KR20110136254A - 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

이 발명의 굽힘 성형 장치(100)는 난성형성 소재(11)를 지지하는 다이(12)와, 다이에 대해 소재를 압착하여 고정하는 홀더(13)와, 펀치와 홀더 사이에 위치하도록 홀더에 돌출 고정되어 소재의 소성 변형 영역에 국부적인 열을 가해 온도를 상승시킴으로써 소재의 굽힘 성형성을 향상시키도록 하는 선형 근적외선 히터(110), 및 다이와 홀더에 대해 하부방향으로 이동하면서 선형 근적외선 히터에 의해 가열된 소재의 소성 변형 영역을 굽힘 성형하는 펀치(14)로 구성된다. 이 발명은 난성형성 소재를 굽힘 성형함에 있어서 소재의 소성 변형이 일어나는 국부적인 영역에 대해서만 외부에서 열을 가함으로써 소재의 굽힘 성형성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 장치 및 그 방법{Method and apparatus for bending of low formability material using external heat sources}

이 발명은 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 티타늄 합금 또는 고강도 합금 등과 같은 난성형성 소재를 굽힘 성형하는 장치 및 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 난성형성 소재를 굽힘 성형함에 있어서 소재의 소성 변형이 일어나는 국부적인 영역에 대해서만 외부에서 열을 가한 후 굽힘 성형하는 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

세계 각국은 환경오염을 억제하기 위해 선진국을 중심으로 환경 규제를 철저히 강화하고 있다. 특히, 여러 분야에 있어 기존의 철강 제품을 더 가벼운 소재로 대체하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 마그네슘은 비중이 철의 1/4, 알루미늄 합금의 2/3, 티타늄 합금의 1/3 수준으로 비강도가 금속 중 가장 높고 강성이 우수하여 기존의 철강 제품의 대체 소재로 각광받고 있다.

그런데, 마그네슘 소재는 상온에서의 일반 소성 가공 공정의 적용이 불가능하다. 그 이유는 마그네슘의 경우 실온 근처에서 소성 변형을 주도하는 슬립계가 바닥면 슬립에 한정되기 때문에 가공 집합조직이 현저하게 발달되어 있어 소성 이방성을 가져옴과 더불어 소성 변형 능력을 저하시키기 때문이다. 그러나, 이와 같은 마그네슘의 성형성은 온도를 상승시켰을 때 향상되는데, 이는 비저면 슬립이 활성화되어 5개 이상의 슬립계가 작동할 수 있기 때문이다.

마그네슘 합금은 비강도가 금속 중 가장 높고 강성이 우수하고 전자파에 대한 차폐성, 진동 흡수성, 기계 가공성 및 금형 수명이 우수하여 우주 항공 분야는 물론 특수 방산 부품, 컴퓨터, 전자 부품으로 크게 각광 받고 있다. 현재, 마그네슘 합금은 노트북 케이스, 디지털 카메라 케이스 등으로 많이 사용되고 있다. 따라서, 마그네슘 합금에 대한 제작 기술은 제품 경쟁력을 확보하기 위한 차세대 고부가 가치 기술로서 적합하다.

그런데, 마그네슘 합금은 산소와의 친화력이 높아 산화되기 쉽고, 상온에서의 소성 가공성이 좋지 않은 점 등으로 인해 주로 다이캐스팅, 반용융, 반응고 주조 기술 등을 이용하여 제품을 제작하여 왔다. 이와 같은 제조 방식은 특정 제품에 맞는 형태로 한정되기 때문에, 생산에 있어서 광범위한 적용이 어렵고 대량 생산이 어렵다는 단점이 있다. 또한, 그 크기도 소형일 수밖에 없다. 이와 같은 문제점은 티타늄 합금 등의 난성형성 소재도 마찬가지이다. 따라서, 난성형성 소재의 시장성과 기술의 중요성을 고려해 볼 때, 난성형성 소재의 박판에 대한 가공기술의 개발이 요구되고 있다.

