KR20080110132A - 가전제품용 손잡이를 성형하기 위한 프레스 벤딩 및하이드로포밍 장치 - Google Patents

Abstract

기존의 하이드로포밍 제품은 외관에 벤딩에 의한 클램프(clamp)자국, 하이드로포밍에 의한 드레인찬넬(drain channel)자국 등이 필연적으로 발생하였는데 고 표면 품질 및 높은 치수 정밀도를 요구하는 가전제품용 손잡이에 하이드로포밍을 적용할 때 상기와 같이 공정 중 제품 외관에 미세 자국이 발생한다면 후 공정인 표면 연마의 공정시간 증가 및 품질 불안정으로 고객이 요구하는 품질의 제품을 제작 할 수 없다.

본 발명은 외관 품질이 절대 요구되는 가전제품용 손잡이를 튜브 하이드로포밍 (tube hydroforming : 관재 액압성형 ) 성형하여 제작함에 있어서, 벤딩 및 하이드로포밍 공정 중 발생하는 외관의 미세 자국을 없애기 위한 장치의 제작 방법에 관한 것이며, 최종적으로는 하이드로포밍 제품의 외관 품질 확보를 통해 후 공정인 제품 연마의 공정 시간 단축 및 안정화로 표면 상태가 매우 우수한 손잡이를 만드는데 그 목적이 있다.

하이드로포밍, 모노블럭, 프레스벤딩, 드레인 찬넬

Description

가전제품용 손잡이를 성형하기 위한 프레스 벤딩 및 하이드로포밍 장치 {Device of press bending and hydroforming for forming knobs or handles of household electric appliances}

도 1은 종래의 하이드로포밍 튜브(tube) 벤딩 방식의 도해

도 2는 종래의 하이드로포밍 튜브 벤딩 방식에 의해 발생되는 표면결함의 일례로서의 결함부 사진

도 3은 종래의 하이드로포밍 금형 내에 드레인 찬넬을 적용한 예로서의 사진

도 4는 종래의 하이드로포밍 금형 내에 드레인 찬넬을 적용했을 때 제품 외면에 발생하는 표면 결함의 일례를 나타낸 사진

도 5는 본 발명에 따른 가전제품용 손잡이의 하이드로포밍 적용을 위한 프레스 벤딩 장치의 일실시 예로서의 설명도

도 6은 본 발명에 따른 가전제품용 손잡이의 하이드로포밍 금형에 제품 표면 품질을 위해 적용된 드레인 홀 또는 배출공(drain hole) 가공방법의 일실시 예로서의 설명도

주요부호 : 1.모노블럭 상형 2.모노블럭 하형 3.미들금형 상형

4.미들블럭 하형 5.죠(jaw) 상형 6.죠 하형

7. 가이드금형(상형) 8.가이드금형(하형)

9.주금형 10.본체금형

T : 튜브 T1 : 성형 전의 튜브 T2 : 성형 후의 튜브

본 발명은 외관 품질이 절대적으로 요구되는 가전제품용 손잡이를 하이드로포밍으로 성형하여 제작함에 있어서, 공정 중 발생되는 외관의 미세 자국발생을 예방하기 위한 프레스 벤딩 및 하이드로포밍 장치에 관한 것이다.

또한 본 발명은 가전제품용 손잡이를 파이프 또는 튜브등의 관재를 성형하여 제조하기 위한 하이드로 포밍금형과 프레스 벤딩장치에 제작방법에 관한 것이다.

종래, 하이드로포밍 성형방법은 하이드로포밍 공정 전에 강판을 조관하여 일차 가공한 튜브 등의 관(이하"관재"라 함)을 벤딩공정 및 프리포밍(preforming)공정을 통하여 최종 제품의 형상과 동일한 프로필(profile)과 형상으로 가공된 공동(caivity)를 가진 하이드로포밍 금형에 제품 개략외관 및 형상과 유사한 형상으로 성형된 공정품을 투입한 후, 양 끝단에 축상펀치(axial punch)를 사용하여 양단을 실링(sealing)한 후 내부에 유체를 채우고 압력을 증가시켜 금형 형상에 따라 성형되도록 하는 제조 방법이다.

