KR100449882B1 - 허니컴압출다이및그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강 허니컴 압출다이에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 상기 다이는 다이 입구면내로 연장되고 다이 방출면상의 방출슬롯 어레이와 교차하는 피드홀 어레이를 가지며, 여기서 상기 슬롯들은 유전성 유체가 피드홀내로 제공되거나 또는 피드홀을 통하여 흘러들어가는 동안 와이어 EDM 슬롯가공에 의해 블라인드 피드홀로 컷팅된다. 그 결과, EDM 작업 안정성, 및 피드홀/슬롯 교차배열 및 마무리에서의 개량은 개선된 압출 성능과 연장된 사용수명을 갖는 다이를 제공할 수 있도록 한다.

Description

하니컴 압출다이 및 그 제조방법

본 발명은 가소화된 파우더 뱃지를 하니컴 구조물로 압출하기 위한 압출다이에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 상술한 압출다이를 좀 더 저렴한 비용으로 그리고 좀 더 우수한 품질로 제조하기 위한 개선된 방법에 관한 것이고, 또한 그 결과로서 제조되는 하니컴 다이에 관한 것이고 그 하니컴 다이를 하니컴 압출에 사용하는 것에 관한 것이다.

촉매기질, 하니컴 히터등에 적용하기 위한 세라믹 및 금속 하니컴 구조물은 압출방법에 의해 대량으로 제조되고 있다. 이러한 공정에 사용되는 압출다이들은 압출될 가소화된 뱃지물질을 유입하기 위한 입구면과 압출체가 하니컴 형태로 배출되는 방출면을 포함하는 평평한 플레이트로서 배열된다.

전형적인 하니컴 압출다이의 방출면은 얇은 배출슬롯 어레이를 포함하고, 이 어레이를 통해 뱃지물질이 허니컴 셀벽을 형성하는 상호 연결된 벽 구조물로 배출된다. 입구면은 상기 방출면으로부터 안쪽으로 연장되며 방출슬롯의 적어도 일부와 연결되는 피드홀 어레이를 포함한다. 피드홀들은 압출될 뱃지물질을 슬롯들에 공급하기 위한 수단을 제공한다. Bagley의 미국 특허 제3,790,654호는 이러한 타입의 허니컴 압출다이와 허니컴의 압출을 위해 사용한다는 내용이 기술되어 있다. 이러한 공정의 좀 더 상세한 설명을 위해 상기 특허를 참고할 수 있다.

자동차 배기 오염 방지 촉매를 지지하기 위해 사용되는 하니컴과 같이 얇은 세라믹 하니컴의 대용량 압출을 위해 스테인레스 강으로 제조된 압출 다이가 현재 사용되고 있다. 이러한 얇은 벽으로 된 세라믹 허니컴의 제조에 요구되는 정교한 방출슬롯 어레이를 제조하기 위해서는 트래블링 와이어 방전가공(이하, '와이어 EDM'라 함)이 현재 주로 이용되고 있다.

와이어 EDM 공정은 전기를 사용하여 제품으로부터 금속을 부식시키는 금속제거기술이다. 음의 트래블링 와이어 전극과 양의 바이어스의 제품 사이의 급속 DC 전기펄스들은 탈이온수 유전성 세정매체를 이용하여 제품으로부터 강 물질을 정밀하게 용융시킨다. 이러한 물질은 탈이온수 세정매체에서 다시 굳어져서 탈이온수 세정매체의 가압 불출물에 의해 세정된다.

제거된 물질의 세정은 EDM 작업 안정성과 컷팅된 슬롯의 정밀도에 중요하다. 와이어 EDM 공정에 사용된 와이어 전극은 통상 황동, 구리 또는 몰리브텐으로 제조된다. 이러한 전극이 서보 시스템 또는 다른 장치에 의해 제품내로 진행됨에 따라 상기 장치에 대한 제어 시스템은 전극과 제품 사이에 미리 설정된 갭을 유지함으로써 매우 정밀한 슬롯이 형성될 수 있다. 이러한 슬롯내에 부스러기가 존재하게 되면 슬롯 정밀도를 현저히 방해할 수 있으며 슬롯의 매끄러움 및/또는 일정한 폭을 좀 더 열화시키는 와이어의 손상 또한 야기시킬 수 있다.

