KR100907683B1 - 이동식 바인더를 이용한 금속판재의 프레스 성형 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속판재 프레스 성형 가공 시, 가공성을 향상시키기 위해 특별히 창안된 프레스 성형 장치를 제공한다. 프레스 성형 시, 금속판재가 다이의 내부로 유입될 때, 다이와 독립적으로 구성되어 특정한 방향으로 이동할 수 있는 상부 및 하부 바인더가 금속판재와 함께 적절한 저항력으로 수평 방향으로 유입하여 가공중인 금속판재에 최적의 인장력을 부여하고 금속판재의 두께 감소율이 특정 부위에 집중되는 것을 방지하여 변형영역 전체에 변형률을 고르게 분포시켜 형상이 깊고 복잡한 부품의 가공을 가능하게 한다.

이동식 바인더(moving binder), 바인더 유입량 조절, 프레스 성형

Description

이동식 바인더를 이용한 금속판재의 프레스 성형 장치{Press shaping device for shaping metal sheet using movable-type binder}

본 발명은 금속판재의 프레스 성형가공 시, 가공성을 향상시키기 위해 특별히 창안된 이동식 바인더(movable-type binder)를 이용한 프레스 성형 장치에 관한 것이다.

일반적으로 프레스 성형시, 금속판재가 다이의 내부로 유입될 때, 다이와 독립적으로 구성되어 특정한 방향으로 이동할 수 있는 상부 및 하부 바인더가 금속판재와 함께 적절한 저항력으로 수평 방향으로 유입하여 가공중인 금속판재에 최적의 인장력을 부여하고 금속판재의 두께 감소율이 특정 부위에 집중되는 것을 둔화시키며 변형영역 전체에 변형률을 고르게 분포시켜 형상이 깊고 복잡한 부품의 가공을 가능하게 하여야 한다.

그러나 금속판재의 프레스 성형시, 성형 깊이가 깊어짐에 따라 굽힘부, 형상 급변부, 측벽부 등에 변형이 집중되고, 이에 따라 성형불량을 초래하므로, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하여 형상이 깊은 부품이나 형상급변부를 다수 포함하는 복잡한 형상의 부품까지도 제조 가능하게 한 발명이다.

프레스성형가공 대상의 하나인, 자동차 차체용 구조부재나 충돌안전용 보강재 등의 경우 가공 깊이가 깊고 복잡한 형상을 가지고 있어 프레스 성형시 파단 및 주름의 발생 등 많은 문제를 발생시키므로 프레스 성형가공에 의한 양산시 생산성을 저하시킨다.

종래의 프레스 성형용 금형은 통상 상부 바인더(binder)와 다이(die)가 일체로 붙어 있는 상부 금형과 바인더(binder)라 부르는 하부 바인더 그리고 펀치(punch)로 구성되어 있다. 이에 따라, 성형 시 금속판재는 다이와 하부 바인더 사이에 일정한 힘으로 붙잡힌 상태로 펀치의 스트로크(stroke)를 따라 다이 내부로 유입되면서 특정 형상으로 가공되게 된다. 이 때, 금속판재의 유입을 조절하기 위해 드로우비드(draw bead)를 바인더 면에 추가시킬 수 있다. 그러나 드로우비드의 추가에 의해 금속판재의 유입이 억제되면 억제된 만큼 가공 시 판재에 부하되는 장력은 높아지게 된다.

그러나, 이러한 프레스 가공법은 금속판재가 다이 내부로의 유입량이 증가함에 따라 바인딩 면적이 작아지므로 금속판재의 바인딩부의 단위면적당 바인딩압력이 증가하게 된다. 이러한 방법으로 프레스 성형할 때, 펀치 스트로크 증가에 따라 가공중인 금속판재에 인가되는 인장력의 대부분은 바인더로부터의 구속에 기인하고 있으며 바인딩면적, 즉 구속부의 면적이 판재의 유입에 따라 점차 줄어듦에도 불구하고 바인딩압력 증가로 인해 인장력은 큰 변화 없이 일정하게 유지된다.

