KR20200041103A

KR20200041103A - 전단장치 및 이를 이용한 알루미늄 전단방법

Info

Publication number: KR20200041103A
Application number: KR1020180121128A
Authority: KR
Inventors: 정연일
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2020-04-21
Also published as: US20200114438A1; CN111036980A; DE102019106268A1

Abstract

개시된 실시예는 전단장치 및 이를 이용한 알루미늄 전단방법을 제공한다. 개시된 실시예에 따른 전단장치는 상부 패드 금형; 하부 패드 금형; 상부 패드 금형 또는 하부 패드 금형에 마련되는 제1전극; 상기 상부 패드 금형 및 하부 패드 금형 표면부에 마련되는 가열장치; 및 상기 상부 패드 금형 중 알루미늄 소재가 배출되는 면에 상하로 이동 가능하도록 마련되고, 제2전극을 포함하는 전단금형; 을 포함한다.

Description

전단장치 및 이를 이용한 알루미늄 전단방법{SHEAR DEVICE AND ALUMINUM SHEAR METHOD USING THE SAME}

개시된 실시예는 전단장치 및 이를 이용한 알루미늄 전단방법에 관한 것이다.

알루미늄 판재를 적용하여 부품을 가공하는 일반적인 프레스 공정은 프레스에 금형을 장착하여 상하 방향으로 일정한 형태로 가압하는 드로잉(Drawing), 완제품에 필요 없는 부분을 잘라내는 트리밍(Trimming), 추가 형상을 만드는 플랜징(Flanging), 홀 등을 가공하는 피어싱(Piecing)의 공정을 거친다.

상기 공정을 통합하여 스템핑 공정이라 하며, 통상적으로 성형, 절단, 절곡, 홀 가공의 평균 4개 공정을 거쳐서 판넬을 완성하게 된다. 이중 트리밍 공정은, 드로잉 공정을 통해 알루미늄 판재를 제품 설계 데이터에 준하는 형상으로 소성 가공된 판넬의 필요 없는 부분을 잘라내는 공정으로 완성품의 전단면 품질을 결정하는 가장 중요한 공정이다.

이와 같이, 트리밍을 위한 스템핑 장비는, 제품의 하단면 외곽 형상을 갖는 하형 금형이 하부의 볼스터에 장착되고, 하형 금형의 상부에는 제품의 상단면 외곽 형상을 갖는 상형 금형이 상부의 프레스 바디인 슬라이드에 장착되어 상기 하형 금형과의 사이에 드로잉 성형이 완료된 제품을 끼운 상태로 드로잉 판넬의 외곽면을 가압하여 밀착한 상태에서, 드로잉 판넬에 필요 없는 부분을 전단을 통해 제거하게 된다.

이러한 트리밍 공정에 적용되는 종래의 금형은 크게 ‘전단날, 상형 패드, 하형 패드’로 구성된다. 또한 전체적인 공정 흐름은 ‘(A) 일정 형상을 가지고 있는 드로잉 판넬이 하형 패드 상단면에 안착, (B)상형 금형이 하강하여 상하형 패드에 의해 드로잉 판넬의 외곽면을 고정, (C) 전단날이 하강하면서 필요 없는 부분을 전단하여 제거'하는 순서로 진행된다. 이후 플랜징, 피어싱 공정을 거쳐서 완성품의 제작이 완료된다.

알루미늄 트림하는 과정에서, 기존 강판과 달리 전단면에 칩(Chip)이 많이 발생한다. 강판 전단 대비 칩이 많이 발생하는 원인은, 강판과 비교하여 기본 신율이 적고, 전체 소성변형 구간 중 로컬 변형(넥킹 이후 신율)이 적어 전단 시 연성부족으로 취성 파단이 발생하고 이 과정에서 전단면에 ‘Breaking zone’ 이 증가하여 칩이 발생한다. 이는 금속판재 전단 시 Shear zone 대비 Breaking zone 이 증가하면 일반적으로 칩이 많이 발생하기 때문이다.

