KR20090066268A - 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 장치 및방법 - Google Patents

원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 장치 및방법 Download PDF

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라이펠트 메탈 스피닝 게엠베하
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Abstract

본 발명은 원형 블랭크(circular blank) 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 장치에 관한 것으로서, 구체적으로 회전축에 대하여 회전가능하도록 지지되는 성형심봉(forming mandrel)과, 회전축에 대하여 회전가능하도록 지지되며 소재를 고정하기 위해 성형심봉에 상대적으로 축방향으로 이동가능하도록 지지되는 가압부재와, 축방향으로 또는 반경방향으로 성형심봉에 대어지는 적어도 하나 이상의 성형롤러를 포함하는 스피닝/플로우 성형머신(spinning/flow-forming machine)에 관한 것이다.

Description

원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 장치 및 방법{Device and method for producing a hollow body from a workpiece in the shape of a circular blank}
본 발명은 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
중공체(hollow body)는 예를 들어, 압력용기(pressure container)로 사용될 수 있다. 수백 바(bar)에 이르는 내부압력(filling pressure)를 견뎌야 하는 압력용기는 압축천연가스(CNG, Compressed Natural Gas), 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas), 고압수소가스(high-pressure hydrogen gas) 등과 같은 압축 또는 액화된 가스 용으로 사용된다. 압력용기는 예를 들어, 자동차(motor vehicle)에서 천연가스탱크(natrual gas tank) 및 연료전지(fuel cell)의 수소공급용 압력가스용기(pressurized gas bottle)로 사용될 수 있다.
압력용기의 생산을 위한 다양한 방법 및 장치가 공개된 바 있다.
예를 들어, DE 25 17 971에는 블록(block)으로부터 압력용기를 생산하는 것이 개시되어 있다. 블록은 프레스에서 펀치되어 베이스 부(base portion)가 남게되고 일측에 베이스(base)를 가지는 중공형 실린더(hollow cylinder)로 성형된다. 상기 중공형 실린더는 가스 용기 블랭크(gas bottle blank)로 성형되고, 이어 플로우 성형 머신(flow forming machine)에서 최종형태로 냉간 인장(cold stretch)된다.
DE 39 10 192 A1에서는, 뜨겁게 만들어진 튜브(hot-produced tube)를 길이방향으로 절단하여 얻어진 튜브 섹션(tube section)을 열간 성형(hot forming)을 통해 밀폐용기(closed container)로 성형하는 것이 제안되었다. 베이스를 성형할 경우, 업셋 노즈(upset nose)는 베이스 중앙의 내부에서 전개되고, 이는 추가적인 공정에서 기계적으로 제거된다. 아울러, 냉간 성형을 통해 중앙 원통부(central cylindrical part)의 두께는 줄어들어 벽(wall)에 알맞도록 하는 프로비젼(provision)이 만들어 진다. 그러나, 대체로 많은 공정이 서로 다른 공정 스테이션(processing station)에서 이루어져야 하므로, 이러한 공지의 방법은 상대적으로 까다로운 방법이 된다.
DE 197 11 844 B4에는, 압력용기를 생산하는 다른 방법이 개시되어 있다. 이에 따르면, 각각의 항아리 형 부분(pot-like part)은 플로우 성형 방법에 의해 두 개의 원형 블랭크로부터 생산되고, 항아리 형 부분들은 서로 용접되어 용기가 된다. 용접은 내구성 및 재료의 부식성에 악영향을 미칠 수 있다.
DE 16 52 630 C에는, 원통형 벽을 가지는 조리용기(cooking pot)의 생산방법이 개시되어 있다. 이에 따르면, 원형 블랭크의 단부(edge)는 플로우 성형을 통해 먼저 원통형으로 접힌 후에 인장 성형(stretch form)된다.
본 발명의 목적은 중공체, 특히 압력용기를 생산하는 장치 및 방법, 구체적 으로 원형 블랭크 형태의 소재로부터 간단하고 경제적인 방법으로 안정적이고 견고한 중공체를 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의할 때, 상기 목적은 청구항 제5항의 기술적 특징을 가지는 방법 뿐만 아니라 청구항 제1항의 기술적 특징을 가지는 장치에 의해서 이루어질 수 있다. 바람직한 실시예는 각 종속항에 기재된다.