한편, 난성형성 소재는 일반적으로 온도가 상승함에 따라 성형성이 증가하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 난성형성 소재의 성형성을 향상시키기 위해 온간에서의 성형이 많이 이루어지고 있다. 그런데, 이와 같은 온간 성형은 소재 전체 및 금형 전체를 가열해야 하기 때문에 비용이 많이 소요되며, 일반 냉간 소성 가공 공정에 비해 가공 싸이클이 길다.

한편, 박판 성형 공정에서는 굽힘 공정이 많이 사용되고 있다. 이러한 굽힘 공정은 제품의 외형을 제작하는데 많이 사용되고 있다. 일반적인 굽힘 성형은 소재의 소성 변형이 굽힘 반경의 일부 영역에서만 발생된다.

따라서, 이 발명은 난성형성 소재를 굽힘 성형함에 있어서 소재의 소성 변형이 일어나는 국부적인 영역에 대해서만 외부에서 열을 가함으로써 소재의 굽힘 성형성을 향상시키는 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이 발명의 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 장치는, 난성형성 소재를 지지하는 다이와, 다이에 대해 소재를 압착하여 고정하는 홀더와, 펀치와 홀더 사이에 위치하도록 홀더에 돌출 고정되어 소재의 소성 변형 영역에 국부적인 열을 가해 온도를 상승시킴으로써 소재의 굽힘 성형성을 향상시키도록 하는 외부 열원, 및 다이와 홀더에 대해 하부방향으로 이동하면서 외부 열원에 의해 가열된 소재의 소성 변형 영역을 굽힘 성형하는 펀치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 발명의 외부 열원은 선형 근적외선 히터, 선형 열풍기, 빔 히터 또는 고주파 유도 가열기일 수 있다.

이 발명의 선형 근적외선 히터는 홀더에 돌출 고정되는 하우징과, 하우징에 결합되어 소재의 소성 변형 영역을 향해 근적외선을 방사하여 소성 변형 영역의 온도를 상승시키는 램프를 포함할 수 있다.

이 발명의 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 방법은, 난성형성 소재를 다이 위에 놓은 뒤 홀더로 압착하여 고정하는 단계와, 펀치와 홀더 사이에 위치하도록 홀더에 돌출 고정된 외부 열원을 통해 소재의 소성 변형 영역에 국부적인 열을 가해 온도를 상승시키는 단계, 및 외부 열원에 의해 가열된 소재의 소성 변형 영역을 다이와 홀더에 대해 하부방향으로 이동하는 펀치를 통해 굽힘 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 발명은 난성형성 소재를 굽힘 성형함에 있어서 소재의 소성 변형이 일어나는 국부적인 영역에 대해서만 외부에서 열을 가함으로써 소재의 굽힘 성형성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 박판 소재의 굽힘 공정을 나타낸 개략도이고,
도 2는 박판 소재의 굽힘 공정시에 펀치의 이동에 따른 소재의 변형 과정을 나타낸 개략도이고,
도 3은 굽힘 공정후 소재의 변형 형상을 나타낸 개략도이고,
도 4는 이 발명에 적용 가능한 선형 근적외선 히터를 촬영한 사진이고,
도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 장치의 개략도이며,
도 6은 도 5에 도시된 굽힘 성형 장치를 이용해 박판 소재를 굽힘 성형하는 개념을 나타낸 개략도이다.

아래에서, 이 발명에 따른 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 장치 및 그 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

마그네슘과 같은 난성형성 소재의 경우에는 온도가 상승함에 따라 소성 변형성이 향상된다. 따라서, 상온에서의 소성 가공보다는 온간에서의 소성 가공이 주류를 이루고 있다. 한편, 온간 성형함에 있어서, 소재의 성형되지 않는 부위까지 모두 가열하거나 성형 금형을 가열하는 것은 비효율적이다. 그런데, 이러한 문제는 국부 가열을 통해 해결할 수 있다. 즉, 소재의 성형되는 부분만을 국부적으로 열을 가해 소성 변형을 향상시키는 것이다.

