KR20150120776A

KR20150120776A - 금속 표면 가공 장치

Info

Publication number: KR20150120776A
Application number: KR1020140046870A
Authority: KR
Inventors: 천두만; 오현석; 조학래; 박하니
Original assignee: 울산대학교 산학협력단
Priority date: 2014-04-18
Filing date: 2014-04-18
Publication date: 2015-10-28
Also published as: WO2015160109A1; KR101572472B1

Abstract

본 발명은 금속 가공재의 표면을 압입하여 가공하는 압입부; 양극이 압입부에 인접하게 마련되어 압입부의 이동에 따라 금속 가공재에 접촉되어 금속 가공재의 표면에 전류를 통전시키는 전극부; 및 전극부에 전력을 공급하는 전력공급부를 포함하는 표면 가공 장치를 제공하여, 금속 가공재의 표면 가공 시 금속 가공재의 경도 감소를 위해 인가되는 전류값을 감소시키면서도 금속 가공재의 표면을 용이하게 가공할 수 있는 효과가 있다.

Description

금속 표면 가공 장치{Surface Machining Apparatus for Metal}

본 발명은 금속 표면 가공 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속 가공재의 표면을 용이하게 가공할 수 있는 금속 표면 가공 장치에 관한 것이다.

일반적으로 금속 소재를 가공함에 있어서는 큰 힘이 필요하다.

특히 금속 소재를 사용하여 대량으로 제품을 생산하는 경우에는 가공에 필요한 힘이 제조 측면에서 중요한 요소이다. 가공에 필요한 힘이 증가할수록 일반적으로 장비의 크기는 더욱 커지며 소재 가공 시에 더 많은 에너지가 소모되므로 제조 비용이 증가된다.

이러한 금속 소재의 가공에 필요한 힘을 감소시키기 위하여 높은 온도에서 금속 소재를 가공함으로써 금속 소재의 신장성을 향상시키는 방법이 사용되고 있으나, 높은 온도에서 소재를 가공하는 경우 사용 장비의 증가, 다이 점착, 다이의 경도 감소, 가열 에너지 손실 등의 문제점이 있다.

따라서 가공 온도의 상승 없이 금속 소재의 가공을 쉽게 하기 위한 방법이 다양하게 연구되고 있다. 그 중 하나로 금속 소재 가공 시 전류를 가공재에 적용하는 방법이 있다.

금속 소재에 고밀도 전류 펄스를 인가하는 경우 금속 소재의 유동 응력 및 인장 강도가 순간적으로 급격히 감소된다. 이러한 현상을 '통전소성' 현상이라고 하며 다양한 금속 소재에 대하여 다양한 전류 인가 방식에 따른 금속 소재의 통전소성 현상에 대한 연구 보고가 발표되고 있다.

그런데, 종래의 통전소성 현상을 이용한 금속 가공 장치에 있어서는, 가공되는 금속 소재에 전류를 인가하기 위하여 별도의 전류 인가 장치를 마련하여 구성이 복잡해지거나, 가공되는 금속 소재 전체에 전류를 인가하여 가공함으로써 금속 소재의 경도를 감소시키기 위해 큰 전류가 필요한 문제점이 있다.

미국 등록특허 제8021501호 (2011.09.20)

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속 가공재의 표면 가공 시 가공재의 경도 감소를 위해 인가되는 전류값을 감소시키면서도 금속 가공재의 표면을 용이하게 가공할 수 있는 금속 표면 가공 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속 가공재의 표면을 압입하여 가공하는 압입부; 양극이 상기 압입부에 인접하게 마련되어 상기 압입부의 이동에 따라 상기 금속 가공재에 접촉되어 상기 금속 가공재의 표면에 전류를 통전시키는 전극부; 및 상기 전극부에 전력을 공급하는 전력공급부를 포함하는 금속 표면 가공 장치를 제공한다.

상기 전극부는, 상기 전력공급부와 연결되며 상하 방향으로 이동 가능하게 마련되는 전극봉을 포함할 수 있다.