이러한 제조방법은 여러 형태의 프레스로 따로 가공해 용접하지 않고 강판을 조관하여 관재를 만들고 그 내부에 유압을 사용하여 원하는 제품 형상을 얻기 때문에 별도의 용접 작업을 필요로 하지 않아 제품표면이 우수하고 치수 정밀도가 높은 장점이 있다.

그러나 종래의 가전제품용 손잡이의 제조방법은 플라스틱 사출 부품으로서 플라스틱 수지를 용융시켜 금형의 틀 안으로 넣어 용융수지를 고화시켜 만드는 방식으로 제조되므로 디자인 감성이 떨어지는 단점이 있다.

종래, 국내 가전업계에서는 해외 고객 대상으로 프리미엄급 스테인레스 외관품 양산을 진행하고 있으며 이에 발맞춰 손잡이 또한 감성품질 향상을 위해 스테인레스 튜브에 하이드로포밍 방식을 적용하여 제작된 손잡이를 적용하는 추세다.

그러나, 하이드로포밍을 적용한 손잡이를 만들기 위해서는 벤딩(bending), 프리포밍(pre-forming), 하이드로포밍(hydro-forming) 공정이 필요한데, 특히 종래의 벤딩 및 하이드로포밍 공정에서 외관표면 품질을 저해하는 요소들이 많다.

종래에는 하이드로포밍 금형 내에 관재의 안착을 위하여 벤딩 하고자 하는 관재(튜브)의 부위 앞을 클램핑(clamping)할 수 있도록 관재 형상을 고려하여 설계된 클램프다이(clamp die)가 관재를 고정하고 관재의 다른 쪽 끝단을 통하여 벤딩 시 관재의 형상을 그대로 유지하기 위해 필요한 맨드릴을 삽입한 후 원하는 벤딩 곡률을 가지고 있는 벤드 다이 금형을 이용하여 클램프다이(clamp die)를 회전시켜 원하는 벤딩 형상을 제작하는 방식이 적용되어 왔다.

이처럼 종래의 방식은 벤딩 시 관재를 클램핑(clamping)하는 힘과 맨드릴(mandrel)의 이동이 벤딩 성형에 중요한 요소인 바, 그러나 클램핑력이 부족하면 벤딩할 때 관재가 미끄러져서 원하는 벤딩 형상을 만들기 힘들기 때문에 관재의 외경 및 벤딩 곡률을 고려한 최적의 클램핑력을 필요로 한다. 하지만, 이로 인해 벤딩 후 클램프다이와 관재가 접촉한 부위에 미세한 클램핑 자국이 발생하므로 이는 하이드로포밍 성형 후에도 제품 표면에 그대로 나타나 후 공정인 연마 공정에서 품질 불량을 유발할 수 있는 요인이 된다.

또 다른 중요 요소인 맨드릴은 벤딩 시 관재의 형상을 그대로 유지하기 위해 사용되는 바, 이 또한 관재 내의 표면에 스크라치(scratch)와 같은 표면 결함을 발생시킬 수 있고, 나아가 이로 인해 하이드로포밍 성형 시 터짐 사고를 발생시킬 수 있다.

이처럼 종래의 벤딩 방식은 표면 결함 유발 요소가 너무 많고 벤딩점 간의 간격이 너무 작거나 벤딩 곡률이 너무 클 경우 적용할 수 없어 고 품질 제품 외관을 중시하고 대부분 큰 곡률 반경을 가진 가전용 손잡이에 적용하기가 어려웠다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같이 현 경향 추세에 발맞춰 기존 방식인 플라스틱 사출성형 대신에 하이드로포밍 방식을 이용하여 프리미엄급 고 외관 품질의 스테인레스 손잡이를 제작할 때 하이드로포밍 성형 공정 중 발생되는 표면 결함을 없애기 위해 필요한 성형 금형을 제작하는 방식에 착안하였다. 예컨데 스테인레스 소재관을 이용한 가전제품용 손잡이의 생산방식은 하이드로포밍 성형된 손잡이 형상의 제품을 접합되는 가전제품 도어면 곡률에 따라 컷팅하고 접합을 위해 제작된 프레스부품을 컷팅 면에 부착 후 제품 외관 표면을 연마하여 제작하는 방식인데 상기와 같이 원소재 고유 표면을 연마하여 제작하는 방식은 연마 전 공정 제품의 외관 품질이 최종 제품 품질과 밀접한 관계가 있다.

