KR20090108693A - 두꺼운 판금을 클린칭하기 위한 방법과 공구, 및 그 공구의 용도 - Google Patents

두꺼운 판금을 클린칭하기 위한 방법과 공구, 및 그 공구의 용도 Download PDF

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KR20090108693A
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안드레아스 트로예르
미하엘 마타이즐
토마스 일레디츠
토마스 노바첵
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인벤티오 아게
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Abstract

제 1 금속 작업물 (11) 과 제 2 금속 작업물 (12) 의 내력, 지지성 또는 안정적 연결을 형성하기 위한 클린칭 공구 (20). 상기 클린칭 공구 (20) 는, 금속 작업물 (11, 12) 의 국부적인 소성 재성형 또는 변형에 의해, 제 1 금속 작업물 (11) 과 제 2 금속 작업물 (12) 을 연결하거나 영구적으로 접합하는 클린치 연결부 (13) 를 함께 형성하고 접합시키는 다이 공구 (20) 및 대향 공구 (30) 를 포함한다. 다이 공구 (20) 는 회전 축선 (24) 에 대해 동심으로 배치된 플랭크 (25) 를 갖는 다이를 포함한다. 플랭크 (25) 는 회전 축선 (24) 에 수직한 전방 단부 표면 (23) 을 갖는다. 플랭크 (25) 는 적어도 하측 전이 영역 (21) 에서 전방 단부 표면 (23) 으로 원뿔형상이고, 10°이하, 바람직하게는 5°이하의 플랭크 각도 (W, W1, W2) 를 갖는다.
클린칭

Description

두꺼운 판금을 클린칭하기 위한 방법과 공구, 및 그 공구의 용도{METHOD AND TOOL FOR CLINCHING THICK SHEET METAL, AND USE OF THE TOOL}
본 발명은, 청구항 1 의 전제부에 따른 2 개의 금속 작업물의 내력 (load-bearing) 연결을 형성하기 위한 클린칭 (clinching) 공구, 청구항 10 의 전제부에 따른 내력 연결을 형성하기 위해 금속 작업물을 클린칭하는 방법, 및 청구항 15 의 전제부에 따른 클린칭 공구의 용도에 관한 것이다.
클린칭은 오래전부터 공지된 변형 접합 방법이다. 이 방법은 침투 (penetration) 접합으로도 불린다. 클린칭은 변형에 기초한 연결 기술로서, 각 실시형태에 따라 어떤 보조 접합 부품 없이 행해지는 기술이다.
클린칭의 경우, 접합 요소의 제조에 대해 여러 변형예가 존재한다.
클린칭은 다음과 같이 특징지울 수 있다:
- 접합 요소 구성에 따라, 절삭 부품을 갖는 또는 갖지 않는 클린칭;
- 매트릭스 형상에 따라, 중실형 또는 개방형 매트릭스;
- 공구 운동학에 따라, 일단계형 또는 다단계형 클린칭.
이하에서, 주된 관심사는 절삭 부품을 갖지 않는 클린칭이다. 이 방법은 플레이트 또는 다른 작업물을 연결하기 위해 사용되던 종래 방법, 예컨대 용접, 점 용접, 리벳 또는 블라인드 리벳에 의하거나 펀치 리벳을 이용한 연결에 비해 특정 이점을 갖고 있다. 종래 연결 방법에 비해, 절삭 부품을 갖지 않는 클린칭은 연결 당 비용의 면에서 더욱 유리하다.
그러나, 지금까지, 4 ㎜ 보다 더 두꺼운 플레이트 및 다른 금속 작업물을 클린칭하는 것은 불가능하였다. 더욱이, 지금까지는, 동일한 또는 동일하지 않은 두께를 갖는 플레이트 2 개만이 클린칭에 의해 서로 연결되었다.
본 발명의 목적은, 플레이트 및 두꺼운 플레이트의 거더 (girder) (바람직하게는 4 ㎜ 보다 더 두꺼움) 를 클린칭하는 방법을 제공하는 것이며, 작업은 상응하는 고강도의 클린치 연결을 보장하도록 최적의 언더컷 스탬핑 및 가능한 한 가장 큰 목부 (neck) 두께로 되어야 한다. 그리고, 적절한 공구가 제안되어야 하며, 그의 용도가 최적화되어야 한다.
상기 목적은 공구의 경우 청구항 1 의 특징에 의해, 방법의 경우 청구항 10 의 특징에 의해, 그리고 용도의 경우 청구항 15 의 특징에 의해 실현된다.
본 발명의 실시형태의 유리한 예가 각각의 독립 청구항에 기재 또는 규정된다.
본 발명에 따르면, 처음으로, 강 플레이트 및 강 거더 또는 강 프로파일 부재 (여기서 일반적으로 칭해지는 강 작업물) (이들 요소 중 적어도 하나는 4 ㎜ 초과의 두께를 가짐) 를 클린칭할 수 있게 된다.
이를 가능하게 하기 위해서, 클린칭 공구는 적절히 개발 및 최적화되었다. 본 발명에 따른 공구 또는 장치는, 플랭크 각도가 10°이하인 원뿔형 다이를 갖는다는 점이 두드러진다. 플랭크 각도는 5°에서 0°로 되는 것이 바람직하다. 이 다이의 직경은 10 ㎜ ∼ 35 ㎜ 인 것이 바람직하다. 12 ㎜ (14 ㎜, 16 ㎜, 18 ㎜) ∼ 20 ㎜ 또는 25 ㎜ 의 직경이 특히 바람직하고, 이 직경은 연결되는 금속 작업물의 두께 및 요구되는 강도나 인장력에 의존한다.