상기 전극부는, 상기 전극봉의 일측에 연결되어 상기 전극봉이 상기 금속 가공재의 표면에 접촉하여 가압되는 경우 탄성복원력을 제공하는 탄성부재를 더 포함할 수 있다.

상기 전극부는, 내부에 상기 전극봉을 상하 방향으로 이동 가능하게 수용하며 상기 전극봉을 지지하는 하우징을 더 포함할 수 있다.

상기 전극봉은 정위치에서 상기 금속 가공재와 접촉되는 일단부가 상기 금속 가공재와 접촉되는 상기 압입부의 일단부와 수평선 상에 놓이도록 배치될 수 있다.

상기 금속 표면 가공 장치는, 상기 금속 가공재가 안착되며 수평면 상에서 이동 가능하게 마련되는 스테이지를 더 포함할 수 있다.

상기 전극부는 양극이 상기 압입부의 양측면에 일체로 마련될 수 있다.

상기 압입부는 절연 소재로 마련될 수 있다.

본 발명의 금속 표면 가공 장치에 따르면, 금속 가공재의 표면 가공 시 금속 가공재의 경도 감소를 위해 인가되는 전류값을 감소시키면서도 금속 가공재의 표면을 용이하게 가공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 금속 가공재의 표면 가공을 위한 간단한 장비 구성으로 제작 및 사용이 간편한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 표면 가공 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 전극부의 내부를 확대한 도면이다.
도 3은 도 1의 금속 표면 가공 장치의 작동을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 표면 가공 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 4의 금속 표면 가공 장치의 작동을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 표면 가공 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 전극부의 내부를 확대한 도면이며, 도 3은 도 1의 금속 표면 가공 장치의 작동을 나타내는 도면이다.

이러한 도 1 내지 도 3은, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.

도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 표면 가공 장치(1)는, 압입부(100), 전극부(200), 전력공급부(300) 및 스테이지(400)를 포함한다.

압입부(100)는, 금속 가공재(10)의 표면을 압입하여 가공한다. 압입부(100)는 금속 가공재(10)에 접촉하여 금속 가공재(10)를 압입 가공하는 팁 부분이 다양한 형상으로 마련될 수 있으며, 금속 가공재(10)에 팁 부분이 접촉 또는 이격되도록 상하 방향으로 구동 가능하게 마련된다.

전극부(200)는, 양극이 압입부(100)에 인접하게 마련되어 압입부(100)의 이동에 따라 금속 가공재(10)에 접촉되어 금속 가공재(10)의 표면에 전류를 통전시킨다. 전극부(200)는 압입부(100)의 상하 방향 구동에 따라 압입부(100)와 일체로 이동되어 금속 가공재(10)에 접촉된다.

구체적으로, 도 2를 참조하면, 전극부(200)는 전극봉(210), 탄성부재(220) 및 하우징(230)을 포함한다.

전극봉(210)은, 전력공급부(300)와 연결되며 상하 방향으로 이동 가능하게 마련된다. 전극봉(210)은 한 쌍이 압입부(100)를 사이에 두고 압입부(100)에 인접하게 마련된다. 전극봉(210)은 전도체로 마련되며 한 쌍의 전극봉(210)은 각각 전력공급부(300)의 양극에 전선(20)에 의하여 연결되어 전극부(200)의 양극을 형성한다. 전극봉(210)이 상하 방향으로 이동 가능하게 마련됨으로써, 압입부(100)가 하강하여 금속 가공재(10)를 가공할 때에 전극봉(210)이 금속 가공재(10)에 접촉된 후 금속 가공재(10)와 표면 접촉 상태를 유지할 수 있다.

전극봉(210)은 전력공급부(300)로부터 전력을 공급받아 접촉되는 금속 가공재(10) 표면에 전류를 통전시킴으로써, 압입부(100)에 의한 금속 가공재(10) 압입 가공 시에 금속 가공재(10)의 경도를 감소시키고 압입 가공에 소요되는 힘의 크기를 감소시켜 가공을 용이하게 한다.

