KR20130087066A - 볼트-너트 결합부가 없는 일체형 림의 안경태구조와 제조방법 - Google Patents

Abstract

성형성과 형상고정성이 양호한 합금부재를 볼트-너트 조인트나 용접접합을 하지 않고 상하로 분리된 브리지를 갖는 일체형 림(1)과 코패드아암과 일체로 된 브리지클립(11)과 스프림설편으로 결속하는 안경다리결합체(7)로 구분하여 프레스단조와 밀링압착으로 성형하여 안경태를 완성하는 것을 특징으로 하는 일체형 림의 구조와 제조방법에 관한 것이다.

Description

볼트-너트 결합부가 없는 일체형 림의 안경태구조와 제조방법{The MonoRim Spectacle's Frame and It's manufacturing Method without Bolt-Nut Joint}

합금부재의 안경 태를 제조함에 있어서 안경알을 고정하는 림의 결합부나 안경다리를 결속하는 볼트-너트 결합체도 없고 용접을 하지 않는 성형기술로서 제조공정이 단순하면서도 견고한 구조의 착용감을 주는 안경 태를 제조하는 기술에 관한 것이다.

합금부재를 만드는 야금기술과 부재를 성형하는 기술과 도장하는 기술이 배경기술이 된다. 연금술의 발달에 의하여 다양한 소재를 생산하고 있는 오늘날 합금부재의 물성은 안경 태의 제조과정에 가장 중요한 선택기준이 된다. 가볍고 성형성이 좋아야 하고 모양의 고정성이 양호해야 할 뿐만 아니라 견고성과 내식성에 더하여 표면품질도 미려해야 한다. 오늘날 발달한 합금기술은 이러한 특성에 갖춘 제품을 제조하고 있는데, 그 중 알류미늄계나 마그네슘계 및 티타늄계 소재들의 물성은 가벼우면서도 견고하고 치밀하여 착색이 뛰어난 소재들이 많다.

이러한 합금부재는 대개 450℃이상의 용광로에서 합금주괴를 용융하여 균질처리를 한 후 100℃/h의 냉각속도로 300℃이하로 냉각하였다가 350~500℃이상으로 재가열하여 열간압연하고 추가로 냉간압연을 한 뒤에 500℃이상으로 가열하여 용체화처리와 담금질을 하여 제조된다.

알루미늄계 합금부재 조성물로는 알류미늄을 주성분으로 하여 Si, Mg, Zn, Cu, Mn, Cr, V, Zr, Ti, B 등을 적정량 첨가하는 질량%와 물성을 살펴보면,

Si : 합금부재의 강도 및 BH성(도장강도)을 얻기 위해 투입하는 물질로서 Mg-Si계 화합물을 형성하여 고강도재질을 만든다. 가장바람직한 함유량은 0.8~1.2질량%로 0.5%이하이면 도장베이킹 가열에 충분한 강도를 얻지 못하고 성형성도 떨어지게 된다. 그러나 2.0%를 초과하는 것도 프레스가공 시에 내력이 크고 성형성과 형상고정성질 및 도장 후 내식성이 떨어진다.

Mg : Si와 더불어 재질의 강도를 높여주는 물질로서 가장 바람직한 함유량은 0.4~0.7질량%이다. 함유량이 0.2%미만이면 도장베이킹 시에 가열로 인한 강도가 낮아지나 1.5%를 초과하면 용체화처리 후나 최종 열처리 후에 내력이 커서 성형성과 형상고정성이 떨어진다.

Zn : 표면처리재로서 인산아연처리성을 향상시키는 물질이다. 바람직한 함유량은 0.1~0.3질량%이고 함유량이 0.05%이하거나 0.5%이상이면 내식성이 열하된다.

Cu : 강도와 성형성을 향상시키는 물질로서 가장 바람직한 함유량은 0.3~0.8질량%이며, 0.1%이하거나 1.0%를 넘어가면 내식성이 감소한다.

