KR20200057548A - 금속판재 가공장치 및 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일 롤과 고정 금형을 이용한 금속판재의 두께방향으로 변형량을 다르게 주어 미세조직을 구배구조로 만듦으로써 금속 판재의 기계적 물성을 향상시키는 금속판재 가공장치 및 가공방법에 관한 것으로서, 금속판재를 이송시키는 회전롤의 일측 외주면과 이격된 공간부를 갖고, 상기 금속판재가 상기 공간부를 드나들 수 있도록 입구 및 출구가 형성되면서 상기 회전롤의 타측 외주면과는 접촉하여 상기 회전롤을 감싸는 고정금형; 을 포함하는 금속판재 가공장치를 제공하여, 판재에 가해지는 변형량이 두께 별로 다르며 변형량을 많이 받는 쪽에 결정립을 작게 만들고 변형량을 적게 받는 쪽에는 결정립을 크게 만들어주는 구배구조를 갖기 때문에 강도와 연성이 모두 우수한 강점이 있다.

Description

금속판재 가공장치 및 가공방법{A treatment device for making metallic plate and the method of it}

본 발명은 단일 롤과 고정 금형을 이용한 금속판재의 두께방향으로 변형량을 다르게 주어 미세조직을 구배구조로 만듦으로써 금속 판재의 기계적 물성을 향상시키는 금속판재 가공장치 및 가공방법에 관한 것이다.

금속판재는 구조재료 중에서 건축물, 자동차 등에서 광범위하게 사용되고 있는 금속 재료중 하나이다.

이와 같은 금속 판재의 기계적 물성은 안정성과 직결된다.

금속 판재의 기계적 물성의 향상은 구조물에 대한 안정성 향상에 반드시 필요한 요소이다.

금속 판재의 기계적 물성은 금속의 미세조직과 관련된다.

최근 금속 판재의 미세조직 조절을 통한 기계적 물성 향상이 주목을 받는 이유이다.

금속 재료의 미세조직의 조절은 강소성가공을 통해 결정립 미세화를 통해서 가능해진다.

그러나, 결정립의 미세화가 진행되면 강도는 증가하지만 연성이 낮아지기 때문에 가공성이 떨어지는 문제가 있다.

따라서, 강성 및 소성가공에 금속판재를 사용하는 새로운 공정과 연성과 강도를 동시에 증가시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다.

또한, 경정립 미세화를 하기 위한 종래의 기술인 ECAP(동통로각압축), HPT(고압비틀림 공정)과 같은 강성 및 소성가공은 시편의 크기, 모양이 제한적이고 특히 금속판재에는 적용되지 못하는 점, 연속 공정이 불가능한 문제점들이 존재한다.

따라서, 금속판재의 연성과 강도를 동시에 증가시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다.

그 중 하나는 금속 판재의 두께 방향으로 결정립 크기를 점차 다르게 형성시켜 구배구조를 형성시키는 것이다.

이와 같은 구배구조를 만들기 위해 사용되는 종래의 기술로는 UNSM(Ultrasonic Nano-crystal Surface Modification), SMAT(표면 기계적 마찰 처리)과 같은 방법이 있다.

그 중 UNSM 처리는 초음파 진동에너지를 이용하여 초당 2만번 이상으로 금속 표면을 타격하여 잔류응력을 개선시키는 표면처리 기술이다.

UNSM처리를 통해서 탄성 및 소성을 발생시켜서 표면 층의 조직을 나노결정 조직으로 개질시키게 된다.

이로써 피로강도 등 기계적 물성치를 향상시키고 표면의 거칠기를 향상시킴으로써 내마모성을 향상시키는 이점이 있다.

그런데 이러한 종래의 기술은 압연 공정을 거친 시편에 추가적인 변형을 가해주는 것으로서, 일반적으로 2 step 공정을 통해서 이루어진다.

이와 같은 종래의 기술들은 2 step 공정을 수행해야했기 때문에 반복공정이 어렵고 생산성이 떨어지는 치명적인 문제가 있었다.

KR 805065 B1 KR 1559663 B1 KR 1463637 B1

위와 같은 문제점을 극복하기 위한 본 발명은 단일 공정을 통해 두께방향으로 구배구조를 가지는 판재를 만들 수 있는 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

금속판재를 이송시키는 회전롤의 일측 외주면과 이격된 공간부를 갖고, 상기 금속판재가 상기 공간부를 드나들 수 있도록 입구 및 출구가 형성되면서 상기 회전롤의 타측 외주면과는 접촉하여 상기 회전롤을 감싸는 고정금형; 을 포함하는 금속판재 가공장치를 포함한다.