전극봉(210)은 정위치에서 금속 가공재(10)와 접촉되는 일단부가 금속 가공재(10)와 접촉되는 압입부(100)의 일단부(팁 부분)와 수평선 상에 놓이도록 배치된다. 이에 의하여, 압입부(100)가 하강하여 금속 가공재(10)에 접촉되는 동시에 전극봉(210)도 금속 가공재(10)에 접촉되어 전류를 인가함으로써 압입부(100)에 의한 금속 가공재(10)의 가공을 원활하게 하며, 가공이 진행되지 않는 경우에는 압입부(100)와 함께 상승된 상태에 있으므로 전류 공급이 중단된다.

탄성부재(220)는, 전극봉(210)의 일측에 연결되어 전극봉(210)이 금속 가공재(10)의 표면에 접촉하여 가압되는 경우 탄성복원력을 제공한다. 탄성부재(220)는 압입부(100)가 하강하여 금속 가공재(10) 가공 시에 금속 가공재(10)와 접촉하여 상방으로 이동되는 전극봉(210)에 의하여 가압되며 전극봉(210)에 탄성복원력을 제공하여 전극봉(210)의 금속 가공재(10) 표면 접촉을 안정적으로 유지시키며 가공 완료 후 전극봉(210)이 원위치 이동에 도움을 준다.

본 실시예에서 탄성부재(220)는 일단이 압입부(100) 본체에 고정되고 타단이 전극봉(210)에 연결되는 코일 스프링으로 마련되었으나, 본 발명의 권리범위는 이에 제한될 필요는 없으며 판 스프링 등 탄성력을 갖는 다양한 종류의 탄성부재(220)가 사용될 수 있다.

하우징(230)은, 내부에 전극봉(210)을 상하 방향으로 이동 가능하게 수용하며 전극봉(210)을 지지한다. 하우징(230)은 절연체로 마련되며, 내부에 전극봉(210) 및 탄성부재(220)를 수용하여 전극봉(210) 및 탄성부재(220)를 외부의 이물로부터 보호하고 지지한다. 하우징(230)에는 내부면으로부터 돌출되는 걸림턱이 형성되고, 전극봉(210)에는 외측면으로부터 돌출되어 하우징(230)의 걸림턱에 접촉 지지되는 스토퍼가 형성됨으로써 전극봉(210)이 하우징(230)의 외부로 완전히 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

전력공급부(300)는 전극부(200)에 전력을 공급한다. 전력공급부(300)는 직류전원으로 마련되는 것이 바람직하나, 이 경우에 한정되지 않고 다양한 종류의 전원부로 구성할 수 있다. 또한, 전력공급부(300)는 펄스파 형태의 고밀도 전류를 생성하도록 출력 전류를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

스테이지(400)는, 금속 가공재(10)가 안착되며 수평면 상에서 이동 가능하게 마련된다. 금속 가공재(10)는 스테이지(400) 상에 고정되어 압입부(100)의 하방으로 이동함으로써 압입부(100)에 의하여 압입 가공될 수 있다. 또한, 압입부(100)의 팁 부분이 금속 가공재(10)의 표면을 압입한 상태에서 스테이지(400)를 이동 제어함으로써 금속 가공재(10) 표면을 선형 가공할 수 있다.

이러한 구성을 갖는 금속 표면 가공 장치(1)의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 3을 참조하면, 먼저 금속 가공재(10)를 장착한 스테이지(400)가 이동하여 금속 가공재(10)가 압입부(100)의 하방에 놓인다.

