온간 액압성형시스템용 유체가열장치{A OIL HEATING DEVICE OF WARM HYDRO-FORMING SYSTEM}

도 1은 본 발명이 적용되는 온간 액압성형시스템의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유체가열장치의 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유체가열장치의 단면도이다.

도 4는 도 3의 AA 선에 따른 단면도이다.

도 5는 일반적인 액압성형시스템의 구성 단면도이다.

본 발명은 온간 액압성형시스템용 유체가열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄 합금 튜브소재의 온도에 따른 연신율 특성을 이용하여 온간에서 그 성형성을 확보하여 확관 액압성형을 이루도록 고온의 작동 유체를 공급할 수 있도록 하는 온간 액압성형시스템용 유체가열장치에 관한 것이다.

일반적으로 액압성형(HYDRO-FORMING)은 상온(10℃~30℃)에서 이루어지며, 액압(hydraulic pressure)을 이용하여 튜브소재를 확관 성형하는 기계 판금의 특수한 가공법 중의 하나로써, 자동차 산업 등에서 프론트 사이드 멤버류와 같이 크고 작 은 단품패널의 조합으로 이루어지는 프레스 생산품의 경량화 및 성형 원가의 절감에 효과가 크다.

상기한 바와 같은 액압성형(HYDRO-FORMING)에 적용되는 튜브소재에 있어서도, 경량화를 위하여 최근 철계 소재를 대신하여 고강도의 알루미늄 합금이 많이 사용되며, 이러한 고강도의 알루미늄 합금의 경우, 상온에서의 성형성은 철계 소재에 비하여 떨어지나, 성형 전에 연화처리를 통하여 성형성을 확보한 후, 단계별 액압 성형을 이루고 있다. 여기서 연화처리라 함은 알루미늄 소재의 강도를 낮추면서 연신율을 증가시키는 것으로 풀림(어닐링) 열처리가 가장 흔하게 사용된다.

이때, 상기 알루미늄 합금 등의 튜브소재의 성형성 확보를 위해서는 성형품의 형상에 따른 변형량이 최대인 부위를 고려하여 충분한 연신율을 확보하여야 하며, 적어도 20% 이상의 연신율 확보를 위하여 상기의 연화처리과정은 필수공정이라 할 수 있다.

이와 같은 알루미늄 합금의 종래 액압성형은 성형품의 형상에 따른 변형량을 고려하여 소재의 연신율을 충분히 확보할 수 있도록 상기 알루미늄 합금의 튜브소재를 미리 연화처리하게 된다.

이와 같이, 연화처리를 통하여 연신율을 확보한 상기 튜브소재는, 도 5에서 도시된 바와 같은, 액압 성형용 프레스 금형의 하형(101)상에 로딩되며, 이어서 그 상부의 상형(103)이 하강한 상태로 상기 튜브소재(100)의 양단에 각각 배치되는 액압 실린더(105)가 축방향으로 실린펀치(107)를 가압하여 시일링(sealing)과 동시에, 축압(axial compress)을 가하여 금형의 합형 및 액압 실린더(105)의 장착을 완 료하게 된다.

이와 같이, 상기 튜브소재(100)는 상기 하형(101)과 상형(103) 및 양측 실링펀치(107)에 의해 고정된 상태에서, 상기 각 액압 실린더(105)의 자체 축압과 함께, 상기 튜브소재(100)의 내부로 실린펀치(107)를 통하여 액압을 공급하여 내부에서 상형(103)과 하형(101)에 각각 형성된 성형면(109,111)을 따라 튜브소재(100)를 확관 성형시킴으로써, 상온에서의 액압 성형을 이루게 된다.

상기한 바와 같이, 액압성형이 완료된 상기 튜브소재(100)는 상기 하형(101) 및 상형(103)으로부터 취출되며, 상기 튜브소재(100)는 상기의 연신율 확보를 위하여 연화처리 공정을 거치는 과정에서 약해진 상기 튜브소재(100)의 강도를 보강하기 위한 별도의 경화처리 공정을 수행하여 성형품으로서의 요구강도를 확보할 수 있도록 한다.

