KR20160062407A - 금속의 후방충격압출 성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속의 후방충격압출 성형방법에 관한 것으로, 금속 슬러그의 상부 면의 모서리에 돌출부를 형성한 다음, 후방충격압출 성형하는 것을 특징으로 한다. 상기 돌출부는, 금속 슬러그의상부 면 모서리의 장변 또는 단변, 또는 장변과 단변 모두에 형성할 수 있다. 또한 상기 돌출부는 장변 또는 단변의 전부에 형성하거나 일부에만 형성할 수도 있다.

Description

금속의 후방충격압출 성형방법{A method of backward impact extrusion of metals}

본 발명은 금속 재료를 이용한 성형방법에 관한 것으로, 특히 금속 재료의 후방충격압출 성형방법에 관한 것이다.

후방충격압출(Backward Impact Extrusion) 성형은 빌렛(billet) 형태의 덩어리 소재(bulk material)인 슬러그(slug)를 원료로 원형의 음료수 캔이나 군용 중소형 폭탄 탄피, 그리고 의료 산소용 실린더 용기 등에 적용되는 튜브의 일측이 닫혀있는 컵 형상을 생산하는 대표적인 금속 성형방법이다. 음료수 캔 등을 제조하는 또 다른 성형 방법은 판재에서 적절한 크기와 형상의 블랭크(blank)를 절취하여 성형하는 딥드로잉(deep-drawing) 방법이 있다.

후방충격압출 성형은, 딥드로잉 성형에 비해 생산성 제고를 위한 고속생산이 가능하며, 금형 제작비 및 자동화 설비투자비가 적고, 정확한 치수의 성형가공이 용이하다. 또한 판재에서 블랭크를 절단하고 남은 스켈리튼(skeleton) 등의 손실을 고려할 필요 없고, 성형 후 완제품 이외의 잔여 부분을 절단하는 트리밍(trimming) 공정으로 손실되는 재료의 양을 줄일 수 있다. 따라서, 후방충격압출 성형은 제품의 가격 경쟁력 제고를 위해 딥드로잉을 대체하여 적극적으로 채택되고 있다.

정보통신 산업에 필수적인 휴대용 전화기, 노트북 컴퓨터 등의 배터리, 화석연료 대체용 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 배터리, 그리고 전력에너지의 효율적 관리를 위한 스마트 그리드(smart grid) 분야의 ESS(Energy Storage System)용 배터리 등은 최근 수요가 급증하여, 배터리 생산 시의 생산성 제고 및 원간 절감을 위한 노력이 지속되고 있다.

상기 분야의 배터리의 외장 하우징은 알루미늄 합금 재질로서, 주로 직육면체(rectangular) 형상으로 길이 폭 비율(aspect ratio, 또는 장평비)이 크다. 원형과는 달리 외곽이 특정 각을 이루는 컵의 경우는 후방충격압출은 물론 딥드로잉 성형도 어려운 것으로 알려져 있다. 비록, 휴대용 정보산업용 소형 기기의 배터리 컵은 장기간의 시행착오와 노력으로 현재는 다단 딥드로잉(multi-stage deep drawing)이 적용되어 대량 생산되고 있고, 중형 및 대형 배터리용 각형 컵도 동일한 다단 딥드로잉 성형방법으로 시도되고 있으나, 중대형 컵은 현저히 낮은 생산성과 초 고가의 금형비 등으로 생산원가가 제품 적용이 어려울 만큼 상승하여 대체 공법이 심각하다. 따라서 최근 중대형 각형 캔을 후방충격압출 성형으로 제작하려는 시도가 급증하고 있다.

이와 같은 각형 컵의 시장 수요와 후방충격압출 성형기술 개발의 요구에도 불구하고 최근까지 성형 시에 금속 유동의 제어와 양산 시스템에 대한 문제로 직육면체 등의 각형 컵에 대한 후방충격압출의 기술적인 한계로 아직까지 대량 생산하는 업체는 찾기 어렵다.