본 발명에 따른 장치는 적어도 하나 이상의 성형다이가 가압부재 측에 마련되고, 상기 가압부재는 소재를 성형하기 위해 축방향으로 이동(move)될 수 있고, 상기 성형다이는 상기 가압부재에 대해 축방향으로 이송(displace)될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의할 경우, 스피닝 또는 플로우 성형 머신에 추가적인 성형다이가 마련되고, 다이 또는 성형심봉의 축방향 이동을 통해 소재가 다이 측으로 인장되어 성형될 수 있다. 이것은 딥 드로윙 또는 프레싱 공정 및 스피닝 또는 플로우 성형 공정에서 하나의 동일한 셋팅에서 머신에 고정된 소재를 성형하는 것이 가능하게 한다. 예를 들어, 딥 드로윙 또는 프레싱을 통해 중공체의 베이스 부(base portion)가 성형다이에 성형될 수 있고, 이어지는 플로우 성형을 통하여 중공체의 원통형 벽 부분(cylindrical wall portion) 또는 목(neck) 부분이 완성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의할 경우, 성형다이는 가압부재에 대해 축방향으로 이송이 가능하도록 마련된다. 이에 의해, 딥 드로윙 또는 프레싱 후에 가압부재 및 소재의 전면으로부터 성형다이가 후퇴하는 것이 가능해지므로, 적어도 하나 이상의 성형롤러의 피딩(feeding)이 성형다이에 의해 방해되는 것이 방지된다. 결과적으로, 먼저 딥 드로윙 또는 프레싱을 통해 성형된 소재를 재고정하는 작업공수 없이, 소재를 스피닝 또는 플로우 성형을 통해 가공하는 것이 가능해진다.
따라서, 본 발명에 따른 장치는 중공체의 쉽고, 빠르며, 경제적인 생산을 가능하게 한다. 다른 방법과 비교하여, 본 발명에 따른 장치에서는 디스케일링(descaling)을 요하는 본드라이징(bonderizing) 뿐만 아니라 중간 어닐링(intermediate annealing) 및 에칭(etching)과 같은 공정들이 생략될 수 있다.
튜브로부터 생산하는 것과 비교하여, 본 발명에 따른 방법은 상대적으로 저렴하게 이루어질 수 있다. 또한, 기본소재(starting material)인 평판강(flat sheet metal)은 저가로 생산될 수 있을 뿐만 아니라 매우 다양한 판 두께(sheet thickness)로 이용될 수 있다. 튜브 직경에 의한 용기 직경 제한은 존재하지 않는다. 아울러, 본 발명의 방법에 의할 때, 직경/벽 두께 비(diameter/wall thickness ratio)가 소정크기로 조정될 수 있다. 결과적으로, 높은 차원의 융통성(flexibility)를 얻을 수 있다. 또한, 용기의 개별 부분에서 벽 두께를 자유롭게 조정하는 것이 가능하다. 단조에 의한 열간 성형과 비교하여, 본 발명에 따른 방법에서는 저투자비(lower investment cost)가 발생된다. 단조 금형(forging mold)와 비교하여, 본 발명에 따른 장치는 다양한 방면에서 소재를 매우 융통성있게 사용할 수 있다.
성형다이는 링 형상으로 가압부재를 둘러싼다. 성형다이는, 연장되는 성형심봉(extended forming mandrel)으로부터 증가하는 축방향 거리에 관하여 테이퍼(taper)지는 이너 컨투어(inner contour)를 가진다. 가압부재는 성형다이의 이너 컨투어의 크라운(crown)에 마련될 수 있다. 원하는 중공체의 베이스 형상에 따라, 가압부재는 예를 들어, 볼록하거나(convex), 오목하거나(concave) 또는 평평한(plane) 전면을 가질 수 있다.
성형다이는, 작업 포지션(working position)에서 가압부재의 전면으로부터 성형심봉 측으로 축방향으로 돌출되고, 후퇴 포지션(retracted position)에서 상기 전면부에 대하여 축방향으로 후퇴하는 방식으로 이동될 수 있다. 성형다이의 성형상태에서 가압부재의 전면부의 컨투어는 성형다이의 이너 컨투어와 동일 높이를 이룰 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 다능성(versatility) 및 작업속도는 성형심봉 또는 가압부재에 스탬프(stamp)가 마련됨으로써 증가될 수 있고, 이때 스탬프는 성형심봉 또는 가압부재 각각의 외측 전면으로 이동되어 성형공정을 수행할 수 있다. 이러한 스탬프는 예를 들어, 용기 목(neck)을 성형하는 데 사용될 수 있다. 스탬프는 회전축에 대해 축방향으로 이동될 수 있고, 이때 회전축은 스탬프를 중심으로 관통하여 연장될 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 다능성은, 서로에 대해 상대적인 축방향 이동이 가능한 몇몇의 다이부재를 구비하는 성형다이에 의해 증가될 수 있다. 결과적으로, 동일한 셋팅에서 몇몇의 상이한 성형공정이 연속적으로 이루어질 수 있다. 다이부재들은 축방향으로 배열되거나 서로에 대해 링 형상으로 둘러싸도록 마련될 수도 있다.
원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 본 발명에 따른 방법에서, 중공체의 베이스 부는 소재의 중앙부 및 소재의 외부에서의 딥 드로윙 또는 프레싱을 통해 성형되고, 회전되도록 설치되어, 접혀진다. 구체적으로, 적어도 하나 이상의 성형롤러의 피딩(feeding)에 의해 원통형상으로 플로우 성형된다. 여기서, 예를 들어, 프레젝티드 성형(projected forming)을 통해 원추(conical) 또는 깔데기(funnel) 형상의 예비성형품을 생산하는 것이 가능해진다. 이러한 예비성형품은 하나 또는 그 이상의 공정에서 원통형상으로 성형된다.
