드는 무금형 점진 판재 성형장치에서 사용될 수 있도록 성형용 공구와 함께 움직이는 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 관한 것이다.
일반적인 판재의 성형 방법으로는 암수 한 쌍의 금형을 이용하여 금형 사이에 판재를 넣고 프레스로 금형을 누름으로써 금형의 형상대로 성형이 되도록 하는 매칭 다이 성형법이 널리 사용되고 있다. 특히, 난성형 소재의 경우에는 성형성을 향상시키기 위하여 온간 성형을 하게 되는데, 가열로에서 예열된 소재를 사용하여 성형하거나 금형으로의 열전달에 의한 소재의 냉각을 방지하기 위하여 금형에 히터를 장착하는 방법을 사용하고 있다.
종래의 난성형 소재에 대한 판재의 성형구조는 대체적으로 매칭 다이 성형구조이며, 도 1에 도시된 바와 같이 성형 대상 소재(60)를 사이에 두고 상부 금형(51)과 하부 금형(52)이 배치되고, 상기 금형(51)(52)의 내부에 카트리지 히터(55)가 장착되며, 금형(51)(52) 외부로 열이 발산되는 것을 차단하기 위한 방열패드(57)가 상기 금형(51)(52)에 장착되는 구조로 되어 있다.
상기한 매칭 다이 성형구조는 카트리지 히터(55)를 이용하여 금형(51)(52) 및 소재(60)를 동일하게 예열한 후 성형하게 된다. 물론, 상기 카트리지 히터(55)를 사용하는 대신에 고온의 유체를 이용하여 소재(60)를 가열하는 방법도 있는데, 소재(60)를 가열하는 것은 온간 성형시 성형성이 나쁜 난성형 소재의 성형성을 증가시키기 위한 것이다. 그러나, 상기한 매칭 다이 성형 구조는 코너부에서 국부적인 변형 증가율을 초래하여 성형 한계를 높이기 어려운 제약이 있다.
또, 최근에는 소재 전체에 정수압 응력을 부과한 상태에서 판재를 성형하는 유체의 압력을 이용한 판재의 성형 방법이 개발되었으며, 이 방법을 이용할 경우 성형품 전체가 비교적 균일한 두께 분포를 갖도록 할 수 있다.
다만, 상기한 종래의 판재 성형구조에서 판재의 온간 성형을 위한 가열방법은 금형의 열이 소재에 전달될 수 있도록 판재와 소재 사이의 접촉면적이 충분히 넓어야 하고, 금형과 소재 사이의 수평 방향의 이동이 없어야 효과적인 가열이 가능하다.
또, 상기한 판재 성형 방법은 금형을 사용함에 따라 대량 생산에 적합하나, 성형품의 구조가 복잡한 경우에는 적용이 곤란하고 성형품마다 금형을 다시 제작하여야 한다.
이에 따라 최근 추세에 맞는 소량 다품종 생산에 적합하고 성형품의 구조에 관계없이 판재 성형이 가능한 무금형 판재 성형 기술이 개발되었다. 무금형 점진 판재 성형 기술이란 통상적인 판재 성형과는 달리 금형을 이용하지 않고 3차원 형상의 제품을 성형할 수 있도록 하는 성형 기술이다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 성형 대상 소재(70)의 가장자리 부분을 지지부재(71)로 고정한 상태에서 성형용 공 구(75)가 등고선 형태의 궤적을 따라 이동하면서 3차원 형상의 성형품을 제조하는 기술이다.
무금형 점진 판재 성형 기술은 금형을 사용하지 않기 때문에 제품 개발 및 원가 측면에서 탁월한 장점이 있고, 금형으로는 생산이 곤란한 형상까지도 성형이 가능하여 고객의 취향에 따라 그 중요도가 증대되고 있는 다품종 소량 생산 체제에서 최적의 성형 기술에 해당된다.
