KR100855047B1 - 분말 재료를 물품으로 압축 성형하는 방법 및 이를수행하기 위한 금형 - Google Patents

분말 재료를 물품으로 압축 성형하는 방법 및 이를수행하기 위한 금형 Download PDF

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Abstract

분말 재료를 물품으로 압축 성형하기 위한 방법은 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재들의 능동 및 피동 성형 표면들에 의해 한정되는 금형의 성형 캐버티 안에 분말 재료를 위치시키고; 상기 능동 형성 표면들을 통해 금형의 성형 부재들로부터 분말 재료로 전달되는 압착력에 의해 압착 축을 따라서 금형의 성형 부재들을 상호 이동시키는 것을 포함한다. 상기 압착 축에 평행한 상기 분말 물품의 표면은 상기 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재의 피동 성형 표면에 의해 형성된다. 본 발명에 따르면, 상기 압착 축에 평행한 분말 물품의 표면은 압착 축을 따라서 분리되는 일체형 또는 복합형 성형 부재들에 위치하는 하나 이상의 피동 성형 표면 부분들을 사용하여 형성된다. 상기 금형의 성형 부재들은 압착 축에 평행한 하나 이상의 연속적인 분말 물품의 표면이 압착 축을 따라서 분리되는 하나 이상의 피동 성형 표면의 부분들에 의해 형성되도록 이동되며, 상기 부분들은 반대 방향으로 이동하는 상이한 성형 부재들에 속한다. 또한, 상기 방법을 수행하기 위한 금형이 개시되어 있다.
분말 재료, 물품, 금형, 성형 표면, 캐버티, 압착력

Description

분말 재료를 물품으로 압축 성형하는 방법 및 이를 수행하기 위한 금형 {METHOD FOR COMPACTING POWDER MATERIALS INTO ARTICLES AND A MOLD FOR IMPLEMENTING THE METHOD}
도 1(a), (b, c)는 본 발명에 따라 실린더 물품 금형(b, c)으로 분말 재료를 일축 단동 성형시키기 위한 금형(a)을 나타내고 있다;
도 2(a), (b), (c)는 분말 재료를 물품으로 성형시키는 개략도이다;
도 3은 본 발명에 따라 분말 재료로 성형된 물품의 소층(small layer)에서 작용하는 힘의 분포를 나타내고 있다;
도 4는 각각의 능동 및 피동 성형 표면을 가진 1쌍의 성형 부재를 포함하는, 분말 재료로 물품을 성형하기 위한 본 발명에 따른 금형의 전체도이다;
도 5는 10개의 피동 성형 표면의 서로 다른 부분을 갖는 본 발명에 따른 금형의 전체도이다;
도 6은 본 발명에 따라 직방형 봉 형상으로 분말 재료로 일체형(single-type) 물품의 일괄(batch) 제조를 위한 금형의 전체도이다;
도 7(a, b)는 본 발명에 따라 만곡된 축을 따라 직방형 단면을 가진 고리형 단편의 형상으로 물품을 성형하기 위한 금형, 및 직방형 단면을 가진 고리형 단편의 전체도이다;
도 8(a, b)는 본 발명에 따라 만곡된 축을 따라 직방형 단면을 가진 고리형 단편의 형상으로 복수 개의 물품을 성형하기 위한 금형, 및 직방형 단면을 가진 고리형 단편의 전체도이다;
도 9(a, b)는 본 발명에 따라 나선형-형상의 물품을 성형하기 위한 금형의 전체도이다;
도 10은 본 발명에 따라 직방형 봉 형상으로 물품을 일축 성형하기 위한 금형의 전체도이다;
도 11(a, b)는 본 발명에 따라 원통형 기어링(gearing)에 대한 피니언(pinion) 형상으로 물품을 성형하기 위한 금형, 및 원통형 기어링에 대한 피니언의 전체도이다;
도 12(a, b)는 본 발명에 따라 베벨(bevel) 기어링에 대한 피니언 형상의 물품을 성형하기 위한 금형, 및 베벨 기어링에 대한 피니언의 전체도이다;
도 13은 본 발명에 따라 직방형 봉 형상의 물품을 2축 성형하기 위한 금형의 전체도이다;
도 14는 본 발명에 따라 구형 단편 형상의 물품을 성형하기 위한 금형, 및 구형 단편의 전체도이다;
도 15는 본 발명에 따라 기체/유체에서 성형하기 위한 탄성 외피 및 성형에 의해 강제 방출되는 기포를 포집하기 위한 추가적인 캐버티를 갖는 금형의 전체도이다.
본 발명은 분말 야금법(powder metallurgy)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 물품을 분말 재료로 성형하기 위한 방법 및 이를 수행하기 위한 금형에 관한 것이다.
성형할 분말에 압착력을 전달하지 않는 피동(passive) 성형 표면을 가진 매트릭스(matrix), 및 성형할 분말에 압착력을 전달시킬 수 있는 성형 표면을 가진 펀치들(punches)을 포함하는 밀폐된 금형에서 분말 재료를 일축 단동(single-action) 성형하는 방법이 알려져 있다(예를 들면 Fedorchenko I.M., Frantzevich I.N., Radomyslensky I.D. et al., Powder Metallurgy. Materials, Processing, Properties, Fields of Application, Kiev, Naukova dumka, 1985 참조). 이러한 성형은 압착력을 상기 펀치들 중 하나의 능동(active) 성형 표면을 통해 분말로 전달시킴으로써 달성된다. 상기 종래의 방법을 통해 1 에 가까운 형상 인자 값(shape factor value)을 갖는 복잡계(Complexity Groups) I 및 II의 물품들을 제작할 수 있다.
복잡계 III의 물품을 상기 방법에 의해 제조할 때, 단동 성형 방법에 비해 물품 높이에 따른 성형 밀도 미분(compacting density differential) 값을 1/2만큼 감소시키기 위해 복동(double action) 일축 성형이 실시된다. 높이에 있어 서로 다르게 변화하는 복잡계 IV-VII의 물품들에 대한 동일한 조건을 제공하기 위해, 독립적으로 이동하는 구성 요소를 갖는 복합형 펀치가 사용되며, 이들 구성 요소의 동조된(synchronized) 및 제어된 이동을 가진 전문 다중-패스(multi-pass) 압착기가 사용된다.
종래의 방법이 갖는 기본적인 문제는 모든 성형 경로에 있어 물품 높이에 따른 또한 물품 전체 체적을 통한 압착 축에 수직인 단면을 통해 분말 물품의 평균 밀도 분포가 압착 펀치 운동 방향으로 굴곡되는 동일한 밀도의 층을 가진 명백히 불균일한 특성을 가진다는 것이다 (Shtern M.B., Serdyuk G.G., Maximenko L.A., Trukhan Y.V., Shulyakov Y.M. Phenomenological Theories of Powder Compacting, Kiev, Naukova dumka, 1982).
복잡계 I, II, III의 분말 물품들의 대량 생산 조건에서, 성형 구성 요소(펀치 및 다중-형(multi-form) 매트릭스의 캐버티(cavity))의 수가 일시에 성형되는 물품의 수에 상응하기 때문에 노동력 강도를 수 배 증가시킨다. 확장된 표면을 가진 불규칙적인 형상의 물품을 성형할 때, 스플릿 다이(split die)가 탄성적 후작용력의 파괴적 충격을 제거하기 위해 사용되는데(Klyachko L.I., Umansky A.M., Bobrov V.N. Equipment and Accessories for Forming Powder Materials, Moscow, Metallurgy, 1986), 이는 다이 구성 요소의 수를 증가시키고, 다이 제작 및 운전의 공정을 복잡하게 할 뿐 아니라, 높이를 따라 압착된 물품의 허용 가능한 균일한 밀도를 얻는 문제가 여전히 남게 된다.