도 1에 도시한 바와 같은, 금속 재질의 일측이 닫힌 원형 컵(도 1a)이나 외곽이 특정 각을 이루는 각형 컵(도 1b)를 성형할 수 있는 일반적인 방법은 딥드로잉 공법(한국 특허 등록 1001463550000 호 등 참조)이다. 통상의 딥드로잉에서는 원형 컵의 경우 원형으로 판재에서 절취한 블랭크를 원소재로 사용한다. 원형의 블랭크를 1단계로 딥드로잉하여 형상을 만들고, 2단계로 아이어닝(ironing 또는 드로잉(drawing)이라고도 함)하여 두께와 형상(높이 등)의 요구 치수에 대한 정밀도 조건을 만족할 수 있도록 한다.

반면에 도 1b의 각형 컵의 경우에는 딥드로잉 단계가 1단계로는 불가능하여, 5∼15 단계의 다단 딥드로잉을 시행한다. 초기 블랭크를 타원형으로 판재에서 절취하여 1단 딥드로잉을 하고, 다음의 연속적인 딥드로잉 단계를 거치면서 점차 폭(W)을 줄이고 단면 형상이 원형에서 직사각형으로 변화되고 높이와 두께를 설계 치수로 맞추는 성형을 진행하여 최종의 완성품의 각형 컵을 제작한다. 각형 컵의 경우 하나의 프레스에 블랭크 절단에서 최종 아이어닝에 이르는 모든 단계의 금형이 연결된 연속 금형(progressive die)을 장착하여 딥드로잉 성형공정을 진행한다.

도 1b에서, 일반적으로 분류하는 길이(L) 80mm 이하 그리고 폭(W)이 10mm 이하의 소형 컵의 경우에는 상기와 같은 연속 금형을 장착하여 대량 생산이 가능하다. 그러나 소형 크기 이상의 중형 및 대형 컵의 경우에는 딥드로잉 각 단계의 금형 크기가 크며 고가이다. 또한 이를 연속 금형으로 연결할 경우 장착해야 할 조합된 금형세트의 크기가 매우 커지고 이에 따른 프레스의 용량도 거대해지며, 일반적으로 분당 스트로크 수(SPM, stroke per minute)로 표현되는 프레스의 스피드도 역시 현저히 낮아지게 된다. 따라서 중형 및 대형 금속 컵의 공정은 딥드로잉 성형으로 제작하는 것이 결코 바람직하지 않으며, 결과적으로 딥드로잉에 비해 경제성과 생산성 측면에서 우수한 다른 금속 성형공법이 필요하게 되었으며, 대안으로 부각되는 공법이 후방충격압출 성형이다.

후방충격압출 성형은, 도 1의 원형 컵(도 1a) 및 각형 컵(도 1b)을 성형할 수 있는 효과적인 금속성형 방법의 하나이다. 후방충격압출의 원리는, 성형하고자 하는 금속 소재의 빌렛을 성형 완제품의 일부 형상(예를 들면 하단부의 곡면 등)만을 고려하여 슬러그를 제작한다. 그리고 상형(상부 금형)의 펀치와 하형(하부 금형)의 다이(또는 카운터 펀치)가 한 조로 이루어진 후방충격압출 금형을 제작한다. 이제 성형하고자 하는 금속 소재의 종류와 성형 완제품의 형상 및 크기에 따라 가압의 수준이 결정되고 이에 적절한 용량의 프레스를 결정하여 해당 금형을 장착한다.

준비된 금속 슬러그를 하형 다이 홀 내에 위치시킨 후, 상형의 펀치를 일정 속도 이상으로 하향 진행시켜 슬러그를 가압한다. 가압은 상온에서 시행하는 냉간 공정과 가압 시에 금형 및 슬러그 모두 또는 슬러그 만을 가열하는 열간 공정이 있으며, 이들은 금속재료의 종류 및 가압 하중에 따른 금속 유동 등을 판단하여 결정한다. 펀치가 슬러그를 가압하면, 펀치와 다이가 형성하는 틈 사이로 금속은 압출되며, 소재의 압출방향이 펀치의 가압방향의 역방향 즉 후방(backward)이므로 후방충격압출이라고 한다.

