KR20170121483A

KR20170121483A - 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템

Info

Publication number: KR20170121483A
Application number: KR1020160049953A
Authority: KR
Inventors: 노형철; 서호철
Original assignee: 세종공업 주식회사
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2017-11-02
Also published as: KR101917204B1

Abstract

본 발명의 통전소성 가공 프레스 시스템은 수소연료전지용 금속 분리판으로 제조되는 소재에 통전소성(electroplasticity)현상이 적용되도록 전류가 인가되는 전류인가금형(1-1), 전류인가금형(1-1)에 결합된 통전성형금형(1-2), 전류인가금형(1-1)과 통전성형금형(1-2)이 맞대어진 고정면을 통전성형금형(1-2)쪽으로 가는 전류의 누설경로 차단을 위한 절연층으로 형성하는 절연접착소재(1-3)로 이루어진 절연금형(1)을 포함함으로써 상,하부금형(10-1,10-2)으로 인가되는 전류의 통전 및 전류 밀도의 균일성을 확보하고, 특히 통전성형금형(1-2)으로 형성되는 전류 누설 경로를 완전히 차단시켜줌으로써 인가 전류 누설에 의한 작업자 감전의 안전사고가 방지되는 특징을 구현한다.

Description

절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템{Electroplasticity Manufacturing Press System having Insulation Die}

본 발명은 통전소성 가공 프레스 시스템에 관한 것으로, 특히 전류 인가에 따른 제반 문제가 해소되는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 금속판에 힘을 가하여 압발 성형하는 펀칭(punching) 성형 또는 굽힘, 전단, 단면수축과 같은 소성 변형을 위해 금속판에 힘을 가하는 스템핑(이하, stamping) 성형이나 금속판에 힘과 열을 가하는 핫 스템핑(hot stamping) 성형은 낮은 제조 단가에 의한 장점을 갖는 프레스 시스템의 예이다.

일례로, stamping 성형(또는 hot stamping 성형)은 수소연료전지용 금속 분리판을 저가로 제조함으로써 높은 제조 단가의 카본복합소재(carbon composite material)나 그래핀 소재(graphite)분리판이 적용된 수소연료전지 대비 비용을 크게 낮출 수 있고, 그 결과 수소연료전지가 차량에 널리 적용되는데 기여할 수 있다.

특히, 금속 분리판 가공에 통전소성(electroplasticity)현상을 적용한 stamping 성형(또는 hot stamping 성형)은 금속 분리판을 박판화함으로써 고 효율 연료전지를 위한 전압 손실 최소화, 공급되는 수소와 산소의 완벽한 흐름분리, 낮은 제조 단가, 우수한 기계적 강도, 내부식성, 낮은 무게밀도, 낮은 부피밀도, 열적 안정성 등과 같은 금속 분리판 적용 수소연료전지가 갖추어야 하는 요구 성능을 모두 만족시킬 수 있다.

여기서, 통전소성은 금속재료의 소성변형 중에 전류를 가할 경우 일시적으로 유동응력이 급격히 하락하고, 적정한 통전변수로 전류를 가할 경우에는 과도한 온도 상승 없이 성형성이 현격하게 향상되는 현상으로서, 이를 이용한 가공방식을 통전가공법(electrically assisted manufacturing: EAM)으로 칭한다. 그러므로, 통전소성 stamping 성형(또는 hot stamping 성형)이 이루어지는 프레스 금형 시스템은 전원 공급을 위한 장치나 설비와 연계된다.

무엇보다. 금속 분리판 가공에 통전소성(electroplasticity)현상을 적용한 stamping 성형(또는 hot stamping 성형)은 수소연료전지의 요구 성능 충족에 가장 우수한 그래핀 소재(graphite)분리판에 비하여 밀도가 높아 무게당 에너지밀도를 증가시키기 위해 약 100㎛ 두께의 모재로 경량화 및 박판화된 금속 분리판을 제조함으로써 금속 분리판 적용 수소연료전지의 차량 적용시 가장 문제되는 차량탑재공간 제약해소에 크게 기여될 수 있다.

이하, 금속 분리판 가공에 통전소성(electroplasticity)현상을 적용한 stamping 성형(또는 hot stamping 성형)은 통전소성 가공 프레스 시스템으로 칭한다.