와이어 EDM 가공공정에 의해 압출다이의 제조시 직면하게 되는 하나의 문제점은 이러한 다이의 슬롯가공동안 과다한 수준으로 와이어가 손상되는 것이다. 관찰된 와이어 손상의 발생은 다른 와이어 EDM 용도에서의 슬롯 컷팅에서 나타났던 것보다 현저히 많았다.

따라서, 본 발명의 주요 목적은 좀 더 안정적인 EDM 공정을 제공하고 이에 따라 슬롯의 품질과 정밀도가 개선된 압출다이를 제공하는 다이의 개선된 제조방법을 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 개선된 압출다이 및 이의 사용방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적과 이점들은 다음의 상세한 설명을 통해 보다 명백해 질 것이다.

본 발명에 따르면, 강(steel) 하니컴 압출다이의 슬롯가공동안 EDM 와이어 손상발생을 현저히 감소시키는 와이어 EDM 슬롯가공을 위한 개선된 장치 및 방법이 제공된다. 따라서, 좀 더 매끄럽고 좀 더 균일한 방출슬롯을 갖는 다이의 제조가 가능하며, 이에 따라 압출성능을 개선시킬 수 있고 사용시 다이의 마모를 줄일 수 있다.

일 특징으로, 본 발명은 먼저 입구면에서 방출면 쪽으로 다이 몸체내로 연장되는 피드홀 어레이를 갖는 하나의 강 다이 몸체를 제공하는 단계를 포함하는 허니컴 압출다이의 제조방법을 제공한다. 그 후, 이러한 다이 몸체의 방출면내로 방출 슬롯 어레이가 가공된다. 상기 방출 슬롯 어레이의 가공공정은 다이상의 미리 선택된 슬롯 지점으로부터 강을 제가하는 와이어 EDM 공정에 의해 수행된다.

EDM 가공공정동안, 유전성 유체는 다이 몸체로부터 가공된 물질을 세정하는데 사용되며, 또한 트래블링 와이어에 의해 형성된 슬롯으로부터 가공된 물질을 세정시키는데 사용된다. 이러한 세정공정은 피드홀들과 방출슬롯 중 적어도 일부 사이에 홀-슬롯 교차가 형성될 때까지 적어도 계속된다.

슬롯 가공동안 EDM 작업을 안정시키고 와이어 손상의 발생을 줄이기 위해, 유전성 유체는 적어도 홀-슬롯 교차가 형성되는 동안, 즉 피드홀내로 슬롯이 도달될 때 다이 몸체의 피드홀내에 제공된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이 유체는 다이 몸체의 입구면상에서 피드홀들을 배기시킴으로써 제공되어, 가공된 슬롯과 방출면을 세정시키는데 사용된 같은 유전성 유체로 피드홀들을 세정시키게 될 것이다.

선택적인 실시예에서, 유전성 세정유체는 홀/슬롯 교차가 형성되기 전에 다이 몸체의 입구면으로 유체를 유입함으로써 피드홀에 제공될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 사용된 유체는 다이의 방출면상의 슬롯 및 다이 몸체를 세정하기 위한 슬롯 가공공정동안 사용된 유체와 동일 또는 상이한 것이 가능하다.