본 발명에 있어서, 클린칭은 지금까지 두꺼운 플레이트나 작업물 (예컨대, St-37, St-44, St-52, St-70 플레이트 또는 EN-S235, S275, S355, S460 플레이트) 또는 거더 (두께 4 ㎜ 초과) 를 연결하기 위한 접합 방법으로서 주로 사용되던 용접에 대한 실제적인 대안이다. 그리고, 클린칭은 리벳과 나사 연결을 또한 대신할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상이한 두께와 상이한 재료를 갖는 플레이트, 프로파일 부재 및 다른 금속 부품 또는 금속 작업물이 함게 연결될 수 있다. 2 개의 금속 작업물의 연결은 단지 클린칭으로 그리고 연결되는 금속 작업물의 재료(들)로부터 직접 이루어진다. 여기서, 클린칭에 의해 연결되는 요소를 클린칭된 작업물이라고 칭한다.
본 발명은, 승강기 및 에스컬레이터 구성에서 한도를 증가시키기 위해 금속 작업물 연결, 예컨대 강 연결, 플레이트 프로파일 부재 연결, 플레이트 부분 연결, 플레이트 스트립 연결 또는 매우 일반적인 플레이트 연결을 이용하는 것을 가능하게 하고, 특히 승강실이나 승강기 및/또는 승강기 엔진 룸 또는 에스컬레이터의 골조나 지지 구조의 일부가 클린칭 기술에 의해 형성될 수 있다.
그러나, 내력 또는 지지 골조, 구조, 브래킷, 스컬프처 (sculpture), 섀시 (chassis), 패널 또는 프레임뿐만 아니라, 다양한 내력 부착 부분이 클린칭 기술에 의해 고정될 수 있다.
2 개의 금속 작업물의 분리되지 않는 (그리고, 실질적인 유지력 (인장력과 전단력) 을 달성하는) 연결이 본 발명에 의해 형성된다. 동적 부하 하에서, 본 발명에 의해 형성되는 클린칭된 작업물은 점용접 연결보다 훨씬 더 양호한 내력 거동을 갖는다.
피복 및 무피복 재료가 본 발명에 따라 아무런 문제 없이 함께 연결될 수 있고, 이로써 특히 승강기 및 에스컬레이터 구성에 있어서 재료 선택의 새로운 가능성이 생긴다. 따라서, 예컨대 도금된, 페이팅된, 또는 플라스틱으로 피복된 플레이트 및/또는 강 거더가 클린칭으로 인해 심하게 손상될 수 있는 코팅 없이 함께 연결될 수 있다.
클린칭의 다른 이점은, 연결을 형성하기 위해, 예비 개구형성 작업이나 보조 접합 부분, 연결 부분 또는 연결 재료가 필요하지 않다는 것이다. 그렇지만, 종래 방법에 비해 클린칭이 갖는 주된 이점은, 접합 비용이 낮다는 것이다. 더욱이, 연결되는 작업물로의 열 흡수나 열 유도가 발생하지 않으므로, 왜곡, 융해 및 구조적 변화가 회피된다.
이하에서, 본 발명의 실시형태의 예에 기초하여 도면을 참조하면서 본 발명의 다른 세부 사항과 이점을 설명한다.
도 1 은, 클린칭 공구의 다이 및 클린칭에 의해 서로 연결된 2 개의 금속 작업물의 실질적으로 단순화된 개략도이다.
도 2A 는, 본 발명에 따른 클린칭의 제 1 단계의 개략도이다.
도 2B 는, 본 발명에 따른 클린칭의 제 2 단계의 개략도이다.
도 2C 는, 본 발명에 따른 클린칭의 제 3 단계의 개략도이다.
도 3A 는, 2 개의 클린칭된 금속 작업물의 단면도이다.
도 3B 는, 본 발명에 따른 클린칭 공구의 일 영역의 부분 단면 또는 세부를 보여준다.
도 4A 는, 2 개의 클린칭된 금속 작업물 또는 금속 부품 및 클린칭 공구의 일부의 단면을 보여주는데, 클린칭 공구의 다이는 12 ㎜ 의 직경을 갖는다.
도 4B 는, 2 개의 클린칭된 금속 작업물 및 클린칭 공구의 일부의 단면을 보여주는데, 클린칭 공구의 다이는 14 ㎜ 의 직경을 갖는다.
도 4C 는, 2 개의 클린칭된 금속 작업물 및 클린칭 공구의 일부의 단면을 보여주는데, 클린칭 공구의 다이는 20 ㎜ 의 직경을 갖는다.
도 5 는, 강 프로파일 부재의 단면을 보여주는데, 이 강 프로파일 부재에는 2 개의 클린치 연결부에 의해 플레이트 프로파일 부재, 강 프로파일 부재 또는 강 각도 부재가 단단히 클린칭되어 있다.
도 6A 는, 본 발명에 따른 다이의 개략적인 단면도이다.
도 6B 는, 본 발명에 따른 다이의 다른 개략적인 단면도이다.
본 발명은, 위에서 이미 언급한 것처럼, 절삭 부품을 갖지 않는 클린칭에 관한 것이다. 이러한 형태의 클린칭은 순수 변형 접합 프로세스이다. 작업물의 연결은 단지 리세싱 (recessing) 및 그 다음의 업세팅 (upsetting) 과 함께 침투에 의해서 이루어진다. 절삭 부품을 사용하지 않는 이러한 방법의 개발의 기초를 이루는 본질은 주로 더 많은 재료 한정의 결과로서 연결 인성을 증가시키려는 소망이다.
본 발명의 원리는 도 1 에 개략적으로 도시되어 있다. 클린치 연결부 (13) 에 의해 서로 연결된 2 개의 금속 작업물 (11, 12) 이 도시되어 있다. 클린치 연결부 (10) 또는 클린칭 지점 (10) 위에, 다이 공구 (20) (여기서는 다이라고 칭함) 의 일부가 도시되어 있다.