Mn, Cr, V, Zr : 재질의 강도를 향상시키고 화합물의 결정입자를 미세하게 하여 성형가공 시 오렌지껍질형상의 표면생성을 방지하는 물질들이다. 바람직한 함유량은 Mn은 0.05~0.3질량%, Zr, V, Zr은 0.05~0.15질량%이다. 이런 물질은 함유량이 늘어나면 조립질 화합물이 생성되어 성형성이 떨어지게 된다.

Ti, B : 주조물의 조직을 미세화하고 성형성을 향상시키는 물질로서 함유량은 Ti이 0.1%이하이고 B은 50ppm이하로 상한선을 초과하면 조립질 화합물이 많아져 성형성이 저하된다. 기타 불순물로 Fe은 함유량이 0.5%이하가 적당하다.

이러한 조성물은 부재전반이 균질한 물성을 갖도록 균질화 처리과정을 거쳐야 한다. 450℃이하이면 Mg2Si화합물 같은 주괴의 편석이 남게 되고 균질화가 충분하지 못하여 완전한 고용체가 형성되지 않으므로 성형성이 좋지 않다.

화합물 결정입자의 크기는 50μm이하로 미세할수록 굽힘가공이나 프레스성형성은 향상된다. 50μm이상의 조립결정은 성형작업 시에 균열이나 표면이 거칠어지는 불량품의 발생 원인이 된다.

화합물고용체의 냉각속도는 100℃/h이상이 바람직하고 300℃이하로 내려가야 하고 냉각속도가 느리면 Mg-Si계 화합물의 석출응집화가 발생하게 된다.

열간압연은 균질처리온도로부터 380~450℃사이의 냉각상태에서 하는 것이 바람직하다. 300℃이하에서는 변형저항이 강하여 압연능률이 떨어진다. 반면에 500℃를 넘으면 압연 중에 조립질 결정입자가 생겨서 합금부재의 표면에 오랜지표피와 같은 리징마크가 발생하는 문제가 생긴다.

압연합금부재의 용체화처리는 450℃이상에서 120s(초)이내가 적당하며, 담금질의 냉각속도는 용체화 온도로부터 120℃까지는 5℃/s가 바람직하다. 담금질속도가 느리면 석출현상이 발생하여 강도나 BH성, 성형성, 내식성이 떨어진다. 그리고 최종열처리는 담금질 후 60분 이내에 40~120℃사이에서 50s간 하는 것이 BH성을 향상시키는 것으로 알려지고 있다.

합금소재를 성형하여 형상부재로 만드는 성형방법으로는 압연(roll forming), 분괴압연(brake forming), 인장성형(stretch forming), 피이닝(peening), 굽힘가공(bending), 연신가공(stretching), 냉간가공(cold working process)방법 등이 활용된다.

합금부재를 성형가공할 때는 프레스단조와 밀링머신, 밴딩머신, 스와징(swaging)가공, 헤밍(hamming)장치들이 필요하다. 그러나 장기간 방치된 합금부재는 결정조직의 연성이 줄어들고 신율이 저하되는 시효경화의 성질이 있어서 성형성과 형상고정성이 떨어지므로 이러한 변형저항영역에 있는 부재를 가공하기 위해서는 시효경화를 회복하는 처리가 필요하다.

시효경화의 회복처리는 부재의 형상과 연신방향에 따라 압축응력이나 인장응력을 작용하거나 회전운동을 가하는 다양한 방법이 있다. 응력의 전달방향은 부재의 뚜께방향이나 폭방향 및 뚜께와 폭의 복합방향이 가능하다. 롤링과 텐션레벨러 같은 교정기나 금형을 이용하여 진동이나 가벼운 연속타격을 부여함으로서 금속체의 결정조직을 왜곡하여 가공변형을 한다. 합금부재의 가공변형강도는 판상재는 1~50%, 형재는 3~50%의 변형을 사전에 부여하는 것이 필요하며 가열온도는 80~130℃사이가 바람직하고 가열시간은 30초~1분사이가 알맞은 것으로 알려져 있다. 이러한 사전 가공변형은 합금부재를 저온인 50~150℃에서도 100mm이상의 디프웰 성형과 절곡각도 180°이상이 가능하다. 뿐만 아니라 표면이 미려한 프레스단조와 밀링변형가공을 할 때에는 도장가열만으로도 강도를 회복할 수 있다.

