WO2015105286A1

WO2015105286A1 - 스피닝 방식을 이용한 휠 가공장치 및 방법

Info

Publication number: WO2015105286A1
Application number: PCT/KR2014/012451
Authority: WO
Inventors: 이석순
Original assignee: 경상대학교산학협력단
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2015-07-16

Abstract

본 발명은 스피닝 방식을 이용한 휠 가공장치 및 방법에 관한 것으로, 스피닝 방식을 이용해 휠을 성형하는 휠 성형 장치에 있어서, 1차 성형된 휠의 저면을 지지하고 성형시 회전력을 부여하는 주축대; 상기 주축대에 고정되는 휠 내부에 삽입되며 외주면에 휠의 성형 형상이 패턴화된 금형; 상기 금형의 상부를 가압 고정시키는 심압대; 고정된 훨의 일측에 위치되어 수직, 수평 운동하며 휠의 림형성부를 삽입된 금형의 패턴으로 성형시키는 가공유닛; 및 상기 주축대, 심압대 및 가공유닛과 전기적으로 연결되어 주축대의 회전력, 심압대의 승강, 가공유닛의 동작 위치를 제어하는 제어부;을 포함하며, 상기 가공유닛의 수평 방향 측에는 림형성부의 가압력을 측정하여 수득하고 수득된 측정값을 이용해 휠의 상태를 확인하게 하는 감지센서가 구비된다.

Description

스피닝 방식을 이용한 휠 가공장치 및 방법

본 발명은 스피닝 방식을 이용한 휠 가공장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 감지센서를 성형기의 적정한 위치에 부착하고 이를 통해 얻어진 정보를 근거로 하여 작업 환경에서 다양한 불량의 원인이 되는 문제점들을 미리 감지하고 관리할 수 있게 하는 스피닝 방식을 이용한 휠 가공장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄 휠은 주조방식과 단조방식으로 분리될 수 있으며, 이 중 주조방식의 경우 알루미늄 소재를 용해하여 금형 내로 주탕 후 최종제품에 가까운 형상을 제조하는 방법으로서, 주조 후 소성가공 또는 소정의 치수로 가공하는 절삭공정을 실시한다.

알루미늄 소재의 주물은 형틀을 이용하여 용탕을 채워 형상을 뜨는 주물과, 폐쇄된 금형에 압력을 가하는 다이캐스팅으로 크게 분류할 수 있으며, 다이캐스팅의 경우 금형내로 용탕이 주입될 시 용탕의 흐름이 급속하여 흐름성을 향상시키기 위해 Fe 성분을 소량 투입하는데, 그 이유는 Fe 성분은 주물에서 유해한 불순물 원소이지만 다이캐스팅에서는 유효한 원소이기 때문이다.

이러한 이유로 알루미늄 디스크 휠 또는 휠 허브를 비롯한 안전성 및 신뢰성을 요구하는 구조재의 부품은 위의 공법으로 제조하기 어려운 점을 감안하여, 저압주조, 차압주조, 진공흡입주조, 고압주조(Die Casting), 용탕주조(Squeeze Casting) 공법 등이 적용되고 있고, 주물의 건전성을 확보하기 위하여 다양한 가압 방법과 용탕 충진 방식이 채택되고 있으며, 이러한 공법들 중 대다수의 알루미늄 디스크 휠 업체에서는 도 1에 도시된 공정도와 같은 저압주조 공법을 채택하고 있다.

그러나 상기 저압주조 공법은 알루미늄 휠의 대량생산 및 소형부품 제조에 적합하고, 양산성이 매우 우수하나, 강도와 인성의 한계가 있어 신뢰성 확보에 취약하여 향후 경량화 부품소재 개발을 위한 공법으로는 매우 불리한 단점이 있다.

이에, 일부 업체에서는 용탕주조 공법을 활용하거나, 진공 차압 주조 공법을 이용하여 저압주조 대비 15%의 경량화를 실현하고 있지만, 그 품질은 단조공법에 비하여 떨어진다.

따라서, 알루미늄 휠 제조 방법이 단가는 높지만 품질이 상대적으로 매우 우수한 단조공법으로 전환되고 있는 추세에 있으며, 열간 단조 공법을 이용하여 알루미늄 디스크 휠이 제조되고 있다.