본 발명은 상술한 바와 같은 EDM 공정동안 다이 몸체를 지지하기 위한 장치를 더 포함한다. 그러한 장치는 먼저 이의 출구면의 EDM 슬롯가공 동안 트래블링 와이어 EDM 전극에 근접한 이의 입구면상에 불라인드 피드홀들을 포함하는 다이 몸체를 홀딩하기 위한 홀딩장치를 포함한다. 부가적으로, 상기 장치는 다이의 입구면에서 피드홀 개구를 배기시키기 위한 배기수단을 포함한다. 그러한 배기수단은 홀딩장치에서 개구들을 포함할 수 있거나, 또는 좀 더 바람직하기로는 가공공정 동안 홀딩장치로부터 떨어져 다이 몸체의 입구면을 떨어뜨리기 위한 배기된 프레임 플레이트 또는 스페이서를 포함할 수 있다.

제1도는 본 발명에 따라 제조될 수 있는 종류의 압출다이의 개략적인 단면 정면도이다. 좀 더 상세하게는 제1도를 참조하면, 그러한 다이들은 입구면(10a)과 출구면(10b)을 포함하는 다임 몸체(10)로 이루어진다. 입구면(10a)은 입구면(10a)에서 출구 또는 방출면(10b)쪽으로 몸체내부로 연장되어 있는 피드홀(12)어레이로 제공된다. 방출면은 압출된 하니컴 제품을 형성하는 방출슬롯(14)어레이로 이루어진다.

이러한 타입의 다이의 종래의 기술을 살펴보면, 선택된 조성의 다이 몸체의 출구면(10b)에 방출슬롯(14)을 형성시키기 위해 와이어 EDM공정이 사용되는 데, 이러한 슬롯들은 피드홀의 형성전에 소정의 깊이로 가공된다. 그 후, 피드홀에서 방출 슬롯까지 뱃지흐름을 위해 필요한 경로를 제공하기 위하여, 피드홀(12)은 기계적 또는 화학적으로 드릴링 되어 미리 형성된 방출슬롯(14)을 교차시킨다. 미합중국 특허 제5,322,599호 및 제5,320,721호에는 이러한 공정을 실시하는 데 유용한 전기화학 드릴링 공정이 기술되어 있다.

그러나, 이러한 종래의 기술이 갖는 하나의 단점은 피드홀이 슬롯에 도달할 때 슬롯-피드홀 계면이 일그러질 수 있다는 것이다. 이로 인해 피드홀/슬롯 교차점에서는 각 피드홀의 직경이 변화되는 네킹-다운 현상이 발생된다.

본 발명에 따르면, 슬롯 및 피드홀 가공의 순서가 역전되어 매끄러운 홀/슬롯 교차를 보장한다. 먼저 다이 몸체(10)에 피드홀(12)이 제공되고, 그 후 방출슬롯(14)이 이의 방출면으로 가공된다. 이것은 슬롯/피드홀 교차점에서 직경이 일정한 피드홀을 제공한다.

슬롯을 미리 천공된 피드홀과 상호연결 시키기 위해서는 본 발명에 따라 제공된 방출슬롯들은 슬롯의 적어도 일부가 피드홀(12)과 교차할 정도의 깊이로 가공된다. 피드홀에 의해 교차된 슬롯들의 위치 및 개수는 다이의 디자인에 따라 변할 수 있다. 미합중국 특허 제3,790,654호에 따라 제공된 것과 같은 다이에서, 모든 슬롯들은 피드홀들에 의해 통상 교차되는 반면, 미합중국 특허 제4,902,216호에 도시된 것과 같은 소위 "복합 슬롯" 다이에서, 슬롯들중 단지 선택된 비율의 것만이 피드홀들을 교차한다.

제1도에 도시된 바와 같은 다이의 제조방법은 제2도에 좀 더 상세하게 도시되어 있다. 제2도에 도시된 바와 같이, 다이 몸체(10)는 어떤 적절한 부착수단, 예를 들면 볼트(미도시)에 의해 수직으로 배치된 지지용 홀딩장치(20)위에 장착되며, 배기 프레임 플레이트(22: vented frame plate)가 다이몸체(10)와 홀딩장치(20) 사이에 삽입된다. 상기 플레이트(22)는 다이몸체(10)와 홀딩장치(20) 사이에 배치된 하나 이상의 벤트(24)를 포함한다. 상기 벤트는 후술되겠지만, 세정유체의 방출을 위한 것이다.