국내특허공개 10-2015-0078770(2015년07월08일)

하지만, 통전소성 가공 프레스 시스템은 금속 분리판 가공을 위해 전류가 인가됨으로써 금형 주위의 전류 누설로 인한 전류분포 변화 시 가공품질(또는 성형 품질)의 보장을 어렵게 하고, 전력 낭비로 인한 제조비용 상승을 초래할 수 있다.

무엇보다, 전류 인가에 따른 제반 문제 중 작업자의 감전 등에 따른 안전사고 방지를 위한 개선이 요구될 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 접합된 상태에서 통전성형금형과 전류인가금형으로 구분된 절연금형을 적용함으로써 금형으로 인가되는 전류의 통전 및 전류 밀도의 균일성을 확보하고, 특히 통전성형금형으로 형성되는 전류 누설 경로를 완전히 차단시켜줌으로써 인가 전류 누설에 의한 작업자 감전의 안전사고가 방지되는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템의 제공에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 통전소성 가공 프레스 시스템은 수소연료전지용 금속 분리판으로 제조되는 소재에 통전소성(electroplasticity)현상이 적용되도록 전류가 인가되는 전류인가금형; 상기 전류인가금형에 결합된 통전성형금형; 상기 전류인가금형과 상기 통전성형금형이 맞대어진 고정면을 절연층으로 형성하고, 상기 절연층이 상기 통전성형금형쪽으로 가는 상기 전류의 누설경로를 차단하는 절연접착소재; 가 포함된 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 전류인가금형은 2개로 구성되어 상기 전류가 공급되도록 서로 마주보는 대향부를 갖도록 상기 통전성형금형에 배열되고, 상기 통전성형금형은 서로 인접된 상태에서 연속적으로 배열되어 복수개로 구성된다.

바람직한 실시예로서, 상기 전류인가금형과 상기 통전성형금형은 사각형 판 형상 또는 정사각형 판 형상의 그 단면을 형성한다.

바람직한 실시예로서, 상기 전류인가금형은 상기 금속 분리판에 적용되는 소재패턴을 형성한 시험편으로 상기 금속 분리판을 가공하는 금형판, 상기 전류의 공급을 위한 통전 홀이 천공되어 상기 금형판에 상기 전류를 인가하는 단자판을 포함한다.

바람직한 실시예로서, 상기 전류인가금형은 제1,2 전류인가금형으로 구성되고, 상기 통전성형금형은 제1,2 통전성형금형으로 구성되며; 상기 제1 전류인가금형과 상기 제1 통전성형금형이 상기 절연접착소재로 일체화되어 상부금형을 형성하고, 상기 제2 전류인가금형과 상기 제2 통전성형금형이 상기 절연접착소재로 일체화되어 하부금형을 형성하고; 상기 제1 전류인가금형과 상기 제2 전류인가금형(의 사이에서 상기 소재가 상기 금속 분리판으로 제조된다.

바람직한 실시예로서, 상기 제1,2 전류인가금형의 각각에는 가이드 핀과 가이드 홀이 형성되고, 상기 제1 전류인가금형의 상기 가이드 핀은 상기 제2 전류인가금형의 상기 가이드 홀에 끼워지며, 상기 제2 전류인가금형의 상기 가이드 핀은 상기 제1 전류인가금형의 상기 가이드 홀에 끼워진다. 상기 상부금형과 상기 하부금형의 각각에는 그립돌기를 더 구비한다. 상기 제1,2 전류인가금형의 각각에는 통전성형장치가 연결되고, 상기 제1 전류인가금형은 상기 통전성형장치로 +전류를 인가받으며 상기 제2 전류인가금형은 상기 통전성형장치로 -전류를 인가받는다.

이러한 본 발명은 통전소성 가공 프레스 시스템에 절연된 통전성형금형과 전류인가금형을 적용함으로써 전류 인가 시 전류 누설로부터 안전성을 확보할 수 있고, 특히 금속 분리판 가공 및 제조 시 금형으로 인가되는 전류의 통전 및 전류 밀도의 균일성을 확보함으로써 제품 품질 향상이 이루어진다.

또한, 본 발명은 전류 누설로부터 안전성이 확보된 통전소성 가공 프레스 시스템을 이용함으로써 작업자는 인가 전류 누설에 의한 감전 우려 없이 안전하게 수소연료전지용 금속 분리판을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명은 통전성형금형과 전류인가금형을 별도 제작한 후 절연 접합 소재로 접합시켜 절연 금형으로 제조함으로써 기존 통전소성 가공 프레스 시스템에 대한 장착성도 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 절연금형의 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 절연금형을 소재가공금형으로 통전소성 가공 프레스 시스템에 적용된 구성이고, 도 3은 본 발명에 따른 소재가공금형의 배열 예이며, 도 4는 본 발명에 따른 통전소성 가공 프레스 시스템 동작 시 절연금형으로 구성된 소재가공금형의 동작 상태이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1을 참조하면, 절연금형(1)은 전류인가금형(1-1), 통전성형금형(1-2), 절연접착소재(1-3)로 구성된다.