후방충격압출 시에 압출된 소재 즉 제품의 품질에 가장 큰 영향을 줄 수 있는 것은, 상형 펀치의 형상이다. 압출 컵의 두께를 결정하는 펀치 하단부의 랜드(land) 높이와 각도, 노즈(nose)의 형상 및 밑면과의 각도(θ) 그리고 랜드와 노즈가 이루는 모서리의 반경(R) 등이 후방 압출성에 큰 영향을 주며, 슬러그가 놓이는 다이 내의 위치 즉 슬러그와 다이 사이의 간격(G)도 후방 압출특성에 영향을 준다. 뿐만 아니라, 후방 압출되는 과정에서 슬러그의 일부는 펀치의 면을 따라 압출되므로, 펀치의 표면 거칠기에 따른 마찰계수 등도 간접적인 영향을 줄 수 있다.

또한, 슬러그의 제조과정에서 상(phase)의 종류, 결정립(grain size) 크기 및 석출물(precipitate) 등의 금속조직에 영향을 주는 열처리 조건과 금속 결정립이 우선방위(preferential orientation)로 배향되는 집합조직(텍스처, texture) 등에 영향을 주는 압출, 단조, 주조, 압연 등의 제조 공정에 의해 결정되는 재료의 특성들은 후방충격압출 시의 금속유동 및 그에 따른 제품의 품질에 큰 영향을 줄 수 있다.

그리고 후방 압출과정에서 유동 금속과 다이 및 펀치 사이의 마찰은 피할 수 없으므로, 슬러그의 유동 시에 발생하는 노즈, 랜드 그리고 스템 등의 펀치 표면과 다이 표면에서의 마찰을 최소화하기 위하여, 금형 표면의 경면연마는 필수적이며, 다이에 장입되는 슬러그 표면 상의 윤활제 도포가 중요하다. 또한 슬러그 표면에 도포되는 윤활제의 종류와 윤활제의 두께 및 균일한 도포된 상태 등도 후방충격압출 특성을 결정하는 매우 중요한 인자이다.

금속 슬러그가 등방성(isotropic property)의 균일한 조직의 재질이라고 가정하면, 원형 컵의 후방충격압출 시에는 짧은 원기둥 슬러그의 중심점을 기준으로 방사 방향(radial direction)으로 균일한 압력이 작용하여 동일한 양의 금속이 펀치 하단부와 다이 사이의 평면 내에서 360도 모든 방향으로 금속유동이 발생한다. 이러한 방사 대칭성(radial symmetry)의 금속유동으로 인하여, 후방 압출되는 컵의 높이는 원주를 따라 공급되는 금속의 양이 동일하여 후방 압출재의 높이는 균일하게 압출 됨으로써 이어링(earing) 현상은 크게 발생하지 않는다. 다만, 랜드, 노즈의 설계와 윤활 상태가 적합하지 않은 경우에는 압출재 높이 차이의 이어링이 발생할 수 있고 또한, 이어링이 없다 하더라도 금형 형상 또는 슬러그 윤활 상태에 따라 평균 높이 차이는 발생할 수 있다. 따라서 후방충격압출 성형은 원형 컵의 제조 시에 불량이 적고 생산성과 경제성을 동시에 확보할 수 있는 최적의 공법이다.

