KR960012033B1 - 세라믹볼 성형을 위한 일축압축성형금형 - Google Patents

세라믹볼 성형을 위한 일축압축성형금형 Download PDF

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Abstract

내용없음

Description

세라믹볼 성형을 위한 일축압축성형금형
제 1 도는 본 발명에 따른 일축압축성형금형의 분해상태도이고,
제 2 도는제 1 도의 성형부선단의 확대도이며,
제 3 도는 성형시의 제 1 도의 결합상태도이고,
제 4 도는 종래의 일축압축성형금형의 분해상태도이며,
제 5 도는제4도의 성형부선단의 확대도이고,
제 6 도는 성형시의 제 4 도의 결합상태도이고,
제 7 도는 종래의 장치로 성형된 세라믹볼의 측면도이며,
제 8 도는 본 발명의 장치로 성형된 세라믹볼의 측면도이고,
제 9 도는 종래의 장치로 성형된 세라믹볼의 측면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10,110 : 금형 12,112 : 상부펀치
14,114 : 하부펀치 16,116 : 다이
18,20,118,120 : 다이삽입부 22,24,122,124 : 성형부
26,26',126 : 관통구 28,30,128,130 : 성형선단부
32,34,132,134 : 랜드 38 : 공기흐름통로
136 : 밴드 40,140 : 볼성형체
본 발명은 세라믹볼 성형을 위한 일축압축성형금형에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 세라믹볼의 성형불량이 발생하지 않고, 대량생산 및 정밀한 성형이 가능한 개량된 일축압축성형금형에 관한 것이다.
일반적으로 세라믹볼(ceramics ball)을 성형하는데에는 분말압축성형용 일축압축(Uniaxial Press)금형, 드라이백 씨아이피기(Dry Bag CIP Machine), 사출성형기, 볼성형기 등을 사용하였다.
그러나, 드라이백 씨아이피기의 경우에는, 몰드(Mold) 재질로 고무를 사용하기 때문에 몰드의 수명이 비교적 짧으며, 공기압축시간과 홀딩(Holding)시간이 길게 소요되기 때문에 생산성이 낮다. 사출성형기의 경우에는 금형제작비용이 높고, 생산성이 낮다. 또한 볼성형기의 경우에는 볼성형의 가능한 크기가 한정되고, 정밀한 볼성형이 불가능한 단점이 있다.
일축압축금형을 사용하여 일반적인 세라믹제품을 성형할 경우에는, 몰드의 제작비용이 저렴하고, 몰드의 수명이 길며, 대량생산이 가능할 뿐 아니라 정밀한 제품을 얻을 수 있다는 잇점이 있다.
하지만, 볼제품의 경우, 형상의 특이성으로 인하여 기존의 볼몰드를 사용하여 성형할 경우, 성형 및 탈형이 잘 이루어지지 않아 불량이 다량 발생하였으며, 정밀한 볼을 얻을 수 없었다.
즉, 종래의 일축압축성형용 볼몰드(110)는 첨부도면 제 4 도에 나타낸 바와 같이, 상부펀치(112), 하부펀치(114) 및 다이(116)으로 구성되어 있으며, 상부펀치(112)의 다이삽입부(118)와 하부펀치(114)의 다이삽입부(120)에는 각각 볼성형체의 직경(D)과 동일한 반원구형의 성형부(122,124)가 오목하게 형성되어 있고, 다이(116)에는 상기 다이삽입부(118,120)가 삽입되는 볼성형체 직경(D)와 동일한 관통구(126)가 중앙부위에 형성되어 있다.
따라서, 첨부도면 제6도에서와 같이 성형가압중에는 세라믹분말에 내재된 공기가 자연적으로 빠져나가지 못하기 때문에 공기를 빼내기 위하여 가압중 홀딩시간을 볼크기에 따라 30초 내지 60초 이상 유지시켜야 하므로, 성형시간이 1분 내지 2분 이상 길게 소요되게 된다.
뿐만 아니라, 홀딩시간을 길게 유지하여도 공기가 완전히 빠져나가지 못하고 잔재하게 되어 첨부도면 제9(A)도에서와 같이 볼성형체(140)의 상단부위에 공기잔재흔이 나타나는 경우가 많으며, 제9(B)도에서와 같이 볼성형체(140)의 상단부위에 밀도 불균일 및 라미네이션 [성형결함의 일종으로 압축방향의 수직방향으로 층(편)상의 결함(밀도차 및 크랙)이 발생하는 현상]을 일으켜 소결후 진구도(眞球度)가 불량한 타원형 볼이 많이 나타나게 된다.
