KR20110041860A - 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법 - Google Patents

마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네슘 합금판재를 구형의 회전공구가 고속 회전하면서 금형없이 상온에서 원하는 제품을 성형하는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법에 관한 것이다.
본 발명은 CNC 머신또는 점진 성형기에 회전공구를 장착하고, 상기 회전공구를 300rpm 이상으로 회전시켜서 회전공구와 재료 사이에 마찰열을 발생시키며, 원하는 형상의 자취를 따라서 일정한 피치(pitch)와 성형속도(feed rate)로 이동하여 마그네슘 합금판재를 성형하는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 회전공구를 회전시키면서 점진성형이 이루어짐으로써 회전공구의 회전중에 재료와의 마찰로 자연적으로 온도가 상승하여 마그네슘 합금판재의 성형이 가능하고, 난가공재인 마그네슘 합금판재를 상온에서 효율적으로 성형할 수 있을 뿐만 아니라, 점진 성형의 장점인 국부 변형의 극대화를 통하여 보다 다양하고 복잡한 형상의 제품을 성형함으로써 각종 전자 제품에 적극 활용할 수 있는 우수한 효과가 얻어진다.
마그네슘 합금, 회전공구, 회전식 상온 점진성형방법, CNC 머신, 점진성형기

Description

마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법{ROTATIONAL INCREMENTAL FORMING METHOD FOR MAGNESIUM ALLOY SHEETS IN A ROOM TEMPERATURE}
본 발명은 휴대폰, 노트북, 카메라 등의 휴대제품의 케이스로 널리 사용되며 경량소재로 주목 받고 있는 마그네슘 합금판재의 상온 점진성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마그네슘 합금판재를 구형의 회전공구가 고속 회전하면서 금형없이 상온에서 원하는 제품을 성형하는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법에 관한 것이다.
최근 자동차로 인한 환경오염의 심각성이 대두 되고, 유가가 상승함에 따라 부품 소재 산업분야에서 경량화를 통하여 환경오염의 가속화를 막고 유류비를 절감 하기 위한 노력들이 증대되고 있다.
일반적인 마그네슘 합금판재는 경량화 재료로서 알루미늄 합금판재와 더불어 주목 받고 있다. 특히 마그네슘은 밀도가 약 1.7g/㎤ 정도로 알루미늄(밀도 : 2.7g/㎤)의 2/3 정도이며 공업적으로 사용되고 있는 구조재료 중 가장 가벼운 재료이다. 그러나 마그네슘의 결정구조는 조밀육방 격자구조(Hexagonal Close Packed lattice structure; HCP)로 체임입방격자구조나 면심입방격자구조를 갖는 금속재료 에 비하여 소성슬립시스템이 적기 때문에 일반적으로 상온에서의 소성가공성이 현저히 떨어진다.
이 때문에 현재 마그네슘 합금의 성형은 주로 다이캐스팅으로 이루어지고 있으며, 일부 판재 프레스 성형이 이루어지고 있다.
이에 관련된 종래의 기술이 도 1a에 도시되어 있다. 종래의 프레스 성형공법(1)은 마그네슘 합금판재(5)를 금형(10a)(10b)의 내부에 장착하고, 금형(10a)(10b)을 카트리지 히터(12) 등을 이용하여 가열하며, 열전대(14)을 이용해 금형(10a)(10b)의 온도를 200℃~250℃로 가열 제어하고, 프레스(20)를 이용하여 가압 성형을 하는 방식이다.
그러나 이와 같은 종래의 방식은 마그네슘의 성형성이 향상되는 온도인 250℃이상으로 금형(10a)(10b) 및 마그네슘 합금판재(5)를 승온시켜야 하는 불편함이 있다.