표 1은 마그네슘 합금의 온도에 따른 굽힘 가능 영역에 대한 것이다. 표 1의 값은 도 3의 굽힘 반경(R)과 소재의 두께(t)의 비, 즉 두께 당 최소 곡률 반경(R/t)으로 표현된다. 표 1에 나타난 바와 같이, 온도가 상승함에 따라 성형 가능 최소 두께 곡률 반경이 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 정밀한 성형이 가능하다는 것을 의미한다.

한편, 굽힘 성형은 실제 소성 변형이 일어나는 영역이 국부적이기 때문에 별도의 외부 열원을 이용하여 소성 변형이 일어나는 국부적인 영역에 대해서만 열을 가함으로써 소재의 굽힘 성형성을 향상시킬 수 있다. 한편, 소재의 성형성을 향상시키기 위해서는 열을 가해주는 위치를 소재의 소성 변형이 발생하는 국부적인 영역에 대해서만 집중시키는 것이 중요하다.

그리고, 굽힘 성형은 다른 공정보다 근적외선 열원을 외부 열원으로 사용하는 것이 효율적이다. 또한, 굽힘 성형은 대부분 선형이기 때문에 선형 열원을 사용하는 것이 중요하다.

따라서, 이 발명에서는 외부 열원으로 근적외선 열원으로 근적외선 히터를 이용해 소성 변형이 일어나는 국부적인 영역의 온도를 상승시켜 난성형성 소재의 굽힘 특성을 향상시켜 소재를 정밀한 형상으로 굽힘 성형할 수 있다. 즉, 굽힘 성형은 소성 변형 영역이 선형으로 폭이 좁고 긴 형태로 존재하기 때문에, 선형의 근적외선 히터를 사용하는 것이 효율적이다.

이 발명과 같이 근적외선을 사용한 국부 가열 방법은 램프와 반사판만을 사용하면 되기 때문에 한 방향에서 소재를 국부적으로 가열하는 것이 가능하다. 또한, 반사판의 설계에 따라 선형으로 근적외선이 조사되는 영역을 조절할 수 있기 때문에 유리한 점이 많다.

근적외선은 파장 1.3㎛ 이내의 광선으로 다른 가열원과 달리 90% 이상이 복사열이기 때문에 고효율 가열원(효율 85% ~ 90%)이라 할 수 있다. 그리고, 근적외선은 무독, 무연, 무취, 무소음으로 실내에 다양하게 사용 가능하고, 또한 최대 출력까지 0.1초 정도밖에 소요되지 않기 때문에 사용이 매우 편리하다.

도 1은 일반적인 박판 소재의 굽힘 공정을 나타낸 개략도이고, 도 2는 박판 소재의 굽힘 공정시에 펀치의 이동에 따른 소재의 변형 과정을 나타낸 개략도이며, 도 3은 굽힘 공정후 소재의 변형 형상을 나타낸 개략도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 일반적인 굽힘 성형 장치(10)는 소재(11)를 지지하는 다이(12)와, 다이(12)에 대해 소재(11)를 압착하여 고정하는 홀더(13)와, 다이(12)와 홀더(13)에 대해 하부방향으로 이동하면서 홀더(13)에 의해 고정된 소재(11)를 굽힘 성형하는 펀치(14)로 구성된다.

이렇게 구성된 굽힘 성형 장치(10)를 이용해 소재(11)를 굽힘 성형함에 있어서는, 도 1과 같이 소재(11)를 다이(12) 위에 놓은 뒤 홀더(13)로 압착하여 고정시킨 다음, 펀치(14)를 하부방향으로 이동시킨다. 그러면, 펀치(14)가 하부방향으로 이동하면서 소재(11)와 접촉하게 되고, 결국 소재(11)에 굽힘이 발생한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 소재에서 실제 굽힘 소성 변형이 일어나는 영역은 다이(12)의 단부와 접촉하는 영역, 즉 도 3에서 라운드를 갖는 영역이다.