또는 금속판재의 크기가 충분히 큰 여유를 가지고 있어 바인딩 면적이 일정하게 유지되는 경우에도 같은 결과를 가져온다. 가공중인 금속판재에 인장력이 계속 일정하게 유지되면 가공에 따른 금속판재의 두께감소율의 불균일을 제어하기 어려워 형상급변부, 돌출부 및 측벽부 등에 파단이 발생될 확률이 높아지게 된다.

근래의 동향을 보면, 대기오염으로 인한 환경문제와 에너지 절감문제를 해결하고 충돌에 따른 승객안전을 보장하기 위해 자동차 제조회사는 차체부품에 고강도강의 채택을 늘려야 하는 입장에 있으므로, 일반연질강판을 포함하여 공칭인장강도 340~440MPa급 고강도강판을 590~1180MPa급 고장력강판으로 적극적으로 대체하고 있으나 이로 인한 추가적인 성형 불량 문제가 대두 되고 있다. 이러한 차체용 강판의 고강도화를 통한 강판의 두께감소 및 차량경량화를 만족시키기 위해서는 적절한 성형기술의 도입이 필수적이나, 아직 대부분의 성형 공법은 종래의 프레스 성형 공법을 따르고 있으므로 고강도화에 따른 성형불량 문제가 차량의 시험제작 및 양산에 소요되는 시간과 비용을 증가시키는 원인으로 작용하고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 대두된 종래의 방법으로서는, 가변 바인딩압력을 사용한 프레스 성형 공법, 2단 프레스 성형 공법, 오버런(Over-Run)펀치를 사용한 드로우(Draw) 성형 공법, 최근 일본 JFE Steel사가 개발한 제아이엠-폼(JIM-Form) 공법과 같은 다양한 성형공법들이 개발되어 있다.

그러나 이러한 방법들은 장치의 구성이 과도하게 복잡하고 성형불량을 초래하기 쉬울 정도로 공정 절차가 복잡하여 그 사용에 있어 많은 제약이 따르고 있다.

본 발명은 연구결과 독립적으로 구성된 이동식 바인더의 도입을 통해, 고강도 강판을 사용할 경우에도 복잡한 형상의 부품 성형을 가능하게 하는 프레스 성형 장치 및 이를 이용한 프레스 성형 방법이 상술한 문제를 해결할 수 있음을 확인하여 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명은 금속판재의 강도 및 두께와 성형할 부품의 형상을 고려하여, 금속판재에 인가되는 인장력을 적절하게 조절할 수 있는 이동식 바인더의 도입을 통해 판재에 잔류하는 응력분포의 차이를 낮추어 가공 종료 후에 발생되는 탄성복원으로 인한 형상동결성 불량문제를 줄이고, 변형 도중 변형률 국부집중에 따른 파단을 억제시켜 금속판재의 프레스 성형성을 향상시키는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속판재의 프레스 성형가공시 성형깊이가 깊어지거나 복잡한 형상에 따라 굽힘부, 형상급변부, 측벽부 등에 변형이 집중되는 것을 방지하고 분산시키기 위하여 금속판재가 다이의 내부로 유입될 때 다이와 독립적으로 구성되는 수평방향으로 이동할 수 있는 이동식 바인더인 상부 바인더와 하부 바인더가 구성되고, 이들 바인더가 금속판재와 함께 적절한 저항력으로 수평방향으로 이동될 때 바인더 홀딩력 조절과 소재 유입량 조절로 가공중인 금속판재에 최적의 인장력을 부여 가능하게 함으로써 금속판재의 두께감소율이 특정 부위에 집중되는 것을 방지하고 변형영역 전체에 변형율을 고르게 분산시켜주는 방법과, 이를 위하여 또한 상기 이동식 바인더 외에 바인더 커넥터, 바인더 홀딩력 조절스프링, 소재 유입량 조절 스프링과 댐퍼 및 인장력 측정용 로드 셀 등을 기본으로 구성된 프레스 프레스 성형 장치로 구성된다.