다이몸체(10)내의 각 방출슬롯(14, 제2도의 면에 도시)을 가공하기 위하여, 일반적인 타입(미도시)의 와이어 EDM 장치에 의해 공급된 방전 와이어(26)는 방출면(10b)를 가로질러 하방으로 진행하여 다이 몸체(10)로부터 물질을 제거할 수 있게 한다. 동시에, 와이어(26)에 의해 다이 몸체로부터 제거된 물질을 세정하기 위하여, 화살표 28로 지시한 바와 같은 유전성 세정유체는 그러한 슬롯이 형성됨에 따라 방출면(10b)을 가로질러 슬롯(14)을 통하여 하방으로 흐른다. 다이몸체와 슬롯 표면위로 이러한 유체를 효과적으로 유도하기 위하여, 내부 채널(32)을 갖는 트로우 부재(30)는 제2도 및 미합중국 특허 제4,527,035호에 나타낸 바와 같이 다이 몸체(10)에 대해 배치될 수 있다.

궁극적으로 제2도에 도시된 바와 같이, 슬롯(14)은 피드홀(12)을 관통하는 깊이에 도달한다. 와이어 전극의 손상은 EDM 공정에서 이러한 지점에서 주로 발생될 것 같다. 본 발명에 유도된 검사들이 암시하는 것은 이러한 와이어 손상의 가장 그럴듯한 원인은 홀-드릴링 공정으로부터 발생된 찌꺼기 및/또는 피드홀 말단에서 나포된 공기이다.

제2도를 참조하면, 작업 안정성을 개선시키고 와이어의 손상을 최소화시키기 위하여, 프레임 플레이트(22)가 다이 몸체(10)와 홀딩장치(20) 사이에 삽입된다. 제3도에 일반적으로 도시된 바와 같은 배열을 갖는 이러한 플레이트는 홀딩장치(20)와 떨어져 다이 몸체(10)의 입구면(10a)과 거리를 두고 있다. 부가적으로, 벤트(24)와 같은 배기구가 장착된다면, 프레임 플레이트(20)는 피드홀(12)을 빠져 나가 프레임의 내부로 들어가는 세정유체의 배출구용 경로를 제공한다. 이에 따라, 프레임의 플레이트의 삽입으로 인하여 다이 몸체(10)의 입구면(10a)상의 피드홀(12)의 베이스에서 개구들이 열려있게 된다.

방전 와이어(26)가 다이 몸체(10)내의 피드홀(12) 말단부와 교차하는 깊이에 도달하자마자, 유전성 세정유체(28)는 피드홀(12)로 유입되기 시작한다. 그 후 그러한 유체는 공기 및/또는 피드홀(12) 드릴링 공정후의 잔류 부수러기를 피드홀 베이스에서 프레임 플레이트(22)에 의해 형성된 공간으로 운반하여 세정하기 시작한다. 또한, 운반되어 이에 의해 그러한 공간으로 들어가는 부스러기 및/또는 공기와 함께 이러한 유체는 벤트(24)를 통해 재빨리 방출된다. 이러한 세정작용은 와이어(26)의 손상에 의해 야기된 슬롯 가공공정 중의 파괴의 수를 감소시키는데 현저히 효과적인 것으로 판명되었다.

상기에서 지적한 바와 같이, 프레임 플레이트(22)의 적절한 구조는 제3도에 도시되어 있다. 이의 본질적인 형태에서, 프레임 플레이트(22)는 소정 두께의 주변 프레임 부재 또는 금속 스페이서로 단순히 구성된다. 상기 프레임 플레이트에 천공된 다수의 벤트 홀(24)은 프레임 플레이트에 의해 경계를 이루는 공간으로 유체가 용이한 배출되게 하는 배출구를 제공하는 것이다. 프레임 플레이트의 두께와 벤트홀의 수는 선택된 세트만큼의 와이어 EDM 슬롯가공 조건들로부터 유출되는 유체를 다루기 위하여 일반적인 실험에 의해 용이하게 조정될 수 있다.