안경태의 도금물질로는 니켈, 황동, 크롬, 금, 은, 아연, 텅스텐, 주석 등을 혼합한다. 도금은 전처리 공정으로 탈지단계(degreasing), 녹제거(pickling), 수세처리(washing), 예열건조(drying)과정을 거친 후에 도금(galvanizing)을 하게 되고 도금상태를 검사하고 교정하는 단계가 필요하다.

알루미늄계 합금부재는 1차로 니켈기저도금을 하여 합금부재의 표면에 잔금이나 파인 홈을 충진한 뒤에 2차로 아연도금을 하면 표면이 치밀하여 광택이 좋은 제품을 만들 수 있다. 마그네슘계 함금부재는 표면의 핀홀을 제거하는 애칭작업이 필요한 경우, 1차로 니켈기저도금을 하여 표면을 평활하게 하고 2차도금재로는 독성이 없는 크롬을 사용하기도 한다.

최근에는 니켈과 티탄의 특정한 비율(원자비 1:1과 이와 비슷한 질량)로 조성된 니켈-티탄계 합금이 독특한 물성을 나타내는 것이 확인되어 신소재로서 여러 분야에서 주목을 받고 있다. 특히 가볍고 견고하나 부속물의 접합이 까다로워서 쉽게 활용할 수가 없었던 고탄성 티타늄계 함금부재는 용접이나 볼트-너트결합부의 용접이 없는 본 발명의 부재로서 적합하다고 하겠다.

예컨대 부여된 형상의 기억열처리를 통하여 대단히 우수한 기억효과가 얻어진다는 점에서 의료분야나 공기조화설비 및 의류용 심재와 안경태 소재로 그 용도가 다양해지고 있다.

20-0229466, 10-0686657, 10-0436597

디자이너를 위한 공업재료, 이희찬외 공저, 창문각, 1987

종전의 뿔태와 철태안경이 무겁고 변질이 잘되고 견고성에서 이용자들의 불만이 많아 가볍고 견고한 합금태안경이 많이 출시되고 있다. 이러한 합금태안경은 착용감이 양호하나 재질과 구조적 복잡성으로 인하여 제조과정이 번거롭고 수반되는 보조작업이 많아 품이 많이 들어가므로 생산성 저하와 원가상승의 요인이 되어 왔다. 2개의 림에 각각 브리지와 코패드 및 안경다리를 결속하는 앤드피이스를 용접하거나 정밀한 아르곤가스 고주파접합을 하여 결합시키고 여기에 안경알을 고정시키는 볼트-너트 결합부를 부착하는 공정을 거쳐야만 안경태의 전면부를 완성할 수가 있다.

뿐만 아니라 니켈-티탄계의 형상기억합금이나 초탄성 합금부재는 이종금속의 접합성이 나빠서 안경 태처럼 좁은 접합면으로 용접시키는 경우에 리벳이나 고정나사 등의 고정구를 사용하여 기계적으로 접합하거나 부재의 표면에 접합하기 쉬운 금속으로 1차 도금을 한 뒤에 다시 그 도금금속을 매개로 하여 접합을 해야하는 번거롭고 비능률적인 폐단이 있었다. 뿐만 아니라 접합면적을 결합부의 지름보다 작게 할 수가 없는 결점도 있었다.

본 발명이 해결하려는 과제는 가볍고 착용감이 우수하며 견고한 구조일 뿐만 아니라 제조원가가 저렴한 금속제 안경태를 제조하기위한 과제로 성형성과 가공성이 양호한 부재를 선별하고 제조공정이 심풀한 림의 구조를 디자인 하여 능률적인 성형과 가공설비를 구비하여 생산원가를 크게 절감하는 것이다.