그러나 컵 외관이 임의 형상을 갖는 컵의 경우에는 컵의 벽 위치에 따라 금속 유동의 불균일이 발생하여, 적합한 후방충격압출 컵의 생산이 용이하지 않다. 가장 큰 이유는 컵의 벽 방향으로의 슬러 금속 유동이 비 대칭으로 발생하기 때문이다. 장평비가 3 이상인 직사각형의 예에서, 금속이 길이의 장변으로 이동하는 유동 양과, 단변으로 이동하는 유동 양 차이가 발생한다. 일반적으로 금형의 다른 조건이 일정할 경우에는 장변 방향으로 많은 양의 금속유동이 일어나면 단변으로 이동하는 금속 유동 양은 상대적으로 적어지기 때문에, 단변은 장변에 비해 압출되는 높이가 낮아 차이가 생기는 이어링(earing) 결함이 발생한다. 후방충격압출 시의 이어링이 심각할수록 트리밍으로 절단되어 버려지는 소재 손실이 커지게 되고 생산단가는 상승한다. 직사각형 주변을 따라 압출되는 양이 일정 수준이상으로 차이가 발생할 경우에는 수직 방향이 아닌 서로 다른 방향으로 압출됨으로써, 장변의 압출재 일부분이 찢어질 수 있으며, 장변부의 모서리가 찢기는 결함이 발생하여 정상적인 컵 제작이 불가능하게 된다.

후방충격압출을 이용하여 금속을 성형한 예로는, 한국특허공고 1994-0003247호에 자동차용 프로펠러 샤프트를 성형할 때, 요크와 튜브를 후방충격압출법을 사용하여 일체로 성형하는데 이용한 기술이 있었다.

한국특허등록 1001463550000 호 한국특허공고 1994-0003247 호

따라서 본 발명에서는 직육면체 등의 각형 금속 컵의 후방충격압출 생산 시에 원하는 형상 및 치수의 컵 생산을 위하여 생산성을 향상 시킬 수 있는 성형 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 상기 목적은 금속 슬러그의 상부 면의 모서리에 돌출부를 형성한 다음, 후방충격압출 성형하는 것에 의해 달성된다. 상기 돌출부는, 금속 슬러그의 상부 면 모서리의 장변 또는 단변, 또는 장변과 단변 모두에 형성할 수 있다. 또한 상기 돌출부는 장변 또는 단변의 전부에 형성하거나 일부에만 형성할 수도 있다.

상기 본 발명의 성형방법에 의해 후방충격압출 성형 시에 압출 제품의 불량률(이어링 및 찢김 등)이 현저히 감소하는 동시에, 공정 중의 생산성이 크게 향상되는 것을 확인하였다.

도 1은 금속 재질 성형 컵의 예를 나타내는 도면,
도 2는 후방충격압출 성형방법을 나타내는 모식도,
도 3은 후방충격압출 성형방법에 의한 제품 생산 시에, 슬러그의 다이 홀 장입 상태를 나타내는 모식도,
도 4는 본 발명의 일 실시예의 슬러그 형태를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 슬러그 형태를 나타내는 도면,
도 6은 슬러그 돌출부의 형태를 나타내는 도면,
도 7은 비교예의 슬러그와 후방충격압출 성형 후의 사진을 나타내는 사진
도 8은 본 발명의 실시예의 슬러그와 후방충격압출 성형 후의 사진을 나타내는 사진.

후방충격압출 성형 시의 제품 결함은 가장 일반적인 문제임에도 해결하기 어려운 문제이기도 하다. 각형 컵의 비 대칭성 금속유동으로 인해 발생하는 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 일반적으로 펀치 랜드의 마찰 정도를 조절하거나 노즈의 각도 또는 펀치의 모서리의 반경 등에서의 마찰효과를 최적화하여 유동되는 금속의 양을 각 방향으로 균등하게 배분함으로써 압출되는 금속의 양을 조절하는 방법을 취한다. 이러한 후방충격압출 금형의 최적화는 슬러그 소재 종류와 슬러그에 도포된 윤활제의 상태는 물론, 컵 제품의 길이 폭의 비율인 장평비(aspect ratio)에 따라서도 민감하게 변화되기 때문에, 후방충격압출 성형의 최적조건을 찾는 것은 매우 어렵다. 특히 펀치 및 다이 등의 금형 수정은 큰 비용과 많은 시간이 소요될 뿐 아니라, 수정할 수 있는 범위의 한계가 있기 때문에 신규 제작이 불가피한 경우도 빈번하게 발생한다.