트림 공정 중에 과도하게 발생한 칩은 금형 내부에 잔류하게 되고, 다음 드로잉 판넬이 트림 금형에 안착될 때 공기 흐름에 의해 일부 판넬 상면으로 이동하여 판넬 표면에 부착되고 이후 플랜징, 피어싱 공정 과정에서 판넬 표면에 찍힘 등 품질 불량을 유발한다.

이에 최근에는 알루미늄의 트리밍 처리에 있어서, 별도의 공정 추가 없이 칩 발생을 억제할 수 있는 기술의 적용이 요구되고 있다.

개시된 실시예는 전단장치 및 이를 이용한 알루미늄 전단방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전단장치는 상부 패드 금형; 하부 패드 금형; 상부 패드 금형 또는 하부 패드 금형에 마련되는 제1전극; 상기 상부 패드 금형 및 하부 패드 금형 표면부에 마련되는 가열장치; 및 상기 상부 패드 금형 중 알루미늄 소재가 배출되는 면에 상하로 이동 가능하도록 마련되고, 제2전극을 포함하는 전단금형; 을 포함한다.

또한, 전단장치는 상기 전단금형이 알루미늄 소재에 접촉되면, 상기 제1전극과 상기 제2전극에 직류 전류를 공급하도록 마련되는 전력 제어장치; 및 상기 가열장치 또는 상기 전력 제어장치에 교류 전류를 공급하는 전력 공급장치;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1전극과 상기 제2전극의 극성이 상반되도록 마련될 수 있다.

또한, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 절연체로 피복되어 마련될 수 있다.

또한, 전단장치는 상기 상부 패드 금형 및 하부 패드 금형 내부에 마련되는 냉각채널;을 더 포함할 수 있다.

또한, 전단장치는 상기 냉각채널에 냉매를 공급하도록 마련되는 냉각 컴프레셔; 를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 상부 패드 금형 및 하부 패드 금형 표면부는 초경합금-M계열(WC+TiC+TaC+Co)로 마련될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄 전단방법은 제1시간동안 상부 패드 금형을 하강하는 단계; 제2시간동안 알루미늄 판넬을 가열하는 단계; 제3시간동안 전단금형을 하강하는 전류 공급 단계; 및 제4시간동안 상기 전단금형을 상승하는 단계;를 포함한다.

또한, 상기 알루미늄 판넬의 온도는 200 내지 300℃일 수 있다.

또한, 상기 제2시간은 8초 이상일 수 있다.

또한, 공급되는 전류밀도는 70 내지 90A/mm² 일수 있다.

또한, 상기 제3시간은 0.5 내지 0.8초일 수 있다.

개시된 실시예에 따른 전단장치는 금형 내 소재를 가열하고, 전단 순간 전류를 인가할 수 있어 소재의 전단가공시 칩 발생을 최소화할 수 있다.

도 1은 인장 실험 시, 온도에 따른 알루미늄 소재의 신율과 강도 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 통전인장 실험 시, 인가 전류밀도에 따른 알루미늄 소재의 신율과 강도 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 통전인장 실험 시, 인가 전류밀도에 따른 알루미늄 소재의 ODF(Oriental Distribution Function)맵을 표시한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 전단장치의 사시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전단장치의 블록도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전극의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 전단장치의 작동 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 기존 트리밍 공정 적용시 알루미늄 소재의 전단면을 촬영한 사진이다.
도 9은 일 실시예에 따른 트리밍 공정 적용시 알루미늄 소재의 전단면을 촬영한 사진이다.

본 명세서는 본 발명의 권리범위를 명확히 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록, 본 발명의 원리를 설명하고, 실시예들을 개시한다. 개시된 실시예들은 다양한 형태로 구현될 수 있다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 명세서가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다.

어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.

본 발명자들은 알루미늄 소재의 스탬핑 공정, 구체적으로 트리밍 가공 중 칩의 발생을 억제하기 위해서는 알루미늄 소재의 연성을 확보하고 전단하중을 감소시켜야 함을 파악하고 실험한 결과, 알루미늄 소재에 열을 가함과 동시에 전류를 인가하여 알루미늄 소재의 칩(Chip) 발생을 억제할 수 있는 알루미늄 전단 조건을 도출할 수 있었다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 측면에 따른 전단장치 및 알루미늄 전단방법에 관한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 인장 실험 시, 온도에 따른 알루미늄 소재의 신율과 강도 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

최적의 가열 조건을 도출하기 위해, 온도에 따른 알루미늄 소재의 인장 강도(MPa)와 신율(%)을 하기 표 1에 나타내었다.