그런데, 상기한 바와 같은 종래의 액압 성형에 의하여 고강도의 알루미늄 합금의 튜브소재(100)를 액압 성형하기 위해서는 그 성형성을 확보하기 위하여 성형 전에 연화처리 공정이 필수적이나, 이러한 연화처리 공정은 상기 소재의 강도를 현저하게 떨어뜨리는 원인이 되어 성형 품질을 보장할 수 없으며, 성형 후에도, 상기 소재의 강도를 보강하기 위하여 별도의 경화처리 공정을 추가하고는 있으나, 이러한 추가공정단계로 인하여 성형 품질과 생산성에는 부정적인 영향을 미치는 등의 문제점이 있었다.

그래서 최근에는 알루미늄 합금 등의 튜브소재(100)를 온도에 따른 연신율 특성을 이용하여 설정 온도범위 내에서 충분한 성형성을 확보한 상태로 확관 액압 성형을 순차적으로 수행할 수 있도록, 도 1에서 도시한 바와 같은, 온간 액압성형시스템이 연구되고 있으며, 이러한 온간 액압성형시스템은 기본적으로 일반적인 액압성형시스템과 동일하게 구성되나, 튜브소재(100) 내부에서 작용하는 유체를 설정온도로 가열하여 고온의 성형유체를 공급하기 위한 외부 유체가열장치(HU)를 포함하여 구성된다.

그러나 이러한 유체가열장치(HU)는 공급배관(L) 내, 유체를 고온으로 가열하는 과정에서, 공급배관(L)의 가열 배관부 내표면에 접촉된 유체의 끓는 현상을 방지하여야만 작동 유체의 수명을 연장시킬 수 있는 바, 이에 대한 기술적 과제를 해결해야만 하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 요구에 의해 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 알루미늄 합금 튜브소재의 온도에 따른 연신율 특성을 이용하여 온간에서 그 성형성을 확보하여 확관 액압성형을 이루도록 작동 유체의 끓는 현상 없이 가열하여 고온의 성형유체를 공급할 수 있도록 하는 온간 액압성형시스템용 유체가열장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온간 액압성형시스템용 유체가열장치는 실링펀치의 일측으로 작동 유체를 공급하기 위한 공급배관의 일측을 코일형상으로 감아서 형성되는 가열 배관부; 상기 가열 배관부를 수용하도록 원통형상으로 형성되며, 상부가 개구되는 가열로 하우징; 상기 가열로 하우징의 바닥면과 내주면을 따라 일정두께로 벽을 형성하며, 내부에는 상기 가열 배관부가 비접촉 상태로 위치되도록 가열 공간부를 형성하는 하우징 단열벽; 상기 가열로 하우징의 상부를 덮도록 장착되는 커버; 상기 커버의 내부면에 일정두께로 벽을 형성하며, 상기 하우징 단열벽과 밀착되는 커버 단열벽; 상기 하우징 단열벽의 내부를 따라 일정간격으로 감겨서 구성되며, 제어기의 제어신호에 따라 일정온도까지 발열하는 히팅코일; 상기 커버 단열벽을 관통하여 상기 가열 공간부에 닿도록 상기 커버의 중앙 일측에 장착되어 상기 가열 공간부 내부 온도를 검출하여 그 신호를 상기 제어기로 출력하는 온도감지수단을 포함한다.

상기 가열로 하우징의 외부면 일측에는 상기 히팅코일 및 온도감지수단과 제어기를 전기적으로 연결하기 위한 배선의 접속을 위한 커넥터가 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 하우징 단열벽과 커버 단열벽은 그 재질이 석면으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 하우징 단열벽의 상단 일측과 이에 대응하는 커버 단열벽 사이에는 작동 유체의 이송을 위한 공급배관의 유입단과 유출단이 안내되도록 배관 설치홈이 각각 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 커버는 가열로 하우징의 상단 외주면을 따라 볼트 체결되는 것이 바람직하며, 상기 온도감지수단은 열기전력을 이용하는 열전대로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명이 적용되는 온간 액압성형시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유체가열장치의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유체가열장치의 단면도이다.