이에 본 발명은 사전 성형해석 프로그램을 이용하여 성형결과를 분석하고 이를 통해 클램프다이 및 맨드릴을 사용하지 않고 최적의 벤딩 형상 구현 및 고 표면 품질을 이룰 수 있는 프레스 벤딩 금형을 구성하여 기존 벤딩 방식의 클램프 자국에 의한 표면 결함을 없애는 데 기본적인 목적이 있다.

또한, 본 발명은 하이드로포밍 성형 시 발생되는 윤활유 고착을 방지하면서 제품 표면에 자국이 생기지 않도록 하이드로포밍 금형을 제작함으로써 후 공정인 제품 연마의 공정 시간 단축 및 안정화를 통한 최종 제품의 감성 품질을 확보하는데에도 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중공형의 튜브를 벤딩 할 때 발생되는 스프링 백 및 금형에 의한 튜브 외면 찍힘 등을 보정할 수 있도록 가전제품용 손잡이를 하이드로포밍 공법으로 성형제작하기 위하여,

제품 형상과 유사한 곡률 반경 및 형상을 가진 프레스 벤딩(press bending) 금형을 사전 성형해석 분석 결과를 토대로 상,하 금형을 분할하고 튜브 양 끝단부를 성형하여 최종 곡률을 결정하는 금형의 셋팅 위치를 이동가능토록 하여 중공형의 튜브를 벤딩할 때 발생되는 스프링 백을 보정하고 및 금형에 의한 찍힘, 클램프 자국과 같은 표면 결함 발생을 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 가전제품용 손잡이를 성형하기 위한 프레스 벤딩 및 하이드로포밍장치 를 통해 고 외관 품질의 손잡이를 만드는데 그 특징이 있다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 구성을 상세히 설명한다.

도 1은 기존의 하이드로포밍 관재인 튜브의 벤딩 방식을 나타낸다.

도 2는 기존의 상기 하이드로포밍 튜브의 벤딩 방식에 의해 발생되는 표면 결함을 나타낸다.

하이드로포밍 공정의 경우 형상에 따라 성형시 윤활유가 제품 형상 캐비티홈(cavity) 밖으로 빠져나가지 못하고 그대로 잔존하여 제품에 미 성형 및 미세 주름이 발생 하는데 이런 문제점을 해결하기 위해 종래에는 금형 캐비티홈(cavity)내에 드레인 찬넬(drain channel)을 형성하여 주므로써 하이드로포밍 성형 시 내압에 의해 윤활유가 흘러나오도록 함으로써 해결하였는데, 그러나, 그 결과 하이드로포밍 성형 후 제품 외면에 찬넬(channel) 자국이 생성되는 결함이 있어 제품 외관에 자국이 없어야 하는 가전용 손잡이의 경우 종래 방식은 적용 할 수 없다.

도 3은 기존의 하이드로포밍 금형 내에 드레인 찬넬(drain channel)을 적용한 형상을 나타낸다.

도 4는 기존의 하이드로포밍 금형 내에 드레인 찬넬(drain channel)을 적용했을 때 제품 외면에 발생하는 표면 결함을 나타낸다.

본 발명상의 가전제품용 손잡이의 하이드로포밍 적용을 위한 벤딩 방식은 먼저, 최종 제품 프로필(profile)과 동일하게 가공된 하이드로포밍 금형 캐비티 홈(cavity)내에 튜브가 최종 제품 형상과 유사하게 그리고 하이드로포밍 금형 내 안착성에 문제없이 성형되도록 프레스 벤딩 금형 캐비티(cavity) 형상을 정밀하게 설계하고 그 기준으로 1차 성형해석을 실시한다. 또한 응력 집중에 의한 덴트(dent) 및 특정부위 소재 이동에 의한 주름과 같은 표면결함 위치, 하이드로포밍 금형 내 벤딩된 관재의 안착성 확인 및 스프링 백(spring back) 분석을 통하여 프레스 벤딩 금형을 분할하고 형상을 재수정하여 설계하기도 한다.

