KR20140032287A - 전단가공장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전단가공장치는, 통과하는 소재에 전단변형을 부여하는 전단다이스; 및 상기 전단다이스 전단에 배치되며, 상기 전단다이스의 통과를 위한 상기 소재의 압축력 발생을 보장하도록, 상기 소재가 고정된 부위에 마찰되면서 압연되게 구성되는 압축수단;을 포함한다.
이와 같은 본 발명의 전단가공장치는, 소재가 압연홀을 통과하면서 압연되는 과정에서, 고정가이드가 고정되면서 압연롤의 외주면을 따라 배치되어 기존보다 상대적으로 길게 압연홀을 형성시킴으로써, 소재에 보다 큰 마찰력을 발생시킴에 따라, 단면적이 일정하지 않은 소재가 슬립되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 고정가이드가 견고하게 위치고정된 상태를 유지함으로써, 소재가 고탄소강인 경우에도 고정가이드가 밀려나지 않게 됨에 따라, 롤 갭이 벌어지는 롤 점핑의 발생을 방지할 수 있다. 결과적으로, 고정가이드에 의해 압축력을 발생시키는 본 발명은 전단다이스에 소재를 원활하게 통과시킬 수 있도록 전단다이스에 대한 소재의 압축력 발생을 확실하게 보장할 수 있다.

Description

전단가공장치 및 방법{Apparatus and Method for shear deforming}

본 발명은 전단가공장치 및 방법으로서, 전단다이스에 소재를 원활하게 통과시킬 수 있도록 전단다이스에 대한 소재의 압축력 발생을 확실하게 보장할 수 있는 전단가공장치 및 방법에 관한 것이다.

등통로각압축성형(Equal Channel Angular Pressing)(이하, 'ECAP'이라함) 가공법은 고강도화에 효과적이나, 선재 가공에 적합하지 않고 부피가 큰 소재를 가공할 수 없다는 점이 가장 큰 단점이다.

이와 같은 ECAP 가공법의 한계를 극복한 전단신선(shear drawing) 가공법이 최근 개발되었다.

하지만 전단신선 가공법의 단점은 소재가 일정 각도를 가지는 전단다이스를 통과해야 하는데, 이러한 과정에서 전단다이스 코너 부분의 마모가 많이 된다는 점이다.

이에 초음파를 가진하여 진동을 발생시킴으로써 접촉 영역을 감소시킴에 따라 성형 하중을 감소시키는 시도가 있었으며, 역압력을 발생시켜 전단다이스 코너부에 발생하는 압축응력을 감소시킴으로써 전단다이스 수명을 향상시키는 시도가 있었다.

최근 연속 가공이 가능하면서도 기존 전단신선 가공법의 문제점을 해결할 수 있는 가공법(출원번호 제2011-0119510호)이 개발되었다. 비틀림다이스를 이용하여 전단변형을 발생시킬 수 있으며 특히, 소재가 일직선 상에서 가공이 이루어지므로 전단다이스 마모를 감소시킬 수 있다. 전단다이스 형태가 전단신선용 다이스와 달리 절곡된 부위가 없으며 타원형인 오벌(oval) 형상의 채널로 구성되어 있어 마모에 둔감하다는 특징이 있다. 아울러, 최종 원형의 신선다이스를 통과하여 원하는 단면으로 정확하게 감면시킬 수 있다.

전단다이스를 통과시키기 위해서는 인발력 외에 추가적인 압축력이 필요하며, 특히 상기와 같은 비틀림다이스를 통과하기 위해서는 더더욱 상기 압축력이 요구된다.

그러나, 도 1에 도시된 바와 같이 전단다이스(4) 전단에 배치된 기존의 압축수단(3)에서는 한 쌍의 압연롤(3a)로 소재(1)에 압축력을 발생시키면서 압연하기 때문에, 롤 점핑(roll jumping)이 발생할 수 있는 문제점이 발생한다.