구체적으로, 상기 전류인가금형(1-1)은 금형판(3), 단자판(4), 시험편(6), 통전 홀(7), 가이드 핀(8), 가이드 홀(9)을 포함하고, 전체적으로 직육면체(rectangular parallelepiped)로 이루어져 사각형 판 형상(quadrangle plate shape) 또는 정사각형 판 형상(square plate shape)의 그 단면을 형성한다.

일례로, 상기 금형판(3)은 정사각형 판 형상(또는 사각형 판 형상)을 이루어져 단자판(4)으로 공급된 전류인가로 발열되며, 상기 단자판(4)은 금형판(3)의 한 쪽 면에서 금형판(3)보다 좁은 폭으로 돌출되어 통전성형장치(40)(도 4 참조)와 전기적으로 연결됨으로써 금형판(3)에 인가되는 전류 공급 통로로 작용한다. 상기 시험편(6)은 금속 분리판에 적용되는 음각소재패턴(6-1)이나 양각소재패턴(6-2)으로 금형판(3)에 형성됨으로써 소재(50)(도 4 참조)가 설계된 패턴 구조의 금속 분리판으로 가공 및 제조될 수 있고, 상기 설계된 패턴 구조는 유로 패턴일 수 있다. 상기 통전 홀(7)은 단자판(4)에 천공되어 단자판(4)을 금형단자(30)(도 3 참조)에 연결하고, 상기 금형단자(30)는 통전성형장치(40)와 전기적으로 연결된다. 상기 가이드 핀(8)은 시험편(6)을 벗어난 위치에서 금형판(3)으로부터 돌출되고, 상기 가이드 홀(9)은 시험편(6)을 벗어난 위치에서 금형판(3)에 천공된다. 그러므로, 소재(50)의 가공을 위해 2개의 전류인가금형(1-1)이 서로 마주보며 접촉될 때, 한쪽 전류인가금형(1-1)의 가이드 핀(8)은 다른쪽 전류인가금형(1-1)의 가이드 홀(9)로 끼워짐으로써 금속 분리판 가공 및 제조 시 정확한 위치제어가 가능하다.

구체적으로, 상기 통전성형금형(1-2)은 전체적으로 직육면체(rectangular parallelepiped)로 이루어져 사각형 판 형상(quadrangle plate shape) 또는 정사각형 판 형상(square plate shape)의 그 단면을 형성한다. 그러므로, 상기 통전성형금형(1-2)은 금형판(3)을 한쪽 면에 덧댄 상태에서 단자판(4)이 통전성형금형(1-2)을 벗어나도록 전류인가금형(1-1)과 결합된다.

구체적으로, 상기 절연접착소재(1-3)는 전류인가금형(1-1)과 통전성형금형(1-2)을 강하게 고정함으로써 전류인가금형(1-1)과 통전성형금형(1-2)이 일체화된 절연금형(1)으로 형성된다. 그러므로, 상기 절연접착소재(1-3)의 요구 성질은 전기가 통하지 않는 완전 절연체의 금속을 결합시킬 수 있는 접착 성능이고, 이를 만족하는 모든 종류의 물질이 절연접착소재(1-3)로 사용될 수 있다.

위와 같이, 상기 절연금형(1)은 절연접착소재(1-3)를 매개로 전류인가금형(1-1)과 통전성형금형(1-2)이 고정되어 일체화되고, 일체화된 조립상태에서 전류인가금형(1-1)의 시험편(6)과 통전 홀(7), 가이드 핀(8), 가이드 홀(9)이 노출된다. 또한, 상기 절연금형(1)은 전류인가금형(1-1)에 전류 인가 시 절연접착소재(1-3)의 성질로 전류가 통전성형금형(1-2)으로 흐르지 못함으로써 전류 인가 시 전류 누설이 근본적으로 방지된다.

