KR20200134634A - 이차전지 캔 성형 방법 및 이에 의하여 제조된 이차전지 캔 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이차전지 캔 성형 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 타원형의 평판 재료를 트랜스퍼 드로잉 제조 공정에 의하여 각형 이차전지 캔으로 제조하는 공정에 있어서, 타원형 평판 재료를 트랙형으로 먼저 성형하고, 이후 트랜스퍼 드로잉을 수행함으로써 각각의 공정에서 치수와 외관에 영향을 주는 드로잉 가공 후의 아이어닝(Ironing) 가공시에 금형과 소재에 최소의 부하를 주는 효과를 나타내는 이차전지 캔 성형 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 이차전지 캔 성형 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 타원형의 평판 재료를 트랜스퍼 드로잉 제조 공정에 의하여 각형 이차전지 캔으로 제조하는 공정에 있어서, 타원형 평판 재료를 트랙형으로 먼저 성형하고, 이후 트랜스퍼 드로잉을 수행함으로써 각각의 공정에서 치수와 외관에 영향을 주는 드로잉 시에 아이어닝(Ironing) 시 금형과 소재에 최소의 부하를 주는 효과를 나타내는 이차전지 캔 성형 방법에 관한 것이다.
신 재생에너지가 차세대를 이끌 중요한 에너지원으로 부각되면서 연속적이지 못한 신 재생에너지 발전원의 증가 및 이로 인한 전력 계통의 부하 조절 중요성이 커짐에 따라 에너지 저장장치(Energy Storage System : ESS)에 대한 관심과 기술 개발이 이루어지고 있다.
에너지 저장장치(ESS)나 전원장치에는, 전 세계적으로 화석 연료의 고갈 및 원유의 수요 급증에 따른 이산화탄소 배출을 해결할 환경 친화적 신기술인 이차 전지가 포함되며, 기기의 슬림화에 적합하고 또한 공간 효과가 높은 슬림형의 각형 전지 캔이 외부 포장재로 사용되고 있다.
각형 전지 캔은, 대략 직육면체의 형상을 가지며 종래 전지의 소형화 및 경량화, 그리고 캔 본체로 성형하기 위한 성형성이 우수하고, 더욱이 성형에 수반하는 가공 경화에 의해 충분한 강도를 확보할 수 있도록 알루미늄 재질의 합금으로 이루어지는 용기이다. 슬림형의 각형 전지캔을 외체 케이스로서 이용한 각형 전지는 기기의 슬림화에 적합하고, 또한 스페이스 효과가 높기 때문에 중요시되고 있다.
종래, 각형 전지캔의 제조방법으로서는 트랜스퍼프레스기에 의한 디프드로잉가공 및 펀칭가공을 10∼13공정 반복함으로써 횡단면형상이 거의 직사각형인 전지캔을 제작하는, 소위 트랜스퍼 드로잉공법이 주로 채용되고 있다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이 프레스에서 소정의 타원 형상으로 타발한 평판 소재(1)가 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 트랜스퍼 드로잉(transfer drawing) 장치(3)의 여러 차례의 복수회의 드로잉(drawing) 단계(3a~3g)를 거쳐 중간 가공물(1a)로 점차 모양을 갖춰 가며 마지막 단계에서 목적하는 바의 이음부 없이 개구를 가지는 중공의 각형 캔(2)으로 제조된다. 드로잉 장치는 원형의 금속판을 공급하고, 상하에서 암, 수 형태로 이루어진 샤프트와 홀에 의해 금속판이 샤프트와 홀 사이의 틈으로 인입되면서 변형되어 캡 형태로 성형하게 된다.
이러한 드로잉 성형은 한번에 좁은 직경이 되도록 성형할 경우 과도한 힘에 의해 금속판이 파손되거나 전체적으로 고르지 못한 형상으로 성형되는 문제가 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 넓은 직경에서 좁은 직경으로 다수의 단계를 거쳐 성형함에 따라 과도한 하중에 의한 변형이나 파손을 방지하며 성형할 수 있는 드로잉 성형 장치가 개시되어 있다.