본 발명에 관련된 가장 근접한 것은, 금형의 일체형(one-piece) 또는 복합형 성형 부재의 능동 및 피동 성형 표면에 의해 한정되는 금형의 성형 캐버티 안에 분말 재료를 위치시키고; 능동 형성 표면을 통해 금형의 성형 부재로부터 분말 재료 로 전달되는 압착력에 의해 압착 축을 따라 금형의 성형 부재를 상호 이동시키며; 일체형 또는 복합형 성형 부재의 피동 성형 표면에 의해 압착 축에 평행하게 분말 물품의 표면을 형성하는 단계를 포함하는, 매트릭스 및 삽입봉(insertion rod)의 역방향 운동에 의해 슬리브(sleeve)를 성형하는 방법이다(Popilsky R.Y., Pivinsky Y.E. Compacting Powder Ceramic Masses, Moscow, Metallurgy, 1983).
상기 종래의 방법에서, 매트릭스 및 삽입봉 상에 위치한 피동 성형 표면은 물품의 외측 및 내측 표면을 형성하는 반면, 펀치 상에 위치한 능동 성형 표면은 물품의 말단 면을 형성한다. 견고하게 연결되면, 매트릭스 및 하나의 압착 펀치 및 봉 및 다른 압착 펀치는 상호 역방향 운동을 달성하며, 압착력은 능동 성형 표면을 통해 전달된다. 이러한 배열을 통해 물품의 높이에 따라 보다 균일한 밀도 분포를 가진 슬리브-형상의 물품의 제작이 가능해진다.
매트릭스 및 삽입봉의 역방향 이동에 의해 성형될 때 물품의 내측 및 외측 표면을 한정하는 2개의 피동 성형 표면에 대한 동일한 마찰 조건하에서, 반대측 표면, 내측 및 외측 영역에서의 차이에 의해 평균 밀도 미분이 결정되기 때문에 높이에 따라 압착 축에 수직인 단면에서의 평균 밀도 미분은 0일 수 없다.
매트릭스 및 봉의 역방향 이동에 의해 슬리브가 성형될 때 높이에 따라 단면에서 평균 축방향 압력 미분 ΔP 및 평균 분체 밀도 미분 Δρ는 벽 마찰 인자 f 및 측방향 압력 인자 ξ, 물품의 높이 h 및 성형되는 슬리브의 외경 r 1 및 내경 r 2 의 값에 의존한다:
Figure 112003008100938-pat00041
(1)
Figure 112003008100938-pat00042
(2)
상기 식에서, P b 는 물품 높이에 따른 평균 측방향 압력이다.
매트릭스 및 삽입봉의 역방향 운동으로 슬리브를 성형하는 방법은 중요한 단점을 가지고 있다. 슬리브-형상의 물품을 형성할 때, 그 측면(내측 및 외측)의 면적이 동일할 수 없기 때문에 물품의 높이에 따른 밀도의 균일한 분포를 제공하는 것은 불가능하다. 형성하기 곤란한 분말의 성형시, 길이가 긴 물품의 층상 구조(stratification)를 유발하며, 불균일한 수축 및 더 많은 소결시 허용할 수 없을 정도로 형상이 변화된다.
현재 분말 기술에 있어 재료의 순도에 대한 제한, 비용 절감 및 보다 단순한 제조 공정을 이유로 중요한 부분의 제조 시에는 윤활유의 사용이 금지된다. 더욱이, 공정 윤활유(press lubricant)에 의한 벽 마찰 파라미터의 감소는 균일한 밀도 요건을 만족시키지 못하게 할 것이다. 피동 성형 표면의 역방향 이동 부분의 면적과 관련한 차이에 의해, 이러한 관계에 비례하여 벽 마찰 인자를 감소시키는 윤활유 조성을 선택할 필요가 있다.
매트릭스 및 2개의 펀치의 3가지 성형 부재를 포함하는, 밀봉 체적에서 분말 물품을 일축 성형하는 금형이 알려져 있다. 상기 펀치들은 이들의 능동 성형 표면 에 의해 형성되는 물품의 말단 면을 성형한 후 압착력을 직접 수용하는 반면에, 매트릭스는 압착 축에 평행한 물품의 측면을 한정하고 그 능동 성형 표면에 의해 성형된 분말로부터 측방향 압력을 수용한다(예를 들면, Fedorchenko I.M., Frantzevich I.N., Radomyslensky I.D. et al., Powder Metallurgy. Materials, Processing, Properties, Fields of Application, Kiev, Naukova dumka, 1985 참조).
압착력을 수용하는 상기 금형의 성형 부재의 단면은 분말 물품의 유압 면적(hydraulic area)에 따라 다르다. 이는 보다 엄격한 금형 재료 품질을 요구하며, 금형의 수명을 감소시키며, 특히 압착 축 방향으로 작은 단면을 갖는 물품에 대한 성형 압력의 허용 범위를 실질적으로 한정한다.
직접 도달하기 어렵고 엄격한 요건을 만족시켜야 하는 금형 부재 상에 밀폐된 피동 성형 표면의 존재는 금형의 운전 시 제조 공정 및 관리를 보다 어렵게 한다.
기포를 포집하는 경향이 있는 소성 분말 또는 고함량의 액체 또는 공정 윤활유를 가진 분말로부터 길이가 긴 물품을 종래의 금형에서 제작할 때, 성형 공정에서 매트릭스 캐버티의 밀폐된 체적으로부터 이들 물품을 제거할 때 문제가 생긴다.
본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치에 가장 밀접하게 관련이 있는 것은 능동 및 피동 성형 표면에 의해 한정되는 성형 캐버티를 형성하는 1쌍의 일체형 또는 복합형 성형 부재를 포함하는, 슬리브-형상의 분말 물품을 성형하기 위한 금형으로서, 이때 성형 부재는 능동 성형 표면을 통해 성형 부재로부터 분말 재료로 전달되는 성형 압력과 함께 압착 축을 따라 상호 이동하도록 배열되는 반면, 상기 피동 성형 표면은 상기 압착 축에 평행한 분말 물품의 표면을 형성하는 역할을 한다 (예를 들면, Fedorchenko I.M., Frantzevich I.N., Radomyslensky I.D. et al., Powder Metallurgy. Materials, Processing, Properties, Fields of Application, Kiev, Naukova dumka, 1985 참조).
하나의 성형 부재에 하나의 펀치 및 삽입봉, 및 다른 성형 부재에 다른 펀치 및 매트릭스의 단일체 조합(monolith combination)의 경우, 금형은 성형 압력의 허용 범위를 다소 확장시킨다.
그러나, 매트릭스 및 펀치 중 하나의 견고한 연결은 성형된 물품의 제거를 실질적으로 못하게 하거나 심지어 방해한다. 더욱이, 상기 장치는 삽입봉과의 조합에 의해 압착력을 수용하는 펀치 단면을 증가시키는 구조적 제한성을 나타낸다. 따라서, 성형 압력 범위의 확장에 있어 실제적인 증가는 무의미하다.