상기에서 기술된 후방충격압출 성형 시의 문제를 해결하기 위해서 일반적으로, 수치해석 관점에서 우선 검토하여, 펀치가 이동하여 압출이 진행되는 과정 중에 발생하는 금속 유동 및 마찰 효과 등의 최적화를 수행한다. 이 경우에 대부분 피 압출물 덩어리 금속(bulk metal)인 슬러그에 대한 크기와 형상을 주요하게 고려하지 않는다. 그 이유는, 슬러그가 펀치에 의해 충격되는 순간 슬러그(200) 형상의 거의 모든 윤곽이 완전히 변화되기 때문이다(도 2b의 200' 참조). 따라서 슬러그를 하형 다이 홀의 크기와 형상에 정확히 맞추거나 또는 매우 작은 여유 공차로 제작하여 다이 내에 위치시키지 않고, 생산성과 연속공정을 고려하여, 도 2a에 도시한 바와 같이, 금형 다이(100)와 일정 간격(G)을 유지시켜 용이하게 슬러그(200)의 장입이 가능하도록 한다. 또한, 금형 다이의 모서리 반경(r”)과 슬러그 하단부 모서리 반경(r’)을 일치 시키는 정도의 형상으로 제작할 뿐 더 이상의 형상과 크기에 대해 고려하지 않는다.

그러나, 본 발명자의 실험결과에 따르면, 후방충격압출 성형에 의한 제품 생산 시에, 슬러그(200)의 다이 홀(101) 장입 상태를 도 3a와 같이 다이의 정 중앙에 위치시키기는 사실상 불가능하며 도 3b 및 도 3c 등의 모식도에서와 같이 간격(G) 범위 내에서 슬러그(200)는 임의 위치에 장입 된다. 일반적으로 대량 생산의 후방충격압출 성형 시에, 간격(G)는 0.5mm ∼ 2.0mm 범위 내에서 관리한다. 금형 및 윤활 조건 그리고 슬러그 소재 등 다른 압출 조건이 동일할 경우에, 비록 슬러그가 중앙에서 육안으로 확인되지 않을 정도로 미세하게 벗어나 장입 될 경우에 슬러그 위치에 따라서 성형 후 압출재의 형상, 즉 성형 컵의 높이 등은 영향을 받는 것이 확인되었다. 이러한 현상은, 슬러그 상부면(펀치와 초기 접촉하는 면)의 형상이 평탄한 경우에 더 분명하게 나타난다.

본 발명에서는, 슬러그의 상부 면에 특정한 형상을 부여할 경우에, 후방충격압출 성형 시에 압출 제품의 불량률(이어링 및 찢김 등)이 현저히 감소하는 동시에, 공정 중의 생산성이 크게 향상되는 것을 확인하였다.

도 4에는 본 발명의 일 실시예의 슬러그 형태가 도시되어 있다. 도 4에서 슬러그(400) 양쪽 장변의 모서리에 돌출부(410, 420)을 형성시켰다. 모서리 돌출부를 갖는 슬러그를 후방충격압출 성형할 시에는, 다른 압출 조건이 동일할 경우, 평탄한 슬러그를 사용한 경우에 비하여, 이어링 현상도 감소하고 상대적으로 압출재의 평균 높이도 평탄 슬러그에 비해 높게 얻어진다. 뿐만 아니라, 이러한 정상 압출재의 생산은 도 3에서와 같이 슬러그가 다이 홀 내에 장입 되는 위치가 달라도, 후방충격압출 성형 결과에 큰 영향을 미치지 못한다는 것이 확인되었다.