클린칭 공구 (20) 는 다이 및 대향 공구 (30) (매트릭스 또는 앤빌 (anvil) 로서 구성될 수 있음) 를 포함한다. 다이는 회전 축선 (24) 에 대해 회전방향 대칭이 되도록 설계된다. 다이는 플랭크 각도 W 를 갖는 플랭크 (25) 를 갖는데, 이 플랭크는 회전 축선 (24) 에 대해 동심으로 배치된다. 다이의 전방 단부 표면 (23) 에 대해, 플랭크 (25) 의 경우, 플랭크 (25) 의 하측 전이 영역 (21) (플랭크 각도 W1 를 가지며, 전방 단부 표면 (23) 에 접해 있음) 과 플랭크 (25) 의 상측 전이 영역 (22) (플랭크 각도 W2 를 가짐) 이 구별된다. 2 개의 전이 영역 (21, 22) 은 서로 병합된다. 이 경우 이들 전이 영역은, 도 1, 도 3B 및 도 6A 에 따른 실시형태에 나타낸 것처럼, 불연속 모드 및 방식으로 서로 병합되며 상이한 플랭크 각도 W1, W2 를 갖는다. 그렇지만, 도 4A ∼ 도 4C 및 도 6B 에 따른 실시형태에 나타낸 것처럼, 하측 및 상측 전이 영역 (21, 22) 이 서로 연속적으로 병합될 수 있으며 플랭크 각도 W1, W2 가 서로 동일할 수 있다. 연결되는 금속 작업물 (11, 12) (예컨대, 상이한 또는 동일한 두께 (t1, t2) 를 갖는 2 개의 플레이트) 이 스탬핑 또는 업세팅과 유사하게 다이에 의해 프레싱되어 소성 변형되고, 도 2A ∼ 도 2C 에 나타낸 것처럼 매트릭스 (30) 의 함몰부, 리세스, 공동 또는 변형 공간 (31) 이 형성된다. 클린치 연결부 (13) (누름 단추와 유사한 형상을 가짐), 압축 지점 또는 스탬핑 지점이 특별한 형태의 함몰부, 리세스, 공동 또는 변형 공간 (31) 에 의해 일어나 있다. 클린치 연결부 (13) 는, 도 1, 도 2C, 도 3A 및 도 4 에 개략적으로 도시된 것처럼, 형상-잠금 및 힘-잠금 방식으로 금속 작업물 (11, 12) 을 서로 연결시킨다.
도 2A ∼ 도 2C 는, 강성 매트릭스로서 구성된 대향 공구 (30) 에 의한 절삭 부품 없는 클린치 연결부 (13) 의 형성을 3 개의 단계로 보여주는데, 이 매트릭스는 처리 표면의 영역에 리세스, 공동, 변형 공간 또는 함몰부 (31) 를 가지며, 다이는, 재료의 반경방향 유동에 의해 국부적인 언더컷 (f) 이 리세스, 공동, 변형 공간 또는 함몰부 (31) 에 형성되도록, 리세스, 공동, 변형 공간 또는 함몰부 (31) 위의 교차 영역 또는 중첩 영역에서, 처리 표면에 배치된 금속 작업물 (11, 12) 을 변형시킨다. 도 2A 에 따른 제 1 단계에서, 제 1 금속 작업물 (11) 및 제 2 금속 작업물 (12) 이 서로 대향하여 (즉, 포개어져) 놓여 있는 것을 볼 수 있다. 그리고, 포개어져 있는 2 개의 금속 작업물 (11, 12) 은 매트릭스 형태의 대향 공구 (30) 의 처리 표면 상에 공통으로 제공된다. 도 2B 에서는, 다이 공구 (20) 의 다이가 전진하여 이미 작업물 (11, 12) 내로 약간 하강해 있는 것을 볼 수 있다. 작업물 (11, 12) 은 교차 영역 또는 중첩 영역에서 다이의 고압을 받아 변형되고, 재료는 매트릭스 (30) 의 리세스, 공동, 변형 공간 또는 함몰부 (31) 내로 '유동'한다. 다이의 하강 또는 밀고 들어감은 제 2 금속 작업물 (12) 의 하측면 (14) 이 매트릭스 (30) 의 리세스, 공동, 변형 공간 또는 함몰부 (31) 의 베이스에 실질적으로 맞닿을 때까지 행해진다. 다음 단계에서는, 다이를 후퇴시킨다 (이 단계는 실질적으로 도 1 에 나타낸 상황에 대응하는데, 도 1 에서 다이의 플랭크는 약간 상이한 형태를 갖는다).
본 발명에 따르면, 분리시에는, 금속 작업물 (11, 12) 의 변형 후 다이의 분리를 용이하게 하는 스트리퍼 또는 홀딩다운 (holding-down) 장치 (40) 를 이용하는 것이 바람직하다. 그러한 스트리퍼 또는 홀딩다운 장치 (40) 는, 변형시 발생하는 힘과 재료 변형으로 인해 다이가 클린치 연결부 (13) 에 걸리는 때에 특히 유리하다. 스트리퍼 (40) 는, 다이가 후퇴되거나 뒤로 당겨지는 동안, 다이 측에서 상측 금속 작업물 (11) 의 표면 (15) 에 대해 (유사)지지된다. 당업자는, 본 발명을 알게 됨으로써, 다이 측에 스트리퍼를 설치하는 대신에 매트릭스 측에 스트리퍼를 설치하는 것도 가능하다는 것을 깨닫게 될 것이다.
연결되는 금속 작업물 (11, 12) 은 도 1 에서 도면부호 40 또는 41 로 표시된 홀딩다운 장치에 의해 매트릭스 (30) 를 향해 또는 대항하여 힘을 받는 것이 바람직하다. 다이 공구 (20) 는, 금속 작업물 (11) 과 그 다음의 작업물 (12) 의 방향으로 이른바 다이 전진 스트로크를 생성하는 압력 실린더 (예컨대, 유압 실린 더, 압축 가스 실린더, 유공압 (hydroneumatic) 실린더, 서보-전기 실린더) 를 포함한다. 다이 전진 스트로크의 제 1 상태에서, 다이는 전진하고 (도 2A), 그리고 나서, 다이가 금속 작업물 (11, 12) 내로 하강하는 리세싱 상태가 이루어지며, 금속 작업물이 업세팅 및 변형된다 (도 2B 및 도 2C). 마지막으로, 다이 복귀 스트로크로 불리는 상태가 이루어진다 (도 1).
