KR20130120681A - 전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치 및 그 스피닝공법 - Google Patents

전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치 및 그 스피닝공법 Download PDF

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홍성태
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세종공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 전류밀도를 인가하는 방식으로 스피닝공정을 진행함으로써 월등히 높은 성형성을 부여할 수 있는 전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치 및 그 스피닝공법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치는, 금속 관소재를 고정하는 복수의 척부재를 클램프유닛; 상기 금속 관소재의 단부를 축경방향으로 가압하면서 축경가공하는 복수의 스피닝롤러를 가진 스핀들유닛; 및 상기 금속 관소재 측으로 전류를 인가하는 전류 인가부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치 및 그 스피닝공법{ELECTRICALLY ASSISTED SPINNING APPARATUS AND THE SPINNING METHOD}
본 발명은 스피닝장치 및 스피닝공법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류밀도를 인가하는 방식으로 스피닝공정을 진행함으로써 월등히 높은 성형성을 부여할 수 있는 전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치 및 그 스피닝공법에 관한 것이다.
널리 주지된 바와 같이, 스피닝공법은 원통상의 금속 관소재의 단부에 축경부를 형성하는 일반적인 단부성형방법으로, 관소재를 척(chuck) 또는 클램프 등으로 지지하고, 관소재의 축을 중심으로 회전구동함과 동시에 동축방향으로 스피닝롤러를 축경방향으로 이동시켜 가공함으로써 테이퍼부 및 목부(neck portion)로 이루어지는 축경부를 형성하도록 구성되어 있다.
한편, 이러한 스피닝가공은 내연(內燃) 엔진의 머플러(muffler), 촉매 컨버터(catalyst converter), 및 기타 배기시스템의 부품 등의 단부에 축경부를 가공하는 데 주로 이용되고 있다.
하지만, 종래의 스피닝가공 방식은 스피닝롤러의 가압에 의해 금속 관소재의 단부를 소성가공하는 방식으로 이루어짐에 따라 금속 관소재의 고유 성형한계(forming limit)를 가지고 있으므로 변형하는데 여러 제한이 뒤따르고, 이로 인해 그 가공의 정밀성 및 한계가 클 뿐만 아니라 제조시간 및 비용 소모가 높은 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 금속 관소재 측에 전류를 인가하면서 스피닝롤러에 의한 가압성형을 적용함으로써 금속 관소재의 성형성이 일시적으로 비약적으로 향상시킬 수 있고, 이를 통해 단시간 내에 적은 생산비용으로 높은 정밀도의 제품을 가공할 수 있는 전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치 및 그 스피닝공법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치는,
금속 관소재를 고정하는 복수의 척부재를 클램프유닛;
상기 금속 관소재의 단부를 축경방향으로 가압하면서 축경가공하는 복수의 스피닝롤러를 가진 스핀들유닛; 및
상기 금속 관소재 측으로 전류를 인가하는 전류 인가부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 인가부의 (+)전극단자는 상기 스피닝롤러 측에 전기적으로 접속되고, 상기 전류 인가부의 (-)전극단자는 상기 척부재 측에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 인가부의 (+)전극단자는 상기 스피닝롤러 측에 전기적으로 접속되고, 상기 전류 인가부의 (-)전극단자는 상기 금속 관소재 측에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 인가부의 (+)전극단자는 상기 복수의 스피닝롤러 중에서 일측의 스피닝롤러 측에 전기적으로 접속되고, 상기 전류 인가부의 (-)전극단자는 상기 복수의 스피닝롤러 중에서 타측의 스피닝롤러 측에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전류밀도 인가를 이용한 스피닝공법은,
금속 관소재를 척부재에 의해 고정하는 고정단계; 및
상기 금속 관소재의 단부를 복수의 스피닝롤러에 의해 축경방향으로 가압하면서 축경가공하는 축경단계;로 이루어지고,
상기 축경단계 시에 상기 금속 관소재 측에 전류를 인가하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류의 인가는 상기 스피닝롤러 측에 (+)전극을 접속하고, 상기 척부재 측에 (-)전극을 접속하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류의 인가는 상기 스피닝롤러 측에 (+)전극을 접속하고, 상기 금속 관소재 측에 (-)전극을 접속하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류의 인가는 상기 복수의 스피닝롤러 중에서 일측의 스피닝롤러 측에 (+)전극을 접속하고, 상기 복수의 스피닝롤러 중에서 타측의 스피닝롤러 측에 (-)전극을 접속하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 스피닝롤러에 의해 금속 관소재의 단부를 축경가공하는 도중에 금속 관소재 측에 전류를 인가하여 금속 관소재의 성형성이 대폭 향상시킬 수 있고, 이를 통해 복잡한 형태의 최종제품을 단시간 내에 적은 생산비용으로 정밀하게 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 따른 전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 전류인가부의 접속구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 전류인가부의 접속구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 전류인가부의 접속구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 전류밀도 인가를 이용한 스피닝공법을 도시한 공정도이다.