이와 같은 슬러그의 모서리 돌출부는 양 쪽 장변에만 형성시키는 것이 아니며, 금형 펀치가 가압되는 면의 장변과 단변 모두에 형성시킬 수 있고 둘 중 어느 하나에만 형성시킬 수 있다. 또한, 도 5와 같이, 슬러그(500)의 돌출부(510, 520, 530, 540, 560)를 장변 또는 단변의 일부분에만 형성시키는 것도 가능하다. 이러한 돌출부를 갖는 금속 슬러그의 제조는, 기계가공, 주조, 압출, 형 단조(die forging), 롤 성형(roll forming) 등 다양한 방법으로 제조할 수 있으며, 소재의 종류와 슬러그의 형상에 따라 적절한 방법을 채택할 수 있다.

슬러그 상부 면의 형상을 형성하는데 있어서, 모서리 돌출부의 역할은 후방충격압출 금형의 펀치가 슬러그를 가압하는 순간에 압출 방향으로의 금속 유동을 용이하게 하는 역할을 담당하는 것이다. 실제로, 두 개 표면 사이에서 발생하는 마찰력은 정지 상태에서 이동하는 순간 최대 정지마찰력이 측정된다. 마찬가지로, 후방충격압출 성형 시에도 금속의 유동이 시작되는 시점에 가장 큰 마찰력이 형성되는 것은 당연하다. 따라서 이러한 최대 정지마찰력을 감소시키기 위해서는 슬러그 모서리에 돌출부를 제공함으로써 금속 유동의 출발점을 가능한 후방 압출의 출구에 가깝게 준비시켜, 펀치의 노즈 면에서 모서리를 거쳐 랜드를 따라 스템으로 이동 하는 유동 금속의 거리를 최소화시켜 용이한 압출이 가능하도록 하는 것이다.

또한, 모서리 돌출부를 갖는 슬러그의 경우, 하형 다이 홀 내의 슬러그 위치가 정 중앙이 아니라 하더라도 펀치 랜드의 외곽에 접한 피 압출 금속(돌출부)은 돌출부가 없는 경우에 비해 압출 출구에 근접하여 금속 이동의 출발 시점(압출되는 시점)에 도움을 줄 것이므로, 슬러그 위치에 대한 압출 특성의 변화가 거의 없는 것으로 해석된다. 즉, 슬러그 상부 면에 후방 압출 시작에 도움을 줄 수 있는 형상을 제공할 경우, 후방충격압출 성형의 슬러그 위치 의존성이 낮아진다.

따라서, 슬러그에 후방충격압출을 용이하게 돕고, 금속 유동을 가속화 시킬 수 있는 돌출부는 이어링 및 균열 등의 불량을 감소시키면서, 슬러그와 다이 내측이 이루는 간격을 충분히 유지할 수 있어 빠르고 쉬운 슬러그 장입을 가능하게 하여 생산성은 크게 향상되는 것이다.

슬러그의 모서리 돌출부는 도 6a와 같이, 상부 면으로부터 높이(P)와 폭(w)의 유사 삼각형으로 돌출되어 있다. 삼각형 돌출부의 꼭지점은 특정한 형상으로 한정되지 않으며, 다만 평면 아래로 곡면이 형성되는 것은 펀치 가압 시에 슬러그의 접힘(folding)이 발생하여 바람직하지 않다. 돌출부와 상부 면이 형성하는 반경(R)은 일반적으로 금형 펀치의 모서리 반경(이 반경은 후방충격압출 성형된 제품 내측의 곡률과 동일하다)과 일치시키거나 큰 것이 바람직하지만, 특정하게 한정할 필요는 없다. 다만, 슬러그의 모서리 반경(R)이 금형 펀치의 모서리 반경에 비해 작을 경우에는 압출 시에 금속 유동이 단락 되는 현상(제품에서는 찢김으로 나타남)이나 펀치의 가압 시에 부분적인 좌굴(buckling)이 발생하여 후방충격압출 성형 시의 금속 유동에 오히려 방해가 될 수 있으며 결함으로 나타날 수 있다.