그러나, 산업의 융복합화가 급속히 진행되면서 종래 소형 IT 기기의 동력원인 소형에서 전기 자동차의 전원장치, 에너지 저장장치(ESS)와 같은 중대형으로 시장의 중심축이 변화됨에 따라, 종래 소형 설계 방식으로 성형하는 경우와 달리, 금형의 크기가 종래 소형보다 커지면서, 이와 같이 트랜스퍼 프레스에 의한 드로잉 가공을 다수 공정 반복하면서 중대형의 각형 캔을 성형할 때, 소재의 흐름 등 품질에 문제가 발생하게 된다.
즉, 최종적으로 제조하고자 하는 각형 캔의 형태는 앞면과 뒷면의 형상이 직선인데 드로잉 공정을 시작하는 형상은 곡선이므로, 각형 캔의 드로잉 공정을 진행하는 과정에서 접혀 들어오는 변형에 따른 부하가 많게 되어 아이어닝(Ironing) 가공 시 억지로 형상을 만드는 상황으로 된다.
또한, 드로잉 각 공정을 수행하는 과정에서 각형 캔(2) 두께의 살이 단변측으로 많이 이동하여 단변의 감소량이 커지게 되고, 최종적으로 제조하고자 하는 각형 캔(2)의 앞면과 뒷면은 소재가 원활하게 이동되지 않으면서 치수나 외관이 균일하지 못하게 되는 문제점이 발생한다.
또한 각형 캔이 중대형이므로 인장 강도가 커야 하며 이에 적합하게 강한 소재를 사용하여야 하지만, 강한 소재를 가지고 소성 변형을 하게 되면 드로잉 시 금형과 소재에 많은 부하가 가해지면서 억지 변형으로 외관의 불량이 발생하게 된다.
또한 각형 캔이 횡단면 형상이 원형인 컵형상 중간제품으로부터 횡단면 형상이 거의 직사각형인 전지캔으로의 비상사형 가공이 되므로, 가공시의 재료의 흐름이 불균일하게 되어 안정된 가공을 할 수 없고, 특히 면적이 작은 단변측판부에 균열이나 파단이 생기기 쉬워, 변형된 형상이 되는 개소가 생기는 등의 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 트랜스퍼 다단의 공정에 의해 원형 평판 재료를 이용하여 각형 캔을 제조하는 공정에 있어서, 트랜스퍼 다단 공정의 드로잉 비율(장변과 단변의 비율) 조건을 개선함으로써 아이어닝(Ironing) 되는 형상과 양을 조절하여 소재 부하를 감소시킬 수 있는 새로운 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여
이차전지 캔을 성형하기 위한 타원형 평판 모재를 준비하는 제 1 단계;
각형 캔의 모서리 형상을 결정하는 제 2 단계;
트랜스퍼 드로잉 공정을 설정하는 제 3 단계;
상기 복수회의 트랜스퍼 드로잉 공정에서 각각의 공정에 대한 단변의 감소 비율과 장변의 감소 비율의 비율을 결정하는 제 4 단계;
캔의 두께를 결정하는 제 5 단계; 및
트랜스퍼 드로잉을 수행하는 제 6 단계; 를 포함하는 이차전지 캔 성형 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 이차전지 캔 성형 방법에 있어서, 상기 각형 전지캔은 철을 주체로 하고, 탄소를 1 wt% 이하 포함하는 냉간압연용 탄소강을 소재로 하여 형성하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 소재가 되는 탄소강이 티타늄 및 니오브의 적어도 한 종류를 1 wt% 이하 함유하고 있는 것이다.
철을 주체로 하는 금속재료에서의 탄소함유량과 아이어닝가공성의 관련에 있어서는, 탄소함유량이 적을수록 그 가공성이 향상되고, 또 티타늄, 니오브의 적어도 한 종류를 1 wt% 이하 함유하는 탄소강이면, 그 가공성이 한층 향상된다. 따라서, 이 소재를 이용함으로써, 상기 발명의 각형 전지캔을 원활히 성형하는 데에 유효하게 된다.