또한, 성형중에 빠져나가지 못한 공기와 상하부펀치(112,114)의 성형부(122,124) 사이에 진공으로 인한접착(펀치가 성형체를 잡고 있는 현상)이 발생하여 탈형시 볼성형체가 펀치에서 분리되지 않고 잡혀나와 첨부도면 제9(C)도 및 제9(D)도에서와 같이 볼성형체의 상부 및 하부가 파손되는 경우가 많다.
한편, 상부펀치(112)와 하부펀치(114)의 성형부(122,124)가 동일하게 반원구형으로 형성되어 있기 때문에 상하부펀치(112,114)의 선단부(128,130)가 날카로와 이들이 충돌시 파손이 불가피하여 이 부위를 절단하여 첨부도면 제5도와 같이 랜드(132,134)를 형성시키고 있다. 이 랜드(132,134)의 폭은 약 0.3mm 정도이며, 만일 그 이하로 할 경우에는 상하부펀치에 볼성형체가 잡히게 되어 탈형이 안되게 된다.
하지만, 이러한 랜드(132,134)로 인하여 첨부도면 제7도에서와 같이 볼성형체 중앙에 밴드(136)가 형성 되게 되어 정밀한 볼성형이 불가능하고, 볼을 최종적으로 사용하기 위해서는 다시 가공을 하여 밴드(136)을 없애야 하는 번거로움이 있다.
특히, 다이(116)의 경우는 첨부도면 제 4 도 및 제 6 도에서와 같이, 관통구(126) 전체가 성형체의 직경(D)과 동일하게 형성되어 있기 때문에, 볼성형을 함에 있어 중요한 역할을 하지 못하고, 단지 상하부펀치(112,114)의 가이드역할만을 하고 있다.
이러한 문제점들로 인하여 일축압축성형의 여러가지 잇점에도 불구하고 일축압축성형금형을 이용한 성형을 회피하고 있는 실정이다.
이에 본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 세라믹볼의 성형시 공기가 잘 빠져나가고, 탈형이 용이하게 이루어지며, 정밀한 볼성형이 가능할 뿐 아니라 자동고속성형으로 생산성을 증대시킬 수 있는 개량된 세라믹볼을 위한 일축압축성형금형을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 다이삽입부의 선단에 볼성형체의 성형을 위한 오목한 반원구형의 성형부가 형성되어 있는 상하부펀치와 상기 상하부펀치의 다이삽입부가 삽입되는 관통구가 중앙부위에 형성되어 있는 다이로 이루어져 있되 상기 볼성형체의 직경과 동일한 직경의 상기 다이삽입부의 내부에 형성되어 있고, 상기 성형부 중심부위에서 개방되어 있는 공기의 흐름을 위한 통로를 갖는 상부펀치, 상기 볼성형체 직경의 40 내지 60%의 직경을 갖는 다이삽입부와 형성부를 갖는 하부펀치 및 상기 상부펀치의 다이삽입부가 삽입되는 U-자형의 관통구와 상기 하부펀치의 다이삽입부가 삽입되는 직선형 관통구가 중앙부위에서 서로 연통되게 형성된 다이로 이루어진 세라믹볼 성형을 일축압축성형금형인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 금형에서 상기 상부펀치의 공기흐름통로는 그 직경이 볼성형체 직경의 1/40 내지 1/100정도이며, 상기 통로는 공기의 배출 및 공급을 위한 수단과 상부펀치의 측면에서 연결되어 있다.
본 발명에 따르면, 상기 U-자형 관통구는 상부펀치의 다이삽입부의 직경과 동일하며, 직선형 관통구는 하부펀치의 다이삽입부의 직경과 동일하고, 상기 U-자형 관통구의 밑면은 구면으로 형성되어 있다.
이와 같은 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 세라믹볼을 위한 일축압축성형금형(10)은 세라믹볼을 성형가압하기 전의 분해상태를 나타낸 첨부도면 제 1 도에서와 같이, 부호 12로 표시한 상부펀치, 부호 14로 표시한 하부펀치 및 부호 16으로 표시한 다이로 구성되어 있다.