도 6은 본 발명에 이용되는 전류밀도의 인가에 의한 인장하중 인가시의 연신률 증가를 나타내는 예시적인 그래프이다.
도 7은 본 발명에 이용되는 전류밀도의 인가에 의한 압축하중 인가시의 성형성 변화를 나타내는 예시적인 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치는 금속 관소재(1)를 고정하는 클램프유닛(10), 금속 관소재(1)의 단부(2)를 축경하는 스핀들유닛(20), 금속 관소재(1) 측으로 전류를 인가하는 전류 인가부(30)를 포함한다.
클램프유닛(10)은 복수의 척부재(11)를 가지고, 복수의 척부재(11)는 금속 관소재(1)의 외주면을 견고하고 안정적으로 고정하도록 구성된다.
스핀들유닛(20)은 복수의 스피닝롤러(21)를 가지며, 스핀들유닛(20)은 금속 관소재(1)의 축선을 기준으로 회전하도록 구성된다.
복수의 스피닝롤러(21)는 스핀들유닛(20)이 회전함에 따라 금속 관소재(1)의 축경방향으로 왕복이동하면서 금속 관소재(1)의 단부(2)를 축경가공하도록 구성된다.
전류인가부(30)는 스피닝롤러(21)에 의해 축경가공되는 금속 관소재(1)의 단부(2) 측에 일정한 전류를 인가하는 (+)전극단자(31), (-)전극단자(32)를 가지고, 금속 관소재(1)의 단부(2) 측에 높은 전류밀도(전압은 낮음)를 인가할 경우 금속 관소재(1)의 단부(2)에 대한 강도가 현격하게 낮아져 연신율이 비약적으로 향상됨에 따라 스피닝롤러(21)에 의한 금속 관소재(1)의 축경가공을 보다 정밀하고 용이하게 이루어질 수 있다.
이와 같이, 전류인가부(30)를 통해 금속 관소재(1)의 단부(2) 측으로 전류를 인가하면, 전자가 이동할 때 운동에너지 형태로 격자장애물에 에너지를 전달함으로써 금속 결합이 약화되어 전위가 격자 장애물을 쉽게 통과하면서 변형력은 낮아지고 인성은 증가하는 현상을 응용한 것이다.
또한, 전류의 인가를 통한 스피닝가공이 완료된 후에는 전류를 제거하면 금속 관소재(1)는 기존의 물성치의 대부분을 회복하고, 스피닝 가공 중에 전류밀도는 국부적으로 성형되고 있는 부위에만 가해지므로 실질적으로 작업에 소요되는 전류양은 높지 않다.
한편, 도 6은 미국 Pacific Northwest National Laboratory(PNNL)와 Pennsylvania State University(PSU) 및 울산대학교에서 수행한 선행연구의 결과그래프로서, 도 6에 따르면 알루미늄 5754에 90A/mm2의 전류밀도를 주기적으로 인가함으로서 인장하중 하에서 전기저항에 의한 온도 상승의 영향을 최소화한 상태로 400%까지 소재의 연신율을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 압축하중의 경우에는 인장의 경우와 달리 단순히 공정 중 일정한 전류밀도를 유지시켜 주는 것만으로도 높은 성형성의 향상을 유도할 수 있다. 도 7은 마그네슘 합금의 전류밀도 하에서의 압축 성형성 변화 결과를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 전류인가부의 접속구조를 도시한 도면으로, 도시된 바와 같이 전류인가부(30)의 (+)전극단자(31)는 스피닝롤러(21) 측에 전기적으로 접속되고, 전류인가부의 (-)전극단자(32)는 척부재(11) 측에 전기적으로 접속된다. 이에 의해, 스피닝롤러(21)에서 척부재(11) 측으로 금속 관소재(1)의 단부(2)를 통과하면서 전류가 통전된다(화살표 A 참조).
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 전류인가부의 접속구조를 도시한 도면으로, 도시된 바와 같이 전류인가부(30)의 (+)전극단자(31)는 스피닝롤러(21) 측에 전기적으로 접속되고, 전류인가부의 (-)전극단자(32)는 금속 관소재(1) 측에 전기적으로 접속된다. 이에 의해, 스피닝롤러(21)에서 금속 관소재(1)의 단부(2) 측으로 전류가 통전된다(화살표 B 참조).
도 4은 본 발명의 제3실시예에 따른 전류인가부의 접속구조를 도시한 도면으로, 도시된 바와 같이 전류인가부(30)의 (+)전극단자(31)는 복수의 스피닝롤러(21) 중에서 일측의 스피닝롤러(21) 측에 전기적으로 접속되고, 전류인가부의 (-)전극단자(32)는 복수의 스피닝롤러(21) 중에서 타측의 스피닝롤러(21) 측에 전기적으로 접속된다. 이에 의해, 일측의 스피닝롤러(21)에서 타측의 스피닝롤러(21) 측으로 금속 관소재(1)의 단부(2)를 통과하면서 전류가 통전된다(화살표 C 참조).