그런데, 무금형 점진 판재 성형 기술은 성형용 공구가 3차원으로 이동하면서 판재에 국부적인 변형을 유도하여 전체적인 형상을 만들게 되는데, 하부 금형을 사용하지 않고 사용한다 하더라도 나무와 같이 가공하기 용이한 비금속 재질을 사용하므로 금형 가열을 통한 소재로의 열전달이 불가능하다. 따라서, 난성형 소재의 성형을 위한 온간 성형이 곤란하며, 성형용 공구와 소재의 접촉 면적이 10∼30㎜에 불과하여 성형용 공구의 가열을 통해 성형 부위로 열을 충분히 전달하기가 불가능하다. 게다가, 상기한 금형 가열 방식은 3차원으로 이동하는 성형용 공구의 이동 경로를 방해하는 경우가 대부분이어서 무금형 점진 판재 성형 기술에 적합하지 않다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 판재로된 금속 소재를 가열하기 위한 가열수단이 성형용 공구의 움직임을 제한하지 않도록 하여 무금형 점진 판재 성형장치에서 사용하기에 적합한 무금형 점진 판재 성형용 가열장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또, 본 발명은 성형용 공구와 함께 이동되면서 금속 소재를 국부적으로 가열하도록 하여 가열장치에 의한 가열 효과를 증대시킬 수 있는 무금형 점진 판재 성형용 가열장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 가열장치에 의해 발생된 열이 가열장치와 함께 이동되는 성형용 공구에 영향을 주는 것을 방지할 수 있는 무금형 점진 판재 성형용 가열장치를 제공하는데 목적이 있다.
또, 본 발명은 난성형 소재를 가열과 동시에 성형하도록 하여 난성형 소재에 대한 무금형 점진 판재 성형이 가능하도록 한 무금형 점진 판재 성형용 가열장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 따르면, 성형용 공구를 이용하여 판재를 3차원 성형하는 무금형 판재 성형장치에서 사용되고; 상기 성형용 공구가 결합되어 판재를 국부적으로 가열하는 가열부재와, 상기 가열부재의 상단에서 상기 성형용 공구를 지지하는 공구 결합부재와, 상기 가열부재에 의한 판재의 가열 온도를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 따르면, 상기 가열부재에서 발생한 열이 상기 성형용 공구에 영향을 주지 않도록 그 주위에 수냉장치를 더 포함하고, 상기 수냉장치는 상기 공구 결합부재에 의해 상기 가열부재에 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 따르면, 상기 가열부재는 중앙에 상기 성형용 공구가 삽입되는 구멍이 형성되고, 그 주위로 열원이 배치되고, 상기 열원은 할로겐 램프인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 따르면, 상기 가열부재는 상기 열원에 의해 발생하는 열이 외부로 방출되지 않도록 하단 주위로부터 연장 형성되는 방열시트를 더 포함하고, 상기 방열시트는 상기 판재에 근접하면서도 상기 가열부재의 하측으로 돌출되는 성형용 공구의 끝단보다 돌출되지 않는 폭으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치를 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치가 도시된 구성도이고, 도 4는 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 성형 공구를 결합시키는 과정이 도시된 도면이며, 도 5는 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 성형 공구가 결합된 상태의 단면도이다. 또, 도 6은 본 발명의 가열장치를 이용한 무금형 점진 판재 성형시 최대 성형 속도를 설명하기 위한 참고도이고, 도 7은 본 발명의 가열장치를 이용한 판재의 국부 성형시 가열 부분의 온도 변화가 도시된 그래프이다.
본 발명에 의한 무금형 점진 판재 성형용 가열장치는, 성형용 공구(20)를 이용하여 판재를 3차원 성형하는 무금형 판재 성형장치에서 사용되는 것으로, 상기 성형용 공구(20)가 결합되어 판재(40)를 국부적으로 가열하는 가열부재(11)와, 상 기 가열부재(11)에 의한 판재(40)의 가열 온도를 제어하기 위한 제어부와, 상기 가열부재(11)에서 발생한 열이 상기 성형용 공구(20)에 영향을 주지 않도록 상기 가열부재(11)의 주위 및 상측에 설치되고 냉각수를 공급하거나 배출하는 냉각수 밸브(14)를 구비한 수냉장치(13)와, 상기 가열부재(11)의 상단에서 상기 수냉장치(13)를 고정하고 수냉장치(13)와 함께 상기 성형용 공구(20)를 지지하는 공구 결합부재(15)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 가열부재(11)는 중앙에 상기 성형용 공구(20)가 삽입되는 구멍이 형성되고, 그 주위로 열원(12)이 배치된다. 상기 열원(12)은 할로겐 램프를 사용하는 것이 바람직하며, 할로겐 램프는 공구 결합부재(15)로 사용되는 할로겐 램프 커버에 의해 보호된다. 이때, 할로겐 램프는 빠른 시간 내에 판재를 가열할 수 있도록 원뿔형이나 사각뿔형 등 다양한 형상으로 제작될 수 있다.