본 발명의 효과에 따라, 소재에 인가되는 인장력의 예민하고도 미세한 조절에 의해 성형 중에 인장력이 과부하 되어 발생되는 파단현상을 효과적으로 방지할 수 있으며 소재의 파단이 나지 않는 범위에서 인장력을 최대한 안전하게 증가할 수 있으므로 응력분포를 효과적으로 균일화시킬 수 있어 우수한 형상동결성을 얻을 수 있다. 또한 이동식 바인더에 연결된 로드셀(10)을 통해 가공도중 소재에 인가되는 정확한 인장력을 실시간으로 계측할 수 있어, 각 소재 별 두께 별 반복 시험을 통한 데이터를 확보함으로써 보다 안전하고 정밀한 작업을 수행할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구성 및 작용을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 이동식 바인더를 이용한 프레스 성형 장치의 구성을 보여준다.

본 발명에 따른 프레스 성형 장치는 다이(1), 상부 바인더(2), 하부 바인더(3), 펀치(4), 바인더 커넥터(6), 바인더 홀딩력 조절용 스프링(7), 바인더 유입량 조절용 스프링(8), 바인더 이동용 구름베어링(9), 인장력 측정용 로드 셀(10), 바인더 유입량 조절용 스프링(8)의 급작스런 운동을 완화하기 위한 댐퍼(11) 등으로 구성된다.

금속판재의 프레스 성형가공시 성형깊이가 깊어지거나 복잡한 형상에 따라 굽힘부, 형상급변부, 측벽부 등에 변형이 집중되는 것을 방지하고 분산시키기 위하여 금속판재(P)가 다이의 내부로 유입될 때 상기 다이와 독립적으로 구성되고 수평방향으로 이동할 수 있는 상부 바인더(2)와 하부 바인더(3)를 각각 1쌍 금형다이(1) 좌우로 설치하고, 이들 바인더(2)(3)가 금속판재(P)와 함께 적절한 저항력으로 수평방향(x축)으로 이동됨으로써 가공중인 금속판재에 최적의 인장력을 부여하고 금속판재의 두께감소율이 특정 부위에 집중되는 것을 방지하고 변형영역 전체에 변형율을 고르게 분산시키도록 장착하며, 상기 상ㆍ하부 바인더(2)(3)에 바인더커넥터(6)를 연결하고, 이 바인더커넥터(6)에 또한 연결설치한 바인더 유입량 조절용 스프링(8)을 안치한 스프링걸이축(12)과 스프링걸이축(12) 표면위에서 동심원적으로 왕복동 가능한 댐퍼(11)를 장착하고, 이 댐퍼(11)의 양 바깥쪽으로 인장력 측정용 로드셀(10)을 또한 상기 하부바인더(3) 아래에 y축으로 압축ㆍ회복 가능한 바인더홀딩력 조절용 스프링(7)을 또한 설치 구성하고,

상기 이동 가능한 상ㆍ하부바인더(2)(3)는 바인더커넥터(6)에 의해 도 2의 굵은 화살표(y축 방향)에서와 같이 압축 또는 위치 회복 가능한 바인더 홀딩력 조절용 스프링(7)에 연결되어 다이(1)의 공간부(5) 내부로 펀치(4)가 이동할때마다 다이에 유입되는 금속소재의 유입량을 임의로 조절 가능하게 되어 있다.

또한, 도 1 및 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 상ㆍ하부 바인더(2)(3)는 바인더커넥터(6)에 의해 바인더유입량 조절용 스프링(8)을 안치한 스프링걸이축(12)과 댐퍼(11)와 작동연결 가능하게 설치된 구조로 되어 있다. 아울러 상기 댐퍼(11) 의 양단부에 인장력 측정용 로드셀(10)을 연결 장착한다.

도 1 및 도 2에서와 같이 금형다이(1)의 빈공간(5) 속으로 펀치(4)를 y축을 따라 일정 스트로크로 움직여 작동시키면(도 2) 좌ㆍ우 이동식 바인더 사이로 유입되는 금속소재(P)는 도 2에서와 같이 드로잉성형되면서 좌ㆍ우단 금속소재를 가운데쪽으로 잡아당기게 되어 이동식바인더(2)(3)가 수평축(x축)으로 가운데쪽으로 이동하게 된다. 이 때 상기 금속소재(P)의 인장력에 대한 반력이 바인더 유입량 조절용 스프링에서 작용되어 일정시점에서 평형을 이루게 된다. 즉, 수평(x)축 이동식 상부바인더(2) 및 하부 바인더(3)에 완전 구속된 금속소재가 바인더 커넥터(6)를 통해 상기 수평이동식 바인더(2)(3)에 결합된 바인더 홀딩력 조절용 스프링(8) 및 댐퍼(11) 결합체와 힘의 균형을 이루면서 금속소재를 다이 내부로 유입될 수 있도록 함으로써 금속소재의 유입량을 임의로 조절할 수 있도록 되는 것이다.