특히, 고탄소강의 경우 정확하게 롤 갭(roll gap)을 유지하기가 어려워 방출량(mass flux)를 맞추기기가 어려운 실정이다.

이에 더하여, 열간에서 압연된 코일 선재를 후가공 없이 그대로 사용할 경우 단면적의 편차가 존재하고, 이로 인하여 압연롤(3a)과 소재(1) 사이에 슬립 (slip)이 발생할 수 있는 한계점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 고정가이드에 의해 압축력을 발생시킴으로써, 전단다이스에 소재를 원활하게 통과시킬 수 있도록 전단다이스에 대한 소재의 압축력 발생을 확실하게 보장할 수 있는 전단가공장치 및 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전단가공장치는, 통과하는 소재에 전단변형을 부여하는 전단다이스; 및 상기 전단다이스 전단에 배치되며, 상기 전단다이스의 통과를 위한 상기 소재의 압축력 발생을 보장하도록, 상기 소재가 고정된 부위에 마찰되면서 압연되게 구성되는 압축수단;을 포함한다.

여기에서, 상기 압축수단은, 상기 전단다이스 전단에 배치되어 회전하는 압연롤; 및 상기 압연롤의 외주부를 따라 고정되어, 사이에 진입하는 상기 소재를 상기 압연롤과 함께 압연하는 고정가이드;를 구비하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 고정가이드는, 소재에 대한 압연이 이루어지도록 상기 압연롤의 외주부를 따라 이어지는 압연가이드부가 형성되며, 상기 압연가이드부의 길이변화에 따라 압축력이 변화되는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 압연롤과 상기 압연가이드부에는 서로 대응되게 각각 공형홈이 형성될 수 있다.

그리고, 상기 전단다이스는 소재가 통과하는 전단홀이 비틀림 구조인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 소재에 전단변형을 부여하는 전단단계; 및 상기 전단단계 이전에, 진행 측으로의 상기 소재의 압축력 발생을 보장하도록, 상기 소재를 고정된 부위에 마찰시키면서 압연하는 압축력 발생단계;를 포함하는 전단가공방법이 제공된다.

이때, 상기 압축력 발생단계는, 상기 소재가 회전하는 압연롤과 고정된 고정가이드 사이를 통과하면서 압연되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 본 발명의 전단가공장치 및 방법은, 소재가 압연홀을 통과하면서 압연되는 과정에서, 고정가이드가 고정되면서 압연롤의 외주면을 따라 배치되어 기존보다 상대적으로 길게 압연홀을 형성시킴으로써, 소재에 보다 큰 마찰력을 발생시킴에 따라, 단면적이 일정하지 않은 소재가 슬립되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.

또한, 고정가이드가 견고하게 위치고정된 상태를 유지함으로써, 소재가 고탄소강인 경우에도 고정가이드가 밀려나지 않게 됨에 따라, 롤 갭이 벌어지는 롤 점핑의 발생을 방지할 수 있는 장점을 지닌다.

결과적으로, 고정가이드에 의해 압축력을 발생시키는 본 발명은 전단다이스에 소재를 원활하게 통과시킬 수 있도록 전단다이스에 대한 소재의 압축력 발생을 확실하게 보장할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 종래기술에 따른 전단가공장치를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전단가공장치를 나타낸 도이다.
도 3은 도 2의 전단가공장치에서 압축수단에서의 압연롤과 고정가이드의 공형홈에 의해 형성되는 압연홀을 나타낸 평면도이다.
도 4(a)는 도 3의 압연홀의 입측과 출측을 각각 나타낸 도이며, 도 4(b)는 도 2의 전단다이스의 전단홀 입측과 출측을 각각 나타낸 도이고, 도 4(c)는 도 2의 신선다이스의 신선홀 입측과 출측을 각각 나타낸 도이다.