또한, 상기 공간부에서 상기 고정금형의 내주면과 상기 회전롤의 외주면 사이 거리는 상기 입구로부터 상기 출구로 갈수록 점차 줄어드는 것을 특징으로 하는 금속판재 가공장치를 포함한다.

또한, 상기 회전롤의 마찰력은 상기 고정금형의 마찰력 보다 큰 것을 특징으로 하는 금속판재 가공장치를 포함한다.

또한, 상기 입구와 상기 출구 사이의 최단거리는 상기 회전롤 직경의 크기 이상인 것 특징으로 하는 금속판재 가공장치를 포함한다.

또한, 상기 입구와 상기 출구는 상기 회전롤의 타측 외주면 방향으로 서로 나란하게 형성된 것을 특징으로 하는 금속판재 가공장치를 포함한다.

또한, 상기 고정금형과 상기 금속판재 사이에 윤활제(lubricant)를 제공하는 윤활제 공급부; 를 더 포함하는 금속판재 가공장치를 포함한다.

또한, 상기 고정금형은 상기 회전롤과 접촉되는 제1 금형과; 상기 회전롤과 소정 거리 이격되어 상기 공간부를 형성시키고, 상기 제1 금형과 소정거리 이격되어 상기 출구를 형성시키는 제2 금형; 을 포함하는 금속판재 가공장치를 포함한다.

또한, 금속판재를 이송시키는 회전롤의 일측 외주면과 이격된 공간부를 갖고, 상기 금속판재가 상기 공간부를 드나들 수 있도록 입구 및 출구가 형성되면서 상기 회전롤의 타측 외주면과는 접촉하여 상기 회전롤을 감싸는 고정금형; 을 포함하는 금속판재 가공장치를 이용한 금속판재의 가공방법에 있어서, 상기 금속판재가 상기 회전롤의 회전에 의하여 상기 입구와 상기 공간부 및 상기 출구를 순차적으로 지나면서 1차 가공되는 단계; 상기 1차 가공된 금속판재를 180도 뒤집어서 상기 입구, 상기 공간부 및 상기 출구를 순차적으로 지나면서 2차 가공되는 단계; 를 포함하되, 상기 1차 가공 및 상기 2차 가공이 교번적으로 이루어지는 금속판재 가공방법을 제공한다.

이와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 판재에 가해지는 변형량이 두께 별로 다르며 변형량을 많이 받는 쪽에 결정립을 작게 만들고 변형량을 적게 받는 쪽에는 결정립을 크게 만들어주는 구배구조를 갖기 때문에 강도와 연성이 모두 우수한 강점이 있다.

둘째, 금속판재를 1차 가공 후 180도 뒤집어서 1차 가공과 동일한 가공을 수행하는 2차 가공을 통해서 미세조직을 자유롭게 조절할 수 있는 강점이 있다.

셋째, 기설치된 압연롤에도 적용이 가능하기 때문에 설비 구축 비용이 절감되는 강점이 있다.

넷째, 별도의 인발장치가 필요없이 롤의 마찰력만으로 공정이 이루어질 수 있기 때문에 구조가 간단해지며 생산비가 절약되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 금속판재(300) 가공장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 금속판재(300) 가공장치의 측단면도이다.
도 3(a, b)는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 금속판재(300)의 소성변화량을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 금속판재(300)의 소성변형량이 회전롤(100)과 맞닿은 부분이 그렇지 않은 영역보다 크게 형성된 것을 나타낸 유한요소해석결과(a) 및 두께 방향의 소성변화량 그래프(b)이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 1차 가공된 금속판재를 180도 뒤집어서 1차 가공 공정을 반복하는 2차 가공공정을 통해 얻어진 유한요소해석결과(a)와 두께 방향의 전단변형량 그래프(b) 및 소성변형량 그래프(c)이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.

제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

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 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 금속판재(300) 가공장치의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 금속판재(300) 가공장치의 측단면도이다.

회전롤(100)은 금속판재(300)를 이송시키도록 이송력을 인가한다.

고정금형은 제1 금형(210)과 제2 금형(220)을 포함한다.

제1 금형(210)과 제2 금형(220)은 회전롤(100)을 전체적으로 감싸고 있다.

보다 상세하게는 제1 금형(210)은 회전롤(100)의 외주면 일측에 설치되고 있다.

제2 금형(220)은 회전롤(100)을 사이에 두고 제1 금형(210)과 대향되는 위치에 설치된다.