종래의 프레스 성형장치는 상부 바인더가 다이와 일체로 구성되어 있는데 반해, 본 발명이 가지는 특징은 수평(x)축으로 이동할 수 있는 상부 바인더(2)와 하부 바인더(3)에 의해 완전히 구속된 금속소재가 바인더 커넥터(6)에 의해 상기 수평이동식 바인더(2)(3)에 결합된 바인더 홀딩력 조절용 스프링(7)으로 연결되어 프레스 가공시 금속판재(P)가 다이(1) 내부 공간부(5)로 유입될 때, 금속판재 또는 금속(소재)(P)의 유입량을 임의로 조절할 수 있는 것에 특징이 있다.

프레스 성형의 가공 깊이가 일정할 때, 소재의 유입량이 크면 가공중인 소재에 인가되는 인장력이 줄어들어 형상급변부나 측벽부에서의 파단의 발생은 줄어드나 가공 후 형상동결성이 저하되고, 소재의 유입량이 적은 경우 가공중인 소재에 인가되는 인장력이 증가하여 파단 발생률이 높아지는 반면 가공 후의 형상동결성은 양호해지는 관계를 가진다. 이와 같은 관계 때문에 소재의 유입량을 적절하게 조절하는 것은 성형성과 형상동결성을 동시에 만족시키는 중요한 인자이다.

종래의 프레스 성형 공정에서는 소재의 유입량을 적절히 조절하기 위해 바인더 홀딩력을 조절하였다. 일반적으로 바인더 홀딩력은 공정 중에 일정하게 유지되며, 특수한 경우 공정 도중에 가변 바인더 홀딩력을 적용하는 경우도 있다. 이 때, 바인더 홀딩력은 소재의 홀딩 면적에 수직력으로 작용하게 되므로 소재방향으로 인가되는 인장력은 소재와 바인더 사이의 마찰계수와 수직력에 비례하게 된다. 그러나, 이러한 방법에 의한 프레스 성형의 경우 소재 표면의 상태에 따라 바인더와의 접촉조건이 달라져 균일한 바인더 홀딩력의 분포를 적용시키기가 어려우므로 가공 시 소재 유입의 정밀한 조절이 어려워 가공 중 소재에 인가되는 인장력을 엄밀하게 조절할 수 없는 단점을 가지고 있다.

이러한 단점을 개선하기 위하여 제안된 본 발명상의 장치는 전술한 바와 같이, 수평방향으로 이동할 수 있는 상부 바인더(2)와 하부 바인더(3)와 같은 이동식 바인더를 주축으로 하고, 바인더 커넥터(6), 바인더 홀딩력 조절용 스프링(7), 바인더 유입량 조절용 스프링(8)과 댐퍼(11) 결합체와 인장력에 의한 힘의 균형을 이루면서 다이 내부로 유입될 수 있도록 함으로써 금속소재의 유입량을 임의 조절할 수 있도록 한 것이고, 상기 구성요소 외에도 인장력 측정용 로드 셀(10) 등을 기본적 요소로 구성한 프레스 성형장치를 제공하도록 한 것으로, 본 발명에 따른 방법과 각 장치의 구성과 작용은 아래와 같다.

도 1과 같이 금속판재(P)는 상부 바인더(2)와 하부 바인더(3) 사이에 협지되 어 위치되어 있다. 바인더 홀딩력이 충분히 커 이 판재(P)가 바인더에 완전히 구속될 경우, 상부 바인더(2)와 하부 바인더(3)의 수평방향 이동량은 소재의 유입량과 비례, 즉 일치하는 관계에 있으므로 작업자는 사전에 소재의 두께와 종류 및 가공될 부품의 형태를 고려하여 적절한 바인더 홀딩력을 결정한다. 이 때, 소재 유입량의 조절은 바인더 유입량 조절용 스프링(8)의 종류와 개수에 따라 결정된다.