슬롯이 피드홀에 도달할 때 세정유체 흐름속도가 반드시 빠르게 유지될 필요는 없고, EDM 가공속도, 피드홀의 조건 및 다른 인자들의 여하에 따라 달라질 수 있다. 몇몇 경우에는 EDM 슬롯가공 공정의 시작전에 피드홀 어레이를 물 또는 다른 유전성 세정유체를 단순히 채우기만 하면 충분하다. 이것은 예를 들면 침지된 다이 몸체와 유체에 진공을 유지하면서 다이 몸체(10), 또는 적어도 입구면(10a)상의 피드홀 말단부를 유전성 세정유체에 침지시킴으로써 달성될 수 있다. 진공은 피드홀(12)에 존재하는 공기의 추출에 일조를 하며 진공이 해제될 때 피드홀에 세정유체로 채워지는 것을 가능하게 한다. 그렇게 채워질 때, EDM 와이어가 피드홀로 도달하는 것은 피드홀들이 공기만을 보유할 때 보다 와이어 손상이 훨씬 줄어드는 것으로 나타난다.

제1도 및 제2도에 도시된 것과 같은 다이들은 어떠한 적절한 금속들로도 제조될 수 있지만, 바람직한 금속들로는 스테인레스강이다. 이러한 금속들은 EDM 슬롯가공 기술로 정밀하게 가공될 수 있지만, 부가적으로 물, 다른 유전성 세정유체, 및 다이를 통한 압출을 위해 조성된 어떤 뱃지물질에 존재하는 액체 또는 용해된 고체성분들에 대한 내식성이 상당히 강하다. 만약 필요하다면 다른 유전성유체들이 물을 대체할 수 있지만, 전형적으로는 EDM 공정을 위해 사용된 유전성 세정유체는 탈이온수이다.

상술한 공정을 따라 제조된 스테인레스강 허니컴 압출다이는 압출에 의한 세라믹 허니컴의 제조에 대해 현저한 이점의 구조적인 특징을 제공한다. 가장 중요하게는, 방출슬롯 어레이에 뱃지물질을 공급하고 이 어레이와 교차하여 배열된 피드홀들은 방출슬롯과 교차하는 점들에서 실질적으로 변함없고 일정한 직경을 가지며, 이에 따라 다이의 마모를 줄이고 다이를 통한 뱃지흐름에 대한 임피던스를 줄인다. 이에 따라, 다이를 통한 가소화된 세라믹 뱃지물질의 압출을 용이하게 하며, 그 결과로서 생기는 미소성 세라믹 허니컴들은 일반적으로 건조되어 좀 더 높은 선택속도로 고 치수정밀도의 허니컴 제품으로 소성될 수 있다.

하기 표 1과 2는 스테인레스강 블랭크로 제조된 많은 압출다이의 와이어 EDM 공정에 대한 공정 정역학을 나타낸 것이다. 표 1은 하나의 실시에 따른 다이의 제조로부터 나온 결과를 포함하고 있는데, 여기서 피드홀 충진 또는 배기에 대한 대비가 전혀 없는 반면, 표 2는 제 2도에 도시된 공정을 이용하여 유사하게 많은 다이의 공정에 대한 결과들을 포함한다. 각각의 표들은 각 다이에 대한 확인번호, 다이의 방출면을 가로질러 제 1축과 제 2축을 따라 슬롯 어레이를 가공하는 동안 발생된 EDM 와이어 손상회수, 및 이러한 어레이의 가공동안 와이어 손상의 총회수를 포함한다.

표 1에 나타낸 데이터에 따르면, 작업중에 슬롯/피드홀 교차상태에 주의하지 않고 미리 천공된 다이 블랭크에서 슬롯가공이 시도될 때에는 현저한 수준의 트래블링 와이어 파손이 일어남을 명백히 알 수 있다. 피드홀내의 부스러기 및 또는 공기는 이러한 수준의 파괴에 대해 책임이 있다.