	인장강도(MPa)	신율(%)
상온	271.36	29.55
~50℃	265.09	31.34
50~100℃	224.49	35.58
100~150℃	220.04	37.36
150~200℃	201.11	39.84
200~250℃	137.59	66.27
250~300℃	89.10	67.87
300~350℃	41.58	60.65

도 1을 참조하면, 알루미늄 소재(A6014-t4, 1.1mm)를 온도를 달리하여 인장시험을 진행한 결과, 상온에서 300℃까지 온도가 증가함에 따라 강도가 감소하고, 신율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 350℃로 온도가 증가하면, 강도와 신율이 동시에 감소하는 경향을 보인다. 이를 고려하여, 알루미늄 소재의 가열온도를 50 내지 300℃로 설정할 수 있다.

바람직하게, 알루미늄 소재의 가열온도는 200 내지 300℃로 한정할 수 있다. 표 2를 참조하면, 150~200℃ 구간에 비해 200~250℃ 구간에서 신율값(%)이 현저히 증가함을 확인할 수 있다. 이를 통해, 알루미늄 소재의 연성을 극대화하기 위해서는 알루미늄 소재를 200 내지 300℃ 온도 범위로 가열해야 함을 알 수 있다.

일반적으로, 금속판재 전단 시 Shear zone 대비 Breaking zone 이 증가하면 칩이 많이 발생한다. 전단면의 Shear zone 영역을 증가시키기 위해서는 변형하중을 감소시켜야 하는 것으로 알려져 있다.

도 2는 통전인장 실험 시, 인가 전류밀도에 따른 알루미늄 소재의 신율과 강도 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

도 2를 참조하면, 알루미늄 소재(A6014-t4, 1.1mm) 1축 인장변형 중, 전류를 인가하면 순간적으로 하중이 감소하는, 경량 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

최적의 통전 조건을 도출하기 위해, 통상적으로 트리밍 가공 중 전단날이 알루미늄 소재를 전단하는 시간을 고려하여 전류를 인가하는 시간을 0.5 내지 0.8초로 고정하고, 인가하는 전류밀도를 변경하면서 인장시험을 진행하였다.

하기 표 2는 인가되는 전류 밀도에 따른 알루미늄 소재의 하중(MPa)을 나타낸 것이다. 알루미늄 판재의 두께에 따라 인가되는 전류의 양이 달라지는 점을 고려하여, 본 발명에서는 두께에 상관없는 전류밀도 개념(단위: A/mm²)을 도입하였다.

	하중	비고
Base	270.90
30~50A/mm²	226.56
50~70A/mm²	216.57
70~90A/mm²	88.47
90~110A/mm²	25.43	알루미늄 용융 발생

표 1 및 도 2를 참조하면, 인가되는 전류밀도의 범위가 30~90A/mm²에 해당하는 경우, 전류밀도가 증가하면 하중이 감소하지만, 도 2에서 확인할 수 있듯이 90~110A/mm²의 범위에서는 저항 열에 의해 알루미늄 소재가 용융되는 현상이 발생하였다. 이를 통해, 알루미늄 소재에 작용하는 하중을 최소화하기 위해서는 알루미늄 소재에 30 내지 90 A/mm² 범위로 전류를 인가해야 함을 알 수 있다.

일반적으로, 다결정 재료인 알루미늄은 서로 다른 방위를 갖는 개개의 결정립으로 구성되어 있다. SEM(주사전자현미경)로 관찰하면, 개개의 결정립들은 서로 다른 diffraction pattern을 갖고 있음을 확인할 수 있다. 이를 특정 소프트웨어로 계산하여 좌표로 표현한 것이 후방산란전자회절법(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)이다.