본 발명에 따른 성형 방법의 분석 이론 및 상기
방법에 의해 제조되는 분말 물품의 높이에 따른 밀도 미분에 대한 식의 유도
도면을 참조하여, 도 1a, b, c는 실린더 물품으로 분말 재료를 일축 단동 성형하기 위한 금형을 나타내고 있다. 도 2a, b, c는 각각 분말 물품을 성형하는 개략도이다. 실선은 성형 과정에서 공동 성형 표면 부분의 이동 메이팅(mobile mating)의 위치를 나타낸다.
도 1a는 분말 재료를 실린더 물품으로 성형하는 종래 기술의 일축 단동 방법을 수행하기 위한 종래의 금형을 나타내고 있으며, 도 1b, c는 본 발명에 따른 금 형을 나타낸다. 상기 금형은 능동 성형 표면(2)을 가진 제1 성형 부재(1), 및 피동 성형 표면(4)을 가지는 제2 성형 부재(3)를 포함하며, 이들 성형 부재들은 성형 캐버티(5)를 한정한다. 도 2a는 분말 재료를 실린더 몸체로 성형하는 개략도이다.
성형 부재(1)의 능동 성형 표면(2) 및 피동 성형 표면(4)의 이동 메이팅의 선(6)에 인접한 분체 단편(도 1a), 즉 원주 A', B', C' 및 D'(도 2a) 주변에서, 피동 성형 표면, 벽 마찰력 및 성형비(compaction ratio)에 대한 분말 운동 값은 최대이다. 고정된 메이팅의 위치, 즉 원주 A, B, c 및 D 주변에서, 운동 및 벽 마찰력은 각각 0에 가깝고, 분말 성형비는 최소가 된다(예를 들면, Shtern M.B. et al. Phenomenological Theories of Compacting Powders, Kiev, Naukova dumka, 1982, page 140 참조).
이동 및 고정된 능동 성형 표면 사이의 거리의 1/2, 즉 원주 a, b, c, d 주변에서 상기 값들은 평균이다. 단면 a, b, c, d 에서 평균 밀도 값은 성형된 물품의 전체 체적의 평균 밀도이다. 높이에 따른 성형된 몸체에서의 밀도 분포는 물품 높이 대 직경 관계의 함수이고, 성형비가 100%일 때에만 균일할 수 있다.
밀폐된 금형에서 분말 재료의 성형 이론(예를 들면 Popilsky P.Y. et al. Compacting Powder Ceramic Masses, Moscow, Metallurgy, 1983 참조)으로부터, 벽 마찰에 의해 축 EeE'을 따라 중앙부에서 성형된 물품의 높이에 따른 밀도 미분 Δp가 항상 벽에 가까운 부분보다 작은 반면, 모든 수직에 따른 평균 밀도 값 <ρ>은 모든 성형 순간에 동일할 것이라는 것이 알려져 있다:
Figure 112003008100938-pat00043
(3)
Figure 112003008100938-pat00044
(4)
도 1a는 분말 재료를 물품으로 성형하기 위한 공지된 금형을 나타내고 있다. 지점 A 및 C의 영역에서 선의 좌측으로 피동 성형 표면 A'A 및 C'C의 역방향 이동 부분의 이동 메이팅 선에 인접한 분체 영역에서 본 발명에 따른 방법에 의해 원통형 분말 물품을 성형하는 개략적인 도면에서(도 2b), 피동 성형 표면에 대한 분말의 수직 이동 및 벽 마찰력은 0에 가까운 반면, 이들 지점의 우측으로는 상기 값들은 최대가 된다.
지점 A' 및 C'의 주변에서, 그 양상이 반대가 된다: 상기 지점의 좌측으로는 상기 값들이 최대인 반면, 우측으로는 최소가 된다. 따라서, A'A 및 C'C 선에 인접하여 성형되는 분말 물품의 임의의 지점에서, 이동값, 벽 마찰력, 성형비는 접합선의 서로 다른 측면 상에서의 각각의 값들 간의 평균값과 동일할 것이다.
결과적으로, 피동 성형 표면 A'A 및 C'CX 부분들의 접합선에 따른 영역에서 분말 성형비는 동일할 것이다. 피동 성형 표면 A'A 및 C'C 부분들의 중앙 압착 축에 대칭인 접합선을 통과하는 분말 물품 단면의 임의의 지점에서(해치 영역 A'ACC') 관계식(3) 및 (4)에 따라, 성형비 및 따라서 물품 밀도는 전체 물품 체적을 통한 평균값과 동일할 것이다.
피동 성형 표면 부분들의 접합 영역으로부터 등거리인 단면 - BB'D'D 면(도 2b)에서, 밀도 분포는 그 축에 따른 밀도가 동일한 성형된 물품의 대칭 축 E'E 영역에서 파라미터의 반전(inversion)을 갖는 고전적 표현식에 따라야 한다.
따라서, B' 및 D 지점에서 분말이 광범위하게 성형되는 반면, B 및 D' 지점에서는 성형비가 최소가 될 것이다.
기본 층(도 3)에서 작용하는 힘과 본 발명에 따른 방법에 의해 성형되는 분말 물품의 높이 dh의 관계를 고려하면, 상기 기본층의 반대측 표면은 압착 축을 따라 분리되는 연속적인 금형의 피동 성형 표면의 역방향 이동 부분에 의해 형성된다. 성형된 물품의 유압 면적값 S 0 및 전체 유압 둘레 G(역방향 이동 부분들의 둘레 G' 및 G" 의 합과 동일함), 벽 마찰 인자 f' 및 f" 및 측방향 압력 ξ은 높이에 따라 일정하고; 힘 1쌍의 F' fr 및 F" fr 의 모멘트(moment)는 무시될 수 있으며; 압착 축에 수직인 방향에서 분말 질량 전달에 의해 유발되는 압력 변화는 없다.
두께 dh를 갖는 층의 상부 베이스(base)에 작용하는 힘은 다음과 같다:
Figure 112003008100938-pat00045
(5)
상기 층의 하부 베이스에 작용하는 힘의 반응은 다음과 같다:
Figure 112003008100938-pat00046
(6)
상기 식에서, dP는 높이 dh에 따른 성형 압력의 손실이다.
상부 능동 성형 표면과 함께 이동하는 피동 성형 표면의 부분에서 발생되는 벽 마찰력은 하기 식에 의해 결정된다:
Figure 112003008100938-pat00047
(7)
상기 식에서: F lat 는 측방향 응력이고;
S'는 피동 성형 표면의 각 부분의 면적이며;
G'는 면적 S'를 갖는 피동 성형 표면 부분에 대한 전체 유압 둘레의 일부분이고;
f'는 면적 S'에 작용하는 벽 마찰 인자이다.
하부 능동 성형 표면과 함께 이동하는 피동 성형 표면의 부분에서 발생되는 벽 마찰력은 다음과 같다:
Figure 112003008100938-pat00048
(8)
힘의 정적 균형 상태(state of static balance)에서
Figure 112003008100938-pat00049
Figure 112003008100938-pat00050
(9)
적분하여 다음을 얻는다.
Figure 112003008100938-pat00051
(10)
물품 높이에 따른 밀도 미분 값은 다음과 같다:
Figure 112003008100938-pat00052
(11)
피동 성형 표면의 반대 방향 부분의 면적으로 둘레를 변경하여 다음을 얻는다:
Figure 112003008100938-pat00053
(12)
물품 높이에 따른 밀도 분포의 방정식의 유도 시 취해진 가정의 유효성은 다음과 결정된다.