그리고, 상기 가열부재(11)에는 상기 열원(12)에 의해 발생하는 열이 외부로 방출되지 않도록 하측으로 연장 형성되는 방열시트(16)가 설치된다. 이때, 상기 방열시트(16)는 상기 판재(40)에 근접하면서도 상기 가열부재(11)의 하측으로 돌출된 성형용 공구(20)의 끝단보다 돌출되지 않는 폭으로 형성되어야 한다. 또한, 상기 방열시트(16)는 고온에서도 산화되지 않는 소재로 제작되어야 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치는 무금형 점진 판재 성형시 성형이 진행되는 판재 부위만을 국부적으로 가열하게 된다.
무금형 점진 판재 성형장치의 성형용 공구(20)에 본 발명의 가열장치(10)를 장착하는데, 공구 고정부재(15)를 이용하여 가열장치(10)와 성형용 공구(20)를 결 합시킴으로써 가열장치(10)가 분리되지 않게 한다. 이때, 상기 성형용 공구(20)는 성형 후의 제품이 성형된 높이를 충분히 고려하여 판재(40)와 가열장치(10) 사이에 적절한 간격이 유지되도록 설치하며, 이로 인한 판재(40)와 가열장치(10) 사이의 빈 공간은 충분한 길이의 방열시트(16)를 사용함으로써 열손실을 줄일 수 있다.
이후, 열원(12)으로 사용되는 할로겐 램프를 작동시키면, 할로겐 램프에 의해 가열된 공기가 외부로 빠져나가지 않고 판재(40)의 성형 부위에 대한 분위기 온도 상승을 유발하게 된다. 따라서, 성형용 공구(20) 주위의 판재(40)가 국부적으로 가열된다. 이때, 방열시트(16)에 의해 외부로의 열 방출이 차단되므로 열손실이 최소화되고 가열효과가 상승한다. 또한, 상기 열원(12), 즉 할로겐 램프가 장착된 가열부재(11)의 주위 및 상측에 수냉장치(13)가 구비되어 있으므로, 할로겐 램프 등의 열원(12)으로부터 발생한 열이 성형용 공구(20) 측으로 전달되지 않게 된다.
그리고, 상기 판재(40)는 3차원으로 이동하는 성형용 공구(20)에 장착된 가열장치(10)에 의해 국부적으로 가열되므로, 가열 속도에 비해 성형용 공구(20)의 이동속도가 빠를 경우 작업자가 원하는 온도까지 가열되기 전에 성형이 이루어져 성형성의 향상을 기재하기 어렵게 된다. 따라서, 상기 가열장치(10)의 크기 및 판재(40)의 승온시간에 따라 상기 성형용 공구(20)의 최대 이동속도를 설정하여야 한다. 본 발명에서는 가열부재(11)의 반경(R)이 성형 전 초기 가열 후 가열된 최대 가열영역이 되므로, 작업자가 원하는 성형온도까지의 승온시간(Δt)를 측정하여 상기 가열부재(11)의 반경을 승온시간으로 나누면 상기 성형용 공구(20)가 이동할 수 있는 최대 속도가 계산된다. 이렇게 계산된 최대성형속도의 범위 내에서 상기 성형 용 공구(20)가 이동될 때 성형 온도범위 내에 있는 국부적인 성형 영역에 대한 성형이 가능하게 된다.