알루미늄 소재 변형 중 하중이 감소하는 원인을 알아보기 위해, 알루미늄 소재의 미세조직을 EBSD를 활용하여 측정하였다.

도 3은 통전인장 실험 시, 인가 전류밀도에 따른 알루미늄 소재의 ODF(Oriental Distribution Function)맵으로, Rotated Brass, Brass 및 Copper 집합조직의 분율을 계산하였다.

도 3을 참조하면, EBSD 에 표현된 좌표에서 특정 영역마다 Copper, Brass, RT-Brass 등 집합조직의 고유의 이름이 있다.

한편, EBSD 측정영역에서 RT-Brass 방위를 갖는 결정립 수를 상대적으로 수치화(단위 없음)할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 (a)의 경우는 3067, (b)의 경우는 1775, (c)의 경우는 2194, (d)의 경우는 2302, (e)의 경우는 2608로 측정되었다.

EBSD 측정 결과, 전류를 인가하지 않고 인장시험을 진행한 경우에 Rotated Brass 분율은 10% 내외로 나타났으나, 전류를 인가하고 인장시험을 진행한 경우에는 Rotated Brass 분율이 20 내지 40%로 나타났다. 이를 통해, 알루미늄 소재의 통전인장 시험 시, 하중이 감소하는 원인은 Rotated Brass 조직이 성장했기 때문인 것으로 판단하였다.

한편, Taylor Factor(M)은 일정 변형을 발생시키기 위해 슬립 시스템이 이동한 정도를 수치화한 것으로, Rotated Brass 3.03, Brass 3.57, Copper 3.43으로 나타났다. M값이 낮을 수록 변형 발생 시 슬립 시스템(전위, Dislocation) 이동이 적다는 것을 의미한다.

알루미늄 소재 내에서 Rotated Brass 집합조직이 성장하게 되면, 일정변형 발생을 위한 슬립 시스템 이동이 적게 나타난다. 즉, 상대적 전위밀도 증가가 적게 되어 변형을 위한 하중이 감소하게 되는 것이다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른, 알루미늄 소재에 열을 가함과 동시에 전류를 인가하여 알루미늄 소재의 칩(Chip) 발생 억제를 구현할 수 있는 전단장치에 대해 설명한다.

도 4는 일 실시예에 따른 전단장치의 사시도이다.

도 5는 일 실시예에 따른 전단장치의 블록도이다.

도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 전단장치(1)는, 알루미늄 소재(40)를 패딩하도록 마련되고, 제1전극(70)을 포함하는 상부 패드 금형(10); 상기 알루미늄 소재를 패딩하도록 마련되는 하부 패드 금형(20); 상기 상부 패드 금형 및 하부 패드 금형 표면부에 마련되는 가열장치(50); 상기 상부 패드 금형 중 알루미늄 소재가 배출되는 면에 상하로 이동 가능하도록 마련되고, 제2전극(80)을 포함하는 전단금형(30); 및 상기 전단금형이 알루미늄 판재에 접촉되면, 상기 제1전극과 상기 제2전극에 직류 전류를 공급하도록 마련되는 전력 제어장치(90);를 포함한다.

상부 패드 금형(10)은 드로잉 가공된 알루미늄 소재(40)를 전단하기 전 고정하는 역할을 한다. 상부 패드 금형(10)은 알루미늄 소재(40)의 상측에 위치하며 상하 이동되어 알루미늄 소재(40)의 상측을 가압할 수 있다.

또한, 상부 패드 금형(10)은 제1전극(70)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1전극(70)은 상기 상부 패드 금형(10) 전단부에 마련될 수 있다. 또한, 상기 제1전극(70)은 후술할 하부 패드 금형(20) 전단부에 마련될 수 있다. 제1전극(70)에 대한 구체적인 내용은 후술하도록 한다.

하부 패드 금형(20)은 드로잉 가공된 알루미늄 소재(40)를 전단하기 전 고정하는 역할을 한다. 하부 패드 금형(20)은 상부 패드 금형(10)과 마주하며 알루미늄 소재(40)의 하측에 위치한다. 하부 패드 금형(20)은 상기 상부 패드 금형(10)이 하강할 때 알루미늄 소재(40)의 하측을 지지한다.