또, 상기 각형 전지캔은 가공전의 소재의 철을 주체로 하는 금속재료의 비커스경도를 나타내는 HV값에 대하여, 가공후의 측판부의 HV값이 15배 이상이 되도록 가공되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 이차전지 캔 성형 방법에 있어서, 상기 각형 캔의 모서리 형상을 결정하는 제 2 단계에서는 각형 형상의 모서리 R 값(R value)을 결정하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 이차전지 캔 성형 방법에 있어서, 각형 형상의 모서리 R 값(R value)은 0.7 내지 0.9 인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 이차전지 캔 성형 방법에 있어서, 상기 트랜스퍼 드로잉 공정을 설정하는 제 3 단계는 타원형 평판 재료를 트랙형 평판 재료로 트랜스퍼 드로잉하는 제 3-1 단계 및 트랙형 평판 재료의 단변과 장변을 아이어닝 가공하는 제 3-2 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 이차전지 캔 성형 방법에 있어서, 상기 타원형 평판 재료를 트랙형 평판 재료로 트랜스퍼 드로잉하는 제 3-1 단계에서는 도 3에서 보는 바와 같이 타원형 평판 재료에서 단변 평탄부에 수평 길이가 장변의 길이의 13 내지 18% 인 직선부를 포함하도록 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 이차전지 캔 성형 방법에 있어서, 상기 타원형 평판 재료를 트랙형 평판 재료로 트랜스퍼 드로잉하는 제 3-1 단계에서는 타원형 평판 재료에서 단변의 거리를 상하에서 5 내지 7 % 감소시켜서 트랙형으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 이차전지 캔 성형 방법에 있어서, 상기 트랜스퍼 드로잉 각각의 공정의 단변의 감소 비율과 장변의 감소 비율의 비율을 결정하는 제 4 단계에서는 단변의 감소 비율과 장변의 감소 비율의 비율이 전체 공정에서 평균 1.3 내지 1.4 가 되도록 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 이차전지 캔 성형 방법에 있어서, 상기 트랜스퍼 드로잉 각각의 공정의 단변의 감소 비율과 장변의 감소 비율의 비율을 결정하는 제 4 단계에서는 트랜스퍼 드로잉의 가장 마지막 단계에서 단변의 감소 비율과 장변의 감소 비율의 비율이 1 이하가 되도록 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 이차전지 캔 성형 방법에 있어서, 상기 캔의 두께를 결정하는 제 5 단계에서는 단변부에 비교하여 면적이 큰 장변은 비교적 얇은 두께로 형성되어 있으므로, 그 만큼 각형전지캔의 내용적이 커져 많은 전지활성물질을 충전할 수 있어, 체적 에너지밀도가 향상된 각형 전지를 구성할 수 있다.
본 발명에 의한 이차전지 캔 성형 방법에 있어서, 트랜스퍼 드로잉을 수행하는 제 6 단계에서는 상기 제 2 단계 내지 제 5 단계에서 디자인된 방법에 따라 트랜스퍼 드로잉을 수행한다.
본 발명에 의한 이차전지 캔 성형 방법은 타원형의 평판 재료를 각형으로 트랜스퍼 드로잉 제조 공정에 있어서, 타원형 평판 재료의 단변을 직선으로 드로잉하고 이후 트랜스퍼 드로잉을 수행함으로써 각각의 공정에서 치수와 외관에 영향을 주는 아이어닝(Ironing) 시 금형과 소재에 최소의 부하를 줄 수 있도록 함으로써, 종래 타원 형상에 비해 평판 소재가 각 공정 별 단변이 줄어드는 양이 적고, 타원형 평판 재료를 트랙형으로 먼저 성형하고, 이후 트랜스퍼 드로잉을 수행함으로써 각각의 공정에서 치수와 외관에 영향을 주는 드로잉 가공 후의 아이어닝(Ironing) 가공시에 금형과 소재에 최소의 부하를 주는 효과를 나타낸다.
도 1은 종래 타원 형상의 금속 평판 소재에서 각형 이차 전지 캔이 얻어지는 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 평판 소재를 여러 차례 드로잉 가공을 하여 각형 캔으로 제조하는 트랜스퍼 드로잉 장치를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 의하여 타원형 평판 재료를 트랙형으로 가공하는 과정을 나타낸다.
도 4 및 도 5 는 본 발명의 실시예 및 비교예에서 서영된 각형 캔의 표면 스트레스 정도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 평판 소재를 여러 차례 드로잉 가공을 하여 각형 캔으로 제조하는 트랜스퍼 드로잉 장치를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 의하여 타원형 평판 재료를 트랙형으로 가공하는 과정을 나타낸다.