본 발명의 전단가공장치는, 전단다이스에 소재를 원활하게 통과시킬 수 있도록 전단다이스에 대한 소재의 압축력 발생을 확실하게 보장할 수 있도록, 회전하는 압연롤과 함께 고정된 고정가이드에 의해 소재에 압축력을 발생시키도록 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전단가공장치를 나타낸 도이고, 도 3은 도 2의 전단가공장치에서 압축수단에서의 압연롤과 고정가이드의 공형홈에 의해 형성되는 압연홀을 나타낸 평면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명은 소재(1)에 전단변형을 부여하는 전단다이스(40)와, 상기 전단다이스(40) 전단에 배치된 압축수단(30)을 포함한다.

상기 전단다이스(40)는 내부에 형성된 전단홀(40a)을 소재(1)가 통과하는데, 이와 같이 통과하는 소재(1)에 전단변형을 부여하여 소재(1)의 비틀림 특성을 강화시키는 역할을 수행한다.

이러한 전단다이스(40)는 소재(1)가 통과하는 전단홀(40a)이 비틀림 구조로 형성될 수 있다.

구체적으로, 상기 전단다이스(40)는 소재(1)가 통과되도록 입구 및 출구를 포함하는 전단홀(40a)이 형성되어 있다.

이러한 전단홀(40a)은 입구로부터 출구까지 연장되는 그 단면이 점차적으로 회전하는 구조의 비틀림 구조로 구성될 수 있다.

전단다이스(40)에서 입구와 출구는 동일한 단면의 개구로 형성되나, 출구는 비틀림 구조부에 의하여 입구에 대하여 소정의 각으로 회전된다. 일례로서 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 출구의 단면은 입구의 단면에 대하여 90°의 각으로 회전될 수 있다.

이와 같이 전단다이스(40)의 전단홀(40a)은 단면의 형상에는 변화없이 단면을 연속적으로 회전시키므로, 전단다이스(40)를 통과하는 소재(1)는 단면의 변화 없이 비틀림 변형을 받게 되어 전단변형이 발생한다.

물론, 전단다이스(40)는 소재(1)를 비틀어 전단변형시킨다면, 입구와 출구의 단면 형상이 필요에 따라서 일치하지 않을 수도 있으며, 나아가 단면 감소를 위하여 입구의 단면적 대비 출구의 단면적을 작게 하는 것도 가능하다.

상기와 같이 본 발명은 기존의 전단다이스와는 달리 절곡되거나 굴곡된 절곡부 또는 굴곡부가 없음으로써, 소재(1)가 전단변형 중에 전단홀(40a)에 상대적으로 마찰 정도가 현저히 낮음에 따라, 전단홀(40a) 전반에서 걸쳐 균등하게 마모가 발생하게 되며, 일 부분에 마모가 집중되지 않는다.

또한, 비록 전단다이스(40)가 마찰에 의해서 전체적으로 일정 정도 마모되더라도, 입구와 출구의 형상이 변화하는 것은 아니므로 전단다이스(40)로 소재(1) 비틀림 변형을 부여하는 데는 어려움이 없으며, 따라서, 본 발명의 전단다이스(40)에 의한 가공든 마모에 민감하지 않은 가공이 될 수 있다.

또한, 전단변형을 부여함에 있어서 입구에 대하여 회전되는 출구의 각의 정도를 조절하는 것으로 전단변형량을 조절할 수 있다.

본 발명의 전단다이스(40)의 경우에 전단홀(40a)의 단면을 회전시키면서 전단변형을 부여하기 때문에, 전단홀(40a)의 단면이 원형인 경우에는 단면이 회전되더라도 전단변형이 발생하지 않을 수 있으므로, 전단홀(40a)의 단면은 원형이 아닌 것이 바람직하며, 일례로서 타원형 혹은 각형일 수 있다.

여기에서 비틀림구조의 상기 전단홀(40a)의 입구는 도 4(b)에 도시된 바와 같이 압축수단(30)의 출구와 동일 형상인 수평 타원형 구조를 취할 수 있고, 출구는 수평 타원형인 입구와 다르게 90°회전되어 수직 타원형 구조를 취할 수 있다.