도 1b에는 이와는 다른 종래의 고정식 인크리멘탈 성형기술(30)이 도시되어 있다. 이와 같은 종래의 고정식 인크리멘탈 성형기술(30)은 CNC 머신머신에 장착된 원형 툴(32)이 프레임(40)에 장착된 판재(42)상에서 일정 피치(P)로 일정 가공높이(H)를 가압 전진하면서 판재(42)를 점진적으로 성형하는 신개념 방식으로 프레스 성형에서 필요한 금형(10a)(10b)이 없어도 되는 장점을 갖기 때문에 최근 다품종 소량생산 제품의 제조에 널리 이용되고 있다.
또한, 보다 정교한 제품을 성형하기위한 방법으로 도 1c와 같이 원형 툴(32)이 프레임(40)에 장착된 판재(42)상에서 음각 금형(60)을 따라서 성형하는 경우도 있고(음각성형), 도 1d와 같이 원형 툴(32)이 프레임(40)에 장착된 판재(42)상에서양각금형(70)을 따라서 성형하는 경우도 있다(양각성형).
이와 같은 종래의 기술은 프레스 제조방법으로는 가공이 어려운 알루미늄 판재, Ti 판재 등 다양한 재료에 활용하기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다. 또한 종래의 고정식 인크리멘탈 성형기술(30)은 소성변형중의 판재(42) 내부의 보이드 발생, 성장, 합체의 일련의 과정을 통한 연성파괴 기구의 Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) 모델에서의 재료상수를 결정하는데 이용하기도 한다.
그러나 이와 같은 종래의 고정식 인크리멘탈 성형기술(30)을 이용하면 통상 알루미늄이나 강판의 경우에는 프레스 성형공정과 비교하여 성형 한계가 높아진다는 것이 알려져 있으나, 상온 성형이 불가능하다고 알려진 마그네슘 합금판재에 대해서는 연구된 바가 없다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 그 목적은
상온에서 성형이 불가한 마그네슘 합금판재의 상온 성형성을 확보할 수 있는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법을 제공함에 있다.
그리고 본 발명의 다른 목적은 난가공재인 마그네슘 합금판재를 상온에서 효율적으로 성형할 수 있을 뿐만 아니라, 점진 성형의 장점인 국부 변형 극대화를 이용하여 보다 다양하고 복잡한 형상의 제품을 성형함으로써 각종 전자제품에 적극 활용할 수 있도록 개선된 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법을 제공함 에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 난 가공재인 마그네슘 합금판재의 상온 성형방법에 있어서, CNC 머신또는 점진 성형기에 회전공구를 장착하고, 상기 회전공구를 일정한 회전속도로 회전시켜서 회전공구와 마그네슘 합금판재 사이에서, 마그네슘 합금판재의 성형이 용이하도록 하는 온도이상의 마찰열을 발생시키며, 원하는 형상의 자취를 따라서 일정한 피치(pitch)와 성형속도(feed rate)로 이동하여 마그네슘 합금판재를 성형하는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법을 제공한다.
또한 본 발명은 바람직하게는 상기 회전공구는 300rpm 내지 700rpm의 회전속도로 회전하는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법을 제공한다.
그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 회전공구는 0.4mm 내지 1.0mm의 피치로 이동하면서 가공하는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법을 제공한다.
또한 본 발명은 바람직하게는 상기 회전공구는 마그네슘 합금판재의 온도를 200℃ 까지 상승시켜 소성가공하는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법을 제공한다.
그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 회전공구는 4mm 내지 6mm의 반경으로 이루어진 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법을 제공한다.
또한 본 발명은 바람직하게는 상기 마그네슘 합금판재를 떠 받치는 하형 다이를 추가 포함하고, 하형 다이의 윤곽을 따라서 마그네슘 합금판재를 소성가공하 는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 기존의 점진성형과는 달리 회전공구를 회전시키면서 점진성형이 이루어짐으로써 회전공구의 회전중에 재료와의 마찰로 자연적으로 온도가 상승하여 마그네슘 합금판재의 성형이 가능하다.