이러한 방법은 본 발명에 따른 장치에 의해 수행될 수 있고, 이러한 관계에서의 장점이 발휘될 수 있다.
또한, 중공체의 생산에서 원형 블랭크 형상의 소재는 우선 성형다이로 이동된다. 소재의 외측부는 성형되지 않은 상태로 남을 수 있고, 또는 예를 들어 원뿔형상으로 예비성형될 수도 있다. 이어지는 스피닝 또는 플로우 성형 단계에서, 외측부는 원통형상으로 접혀질 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해서, 경량, 높은 내구성 및 최소한의 용기 내부의 오염물(a minimum of contamination in the inside of the container)이 보장되는 반면에 에너지 절약적(energy saving)이고 경제적인 방법으로 중공체, 더욱 구체적으로 압력용기를 생산하는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 방법의 큰 경제적 측면은, 무엇 보다도 훌륭한 표면품위(surface quality) 및 최소한의 공차(tolerance)를 가지면서 훌륭한 정도의 두께(finely graded thickness)에서도 저가(low cost)인 원형 블랭크의 사용에서 발휘된다.
본 발명에 따른 딥 드로윙 또는 프레싱은 하나 또는 그 이상의 공정을 포함할 수 있다. 본 발명에 의해서, 이러한 공정은 소재가 정지되는 동안 또는 회전될 때 이루어질 수 있다.
중앙부의 딥 드로윙 또는 프레싱과 외측부의 접기(folding over)가 하나의 셋팅에서 이루어짐으로써, 공정속도가 더 증가될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 성형다이가 성형심봉의 앞에 마련되는 스피닝/플로우 성형 머신이 제작된다. 본 발명에 따른 장치가 적용된다.
본 발명에 따른 방법의 경제적 측면은, 딥 드로윙 또는 프레싱하는 동안에 외측부는 깔대기 형상으로 성형되는 데서 더욱 강화된다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 외측부는 딥 드로윙 또는 프레싱 동안에 예비 성형되고, 성형롤러에 의해 원통형상으로 이후에 접혀진다. 일반적으로 소재는 딥 드로윙 또는 프레싱 이전에 가열된다. 이 경우, 외측부는 구체적으로 벽(wall)으로 성형될 수 있다. 깔대기 형상은 테이퍼(taper)진 단면을 가지는 회전 대칭 형상으로 이해될 수 있고, 이때 벽은 종단면에서 볼록하게, 오목하게 또는 직선으로 연장되어 원뿔형상이 이루어진다.
또는, 외측부는 딥 드로윙 또는 프레싱 동안 변형되지 않을 수 있다. 이러한 점은, 소재가 가공하기 어렵다거나 큰 직경 및 길이(length)를 가지는 압력용기용 대형 원형 블랭크 오버랩(overlap)의 경우에 특히 이점이 될 수 있다.
딥 드로윙 또는 프레싱 동안에 외측부가 지지되는 경우, 고품질의 중공체가 얻어질 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 링 형상의 홀드 다운 고정물(ring shaped hold-down fixture)이 마련되어, 성형다이의 반대측에서 소재에 적용될 수 있다. 또는, 적어도 하나 이상의 지지롤러(supporting roller)가 마련될 수도 있다. 예를 들어, 적어도 한 쌍의 지지롤러가 마련되어, 인접하는 지지롤러 사이에서 소재의 외측부가 가이드 될 수도 있다. 적어도 하나 이상의 성형롤러가 대어져서 소재를 지지할 수도 있다. 롤러들이 지지를 위해 마련된다면, 소재는 딥 드로윙 또는 프레싱 동안에 저속으로 회전됨이 바람직하다.
본 발명에 따라, 정교한 벽 두께가 접기(folding over) 또는 적어도 한 번 이상의 롤러 패스(roller pass)를 통해 얻어지고, 소재는 원통형상으로 인장 성형된다. 벽 두께 또는 냉간 표면강화(cold work hardening)를 조정하는 것이 가능하다.
아울러, 인장성형 동안에 벽 두께의 변화는, 특히 스플릿 조정(split adjustment)를 통해서 원통 형상의 단부에서 발생될 수 있다. 벽 두께의 작은 감소(small reduction of wall thickness)는 용기 목(neck) 또는 필링(filling)을 위한 연결부 생성에 이용될 수 있다. 단부(edge)의 두께는 멀티-스테이지 방식(multi stage manner)으로 설계될 수 있다. 이것은 소재의 초기 두께(starting thickness)에 비해 원통 형상의 벽 두께가 작거나 얇은 경우에 제공된다.
다양한 방법에 의해, 딥 드로윙 또는 프레싱 동안 벽두께가 중앙부에서 변화된다. 이는 성형속도, 성형력(forming force) 뿐만 아니라 가압부, 성형다이, 성형심봉 등의 적절한 설계에 의해 이루어질 수 있다. 벽 두께를 증가시키는 것 또한 가능하다.