또한 도 6b는 돌출부가 상부 면의 전반에 걸쳐 형성된 경우로서 슬러그의 전체 폭 또는 전체에 걸쳐 확대된 형태이다. 돌출부는 반경 R1 및 R2의 조합으로 슬러그 상부의 곡면을 형성할 수 있다. 다만, R1 < R2의 조건을 만족해야 하며, R1 ≥ R2가 같은 경우에는 상부 면의 중앙부와 외곽의 부피(금속의 양) 차이가 심화되어 펀치 가압 시에 슬러그 주변부에 가압이 우선 작용하여 금속 유동이 중앙부로 역류하는 현상이 발생함으로써 압출되어야 금속이 부족하게 되어 바람직한 압출재를 제조할 수 없다.

본 발명에서 언급된 효과를 얻기 위해서 돌출부의 높이(P)는 0.5mm ∼ 10.0mm가 적합하다. 0.5mm 이하의 경우에는 압출 입구까지 도달된 슬러그의 금속 양이 적어 초기 최대 정지마찰력을 감소시키는 효과를 얻기 어렵다. 또한 10.0mm 이상의 경우에는 비록 후방충격압출을 순조롭게 진행시킬 수 있는 본연의 돌출부 역할을 할 수는 있지만, 슬러그의 좌굴 및 압출재의 국부적인 주름(wrinkling)이 발생할 수 있다. 더 바람직하게는 1.0 mm ∼ 3.0mm가 후방충격압출용 슬러그의 돌출부 높이로 적절하다. 또한 돌출부가 상기에 적시한 범위에 있다 하더라도 돌출부의 높이(P)는 슬러그의 전체 두께(도 6b의 T)의 2/3 이하로 유지되어야 한다. 이는 상부 면의 곡률의 한계에서도 설명한 바와 같이, 돌출부 주변의 금속이 펀치 노즈가 가압하는 중앙부보다 먼저 변형이 시작되어 역방향의 금속 유동을 유발함으로써 건전한 압출재를 얻을 수 없기 때문이다.

[비교 예]

알루미늄 AA3003-O 합금의 후방충격압출을 시행하였다. 제조하고자 하는 압출 컵 제품은 직육면체로서 단면의 크기는 폭(W) 20mm, 길이(L) 160mm, 높이(H) 80mm, 그리고 금속 각형 컵의 벽 및 바닥 두께는 각각 1.5mm 및 2.5mm이다. 금형의 상형 펀치는 제품 치수의 -0.01, +0 공차로 가공되었으며, 하형 다이 홀의 내측의 제품 치수의 +0.01, -0공차로 가공되었다. 각 모서리는 적절한 곡률을 유지되도록 하였다.

슬러그는 압출로 가공하여, 두께(T) 9.0mm, 폭 18.0mm, 길이 158.0mm로 제작되었다. 슬러그 상부 면은 평면이며, 슬러그 하단부 각 모서리는 하형 다이 내측의 모서리 곡률과 일치시켰다. 그리고 슬러그의 윤활처리는 헨켈(Henkel)사의 Bonderlube743로 처리하였다.

프레스는 1000톤 용량의 Double Crank형 기계식을 사용하였으며, 가압 속도는 20 SPM으로 작업하였다.

30개의 슬러그를 이용하여 후방충격압출 성형을 시도하였다. 30개 중 7개 정도만 유사한 형상으로 압출되었으며, 나머지 제품은 하단부 모서리 또는 장변의 컵 벽이 찢어지는 결함이 발생하였다. 도 7에 비교예에 의해 후방충격압출 성형된 대표적인 제품의 사진과 그에 사용된 일반적인 종래의 슬러그 형태의 사진을 나타내었다. 도 7에 나타난 사진과 같이, 가장 양호하게 제조된 제품의 경우에도, 두 장변의 압출 벽의 높이가 차이가 있음을 알 수 있으며, 장변의 일측은 양호하게 압출된 반면 다른 일측의 벽은 중앙이 크게 찢겨있음을 알 수 있다.