따라서 본 발명에 의하면 난가공재인 마그네슘 합금판재를 상온에서 효율적으로 성형할 수 있을 뿐만 아니라, 점진 성형의 장점인 국부 변형의 극대화를 통하여 보다 다양하고 복잡한 형상의 제품을 성형함으로써 각종 전자 제품에 적극 활용할 수 있는 우수한 효과가 얻어진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법(100)은 도 2에 도시된 바와 같이, CNC 머신머신 또는 컴퓨터를 이용한 점진적 성형기(110)를 이용하여 구형의 회전공구(120)가 도 3에 도시된 바와 같이, 300rpm 내지 700rpm의 속도로 회전을 하면서 하부 금형없이 지지대(140) 상에서 원하는 형상의 자취를 따라서 일정한 피치(P)와 성형속도(feed rate)로 이동하여 마그네슘 합금판재(130)를 성형하게 된다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법(100)은 회전공구(120)가 고속으로 회전하면서 마그네슘 합금판재(130) 사이의 회전 마찰과, 회 전공구(120)의 가압에 의해 국부적으로 소성변형된 영역에서 심한 회전전단 소성변형에 의한 소성열과 마찰열이 자연적으로 발생한다.
하기 표 1은 본 발명에서 사용되는 회전공구(120)의 회전수 변화에 따른 마그네슘 합금판재(130)의 온도변화이다. 마그네슘 합금판재(130)의 온도는 회전공구(120)가 지나간 후, 마그네슘 합금판재(130)의 온도를 적외선 온도계를 이용하여 측정하였다. 회전공구(120)의 회전속도가 상승할수록 마그네슘 합금판재(130)의 온도가 성형이 잘되는 200℃ 근방으로 상승하는 것으로 나타났다.
하기 표 1에서 확인할 수 있는 것처럼, 본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법(100)은 회전공구(120)의 회전속도가 높아질수록 동일한 가공 피치(P) 일지라도, 회전공구(120)와 마그네슘 합금판재(130) 간의 마찰이 증가하여 열이 많이 발생함을 알 수 있다. 특히 700rpm의 경우 성형이 잘되는 등방성 성질을 나타내는 200℃ 근방까지 온도가 상승하고 있음을 알 수 있다.　
표 1
회전수(rpm) 300 500 700
마그네슘 합금판재(130)온도(℃) 109 130 189
본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법(100)에서 마그네슘 합금판재(130)의 가공온도 상승에 따른 성형성의 증가는, 도 4에 나타낸 마그네슘 판재의 온도별 인장 응력-변형률 곡선에서 알 수 있듯이, 성형온도가 200℃ 근방까지 상승하면 상온에서의 값과 비교하여 마그네슘 합금판재(130)의 항복응력은 약 65% 떨어지며, 마그네슘 합금판재(130)의 최대 연신율은 47% 증가하는 것을 알 수 있다.
도 5에는 회전공구(120)의 피치(P)가 0.3mm일 때, 회전공구(120)의 회전속도별 시편 단면의 두께 분포를 나타내었다. 구간 AB와 EF, CD와 같이 회전공구(120)에 의해 성형되지 않은 부분의 두께 변화는 없으나 BC, DE와 같이 회전공구(120)에 의해 가공된 부분에는 0.5mm까지 두께가 얇아진 것을 볼 수 있다.
특히, 두께 감소가 가장 커서 파단 위험이 높은 위치가 컵 높이의 1/2 근방에 존재하는 것을 알 수 있는데, 이는 프레스 가공에서 통상 펀치의 어깨부 근방에서 파단이 발생하는 것과 큰 차이를 보인다.
하기 표 2는 본 발명에서 회전공구(120)의 수직 방향 점진피치(P) 크기에 따른 마그네슘 합금판재(130)의 온도변화이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 회전공구(120)의 회전속도를 500rpm로 고정하고, 피치(P)를 0.2, 0.3, 0.4mm의 3가지 조건으로 변경하면서 피치(P)크기의 영향을 조사하였으며, 가공 온도를 측정하였다.