한편 도 2를 참조하면, 소재가공금형(10)은 상부금형(10-1)과 하부금형(10-2)으로 구성되고, 상기 상부금형(10-1)과 상기 하부금형(10-2)의 각각은 전류인가금형(1-1)과 통전성형금형(1-2) 및 절연접착소재(1-3)로 구성된다.

일례로, 전류인가금형(1-1)과 통전성형금형(1-2)은 각각 2개로 구성되고, 2개의 전류인가금형(1-1)중 하나는 2개의 통전성형금형(1-2)중 하나와 절연접착소재(1-3)로 일체화되어 상부금형(10-1)을 형성하며, 나머지 하나의 전류인가금형(1-1)은 나머지 하나의 통전성형금형(1-2)과 절연접착소재(1-3)로 일체화되어 하부금형(10-2)을 형성한다.

그러므로, 상기 상부금형(10-1)과 상기 하부금형(10-2)의 각각은 도 1을 통해 기술된 절연금형(1)과 동일한 구성요소로 이루어진다. 다만, 상기 상부금형(10-1)과 상기 하부금형(10-2)의 각각은 통전소성 가공 프레스 시스템의 구성부와 연계되어 조립되는 그립돌기(20)를 더 구비하고, 상기 그립돌기(20)는 통전성형금형(1-2)에서 돌출된다. 따라서, 도 1의 절연금형(1)은 그립돌기(20)를 더 갖춤으로써 소재가공금형(10)으로 전환되고, 상기 소재가공금형(10)은 통전소성 가공 프레스 시스템을 구성한다.

한편 도 3을 참조하면, 소재가공금형(10)은 복합 타입 전류인가금형(1-1)을 이용하여 금속 분리판 가공 및 제조에 적합한 구조로 다양한 변형이 가능하다.

일례로, 음각소재패턴(6-1)의 시험편(6)을 갖는 전류인가금형(1-1)을 좌측 전류인가금형(1-1)으로 하고, 양각소재패턴(6-2)의 시험편(6)을 갖는 전류인가금형(1-1)을 우측 전류인가금형(1-1)으로 하여 한 쌍을 이루는 복합 타입 전류인가금형(1-1)이 구성될 수 있다. 이 경우, 좌측 전류인가금형(1-1)과 우측 전류인가금형(1-1)의 각 단자판(4)을 마주보도록 하여 절연접착소재(1-3)를 매개로 통전성형금형(1-2)에 나란히 배열하고, 서로 마주보는 단자판(4)부위로 통전성형장치(40)(도 4 참조)와 전기적으로 연결된 금형단자(30)를 위치시킴으로써 전류인가금형(1-1)의 전류공급회로를 보다 효율적으로 할 수 있다.

특히, 소재가공금형(10)은 상기 복합 타입 전류인가금형(1-1)을 소재가공금형(10)의 사이즈 영역내에서 연속적으로 배열하여 구성됨으로써 금속 분리판 가공 및 제조 효율을 크게 높일 수 있다.

한편 도 4를 참조하면, 통전소성 가공 프레스 시스템의 소재가공금형(10)에 적용된 절연금형(1)의 작동 상태를 알 수 있다.

이 경우, 통전성형장치(40)가 통전소성 가공 프레스 시스템과 연계됨으로써 전원공급이 이루어지고, 소재공급장치나 설비가 통전소성 가공 프레스 시스템과 연계됨으로써 소재가공금형(10)으로 소재(50)가 공급된다.

그러므로, 상부금형(10-1)과 하부금형(10-2)의 사이에서 시험편(6)쪽으로 소재(50)의 공급이 이루어지면, 전류인가금형(1-1)은 통전성형장치(40)를 통해 전류가 인가됨으로써 소재(50)는 통전소성현상을 이용하여 금속 분리판으로 가공 및 제조된다. 본 발명에서, 소재(50)의 금속 분리판 가공 및 제조 절차는 본 발명의 범위를 벗어나므로 이의 설명은 생략한다.