업세팅 압력의 결과로서, 리세싱 동안 금속 작업물 (11, 12) 의 재료의 횡방향 유동이 이루어지고, 이로써 예컨대 (기계가공된) 환형 그루브의 형태의 리세스, 공동, 변형 공간 또는 함몰부 (31) 를 갖는 매트릭스 (30) 가 실질적으로 또는 완전히 충전되고, 다이 측에서의 금속 작업물 (11) 의 언더컷이 매트릭스 측에서의 금속 작업물 (12) 에 생성된다 (도 3A 참조). 도 3A 에 나타낸 바와 같이, 언더컷 (f) 및 목부 두께 (tn) 는, 클린치 연결부 (13) 의 내력 능력이 이들 변수와 직접 관련되어 있으므로, 클린치 연결부 (13) 를 평가함에 있어 가장 중요하다. 클린치 연결부 (13) 및 작업물 (11, 12) 은 추가적으로, 접합 요소 또는 다이의 내부 직경 (di), 돌출 높이 (h), 매트릭스 측에 있는 금속 작업물 (12) 의 잔류 베이스 두께 (tb2), 다이 측에 있는 금속 작업물 (11) 의 잔류 베이스 두께 (tb1), 매트릭스 측에 있는 금속 작업물 두께 (t2), 다이 측에 있는 금속 작업물 두께 (t1), 및 총 작업물 두께 (tt) 에 의해 특징지워질 수 있다. 언더컷 (f) 의 전형적인 값은 0.5 ㎜ 이고, 목부 두께 (tn) 의 전형적인 값은 1.5 ㎜ 이다.
그 자체로 공지되어 있는 클린칭 프로세스를 최적화하기 위해 다양한 시험과 실험을 행하고, 클린칭 프로세스를 수정하여, 4 ㎜ 보다 더 두꺼운 금속 작업물 (11, 12) 을 클린칭할 수도 있다. 시뮬레이션을 행한 후에, (실험에서) 결정된 단면, 접합력과 홀딩다운 힘을 시뮬레이션에 기초한 기준과 비교할 수 있도록, 상이한 공구를 만들고 접합 시험을 행하였다. 절삭 요소를 갖지 않으며 중실 매트릭스 (30) 를 갖는 클린칭에 있어서의 공구 설계 원칙이 공구 설계에 대한 시험의 기초 역할을 하였다.
첫번째 시험에 따르면, 클린치 연결부 (13) 의 제조에 있어서, 작은 다이 직경 (직경 D2 = 12 ㎜ 또는 14 ㎜) 의 경우, 약 400 kN ∼ 510 kN 의 접합력이 사용되어야 하고, 더 큰 다이 직경 (D2 = 20 ㎜) 의 경우, 약 670 kN 의 접합력이 사용되어야 한다 (두 경우 모두 홀딩다운 힘을 포함함) 는 결과가 얻어졌다. 이러한 결과 자체는, 예상되는 결과의 범위에 속한다 (그러나, 공구 윤활에도 불구하고, 작업물에 다이가 걸리는 재밍 (jamming) 이 많이 발생하였다).
다이의 재밍에 관련된 더 정확한 시험에 따르면, 다이의 플랭크에 작용하는 반경방향 응력에 의해 재밍이 야기됨을 알 수 있다. 과잉 반경방향 응력이 특히 플랭크 (25) 의 상측 전이 영역 (22) 에서 발생한다는 것이 입증되었다. 다른 최적화 단계에서, 다이의 기하학적 형상은 더 낮은 반경방향 응력이 플랭크 (25) 에 작용하도록 선택적으로 변경된다. 제 1 공구 변형예에서 목부 두께 (tn) 와, 직경 D2 = 12 ㎜, D2 = 14 ㎜ 을 갖는 다이의 언더컷 값 (f) 이 거의 동일하다는 사실로 인해, 다른 최적화를 행하였다. 그 경우, 상이한 총 작업물 두께 (tt) 를 갖는 작업물 및 상이한 두께 (t1, t2) 를 갖는 작업물에 시험을 행하였다. 그 경우에, 상업적으로 입수가능한 또는 종래의 다이는 총 작업물 두께 (tt) ＞ 8 ㎜ 으로 진행되면 재밍의 강한 발생 경향만을 나타내지 않고, 공동 (도 4C 의 X) 이 작업물들 (11, 12) 사이에 형성되는 것이 입증되었다. 이 공동 (X) 은 대응하는 클린치 연결부 (13) 의 강도를 손상시키고 감소시킨다.
다양한 최적화 스텝에 의해, 다이의 플랭크의 설계가 재밍 및 공동 (X) 의 형성에 직접적인 영향을 미친다는 것을 인식하게 된다. 이러한 부정적인 두 가지 영향을 줄이거나 또는 완전히 제거하기 위해, 적어도 부분적으로 원뿔형상을 갖는 다이를 개발하고 시험하였다. 대응하는 플랭크 각도 (W, W1) 를 적절히 선택하면, 검출가능한 공동의 형성 없이 재밍을 줄이거나 완전히 방지할 수 있다. 이러한 두 가지 영향은 단지 부분적으로만 서로 관련되어 있고 심지어 부분적으로 상호 모순된다는 것이 입증된다. 적절한 각도 범위를 선택함으로써, 두 가지 영향을 최소화시킬 수 있다.
도 4A ∼ 도 4C 에 나타내고 이하에서 설명하는 시험에서, 본 발명에 따른 다이는 각각의 경우에 일정한 다이 플랭크 각도 W = 5°를 갖고, 즉 D1 ＜ D2 이거나 다시 말해, 적어도 리세싱 동안 작업물 (11, 12) 과 접촉하게 되는 다이의 부분이 하방으로 (즉, 작업물 측에 있는 다이의 단부의 방향으로) 좁아진다.