중공체의 베이스 부에 용기 연결부(container connection)가 마련된다면, 노즈(nose)를 가지는 펀치된 원형 블랭크와 같은 예비 성형품이 딥 드로윙 또는 프레싱에 사용되는 것이 유리하다. 예를 들어, 중앙 보어(central bore)를 구비하거나 구비하지 않은 펀치된 원형 블랭크, 노즈를 구비하거나 구비하지 않은 펀치된 원형 블랭크, 용기 베이스를 구비하거나 구비하지 않은 펀치된 원형 블랭크로 구성된 예비 성형품, 또는 깔대기 또는 컵 형상의 예비성형품이 사용될 수 있다.
벽 두께의 감소를 통해, 재료(material)는 두꺼워진 노즈 형태로 얻어질 수 있다.
예를 들어, 베이스의 일측에 마련되는 연결부의 제작을 위해, 딥 드로윙 또는 프레싱 후에, 재료는 베이스 부로부터 옮겨져서(remove) 적어도 하나의 롤러에 의해 플랜지로 성형될 수 있다. 딥 드로윙 또는 프레싱, 또는 접기와 동일한 셋팅에서 수행될 수 있는 이러한 공정은 딥 드로윙 또는 프레싱 이전에 수행될 수도 있다. 재료는 적어도 하나 이상의 스플릿팅 롤러(splitting roller)에 의해 옮겨져서, 적어도 하나 이상의 챔버 성형 롤러(chambered forming roller)에 의해 예를 들어, 용기 연결부(container connection), 커넥팅 피스(connection piece) 또는 용기 목(neck of bottle)로 성형될 수 있다.
아울러, 딥 드로윙 또는 프레싱 이전에 재결정 온도(recrystallization temperature) 이상의 성형온도로 가열됨이 바람직하다. 추가적으로, 접기(folding over), 인장 성형(stretch forming) 또는 원통형상의 축소 전 또는 후에 가열이 이루어질 수 있다. 이러한 가열은 가스 버너(gas burner) 또는 유도 가열 장치(inductive heating device)와 같은 가열 장치에 의해 이루어질 수 있다. 성형 심봉 또는 다이는 내부 가열 장치에 의해 가열될 수도 있다.
원통 형상의 접기 및 특히 인장 성형 후에, 원통 형상의 단부는 적어도 하나 이상의 드로우 인 롤러(draw in roller)의 피딩에 의해 인장되어 폐쇄되거나 용기 목으로 성형될 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 따른 장치와 함께 본 발명에 따른 방법이 적용되는 단계를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3에 대응하여 달리 설계된 본 발명에 따른 장치를 나타내는 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 변형예에 따른 장치와 함께 본 발명에 따른 방법을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 7에 대응하여 달리 설계된 본 발명에 따른 장치를 나타내는 도면이다.
도 12 내지 도 17은 본 발명의 다른 변형예에 따른 장치와 함께 본 발명에 따른 방법을 나타내는 도면이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 또 다른 변형예에 따른 장치와 함께 본 발명에 따른 방법을 나타내는 도면이다.
도 20 및 도 21은 본 발명에 따른 장치와 함께 본 발명의 또 다른 방법을 나타내는 도면이다.
도 22 내지 도 26은 본 발명에 따른 장치와 함께 본 발명의 또 다른 방법을 나타내는 도면이다.
도 27 내지 도 29는 본 발명에 따른 또 다른 방법을 나타내는 도면이다.
도 30 내지 도 32는 본 발며에 따른 또 다른 방법을 나타내는 도면이다.
도 33 내지 도 35는 용기에 재료더미를 형성하기 위한 본 발명에 따른 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 36 내지 도 38은 본 발명의 장치와 함께 본 발명의 또 다른 방법을 나타내는 도면이다.
도 39 내지 도 42는 본 발명에 따른 또 다른 방법을 나타내는 도면이다.
도 43은 본 발명에 따른 또 다른 방법을 나타내는 도면이다.
도 44 및 도 45는 본 발명에 따른 또 다른 장치와 함께 본 발명에 따른 방법이 적용되는 것을 나타내는 도면이다.
도 46은 가스 용기 생산의 마지막 단계를 나타내는 도면이다.
1 소재 10 회전축
11 성형심봉 18 가압부재
31 성형롤러 40 성형다이
동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 모든 실시예에서 동일한 도면부호를 사용하였다. 물론, 다양한 방법들이 조합될 수도 있다.