상기와 같은 전단다이스(40)는 통과하는 소재(1)에 전단변형을 부여하면서 소재(1)가 신선되는 구성으로서, 나아가 기존의 연속전단 가공장치(출원번호 제2010-0115292)가 사용될 수 있으며, 이에 한정되지 않고 종래의 어떠한 전단변형을 부여하는 장치도 활용될 수 있음은 물론이다.

그리고, 본 발명은 전단다이스(40)의 후단에 배치되어, 소재(1)의 단면형상을 최종규격형상으로 교정하도록 교정홀(50a)이 형성된 신선다이스(50)를 더 포함할 수 있다.

상기 신선다이스(50)는 소재(1)가 통과되도록 그 진행방향으로 교정홀(50a)이 형성되는데, 이러한 교정홀(50a)은 그 단면형상이 최종규격형상으로 형성됨으로써, 소재(1)가 인장력에 의해 감면되는 과정에서 전단변형으로 변형된 부분을 교정하면서 최종규격의 단면으로 신선할 수 있다.

여기에서 상기 교정홀(50a)의 입구는 도 4(c)에 도시된 바와 같이 전단다이스(40)의 출구와 동일 형상인 수직 타원형 구조를 취할 수 있고, 출구는 최종규격형상으로서 원형 구조를 취할 수 있다.

한편, 상기 압축수단(30)은 전단다이스(40) 전단에 배치되어, 전단다이스(40)에 소재(1)를 통과시키도록 상기 전단다이스(40)에 대한 소재(1)의 압축력 발생을 보장하는 역할을 수행한다.

즉, 상기 압축수단(30)은 전단다이스(40)를 통과하기 위해 필요한 인발력과는 별도의 추가적인 압축력을 발생시키며, 이러한 압축력의 발생을 유지하기 위해 롤 점핑이나 슬립이 발생하지 않도록 한다.

구체적으로, 상기 압축수단(30)은 회전하는 압연롤(31)과, 상기 압연롤(31)의 일측에 고정배치된 고정가이드(32)를 구비할 수 있다.

상기 압연롤(31)은 전단다이스(40) 전단에 배치되어 회전하고 외주면을 따라 소재(1)가 인입되어 통과하는 공형홈(31a)이 형성되며, 이러한 압연롤(31)은 종래기술에 따른 압연롤이 활용될 수 있다.

또한, 상기 고정가이드(32)는 상기 압연롤(31)의 외주부를 따라 고정되어, 사이에 진입하는 소재(1)를 상기 압연롤(31)과 함께 압연하도록 구성된다.

여기에서, 상기 고정가이드(32)는 소재(1)에 대한 압연이 이루어지도록 압연롤(31)의 외주부를 따라 이어지는 압연가이드부(32)가 형성되며, 상기 압연가이드부(32)와 압연롤(31)에는 서로 대응되게 각각 공형홈(31a)(32a)이 형성된다. 이와 같이 서로 대응되는 공형홈(31a)(32a)은 압연홀(30a)을 형성시킨다.

여기에서, 상기 압연홀(30a)의 입구는 도 4(a)에 도시된 바와 같이 원형 구조를 취할 수 있고, 출구는 타원형 구조를 취할 수 있다.

이때, 상기 압연홀(30a)의 출구 측으로 점차적으로 형성되는 타원형, 즉 오벌(oval) 공형 형상은 폭(W), 깊이(D), 반경(R), 모서리 반경(r)으로 정의되며, 압연롤(31)과 고정가이드(32)의 사이 간격은 롤 갭(G)으로 정의된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 압축수단(30)을 기존의 압축수단(도 1의 3)과 비교하여 살펴보기로 한다.

소재(1)를 압연하면서 전단다이스(40) 측으로 압축력을 발생시킬 때, 기존의 압축수단(도 1의 3)은 한 쌍의 압연롤(도 1의 3a)에 의해 형성되는 압연홀의 길이가 짧아서, 본 발명과 비교하여 상대적으로 짧은 압연구간을 형성시킴으로써 압연홀에 대한 소재의 마찰 발생구간이 작고, 통과하는 소재의 경도가 높음에 따라 한 쌍의 압연롤 사이의 롤 갭이 커질 수 있다.