밀폐된 금형에서 성형함으로써 제조되는 대다수의 물품들은 압착 축에 따른 측방향 크기에 있어 변화되지 않고 규칙적인 기하학적 형상을 갖는다. 다양한 높이를 갖는 물품의 성형시, 상기 요건을 최대한 만족하는 성형 방향을 선택할 필요가 있다.
밀폐된 견고한 금형에서 분말 재료로부터 물품을 성형하기 위한 방법을 수행할 때, 벽 마찰 및 측방향 압력 인자는 물품 높이에 따라 다양하다(예를 들면, Popilsky P.Y., Pivinsky Y.E. Compacting Powder Ceramic Masses, Moscow, Metallurgy, 1983 참조). 그러나, 다양한 실험 데이터로부터 이들 값들의 곱이 동일한 조건하에서 임의의 성형 압력에서 성형되는 동일한 재료에 대해 일정함을 알 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 방법에서, 압착 축에 따른 이들 값들의 변화는 반대 방향으로 변하기 때문에 상쇄된다. 분말 재료를 성형하는 동안 1쌍의 반대 방향 벽 마찰력의 모멘트는 성형된 물품의 체적에 있어 동일한 밀도의 층들을 굴곡시킨다. 그러나, 반대 방향으로 이동하는 피동 성형 표면 부분에 인접한 영역에서 굴곡값이 층에 있어 상이한 굴곡 방향과 함께 동일할 것이기 때문에, 본 발명에 따른 방법에서 전체 성형 공정 중에 압착 축에 따라 단면 평균 밀도 값의 균일한 분포가 유지된다. 또한, 1쌍의 반대 방향 힘의 모멘트의 존재는 우세한 전단 구성 요소(shear component)에 의해 분말 재료의 소성 변형비가 증가되고, 이는 구조적 및 기능성 물품의 제작 시 미립자(fine-grain, 나노 결정) 구조의 형성을 촉진하며, 목적으로 하는 세트를 제조할 수 있게 한다.
피동 성형 표면의 역방향 이동 부분들의 접합선에 인접한 단편에서, 분말은 상기 접합선의 양측 상에 밀도 구배(density gradient)가 존재하기 때문에 압착 축에 수직인 방향으로 전달될 것이다. 성형된 물품의 체적에서 분말 질량 전달은 분체 밀도 분포의 특성 변화를 일으킬 것이다. 그러나, 성형된 물품에 대해 상이한 방향으로 이동하는 피동 성형 표면 부분이 상당수이기 때문에(도 1b, 2c), 밀도가 증가되고 감소된 영역들이 나란히 위치하고, 평균 밀도를 갖는 수직 단면 영역(해치 영역)을 통해 하나의 영역에서 다른 영역으로 변화할 것이다.
상이한 성형 특성을 갖는 영역들이 근접해 있을수록(이들이 더욱 빈번하게 교차할수록), 영역간의 질량 전달이 보다 용이하게 일어나며, 분말 재료 변형의 전단 구성 요소가 보다 넓어진다. 또한, 전체 성형 공정 중에, 성형된 물품의 재분포가 일어날 것이고, 이는 분말이 벌크 밀도(bulk density) 상태에 있고, 재분포가 강한 결합에 의해 제한되지 않는 경우 최소 하중 적용의 순간으로부터 성형된 물품에 있어서 분포의 유효 특성이 확연할 것이고, 입자 간 마찰력이 최소가 되기 때문에 전체 체적의 밀도를 균일하게 한다.
본 발명의 방법에 따라 성형 방향에 수직인 분체의 임의의 단면에서 감소되고 증가된 밀도 영역은 전체 물품 체적을 통해 평균 밀도를 갖는 영역과 교차하기 때문에, 상기 단면에서의 평균 밀도는 물품의 모든 높이에서 동일하다. 압착 축을 따라 분리되는 공동의 피동 성형 표면 부분의 접합선을 따라서 반대 방향을 가지지만 동일한 전체 값을 갖는 벽 마찰력의 외관은 전체 물품 체적의 밀도를 동일화시킨다.
본 발명의 방법에서, 분말 물품에서 밀도 분포는 반대 방향의 벽 마찰력에 의해 전체 체적을 통해 동일화된다.
본 발명의 목적은 분말 재료 밀도가 전체 물품 체적을 통해 보다 균일하게 분포되고, 액체 및/또는 공정 윤활유 및 포집된 기포를 성형된 물품의 체적으로부터 쉽게 제거할 수 있으며, 성형 압력의 허용 범위를 확장할 수 있고, 모든 복잡계의 분말 물품들을 광범위한 분류 및 품질 개선이 가능하며, 물품을 성형 부재로부 터 제거할 때 성형 부재의 밀폐 캐버티의 표면에 대한 벽 마찰력의 파괴적인 충격을 제거할 수 있고, 금형의 제조, 운전 및 사용 비용을 절감할 수 있으며, 금형 재료의 강도 및 탄성에 대한 엄격한 요건을 완화할 수 있는, 분말 재료를 물품으로 성형하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전체 물품 체적을 통해 분말 밀도의 보다 균일한 분포를 제공하는 설계로 구성되고, 액체 및/또는 공정 윤활유 및 포집된 기포를 성형된 물품의 체적으로부터 쉽게 제거할 수 있으며, 성형 압력의 허용 범위를 확장할 수 있고, 모든 복잡계의 분말 물품들을 광범위한 분류 및 품질 개선이 가능하며, 물품을 성형 부재로부터 제거할 때 성형 부재의 밀폐 캐버티의 표면에 대한 벽 마찰력의 파괴적인 충격을 제거할 수 있고, 금형의 제조, 운전 및 사용 비용을 절감할 수 있으며, 금형 재료의 강도 및 탄성에 대한 엄격한 요건을 완화할 수 있는, 분말 재료를 물품으로 성형하기 위한 금형을 제공하는데 있다.
상기 목적들은 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재의 능동 및 피동 성형 표면에 의해 한정되는 금형의 성형 캐버티 안에 분말 재료를 위치시키고; 상기 능동 형성 표면을 통해 금형의 성형 부재로부터 분말 재료로 전달되는 압착력에 의해 압착 축을 따라 금형의 성형 부재를 상호 이동시키며; 일체형 또는 복합형 성형 부재의 피동 성형 표면에 의해 압착 축에 평행하게 분말 물품의 표면을 형성하는 단계를 포함하는, 분말 재료를 물품으로 성형하기 위한 방법에 의해 달성되며, 이때
상기 압착 축에 평행하게 분말 물품의 표면을 형성하는 단계는 압착 축을 따 라 분리되는 일체형 또는 복합형 성형 부재에 위치하는 하나 이상의 피동 성형 표면 부분들을 사용하는 것을 포함하며;
상기 금형의 성형 부재는 압착 축에 평행한 하나 이상의 연속적인 분말 물품의 표면이 압착 축을 따라 분리되는 하나 이상의 피동 성형 표면의 상기 부분들에 의해 형성되도록 이동되며, 상기 부분들은 반대 방향으로 이동하는 상이한 성형 부재에 속한다.
이러한 성형은 바람직하게는 선형 압착 축을 따라 일체형 또는 복합형 성형 부재의 역방향 운동에 의해 달성된다.
이러한 성형은 바람직하게는 만곡된 압착 축을 따라 일체형 또는 복합형 성형 부재의 역방향 운동에 의해 달성된다.