일체형 림의 부재로는 알루미늄계와 마그네슘계 및 티타늄계 합금부재가 가볍고 견고하며 성형성이 양호한 물성을 갖고 있다.

구체적인 알루미늄계 합금부재의 선별기준으로서 불순물의 함량은 Si : 0.32 ~0.6질량%, Mg : 0.3~1질량%, Fe : 0.5질량%이하, Cu : 0.5질량%를 함유하는 것이 바람직하다. 그리고 미세한 결정조직을 조성하는 물질인 Ti : 0.1질량%이하나 B : 0.1질량%이하 중 어느 한 물질을 함유하고, 열간압연과 냉간압연공정에서 200~400℃로 한 시간 이상유지하는 열처리를 받아 미세한 Mg2Si결정구조를 갖고 있는 뚜께는 2㎜, 넓이는 4㎝의 판재가 프레스성형가공에 바람직하다.

다음으로 니켈-티탄계 합금부재로는 형상기억과 초탄성의 물성을 갖는 금속재로서 Ni함유량이 60~40질량%, Ti함유량이 40~60질량% 영역 안에 드는 부재가 좋다. 그리고 10질량% 범위 내에서 불순물인 V, Al, Co, Cr, Cu, Nb, Zr 중 한두 가지가 혼합되어 치환된 원소구조를 포함하는 합금부재도 사용할 수가 있다. 판형부재의 뚜께는 2㎜이고 넓이는 4㎝인 것이 적당하다.

안경태의 구조와 디자인은 제조공정을 단순화 하고 생산성을 높이는 관건이 된다. 따라서 두 개의 림과 브리지 및 앤드피이스를 동일 부재로 일체화 하여 동시에 프레스단조로 성형하는 것은 필수조건이라 하겠다. 그리고 부득이한 코패드아암이나 안경다리도 용접이나 볼트-너트 결합부를 접합하지 않고 클립구조로 하면 제조공정이 대폭적으로 간소화가 이루어진다.

그리고 프레스단조의 성형공정에서 함금부재의 시효경화회복처리를 동시에 함으로서 연속하여 밀링공정으로 림의 요홈을 가공한다면 50~130℃의 저온에서도 쉽게 변형가공이 될 것이다. 또한 도금이나 도장가열로도 합금부재의 강도를 회복하는 공정을 거치게 한다면 제조공정은 더욱 간명해 지고 능률적이 된다.

그 동안 업계는 합금물질의 특성을 심도있게 연구하고 개량하여 금속안경태의 이종부재간 접합기술을 발전시켜왔지만 코닥처럼 디지털기술의 발전으로 그 복잡하고 미묘한 필림제조기술의 첨단이 무용지물이 되었듯이 공정이 복잡하고 품이 많이 드는 합금태의 접합기술도 일체형 림의 디자인과 결합구조의 제안으로 그 소명을 달리할 때가 올 수도 있을 것이다.

볼트-너트의 조인트나 용접이 없는 일체형 림구조를 갖는 안경태제조기술은 용접가스의 발생과 에너지효율이 높아 친환경적이고 안경산업분야에 저렴한 생산원가로여새로운 장을 열어갈 것이다.

1 도: 일체형 림구조 안경태의 제작공정도
2 도: 일체형 림구조 안경태의 부품배열사시도
3 도: 부품단조용 평면도
4 도: 프레스단조장치의 입면도
5 도: 림요홈 성형장치의 입면도
6 도: 체결된 일체형 림구조 안경태사시도

제품의 특성과 용도에 맞는 합금부재의 선정을 마무리하고 나면 제조과정을 단순화할 수 있는 일체형 림의 구조를 갖는 안경태를 디자인하는 단계가 중요하다. 안경알은 일정기간이 지나면 유리표면의 손상과 시력의 변화에 따른 조정을 위하여 갈아 끼울 필요가 있다. 따라서 림의 결속을 풀거나 조이기 위하여 볼트-너트 결속구가 부착되어야 하지만 그 용접과정이 간단치가 않고 착용 시는 외부의 충격으로 파손되는 경우가 잦았다.