따라서, 상기 소재가공금형(10)은 차량용 수소연료전지에 적용되는 금속 분리판이 갖추어야 하는 낮은 제조 단가, 박판화, 전압 손실 최소화, 수소와 산소의 공급 흐름 완전 분리, 우수한 기계적 강도, 내부식성, 낮은 무게밀도, 낮은 부피밀도, 열적 안정성, 차량탑재공간 제약해소 등과 같은 요구 성능을 모두 만족시키고, 특히 작업자의 전기 감전에 의한 안전사고 위험성 없는 작업 환경을 제공할 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 통전소성 가공 프레스 시스템은 수소연료전지용 금속 분리판으로 제조되는 소재에 통전소성(electroplasticity)현상이 적용되도록 전류가 인가되는 전류인가금형(1-1), 전류인가금형(1-1)에 결합된 통전성형금형(1-2), 전류인가금형(1-1)과 통전성형금형(1-2)이 맞대어진 고정면을 통전성형금형(1-2)쪽으로 가는 전류의 누설경로 차단을 위한 절연층으로 형성하는 절연접착소재(1-3)로 이루어진 절연금형(1)을 포함함으로써 상,하부금형(10-1,10-2)으로 인가되는 전류의 통전 및 전류 밀도의 균일성을 확보하고, 특히 통전성형금형(1-2)으로 형성되는 전류 누설 경로를 완전히 차단시켜줌으로써 인가 전류 누설에 의한 작업자 감전의 안전사고가 방지된다.

1 : 절연금형 1-1 : 전류인가금형
1-2 : 통전성형금형 1-3 : 절연접착소재
3 : 금형판 4 : 단자판
6 : 시험편 6-1 : 음각소재패턴
6-2 : 양각소재패턴 7 : 통전 홀
8 : 가이드 핀 9 : 가이드 홀
10 : 소재가공금형 10-1 : 상부금형
10-2 : 하부금형 20 : 그립돌기
30 : 금형단자 40 : 통전성형장치
50 : 소재

Claims

수소연료전지용 금속 분리판으로 제조되는 소재에 통전소성(electroplasticity)현상이 적용되도록 전류가 인가되는 전류인가금형;
상기 전류인가금형에 결합된 통전성형금형;
상기 전류인가금형과 상기 통전성형금형이 맞대어진 고정면을 절연층으로 형성하고, 상기 절연층이 상기 통전성형금형쪽으로 가는 상기 전류의 누설경로를 차단하는 절연접착소재;
가 포함된 것을 특징으로 하는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 전류인가금형은 2개로 구성되어 서로 마주보는 대향부를 갖도록 상기 통전성형금형에 배열되는 것을 특징으로 하는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템.
청구항 2에 있어서, 상기 대향부에는 상기 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템.
청구항 2에 있어서, 상기 통전성형금형은 서로 인접된 상태에서 연속적으로 배열되어 복수개로 구성되는 것을 특징으로 하는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 전류인가금형과 상기 통전성형금형은 사각형 판 형상 또는 정사각형 판 형상의 그 단면을 형성하는 것을 특징으로 하는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 전류인가금형은 상기 금속 분리판을 가공하는 금형판, 상기 금형판에 상기 전류를 인가하는 단자판을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 금형판에는 상기 금속 분리판에 적용되는 소재패턴을 형성한 시험편이 더 포함된 것을 특징으로 하는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 단자판에는 상기 전류의 공급을 위한 통전 홀이 천공된 것을 특징으로 하는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 전류인가금형은 제1,2 전류인가금형으로 구성되고, 상기 통전성형금형은 제1,2 통전성형금형으로 구성되며;
상기 제1 전류인가금형과 상기 제1 통전성형금형이 상기 절연접착소재로 일체화되어 상부금형을 형성하고, 상기 제2 전류인가금형과 상기 제2 통전성형금형이 상기 절연접착소재로 일체화되어 하부금형을 형성하고;
상기 제1 전류인가금형과 상기 제2 전류인가금형의 사이에서 상기 소재가 상기 금속 분리판으로 제조되는 것을 특징으로 하는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템.
청구항 9에 있어서, 상기 제1,2 전류인가금형의 각각에는 가이드 핀과 가이드 홀이 형성되고, 상기 제1 전류인가금형의 상기 가이드 핀은 상기 제2 전류인가금형의 상기 가이드 홀에 끼워지며, 상기 제2 전류인가금형의 상기 가이드 핀은 상기 제1 전류인가금형의 상기 가이드 홀에 끼워지는 것을 특징으로 하는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템.
청구항 9에 있어서, 상기 상부금형과 상기 하부금형의 각각에는 그립돌기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템.
청구항 9에 있어서, 상기 제1,2 전류인가금형의 각각에는 통전성형장치가 연결되고, 상기 제1 전류인가금형은 상기 통전성형장치로 +전류를 인가받으며 상기 제2 전류인가금형은 상기 통전성형장치로 -전류를 인가받는 것을 특징으로 하는 절연금형을 갖춘 통전소성 가공 프레스 시스템.