상기 만곡된 압착 축은 바람직하게는 원형 아크(circular arc) 또는 고정(permanent) 또는 가변적인 피치(pitch)를 갖는 나선형 커브의 일부이다.
분말 재료를 물품으로 성형할 때, 바람직하게는 기계적 진동이 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재에 적용되며, 이때 상기 기계적 진동은 초음파 주파수 범위를 갖는다.
상기 기계적 진동은 바람직하게는 보다 많은 부분의 피동 성형 표면을 포함하는 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재에 적용된다.
내부 캐버티 또는 확장된 표면을 갖는 물품을 성형하기 위해서, 금형의 반대 방향의 성형 부재에 속하는 피동 성형 표면의 면적 간 최소 차이를 갖는 성형 부재를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 목적은 능동 및 피동 성형 표면에 의해 한정되는 성형 캐버티를 형성하기 위한 1 쌍의 일체형 또는 복합형 성형 부재를 포함하며, 상기 성형 부재는 성형 부재로부터 능동 성형 표면을 통해 분말 재료로 전달되는 압착력에 의해 압착 축을 따라 상호 이동하도록 배열되는 반면, 상기 피동 성형 표면은 압착 축에 평행하게 분말 물품의 표면을 형성하는 역할을 하는 분말 재료를 물품으로 성형하는 금형에 의해 달성되며, 본 발명에 의하면
압착 축을 따라 분리되는 상기 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재는 압착 축을 따라 분리되는 하나 이상의 연속적인 피동 성형 표면 부분을 포함하며;
압착 축을 따라 분리되고 압착 축에 평행하게 분말 물품의 표면을 형성하기 위해 의도된 하나 이상의 상기 연속적인 피동 성형 표면의 하나 이상의 부분, 및 압착력을 전달하기 위해 의도된 하나 이상의 상기 능동 성형 표면 부분이 성형 부재 각각에 위치한다.
금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재 각각은 복수 개의 분말 물품을 성형하기 위한 복수 개의 캐버티를 한정하기 위해 피동 성형 표면 부분들과 능동 성형 표면의 부분들을 포함하는 것이 유리하다.
상기 복수 개의 분말 물품은 바람직하게는 동일하거나 상이한 형상을 갖는다.
하나 이상의 일체형 또는 복합형 성형 부재의 말단 면은 금형의 하나 이상의 성형 캐버티로 분말 재료를 충전시키기 위한 하나 이상의 홈(groove)을 갖는 것이 바람직하다.
상기 성형 부재는 바람직하게는 압착 축을 따라 반대 방향으로 상호 이동할 수 있다.
상기 압착 축은 바람직하게는 선형 압착 축, 만곡된 압착 축 및 원형 아크 및 고정 또는 가변적인 피치를 가진 나선형 커브의 일부로 이루어진 군으로부터 선택된다.
유리하게도, 상기 금형은 일체형 또는 복합형 성형 부재의 비축(off-axis) 이동을 방지하기 위한 수단을 더 포함하며, 상기 수단은 보호판(shroud), 고정구(fixture), 성형 부재의 상호 운동의 캐버티 축의 피봇(pivot), 일체형 또는 복합형 성형 부재 상호간의 스플라인 인게이지먼트(spline engagement), 일체형 또는 복합형 성형 부재의 베이어닛 인게이지먼트(bayonet engagement), 탄성 외피로 이루어진 군으로부터 선택되는 구조 요소일 수 있다.
일체형 또는 복합형 성형 부재의 비축 이동을 억제하기 위한 상기 수단은 하나 이상의 일체형 또는 복합형 성형 부재인 것이 유리하다.
상기 일체형 또는 복합형 성형 부재는 분말 재료가 성형될 때 강제 방출되는 기체 또는 액체를 회수하기 위한 추가적인 캐버티를 형성하기 위한 하나 이상의 홈을 갖는 것이 유리하다.
상기 추가적인 캐버티는 바람직하게는 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재의 상호 이동시 그 체적을 증가시킬 수 있다.
금형의 성형 부재의 다수의 복합형 부분은 분말 재료로 성형되는 물품 상의 다수의 함몰부/돌출부에 상응하는 것이 바람직하다.
내부 캐버티 또는 확장된 표면을 갖는 물품을 성형할 때, 금형의 성형 부재는 바람직하게는 금형의 반대 방향의 성형 부재에 속하는 피동 성형 표면의 면적 간 최소 차이를 갖는다.
본 발명에 따라 분말 재료를 물품으로 성형하는 방법은 공동의 피동 성형 표면을 형성하는 성형 표면 부분들이 성형되는 물품에 대한 성형 공정 중에 반대 방향으로 이동한다는 사실에 의거하여 종래 방법의 문제점들을 해결한다. 상기 표면을 따라 나타나는 반대 방향의 벽 마찰력이 제거된다. 본 발명의 방법은 금형으로부터 물품의 자연스런 제거를 위해 필요한 금형의 성형 부재의 최소 수량을 사용한다. 이 경우, 성형 표면에 대한 어떠한 파괴적인 마찰 효과가 발생하지 않는다. 금형의 성형 부재는 밀폐되어 도달하기 곤란한 성형 표면을 전혀 갖지 않는다. 성형 방향에 수직이고, 기계적 힘이 인가된 금형의 성형 부재의 최소 단면의 치수는 상기 성형 부재의 유압 영역과 무관하게 선택될 수 있다.
이러한 결과 얻어지는 물품에서, 성형 높이 h에 따른 밀도 미분 값 Δρ은 하기 식에 의해 결정된다:
Figure 112003008100938-pat00054
(13)
상기 식에서, b는 성형 인자(성형되는 분말의 성형비를 한정하는 상수값)이고;
ξ는 측방향 압력 인자이며;
S'는 금형의 하나의 성형 부재에 속하는 피동 성형 표면 부분이고;
f'는 금형의 하나의 성형 부재에 속하는 면적 S'을 갖는 피동 성형 표면 부분에 대한 성형된 분말의 마찰 인자이며;
S"는 금형의 다른 성형 부재에 속하는 성형 표면 부분이고;
f"는 금형의 다른 성형 부재에 속하는 영역 S"를 갖는 피동 성형 표면의 부분에 대한 성형된 분말의 마찰 인자이며;
S 0 는 성형 유압 영역(압착 축에 수직인 표면에 대한 능동 성형 표면의 돌출부)이다.
상기 식 (13)으로부터, 측방향 압력 인자 및 물품의 기하학적 파라미터 이외에, 높이에 따라 압착 축에 수직인 단면에서 평균 밀도 분포는 압착 축에 평행한 공동의 밀폐된 표면을 형성하는, 압착 축을 따라 분리되는 피동 성형 표면의 반대 방향의 부분에 대해 작용하는 마찰력의 값의 관계에 따라 다르다. 만일 공동의 밀폐된 피동 성형 표면의 반대 방향으로 이동하는 부분의 면적이 동일한 경우(S' = S")와 부분에 대한 벽 마찰의 조건이 동일한 경우(f' = f"), 성형 높이에 따른 밀도 미분은 없다. 본 발명의 방법에 의해 제조되는 물품의 균일한 밀도를 얻기 위한 전체 조건은 다음과 같다:
Figure 112003008100938-pat00055
(14)
하나의 돌출부에서 원형 또는 그 단편으로 물품을 형성하는 방법은 직선 이외 의 압착 축을 따라 최소 밀도 미분을 갖는 불규칙한 배향을 갖는 흠결이 없는 물품을 형성할 수 있게 한다.