도 4 및 도 5 는 본 발명의 실시예 및 비교예에서 서영된 각형 캔의 표면 스트레스 정도를 나타낸다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이하의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
장변이 113㎜이고 단변이 89㎜인 타원 형상의 평판 소재를 준비한 후, 먼저 장변이 114㎜로 증가하면서 단변이 상하로 5 내지 7 % 감소시켜서 4.45~6.23㎜ 감소하도록 성형하고, 단변의 평탄부를 장변의 길이의 13 내지 18% 인 148~205㎜ 가 되도록 트랙 형상으로 성형하였다.
각형 캔으로 제조되어지는 각 공정 별로 단변과 장변의 감소되는 길이의 변화 비율이 평균적으로 137배이고, 최종 형상과의 차이가 단변이 4113㎜에서 05㎜로 변화 비율이 작으며 특히 앞뒷면과 측면을 연결하는 코너 부분의 변형과 스트레스의 감소를 가져온다.
<비교예>
장변이 113㎜이고 단변이 89㎜인 타원 형상의 평판 소재를 트랙 형상으로 성형하는 과정 없이 트랜스퍼 드로잉 공정을 수행한 결과는 아래 표 2와 같다.
<실험예>
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 각형 캔에 대해 단면 주축의 방향에 생기는 수직 응력(파단 예측)으로 동일 공정의 스트레스를 비교하고 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
비교예의 경우 스트레스가 0~13975MPa 인 것에 대해, 이 발명의 트랙 형상에서는 0~5375MPa 으로 나타나고 있어, 이 발명의 트랙 형상이 소재의 스트레스를 줄이면서 치수의 안정성이 증가되고, 외관이 깨끗하게 되는 것을 확인할 수 있다.
Claims (7)
- 이차전지 캔을 성형하기 위한 타원형 평판 모재를 준비하는 제 1 단계;
각형 캔의 모서리 형상을 결정하는 제 2 단계;
트랜스퍼 드로잉 공정을 복수회 설정하는 제 3 단계;
상기 복수회의 트랜스퍼 드로잉 공정에서 각각의 공정에 대한 단변의 감소 비율과 장변의 감소 비율의 비율을 결정하는 제 4 단계;
캔의 두께를 결정하는 제 5 단계; 및
트랜스퍼 드로잉을 수행하는 제 6 단계; 를 포함하는
이차전지 캔 성형 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 각형 캔의 모서리 형상을 결정하는 제 2 단계에서는 각형 형상의 모서리 R 값(R value)을 결정하는 것인
이차전지 캔 성형 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 트랜스퍼 드로잉 공정을 설정하는 제 3 단계는
타원형 평판 재료를 트랙형 평판 재료로 트랜스퍼 드로잉하는 제 3-1 단계; 및
상기 트랙형 평판 재료의 단변과 장변을 드로잉하는 제 3-2 단계를 포함하는 것인
이차전지 캔 성형 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 타원형 평판 재료를 트랙형 평판 재료로 트랜스퍼 드로잉하는 제 3-1 단계에서는 타원형 평판 재료에서 단변 평탄부에 수평 길이가 장변의 길이의 13 내지 18% 인 직선부를 포함하도록 설정하는 것인
이차전지 캔 성형 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 타원형 평판 재료를 트랙형 평판 재료로 트랜스퍼 드로잉하는 제 3-1 단계에서는 타원형 평판 재료에서 단변의 거리를 상하에서 5 내지 7 % 감소시켜서 트랙형으로 설정하는 것인
이차전지 캔 성형 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 트랜스퍼 드로잉 각각의 공정의 단변의 감소 비율과 장변의 감소 비율의 비율을 결정하는 제 4 단계에서는 단변의 감소 비율과 장변의 감소 비율의 비율이 전체 공정에서 평균 1.3 내지 1.4 가 되도록 설정하는 것인
이차전지 캔 성형 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 트랜스퍼 드로잉 각각의 공정의 단변의 감소 비율과 장변의 감소 비율의 비율을 결정하는 제 4 단계에서는 트랜스퍼 드로잉의 가장 마지막 단계에서는 단변의 감소 비율과 장변의 감소 비율의 비율이 1 이하가 되도록 설정하는 것인
이차전지 캔 성형 방법.
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