상이한 시험의 일부 태양을 도 4A ∼ 도 4C 에 나타내었다. 상이한 직경을 갖는 다이를 사용하는 경우에 있어서의 작업물 (11, 12) 의 유동 거동을 나타내었다. 도 4A 에는, 다이가 12 ㎜ 의 직경을 갖는 때에 2 개의 금속 작업물 (11, 12) 이 어떻게 변형되는지를 나타내었다. 도 4B 에는, 다이가 14 ㎜ 의 직경을 갖는 때에 2 개의 금속 작업물 (11, 12) 이 어떻게 변형되는지를 나타내었 다. 도 4C 에는, 다이가 20 ㎜ 의 직경을 갖는 때에 2 개의 금속 작업물 (11, 12) 이 어떻게 변형되는지를 나타내었다. 이 3 개의 도면에서, 다이 복귀 스트로크 전 상태를 보여주는 스냅샷 (snapshot) 을 이용하였다.
도 4A ∼ 도 4C 에 기초하여, 다이의 직경 (D2) 이 재료 또는 금속 작업물의 횡방향 유동에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 12 ㎜ 직경을 갖는 다이의 경우, 금속 작업물 (12) 의 재료는, Y 로 표시한 영역에서 볼 수 있는 것처럼, 리세스, 변형 공간 또는 함몰부 (31) 에 의해 형성되는 공동 내로 완전히 유동하지 않는다. 14 ㎜ 직경을 갖는 다이의 경우, 리세스, 공동, 변형 공간 또는 함몰부 (31) 의 양호한 '충전 (filling)' 이 얻어졌다. 20 ㎜ 직경을 갖는 다이를 이용하는 경우, 작업물들 (11, 12) 사이에 공동 (도 4C 의 X) 이 형성된다.
여러 실험 및 조사가 나타내는 것처럼, 다이 직경은 클린칭 프로세스 및 클린치 연결부 (13) 에 직접 영향을 미치는 다양한 파라미터 중 단지 하나이다. tt ＞ 8 ㎜ 인 두꺼운 작업물의 클린칭의 경우, 플랭크 (25) 의 설계는 특히 중요하고 의미있는 역할을 한다는 것이 입증되었다.
따라서, 본 발명은, 변형 동안 금속 작업물 (11, 12) 내로 하강하는 다이가 원뿔형상이라는 것을 특징으로 한다. 다이의 원뿔형상은 적어도 작업물 (11, 12) 내로 하강하는 또는 밀고 들어가는 다이의 그 길이 (L) 의 일부에 연장된다. 원뿔형상은, 다이의 플랭크 (25) (도 3B 참조) 가 적어도 하측 전이 영역 (21) 에서 전방 단부 표면 (23) 으로 원뿔형상이며 10°이하, 바람직하게는 5°이하의 플랭크 각도 (W1) 를 갖는다는 사실로부터 유래한다. 도 1 및 도 6A 에 또한 나타낸 것처럼, 상측 전이 영역 (22) 의 플랭크 각도 (W2) 는 바람직하게는 0°이고 또는 유사하게 바람직하게는 5°이하 (도 4A ∼ 도 4C 및 도 6B 에 따른 실시형태의 예) 이다.
다이는, 10 ㎜ ∼ 20 ㎜ 의 직경 (D2), 및 제 1 각도 (W1) 로부터 제 2 각도 (W2) 로 넘어가는 플랭크 각도 (W, W1, W2) 를 갖고, 제 1 각도 (W1) 가 10°이하, 바람직하게는 5°이하이며, 제 2 각도 (W2) 가 2°이하, 바람직하게는 0°∼ 1°인 경우에 특히 만족스럽다는 것이 입증되었다. 그 경우, 제 1 각도 (W1) 는 전방 단부 표면 (23) 에 인접한 (하측) 전이 영역 (21) (즉, 작업물 측에 있는 다이의 단부의 영역) 에 위치되고, 제 2 각도 (W2) 는 금속 작업물 (11, 12) 로부터 멀어지는, 외부로 연장되는 또는 돌출하는 (상측) 전이 영역 (22) (즉, 공구 측에 있는 다이의 영역) 에 위치된다.
원뿔형 다이를 이와 같이 구성하면, 재밍의 발생 경향이 매우 많이 감소하고 공동 (X) 이 전혀 발생하지 않는다 (또는 단지 눈에 띄지 않는 공동이 형성된다). 그러나, 더 적은 반경방향 응력 및 그에 따른 재밍의 더 낮은 발생 경향의 이점은 금속 작업물들 (11, 12) 사이의 공동 (X) 의 형성에 의해 지불되고, 즉 플랭크 각도 (W, W1, W2) 가 임의로 선택된다면 공동 (X) 이 너무 커져서 클린치 연결의 강도가 너무 작아지므로, 이 플랭크 각도는 임의로 선택될 수 없다.
다이의 구조의 형태는, 플랭크 각도에 의해 형성되는 플랭크 리세싱 또는 플랭크 감소가 너무 크지 않은 경우가 이상적인데, 그 이유는 너무 큰 플랭크 리세싱 또는 플랭크 감소의 경우, 작업물 (11, 12) 에 미치는 반경방향 압력이 너무 작고, 따라서 재료 또는 금속 작업물의 횡방향 유동이 감소하기 때문이다.
또한, W, W1, W2 에 대해 언급한 각도 값은, 이 다이에 의해 형성되는 클린치 연결부가 상업적으로 입수가능한, 종래 순수 원통형 얇은 시트 다이의 경우에 유사한 그리고 필적하는 목부 두께 (tn) 및 언더컷 (f) 의 값을 가지므로, 만족스러운 것으로 입증되었다. 이는 대응하는 클린치 연결부 (13) 의 필적하는 동일한 인장 강도를 의미한다.