피동 성형 표면의 반대 방향의 부분의 동일한 면적의 조건이 만족될 수 없는 경우, 즉 조건(S'/S")이 1 이외일 때, 기본적인 기술적 결과의 최대값을 얻기 위해서는 공정 조치 또는 외부 효과에 의해 면적과 벽 마찰 인자의 각각의 곱이 동일하도록 관계(f'/f")의 값을 비례적으로 변경할 필요가 있다. 그 축이 압착 축과 일치하는 통공을 가진 물품을 형성할 때, 홀을 형성하는 삽입 부재의 운동 방향은 피동 성형 표면의 역방향 이동 부분의 면적 크기간의 최소 차이 조건을 만족하도록 선택되어야 한다.
보다 많은 부분의 피동 성형 표면에 대해 작용하는 벽 마찰 인자를 감소시키고 보다 작은 부분의 표면에 대해 작용하는 벽 마찰 인자를 증가시킴으로써 기술적 결과를 달성할 수 있다. 증가된 성형 압력 손실을 초래하는 벽 마찰 인자의 증가는 경제적으로 합리적이지 않다. 따라서, 물품의 균일한 밀도 조건은 보다 많은 부분의 피동 성형 표면에 대해 작용하는 벽 마찰 인자를 감소시킴으로써 제공되어야 한다.
관계식 (13)을 토대로 하여, 벽 마찰 파라미터가 선택적으로 변경되어야 한다. 이는 보다 많은 부분의 표면에 대해 작용하는 벽 마찰 인자를 감소시킬 때 보다 작은 부분에 대해 작용하는 벽 마찰 인자의 개별적인 감소를 회피하여야 함을 의미한다.
분말 재료를 성형하는 공정에서 벽 마찰 파라미터의 능동적이고 운전 상의 제 어는 기계적 진동을 적용함으로써 수행될 수 있다. 이 경우, 벽 마찰력은 금형의 진동벽에서 일정하게 작용하지 않고, 마찰 표면이 접촉할 때에만 작용한다. 진동이 보다 많은 부분의 피동 성형 표면을 차지하는 금형 구성 요소에 적용될 때에 벽 마찰 파라미터에 대해 선택적으로 작용할 수 있다. 성형 과정에서 금형의 역방향 이동 부재가 분체를 통해서만 음향적으로(acoustically) 상호 연결되기 때문에, 보다 작은 부분의 피동 성형 표면에 대해 작용하는 마찰 인자의 바람직하지 않은 감소는 보다 적어질 것이다. 진동 주파수가 보다 클수록, 분체 내에서 진동의 감쇠(attenuation)가 보다 높아진다. 이러한 목적을 위해 저-주파수 진동을 사용하면, 효율이 작을 수 있다. 따라서, 분말 재료를 성형하는 공정에서 벽 마찰력의 선택적인 감소를 제공하기 위해, 초음파 주파수 범위의 진동을 적용하는 것이 유리하다.
각 성형 부재 상에 금형의 능동 성형 표면과 피동 성형 표면 부분의 존재로 인해, 반대 방향의 벽 마찰력을 형성하는 조건과 분말 물품의 모든 층에 전달되는 상수값의 성형 압력의 출현이 제공되고, 동이한 성형비가 제공된다.
본 발명에 따른 금형의 성형 부재는 성형된 물품의 유압 단면의 치수를 실질적으로 초과하는 압착력을 수용하는 단면을 가지며, 이는 성형 압력이 금형 부재의 재료에 대한 최대 허용 가능한 기계적 응력 값의 한계를 넘어 상당히 증가되도록 한다. 이는 성형 압력의 범위를 연장시키며, 분말 재료를 성형하기 위한 금형의 재료 품질에 대한 요건을 완화시킨다.
이하, 본 발명은 첨부 도면과 함께 실시형태에 대한 상세한 설명으로부터 보 다 명백해질 것이다.
본 발명에 따라 분말 재료를 물품으로 성형하기 위한 금형의 일 실시형태(도 4)는 각각 능동 및 피동 성형 표면(2, 4)을 갖는 1쌍의 일체형(one-piece) 성형 부재(1, 3)를 포함한다. 상기 성형 표면(2, 4)은 성형 캐버티(5)를 한정한다. 상기 성형 부재(1, 2)는 압착 축 y-y를 따라 상호 이동하도록 배열된다. 압착력은 성형 부재(1, 3)로부터 능동 성형 표면(2)을 통해 분말 재료로 전달되는 반면, 피동 성형 표면(4)은 압착 축에 평행하게 분말 물품의 표면을 형성하는 역할을 한다.
금형 부재의 단면은 해치(hatch)에 의해 표시되어 있다. 예시를 위해, 성형 부재의 몇몇 구성 요소들이 생략되어 있거나, 분말을 충전시키기 위한 위치에 대해서는 압착 축을 따라 상쇄되거나, 또는 투명한 재료로 제조되는 것처럼 얇은 선으로 표시되어 있다.
본 발명에 따르면, 압착 축 y-y를 따라 분리되어 있는 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재(1, 3)는 압착 축을 따라 분리되어 있는 하나 이상의 연속적인 피동 성형 표면(4)의 부분을 포함한다.
이 경우, 각각의 성형 부재(1, 3)에는, 압착 축을 따라 분리되고 압착 축에 평행하게 분말 물품의 표면을 형성하기 위해 의도된 하나 이상의 연속적인 피동 성형 표면(4), 및 압착력을 전달하기 위해 의도된 하나 이상의 능동 성형 표면(2)의 부분이 위치되어 있다.
분말의 충전을 용이하게 하고, 포집된 기포 또는 액체를 메이팅 갭(mating gap)을 통해 제거하며, 금형 제작을 위해 조립 및 관리가 보다 용이하게 하기 위 해, 성형 부재(1, 3)는 복합체로 제조되고(도 5), 복수 개의 각 구성 요소(7, 8)를 포함한다.
금형의 일 실시형태에 있어서(도 6), 각각의 일체형 또는 복합형 성형 부재(1, 3)는 복수 개의 분말 물품을 성형하기 위한 복수 개의 캐버티(9)를 한정하는 피동 성형 표면(2)의 부분들과 능동 성형 표면(4)의 부분들을 포함한다.
복수 개의 분말 물품은 동일하거나 또는 상이한 형상(도시하지 않음)을 가질 수 있다.
하나 이상의 일체형 또는 복합형 성형 부재(1, 3)의 말단 면(10)(도 4)은 금형의 성형 캐버티(5)에서 분말 재료를 충전하기 위한 하나 이상의 홈(11)을 포함한다.
성형 부재(1, 3)는 압착 축 y-y를 따라 서로 반대 방향으로 이동할 수 있다. 이러한 운동은 화살표로 표시되어 있다.
상기 압착 축 y-y는 바람직하게는 선형 압착 축(도 4, 5, 6), 만곡된 압착 축(도시하지 않음), 원형 아크(도 7, 8) 및 고정(permanent) 또는 가변적인 피치(pitch)를 가진 나선형 커브(도 9)의 일부로 이루어진 군으로부터 선택된다.
상기 금형은 일체형 또는 복합형 성형 부재(1, 3)의 비축(off-axis) 이동을 방지하기 위한 수단(12)(도 4)을 더 포함한다.