도 1 내지 도 5에는 본 발명의 제1실시예에 따른 장치와 함께 본 발명에 따른 방법이 개시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 원형 블랭크(blank) 형태의 소재(workpiece)는 홀더(holder)와 함께 공급장치(supply device)(51) 내에서 성형온도(forming temperature)로 먼저 가열된다. 그러기 위해, 공급장치(51)는 예를 들어, 노(furnace), 화염발생장치(flame generating device) 및 인덕션장치(induction device) 중 적어도 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
이 후, 도 2에 도시된 바와 같이, 스피닝/플로우 성형 머신(spinning/flow forming machine)으로 예정될 수 있는 본 발명에 따른 장치에 고정된다. 스피닝/플로우 성형 머신은 가압부재(18) 뿐만 아니라 성형심봉(forming mandrel)(11)을 구비하며, 가압부재(18)는 성형심봉(11)에 대향하여 마련된다. 성형심봉(11) 및 가압부재(18)는 머신 베드(machine bed)(미도시)에 마련되고, 회전축(10)을 중심으로 회전될 수 있고, 서로에 대해 상대적으로 축방향으로 이송될 수 있다.
가압부재(18)는 도 2 및 도 3에 도시된 성형위치(forming position)과 도 4 및 도 5에 도시된 후퇴 위치(retracted position) 사이에서 상대적으로 움직일 수 있는 링 형(ring-like) 성형 다이(40)에 의해 둘러싸인다. 성형 위치에서 성형 다 이(40)는 가압부재(18)로부터 성형심봉(11)을 향해 축방향으로 돌출된다. 가압부재(18) 및 성형다이(40)는 특히, 유압작동 가압유닛(hydraulically actuated pressing unit)으로 마련될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 소재(1)는 완성된 중공체(hollow body)의 내형(inner shape), 적어도 그것의 베이스(base)를 담고 있는 성형심봉(11)과, 가압부재(18)와 함께 완성된 중공체의 외형(outer shape), 적어도 용기 베이스(container base)를 담고 있는 성형다이(40) 사이에 고정된다. 원하는 중공체의 베이스 형상에 따라, 가압부재(18)의 전면은 오목하게(도 3 참조), 볼록하게(도 6 참조) 또는 평평하게(미도시) 마련될 수 있다. 나아가, 아치 또는 원형 윤곽(arched or circular contour)으로 마련될 수도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 성형심봉(11)은 성형다이(40)를 향해 축방향으로 이동된다. 이러한 상대적인 이동은 성형심봉(11)이 정지하고 있는 상태에서 머신 베드 상의 가압부재(18) 및 성형다이(40)의 동시 이동에 의해 이루어질 수 있다.
성형심봉(11)이 내측으로 이동하는 동안, 중공체의 베이스는 소재(1)의 중앙부(4)에 하나의 성형작업에 의해 성형된다. 동시에, 반경방향으로 더 외측에 위치하는 외측부(external portion)(5)는 원추형 셸(cone-shape shell)(도 3 참조)로 성형된다.
이 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 가압부재(18) 상의 성형다이(40)는 성형심봉(11)으로부터 축방향으로 후퇴하여 작업공간(working area)으로부터 벗어난다. 성형다이(40)의 중심에 마련되고 그 전면에 성형다이(40)와 비교하여 작은 직경을 가지는 가압 디스크(pressing disk)를 구비하는 가압부재(18)는, 성형심봉(11)에 대향하여 베이스 부에서 소재(1)를 가압한다.
성형심봉(11), 가압부재(18) 및 사이에 고정된 소재(1)는 회전축(10)을 중심으로 회전하고, 플로우 성형롤러(flow-forming roller)와 같은 적어도 하나의 성형롤러(31)가 소재(1)에 피딩(feeding)된다. 적어도 한 번 이상의 플로우 성형롤러 패스로 외측부(5)는 성형심봉(11)을 향해 원통형상(8)으로 구부러지고, 인장 성형(stretched form)(도 5참조) 되며, 스트립 장치(stripping device)(미도시)에 의해 성형심봉(11)에서 벗겨진다. 이러한 방법은 특히 중간 두께(medium thickness)를 가지는 원형 블랭크, 성형하기 쉬운 물질 그리고 중간 오버랩(medium overlap)을 가지는 원형 블랭크의 경우에 적용이 가능하다.
더 나은 성형을 위해, 보충 가열(supplementary heating)이 적어도 하나의 성형롤러(31)에 의한 공정 중에 가해질 수 있다.
도 7 내지 도 10에는 본 발명에 따른 다른 방법이 개시되어 있다. 앞서 설명된 실시예에 대조적으로, 전체 소재(1)는 프레싱(pressing)과 딥 드로윙(deep drawing) 중 적어도 하나에 의해 성형되고, 도 7 내지 도 10의 실시예의 도 7에 도시된 바와 같이 소재(1)는 성형되지 않은 상태로 남아있고, 소재의 일부만이 성형된다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 이후의 공정에서 외측부(5)는 플로우 성형롤러와 같은 적어도 하나의 성형롤러(31)에 의해 우선 원통형상으로 접혀지고, 도 10에 도시된 바와 같이 적어도 한 번의 롤러 오버 런(roller over run)에서 플 로우 성형에 의해 최종 규격으로 인장 성형(stretch form)된다.
이러한 방법은 작은 오버랩(overlap)을 가지며, 이에 따라 작은 용기에 이용되는 원형 브랭크에 적용될 수 있다.