상기 가열장치(10)를 이용하여 티타늄 JIS 2종 재질의 두께 1㎜의 판재(40)를 성형 대상으로 하고, 가열장치(10)와 판재(20) 사이의 거리를 200㎜로 한 상태에서 가열실험을 수행한 결과 도 6에 도시된 그래프와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 이때, 티타늄 판재의 중간에 열전대를 고정하여 실시간으로 온도 데이터를 받을 수 있도록 하였으며, 측정된 온도는 제어부를 거쳐 목표온도에 도달할 수 있도록 제어하였다. 그리고, 목표온도를 각각 100℃, 200℃, 300℃로 설정한 뒤 열전대를 통해 측정된 온도데이터를 기록하여 각각의 온도에 도달하는 최소 승온시간을 측정하였으며, 가열장치(10)의 가열부재(11) 반경이 200㎜일 때 측정된 최소 승온시간을 이용하여 상기 성형용 공구(20)의 최대 이동속도, 즉 최대성형속도를 계산한 결과 다음의 표 1과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
소재 온도 100℃ 200℃ 300℃
가열부재 반경,R(㎜) 200
승온시간,Δt(초) 200 300 450
최대성형속도(㎜/min) 60 40 26
이상과 같이 성형용 공구(20)와 가열장치(10)가 함께 움직이면서 성형 대상 소재(40)를 가열하게 되면, 마그네슘(Mg) 이나 Ti 합금과 같은 경량 가공 소재 및 상온 성형성이 열악한 난성형 소재의 성형성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 금형을 사용하지 않고 성형용 공구(20)가 3차원으로 움직이면서 판재(40)를 성형하는 무금형 점진 판재 성형기술에서 유용하게 사용이 가능하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 따르면, 성형 대상 소재를 전체적으로 가열하지 않고 성형 부위 주변만을 가열하게 되므로 가열장치에 의한 소재 가열 효과를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 따르면, 3차원으로 움직이는 성형용 공구와 가열장치가 함께 움직이게 되므로 성형용 공구의 움직임을 저해하지 않아 무금형 점진 판재 성형장치의 활용도를 높일 수 있는 다른 효과가 있다.
또한, 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 따르면, 가열부재 주위에 수냉장치를 부가하여 성형용 공구에 대한 열영향을 배제할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 따르면, 성형 대상 소재를 국부적으로 가열하면서 성형할 수 있으므로 난성형 소재에 대한 무금형 점진 판재 성형이 가능하게 되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 무금형 점진 판재 성형용 가열장치에 따르면, 방열시트를 이용하여 가열장치에 의해 발생된 열이 주변부로 방출되는 것을 차단하게 되므로 가열장치의 열 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 성형용 공구(20)를 이용하여 판재를 3차원 성형하는 무금형 판재 성형장치에서 사용되고,
    상기 성형용 공구(20)가 결합되어 판재(40)를 국부적으로 가열하는 가열부재(11)와, 상기 가열부재(11)의 상단에서 상기 성형용 공구(20)를 지지하는 공구 결합부재(15)와, 상기 가열부재(11)에 의한 판재(40)의 가열 온도를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무금형 점진 판재 성형용 가열장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열부재(11)에서 발생한 열이 상기 성형용 공구(20)에 영향을 주지 않도록 그 주위에 설치되는 수냉장치(13)를 더 포함하고, 상기 수냉장치(13)는 상기 공구 결합부재(15)에 의해 상기 가열부재(11)에 결합되는 것을 특징으로 하는 무금형 점진 판재 성형용 가열장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가열부재(11)는 중앙에 상기 성형용 공구(20)가 삽입되는 구멍이 형성되고, 그 주위로 열원(12)이 배치되는 것을 특징으로 하는 무금형 점진 판재 성형용 가열장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열원(12)은, 할로겐 램프인 것을 특징으로 하는 무금형 점진 판재 성형용 가열장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가열부재(11)는, 상기 열원(12)에 의해 발생하는 열이 외부로 방출되지 않도록 하단 주위로부터 연장 형성되는 방열시트(16)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무금형 점진 판재 성형용 가열장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 방열시트(16)는, 상기 판재(40)에 근접하면서도 상기 가열부재(11)의 하측으로 돌출된 성형용 공구(20)의 끝단보다 돌출되지 않는 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 무금형 점진 판재 성형용 가열장치.
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