KR20210057567A - 초음파 진동 인가 점진성형법을 이용한 판재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (a) 다이 위에 피성형 판재를 위치시키고, 상기 피성형 판재 양단을 상기 다이에 고정하는 단계; 및 (b) 상기 피성형 판재의 수직 방향으로 초음파 진동하는 성형 공구를 소정의 경로를 따라 이동시키면서 상기 피성형 판재 표면을 진동 가압해 상기 피성형 판재를 성형하는 단계;를 포함하는 초음파 진동 인가 점진성형법을 이용한 판재의 제조방법에 대한 것으로서, 본 발명에 의하면 종래 회전 성형 공구를 이용한 점진성형법에 비해 치수 정확도가 크게 향상된 판재를 제조할 수 있으며, 특히, 피성형 판재를 사이에 두고 2개의 초음파 진동 성형 공구를 대향시켜 피성형 판재 양면을 동시에 성형을 실시할 경우, 성형성 향상, 스프링백(Spring-back) 효과 저감, 판재 강도 향상을 모두 달성할 수 있으며, 또한, 회전하지 않고 고정된 성형 공구에 초음파 진동만을 인가해 점진성형을 실시하면 기존의 점진성형법과 달리 공구 회전 구성 요소의 고장 또는 공구 마모의 문제가 원천적으로 차단될 뿐만 아니라, 성형공정 및 장치의 구성 요소 및 디자인이 간소화되어 경제성이 크게 향상된다.

Description

초음파 진동 인가 점진성형법을 이용한 판재의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING PLATE USING ULTRASONIC VIBRATION APPLIED INCREMENTAL FORMING}

본 발명은 점진성형법(incremental forming)을 기반으로 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP) 등의 섬유 강화 플라스틱이나 금속 등으로 이루어진 판재를 제조하는 방법에 대한 것이다.

점진성형법(incremental forming)은 컴퓨터 수치 제어기(CNC) 밀링 머신으로 제어되는 경로를 따르는 반구형 헤드 공구(hemispherical-head tool)을 사용하여 금속 판재를 특정 형태로 성형하는 국부 소성 변형법(localized plastic deformation method)에 속하는 성형방법으로서, 공구를 회전 또는 이송시켜 소재와 공구가 부분적으로 접촉하도록 하여 재료를 국부적으로 성형하면서 이를 점차적으로 성형하고자 하는 소재의 영역으로 진행시켜 원하는 형상의 금속 제품을 제조하는 기술이다.

점진성형법은 복잡한 형상을 가진 제품의 제조에 있어서 기존의 금속 성형 방법에 의할 경우 셋업 장비를 제조하는데 필요한 높은 비용과 시간으로 경제성이 크게 떨어져 기존의 금속 성형법에 대한 대안으로 도입되었다.

또한, 항공우주 산업 / 선박과 같은 분야에서는 소량으로 다양한 부품이 필요한 경우가 있는데, 이때 기존의 프레스 또는 롤러 성형 방법을 이용하면 다이를 제조하는데 많은 시간과 비용이 소요되므로, 이러한 경우에도 점진성형법이 장점을 발휘한다.

하지만, 종래의 회전 공구(rotational tool)만을 구비한 성형장치를 이용한 점진성형법에 의하면 충분한 소성 변형(plastic deformation)을 발생시키지 못 하기에 금속 시트에 불충분한 힘이 가해져 도 1에 도시된 바와 같이 성형 공정 중에 발생하는 시트 벤딩(sheet bending), 필로우 효과(pillow effect) 및 스프링백(spring-back) 현상에 의해 피성형물의 치수 정확도가 크게 감소하는 문제가 발생한다.

한국등록특허 제10-0873469호 (등록일: 2008.12.04) 한국등록특허 제10-1132121호 (등록일: 2012.03.23)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 기존의 점진성형 기술의 문제점에 착안하여 성형 판재의 치수 정확도 등 품질을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 금속은 물론 CFRP 등과 같은 섬유강화플라스틱으로 이루어진 판재의 제조에도 적용할 수 있는 신규한 점진성형법을 이용한 판재 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 다이 위에 피성형 판재를 위치시키고, 상기 피성형 판재 양단을 상기 다이에 고정하는 단계; 및 (b) 상기 피성형 판재의 수직 방향으로 초음파 진동하는 성형 공구를 소정의 경로를 따라 이동시키면서 상기 피성형 판재 표면을 진동 가압해 상기 피성형 판재를 성형하는 단계;를 포함하는 초음파 진동 인가 점진성형법을 이용한 판재의 제조방법을 제안한다.