먼저, 본 발명이 적용되는 온간 액압성형시스템은 고강도의 알루미늄 합금 튜브소재(10)를 열처리에 의한 연화처리 공정을 수행하지 않고도, 알루미늄의 온도에 따른 연신율의 특성 즉, 알루미늄의 온도가 고온(약 50℃~300℃ 정도로 임의 설정함)으로 증가하면, 강도가 떨어지고, 연신율은 급격히 증가하였다가, 다시 온도가 상온(약 10℃~30℃ 정도의 작업장의 실내온도)으로 낮아지면, 상기 강도는 다시 높아지고, 연신률은 다시 낮아져 최초 상온 상태의 강도 및 연신율의 성질을 유지하는 특성을 이용하여 상기 튜브소재(10)를 상기 고온(약 50℃~300℃까지) 상태에서의 온간 액압 성형을 통하여 성형성 및 요구 강도를 동시에 확보할 수 있도록 해준다.

이러한 온간 액압성형시스템의 기본적인 구성은, 도 1에서 도시한 바와 같이, 프레스 장비(미도시)의 하부에 장착되는 하형(1)과 그 상부에서 프레스 장비(미도시)에 의해 하부로 진행하여 상기 하형(1)과 함께 튜브소재(10)를 가압하는 상형(3)이 구비된다.

상기 상형(3) 및 하형(1)의 상호 대등하는 내부면에는 상기 튜브소재(10)의 성형면(9)(11)을 형성한다.

그리고 상기 튜브소재(10)의 양단에 대응하여 상기 하형(1)의 양측부에는 각각 좌,우측 액압 실린더(5)가 배치되며, 각 액압 실린더(5)에는 각각 실링펀치(7) 가 장착되며, 각 실링펀치(7)는 상기 튜브소재(10)의 양단에 끼워져 각각 축방향으로 축압(axial compress)과 고온의 작동 유체를 공급하도록 이루어진다.

또한, 상기 실링펀치(7)를 통하여 튜브소재(10)의 내부에 고온의 작동 유체를 공급할 수 있도록 공급배관(L) 상의 일측에는 작동유 펌프(P)의 구동에 의해 작동유 탱크(TK)로부터 작동 유체를 공급받아 공급배관(L) 내부의 작동 유체를 설정된 온도까지 고온으로 가열할 수 있도록 본 발명의 유체가열장치(HU)가 구비된다.

즉, 본 실시예에 따른 유체가열장치(HU)의 구성은, 도 2와 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기 실링펀치(7)의 일측으로 작동 유체를 공급하기 위한 공급배관(L)의 일측을 코일형상으로 수회 감아서 가열 배관부(HL)를 형성한다.

이때, 상기 가열 배관부(HL)는 공급배관(L)의 유입단(P1)을 하부로 절곡시킨 후, 하부에서 상부로 감아 올려 공급배관(L)의 유출단(P2)이 상기 유입단(P1)에 이웃하도록 형성하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 가열 배관부(HL)를 수용하도록 가열로 하우징(21)을 구성한다.

상기 가열로 하우징(21)은 내부가 빈 원통형상으로 형성하되, 상부가 개구되도록 형성하며, 상단의 외주면을 따라서는 볼트홀을 갖는 플랜지(23)를 일체로 형성한다.

또한, 상기 가열로 하우징(21)의 내부에는 하우징 단열벽(25)이 구성되는데, 상기 하우징 단열벽(25)은 가열로 하우징(21)의 바닥면(F1)과 내주면(F2)을 따라 일정두께로 벽을 형성하여 구성되며, 그 내부에는 상기 가열 배관부(HL)가 비접촉 상태로 위치되도록 가열 공간부(HS)를 형성하여 구성된다.