재 수정된 설계 프로필 기준으로 2차 성형해석을 실시하여 1차 성형해석 결과와 비교분석, 추가 개선 설계를 실시함으로써 금형 설계를 위해 반영 될 최종 프레스 벤딩 금형 형상을 설계한다.

하이드로포밍 성형에 적용되는 관재, 예컨대 튜브는 생산 롯드(lot)별 물성 차이에 의해 벤딩 시 스프링 백량의 차이가 발생하여 하이드로포밍 금형의 제품 형상과 동일하게 가공된 캐비티홈 내에 벤딩된 튜브가 삽입되지 않아 이로 인해 상하금형 닫힘 시 튜브 외관에 찍힘이 발생할 수 있는데 본 발명은 분할된 금형의 셋팅 위치 이동을 통한 벤딩 곡률 변경으로 튜브의 외관 품질을 개선 할 수 있다.

일반 프레스 금형의 경우 금형 형상 프로필이 고정되기 때문에 프레스에 의한 벤딩 스프링 백을 수정할 수 없으나 본 발명은 하이드로포밍 금형 내 분할된 금형 중 최종 성형 곡률에 영향을 미치는 금형의 셋팅 위치를 조정가능토록 제작하여 프레스 벤딩 성형에 의한 튜브 곡률의 변경이 가능토록 함으로써 튜브 양 끝의 스프링 백에 의해 발생할 수 있는 금형 내 안착성 불안에 의한 표면 결함을 해결할 수 있게 하였다.

첨부된 도 5는 본 발명에 따른 가전제품용 손잡이의 하이드로포밍 적용을 위한 프레스 벤딩(press bending) 금형의 구성을 일 실시예로 나타낸 것이다. 벤딩 금형은 벤딩 금형의 기본 구조를 이루는 모노블록(monoblock) 금형의 상형(1) 및 하형(2), 제품 중앙 곡률부를 성형하는 미들 금형으로서의 상형(3) 및 하형(4), 최종 벤딩 곡률 및 벤딩부 외관 품질을 결정하는 죠(jaw)의 상형(5) 및 하형(6) 그리고 벤딩 곡률 변경 및 품질 개선을 위해 죠의 셋팅 위치를 이동시키는 가이드 금형의 상형(7) 및 하형(8)으로 구성하고, 죠(5, 6)와 가이드 금형(7, 8)은 모노블록(monoblock) 금형(1, 2)에 스크류 플러그로 체결되어 죠는 상, 하 방향으로 가이드 금형은 좌, 우 방향으로 이동이 가능히도록 구성 하였다.

튜브의 프레스 벤딩 성형방법 및 스프링 백 발생에 따른 품질 개선 방법은 다음과 같다. 우선 직선의 튜브(T1)를 본 금형 양쪽에 위치한 하형 죠(6) 위에 안착시킨다. 그리고 상형을 하형으로 하강시켜 닫힘으로써 튜브가 벤딩된다. 이 때 벤딩된 튜브(T2)에는 스프링 백이 발생하는데 만약 스프링백이 예상보다 많거나 작게 발생하여 튜브가 최종 벤딩 곡률과 다르게 성형되어 하이드로포밍 금형에 안착이 안되거나 불안정하여 튜브 외관에 찍힘이 발생되었다면 성형 곡률 변경을 위해 금형의 셋팅 위치를 조정하여야 한다.

만약 스프링 백이 예상보다 크게 발생했다면 다음과 같이 각 구성 금형의 셋팅 위치를 변경함으로써 상기 문제를 해결할 수 있다. 즉, 상형 가이드 금형(7)은 모노블록(monoblock) 상형(1)에서 멀어지는 방향으로, 하형 가이드 금형(8)은 모노블록(monoblock) 하형(2)과 가까워지는 방향으로 이동되게 함으로써 상, 하형 죠(5, 6)의 셋팅 위치를 발생된 스프링 백량을 고려하여 일정 량 만큼 위로 이동시키면 튜브의 중간 곡률을 성형하는 미들금형(3, 4)은 고정이기 때문에 최종 성형된 벤딩의 곡률은 이전보다 작아지게 되므로 성형 시 발생되는 스프링 백량을 보상할 수 있다. 상기와 같이 스프링 백 발생 및 벤딩 시 튜브 외관의 찍힘현상은 죠(5, 6)의 셋팅 위치를 상, 하 방향으로 조정함으로써 제거할 수 있어 품질을 개선할 수 있다.