그리고 마그네슘 합금판재(130)의 온도는 회전공구(120)가 지나간 후 마그네슘 합금판재(130)의 온도를 적외선 온도계를 이용하여 측정하였다. 피치(P)의 크기에 따른 성형성 측정을 하는 목적은 피치(P)가 작을수록 가공시간은 길어지지만, 회전공구(120)와의 빈번한 마찰로 인해 가공 온도가 상승하여 성형성이 증가하므로, 마그네슘 합금판재(130)의 가공성 측면에서 최적화된 피치(P)의 크기를 얻고자 함에 있다. 피치(P)의 크기에 따른 가공 온도를 표 2에 나타내었다.
표 2
피치(P)(mm) 0.2 0.3 0.4
마그네슘 합금판재(130)온도(℃) 119 130 177
이와 같이 본 발명에서는 회전공구(120)와 마그네슘 합금판재(130) 간의 접촉 면적이 큰 0.4mm에서의 가공 온도가 177.3℃로 가장 높았고, 0.2, 0.3mm에서 상대적으로 낮은 가공 온도를 보였다. 즉, 피치(P)의 크기가 클수록 마그네슘 합금판재(130)의 등방성이 나타나는 200℃ 근방까지 온도가 상승하고 있음을 알 수 있다. 그러나, 피치(P)가 작으면 상대적으로 피치(P)가 긴 것에 비해 회전공구(120)와 시편과의 접촉 빈도가 증가하여 시편의 온도가 상승할 것이라고 예상하였지만, 피치(P)가 큰 쪽이 상대적으로 더 많은 온도 상승을 보였다.
이는 회전공구(120)와 시편간의 접촉 빈도는 상대적으로 긴 시간 동안 일어나는 현상이나, 접촉 면적은 매 순간 발생하는 현상이기 때문에, 시간당 발생 열량은 피치(P)가 크게, 즉 접촉면적이 큰 경우에 더 많이 발생하는 것으로 나타났다.
도 6에는 회전공구(120)의 회전속도가 500rpm일 때 피치(P)의 크기에 따른 마그네슘 합금판재(130)의 두께 변화를 나타내었다. 회전공구(120)에 의해 성형되지 않은 구간 AB, CD, EF에서는 두께의 변화가 없으나 회전공구(120)에 의해 가공이 된 BC, DE구간에서는 0.52mm까지 두께가 얇아지고 있음을 알 수 있다.
한편, 수직피치(P)가 1mm이상이 되면 온도가 급격히 상승하여 마그네슘 합금판재(130)가 국부적으로 변형하여 찢어지는 현상이 발생한다. 따라서 마그네슘 합금판재(130)의 온도 상승관점에서는 수직피치(P)가 클수록 좋지만, 성형성의 관점에서는 회전공구(120)의 수직피치(P)가 1mm보다는 작아야 한다.
따라서 본 발명에서는 회전공구(120)가 0.4mm 내지 1.0mm의 피치(P)로 이동하면서 가공하는 것이 바람직하다.
표 3은 본 발명에서 회전공구(120)의 회전속도와 수직피치(P)를 각각 500rpm, 0.3mm로 설정하고, 회전공구(120)의 반경을 5, 4, 3, 2mm로 하였을 경우 마그네슘 합금판재(130)의 온도를 측정하여 나타내었다.
표 3
회전공구(120)반경(mm) 2 3 4 5
마그네슘 합금판재(130)온도(℃) 28 45 92 122
따라서 회전공구(120)의 회전에 의한 온도상승 효과를 얻기 위해서는 회전공구(120)의 반경이 최소한 4mm 보다는 커야 한다. 이와 같이 회전공구(120)의 반경이 4mm 보다 작으면, 회전공구(120)와 마그네슘 합금판재(130)와의 마찰면적이 줄어들어 온도가 상승하지 않으며 마그네슘 합금판재(130)를 성형시키지 못한다.