이 경우에도, 원하는 베이스형상에 따라 가압부재(18)는 볼록한 형태(도 11 참조) 또는 오목한 형태(도 7 참조)를 가질 수 있다.
도 12 내지 도 17에는 큰 두께를 가지거나 가공하기 어려운 소재에 대한 또 다른 방법이 도시되어 있다.
본 방법에서도, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 성형 초기에는 소재의 중앙부(4) 만이 성형되고, 반면에 반경방향으로 외측에 마련되는 외측부(5)는 성형되지 않고 남게 된다.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 스피닝(spinning) 또는 프로젝티드(projected) 성형을 통해, 셸은 개구면(area of opening) 쪽으로 넓어진다. 깔대기 형상의 예비성형품(funnel shaped preform)은 일정하거나 다양한 두께를 가질 수 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 계속적인 스피닝을 통해 소재(1)의 외측부(5)는 성형심봉(11)에 인접하게 그 위로 접혀지고, 원통형상(8)으로 성형된다. 이에 의해, 충분한 양의 소재가 다음 용기 베이스의 순차적인 성형에도 사용될 수 있게 된다.
이 후, 도 17에 도시된 바와 같이, 원통형상(8)은 적어도 하나의 롤러 오버 런에서 플로우 성형을 통해, 최종 규격 까지 인장 성형된다.
또 다른 방법이 도 18 및 도 19에 도시되어 있다. 마찬가지로, 본 방법에서 도 소재(1)의 중앙부(4) 만이 초기에 프레싱 또는 딥 드로윙 과정에서 성형된다. 소재(1) 외측부(5)에서 주름(crease)이 형성되는 것을 방지하기 위해서, 본 방법에 따라서 성형공정 중에 소재(1)는 저속으로 회전되고 외측부(5)는 지지롤러(61, 62)에 의해 지지된다. 지지롤러(61, 62)은 한 쌍을 이루어 지지롤러(61)은 가압부재(18) 측에서 소재(1)를 지지하고, 지지롤러(62)는 성형심봉(11) 측에서 소재(1)를 지지한다. 지지롤러(61, 62)의 회전축은 소재(1)의 회전축(10)에 수직하는 방향으로 연장된다.
도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 소재(1)는 또 다른 방법으로 성형공정 중에 지지될 수 있다. 소재(1)의 외측부(5)를 지지하기 위해, 본 방법에서는 성형롤러(31)가 제1성형공정 동안 가압부재(18) 측에서 소재(1)의 외측부(5)에 가해지고, 소재(1)는 저속으로 회전된다.
도 22 내지 도 24에 도시된 다른 방법에서는, 스탬프(13)가 마련되는 장치가 적용된다. 상기 스탬프(13)는 성형심봉(11)의 중앙에 배치되어 축방향으로 성형심봉(11)에 대하여 상대 이동이 가능하다. 가압부재(18)에는 스탬프(13)에 대응되는 홈(14)이 마련된다.
도 22 내지 도 26에 도시된 방법에서는, 플로우 성형에 앞서 두 가지의 성형공정이 수행된다. 먼저 설명된 실시예와 같이, 첫 번째 성형공정(도 23 참조)에서 가압부재(18)는 가압부재(18)를 둘러싸는 성형다이(40)와 함께 머신 베드 상에서 축방향으로 전진하고, 이에 따라 반대측의 성형심봉(11)은 성형다이(40) 측으로 이동되며, 소재(1)는 성형이 이루어진다.
두 번째 성형공정(도 24참조)에서 스탬프(13)는 성형심봉(11)의 전방으로 돌출되어 홈(14)으로 이동된다. 본 성형공정에서 성형심봉(11)으로부터 돌출되어 가압부재(18)를 향하는 것에 의해 용기의 노즈(nose)가 성형될 수 있다. 필요에 따라, 상기 용기의 노즈는 성형 롤러에 의해 원하는 크기로 성형될 수 있다.
도 25에 도시된 바와 같이, 성형다이는 이어지는 성형롤러(31)를 위한 여유공간을 제공하기 위해 후퇴된다. 도 26에 도시된 바와 같이, 선택된 벽 두께 편차(28)는 인장성형 동안 성형롤러(31)의 스프리트(split) 조정을 통해 얻을 수 있다.
도 22 내지 도 26에서 설명되는 방법은 중앙에 펀치(punch)가 된 원형 블랭크 용으로 사용될 수 있다.
도 26에 따른 방법에 대한 대안으로서, 도 27 내지 도 29에 도시된 바와 같이, 소재(1)의 외측 단부(outer edge)는 성형롤러(31)에 의해 축방향으로 프로젝티드 성형이 되어 원추 형태로 성형(도 28 참조)될 수 있다. 도 29에 도시된 바와 같이, 이러한 방법으로 예비성형된 소재는 성형심봉(11) 상에 접혀질 수 있고, 성형롤러(31)에 의해 일정 벽 두께(wall thickness)로 인장성형(stretch-form)되고, 원통형상(8)으로 마무리성형(finish-formed)될 수 있다.