다음으로 하이드로포밍 성형 방식은 상기에서 말한 바와 같이 튜브 내부에 유체와 같은 비압축성 압력매체를 채운 후 튜브 양 끝단을 실링하고 내부 압력매체에 성형압력을 가하여 원하는 제품 형상을 제조한다. 이 때 제품 설계 프로필상 요구되는 튜브의 확관율이 증가할수록 성형성 확보를 위해 금형과 튜브간 마찰을 최소화하여 소재 유동을 향상시켜야 하는데 이를 위해 하이드로포밍 성형 전 튜브 외면에 윤활유를 바른다.

윤활유의 경우 점성이 높을수록 하이드로포밍 성형에 유리한데 가전제품용 손잡이의 경우 통상적으로 40% ∼ 60%의 확관율을 요구하므로 성형성 확보를 위해서는 고점성의 윤활유가 사용된다. 그러나 고 점성일수록 하이드로포밍 금형에 고착되어 성형 후 금형 세척을 하더라도 금형 제품 형상 캐비티 내에 그래도 잔존 할 가능성이 크며 고점성의 윤활유 고착 잔존으로 인해 제품이 불완전 성형 되거나 미세 주름이 제품에 발생한다. 이런 문제점을 해결하기 위해 종래에는 금형 캐비티 내에 윤활유가 하이드로포밍 성형 시 빠져나오도록 드레인 찬넬을 가공하여 해결하였는데, 이는 하이드로포밍 성형 후 제품 외면에 찬넬 자국이 생성되는 결함이 있 다. 본 발명은 가전제품용 손잡이의 하이드로포밍 성형 시 금형 내 윤활유 고착을 막기 위해 제품 설계 프로필로 가공된 캐비티 내에 예컨데 0.8mmØ 드레인 홀(drain hole)을 주름 및 윤활유 고착 발생 예상 부위에 성형가공하여 제공함으로써 하이드로포밍 성형 시 발생되는 고압에 의해 상기 점성을 가진 윤활유가 이 드레인 홀을 통해 밖으로 빠져나가도록 하는 것이다. 그러나, 고압 성형하는 하이드로포밍 금형내에 드레인 홀을 좁은 형상 부위에 많이 만들어 줄 경우 자칫 금형 내구가 취약하여 크랙이 발생할 수 있으므로 드레인 홀의 수는 최소로 설계 적용하여야 한다. 그렇기 때문에 드레인 홀을 적용하기 위한 가공위치 결정이 매우 중요하다.

드레인 홀의 가공위치는 실제 트라이아웃(tryout)을 통해 성형 후 하이드로포밍 제품 및 금형 형상 캐비티 내에 윤활유가 고착된 부위, 사전 성형해석 시 주름 발생이 예상되었던 부위 및 최대 확관 성형부위 등을 검토, 금형의 내구성을 고려하여 최종 가공 위치를 결정한다.

첨부된 도 6은 본 발명에 따른 가전제품용 손잡이의 하이드로포밍 금형에 제품 표면 품질을 위해 적용된 드레인 홀 가공방법을 일 실시예로 나타낸 것이다. 하이드로포밍 금형은 제품형상의 캐비티를 가진 주 금형(9)이 유압부품(제품 홀 가공을 위한 피어싱 실린더(piercing cylinder), 제품 취출을 위한 이젝터 실린더(ejector cylinder), 유압배관 )의 설치 및 기본 금형 구조를 결정하는 본체 금형(10)위에 조립되고 이 조립된 금형은 프레스의 상부 볼스터(bolster)와 하부 볼스터에 설치를 위한 기초판(base plate)에 축상 실린더(axial cylinder)와 함께 조 립되어 제작된다.