따라서 마그네슘 합금판재(130)의 상온 점진성형 방법에서 회전공구(120)의 반경은 최소한 4mm보다 커야 한다. 그러나 회전공구(120)의 반경이 커지면 커질수록 마찰면적이 넓어져 온도상승의 관점에서는 상한 값이 존재 하지 않는다. 그렇지만 마그네슘 합금판재(130)를 정확한 형태로 가공한다는 측면에서 회전공구(120)의 반경은 6mm 정도 이하가 바람직하다.
본 출원의 발명자들은 마그네슘 합금판재(130)의 미세조직의 변화를 알아보기 위해 성형 깊이가 10.2mm인 시편 단면의 조직을 촬영하여 비교하였다. 도 8의 (a)는 도 7에 도시된 마그네슘 합금판재(130)의 A부위이며, 도 8의 (b)와 (c)는 도 7의 B부위이다.
도 8의 (a)와 같이 소성변형에 직접 참여하지 않은 부위의 평균 결정립 크기는 약 10~15㎛로, H24한 처리한 AZ31소재의 초기 미세조직을 유지하고 있는 것으로 나타났다.
즉 도 7의 A부위는 회전공구(120)와 접촉하지 않았으며, 회전공구(120)의 회전 및 이동에 따라 발생하는 가공열이나 마찰열의 전달이 크지 않아 반가공(semi-aged)된 초기소재의 추가적인 재결정이나 결정립의 성장이 크지 않은 것으로 확인되었다.
실제 도 7의 A부위의 최고온도는 300rpm의 회전공구(120) 회전속도에서는 109.7℃, 700rpm의 회전공구(120)의 회전속도에서는 189.8℃로 재결정온도인 200℃ 보다 낮은 것으로 나타났다.
도 7의 B부위에서 바깥 표면부의 단면조직은 도 8의 (b)와 같이 소성변형을 받은 조직으로 A부위와는 전혀 다른 것임을 알 수 있다. 이러한 회전공구(120)의 회전속도가 상대적으로 저속인 300rpm 일때는 전단변형에 의해 결정립이 연신된 형태가 나타나며, 트윈(twin) 및 전단밴드가 관찰되었다.
반면 회전공구(120)의 회전속도가 증가하여 700rpm일 경우에는 변형조직이 사라지고 동적 재결정이 일어난 것으로 관찰되었다. 이는 회전공구(120)의 회전속도 증가에 의해 마찰열의 발생량이 커지기 때문에 가공부위의 온도는 부분적으로 재결정온도 이상으로 상승하기 때문이다.
이와 같이 변형부위에서 회전공구(120)의 회전속도에 따른 온도상승과 재결 정 거동은 도 8의 (c)와 같이 내부표면부 조직에서도 동일하다. 상기 회전공구(120)의 회전속도가 300rpm일 때, 회전공구(120)와 직접적인 접촉을 하는 내부표면부에서부터 두께방향으로 약 60㎛ 까지는 미세한 동적 재결정 조직이 관찰되나 표면에서 보다 멀어질수록 재결정은 일어나지 않고 단지 전단에 의한 결정립의 연신형태만 관찰되었다.
이와 같이 변형률 속도에 따라 동적 재결정된 결정립의 크기가 다르게 관찰 되었으며 변형률 속도가 증가할수록 결정립의 크기는 감소하는 것으로 나타났다.
또한, 200℃, 10-2s-1의 변형율 속도조건에서 결정립의 크기는 1~2㎛였다.
도 8(c)에서 내부표면부 주위에서는 평균 결정립의 크기가 약 1~2㎛이며 내부표면부에서 멀어질수록 결정립의 크기는 증가한다. 즉, 소재표면가 접촉하고 있는 회전공구(120)의 회전에 의해서 깊이방향으로 변형률 속도 구배가 생기는 것으로 판단된다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법(100)의 적용 가능성을 이론적으로 뒷받침하기 위해 실험에서 측정된 온도 값을 인크리멘탈 성형공정에 대한 기하학적인 관계를 고려하여 마그네슘 합금판재(130)와 회전공구(120)의 마찰 에너지의 열변환 관계로부터 이론적으로 도출하여 상호 비교하였다. 여기서는 회전속도가 500rpm이고, 피치(P)의 크기가 0.3mm인 경우에 대해서 검토하였다.