금속 가공재(10)가 압입부(100)의 하방에 놓인 상태에서 압입부(100)가 하강하여 금속 가공재(10)에 접촉되면 이와 동시에 압입부(100)에 인접하게 마련된 전극부(200)의 전극봉(210)이 금속 가공재(10)에 접촉되어 금속 가공재(10)에 전류를 인가시킨다.(도 3의 (a))

압입부(100)가 더욱 하강하여 금속 가공재(10)의 표면을 압입 가공할 때에 전극부(200)의 전극봉(210)은 금속 가공재(10)의 표면에 접촉상태를 유지하며 압입부(100)의 하강 거리만큼 상방으로 이동된다. 이때 전극봉(210)에 연결된 탄성부재(220)에 의하여 전극봉(210)은 탄성가압되며 안정적으로 금속 가공재(10)의 표면 접촉 상태를 유지할 수 있다.(도 3의 (b))

압입부(100)가 금속 가공재(10)의 표면을 압입하며 가공하는 동안 전극부(200)의 양극을 형성하는 한 쌍의 전극봉(210) 사이에는 금속 가공재(10)의 표면을 통하여 전류 흐름이 발생한다. 이에 의하여 압입부(100)가 압입 가공하는 금속 가공재(10)의 표면 부분은 경도가 감소하며 적은 힘으로 가공이 용이하게 이루어질 수 있다.

이러한 방식에 의하면, 금속 가공재(10)의 두께가 가공하려는 표면의 크기보다 상대적으로 매우 큰 경우에도 금속 가공재(10)의 표면을 용이하게 가공할 수 있는 장점이 있다. 또한, 압입부(100)에 인접하게 전극부(200)가 마련됨으로써 금속 가공재(10)에 전류를 통전시키기 위한 설비를 스테이지(400) 등에 마련할 필요가 없어 구성이 간단해지며, 기존의 스테이지(400)를 활용하여 구성할 수 있는 장점이 있다.

이와 더불어, 압입부(100)에 인접하게 양극을 형성하여 금속 가공재(10) 표면에 전류를 인가함으로써, 금속 가공재(10)의 경도를 감소시키기 위한 통전 전류량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 실제 금속 가공재(10)를 스테인리스 스틸(stainless steel)로 하여 실험한 결과, 동일한 전류량(혹은 전류밀도)을 인가하는 경우 전극부(200)의 양 전극 간격이 10 mm에서 6 mm로 감소되면 금속 가공재(10)의 경도 감소량이 10% 이상 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 압입부(100)에 인접하게 형성된 양극은 그 사이 간격이 작아 적은 전류량으로도 금속 가공재(10)의 경도를 효과적으로 감소시켜 가공을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 압입부(100)에 인접하게 형성되는 양극은 전력 사용 감소 효과가 있다. 수치 해석을 통하여 금속 가공재(10) 표면에서 전극부(200)의 양극 주변의 전류밀도 변화를 관찰해본 결과, 주변 영역보다 양극 사이에서의 전류밀도가 높게 형성되며 양극의 위치가 가까울수록 동일한 전류량에서도 상대적으로 높은 전류밀도가 형성되는 것을 알 수 있었다. 따라서, 압입부(100)에 인접하게 형성된 양극은 그 사이 간격이 작을수록 적은 전류량으로도 압입부(100)에 의하여 가공되는 금속 가공재(10) 표면에서의 전류밀도를 증가시켜 금속 가공재(10)의 경도를 감소시키는 전력량을 감소시킬 수 있다.

가공이 완료되면, 압입부(100)가 상방으로 이동하며 전극부(200)도 압입부(100)와 함께 상방으로 이동되므로 금속 가공재(10)에 전류 공급이 차단된다. 가공이 완료된 후 스테이지(400)는 이송되고 새로운 금속 가공재(10)를 장착한 스테이지(400)가 이동되어 동일 작업을 반복하여 실시할 수 있다.(도 3의 (c))

이와 같이, 본 발명의 금속 표면 가공 장치(1)에 의하면, 금속 가공재(10)의 표면 가공 시 금속 가공재(10)의 경도 감소를 위해 인가되는 전류값을 감소시키면서도 금속 가공재(10)의 표면을 용이하게 가공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 금속 가공재(10)의 표면 가공을 위한 간단한 장비 구성으로 제작 및 사용이 간편한 효과가 있다.