상기 열간 단조는 빌렛트를 대형 프레스로 가압하여 대략적인 형상의 소재를 제조하는 소성가공공법으로서, 가압에 의하여 금속조직은 연신되고, 내부의 작은 미세공들을 압착시켜 결함을 최소화하여 강도와 인성을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 상기 열간 단조 공법은 크게 자유 단조와 형 단조로 구분되는데, 형 단조는 금형 내에 소재를 투입하여 압축 응력을 가하여 원하는 형상으로 성형하는 과정으로써 코너 라운드가 크고, 가공 경화 발생으로 복잡한 형상을 단번에 제조하지 못하여 여러 단계별 반복적인 공정을 통하여 제품 성형이 이루어짐에 따라, 제조비용이 증가하고 설비의 규모 및 초기투자가 늘어나야 하는 단점이 있고, 또한 설비의 대형화와 사용 빌렛트의 리사이클링이 어렵고, 소재 단가가 매우 높아 자동차 부품의 양산성 및 원가경쟁력의 한계를 보이는 문제점이 있다.

이러한 열간 단조의 단점을 보완하기 위하여 개발된 공법이 회전 단조 공법이며, 이 회전 단조 공법은 최종 형상을 위하여 크게 2단계(Step) 공정으로 구분 진행된다.

즉, 2단계의 공정 중 첫번째 프리-포밍(Pre-Forming) 단계는 비교적 작은 가압력을 활용한 응력집중적인 회전단조 단계로서 기본 형상을 갖추는 공정이고, 이후 두번째 단계로서 세부 부위를 플로우 포밍(Flow Forming)하는 스피닝 공정이 진행된다.

이러한 기술로서 공개특허 제10-2003-0084107호, 공개특허 제10-2004-0085579호, 공개특허 제10-2006-0055537호 및 등록특허 제10-0981742호가 개시되어 있다.

그러나, 이러한 회전 단조 및 스피닝 공법 또한 소재의 리사이클링이 불가능하여 부품원가의 70%이상을 차지하고 있는 소재비의 절감에 한계가 있는 단점이 있다.

또한 스피닝 공법의 경우 회전하는 휠을 가압하여 성형시 롤러유닛의 가압력이 항상 균일하게 작용하지 못하여 성형되는 휠의 두께 균일성과 더불어 전체적인 벨런싱 균일성이 떨어져 공정상 불량률이 높게 형성되는 단점이 있었다.

그리고 롤러유닛의 시간 흐름에 따른 노화로 인해 가압력이 달라져 가압 부위가 불규칙하게 되는 문제가 있으며, 금형의 변형 등으로 인한 불량, 1차 가공된 스틸 밴드 치수 불량, 원소재 불량, 작업자의 숙련도 미숙으로 인한 불량 등이 생산성에 좋지 않은 영향을 불량들이 다수 발생하는 문제점 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 감지센서를 성형기의 적정한 위치에 부착하고 이를 통해 얻어진 정보를 근거로 하여 작업 환경에서 다양한 불량의 원인이 되는 문제점들을 미리 감지하고 관리할 수 있게 하는 스피닝 방식을 이용한 휠 가공장치 및 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.

본 발명의 스피닝 방식을 이용해 휠을 성형하는 휠 성형 장치에 있어서, 1차 성형된 휠의 저면을 지지하고 성형시 회전력을 부여하는 주축대; 상기 주축대에 고정되는 휠 내부에 삽입되며 외주면에 휠의 성형 형상이 패턴화된 금형; 상기 금형의 상부를 가압 고정시키는 심압대; 고정된 훨의 일측에 위치되어 수직, 수평 운동하며 휠의 림형성부를 삽입된 금형의 패턴으로 성형시키는 가공유닛; 및 상기 주축대, 심압대 및 가공유닛과 전기적으로 연결되어 주축대의 회전력, 심압대의 승강, 가공유닛의 동작 위치를 제어하는 제어부;을 포함하며, 상기 가공유닛의 수평 방향 측에는 림형성부의 가압력을 측정하여 수득하고 수득된 측정값을 이용해 휠의 상태를 확인하게 하는 감지센서가 구비된다.

그리고 상기 휠은 주조 또는 단조 방식 중 어느 하나에 의해 성형된다.

또한 상기 제어부에는 휠 성형에서 얻어진 데이터를 근거로 하는 데이터가 포함된다.

그리고 상기 감지센서는 로드셀인 것이 바람직하다.

한편 본 발명의 휠 가공 장치를 제어하며 휠을 가공하는 방법으로서, 1) 1차 가공된 휠을 주축대에 고정하는 단계; 2) 휠 내부에 금형을 삽입 후 심압대로 가압하는 단계; 및 3) 주축대에 고정된 상태의 휠에 대해 림형성부를 가공유닛을 이용해 림을 성형하는 단계;를 포함하며, 상기 3)단계에는 림형성부의 성형 가압력이 오차범위 이내인지를 판단하는 과정을 포함하여 구성된다.