도 30 내지 도 32는 다른 대안을 나타낸다. 이상에서 설명된 방법과는 달리, 도 31에 도시된 바와 같이, 소재(1)는 한 번 이상의 롤러패스(roller pass)를 통해 성형롤러(31)에 의해 벨(bell) 형태 또는 깔대기(funnel) 형태로 예비성형된다. 이후, 앞선 방법과 같이, 성형롤러(31)에 의해 접기(folding-over) 및 원통형 상(8)의 마무리 성형이 이루어진다.
도 33 내지 도 35에 도시된 바와 같이, 재료 더미(accumulation of material)(3)가 성형롤러(31)에 의해 소재(1)의 중앙으로부터 돌출 성형될 수 있다. 재료 더미(3)는 예를 들어, 용기 연결부(container connection)로 사용될 수 있다. 소재이 외부에서, 성형롤러(31)는 소재의 벽 측으로 가압되어 가압부재(18) 측으로 이동될 수 있다. 결과적으로, 옮겨지거나 부분적으로 분리된 재료들은 가압부재(18)에 의해 시프트(shift)된다. 가압부재(18)는 축방향으로 옆으로 밀려나고, 이에 따라 재료 더미(3)를 위한 여유 공간이 제공된다. 예를 들어, 밸브 부재용 나사산이 형성된 보어(threaded bore)가 상기 재료 더미(3)에 적용될 수 있다.
도 36 내지 도 38에 도시된 바와 같이, 노즈(2)를 갖는 펀치가 된 원형 블랭크(punched circular blank)와 같은 예비 성형품(preform)은 딥 드로윙 또는 프레싱을 위한 소재로 사용될 수 있다. 이러한 예비 성형품은 공급장치(51)에서 가열(도 36 참조)된다. 이후, 용기 베이스는 성형공정에 의해 마련(도 37 및 도 38 참조)된다.
본 실시예에서도 가압부재(18)는 전면에 성형공정 동안에 노즈(2)가 수용되는 홈(14)을 구비한다. 마무리된 중공체에서 노즈(2)는 용기 연결부로서 역할을 할 수 있다.
도 39 내지 도 42의 다른 방법에서, 중공체의 베이스를 성형하기 위한 딥 드로윙 또는 프레싱 및 이어지는 외측부(5) 접기(folding over)가 다른 셋팅(setting)에서 이루어진다. 이를 위해, 도 39 및 도 41에 도시된 바와 같이, 각 가열단계가 플로우 성형 전 뿐만 아니라 딥 드로윙 또는 프레싱 전에 이루어질 수 있다.
도 43에 도시된 실시예와 같이, 성형 툴(forming tool) 뿐만 아니라 홀더(holder)를 갖는 가열장치가 공급장치(51)에 마련될 수 있다.
도 44 및 도 45에 도시된 실시예에서는, 본 발명에 따른 장치가 적용되며, 상기 장치의 성형 다이(40)는 축방향으로 배열되는 두 개의 다이부재(die element)(41, 42)를 구비한다. 두 개의 다이부재(41, 42)는 서로에 대해 상대적으로 이동될 수 있다.
도 44에 도시된 첫 번째 성형공정 중에, 외부 다이부재(42)는 전면부에서 내부 다이부재(41)와 정렬 되도록 마련된다. 이에 의해, 소재(1)의 외측부(5)는 다이부재(42)에 의해 지지된다. 중앙부(4)를 형성하기 위해, 성형심봉(11)은 제1다이부재(41)에 삽입된다.
도 45에 도시된 이어지는 성형공정에서, 내부 다이부재, 즉 제1다이부재(41)는 성형심봉(11)으로부터 후퇴하고, 외부 다이부재, 즉 제2다이부재(42)는 전진한다. 결과적으로, 성형심봉(11) 역시 제2다이부재(42)의 원뿔형 개구(conical opening)에 삽입되고, 소재(1)의 외측부(5)는 원추형태로 접혀지게 된다.
이때, 외부 다이부재(42)는 성형심봉(11)으로부터 역시 후퇴될 수 있고, 외측부(5)는 플로우 성형을 통해 원통형으로 접혀질 수 있다.
도 46에는 원통형상(8)의 성형 이후에 중공체를 폐쇄할 수 있는 후속 단계의 방법이 도시되어 있다. 이러한 단계에서, 소재(1)는 성형온도로 가열되고, 척(chuck)에 의해 베이스가 고정되어 머신(machine)의 스핀 드로우(spin-draw)에 회전되도록 마련된다. 소재(1)의 단부(7)는 회동가능한 드로우 인 롤러(pivotable draw-in roller)(38)의 적어도 한 번 이상의 패스에 의해 폐쇄된다. 이때, 필요에 따라 추가적인 열공급이 이루어질 수 있다. 도 46의 오른쪽에 도시된 것은 노즈를 가지는 용기의 목(neck)을 나타내고, 도 46의 중앙에 도시된 것은 노즈를 가지지 않는 용기의 목을 나타낸다. 용기 목의 벽 두께는 소재의 초기 두께보다 더 얇게, 동등하게 또는 더 두껍게 선택될 수 있다.