도 2에서 보는 바와 같이 본 발명에서 제안하는 일체형 림의 구조는 볼트-너트 조인트를 배제한 구조로서 양단의 앤드피이스(4)와 좌우 림(1) 및 이를 연결하는 중앙의 브리지(2)는 상하로 분리하여 동일한 부재로 일체를 이루도록 하였다. 안경알의 탈착은 상하 일조로 되어있는 브리지(2)를 압착하는 클립(11)을 해체하거나 채움으로서 해결하게 되므로 이종재료의 접합이나 볼트-너트 조인트를 용접하는 번거로움을 배제할 수가 있다.

도 3에서 도시한 클립(11)의 평면도는 일체로 디자인한 코패드아암을 절곡한 뒤에 코패드를 부착하는 구조를 제안하여 클립을 채우면 별도로 코패드아암을 림에 용접할 필요가 없다. 이러한 클립의 앙력은 외부의 상당한 충격에도 안경알이 이탈하지 않도록 결속력을 가져야 하므로 탈착공구가 아니면 20kgf의 외력에도 견딜 수 있는 고정성을 부여한다.

안경다리(6)도 별도의 볼트-너트 조인트를 용접할 필요가 없는 결합구조로 디자인하여 프레스단조와 절곡작업만으로 결합체(7)를 조성하였다. 이러한 안경다리의 결합구조는 견고성과 착용감이 좋아야 할 뿐만 아니라 외부의 충격에 대한 흡수력과 사후 복원력도 구비되어야 한다. 이러한 기능을 구비하기 위하여 안경다리결합부(7)의 상단날개를 내측으로 절곡하여 일부가 분리된 스프링설편(8)을 구성하고 그 끝단을 구부려 앤드피이스의 연결홈(5)에 걸리게 하였다. 이러한 결속은 평상시는 스프링설편(8)의 쿠션작용으로 착용감이 좋으나 외부의 충격이 클 때는 부러지거나 파단이 일어나지 않고 안경다리(6)가 180°벌려지더라도 복원하면 착용에 불편함이 없도록 창안하였다. 그리고 안경다리의 결합부의 상하유동성은 앤드피이스(4)를 에워싸고 있는 안경다리 결합부(7)의 상하양측의 절곡면과 연결홈(5)을 걸고 있는 내부의 스프링설편(8)에 의하여 구속되어 있으므로 유격이 적을 뿐 아니라 접철이 부드럽다.

이러한 일체형 림을 성형하기 위한 프레스단조장치의 구조를 도 4에서 살펴보면 1단계로 펀치를 압착하여 일체형 림의 구조를 성형하는 과정과 2단계로 브리지(2)와 림(1)을 만곡시키며 앤드피이스(4)를 압착하여 일체형 림의 부위별 뚜께와 구부림을 조성하는 과정과 3단계로 결합구(5)를 펀칭하는 과정이 연속하여 진행된다.

이러한 압착과 구부림은 시효경화를 회복처리 하는 기능을 수반하게 되므로 합금부재의 결정조직에 연성이 발생하고 신율이 늘어나 림(1)의 안경알 고정요홈(3)을 성형하는 밀링작업이 50~130℃의 저온에서도 가능하게 한다.

도 5에서 보는 바와 같이 밀링장치의 몰드(19)에 일체형 림(1)을 크램프시킨 다음, 중앙의 브리지(2)에는 요철성형체(26)를 채우고 양단의 앤드피이스(4)는 안으로 90°를 절곡하는 압착을 가한다. 그리고 몰드(19)를 지지하는 핸들러(20)는 기우려 롤(21)에 접착하여 몰드확대단면도와 같이 림(1)을 물고 있는 몰드(19)의 괘적을 따라 롤링함으로서 요홈(3)을 성형한다. 동시에 좌우 림(1)에 요홈(3)을 성형하는 띠(22)를 중앙부에 형성하고 있는 롤(21)이 림(1)을 롤링하는 압력은 80kgf 이상이 필요하다.