이때, 상기 단계 (b)에서 상기 성형 공구는 공구 축을 중심으로 회전할 수도 있고, 회전하지 않고 고정될 수도 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 초음파 진동 인가 점진성형법을 구현할 수 있는 장치의 일례를 도시한 것으로서, 양 장치 모두 초음파 진동자(ultrasonic tranducer), 부스터(booster), 혼(horn)을 포함해 이루어지는 초음파 진동 인가부를 가지지만, 회전하지 않고 고정된 성형 공구를 구비한 도 2에 따른 장치와 달리 도 3에 따른 장치는 고정된 성형 공구를 회전시키기 위해 모터를 추가로 구비하며 상기 모터는 모터의 구동 풀리와 공구 축의 피동 풀리 사이에 연결된 구동 벨트를 통해 공구를 회전시킨다.

나아가, 본 발명에 따른 초음파 진동 인가 점진성형법을 이용한 판재의 제조방법은, 피성형 판재의 일면을 진동 가압하는 것은 물론 피성형 판재의 양면을 동시에 진동 가압해 판재를 성형하는 방법을 제안한다.

상기 피성형 판재 양면 점진성형 방법은, 상기 단계 (b)에서 상기 피성형 판재를 사이에 두고 상기 성형 공구 2개를 서로 대향하도록 위치시킨 후, 상기 2개의 성형 공구를 동시에 소정의 경로를 따라 이동시키면서 상기 피성형 판재의 양면을 진동 가압해 이루어질 수 있다. 도 4는 상기 본 발명에 따른 상기 피성형 판재 양면 점진성형 방법을 구현할 수 있는 장치의 일례를 도시한 것이다.

그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 얻어지는 판재를 제안하며, 상기 판재는 금속 재질의 판재는 물론 CFRP 등과 같은 섬유강화플라스틱으로 이루어진 판재일 수 있다.

본 발명에 따른 초음파 진동 인가 점진성형법을 이용한 판재의 제조방법에 의하면, 종래 회전 성형 공구를 이용한 점진성형법에 비해 치수 정확도가 크게 향상된 판재를 제조할 수 있으며, 특히, 피성형 판재를 사이에 두고 2개의 초음파 진동 성형 공구를 대향시켜 피성형 판재 양면을 동시에 성형을 실시할 경우, 성형성 향상, 스프링백(Spring-back) 효과 저감을 모두 달성할 수 있다.

또한, 회전하지 않고 고정된 성형 공구에 초음파 진동만을 인가해 점진성형을 실시하면 기존의 점진성형법과 달리 공구 회전 구성 요소의 고장 또는 공구 마모의 문제가 원천적으로 차단될 뿐만 아니라, 장치의 구성 요소 및 디자인이 간소화되어 경제성이 크게 향상된다.

도 1은 점진성형 가공시 발생하는 기하학적 오류의 유형을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 점진성형법(공구가 회전하지 않고 초음파 진동만을 인가하면서 성형 실시)에 사용될 수 있는 초음파 점진성형 장치의 일례에 대한 개념도 및 단면도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 초음파 보조 점진성형법(회전하는 공구에 초음파 진동을 인가하면서 성형 실시)에 사용될 수 있는 초음파 보조 점진성형 장치의 일례에 대한 개념도 및 단면도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 초음파 진동 인가 피성형 판재 양면 점진성형에 사용될 수 있는 2축 점진성형 장치의 일례에 대한 개념도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본원 실시예에서 점진성형을 수행하기 위해 사용한 초음파 진동 점진성형 장치의 모식도이다.
도 6은 본원 실시예에서 점진성형에 제공된 알루미늄 합금 플레이트 시편의 제원 및 물성을 나타낸 도면이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

<실시예>

도 5는 기존의 점진성형 장치의 스핀들에 초음파 진동자(Ultrasonic transducer)를 추가한 본 발명에 따른 초음파 진동 인가 점진성형을 위한 점진성형 장치를 도시한다.