원형 블랭크 형태의 소재로부터 간단하고 경제적인 방법으로 안정적이고 견고한 중공체를 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

Claims (15)

  1. 회전축(10)에 대하여 회전가능 하도록 지지되는 성형심봉(11)과,
    상기 회전축(10)에 대하여 회전가능 하고, 소재(1)를 고정시키도록 상기 성형심봉(11)에 대하여 상대적으로 축방향 이송되도록 지지되는 가압부재(18)와,
    상기 성형심봉(11)에 축방향 및/또는 반경방향으로 피딩(feeding)되는 적어도 하나 이상의 성형롤러(31)를 포함하며,
    상기 가압부재(18)에 적어도 하나 이상의 성형다이(40)가 마련되고, 상기 성형다이(40)는 상기 가압부재(18)에 대하여 축방향으로 이송되며, 상기 성형심봉(11)에 대하여 축방향으로 이동되어 소재(1)를 성형시키며,
    상기 성형다이(40) 및/또는 상기 성형심봉(11) 중 적어도 하나의 축방향 이동에 의해 상기 소재는 상기 성형다이(40)로 들어가고, 상기 소재(1)는 성형되는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 성형다이(40)는 상기 가압부재(18)를 링 형태로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성형심봉(11) 및/또는 상기 가압부재(18)에는 스탬프(13)가 마련되며, 상기 스탬프(13)는 상기 성형심봉(11) 또는 상기 가압부재(18)로부터 돌출되어 성형공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형다이(40)는 서로에 대해 축방향으로 이동될 수 있는 복수 개의 다이부재(41, 42)를 구비하는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 장치.
  5. 회전축(10)에 대하여 회전가능 하도록 지지되는 성형심봉(11)과, 상기 회전축(10)에 대하여 회전가능 하도록 마련되고 상기 성형심봉(11)에 대하여 상대적으로 축방향 이송되어 소재(1)를 고정시키도록 지지되는 가압부재(18)와, 상기 가압부재(18)에 마련되고 상기 가압부재(18)에 대하여 축방향으로 이송되며 상기 성형심봉(11)에 대하여 축방향으로 이동되어 소재(11)를 성형시키는 적어도 하나 이상의 성형다이(40)를 포함하는 장치를 이용하여 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 방법에 있어서,
    회전되는 소재(1)의 외측부(5)는 적어도 하나 이상의 성형롤러(31)의 피딩에 의해 원통형상(8)으로 성형, 특히 돌출(projected form), 스펀(spun) 또는 플로우(flow) 성형되며,
    소재(1)의 중앙부(4)의 딥 드로윙 또는 프레싱을 통해 중공체의 베이스 부가 성형되고, 소재(1)는 성형다이(40) 및/또는 성형심봉(11)의 축방향 이동에 의해 성형다이(40)에 들어가서 성형되는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중앙부(4)의 딥 드로윙 또는 프레싱 및 상기 외측부(5)의 접기는 동일한 셋팅에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 딥 드로윙 또는 프레싱 중에서, 상기 외측부(5)는 성형되지 않고 남겨지거나 깔대기 형상으로 성형되는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 딥 드로윙 또는 프레싱 중에서, 상기 외측부(5)는 적어도 하나 이상의 지지롤러(61, 62)에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 방법.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소재(1)의 상기 원통형상(8) 부분은 적어도 한 번 이상의 롤러 패스를 통해 인장 성형되는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 멀티 스테이지 스트레칭 롤러(multi stage stretching roller)(36) 및/또는 스플릿 조정(split adjustment) 중 적어도 하나에 의해, 상기 인장성형 동안에 상기 원통형상(8)의 단부(7)에는 소정의 벽 두께 분배(wall thickness distribution)(28)가 발생되는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 방법.
  11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    성형 후, 특히 인장 성형 후에 상기 원통형상(8)의 단부는 적어도 하나 이상의 드로우 인 롤러(38)의 피딩에 의해 폐쇄되거나 용기의 목을 형성하는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 방법.
  12. 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 딥 드로윙 또는 프레싱 동안에 상기 벽 두께는 상기 중앙부(4)에서 변화되는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 방법.
  13. 제5항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    원형 블랭크 형상의 소재(1)에는 허브(hub)(2)를 가지는 개구가 형성된 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 방법.
  14. 제5항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 딥 드로윙 또는 상기 프레싱 후에 재료는 적어도 하나 이상의 롤러에 의해 옮겨져서 플랜지로 성형되는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 방법.
  15. 제5항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소재(1)는 상기 딥 드로윙 또는 프레싱 이전에 가열되는 것을 특징으로 하는 원형 블랭크 형태의 소재로부터 중공체를 생산하는 방법.
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