그리고 상기 3)단계에서는 림형성부에 가해지는 가압력의 변화를 수득 저장하도록 하는 과정이 포함된다.

또한 상기 3)단계에는 림형성부에 가압시 감지되는 가압력을 근거로 하여 림형성부와 가공유닛 간의 거리를 측정하고 이를 근거로 휠의 1차 성형 불량 유무를 판단 하는 과정;을 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 감지센서를 성형기의 적정한 위치에 부착하고 이를 통해 얻어진 정보를 근거로 하여 작업 환경에서 다양한 불량의 원인이 되는 문제점들을 미리 감지하고 관리할 수 있게 하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 일반적인 주조방식을 이용해 휠이 주조되는 공정을 나타내는 블록도.

도 2 내지 5는 본 발명에 따른 휠 가공 장치를 나타내는 도면.

도 6은 본 발명에 따른 휠 가공 방법을 나타내는 블록도.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다.

이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

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

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "∼사이에"와 "바로 ∼사이에" 또는 "∼에 인접하는"과 "∼에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

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

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 2 내지 도 5에 도시된 바에 의하면 본 발명의 휠 가공 장치는 1차 성형(1)된 휠의 저면을 지지하고 성형시 회전력을 부여하는 주축대(10); 상기 주축대(10)에 고정되는 휠(1) 내부에 삽입되며 외주면에 휠(1)의 성형 형상이 패턴화된 금형(20); 상기 금형(20)의 상부를 가압 고정시키는 심압대(30); 고정된 훨(1)의 일측에 위치되어 수직, 수평 운동하며 휠의 림형성부(3)를 삽입된 금형(20)의 패턴으로 성형시키는 가공유닛(40); 및 상기 주축대(10), 심압대(30) 및 가공유닛(40)과 전기적으로 연결되어 주축대(10)의 회전력, 심압대(30)의 승강, 가공유닛(40)의 동작 위치를 제어하는 제어부(50);을 포함하며, 상기 가공유닛(40)의 수평 방향 측에는 림형성부의 가압력을 측정하여 수득하고 수득된 측정값을 이용해 휠의 상태를 확인하게 하는 감지센서가 구비된다.

그리고 상기 휠(1)은 주조 또는 단조 방식 중 어느 하나에 의해 성형된다.

또한 상기 제어부(50)에는 휠 성형에서 얻어진 데이터를 근거로 하는 데이터가 포함되며, 상기 감지센서(43)는 로드셀인 것이 바람직하다.

한편 본 발명의 휠 가공 장치를 제어하며 휠을 가공하는 방법으로서, 1) 1차 가공된 휠을 주축대에 고정하는 단계(S10); 2) 휠 내부에 금형을 삽입 후 심압대로 가압하는 단계(S20); 및 3) 주축대에 고정된 상태의 휠에 대해 림형성부를 가공유닛을 이용해 림을 성형하는 단계(S30);를 포함하며, 상기 3)단계에는 림형성부의 성형 가압력이 오차범위 이내인지를 판단하는 과정을 포함하여 구성된다.

그리고 상기 3)단계(S30)에서는 림형성부에 가해지는 가압력의 변화를 수득 저장하도록 하는 과정이 포함된다.

또한 상기 3)단계(S30)에는 림형성부에 가압시 감지되는 가압력을 근거로 하여 림형성부와 가공유닛 간의 거리를 측정하고 이를 근거로 휠의 1차 성형 불량 유무를 판단 하는 과정;을 더 포함한다.

본 발명은 상기와 같은 구성을 통해 휠을 가공하는 장치이며, 상기 장치를 휠 가공 방법을 포함한다.

이하에서는 본 발명의 동작 관계 및 가공 방법에 대하여 아래에서 구체적으로 설명하도록 한다.

본 발명의 휠 가공은 우선 1차 성형되어 디스크(2)와 림형성부(2)가 대략적으로 형성된 휠(1)을 이동수단(미도시)을 이용해 주축대(10)의 상부에 안착시킨 후 디스크(2) 등을 이용해 주축대(10) 상면에 평탄하게 고정시킨다.

이 상태에서 휠(1) 내주 측으로 외주면에 일정한 패턴을 가지는 금형(20)을 삽입한다. 이때 삽입된 금형은 휠측의 디스크에 볼트 등을 이용해 고정될 수 있다.

이 후 금형(20)의 상면을 가압하여 금형이 휠과 밀착될 수 있도록 심압대(30)를 하강시켜 가압한다.