상기 마그네슘 합금판재(130)의 변형 저항으로는 마그네슘의 단축인장 커브 에서 100℃에서의 값을 취하였다. 소성가공에 의해 발생하는 열 에너지는 아래의 식 (1)로부터 구할 수 있다.
　식(1) 　
Figure 112009063584065-PAT00001
　식(2)
Figure 112009063584065-PAT00002
　식(3)
Figure 112009063584065-PAT00003
　식(4)
Figure 112009063584065-PAT00004
여기서 Q는 열 에너지(J), c는 마그네슘 마그네슘 합금판재(130)의 비열(1,020 kJ/kg℃), m은 회전공구(120)와 접하는 마그네슘 합금판재(130) 부위의 질량(kg), dT는 온도변화를 나타낸다. 가공 시 발생하는 열 에너지 Q는 접촉부위에서 마찰력이 한 일이 W와 같다고 하면 인크리멘탈 가공 중의 마그네슘 합금판재(130)의 온도상승을 알 수 있다.
식 (2)에 회전공구(120)가 한 일(W)를 나타내었다. 여기서 마그네슘 합금판재(130)의 변형에너지에 대한 열 소산은 마찰열에 비해 적은 것으로 판단되어 무시하였다. μ는 마찰계수=0.3), τ는 평균 전단 항복응력(N/mm2), A는 회전공구(120)와 마그네슘 합금판재(130)가 접하는 면적(mm2), v(=rω는 접선속도(mm/s), r은 접촉부위의 반경(mm), ω는 각속도(rad/s), t는 시간(s)을 나타낸다. 평균 전단 항복 응력(
Figure 112009063584065-PAT00005
)은 식 (3)으로부터 구한 평균 변형저항 값(
Figure 112009063584065-PAT00006
)을, 표면적은 도 9와 식 (4)로부터 구한 값(5.28mm2)으로 하여 각각의 값들을 식 (2)에 대입하면 회전공구(120)가 한 일(W)을 구할 수 있다.
여기서는 발생하는 에너지 중에서 90%가 열 에너지로 변환된다고 가정하였다. 이상에서 구한 온도의 변화 값(이론값)을 실험 중 적외선 온도 측정기로 구한 값과 비교하여 도 10에 그래프로 나타내었다.
이론에서 구한 온도는 인크리멘탈 성형 깊이가 증가할수록 선형적으로 증가하고 있으나, 본 발명에서는 성형 깊이가 약 6mm까지는 약 130℃ 까지 거의 선형적으로 가공 온도가 상승하나, 이후에는 이 온도에서 안정화되고 있음을 알 수 있다. 그러나 이론적으로 구한 온도변화는 대류 및 전도 열전달을 고려하지 않은 것이다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법(100)은 도 11에 나타낸 것과 같이, 본 발명으로 원형 컵 뿐만 아니라 사각 컵(150)도 성형이 가능함을 보였다. 여기서 회전공구를 이용하여 점진 성형한 마그네슘 합금판재의 사각컵은 예를 들면 깊이(h) 25mm, 입구 폭(w) 80mm, 바닥 폭(b) 50mm이다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법(100)은 상기 마그네슘 합금판재(130)를 떠받치는 하형 다이(160)를 추가 포함하고, 하형 다이(160)의 윤곽을 따라서 마그네슘 합금판재(130)를 소성가공할 수 있다.