표 2의 데이타에 따르면, 가공동안 다이 몸체와 다이 홀더 사이에 세정 프레임을 제공하고, 이에 따라 와이어 도달 지점에서 유전성 세정유체로 피드홀/슬롯 교차점을 효과적으로 세정시키게 되면 이러한 작업중에 와이어 파손의 발생이 현저히 줄어듬을 알 수 있다.

상술한 공정에 따라 피드홀을 충진 또는 세정시킨 결과, EDM 작업 안정성이 현저히 개선되었고, 이에 따라 가공된 다이의 품질이 개선된다. 피드홀에서 슬롯내로의 컷팅 대신에 방출슬롯에서 피드홀로 컷팅한 결과 슬롯/피드홀 교차점에서 피드홀 직경은 실질적으로 일정하였으며, 또한 본 발명의 공정으로 제공된 압출다이들은 개선된 슬롯 균일성과 마무리 특성을 보였다. 따라서, 이것은 압출작업의 안정성과 압출된 기판의 품질을 개선시킨다.

제1도는 허니컴 압출다이 단면의 개략적인 정면도.

제2도는 본 발명에 따른 트래블링 와이어 EDM 공정을 이용하여 다이몸체를 가공하기 위한 장치의 단면의 개략적인 부분정면도.

제3도는 제2도의 장치에 유용한 배기수단의 개략적인 사시도.

Claims (8)

1. 하기의 단계를 포함하는 허니컴 압출다이의 제조방법:

   입구면에서 방출면 쪽으로 다이 몸체내로 연장되는 복수의 피드홀 어레이를 갖는 하나의 다이 몸체를 제조하는 단계;

   상기 다이 몸체로부터 물질을 제거 및 세정시키는 와이어 EDM 제거공정과 유전성 유체 세정공정을 이용하여 방출면위에 방출슬롯 어레이를 형성시키는 단계, 여기서 상기 EDM 제거공정과 세정공정은 피드홀들과 일부 방출슬롯 사이에 홀-슬롯 교차가 형성될 때까지 적어도 계속된다; 및

   홀-슬롯 교차가 형성되는 동안, 피드홀에 유전성 유체를 제공하는 단계.
2. 제 1항에 있어서, 홀-슬롯 교차가 형성되는 동안, 피드홀들은 다이 몸체의 입구면이 배기되어 피드홀들이 유전성 유체로 세정됨을 특징으로 하는 허니컴 압출 다이의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 유전성 유체는 홀-슬롯의 교차가 달성되기 전에 피드홀로 유입됨을 특징으로 하는 허니컴 압출다이의 제조방법.
4. 하기의 것들을 포함하는 다이몸체의 입구면에 복수의 블라인드 피드홀을 포함하는 다이 몸체로부터 허니컴 압출다이를 와이어 EDM 슬롯가공을 위한 장치;

   다이 홀딩장치;

   다이 몸체의 방출면의 피드홀과 교차하는 방출슬롯들을 가공하기 위한 트래블링 와이어 전극;

   상기 방출면과 방출슬롯들을 유전성 세정유체로 세정시키기 위한 수단; 및

   블라인드 피드홀들을 배기시키기 위한 수단.
5. 제 4항에 있어서, 상기 블라인드 피드홀들을 배기시키기 위한 수단은 다이 몸체를 다이 홀딩장치로부터 이격시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 다이 몸체를 다이 홀딩장치로부터 이격시키기 위한 수단은 배기된 프레임 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 1항의 방법에 따라 제조된 허니컴 압출다이.
8. 제1항의 방법에 따라 하니컴 압출다이를 제조하는 단계와,

   가소화된 세라믹 뱃지 물질을 상기 제조된 하니컴 압출다이를 통해 압출시키는 단계를 포함하는 세라믹 하니컴의 제조방법.