소재가 바인더에 충분히 구속될 때까지 바인더 홀딩력(BF)이 하부 바인더(3)에 적용된다. 다음으로 도 2에서 도시된 바인더 홀딩력 조절용 스프링(7)의 압축으로 나타난다.

프레스 성형이 시작되어 금속소재(또는 판재)를 향하여 펀치가 y축을 따라 다이(1)로 이동되면(도 2의 가운데), 소재(P)가 다이(1) 내부로 유입되며 상부 바인더(2) 및 하부 바인더(3)가 소재(P)의 유입에 따라 x축 상에서 작은 화살표 방향, 즉 가운데 방향으로 이동하려 한다. 이 때, 이와 동시에 상ㆍ하부 바인더에 스프링(8)(11) 작용에 의한 반력이 작용하면서 상ㆍ하부 바인더(2)(3)는 소재(P)에 인가되는 장력(T₁)(T₂)과 매 순간 힘의 평형을 이루면서 수평이동하게 되므로 가공 중에 소재(P)에 인가되는 장력을 로드셀을 통해 정확하게 계측할 수 있다.

펀치(4)가 일정 스트로크(stroke)로 상사점에 이르러 성형이 종료되면, 펀치(4)를 해제하고 바인더 홀딩력을 제거하여 가공이 끝난 부품을 다이(1) 등의 금형에서 이탈시키는 공정을 끝으로 본 발명의 모든 공정이 종료된다.

제1도 : 본 발명에 따른 프레스 성형 시스템 개요도

제2도 : 본 발명의 프레스 성형 공정도

<주요 부호>

1. 다이(die) 2. 상부 바인더(upper binder)

3. 하부 바인더(lower binder) 4. 펀치(punch)

5. 금속판재(sheet metal) 6. 바인더 커넥터(binder connector)

7. 바인더 홀딩력 조절용 스프링 8. 바인더 유입량 조절용 스프링

9. 구름 베어링 10. 로드 셀(load cell) 11. 댐퍼(damper)

12. 스프링 걸이축

Claims (4)

1. 금속판재의 프레스 성형가공시 성형깊이가 깊어지거나 복잡한 형상에 따라 굽힘부, 형상급변부, 측벽부 등에 변형이 집중되는 것을 방지하고 분산시키기 위하여 금속판재(P)가 다이의 내부로 유입될 때 상기 다이와 독립적으로 구성되고 수평방향으로 이동할 수 있는 상부 바인더(2)와 하부 바인더(3)가 각각 1쌍의 금형다이(1) 좌우로 설치되고, 가공중인 금속판재(P)에 최적의 인장력을 부여하고 금속판재의 두께감소율이 특정 부위에 집중되는 것을 방지하며 변형영역 전체에 변형율을 고르게 분산시킬 수 있는 저항력으로 상기 바인더(2)(3)가 금속판재와 함께 수평방향으로 유입하도록 장착되며, 상기 상ㆍ하부 바인더(2)(3)에 바인더커넥터(6)가 연결되고, 이 바인더커넥터(6)에 연결설치한 바인더 유입량 조절용 스프링(8)을 안치한 스프링걸이축(12)과 스프링걸이축(12) 표면위에서 동심원적으로 왕복동 가능한 댐퍼(11)가 장착되고, 이 댐퍼(11)의 양 바깥쪽으로 인장력 측정용 로드셀(10)을 상기 하부바인더(3) 아래에 y축으로 압축ㆍ회복 가능한 바인더홀딩력 조절용 스프링(7)이 설치 구성된 것을 특징으로 이동식 바인더를 이용한 금속판재의 프레스 성형 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 이동 가능한 상ㆍ하부바인더(2)(3)는 바인더커넥터(6)에 의해 바인더 홀딩력 조절용 스프링(7)에 연결되어 다이(1)의 공간부(5) 내부로 펀치(4)가 이동할 때 다이에 유입되는 금속소재의 유입량을 임의로 조절 가능하게 한 것을 특징으로 하는 이동식 바인더를 이용한 금속판재의 프레스 성형 장치.
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