그리고, 첨부도면 제3도는 세라믹볼의 성형가압상태에서의 일축압축성형금형의 결합상태도이다.
본 발명에 따르면, 상부펀치(12)의 성형부(22)는 종래의 경우와 같이 볼성형체(40)의 직경(D)과 동일한 직경을 가지며, 반원구형으로 오목하게 형성되어 있지만, 다이삽입부(18)의 내부에는 공기흐름통로(38)가 형성되어 있으며, 이 공기흐름통로(38)는 상부펀치(12)의 측면과 성형부(22)의 중앙부분에서 각각 개방되어있다.
상기 공기통로(38)의 직경은 D/40 내지 D/100(여기서, D는 성형체(40)의 직경을 말함)이며, 이 직경은 세라믹볼의 크기(직경)에 따라 설정될 수 있다.
즉, 세라믹볼의 크기를 크게 할 경우에는 그 분말에 내재된 공기가 많기 때문에 공기를 짧은 시간내에 빼내기 위하여 공기흐름통로(38)의 직경을 크게 해야 되며, 반대로 세라믹볼의 크기를 작게 할 경우에는 분말내에 내재하는 공기의 양이 적기 때문에 공기통로(38)의 직경을 작게하면 된다.
본 발명에 따르면, 상부펀치(12)에 공기통로(38)가 설정되어 있기 때문에 성형가압중 분말에 내재된 공기가 이 통로(38)를 통해서 외부로 약 1초 이내에 완전히 빠져나가게 되므로 종래에 성형시간이 1분 내지 2분 걸리던 것을 약 6초 이내로 줄일 수 있게 된다. 따라서, 성형시간을 약 10배 내지 20배로 단축시키게 되는 장점이 있다.
또한, 상기의 공기통로(38)에 의하여 성형후에 볼성형체(40)에 공기가 잔재해 있지 않게 되므로 첨부도면 제9(A)도와 같이 공기잔재흔이 나타나지 않게 되며, 제9(B)도와 같이 성형체 상단의 밀도불량 및 성형체 라미네이션도 발생하지 않게 된다.
한편, 본 발명에 따르면, 탈형시에는 상부펀치(12)의 공기흐름통로(38)를 통해서 탈형시작단계에서부터 홀드다운(Hold Down)이 끝날때까지 고압공기를 공급시킬 수 있어 몰드의 성형부(22)와 성형체(40) 사이에 공기막이 형성됨으로써, 펀치(12)와 성형체(40) 사이의 진공으로 인한 접착현상을 방지하게 되어 탈형이 쉽게 이루어지게 된다. 따라서, 첨부도면 제9(C)도 및 제9(D)도와 같은 성형체 상부 및 하부의 파손현상을 방지할 수 있게 된다.
첨부도면 제3도에서 부호 42는 배출 또는 압축공기의 연결통로로서 도면에서는 공기통로(38)와 직각방향으로 설치되어 있지만 경우에 따라 설치방향을 조정할 수도 있으며, 부호 44는 압축공기를 공급하는 공기호스이며, 부호 46은 공기호스의 조인트이다.
본 발명에 따르면, 첨부도면 제1도에 나타낸 바와 같이, 다이(16)의 경우는 상부펀치(12)의 다이삽입부(18)가 삽입되는 U-자형 관통구(26)와 하부펀치(14)의 다이삽입부(20)가 삽입되는 직선형 관통구(26')로 구분되어 있다.
여기서, 상기 U-자형 관통구(26)의 깊이는 세라믹 소재의 압력별 분말충진율을 고려하여 계산된 위치에 부여하면 된다.
상기의 U-자형 관통구(26)의 직경은 볼성형체(40)의 직경(D)과 동일하며, 직선형 관통구(26')의 직경은 상기 직경(D)의 40 내지 60% 정도이다.
특히, 본 발명에 의하면, 상부펀치(12)의 다이삽입부(18)가 삽입되는 U-자형 관통구(26)의 밑면(직선형 관통구(26')와 접하는 부분)이 구면으로 형성되어 있고, 하부펀치(14)의 다이삽입부(20)가 삽입되는 직선형 관통구(26')의 직경이 상기 U-자형 관통구(26)의 40 내지 60% 정도가 되므로 볼성형시 상하부펀치(12,14)의 선단이 관통구(26,26') 내부에서 서로 충돌하지 않게 된다.