[실시 예]

본 실시 예에서는 [비교 예]와 슬러그 형상만 달리 했을 뿐 모든 조건을 동일하게 알루미늄 AA3003-O 합금의 후방충격압출을 진행하였다. 제조하고자 하는 압출 컵 제품은 직육면체로서 단면의 크기는 폭(W) 20mm, 길이(L) 160mm, 높이(H) 80mm, 그리고 금속 각형 컵의 벽 및 바닥 두께는 각각 1.5mm 및 2.5mm이다. 금형의 상형 펀치는 제품 치수의 -0.01, +0 공차로 가공되었으며, 하형 다이 홀의 내측의 제품 치수의 +0.01, -0공차로 가공되었다. 각 모서리는 적절한 곡률을 유지되도록 하였다.

슬러그는 도 4와 같은 형태로 압출로 가공하여, 두께(T) 9.0mm, 폭 18.0mm, 길이 158.0mm로 제작되었다. 슬러그 상부 면의 양 쪽 장변 모서리에는 높이(P) 2.5mm, 폭(w) 5mm, 곡률반경(R) 3.0으로 가공되었으며, 슬러그 하단부 각 모서리는 하형 다이 내측의 모서리 곡률과 일치시켰다. 그리고 슬러그의 윤활처리는 헨켈(Henkel)사의 Bonderlube743로 처리하였다.

프레스는 1000톤 용량의 Double Crank형 기계식을 사용하였으며, 가압 속도는 20 SPM으로 작업하였다.

30개의 슬러그를 이용하여 후방충격압출 성형을 시도하였다. 30개 중 28개가 정상적인 형상으로 후방 압출되었다. 나머지도 단변과 장변의 차이에 의한 이어링이 발생하였을 뿐 장변의 벽면이 찢어지거나 제품 하단부 모서리가 찢기는 결함이 발견되지 않았다. 도 8에 실시예에 의해 후방충격압출 성형된 대표적인 제품의 사진과 그에 사용된 슬러그의 사진을 나타내었다.

상기 실시예와 비교예의 비교에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 성형방법을 사용하는 경우 후방충격압출 성형 시에 압출 제품의 불량률(이어링 및 찢김 등)이 현저히 감소하는 동시에, 공정 중의 생산성이 크게 향상되는 것을 확인하였다.

100: 다이 101: 다이 홀
200, 400, 500: 슬러그 200': 후방충격압출성형된 캔
300: 펀치
P: 슬러그 돌출부의 높이 R: 슬러그 모서리의 반경
T: 슬러그 두께 G: 다이와 슬러그의 간격

Claims (6)

1. 금속 슬러그의 상부 면의 모서리에 돌출부를 형성한 다음, 후방충격압출 성형하는 것을 특징으로 하는 금속의 후방충격압출 성형방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 돌출부는 금속 슬러그의 상부 면 모서리의 장변 또는 단변, 또는 장변과 단변 모두에 형성하는 것을 특징으로 하는 금속의 후방충격압출 성형방법.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 돌출부는 금속 슬러그의 상부 면 모서리의 장변 또는 단변, 또는 장변과 단변의 일부 또는 전부에 형성하는 것을 특징으로 하는 금속의 후방충격압출 성형방법.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 돌출부의 높이는 0.5mm ∼ 10.0mm인 것을 특징으로 하는 금속의 후방충격압출 성형방법.
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 돌출부의 높이는 1.0 mm ∼ 3.0mm인 것을 특징으로 하는 금속의 후방충격압출 성형방법.
   
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 돌출부의 높이는 돌출부의 높이는 슬러그 전체 두께의 2/3 이하인 것을 특징으로 하는 금속의 후방충격압출 성형방법.
   
   
   
   

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