본 발명은 도 12와 같이 하형 다이(160)만 있으면 보다 정교한 형태의 마그 네슘 합금판재(130)를 성형할 수 있으며, 이는 하형 다이(160)의 형상을 따라 직경 12mm의 회전공구(120)를 이용하여 300prm이상으로 회전공구(120)가 회전하면서 100mm/min의 속도로 이동하며 성형한 결과이다.
실험예
이하, 본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법(100)에 의하여 제조된 원형컵과 종래의 기술에 따라서 제조된 원형컵에 대한 비교 실험결과를 설명하기로 한다.
도 13a에 도시된 사진은 종래의 금형을 이용한 프레스 성형방법에서 온도별 마그네슘 합금판재(130)의 성형깊이를 나타낸다. 100℃에서는 거의 성형이 이루어지지 않고 파단(K)이 발생했고, 온도가 상승함에 따라 성형깊이도 상승하고 있으나 약 11mm의 성형깊이에서 모두 파단(K)이 발생하였다.
도 13b는 마그네슘 합금판재(130)를 종래의 점진 성형 방법으로 성형한 결과를 나타내었다. 도 13b에서 보듯이 판재가 파단(K) 되어 찢어져서 두 개로 분리되어 버렸고, 전혀 성형이 되지 않았다.
반면, 도 13c는 본 발명에 의해서 도 2에 나타낸 CNC 머신머신의 성형기(110)에 직경 12mm의 회전공구(120)를 부착하고, 도 3에 도시된 바와 같이, 300rpm으로 회전공구(120)를 회전시켜서 상온에서 깊이 10.2mm, 벽면각도 45°로 인크리멘탈 성형을 하여 얻은 마그네슘 합금판재(130)의 정면과 측면의 형상이다.
이와 같이 본 발명에 의해서 점진 성형기(110) 및 CNC 머신머신의 회전공구(120)를 300rpm 이상으로 회전시키며, 원하는 형상의 자취와 피치(P)를 따라서 점진적으로 마그네슘 합금판재(130)를 성형하면, 회전공구(120)와 마그네슘 합금판재(130)의 마찰로 인해 자연적으로 판재의 온도가 상승하며, 성형 깊이가 10mm가 넘도록 파단이 발생하지 않고 마그네슘 합금판재(130)의 상온 성형이 양호하게 이루어짐을 알 수 있었다.
상기와 같이 본 발명은 기존의 점진성형과는 달리 회전공구(120)를 회전시키면서 점진성형이 이루어짐으로써 회전공구(120)의 회전중에 재료와의 마찰로 자연적으로 온도가 상승하여 마그네슘 합금판재(130)의 성형이 가능하다.
따라서 본 발명에 의하면 난가공재인 마그네슘 합금판재(130)를 상온에서 효율적으로 성형할 수 있을 뿐만 아니라, 점진 성형의 장점인 국부 변형의 극대화를 통하여 보다 다양하고 복잡한 형상의 제품을 성형함으로써 각종 전자 제품에 적극 활용할 수 있게 된다.
본 발명은 상기에서 도면을 참조하여 특정 실시 예에 관련하여 상세히 설명하였지만 본 발명은 이와 같은 특정 구조에 한정되는 것은 아니다. 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상 및 권리범위를 벗어나지 않고서도 본 발명의 실시 예를 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이다. 그렇지만 그와 같은 단순한 실시 예의 수정 또는 설계변형 구조들은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속하게 됨을 미리 밝혀 두고자 한다.
도 1a는 종래의 기술에 따른 금형을 이용한 프레스 성형방식을 도시한 단면도이다.
도 1b는 종래의 기술에 따른 고정식 인크리멘탈 성형기술을 도시한 단면도이다.
도 1c는 종래의 기술에 따른 음각금형을 이용한 인크리멘탈 성형기술을 도시한 단면도이다.
도 1d는 종래의 기술에 따른 양각금형을 이용한 인크리멘탈 성형기술을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법을 구현하는 회전식 성형기 또는 CNC 머신머신을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법을 도시한 설명도이다.