따라서, 이 실시예에서는 소재(11)가 다이(12)의 단부와 접촉하는 영역, 즉 도 3과 같이 라운드가 형성되는 영역에 외부 열원을 가해 줌으로써, 성형 가능 최소 두께 곡률 반경을 감소시켜 굽힘 성형성을 향상시키는 것이다. 상기와 같이 굽힘 성형은 소재의 소성 변형이 굽힘이 발생하는 국부적인 영역에 대해서만 집중되어 발생하기 때문에, 국부적인 가열 영역이 소성 변형 영역으로 한정될 수 있다. 그런데, 펀치(14)와 다이(12)와의 간극 사이에 근적외선 히터와 같은 외부 열원을 선형으로 위치시켜야 하기 때문에 공간적인 제약이 있다. 따라서, 이 실시예에서는 펀치(14)와 홀더(13) 사이에 근적외선 히터와 같은 외부 열원을 위치시킴으로써 소재(11)의 온도를 국부적으로 상승시켜 굽힘 성형성을 향상시킨 것이다.

도 4는 이 발명에 적용 가능한 선형 근적외선 히터를 촬영한 사진이고, 도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 장치의 개략도이며, 도 6은 도 5에 도시된 굽힘 성형 장치를 이용해 박판 소재를 굽힘 성형하는 개념을 나타낸 개략도이다.

도 4와 같은 선형 근적외선 히터는 표면 온도가 1300℃ 이상으로 상승하고 열효율이 90% 정도이기 때문에 온도 상승 특성이 매우 우수하다. 특히, 선형 근적외선 히터는 반사판의 위치를 조절함에 따라 근적외선이 집중되는 영역의 너비를 조절할 수 있기 때문에, 다양한 소재의 굽힘 성형에 적합하다. 이러한 선형 근적외선 히터는 일반적인 220V 또는 110V 전원을 사용할 수 있다.

한편, 일반적인 히터 또는 장비들은 기타 전원장비를 필요로 하지만, 선형 근적외선 히터는 전압 또는 전류를 조절할 수 있는 장치 외에 별도의 장비가 필요하지 않다. 또한, 선형 근적외선 히터는 단순히 가해지는 전원, 전압 및 전류의 조절만으로 빛의 세기가 조절되는 단순한 구조로 구성되어 유지, 보수 및 관리가 편리하다. 따라서, 이 실시예에서 상기와 같은 선형 근적외선 히터를 적용할 경우에는, 일반 가열원(가스, 전기 저항) 등을 사용하는 경우보다 간단하게 굽힘 성형 장치를 구현할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 굽힘 성형 장치(100)는 일반적인 굽힘 성형 장치(10)에 상기와 같은 선형 근적외선 히터를 비롯한 다양한 외부 열원을 갖도록 구성된다. 도 5에는 외부 열원의 일례로서 선형 근적외선 히터를 갖는 굽힘 성형 장치(100)에 대해 도시되어 있다. 여기서, 선형 근적외선 히터(110)는 펀치(14)와 홀더(13) 사이에 위치하여 소재(11)의 온도를 국부적으로 상승시켜 소재(11)의 굽힘 성형성을 향상시키는 역할을 한다. 즉, 선형 근적외선 히터(110)는 펀치(14)와 홀더(13) 사이에 위치하도록 홀더(13)의 일측으로 돌출 고정된다.

이러한 선형 근적외선 히터(110)는 홀더(13)에 고정되는 하우징(111)과, 하우징(111)에 결합되어 소재(11)를 향해 근적외선을 방사하여 소재(11)의 국부적인 영역의 온도를 상승시키는 램프(112)로 구성된다. 여기서, 하우징(111)은 굽힘 변형이 일어나는 소재의 위쪽에 위치하도록 설치되어, 램프(112)를 통해 소재의 소성 변형 영역에 근적외선을 방사할 수 있도록 한다.