일체형 또는 복합형 성형 부재(1, 3)의 비축(off-axis) 이동을 방지하기 위한 수단(12)은 보호판(shroud, 도 10), 고정구(fixture, 도 4, 5), 성형 부재의 상호 운동의 공동 축의 피봇(pivot, 도 7, 8), 일체형 또는 복합형 성형 부재 상호간 의 스플라인 인게이지먼트(spline engagement, 도 6, 9), 일체형 또는 복합형 성형 부재의 베이어닛 인게이지먼트(bayonet engagement, 도 6), 탄성 외피(도 15)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 구조 요소일 수 있다.
일체형 또는 복합형 성형 부재의 비축 이동을 억제하기 위한 상기 수단(12)은 하나 이상의 일체형 또는 복합형 성형 부재(1, 3)일 수 있다(도 7).
그 축이 압착 축 y-y와 일치하는 통공(13)(도 11)을 가진 물품을 성형하기 위해, 삽입 부재(14)가 사용된다. 상기 통공을 형성하는 상기 삽입 부재(14)의 운동 방향은 피동 성형 표면의 역방향 이동 부분의 면적 크기간의 최소 차이의 조건을 만족하도록 선택된다.
원통형 피니언, 커터(cutter) 또는 임펠러(impeller)와 같은 물품을 성형할 때(도 11), 금형의 성형 부재(1, 3)의 구성 요소(7, 8)(도 5)의 수는 분말 재료로 성형되는 물품의 함몰부/돌출부의 수에 상응한다. 성형된 물품의 전체 체적을 통한 균일한 밀도를 제공하기 위해, 분말 재료의 전단 소성 변형비(shear plastic deformation ratio)는 금형 성형 부재의 구성 요소의 수를 증가시킴으로써 더욱 증가된다(도 5).
또한, 본 발명의 방법은 성형 부재(1, 3)에 배치된 추가적인 삽입 부재(15, 하나의 삽입 부재만 도시됨)를 사용하여 2축 성형 경로(도 13)로 수행될 수도 있다. 이러한 성형은 예를 들면 성형 부재(1, 3)의 역방향 이동에 의해 하나의 축을 따라 압착하거나, 2개의 평행하지 않은 방향으로 분말 재료를 동시에 성형함으로써 별도로 수행될 수 있다.
물품을 오목부 회전체 단편의 형상으로 형성하기 위해(도 14), 비축 이동에 대해 부재(3)를 동시에 갖는 복합형 성형 부재(1)에서 성형 부재(3)를 회전시킴으로써 원형 아크를 따라 성형이 수행된다.
도 15는 기체/유체에서 분말 재료 물품을 성형하기 위한 탄성 외피(16) 및 압착에 의해 분말 재료로부터 강제 방출되는 기포를 포집하기 위한 추가적인 캐버티(17)를 갖는 금형을 도시하고 있다.
외부 압착력에 의한 성형 부재(1, 3)의 보유는 분말로 충전되고 탄성 외피(16)에 의해 보호되는 성형 부재(1, 3)를 위치시킴으로써 수행될 수 있다. 외피 내 밀봉된 분말 재료를 가진 성형 부재의 전체 체적의 감소는 이들 성형 부재가 축상 역방향 운동을 수행할 때에만 가능하기 때문에, 가스/유체 환경에서 성형은 균일하거나 또는 맥동적인 압력 증가 상태에서 일어난다. 탄성적 후작용력(aftereffect force) 하에서 압력이 방출되기 때문에, 물품은 모든 면에서 동시에 느슨해질 것이다.
분말 재료를 성형함으로써 강제 방출된 기포를 포집하기 위해, 상술한 바와 같이 성형 부재는 추가적인 캐버티(17)를 가질 수 있다(도 15). 기포를 적극적으로 포집하기 위해, 성형 공정 시 추가되는 캐버티의 체적을 증가시킬 수 있다.
분말 재료를 물품으로 성형하기 위한 방법은 다음과 같이 수행된다.
분말 재료(18)(도 4)는 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재(1, 3) 각각의 능동 및 피동 성형 표면(2, 4)에 의해 한정되는 금형의 성형 캐버티(5)에 위치된다.
금형의 성형 부재(1, 3)는 금형의 성형 부재(1, 3)로부터 능동 성형 표면(2)을 통해 분말 재료(18)로 전달되는 압착력을 가지고 압착 축 y-y를 따라 상호 이동된다.
압착 축에 평행한 분말 재료 물품의 표면은 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재(1, 3)의 피동 성형 표면(2)에 의해 형성된다.
압착 축에 평행한 분말 물품의 표면을 형성하기 위한 본 발명에 따른 방법에 있어서, 압착 축을 따라 분리되는 일체형 또는 복합형 성형 부재(1, 3) 상에 위치하는 하나 이상의 피동 성형 표면의 부분들이 사용된다.
금형의 성형 부재는 압착 축에 평행한 분말 물품의 하나 이상의 연속적인 표면이 상이한 성형 부재에 속하고 압착 축을 따라 분리되는 하나 이상의 피동 성형 표면의 상술한 부분에 의해 형성되도록 이동된다. 상이한 성형 부재는 반대 방향으로 이동된다(화살표로 표시).
선형 압착 축 또는 만곡된 압착 축을 따라 일체형 또는 복합형 성형 부재의 역방향 운동에 의해 성형이 수행된다.
상기 만곡된 압착 축은 바람직하게는 원형 아크 또는 고정 또는 가변적인 피치를 갖는 나선형 곡선의 구성 요소일 수 있다.
분말 재료를 물품으로 성형하는 과정에서, 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재에 바람직하게는 기계적 진동이 인가된다. 이때 상기 기계적 진동은 초음파 주파수 범위를 갖는다.
일부의 경우, 상기 기계적 진동은 보다 많은 부분의 피동 성형 표면을 포함 하는 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재에 인가된다.
길이가 긴 물품을 제조할 때, 높이에 따른 벽 마찰 인자(wall friction factor)의 변화는 피동 성형 표면에 대해 평행한 방향으로 초음파 진동의 사용을 필요로 한다. 상기 방향은 일반적으로 압착 축의 방향과 일치한다. 이 경우, 압착 축을 따라 성형 부재의 진동 진폭의 분포는 벽 마찰 인자 값의 감소에 따라 낮아질 것이다. 피동 성형 표면을 따라 진동 진폭의 변화 방식은 진동 주파수를 변경함으로써 파장이 도파관(waveguide) 및 성형 부재의 공명 길이(resonant length)와 일치하도록 선택될 수 있다.
압착 축을 따라 벽 마찰 인자의 변화가 무시될 수 있는 동축(equiaxial) 및 소형 물품에 대해서는, 피동 성형 표면에 대해 수직인 방향으로 초음파 진동을 사용하는 것이 유리하다. 이 경우, 초음파 부속물들은 압착 축에 수직인 축을 따라 배열되기 때문에 재료의 성형을 방해하지 않는다.
그 축이 압착 축과 일치하는 통공을 가진 물품을 성형할 때, 홀을 형성하는 삽입 부재의 운동 방향은 피동 성형 표면의 역방향 이동 부분의 면적 크기간의 최소 차이 조건을 만족하도록 선택된다.
본 발명의 방법에 따른 성형은 피동 성형 표면의 상이한 부분에 대해 분말 이동이 0인 지점이 서로 상이한 높이에 위치하고, 이동 접합(mobile conjugation)의 수직선을 따라 한정되지 않기 때문에 단동 또는 복동 성형 어느 것으로도 분류되지 않을 수 있다.