다이의 원뿔형상은 적어도 전이 영역 (21, 22) 에 연장되고, 다이의 그 길이 (L) 가 작업물 (11, 12) 내로 하강한다. 전체 작업물 두께 tt ＞ 8 ㎜ 를 갖는 금속 작업물의 경우, 이 길이 (L) 는 0.3 tt
Figure 112009042971916-PCT00001
L
Figure 112009042971916-PCT00002
2 tt 로 결정될 수 있고, 즉 원뿔형상 전이 영역 (21, 22) 이 총 작업물 두께 (tt) 의 10 분의 3 ∼ 총 작업물 두께 (tt) 의 2 배에 대응한다.
이하에서, 본 발명에 따른 상이한 다이 형상을 도 1, 도 6A 및 도 6B 을 참조하여 간략히 설명한다.
실시형태 1 2 3
도 1 6A 6B
일반적인 직경 D1 ＜ D2 및 10 ㎜
Figure 112009042971916-PCT00003
D2
Figure 112009042971916-PCT00004
30 ㎜		 D1 ＜ D2 및 10 ㎜
Figure 112009042971916-PCT00005
D2
Figure 112009042971916-PCT00006
30 ㎜		 D1 ＜ D2 및 10 ㎜
Figure 112009042971916-PCT00007
D2
Figure 112009042971916-PCT00008
30 ㎜
전이 영역 (21, 22) 의 길이 0.3 tt
Figure 112009042971916-PCT00009
L
Figure 112009042971916-PCT00010
2 tt		 0.3 tt
Figure 112009042971916-PCT00011
L
Figure 112009042971916-PCT00012
2 tt 		0.3 tt
Figure 112009042971916-PCT00013
L
Figure 112009042971916-PCT00014
2 tt
각도 하측 전이 영역 (21) 에서 W1
Figure 112009042971916-PCT00015
10°및 상측 전이 영역 (22) 에서 W2 = 0°		 하측 전이 영역 (21) 에서 W1
Figure 112009042971916-PCT00016
10°및 상측 전이 영역 (22) 에서 0°
Figure 112009042971916-PCT00017
W2 이고, W ＞ W2		 W1 = W2
Figure 112009042971916-PCT00018
10°, 즉 하측 및 상측 전이 영역 (21, 22) 에서 W 가 일정함
얻어지는 강도, 즉 본 발명에 따른 다이, 예컨대 12 ㎜ 직경 및 5°∼ 0°다 이 플랭크 (도 6A 의 실시형태) 를 갖는 다이로 달성되는 강도는 평균하여 50 kN 또는 55 kN 보다 더 크다. 특히 주의하여 선택된 조건의 경우, 인장력은 단지 수 퍼센트의 약간의 공차로 약 58 kN 에 놓인다.
본 발명에 따른 다이 공구 (20) 를 이용하여, 인장 강도 및 전단 강도를 더 증가시키기 위해, 서로 인접한 2 개의 클린치 연결부 (13) (도 5 참조) 를 형성하는 것도 또한 가능한다. 이 경우, 인장 강도가 단일 클린치 연결부 (13) 에 비해 거의 2 배인 값으로 증가될 수 있음이 입증되었다. 샘플은 평균하여 약 118 kN 으로 적재될 수 있다.
특히 유리한 클린칭 공구 (20) 는, 서로 인접하여 배치되어 있으며 또한 2 개의 클린치 연결부에 의해 제 1 금속 작업물 (11) 을 제 2 금속 작업물 (12) 과 연결시킬 수 있는 2 개의 동일한 다이를 포함한다. 여기서, 서로 인접한 2 개의 클린치 연결부는 전진 운동 및 리세싱 운동에 의해 동시에 형성된다. 대응하는 이중 클린치 연결부의 예를 도 5 에 나타내었다. 도시한 예에서, 본 발명에 따르면, 예컨대 두꺼운 강 프로파일 부재 거더 (11) (제 1 금속 작업물) 가 서로 인접하게 배치된 2 개의 클린치 연결부 (13) 에 의해 얇은 플레이트, 강판, 철판, 강 프로파일 부재, 플레이트 프로파일 부재 또는 플레이트 프로파일 각도 부재 (12) (제 2 금속 작업물) 와 연결될 수 있음을 볼 수 있다.
스트리퍼 (40) 의 스트립핑 (스트리퍼) 력 설계를 고려하여 2 개의 기준을 취할 수 있다. 한편으로, 스트리핑력 또는 스트리퍼력은 다이의 재밍력보다 더 커야한다. 이 값은 본질적으로, 전술한 것처럼, 다이의 기하학적 형상뿐만 아 니라 공구의 윤활 또는 코팅에도 강하게 의존한다. 30 kN ∼ 40 kN 의 최대 배출력은 매우 믿을 수 있는 결과로 이어진다. 플랭크 각도 (W) 또는 다이의 원뿔형의 최적의 설계에서, 25 kN 의 배출력이 달성된다. 5°∼ 0°다이 (도 6A 의 실시형태 2) 의 경우 배출력의 다른 감소를 고려할 수 있는데, 여기서 다이의 재밍이 결코 발생하지 않기 때문이다.
특히 유리한 실시형태에서, 스트리퍼 (40) 는 동시에 홀딩다운 장치 (41) 로서 또한 기능하고, 작업물 (11, 12) 의 왜곡을 가능한 한 작게 유지하거나 작업물에 왜곡이 없도록 하게 위해, 금속 작업물 (11, 12) 이 가장 작은 가능한 변형을 일으키도록 하는 치수를 갖는다.
본 발명에 따른 다이 및 대응하는 다이를 구비하거나 포함하는 클린칭 공구 또는 클린칭 기계에 의해, 특히 안정적인 내력 부품, 서브어셈블리 또는 구성 요소가, 가능한 한 간단하고 문제를 일으키지 않으며 경제적이고 믿을 수 있는 모드와 방식으로 생성될 수 있다. 클린치 연결부 (13) 를 갖는 이들 부품, 서브어셈블리 또는 구성 요소에 드는 비용은 용접, 리벳 또는 나사를 이용한 연결부의 경우보다 낮다. 클린치 연결부 (13) 를 갖는 부품, 서브어셈블리, 및 구성 요소에 대한 복합재 비용은 0 이다. 더욱이, 작업 시간이 최소로 제한, 감소 또는 한정된다.