도 4는 본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법에서 얻어진 마그네슘 판재의 온도별 인장 응력-변형률 곡선을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법에서 회전공구의 피치가 0.3mm일 때, 회전공구의 회전속도별 시편 단면의 두께 분포를 도시한 그래프와 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법에서 회전공구의 회전속도가 500rpm일 때, 피치의 크기에 따른 마그네슘 합금판재의 두 께 변화를 도시한 그래프와 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법에서 마그네슘 합금판재의 미세조직의 변화를 알아보기 위해 성형 깊이가 10.2mm인 시편 을 촬영한 사진이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진 성형방법에서 마그네슘 합금판재의 미세조직 단면을 촬영한 사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진 성형방법에서 마찰 에너지의 열변환 관계로부터 이론적으로 도출하여 상호 비교하기 위한 설명도이다.
도 10은 본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진 성형방법에서 마찰 에너지의 열변환 관계로부터 이론적으로 도출한 이론 결과와 실제 실험 결과를 상호 비교하여 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진 성형방법에 의해서 성형된 사각컵을 도시한 설명도이다.
도 12는 본 발명에 따른 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진 성형방법에서 사용되는 하형 다이와 이를 이용하여 성형된 재료를 도시한 사진이다.
도 13은 종래의 기술과 본 발명은 비교한 사진으로서,
a)도는 종래의 금형을 이용한 프레스 성형방식으로 제작된 원형컵이다.
b)도는 종래의 고정식 인크리멘탈 성형기술으로 제작된 원형컵이다.
c)도는 본 발명에 의해서 제작된 원형컵이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1...... 종래의 프레스 성형공법 5...... 마그네슘 합금판재
10a,10b..... 금형 12...... 히터
14...... 열전대 20...... 프레스
30...... 종래의 고정식 인크리멘탈 성형기술
32...... 원형 툴 40...... 프레임
42...... 판재 60...... 음각 금형
70...... 양각 금형
100..... 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법
110..... 점진적 성형기 120..... 회전공구
130...... 마그네슘 합금판재 140..... 지지대
150...... 사각 컵 160......하형 다이
H...... 가공높이 K...... 파단
P...... 피치

Claims (6)

  1. 난 가공재인 마그네슘 합금판재(130)의 상온 성형방법에 있어서,
    CNC 머신또는 점진 성형기(110)에 회전공구(120)를 장착하고, 상기 회전공구(120)를 일정한 회전속도로 회전시켜서 회전공구(120)와 마그네슘 합금판재(130) 사이에서, 마그네슘 합금판재의 성형이 용이하도록 하는 온도이상의 마찰열을 발생시키며, 원하는 형상의 자취를 따라서 일정한 피치(pitch)(P)와 성형속도(feed rate)로 이동하여 마그네슘 합금판재(130)를 성형하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법(100).
  2. 제1항에 있어서, 상기 회전공구(120)는 300rpm 내지 700rpm의 회전속도로 회전하는 것임을 특징으로 하는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법(100).
  3. 제2항에 있어서, 상기 회전공구(120)는 0.4mm 내지 1.0mm의 피치(P)로 이동하면서 가공하는 것임을 특징으로 하는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법(100).
  4. 제3항에 있어서, 상기 회전공구(120)는 마그네슘 합금판재(130)의 온도를 200℃ 까지 상승시켜 소성가공하는 것임을 특징으로 하는 마그네슘 합금판재의 회 전식 상온 점진성형방법(100).
  5. 제1항에 있어서, 상기 회전공구(120)는 4mm 내지 6mm의 반경으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법(100).
  6. 제1항에 있어서, 상기 마그네슘 합금판재(130)를 떠받치는 하형 다이(160)를 추가 포함하고, 하형 다이(160)의 윤곽을 따라서 마그네슘 합금판재(130)를 소성가공하는 것임을 특징으로 하는 마그네슘 합금판재의 회전식 상온 점진성형방법(100).
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