여기서, 상기 하우징 단열벽(25)은 그 재질이 석면으로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 상기 가열로 하우징(21)의 상부에는 원판 형상의 커버(27)가 장착되는데, 상기 커버(27)는 가열로 하우징(21)의 상부를 덮은 상태로 가열로 하우징(21)의 플랜지(23)에 둘레를 따라 볼트(B)로 체결된다.

또한, 상기 커버(27)의 내부면에는 커버 단열벽(29)이 일정두께의 벽을 형성하여 상기 하우징 단열벽(25)의 상단 둘레면을 따라 밀착된다.

여기서, 상기 커버 단열벽(29)은 상기 하우징 단열벽(25)과 동일한 석면으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하우징 단열벽(25)의 상단 일측과 이에 대응하는 커버 단열벽(29) 사이에는 작동 유체의 이송을 위한 공급배관(L)의 유입단(P1)과 유출단(P2)이 안내되도록 배관 설치홈(31)이 각각 형성된다.

상기 하우징 단열벽(25)의 내부에는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 하우징 단열벽(25)의 둘레를 따라 일정간격으로 히팅코일(33)이 감겨서 구성되며, 이 히팅코일(33)은 외부 제어기(20)와 전기적으로 연결되어 제어기(20)의 제어신호에 따라 일정온도까지 발열하여 상기 가열 공간부(HS)에 열에너지를 공급하게 된다.

또한, 상기 커버(27)의 중앙 일측에는 온도감지수단으로 열전대(35)가 장착되는데, 상기 열전대(35)는 상기 커버 단열벽(29)을 관통하여 상기 가열 공간부(HS)에 닿은 상태로, 열기전력을 이용하여 상기 가열 공간부(HS) 내부 온도를 검출하여 그 신호를 상기 제어기(20)로 출력하게 된다.

한편, 상기 가열로 하우징(21)의 외부면 일측에는 상기 히팅코일(33) 및 열전대(35)를 제어기(20)와 전기적으로 연결하도록 배선의 접속을 위한 커넥터(37)가 별도로 구성된다.

따라서, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 유체가열장치(HU)는 일측 실링펀치(7)를 통하여 성형할 튜브소재(10)의 내부에 성형액압으로 공급될 작동 유체가 가열 배관부(HL)를 통과하는 동안, 히팅코일(33)의 발열에 의해 고열로 데워진 하우징 단열벽(25)의 가열 공간부(HS) 내부 공기를 매개로 하여 열원과 직접적인 접촉없이 가열된다.

이에 따라, 상기 작동 유체는 본 실시예에 따른 유체가열장치(HU)에 의해 고열로 데워지는 과정에서 공급배관(L)의 가열 배관부(HL)가 열원과 비첩촉 상태로 배치되어 유체의 끓음 현상이 없어지게 된다.

이러한 작동 유체의 가열 온도제어는 작동유 펌프(P)로부터 펌핑되어 공급배관(L)을 통하여 이송되는 작동 유체의 유량에 따라 상기 열전대(35)에 의해 검출된 가열 공간부(HS) 내 온도신호를 제어기(20)로 출력하면, 제어기(20)는 상기 온도신호에 따라 상기 히팅코일(33)에 전기신호를 출력제어하여 가열 공간부(HS)내 온도를 설정범위로 유지함으로써 이루어진다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 온간 액압성형시스템용 유체가열장치에 의하면, 알루미늄 합금 튜브소재의 온도에 따른 연신율 특성을 이용하여 온간에서 그 성형성을 확보하여 확관 액압성형을 이루기 위한 고온의 작동 유체를 공급배관에 형성되는 가열 배관부가 가열로 하우징의 하우징 단열벽 내부에 형성되는 가열 공간부에서 열원인 히팅코일과 직접적인 접촉없이 가열하여 작동 유체의 끓는 현상을 방지하며, 이에 따라 작동 유체의 수명을 연장할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 제어기가 작동유 펌프로부터 펌핑되어 공급배관을 통하여 이송되는 작동 유체의 유량과 열전대에 의해 검출된 가열 공간부 내 온도에 따라 히팅코일의 작동을 제어함으로써 자동 유체의 온도제어를 가능하게 하는 효과가 있다.