다음에서 상세히 설명하겠지만, 상기와 같이 다이(16)의 관통구가 서로 다른 직경으로 양분되어 있고 성형시 상호 충돌 위험성을 방지할 수 있으므로 상하부펀치(12,14)의 성형부선단(28,30)의 폭을 상당히 줄일수 있게 된다. 그 결과 첨부도면 제7도에서와 같은 밴드(136)의 형성을 방지할 수 있고, 제8도와 같이 단지 미세한 띠만 나타나는 정밀한 볼을 얻을 수 있게 된다.
또한, 다이(16)의 성형부위에 미세한 테이퍼(taper)를 0.04도 정도 부여하여 탈형시 스프링백(springback : 압축성형시 가압이 완료된 후 압력이 제거되면, 성형체가 압축력에 대한 반력으로 팽창하려는 성질)에 의한 성형체 파손(스프링 백이 성형체 전 부위에 균일하게 이루어지기 때문)을 방지하게 되고, 탈형이 용이하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 하부펀치(14)는 첨부도면 제1도 및 제3도에 나타낸 바와 같이, 외형적으로는 종래의 하부펀치와 유사하지만, 실질적으로 다이삽입부(20)와 반원구형으로 오목하게 형성되어 있는 성형부(24)의 직경은 다이(16)에 형성되어 있는 직선형 관통구(26')의 직경과 같이 성형체(40)의 직경(D)에 대해 40 내지 60% 정도로 이루어져 있다.
본 발명에 따른 하부펀치(14)의 직경을 성형체(40) 직경의 60% 이상으로 할 경우에는 펀치의 성형부(24)의 중심에서 성형부선단(30)까지의 높이가 크게 되어 피이드 컵(Feed Cup : 분말을 다이에 자동으로 충진시키는 장치로서, 성형시작과 동시에 작동하여 앞의 성형공정에서 성형된 성형체를 다이밖으로 밀어내는 역할을 함과 동시에 다이내에 분말을 충진하는 역할을 한다)에 의한 취출시 시료를 몰드에서 자연스럽게 취출하지 못하고 간섭을 받게 되어 성형체(40)가 파손되는 경우가 많이 발생하게 된다. 반대로, 40% 이하로 할 경우에는 탈형시 시료의 국소부분에 집중하중을 받게 되어 성형체(40) 파손의 원인이 된다.
하지만, 본 발명에서와 같이 하부펀치의 직경을 상기 범위로 하게 되면, 상기와 같은 불량현상은 발생하지 않게 되며, 탈형시작과 동시에 U-자형 관통구(26)의 밑면에서 성형체(40)를 분리해내는 역할을 하여 탈형이 용이하게 된다.
특히, 하부펀치(l4)의 성형부(24)의 중심부분에서 성형부선단(30)까지의 높이가 낮기 때문에 피이드 컵 사용에 의한 자동성형으로 대량생산이 가능하게 된다.
본 발명에서는, 이미 상술한 바와 같이 다이(16)의 관통구(26,26')가 서로 다른 직경으로 양분되어 있고 이로 인해 성형시 상하부펀치(12,14)의 성형부(22,24)가 관통구(26,26')내에서 상호충돌의 위험성이 없으므로 종래의 성형체에서와 같이 밴드형성의 주원인이었던 랜드의 폭을 상당히 줄일 수 있게 되었다.
즉, 본 발명에 따르면, 첨부도면 제2도에 나타낸 바와 같이, 성형부선단(28,30)의 랜드(32,34) 폭은 약 0.3 내지 0.05mm가 바람직하다.
따라서, 다이(16)에서 상부펀치(12)가 삽입되는 U-자형 관통구(26)와 하부펀치(14)가 삽입되는 직선형 관통구(26')의 직경이 다르고, U-자형 관통구(26)와 직선형 관통구(26')가 만나는 부위(U-자형 관통구의 밑면)가 구면으로 되어 있기 때문에 첨부도면 제3도에서와 같이 성형시 상하부펀치(12,14)의 성형선단부(28,30)의 충돌을 방지할 수 있으며, 더우기, 상부펀치(12)의 공기흐름통로(38)의 역할로 인하여 펀치가 성형체(40)를 잡고 있는 현상이 발생하지 않게 된다.