아울러 기존의 한 쌍의 압연롤은 둘 다 회전함에 따라, 단면적이 일정하지 않는 소재가 압연홀을 통과하면서 슬립될 수 있다.

이에 반하여, 본 발명의 압축수단(30)은 압연롤(31)만이 회전하게 되며 상기 고정가이드(32)는 고정된 상태를 유지하게 된다.

이에 의해 소재(1)는 압연홀(30a)을 통과하면서 압연되는 과정에서, 고정가이드(32)의 공형홈(32a)이 고정되면서 압연롤(31)의 외주면을 따라 배치되어 기존보다 상대적으로 길게 압연홀(30a)을 형성시킴으로써, 소재(1)에 보다 큰 마찰력을 발생시킴에 따라, 단면적이 일정하지 않은 소재(1)가 슬립되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 고정가이드(32)가 견고하게 위치고정된 상태를 유지함으로써, 소재(1)가 고탄소강인 경우에도 고정가이드(32)가 밀려나지 않게 되어, 롤 갭이 벌어지는 롤 점핑의 발생을 방지할 수 있다.

결과적으로, 고정가이드(32)를 가진 본 발명의 압축수단(30)은 전단다이스(40)에 소재(1)를 원활하게 통과시킬 수 있도록 전단다이스(40)에 대한 소재(1)의 압축력 발생을 확실하게 보장할 수 있다.

나아가, 상기 고정가이드(32)는 압연가이드부(32)의 길이변화에 따라 압축력을 변화시킬 수 있다.

즉, 고정가이드(32)에서 공형홈(32a)이 형성된 압연가이드부(32)는 압연롤(31)의 외주부를 따라 배치되는데, 이러한 압연가이드부(32)가 형성된 길이에 따라 소재(1)가 통과하는 압연홀(30a)이 변화된다.

이에 따라, 상기 압연가이드부(32)의 길이가 길수록 전단다이스(40)에 대한 소재(1)의 압축력이 커지며, 압연가이드부(32)의 길이가 짧을수록 전단다이스(40)에 대한 소재(1)의 압축력이 작아진다.

결과적으로, 압연가이드부(32)의 길이를 변화시켜 소재(1)에 대한 압축력을 변화시킴으로써, 소재(1)가 전단다이스(40)를 원활하게 통과할 수 있도록 하는 적정한 압축력을 발생시킬 수 있다.

그러면, 여기부터 상기와 같이 구성되는 전단가공장치에 의한 전단가공방법에 대해 살펴보기로 한다.

본 발명의 전단가공방법은 순차적으로 진행되는 압축력 발생단계와 전단단계를 포함할 수 있다.

먼저, 소재(1)가 선재로서 권출롤러(미도시)에 감겨져 있는 경우, 상기 권출롤러가 회전함에 따라 소재(1)가 권출롤러로부터 풀어지면서 압축수단으로 진행하게 된다.

다음으로, 진행 측으로의 소재(1)의 압축력 발생을 보장하도록, 소재(1)를 고정된 부위에 마찰시키면서 압연하는 압축력 발생단계가 진행된다.

이때, 진행 측은 전단단계의 전단다이스(40) 측으로서, 전단다이스(40)에 대한 소재(1)의 압축력을 발생시켜 소재(1)가 전단다이스(40)의 전단홀(40a)을 원활하게 통과할 수 있도록 한다.

이러한 압축력 발생단계는 회전하는 압연롤(31)과 고정된 고정가이드(32) 사이를 소재(1)가 통과하면서 압연되며, 기존의 한 쌍의 압연롤과는 달리 회전하는 압연롤(31)과 고정된 고정가이드(32)에 의해 소재(1)가 압연됨에 따라 압축력을 보장받을 수 있다.