도 3의 안경다리결합체(7)은 평면도와 같이 좌우가 대칭이 되도록 프레스단조하여 각각 상하단을 내측으로 절곡하고 스프링설편(8)은 그 끝단을 외향으로 구부려 앤드피이스(4)의 연결홈(5)에 걸도록 성형한다.

브리지클립(11)은 도 3의 평면도에 도시하고 있는 바와 같이 코패드아암과 일체로 프레스단조하여 절곡함으로 클립(11)과 코패드아암(12)을 형성시키고 클립의 상하측면에 내향하는 돌출턱(14)을 구축하여 브리지(2)의 상하측면에 파놓은 요홈(15)에 걸리도록 하여 쉽게 이탈되지 않도록 하였다.

이러한 과정으로 제조되는 일체형 림구조의 안경태는 용접접합과 볼트-너트 조인트가 배제됨으로 용접가스가 발생하는 일이 없을 뿐만 아니라 공정이 심플하고 능률적이어서 제조원가가 저렴하다.

도금과 가열처리과정에서 합금부재의 강성이 회복되면 코패드(13)와 귀걸이(10)를 부착한 다음, 장식을 장착하면 안경태부품은 제작이 마무리 된다.

그리고 일체형 림(1)과 브리지클립(11) 그리고 안경다리(6)를 결합하면 볼트-너트 조인트나 용접접합이 없는 안경태가 도 6과 같이 완성되는 것이다.

일체형 림구조로 된 안경태의 제조기술은 대기업부다는 중소기업이나 가내 수공업의 영역으로 독특한 부재의 물성과 디자인의 개성을 잘 살려낼 수 있는 전문기업을 육성하기에 적합한 창업아이템이다. 그리고 사전에 가공변형을 부여하는 시효경화 회복처리를 하면 소형로와 4T이하의 프레스단조설비와 밀링설비 및 도금설비로도 완제품을 생산할 수 있으므로 설비부담이 적어 상용화가 용이한 모노림 안경태의 구조와 제조방법의 제안이라 하겠다.

1 림, 2 브리지, 3 림요홈 4 앤드피이스, 5 안경다리걸이홈, 6 안경다리, 7 안경다리결합체, 8 스프링설편, 9 스프링설편홈, 11 브리지클립, 12 코패드아암, 13 코패드, 14 클립돌출턱, 15 브리지요홈, 16 펀치, 17 프레스다이, 18 합급부재, 19 몰드크렘퍼, 20 핸들러, 21 롤러, 22 돌출띠, 23 구동기아, 24 구동모터, 25 브리지압착펀치, 26 요철성형철물 27 앤드피이스절곡펀치

Claims (2)

1. 탄력성과 형상고정성이 좋은 합금부재를 도 2와 같이 브리지(2)를 상하일조로 분리하는 일체형 림(1)과 코패드아암과 일체를 이루는 브리지클립(11) 및 스프링설편(8)으로 결속하는 안경다리결합체(7)로 구분하여 프레스단조로 성형한 다음 안경알을 고정하는 림의 요홈(3)을 압착밀링으로 성형하여 볼트-너트 조인트나 용접작업을 하지 않고 안경태를 결합하는 것을 특징으로 하는 일체형 림의 안경태구조와 제조방법
2. 청구항 1에 있어서 안경다리를 연결할 때 용접이나 볼트-너트 연결구를 부착하지 않고 안경다리의 상하측면에 확장한 날개를 절곡하여 "C"찬넬모양으로 앤드피이스(4)를 감싸도록 만들고, 한번 더 하향으로 절곡한 상단날개의 일부가 분리된 스프링설편(8)을 조성하여 그 구부린 끝단을 앤드피이스홈(5)에 걸어 채결하는 것을 특징으로 하는 안경다리결합구조

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