전단장치(1)는 알루미늄 소재(40)에 열을 공급하는 가열장치(50)를 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면, 상기 가열장치(50)는 상부 패드 금형(10)의 하면 또는 하부 패드 금형(20)의 상면에 마련될 수 있다. 상부 패드 금형(10)의 하면 또는 하부 패드 금형(20)의 상면을 이하 '제1부분(11,21)'이라 한다.

제1부분에 마련되는 가열장치(50)는 알루미늄 소재(40)에 전달하는 열 효율을 향상시킬 수 있는 한도 내에서, 다양한 형상, 크기 및 개수를 가질 수 있다.

상/하부 패드 금형(10,20)이 알루미늄 소재(40)를 고정하는 과정에서, 후술할 전력 공급장치(91)에서 가열장치(50)에 전류를 공급하게 되면, 제1부분에서 열이 발생한다. 이때, 상/하부 패드 금형(10,20)의 온도는 470 내지 490℃ 범위로 유지될 수 있다. 이에 따라, 알루미늄 소재(40)를 200 내지 300℃ 범위로 가열 수 있다. 바람직하게, 200 내지 250℃일 수 있다.

제1부분은 가열될 뿐만 아니라, 트리밍 가공 중 지속적인 하중을 받기 때문에 내열성과 강도 확보가 요구된다. 이에, 제1부분은 초경합금-M계열(WC+TiC+TaC+Co)로 마련될 수 있다. 초경합금-M계열은 내열성을 확보할 수 있는 물질이라면 구체적인 종류에 한정되지 않고 사용될 수 있다.

한편, 상부 패드 금형(10) 또는 하부 패드 금형(20)에서 제1부분을 제외한 나머지 부분 즉, 상부 패드 금형(10)의 상면 또는 하부 패드 금형(20)의 하면을 이하 '제2부분(12,22)'이라 한다. 제2부분은 가공의 편의를 위해 일반 합금공구강인 SKD11로 마련될 수 있다.

SKD11은 고 탄소(C) 및 고 크로뮴(Cr)강으로서, 상기　SKD11은 탄소(C) 약 1.4 ~ 1.6 중량%, 실리콘(Si) 약 0.40 중량% 미만, 망가니즈(Mn) 약 0.60 중량% 미만, 인(P) 약 0.030 중량% 미만, 황(S) 약 0.030 중량% 미만, 크로뮴(Cr) 약 11.0 ~ 13.0 중량%, 몰리브데넘(Mo) 약 11.0 ~ 13.0 중량%, 니켈(Ni) 약 0.80 ~ 1.20 및 바나듐(V) 약 0.20 ~ 0.50 중량% 등을 포함하는 범용강이다. 제2부분은 강도를 확보할 수 있는 물질이라면 구체적인 종류에 한정되지 않고 사용될 수 있다.

개시된 실시예에 따른 전단장치(1)는 냉매가 통과하는 냉각채널(60)을 포함할 수 있다. 냉매는 후술할 냉각 컴프레셔(92)에 의해 공급될 수 있다.

가열장치(50)에서 공급하는 열에 의해 상부 패드 금형(10) 또는 하부 패드 금형(20)에서 열변형이 발생할 수 있으므로, 냉각채널(60)을 도입하여 열의 축적 및 확산을 방지할 수 있다.

상기 냉각채널(60)은 상부 패드 금형(10) 또는 하부 패드 금형(20)의 제1부분과 제2부분 경계 지점에 마련될 수 있다. 따라서, 제2부분이 열에 의해 변형되는 것을 방지할 수 있다.

제1부분과 제2부분 경계 지점에 마련되는 냉각채널(60)은 가열장치(50)와 마찬가지로 다양한 형상, 크기 및 개수를 가질 수 있다.

전단금형(30)은 드로잉 가공된 알루미늄 소재(40)의 필요 없는 외곽 부분을 전단을 통해 제거하는 역할을 한다. 상기 전단금형(30)은 상부 패드 금형(10) 중 알루미늄 소재가 배출되는 면에 상하로 이동 가능하도록 마련될 수 있다.