특히 유리한 클린칭 공구 (20) 는, 서로 인접하여 배치되어 있으며 또한 2 개의 클린치 연결부에 의해 제 1 금속 작업물 (11) 을 제 2 금속 작업물 (12) 과 연결시킬 수 있는 2 개의 동일한 다이를 포함한다. 여기서, 서로 인접한 2 개 의 클린치 연결부는 전진 운동 및 리세싱 운동에 의해 동시에 형성된다. 대응하는 이중 클린치 연결부의 예를 도 5 에 나타내었다. 도시한 예에서, 본 발명에 따르면, 예컨대 두꺼운 강 프로파일 부재 거더 (11) (제 1 금속 작업물) 가 서로 인접하게 배치된 2 개의 클린치 연결부 (13) 에 의해 얇은 플레이트, 강판, 철판, 강 프로파일 부재, 플레이트 프로파일 부재 또는 플레이트 프로파일 각도 부재 (12) (제 2 금속 작업물) 와 연결될 수 있음을 볼 수 있다.
본 발명에 따르면, 개방형 매트릭스에 의해 절삭 부품 없이 클린치 연결부 (13) 가 형성될 수도 있다. 그 경우, 탄성적으로 설치된 매트릭스 플레이트가 다이 아래에서 작업물 재료의 반경방향 유동에 의해 리세싱 프로세스 후 외측을 향해 힘을 받고, 따라서 언더컷을 형성할 수 있게 한다.
종래 클린칭의 이점 이외에, 대향 공구 (30) 로서 편평한 처리 표면을 갖는 앤빌 (anvil) 을 이용하는 경우에 매트릭스가 없는 클린칭이 이용될 수 있는데, 다이는, 초기에 앤빌 측에 융기부가 형성되고 그리고 나서 재료의 반경방향 유동을 통해 국부적인 언더컷 (f) 이 형성되도록, 처리 표면에 배치된 금속 부품, 금속 부분 또는 금속 작업물을 교차 영역 또는 중첩 영역에서 변형시킨다. 매트릭스가 없는 클린칭은 특별한 원리의 기능에 의해 다음와 같은 이점을 갖는다.
- (접합) 다이와 대향 공구 (앤빌) 사이의 오프셋이 연결부 (13) 의 질을 손상시키지 않는다. 이로써, 접합 기계의 정확성에 대한 요구가 감소되지 않는다.
- 시간소모적인 설치 작업이 제거된다.
- 더 이상 매트릭스 에지에서의 파손이 발생하지 않으므로, 마모가 감소하고 신뢰도가 증가한다.
- 모든 접합 작업에 동일한 앤빌을 사용할 수 있다. 종래 클린칭의 경우와 같이 접합 작업의 교체의 경우의 매트릭스의 교체가 더 이상 필요하지 않다.
- 조인트 연결부 (13) 는 종래 클린칭에 의해 형성되는 연결부보다 더 편평하고 덜 파괴적이다.
- 시트 두께의 변화가 공구 변화 없이 가능하여, 값진 작업 시간을 절약할 수 있다.
- 재료 편성 (pairing) 의 변화가 지출 (outlay) 없이 이루어진다.
- 매트릭스가 없는 클린칭은, 공구 세트 당 또는 (접합) 다이 당 클린치 연결부 또는 접합 지점의 수를 증가시킨다.

Claims (17)

  1. 제 1 금속 작업물 (11) 과 제 2 금속 작업물 (12) 의 내력 연결을 형성하기 위한 클린칭 공구 (20) 로서, 2 개의 금속 작업물 (11, 12) 의 변형에 의해 제 1 금속 작업물 (11) 과 제 2 금속 작업물 (12) 을 서로 연결시키는 클린치 연결부를 함께 형성하는 다이 공구 및 대향 공구 (30) 를 포함하는 클린칭 공구 (20) 에 있어서,
    다이 공구는 전이 영역 (21, 22) 을 갖는 다이를 포함하고,
    상기 다이는 다이의 회전 축선 (24) 에 대해 회전방향 대칭으로 구성되고, 회전 축선에 대해 동심으로 배치된 플랭크 (25) 및 회전 축선 (24) 에 대해 수직으로 놓인 전방 단부 표면 (23) 을 구비하며,
    상기 다이의 플랭크 (25) 는 적어도 하측 전이 영역 (21) 에서 전방 단부 표면 (23) 으로 원뿔형상이고, 플랭크 각도 (W, W1, W2) 는 전방 단부 표면 (23) 으로 이어지는 하측 전이 영역 (21) 의 단부에서의 제 1 각도 (W1) 로부터 상측 전이 영역 (22) 의 제 2 각도 (W2) 로 바로 넘어가고, 제 1 각도 (W1) 는 제 2 각도 (W2) 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 클린칭 공구 (20).
  2. 제 1 항에 있어서, 변형 동안 금속 작업물 (11, 12) 내로 하강하는 다이의 총 길이 (L) 가 원뿔형상인 것을 특징으로 하는 클린칭 공구 (20).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 플랭크 각도 (W, W1, W2) 는 10°이하, 바람직하게는 5°이하인 것을 특징으로 하는 클린칭 공구 (20).
  4. 제 1 항 및 제 3 항에 있어서, 제 1 각도 (W1) 는 10°이하, 바람직하게는 5°이하이고, 제 2 각도 (W2) 는 2°이하, 바람직하게는 0°∼ 1°인 것을 특징으로 하는 클린칭 공구 (20).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이는 10 ∼ 30 ㎜ 또는 35 ㎜ 의 직경 (D2) 을 갖고, 상기 직경 (D2) 은 바람직하게는 12 ∼ 20 ㎜ 또는 25 ㎜ (포함) 인 것을 특징으로 하는 클린칭 공구 (20).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대향 공구 (30) 는 편평한, 평탄한, 평면형의, 수평방향의 또는 평평한 작업 영역 또는 표면을 갖는 앤빌로서 구성되는 것을 특징으로 하는 클린칭 공구 (20).