이 상태에서 일측에 구비된 가공유닛(40)을 휠의 림형성부(3) 측으로 근점되도록 동작시킨 후 제어부에 미리 설정된 금형의 패턴과 동일한 패턴 동작에 따라 수직구동수단(45)과 수평구동수단(41)이 수직, 수평 동작하며 림형성부를 성형롤러(42)가 가압하여 림형성부가 성형될 수 있게 한다.

이때 상기 수평구동수단(41) 측에는 성형롤러(42)에 의해 가입되는 가압 압력을 측정하도록 감지센서(43)가 구비되어 있어서 가압과 동시에 압력이 제어부 측으로 전달되어 가해지는 압력이 설정된 정상과 불량 오차 범위 이내인지를 판단하게 된다. 만일 정상 범위를 벋어나면 사용자에게 알람 등을 통해 이상 상태임을 알리거나 또는 정지하게 된다.

즉, 본 발명은 감지센서를 통해 성형롤러(42)가 휠의 림형성부(3)와 성형하면서 형성되는 압력 변화값들을 제어부에 저장하여 저장된 데이터를 근거로 압력 변화에 따른 오차 범위를 설정할 수 있으므로 이 후 가공되는 휠 성형에서 가해지는 압력 변화에 따라 휠의 성형이 정상인지 불량인지를 판단할 수 있게 되는 것이다.

이는 성형 장치의 특성상 성형과정에 많은 힘을 사용하고 지속적으로 롤링되는 과정에 마모가 발생하기 때문에 마모나 압력에 의해 변형된 성형롤러의 상태를 예측할 수 있게 함으로써 성형롤러의 불량으로 인한 휠 성형 효율성이 떨어지는 것을 방지할 수 있기 때문이다.

이와 같이 감지센서를 이용할 경우 성형롤러에 의해 가해지는 압력을 측정하여 확인할 수 있어서 휠 성형시 초기에 휠의 상태가 불량인지 정상인지를 판단할 수 있기 때문에 성형에 따른 공정 시간 소요를 줄일 수 있어서 휠 가공에 따른 원가를 절감할 수 있게 된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 이는 본 발명의 기술적 내용에 대한 이해를 돕고자 하는 것일 뿐 발명의 기술적 범위를 이에 한정하고자 함이 아니다.

즉, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않고도 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형이나 개조가 가능함은 물론이고, 그와 같은 변경이나 개조는 청구범위의 해석상 본 발명의 기술적 범위 내에 있음은 말할 나위가 없다.

Claims

스피닝 방식을 이용해 휠을 성형하는 휠 성형 장치에 있어서,

1차 성형된 휠의 저면을 지지하고 성형시 회전력을 부여하는 주축대;

상기 주축대에 고정되는 휠 내부에 삽입되며 외주면에 휠의 성형 형상이 패턴화된 금형;

상기 금형의 상부를 가압 고정시키는 심압대;

고정된 훨의 일측에 위치되어 수직, 수평 운동하며 휠의 림형성부를 삽입된 금형의 패턴으로 성형시키는 가공유닛; 및

상기 주축대, 심압대 및 가공유닛과 전기적으로 연결되어 주축대의 회전력, 심압대의 승강, 가공유닛의 동작 위치를 제어하는 제어부;를 포함하며,

상기 가공유닛의 수평 방향 측에는 림형성부의 가압력을 측정하여 수득하고 수득된 측정값을 이용해 휠의 상태를 확인하게 하는 감지센서가 구비된 것을 특징으로 하는 휠 가공 장치.
제1항에 있어서,

상기 휠은 주조 또는 단조 방식 중 어느 하나에 의해 성형된 것을 특징으로 하는 휠 가공 장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부에는 휠 성형에서 얻어진 데이터를 근거로 하는 데이터가 포함된 것을 특징으로 하는 휠 가공 장치.
제1항에 있어서,

상기 감지센서는 로드셀인 것을 특징으로 하는 휠 가공 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 휠 가공 장치를 제어하며 휠을 가공하는 방법으로서,

1) 1차 가공된 휠을 주축대에 고정하는 단계;

2) 휠 내부에 금형을 삽입 후 심압대로 가압하는 단계; 및

3) 주축대에 고정된 상태의 휠에 대해 림형성부를 가공유닛을 이용해 림을 성형하는 단계;를 포함하며,

상기 3)단계에는 림형성부의 성형 가압력이 오차범위 이내인지를 판단하는 과정을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 휠 가공 방법.
제5항에 있어서,

상기 3)단계에서는 림형성부에 가해지는 가압력의 변화를 수득 저장하도록 하는 과정이 포함된 것을 특징으로 하는 휠 가공 방법.