전단금형(30)은 트리밍 가공 중 지속적으로 하중을 받는다. 따라서, 전단금형(30)은 강도 확보를 위해 ‘합금공구강(SKD11)’으로 마련될 수 있다. 전단금형(30)은 강도를 확보할 수 있는 물질이라면 구체적인 종류에 한정되지 않고 사용될 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 전단금형(30) 전단부 쪽에는 전단 시점에 전류를 순간적으로 인가하기 위한 제2전극(80)이 마련될 수 있다. 전단금형(3)이 알루미늄 소재(40)와 맞닿는 전단 시점에서, 제2전극(80)은 상부 패드 금형(10)에 포함되어 있는 제1전극(70) 및 알루미늄 소재(40)와 회로를 구성할 수 있다. 또한, 제2전극(80)은 하부 패드 금형(20)에 포함되어 있는 제1전극(70) 및 알루미늄 소재(40)와 회로를 구성할 수 있다.

구체적으로, 제2전극(80)은 전단금형(30) 전단부 바깥쪽(우측 하단부)에 마련될 수 있다. 제2전극(80)이 전단부 안쪽(좌측 하단부)에 위치하는 경우, 전극 소재로 사용되는 구리의 강도가 낮아, 전단 시 전극의 변형이 발생하는 문제가 있다. 본 발명에서는 알루미늄 소재(40)의 전단 시, 제2전극(80)의 변형을 최소화할 수 있도록, 제2전극(80)을 전단금형(30) 전단부 바깥쪽에 마련하고자 하였다.

이 때, 제1전극과 상기 제2전극의 극성이 상반된다. 예를 들어, 제1전극이 (+)극이라면, 제2전극은 (-)극이고, 제1전극이 (-)극이라면, 제2전극은 (+)극일 수 있다. 이에 따라, 알루미늄 소재에 전류를 공급하여, 전술한 집합조직 제어를 통해 알루미늄 소재에 작용하는 하중을 감소시킬 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 전극의 구조를 나타내는 단면도이다.

제1전극(70) 및 제2전극(80)은 각각 금속 재질의 상부 패드 금형(10)과 전단금형(3) 내부에 마련되어 있기 때문에, 전단 시점에 전류가 금형 및 프레스 장비로 흐를 염려가 있다.

이를 고려하여, 상기 제1전극(70) 및 제2전극(80)은 절연구조로 구현될 수 있다. 구체적으로, 전극 소재(71, 81)로는 구리가 사용될 수 있으며, 상기 구리 전극을 절연체 소재(72, 82)가 감싸고 있는 형태일 수 있다. 상기 절연체 소재(72, 82)는 Bakelite가 사용될 수 있다.

절연 구조를 도입함으로써, 전류 인가 시 전류가 금형 및 프레스 장비로 흐르는 것을 방지하여 전단장치의 안정성을 확보할 수 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 전단장치(1)는 전력 제어장치(90)를 포함할 수 있다. 전력 제어장치(90)는 상부 패드 금형(10)과 전단금형(30) 내부에 마련된 제1전극(70) 및 제2전극(80)에 직류 전류(DC)를 공급하기 위한 구성으로, 전력 공급장치(91)로부터 공급된 교류 전류를 직류 전류로 변환한다.

구체적으로, 전단금형(3)이 알루미늄 소재(40)와 맞닿는 전단 시점에서, 전력 제어장치(90)는 제1전극(70) 및 제2전극(80)에 직류 전류를 공급하여 알루미늄 소재(40)의 전단부에 전류가 흐를 수 있도록 한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 전단장치(1)는 전력 공급장치(91)를 포함할 수 있다. 전력 공급장치(91)는 유선 전원 케이블을 통해 외부의 상용 교류 전원(미 도시)에 접속된다. 전력 공급장치(91)는 상용 교류 전원으로부터 공급받은 전력을 전력 제어장치(90)로 전달한다.