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대향 공구 (30) 는 리세스, 공동, 변형 공간 또는 함몰부 (31) 를 갖는 매트릭스로서 구성되는 것을 특징으로 하는 클린칭 공구 (20).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 클린칭 공구는 금속 작 업물 (11, 12) 을 고정하기 위한 홀딩다운 장치 (41, 40) 및 금속 작업물 (11, 12) 의 변형 후에 다이를 분리하기 위한 스트리퍼 (40) 를 함유, 구비 또는 포함하는 것을 특징으로 하는 클린칭 공구 (20).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 클린칭 공구는, 서로 인접하여 배치되어 있으며 또한 제 1 금속 작업물 (11) 을 2 개의 클린치 연결부 (13) 에 의해 제 2 금속 작업물 (12) 과 연결시킬 수 있는 2 개의 동일한 다이를 포함하는 것을 특징으로 하는 클린칭 공구 (20).
  10. 제 1 금속 작업물 (11) 과 제 2 금속 작업물 (12) 의 내력 연결을 형성하기 위해 변형에 기초한 연결 기술을 이용하는 방법으로서, 제 1 금속 작업물 (11) 을 제 2 금속 작업물 (12) 과 연결시키는 클린치 연결부 (13) 가 다이 공구 (20) 및 대향 공구 (30) 에 의한 국부적인 변형에 의해 형성되고,
    - 대향 공구 (30) 의 처리 표면 상에 제 1 금속 작업물 (11) 및 제 2 금속 작업물 (12) 을 포개어 놓고 준비 또는 정렬시키는 단계,
    - 다이 공구 (20) 의 다이를 전진시키는 단계,
    - 제 2 금속 작업물 (12) 의 하측면 (14) 이 대향 공구 (30) 의 영역에 맞닿을 때까지, 조립된 두 금속 작업물 (11, 12) 내로 상기 다이를 하강시키는 단계, 및
    - 상기 다이를 후퇴시키는 단계
    를 포함하는, 변형에 기초한 연결 기술을 이용하는 방법에 있어서,
    상기 다이는 적어도 하측 전이 영역 (21) 에서 전방 단부 표면 (23) 으로 원뿔형상인 플랭크 (25) 를 갖고, 10°이하, 바람직하게는 5°이하인 플랭크 각도 (W, W1) 를 가지며,
    다이의 하강 동안, 적어도 원뿔형상인 하측 전이 영역 (21) 이 금속 작업물 (11, 12) 내로 침투하는 것을 특징으로 하는 변형에 기초한 연결 기술을 이용하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 금속 작업물 (11, 12) 에 다이 또는 다이 공구 (20) 가 가 걸리는 재밍이 발생하는 때에 분리가 가능하도록 다이의 후퇴 동안 스트리퍼 (40) 를 사용하는 것을 특징으로 하는 변형에 기초한 연결 기술을 이용하는 방법.
  12. 제 10 항 및 제 11 항에 있어서, 분리 전에 제 1 금속 작업물 (11) 의 표면 (15) 에 대항하여 상기 스트리퍼 (40) 를 전진시키고, 분리 동안, 스트리퍼 (40) 에 의해 금속 작업물 (11, 12) 에 대항하여 힘을 가하며, 이때 반대 방향으로 작용하는 힘이 다이를 후퇴시키는 것을 특징으로 하는 변형에 기초한 연결 기술을 이용하는 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대향 공구 (30) 는 처리 표면의 영역에 리세스, 공동, 변형 공간 또는 함몰부 (31) 를 갖는 매트릭스 로서 구성되고, 상기 다이는, 재료의 반경방향 유동에 의해 국부적인 언더컷 (f) 이 리세스, 공동, 변형 공간 또는 함몰부 (31) 에 형성되도록, 처리 표면, 리세스, 공동, 변형 공간 또는 함몰부 (31) (위의 교차 영역 또는 중첩 영역) 에 배치된 금속 작업물 (11, 12) 을 변형시키는 것을 특징으로 하는 변형에 기초한 연결 기술을 이용하는 방법.
  14. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 평탄한, 평면형의, 수평방향의, 평평한, 또는 편평한 처리 영역 또는 표면을 갖는 앤빌이 대향 공구 (30) 로서 이용되고, 상기 다이는, 먼저 융기부가 앤빌 측에 융기부가 형성된 후에 재료의 반경방향 유동을 통해 국부적인 작은 언더컷 또는 언더커팅 (f) 이 형성되도록, 처리 표면에 배치 또는 정렬된 금속 작업물 (11, 12) 을 교차 영역 또는 중첩 영역에서 변형시키는 것을 특징으로 하는 변형에 기초한 연결 기술을 이용하는 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 클린칭 공구 (20) 의 용도로서, 상기 클린칭 공구 (20) 가 적어도 하나의 국부적인 언더컷 (13) 에 의해 두 금속 작업물 (11, 12) 을 함께 단단히 연결하기 위해 사용되고, 두 금속 작업물 (11, 12) 은 8 ㎜ 보다 더 두꺼운 총 두께 (tt) 를 갖는 것을 특징으로 하는 클린칭 공구 (20) 의 용도.
  16. 제 15 항에 있어서, 제 1 금속 작업물 (11) 이 제 2 금속 작업물 (12) 보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 클린칭 공구 (20) 의 용도.
  17. 제 15 항 및/또는 제 16 항에 있어서, 제 1 금속 작업물 (11) 또는 제 2 금속 작업물 (12) 이 강 프로파일 부재, 플레이트 프로파일 부재, 강 각도 부재, 강판, 철판, 성형된 튜브 (shaped tube), 플레이트 부재, 플레이트 스트립 또는 강 거더인 것을 특징으로 하는 클린칭 공구 (20) 의 용도.
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