도 6으로 나타낸 실시예에서 본 발명은 주 금형(9)의 제품 형상 프로필대로 가공된 캐비티 내 난 성형부 및 윤활유 고착 예상 부위에 0.8mmØ 드레인 홀을 가공하고 주 금형의 홀 가공된 하부 바닥면과 맞붙는 본체 금형(10) 면에 5mm 도피 가공 하였다. 그리고 본체 금형(10) 외부로 윤활유가 나올 수 있도록 그 외곽 쪽으로 10mmØ 홀을 가공하였다. 종래 방식이 하이드로포밍 성형 후 표면에 미세 자국이 발생했다면 본 발명은 홀(hole)외경이 튜브 두께보다 0.2mmØ이상 작기 때문에 고압성형으로 튜브가 확관 되더라도 제품 외면에 홀에 의한 자국이 발생 할 가능성이 없어 표면품질이 우수하다.

상기와 같이 본 발명에 의하여 고 표면 품질의 하이드로포밍 제품을 얻을 수 있고 이를 통해 이후 공정인 절단, 프레스 부품 용접 및 표면 연마를 거쳐 최종제품인 표면이 미려한 가전제품용 손잡이를 만들 수 있다.

상술한 바와 같은 방식을 이용한 금형 제작을 통해 종래의 방식에 의해 발생되는 벤딩에 의한 클램프 자국, 하이드로포밍에 의한 드레인 찬넬 자국이 없는 고표면 품질의 하이드로포밍 공정품을 만들 수 있기 때문에 하이드로포밍 이 후 진행되는 공정의 생산 공정 단축 및 소요 인원 감소되며 표면 연마 공정의 품질 안정화를 이룰 수 있어 가동률 향상 및 불량률을 줄일 수 있고 결국 외관 감성품질 확보 및 치수 정밀도가 우수한 고 품질의 하이드로포밍 적용 손잡이를 제작 할 수 있다.

또한, 성형해석 프로그램을 이용, 제품의 성형성을 분석하여 벤딩 성형에 의한 스프링 백 및 형상 결과를 미리 예측하고 이를 프레스 벤딩 금형 제작에 반영함으로써 외관 품질 확보를 위한 트라이아웃 시간 및 금형 제작에 대한 낭비를 줄일 수 있다.

Claims (2)

1. 가전제품용 손잡이를 하이드로포밍 공법으로 성형제작하기 위하여,

   제품 형상과 유사한 곡률 반경 및 형상을 가진 프레스 벤딩(press bending) 금형을 사전 성형해석 분석 결과를 토대로 상,하 금형으로 분할하고 튜브 양 끝단부를 성형하여 최종 곡률을 결정하는 금형의 셋팅 위치를 이동가능토록 하여 중공형의 튜브를 벤딩할 때 발생되는 스프링 백을 보정하고 및 금형에 의한 찍힘, 클램프자국과 같은 표면 결함 발생을 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 가전제품용 손잡이를 성형하기 위한 프레스 벤딩 및 하이드로포밍장치.
2. 상기 가전제품용 손잡이의 하이드로포밍 적용을 위해 프레스 벤딩금형을 벤딩 금형의 기본 구조를 이루는 모노블록(monoblock) 금형의 상형(1) 및 하형(2), 제품 중앙 곡률부를 성형하는 미들 금형으로서의 상형(3) 및 하형(4), 최종 벤딩 곡률 및 벤딩부 외관 품질을 결정하는 죠(jaw)의 상형(5) 및 하형(6) 그리고 벤딩 곡률 변경 및 품질 개선을 위해 죠의 셋팅 위치를 이동시키는 가이드 금형의 상형(7) 및 하형(8)으로 구성하고, 죠(5, 6)와 가이드 금형(7, 8)은 모노블록(monoblock) 금형(1, 2)에 스크류 플러그로 체결되어 죠는 상, 하 방향으로 가이드 금형은 좌, 우 방향으로 이동이 가능히도록 구성 하고, 또한 하이드로포밍 성형 시 윤활유 고착에 의해 발생되는 제품의 미 성형 및 주름을 방지하기 위해 하이드 로포밍 금형의 제품 형상 프로필로 가공된 캐비티 내에 드레인 홀을 사전 성형해석 및 실제 트라이아웃을 통해 불량 발생이 예측된 부위에 가공하여 내압 성형 시 윤활유가 빠져나가도록 함으로써 하이드로포밍 제품 외관에 표면 결함이 발생하지 않도록 하여 고 외관 품질의 손잡이를 만들 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 프레스 벤딩 및 하이드로포밍장치

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