또한, 전력 공급장치(91)는 가열장치(50)에 전력을 공급하여 알루미늄 소재(40)를 가열할 수 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 전단장치(1)는 냉각 컴프레셔(92)를 포함할 수 있다. 냉각 컴프레셔(92)는 냉각채널(60)에 저온의 냉매를 공급한다.

이하, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 알루미늄 전단방법에 대해 설명한다.

개시된 실시예에 따른 알루미늄 전단방법은 제1시간동안 상부 패드 금형을 하강하는 단계; 상기 제1시간보다 긴 제2시간동안 알루미늄 판넬을 가열하는 단계; 상기 제1시간보다 짧은 제3시간동안 전단금형을 하강하는 전류 공급 단계; 및 상기 제1시간보다 길고 상기 제2시간보다 짧은 제4시간동안 상기 전단금형을 상승하는 단계;를 포함한다.

도 7은 일 실시예에 따른 전단장치의 작동 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다. 도 7의 세로축인 스트로크는, 프레스가 마지막까지 하강한 위치를 0mm 기준으로 하여, 금형이 이동한 변위를 의미하는 것이다.

먼저, 드로잉 공정을 거친 알루미늄 소재가 하부 패드 금형 상부에 안착된다.

상부 패드 금형을 하강하는 단계에서는, 상부 패드 금형이 하강하고, 하부 패드 금형은 프레스 쿠션 핀(미 도시)에 의해 상형 패드 금형의 압력과 동일한 힘이 금형면 방향으로 작용하여 알루미늄 소재의 외곽을 강하게 고정한다. 이 때, 1초 정도의 시간이 소요된다. 이를 제1시간이라 한다.

알루미늄 판넬을 가열하는 단계에서는, 가열장치로부터 열을 공급받아 470 내지 490℃ 온도 범위로 유지되는 상/하부 패드 금형에 의해 알루미늄 소재의 온도가 상승한다.

전술한 바와 같이, 알루미늄 소재의 연성을 극대화하기 위해서는 200 내지 300℃ 온도 범위까지 가열하여야 한다.

도 1을 참조하면, 알루미늄 소재가 200 내지 250℃ 범위에서 250 내지 300℃의 범위로 온도가 증가할 때, 연성의 큰 증가가 없는 것을 확인할 수 있다. 이에, 승온시간을 고려하여 알루미늄 고재의 최종 목표 온도를 200 내지 250℃ 로 설정하여 공정의 생산성을 확보할 수 있다.

한편, 490℃은 알루미늄 소재의 용체화 처리(Solution annealing) 온도에 해당한다. 그 이상의 온도에서는 소재 물성에 큰 변화가 발생하는 것과 전단공정의 효율성을 고려하여 상/하부 패드 금형의 온도를 470 내지 490℃로 설정하였다. 이때, 저온의 냉매가 통과하는 냉각채널(60)로 열의 축적/확산을 방지하여 상/하부 패드 금형의 온도를 470 내지 490℃로 유지할 수 있다.

이 때, 470 내지 490℃의 상/하부 패드 금형의 열전도에 의해 알루미늄 소재가 200 내지 250℃ 범위로 승온하는데 걸리는 시간은 약 8초 정도이다. 구체적으로 8초 내지 8.3초이다. 이를 제2시간이라 한다.

전단금형이 하강하는 전류 공급 단계에서는. 전단금형이 하강하면서 가열된 알루미늄 소재의 필요 없는 부위를 전단한다. 통상적으로 전단공정은 0.5 내지 0.8초가 소요된다.

전단금형이 알루미늄 소재와 맞닿는 전단 시점에서, 제2전극이 알루미늄 소재와 추가로 접촉하면서 제1전극 및 알루미늄 소재와 회로를 구성하여, 알루미늄 소재 전단부에 전류가 흐르게 된다.

앞서 알루미늄 소재 변형(전단)에 필요한 하중을 최소화하기 위해서는 70 내지 90A/mm² 의 전류를 0.5~0.8초 인가하면 된다는 결과를 반영하여, 전력 제어장치에서는 70 내지 90A/mm² 의 전류를 제1전극 및 제 2전극에 인가할 수 있다. 이 때, 0.5 내지 0.8초의 시간이 소요된다. 이를 제3시간이라 한다.