한편, 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 표면 가공 장치(2)를 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 표면 가공 장치(1)에서 설명한 바와 동일한 것에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 표면 가공 장치의 개략적인 구성도이고, 도 5는 도 4의 금속 표면 가공 장치의 작동을 나타내는 도면이다. 도 4 및 도 5에 있어서, 도 1 내지 도 3과 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타내며 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 4를 참조하여 살펴보면, 본 실시예의 금속 표면 가공 장치(2)에서, 전극부(200')는 양극이 압입부(100)의 양측면에 일체로 마련된다. 이에 의하면, 일 실시예에서 설명한 바와 같이 양극 사이의 간격을 감소시켜 적은 인가 전력으로도 높은 전류밀도를 금속 가공재(10)의 표면에 형성할 수 있다. 또한, 간단한 구성으로 제작이 용이하고 제조 비용이 절감되는 효과가 있다.

이때 압입부(100)는 전극부(200')의 양극에 대하여 통전을 방지하여야 하므로 절연 소재로 마련된다. 본 실시예에서 압입부(100)의 팁 부분은 절연체인 다이아몬드 팁을 사용하였으나, 이 외에 높은 경도를 갖는 절연체로 압입부(100)가 구성될 수도 있다.

도 5를 참조하면, 이러한 구성을 갖는 금속 표면 가공 장치(1)의 작동 과정을 알 수 있다. 도 5의 각 단계에서의 과정은 일 실시예의 작동 설명 과정과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

이와 같이, 본 발명의 금속 표면 가공 장치(2)에 의하면, 금속 가공재(10)의 표면 가공 시 금속 가공재(10)의 경도 감소를 위해 인가되는 전류값을 감소시키면서도 금속 가공재(10)의 표면을 용이하게 가공할 수 있는 효과가 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 금속 표면 가공 장치
10 : 금속 가공재
20 : 전선
100 : 압입부
200 : 전극부
210 : 전극봉
220 : 탄성부재
230 : 하우징
300 : 전력공급부
400 : 스테이지

Claims

금속 가공재의 표면을 압입하여 가공하는 압입부;
양극이 상기 압입부에 인접하게 마련되어 상기 압입부의 이동에 따라 상기 금속 가공재에 접촉되어 상기 금속 가공재의 표면에 전류를 통전시키는 전극부; 및
상기 전극부에 전력을 공급하는 전력공급부를 포함하는 금속 표면 가공 장치.
제1항에 있어서,
상기 전극부는,
상기 전력공급부와 연결되며 상하 방향으로 이동 가능하게 마련되는 전극봉을 포함하는 금속 표면 가공 장치.
제2항에 있어서,
상기 전극부는,
상기 전극봉의 일측에 연결되어 상기 전극봉이 상기 금속 가공재의 표면에 접촉하여 가압되는 경우 탄성복원력을 제공하는 탄성부재를 더 포함하는 금속 표면 가공 장치.
제2항에 있어서,
상기 전극부는,
내부에 상기 전극봉을 상하 방향으로 이동 가능하게 수용하며 상기 전극봉을 지지하는 하우징을 더 포함하는 금속 표면 가공 장치.
제2항에 있어서,
상기 전극봉은 정위치에서 상기 금속 가공재와 접촉되는 일단부가 상기 금속 가공재와 접촉되는 상기 압입부의 일단부와 수평선 상에 놓이도록 배치되는 것을 특징으로 하는 금속 표면 가공 장치.
제1항에 있어서,
상기 금속 가공재가 안착되며 수평면 상에서 이동 가능하게 마련되는 스테이지를 더 포함하는 금속 표면 가공 장치.
제1항에 있어서,
상기 전극부는 양극이 상기 압입부의 양측면에 일체로 마련되는 것을 특징으로 하는 금속 표면 가공 장치.
제1항에 있어서,
상기 압입부는 절연 소재로 마련되는 것을 특징으로 하는 금속 표면 가공 장치.