보다 상세하게는 제1 금형(210)은 회전롤(100)과 접촉된다.

금속판재(300) 가공장치는 금속판재(300)를 이송시키는 회전롤(100)의 일측 외주면과 이격된 공간부(230)를 갖는다.

즉, 제2 금형(220)은 회전롤(100)과 소정 거리 이격되어 공간부(230)를 형성시키고, 제1 금형과 소정거리 이격되어 출구(232)를 형성시킨다.

입구(231)는 제2 금형(220)과 회전롤(100) 사이에서 공간부(230)의 입구로서 형성된다.

고정금형은 금속판재(300)가 공간부(230)를 드나들 수 있도록 입구(231) 및 출구(232)가 형성되면서 회전롤(100)의 타측 외주면과는 접촉하여 회전롤(100)을 감싸고 있다.

한편, 공간부(230)에서 고정금형의 내주면과 회전롤(100)의 외주면 사이 거리는 입구(231)로부터 출구(232)로 갈수록 점차 줄어든다.

따라서, 금속판재(300)가 입구(231)로 들어가 출구(232)로 나오면서 두께 방향으로 변형량이 커지도록 가공될 수 있다.

즉, 공간부(230)는 금속판재(300)가 두께 방향으로 구배구조를 다르게 가질 수 있도록 한다.

이 때, 회전롤(100)의 마찰력은 고정금형의 마찰력 보다 크게 형성된 것이 바람직하다.

보다 상세하게는 회전롤(100)의 마찰력은 고정금형인 제2 금형(220)의 마찰력 보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.

회전롤(100)의 마찰력이 고정금형의 마찰력 보다 크기 때문에 금속판재(300)는 고정금형인 제2 금형(220)에 대하여는 미끄러지지만 회전롤(100)에 대해서는 미끄러지지 않는다.

따라서, 금속판재(300)가 입구(231)에 삽입되면 회전하는 회전롤(100)에 접촉되어 출구(232)방향으로 이송이 가능해지는 것이다.

이와 동시에, 금속판재(300)가 회전롤(100)과 맞닿는 부분의 마찰력이 제2 금형(220)과 맞닿는 부분의 마찰력 보다 크기 때문에 회전롤(100)과 맞닿는 부분의 변형량이 제2 금형(220)과 맞닿은 부분의 변형량 보다 더 커진다.

도 3(a, b)는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 금속판재(300)의 소성변화량을 나타낸 것이다.

금속판재(300)가 회전롤(100)에 접촉되는 부분에 있어서 입구(231)로부터 출구(232)로 갈수록 소성변화량이 증가된 것을 확인할 수 있다.

한편, 입구(231)와 출구(232) 사이의 최단거리는 회전롤(100) 직경의 크기 이상인 것이 바람직할 수 있다.

다시 말해서, 금속판재가 입구(231)로 들어가는 높이와 출구(232)로 나오는 높이의 차이는 회전롤(100)의 직경과 같거나 클 수 있다.

즉, 입구(231)와 출구(232)는 회전롤(100)의 타측 외주면 방향으로 서로 나란하게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

한편, 고정금형과 금속판재(300) 사이에 윤활제(lubricant)를 제공하는 윤활제 공급부(미도시)가 마련되는 것 또한 바람직할 수 있다.

윤활제 공급부(미도시)는 마찰력 조절을 통해 금속판재의 시편의 변형량 조절이 가능하게 한다.

다시 말해서, 윤활제 공급부(미도시)는 고정금형과 금속판재(300) 사이의 마찰력을 달리 할 수 있도록 함으로써 금속판재의 하단과 상단의 구배 정도가 달라지도록 할 수 있게 된다.

다음으로 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 금속판재의 가공방법을 설명한다.

앞서 상술한 금속판재(300) 가공장치를 이용한 금속판재(300)의 가공방법에 있어서, 금속판재(300)가 회전롤(100)의 회전에 의하여 입구(231)와 공간부(230) 및 출구(232)를 순차적으로 지나면서 1차 가공되는 단계(S1)를 거친다.

1차 가공되는 단계(S1)에서는 입구(231)로부터 출구(232)로의 공간부(230) 두께의 줄어듦과 회전롤(100)과 금속판재(300)의 마찰력에 따른 가공이 이루어진다.

즉, 금속판재(300)는 두께방향으로의 구배구조가 변화하게 된다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 금속판재(300)의 소성변형량이 회전롤(100)과 맞닿은 부분이 그렇지 않은 영역보다 크게 형성된 것을 나타낸 유한요소해석결과(a) 및 두께 방향의 소성변화량 그래프(b)이다.