도 5는 본 발명에 의한 전류밀도 인가를 이용한 스피닝공법을 도시한 공정도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 금속 관소재(1)를 복수의 척부재(11)에 의해 고정하고(S1), 금속 관소재(1)의 단부(2)를 복수의 스피닝롤러(21)에 의해 축경방향으로 가압하면서 축경가공하며(S2), 축경단계(S2) 시에는 금속 관소재(1)의 단부(2) 측에 일정한 전류를 인가하면서 금속 관소재(1)의 단부(2)에 대한 스피닝가공을 완료한다(S4).
제1실시예에 따르면, 도 2와 같이 전류의 인가 시에 스피닝롤러(21) 측에 (+)전극을 접속하고, 척부재(11) 측에 (-)전극을 접속함으로써 금속 관소재(1)의 단부(2) 측에 화살표 A방향으로 전류를 통전하도록 한다.
제2실시예에 따르면, 도 3과 같이 전류의 인가 시에 스피닝롤러(21) 측에 (+)전극을 접속하고, 금속 관소재(1)의 단부(2) 측에 (-)전극을 접속함으로써 금속 관소재(1)의 단부(2) 측에 화살표 B방향으로 전류를 통전하도록 한다.
제3실시예에 따르면, 도 4와 같이 전류의 인가 시에 복수의 스피닝롤러(21) 중에서 일측의 스피닝롤러(21) 측에 (+)전극을 접속하고, 복수의 스피닝롤러(21) 중에서 타측의 스피닝롤러(21) 측에 (-)전극을 접속함으로써 금속 관소재(1)의 단부(2) 측에 화살표 C방향으로 전류를 통전하도록 한다.
본 발명에 의하면, 스피닝롤러(21)에 의해 금속 관소재(1)의 단부(2)를 축경가공하는 도중에 금속 관소재(1)의 단부(2) 측에 전류를 인가하여 금속 관소재(1)의 축경가공(스피닝가공)에 대한 성형성이 대폭 향상시킬 수 있고, 이를 통해 복잡한 형태의 최종제품을 단시간 내에 적은 생산비용으로 정밀하게 제조할 수 있는 장점이 있다.
1: 금속 관소재 2: 단부
10: 클램핑유닛 11: 척부재
20: 스핀들유닛 21: 스피닝롤러
30: 전류인가부 31: (+)전극단자
32: (-)전극단자

Claims (8)

  1. 금속 관소재를 고정하는 복수의 척부재를 클램프유닛;
    상기 금속 관소재의 단부를 축경방향으로 가압하면서 축경가공하는 복수의 스피닝롤러를 가진 스핀들유닛; 및
    상기 금속 관소재 측으로 전류를 인가하는 전류 인가부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 인가부의 (+)전극단자는 상기 스피닝롤러 측에 전기적으로 접속되고, 상기 전류 인가부의 (-)전극단자는 상기 척부재 측에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 인가부의 (+)전극단자는 상기 스피닝롤러 측에 전기적으로 접속되고, 상기 전류 인가부의 (-)전극단자는 상기 금속 관소재 측에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 인가부의 (+)전극단자는 상기 복수의 스피닝롤러 중에서 일측의 스피닝롤러 측에 전기적으로 접속되고, 상기 전류 인가부의 (-)전극단자는 상기 복수의 스피닝롤러 중에서 타측의 스피닝롤러 측에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 전류밀도 인가를 이용한 스피닝장치.
  5. 금속 관소재를 척부재에 의해 고정하는 고정단계; 및
    상기 금속 관소재의 단부를 복수의 스피닝롤러에 의해 축경방향으로 가압하면서 축경가공하는 축경단계;로 이루어지고,
    상기 축경단계 시에 상기 금속 관소재 측에 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 전류밀도 인가를 이용한 스피닝공법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전류의 인가 시에는 상기 스피닝롤러 측에 (+)전극을 접속하고, 상기 척부재 측에 (-)전극을 접속하는 것을 특징으로 하는 전류밀도 인가를 이용한 스피닝공법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 전류의 인가 시에는 상기 스피닝롤러 측에 (+)전극을 접속하고, 상기 금속 관소재 측에 (-)전극을 접속하는 것을 특징으로 하는 전류밀도 인가를 이용한 스피닝공법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 전류의 인가 시에는 상기 복수의 스피닝롤러 중에서 일측의 스피닝롤러 측에 (+)전극을 접속하고, 상기 복수의 스피닝롤러 중에서 타측의 스피닝롤러 측에 (-)전극을 접속하는 것을 특징으로 하는 전류밀도 인가를 이용한 스피닝공법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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