도 5에 도시된 굽힘 성형 장치(100)를 이용해 박판 소재(11)를 굽힘 성형함에 있어서는, 도 6과 같이 소재(11)를 다이(12) 위에 놓은 뒤 홀더(13)로 압착하여 고정시킨다. 그런 다음, 선형 근적외선 히터(110)의 램프(112)를 통해 소재(11)의 소성 변형 영역에 근적외선을 방사하여 소재(11)의 국부 가열 영역(113)의 온도를 상승시킨후 펀치(14)를 하부방향으로 이동시킨다. 그러면, 펀치(14)가 하부방향으로 이동하면서 국부 가열 영역(113)의 소재(11)와 접촉하게 되고, 결국 소재(11)에 굽힘이 발생한다. 이렇듯, 선형 근적외선 히터(110)의 램프(112)에 의해 국부 가열된 소재(11)의 소성 변형 영역을 굽힘 성형하므로, 난성형성 박판 소재의 굽힘 성형성을 크게 향상시킬 수 있다.

상기 실시예에서는 외부 열원으로 선형 근적외선 히터를 그 일례로 설명하였으나, 선형 근적외선 히터와 동일기능을 수행할 수 있는 선형 열풍기, 빔 히터 또는 고주파 유도 가열기를 외부 열원으로 사용할 수도 있다. 또한, 상기 실시예에서는 펀치를 이용하는 일반적인 굽힘 성형 장치를 그 일례로 설명하였으나, 에어벤딩이나 여러 가지 벤딩에도 외부 열원을 사용하여 소재의 굽힘 성형성을 향상시킬 수도 있다.

이상에서 이 발명의 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 장치 및 그 방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

10 : 굽힘 성형 장치 11 : 소재
12 : 다이 13 : 홀더
14 : 펀치 100 : 굽힘 성형 장치
110 : 선형 근적외선 히터 111 : 하우징
112 : 램프 113 : 국부 가열 영역

Claims (6)

1. 난성형성 소재를 지지하는 다이와,
   상기 다이에 대해 상기 소재를 압착하여 고정하는 홀더와,
   상기 펀치와 상기 홀더 사이에 위치하도록 상기 홀더에 돌출 고정되어 상기 소재의 소성 변형 영역에 국부적인 열을 가해 온도를 상승시킴으로써 상기 소재의 굽힘 성형성을 향상시키도록 하는 외부 열원, 및
   상기 다이와 상기 홀더에 대해 하부방향으로 이동하면서 상기 외부 열원에 의해 가열된 상기 소재의 소성 변형 영역을 굽힘 성형하는 펀치를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 외부 열원은 선형 근적외선 히터인 것을 특징으로 하는 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 선형 근적외선 히터는 상기 홀더에 돌출 고정되는 하우징과, 상기 하우징에 결합되어 상기 소재의 소성 변형 영역을 향해 근적외선을 방사하여 상기 소성 변형 영역의 온도를 상승시키는 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 외부 열원은 선형 열풍기, 빔 히터 또는 고주파 유도 가열기인 것을 특징으로 하는 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 장치.
5. 난성형성 소재를 다이 위에 놓은 뒤 홀더로 압착하여 고정하는 단계와,
   상기 펀치와 상기 홀더 사이에 위치하도록 상기 홀더에 돌출 고정된 외부 열원을 통해 상기 소재의 소성 변형 영역에 국부적인 열을 가해 온도를 상승시키는 단계, 및
   상기 외부 열원에 의해 가열된 상기 소재의 소성 변형 영역을 상기 다이와 상기 홀더에 대해 하부방향으로 이동하는 펀치를 통해 굽힘 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 외부 열원으로 선형 근적외선 히터, 선형 열풍기, 빔 히터 또는 고주파 유도 가열기를 사용하는 것을 특징으로 하는 외부 열원을 구비한 난성형성 소재의 굽힘 성형 방법.

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