금속판재(300)의 소성변형량은 회전롤(100)과 맞닿은 부분이 그렇지 않은 영역보다 크게 형성되었음을 확인할 수 있다.

다음으로, 1차 가공된 금속판재(300)는 180도 뒤집힌 채로 다시 입구(231), 공간부(230) 및 출구(232)를 순차적으로 지나면서 2차 가공되는 단계(S2)를 거치게 된다.

이와 같은 1차 가공 및 2차 가공이 교번적으로 반복공정으로 이루어지게 된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 1차 가공된 금속판재를 180도 뒤집어서 1차 가공 공정을 반복하는 2차 가공공정을 통해 얻어진 유한요소해석결과(a)와 두께 방향의 전단변형량 그래프(b) 및 소성변형량 그래프(c)이다.

결국, 금속판재(300)는 반복공정을 통해 도 5와 같이 회전롤(100)과 맞닿은 부분과 제2 금형(220)에 맞닿은 부분의 소성변형량이 많은 영역이 존재함을 알 수 있다.

1차 가공과 2차 가공을 반복하는 반복공정시에는 금속판재(300)의 상단과 하단 양쪽 모두 강도가 높은 샌드위치 형태의 구배구조를 나타내 주기 때문에 인장물성이 향상된다.

1차 가공만을 진행할 경우 금속판재(300)의 구배구조의 강도를 보다 강하게 형성시킬 수 있게 된다.

한편, 1차 가공 후 금속판재(300)를 180도 뒤집어서 가공하는 2차 가공을 하게 되면 샌드위치 형태의 구배구조를 형성할 수 있게 되는 것이다.

1차 가공, 2차 가공, 그리고 마찰력 조절에 따른 단일 공정을 통해서 다양한 기계적 물성을 얻을 수 있게 되므로 수요에 맞는 맞춤형 금속판재의 가공이 가능해지게 된다.

즉, 전단변형량과 소성변형량의 분포가 금속판재(300) 두께방향의 중심을 기준으로 대칭된 샌드위치 구조의 구배구조가 형성된 것이다.

100 : 회전롤
210 : 제1 금형
220 : 제2 금형
230 : 공간부
231 : 입구
232 : 출구
300 : 금속판재
S1 : 1차 가공
S2 : 2차 가공

Claims (8)

1. 금속판재를 이송시키는 회전롤의 일측 외주면과 이격된 공간부를 갖고, 상기 금속판재가 상기 공간부를 드나들 수 있도록 입구 및 출구가 형성되면서 상기 회전롤의 타측 외주면과는 접촉하여 상기 회전롤을 감싸는 고정금형; 을 포함하는,
   금속판재 가공장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 공간부에서 상기 고정금형의 내주면과 상기 회전롤의 외주면 사이 거리는 상기 입구로부터 상기 출구로 갈수록 점차 줄어드는 것을 특징으로 하는,
   금속판재 가공장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 회전롤의 마찰력은 상기 고정금형의 마찰력 보다 큰 것을 특징으로 하는,
   금속판재 가공장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 입구와 상기 출구 사이의 최단거리는 상기 회전롤 직경의 크기 이상인 것 특징으로 하는,
   금속판재 가공장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 입구와 상기 출구는 상기 회전롤의 타측 외주면 방향으로 서로 나란하게 형성된 것을 특징으로 하는,
   금속판재 가공장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 고정금형과 상기 금속판재 사이에 윤활제(lubricant)를 제공하는 윤활제 공급부; 를 더 포함하는,
   금속판재 가공장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 고정금형은,
   상기 회전롤과 접촉되는 제1 금형과;
   상기 회전롤과 소정 거리 이격되어 상기 공간부를 형성시키고, 상기 제1 금형과 소정거리 이격되어 상기 출구를 형성시키는 제2 금형; 을 포함하는,
   금속판재 가공장치.
   
8. 제1항의 금속판재 가공장치를 이용한 금속판재의 가공방법에 있어서,
   상기 금속판재가 상기 회전롤의 회전에 의하여 상기 입구와 상기 공간부 및 상기 출구를 순차적으로 지나면서 1차 가공되는 단계;
   상기 1차 가공된 금속판재를 180도 뒤집어서 상기 입구, 상기 공간부 및 상기 출구를 순차적으로 지나면서 2차 가공되는 단계; 를 포함하되,
   상기 1차 가공 및 상기 2차 가공이 교번적으로 이루어지는,
   금속판재 가공방법.

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