해당 초음파 진동 점진성형 장치에 있어서, 초음파 진동자는 성형 공구의 중심축에 연결되어 성형 작업 중에 초음파 진동을 가한다. 진동의 영향을 최소화하기 위해 모터는 벨트를 사용하여 스핀들로 전달되는 회전 운동을 생성한다. 또한, 초음파 변환기는, 초음파 변화기를 구동하기 위해 저주파 전기 입력을 고주파 고전압 출력으로 변환하는 초음파 발생기(발진기)에 연결된다. 성형 공구의 이동은 NC 컨트롤러에 의해 제어된다. 본 실시예에서는 해당 초음파 진동 점진성형 장치를 이용해, 종래의 점진성형(초음파 진동 인가되지 않은 회전 공구 사용) (비교예), 초음파 점진성형(초음파 진동 인가된 고정(무회전) 공구 사용) (실시예 1) 및 초음파 보조 점진성형(초음파 진동 인가된 회전 공구 사용) (실시예 2)의 3가지 점진성형 실험을 수행하고, 각 성형 공정에 따라 얻어진 판재의 치수 정확성을 비교하였다.

실시예 1의 초음파 점진성형((Ultrasonic Incremental Forming))에서는 무회전 성형 공구를 사용하여 초음파 진동을 가해 점진성형을 수행하였다. 초음파 진동으로 인해 소성변형에 필요한 충분한 응력을 가해 스프링백 현상이 줄어들어 정밀도가 높아진다.

또한, 실시예 2의 초음파 보조 점진성형법(Ultrasonic Assisted Incremental Forming)은 성형 공정에 회전 공구 외에 초음파 진동을 이용한 점진성형법을 지칭한다. 초음파 진동은 회전 공구에 의한 기존의 정적 힘(static force) 이외에 동적 힘(dynamic force)을 유발시킨다. 초음파 진동이 부가됨으로써 소성 변형을 유도하기 위해 임의의 영역에 충분히 높은 응력을 인가할 수 있어 판재의 스프링백(spring-back) 현상과 같은 문제를 최소화할 수 있다. 초음파 진동의 존재로 소성 변형을 유도하는데 필요한 장비의 부하를 최소화하고 성형성을 증가시킨다. 따라서, 초음파 보조 점진성형법을 통해 기존 점진성형법에 비해 높은 치수 정확도를 달성할 수 있다.

실시예 1 및 2와 비교예에서 사용된 피성형 시편은 도 6에 표시된 치수와 특성을 가진 직사각형 알루미늄 7050-T6 플레이트이었으며, 치수 정확도(dimension accuracy)는 원하는 치수를 사각형 원뿔 모양의 치수 측정과 비교하여 결정하였다.

성형된 금속 시트의 치수 측정 결과는 아래 표 1에 기재하였다. 해당 치수 측정 결과에 따르면, 초음파 보조 점진성형에 의해 제조된 판재가 1.85mm/0.24ㅀ의 오차로 가장 높은 정확도를 가지며, 초음파 점진성형에 의해 제조된 판재(실시예 과 기존의 점진성형이 각각 1.92mm/0.82ㅀ 및 1.88mm/1.37ㅀ의 오차를 나타냈다.

<표 1> 실시예 1 및 2와 비교예 각각에 따른 점진성형 전후의 성형 시편 치수 측정 결과

즉, 초음파 점진성형(실시예 1)은 기존 점진성형법(비교예)에 비해 치수 정확도 측면에서 우수한 결과를 나타냈다. 따라서, 회전부를 가지는 종래의 점진성형 장치에 초음파 진동부를 부가적으로 장착하거나, 종래의 점진성형 장치에서 회전부(rotating part)를 제거하고 초음파 진동부를 장착함으로써 치수 정확성이 보다 향상된 점진성형 장치를 구현할 수 있다.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.　그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (5)

1. (a) 다이 위에 피성형 판재를 위치시키고, 상기 피성형 판재 양단을 상기 다이에 고정하는 단계; 및
   (b) 상기 피성형 판재의 수직 방향으로 초음파 진동하는 성형 공구를 소정의 경로를 따라 이동시키면서 상기 피성형 판재 표면을 진동 가압해 상기 피성형 판재를 성형하는 단계;를
   포함하는 초음파 진동 인가 점진성형법을 이용한 판재의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 성형 공구는 회전하거나 또는 회전하지 않고 고정된 것을 특징으로 하는 초음파 진동 인가 점진성형법을 이용한 판재의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 단계 (b)에서 상기 피성형 판재를 사이에 두고 상기 성형 공구 2개를 서로 대향하도록 위치시킨 후, 상기 2개의 성형 공구를 동시에 소정의 경로를 따라 이동시키면서 상기 피성형 판재의 양면을 진동 가압해 상기 피성형 판재를 성형하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동 인가 점진성형법을 이용한 판재의 제조방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 금속 판재.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 탄소섬유 강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced plastic, CFRP) 판재.

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