전단가공이 완료된 이후, 금형을 상승하는 단계에서는 상부 패드 금형 및 전단금형이 상승하면서 전단가공 전 원위치로 이동한다. 이 때, 소요되는 시간은 약 1.2초이다. 이를 제4시간이라 한다.

도 7은 일 실시예에 따른 전단장치의 작동 매커니즘을 설명하기 위한 도면이다.

도 8은 기존 트리밍 공정 적용시 알루미늄 소재의 전단면을 촬영한 사진이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 전단방법을 적용한 알루미늄 판재 전단면의 Shear 영역이, 기존 트리밍 공정을 적용하였을 때보다 증가하였음을 확인할 수 있다. 따라서, 별도의 공정 추가 없이 알루미늄 소재의 칩 발생을 억제할 수 있다.

본 발명에 따르면, 별도의 공정 추가 없이 기존 트림 금형 내 소재를 가열하고, 전단 순간 전류를 인가할 수 있는 전단장치 및 이를 이용한 알루미늄 소재 전단방법을 제공할 수 있다.

이상에서와 같이 첨부된 도면을 참조하여 개시된 실시예들을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고도, 개시된 실시예들과 다른 형태로 본 발명이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 개시된 실시예들은 예시적인 것이며, 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

1: 전단장치 10: 상부 패드 금형
11: 제1부분 12: 제2부분
20: 하부 패드 금형 21: 제1부분
22: 제2부분 30: 전단 금형
40: 알루미늄 소재 50: 가열장치
60: 냉각채널 70: 제1전극
80: 제2전극 71,81: 전극 소재
72,82: 절연체 소재 90: 전력 제어장치
91: 전력 공급장치 92: 냉각 컴프레셔

Claims

상부 패드 금형;
하부 패드 금형;
상부 패드 금형 또는 하부 패드 금형에 마련되는 제1전극;
상기 상부 패드 금형 및 하부 패드 금형 표면부에 마련되는 가열장치; 및
상기 상부 패드 금형 중 알루미늄 소재가 배출되는 면에 상하로 이동 가능하도록 마련되고, 제2전극을 포함하는 전단금형; 을 포함하는 전단장치.
제1항에 있어서,
상기 전단금형이 알루미늄 소재에 접촉되면, 상기 제1전극과 상기 제2전극에 직류 전류를 공급하도록 마련되는 전력 제어장치; 및
상기 가열장치 또는 상기 전력 제어장치에 교류 전류를 공급하는 전력 공급장치;를 더 포함하는 전단장치.
제1항에 있어서,
상기 제1전극과 상기 제2전극의 극성이 상반되도록 마련되는 전단장치.
제1항에 있어서,
상기 제1전극 및 상기 제2전극은 절연체로 피복되어 마련되는 전단장치.
제1항에 있어서,
상기 상부 패드 금형 및 하부 패드 금형 내부에 마련되는 냉각채널;을 더 포함하는 전단장치.
제1항에 있어서,
상기 냉각채널에 냉매를 공급하도록 마련되는 냉각 컴프레셔; 를 더 포함하는 전단장치.
제1항에 있어서,
상기 상부 패드 금형 및 하부 패드 금형 표면부는 초경합금-M계열(WC+TiC+TaC+Co)로 마련되는 전단장치.
제1시간동안 상부 패드 금형을 하강하는 단계;
제2시간동안 알루미늄 판넬을 가열하는 단계;
제3시간동안 전단금형을 하강하는 전류 공급 단계; 및
제4시간동안 상기 전단금형을 상승하는 단계;를 포함하는 알루미늄 전단방법.
제8항에 있어서,
상기 알루미늄 판넬의 온도는 200 내지 300℃인 알루미늄 전단방법.
제8항에 있어서,
상기 제2시간은 8초 이상인 알루미늄 전단방법.
제8항에 있어서,
공급되는 전류밀도는 70 내지 90A/mm²인 알루미늄 전단방법.
제8항에 있어서,
상기 제3시간은 0.5 내지 0.8초인 알루미늄 전단방법.