다음으로, 전단다이스(40)의 전단홀(40a)을 통과한 소재(1)는, 신선다이스(50)를 통해 소재(1)의 단면형상을 최종규격형상으로 교정하게 된다.

상기 소재(1)는 전단다이스(40)에서 전단변형이 이루어지는 과정에서 단면적의 변화가 일어날 수 있는데, 이를 최종적으로 신선다이스(50)의 교정홀(50a)을 통과하는 과정에서 규격형상으로 그 단면을 교정할 수 있다.

마지막으로, 소재(1)는 다음에 배치된 권취롤러(미도시)에 의해 감기게 된다. 전단 측의 권출롤러 또는 후단 측의 권취롤러에 의해 소재(1)는 진행방향으로 진행되는 일정 정도의 압축력 또는 인장력을 얻을 수 있다.

물론, 이와 같이 전단변형된 소재(1)는 최종적으로 절단기(미도시)에 의해 일정 길이 간격으로 절단될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 전단가공장치 및 방법은, 소재(1)가 압연홀(30a)을 통과하면서 압연되는 과정에서, 고정가이드(32)가 고정되면서 압연롤(31)의 외주면을 따라 배치되어 기존보다 상대적으로 길게 압연홀(30a)을 형성시킴으로써, 소재(1)에 보다 큰 마찰력을 발생시킴에 따라, 단면적이 일정하지 않은 소재(1)가 슬립되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 고정가이드(32)가 견고하게 위치고정된 상태를 유지함으로써, 소재(1)가 고탄소강인 경우에도 고정가이드(32)가 밀려나지 않게 됨에 따라, 롤 갭이 벌어지는 롤 점핑의 발생을 방지할 수 있다.

결과적으로, 고정가이드(32)에 의해 압축력을 발생시키는 본 발명은 전단다이스(40)에 소재(1)를 원활하게 통과시킬 수 있도록 전단다이스(40)에 대한 소재(1)의 압축력 발생을 확실하게 보장할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

1 : 소재 30 : 압축수단
31 : 압연롤 31a : 공형홈
32 : 고정가이드 32a : 공형홈
33 : 압연가이드부 40 : 전단다이스
40a : 전단홀 50 : 신선다이스
50a : 교정홀

Claims (7)

1. 통과하는 소재에 전단변형을 부여하는 전단다이스; 및
   상기 전단다이스 전단에 배치되며, 상기 전단다이스의 통과를 위한 상기 소재의 압축력 발생을 보장하도록, 상기 소재가 고정된 부위에 마찰되면서 압연되게 구성되는 압축수단;
   을 포함하는 전단가공장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 압축수단은,
   상기 전단다이스 전단에 배치되어 회전하는 압연롤; 및
   상기 압연롤의 외주부를 따라 고정되어, 사이에 진입하는 상기 소재를 상기 압연롤과 함께 압연하는 고정가이드;
   를 구비하는 것을 특징으로 하는 전단가공장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 고정가이드는,
   소재에 대한 압연이 이루어지도록 상기 압연롤의 외주부를 따라 이어지는 압연가이드부가 형성되며, 상기 압연가이드부의 길이변화에 따라 압축력이 변화되는 것을 특징으로 하는 전단가공장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 압연롤과 상기 압연가이드부에는 서로 대응되게 각각 공형홈이 형성된 것을 특징으로 하는 전단가공장치.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전단다이스는 소재가 통과하는 전단홀이 비틀림 구조인 것을 특징으로 하는 전단가공장치.
   
6. 소재에 전단변형을 부여하는 전단단계; 및
   상기 전단단계 이전에, 진행 측으로의 상기 소재의 압축력 발생을 보장하도록, 상기 소재를 고정된 부위에 마찰시키면서 압연하는 압축력 발생단계;
   를 포함하는 전단가공방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 압축력 발생단계는,
   상기 소재가 회전하는 압연롤과 고정된 고정가이드 사이를 통과하면서 압연되는 것을 특징으로 하는 전단가공방법.

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