본 발명에 의하면, 첨부도면 제8도에서의 성형체 형상과 같이 볼성형체 중간부위에 밴드가 발생되지 않고, 단지 미세한 띠만 나타나는 정밀한 볼성형체를 얻을 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
(실시예)
본 발명의 실시예에서는 직경 8mm에서 46mm까지의 Al2O399.9% 세라믹 성형체를 얻기 위하여 2.54mm 간격으로 16세트의 몰드를 제1도 및 제2도와 같이 상부펀치, 다이 및 하부펀치를 설계제작하고, 제 3도 와 같이 조립하여 기계적인 일축프레스(Tamagawa 10톤)에 셋팅하고 성형압력 1000kg/cm2로 성형을 실시하였다.
성형을 실시한 결과 세라믹분말에 내재된 공기가 성형가압중 제 1 도 및 제 3 도에 도시한 공기통로를 통하여 1초 이내의 짧은 시간에 빠져나가 제9도와 같은 성형체 공기잔재혼 및 밀도불균일현상이 발생하지 않았으며, 탈형중 공기통로를 통하여 고압압축공기를 공급함으로써 상부펀치에 성형체가 잡혀나오지 않고, 탈형이 자연스럽게 이루어져 제9도에서와 같은 성형체 파손현상도 발생하지 않았다.
제 4 도, 제 5 도 및 제 6 도에서와 같은 종래의 몰드를 사용할 경우에는 성형체 파손등의 불량이 30 내지 40% 발생하였으나, 본 실시예에서는 성형체 파손등의 불량이 1% 이하로 격감하였다.
또한, 제1도에 나타낸 상부펀치, 다이 및 하부펀치의 형상으로 인하여 제7도와 같이 종래의 몰드를 사용하여서 된 볼성형체와 비교해서 제8도와 같이 정밀한 볼성형체를 얻을 수 있었으며, 제1도에서 하부펀치의 형상 특성으로 인하여 자동성형이 가능하고, 대량생산 및 경제적인 세라믹볼 성형을 할 수 있게 되었다.
다음의 표는 종래의 몰드와 본 발명의 몰드를 사용할때의 특성 비교표이다.
[표]

Claims (4)

  1. 다이삽입부(18,20)의 선단에 볼성형체(40)의 성형을 위한 오목한 반원구형의 성형부(22,24)가 형성되어 있는 상하부펀치(12,14)와 상기 상하부펀치(12,14)의 다이삽입부(18,20)가 삽입되는 관통구가 형성되어 있는 다이(16)로 이루어진 세라믹볼 성형을 위한 일축압축성형금형에 있어서, 상기 볼성형체(40)의 직경과 동일한 직경의 상기 다이삽입부(18)의 내부에 형성되어 있고, 상기 성형부(22) 중심부위에서 개방되어 있는 공기의 흐름을 위한 수단(38)을 갖는 상부펀치(22); 상기 볼성형체(40)의 직경의 40 내지 60%의 직경을 갖는 다이삽입부(20)와 성형부(24)를 갖는 하부펀치(14); 및 상기 상부펀치(12)의 다이삽입부(18)가 삽입되는 U-자형의 관통구(26)와 상기 하부펀치(14)의 다이삽입부(20)가 삽입되는 직선형 관통구(26')가 연통되게 형성된 다이(16)로 이루어진 것을 특징으로 하는 세라믹볼 성형을 위한 일축압축성형금형.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상부펀치(12)의 수단(38)은 그 직경이 볼성형체(40) 직경의 1/40 내지 1/100인 것을 특징으로 하는 일축압축성형금형.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상부펀치(12)의 수단(38)은 공기의 배출 및 공급을 위한 수단(42,44,46)과 상부펀치(12)의 측면에서 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 일축압축성형금형.
  4. 제1항에 있어서, 상기 U-자형 관통구(26)는 상부펀치(12)의 다이삽입부(18)의 직경과 동일하며, 직선형 관통구(26')는 하부펀치(14)의 다이삽입부(20)의 직경과 동일하고, 상기 U-자형 관통구(26)의 밑면은 구면으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 일축압축성형금형.
KR1019930010484A 1993-06-10 1993-06-10 세라믹볼 성형을 위한 일축압축성형금형 KR960012033B1 (ko)

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