성형 공정의 종료는 "압력에 의해" 또한 "정지 시까지" 제어될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 상이한 실시형태에 있어서, 분말은 중량 대비 또한 부피 대비로 투여될 수 있다.
불규칙한 형상 또는 확장된 표면을 가진 물품을 성형하기 위해, 동일한 면적을 갖는 역방향 이동 부분으로 금형의 공동 피동 성형 표면을 구조적으로 분리하는 것이 항상 가능한 것은 아니다. 이 경우, 방정식 (13)에 따라 균일한 밀도를 갖는 물품을 제조하기 위해, 보다 큰 표면에 대해 작용하는 벽 마찰 인자의 값은 조건 (14)을 만족시키기 위해 이들 면적의 관계에 비례하여 감소된다.
벽 마찰 인자는 각 표면에 사용되는 공정 윤활유에 의해 또는 초음파 기계적 진동을 금형 중 하나의 성형 부재에 적용함으로써 감소될 수 있다. 상기 초음파 진동은 하기 특성들을 고려하여 적용되어야 한다.
성형 공정에서, 보다 큰 면적을 갖는 표면에 대해 작용하는 마찰 인자를 감소시킬 필요가 있다. 따라서, 진동은 보다 많은 피동 성형 표면을 차지하는 성형 부재에 적용되어야 한다.
성형 공정에서, 성형 부재가 비선형(non-linear)적인 방식으로 고주파수의 기계적 진동을 흡수하는 분말 재료를 통해서만 상호 음향적으로 연결되기 때문에, 상이한 면적을 갖는 피동 성형 표면의 상이한 부분에 대해 작용하는 벽 마찰 인자 값의 필요한 관계는 초음파 효과의 양을 변화시킴으로써 달성될 수 있다.
실시예
윤활유, 유동화제(fluidizing agent) 및 초음파 진동을 사용하지 않고 본 발 명에 따른 성형 방법을 사용하여, ZrO2-3몰% Y2O3 조성을 갖는 공업용 세라믹(technical ceramic)의 미가공(raw) 플라스마 화학적(plasmachemical) 미세 분산된 분말로 제7복잡계의 물품들을 제조하였다. 이들 물품의 어떠한 것도 흠결이 없었다.
종래의 단동 정적(static) 성형에 의해 제조된 물품의 높이를 따라 정격(rated) 밀도 미분은 약 4%이었다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 물품에서, 정격 밀도 미분은 약 0.5%로서, 이 값은 삽입 부재의 부유(floating) 또는 역방향 이동 경로에 의존하는 식(13)으로부터 계산된 0.7-0.3%의 미분 값과 상호 관련성이 있다. 이러한 0이 아닌 밀도 미분은 피동 성형 표면의 부분의 동일성 조건이 완전하게 만족될 수 없다는 사실에 의해 설명된다.
본 발명에 따른 방법은 금형의 1쌍의 일체형 또는 복합형 성형 부재의 상호 역방향 운동을 통해 인가된 외부 힘에 의해 밀폐된 금형에서 분말을 성형함으로써 흠결이 없는 물품으로 분말 재료를 압착할 수 있으며, 이때 각각의 성형 부재에서 피동 표면의 부분은 금형의 능동 표면의 부분과 연결되어 이들 표면이 성형 과정에서 공동의 밀폐된 성형 표면을 구성하도록 한다.
본 발명에 따른 금형은 공동의 피동 성형 표면의 역방향 이동 부분의 면적과 각 벽 마찰 인자의 동일한 곱이 달성되며, 이는 압착 축을 따라 압착 축에 수직인 단면에서 분체의 균일한 평균 밀도 분포를 제공한다.
피동 성형 표면이 부분적으로 능동 성형 표면으로 작용하는 경우에 본 발명의 방법이 사용될 수도 있다. 이는 피동 성형 표면이 압착 축에 대해 0이 아닌 각으로 배치되는 예를 들면, 원뿔형, 구형, 피라미드 형상의 물품과 같이 높이를 따라 평탄하게 변화하는 단면을 가진 물품을 압착 시에 일어난다.
본 발명의 방법에 따른 성형은 일축 및 다중 축 패턴을 사용하여 수행될 수 있다. 하중 적용의 유형에 의해, 재료의 성형은 정적 및 동적일 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 실제 사용에 있어 압착 장치의 특정 유형에 한정되지 않는다. 본 발명에 따른 방법의 실시형태는 다음과 같은 임의의 압착기 유형을 사용하여 수행될 수 있다: 다목적 및 전용 유압식 압착기, 단일- 및 다중 패스 압착기, 기체/유체.
본 발명에 따른 성형 양식은 복수 개의 규칙적인 형상을 갖는 일체형의 물품을 형성하기 위해 성형 표면을 차지하는 단일 성형 부재에서 상이한 금형의 일체형의 성형 부재를 통합함으로써 몇몇 물품을 성형하기 위해 제조가 간단한 단일 부분을 사용하기 때문에 다중 형(multiform) 금형의 제조 및 운전을 단순화한다.
규칙적인 기하학적 형상을 갖는 물품 이외에, 본 발명에 따른 방법은 복잡계의 물품을 제조할 수 있으며, 만곡된 축(원형 아크, 고정 피치를 가진 나선형 커브)을 따라 재료를 성형할 수 있다.

Claims (23)

  1. 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재들의 능동 및 피동 성형 표면에 의해 한정되는 금형의 성형 캐버티 안에 분말 재료를 위치시키는 단계;
    상기 능동 형성 표면을 통해 금형의 성형 부재로부터 분말 재료로 전달되는 압착력에 의해 압착 축을 따라서 금형의 성형 부재들을 상호 이동시키는 단계; 및
    금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재들의 피동 성형 표면에 의해 압착 축에 평행하게 분말 물품의 표면을 형성하는 단계로 이루어진 분말 재료를 물품으로 압축 성형하는 방법에 있어서,
    상기 압착 축에 평행하게 분말 물품의 표면을 형성하는 단계는 상기 압착 축을 따라 분리되는 일체형 또는 복합형 성형 부재들에 위치하는 적어도 하나의 피동 성형 표면 부분을 사용하는 것을 포함하며;
    상기 금형의 성형 부재들은 압착 축에 평행한 적어도 하나의 연속적인 분말 물품의 표면이 압착 축을 따라서 분리되는 상기 적어도 하나의 피동 성형 표면 부분에 의해 형성되도록 이동되며, 상기 적어도 하나의 피동 성형 표면 부분은 반대 방향으로 이동하는 상이한 성형 부재들에 속하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압축 성형은 선형 압착 축을 따라서 일체형 또는 복합형 성형 부재들의 역방향 운동에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압축 성형은 만곡된 압착 축을 따라서 일체형 또는 복합형 성형 부재의 역방향 운동에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 만곡된 압착 축이 원형 아크인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 만곡된 압착 축이 고정 또는 가변적인 피치를 갖는 나선형 커브의 일부인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 분말 재료를 물품으로 압축 성형 시 기계적 진동이 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재들에 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기계적 진동이 초음파 주파수 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 기계적 진동이 피동 성형 표면을 포함하는 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재들에 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 내부 캐버티 또는 확장된 표면을 갖는 물품의 압축 성형 시, 상기 성형 부재들이 금형의 반대 방향의 성형 부재들에 속하는 피동 성형 표면들 간에 동일한 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 능동 및 피동 성형 표면들에 의해 한정되는 성형 캐버티를 형성하기 위한 1 쌍의 일체형 또는 복합형 성형 부재들을 포함하며, 상기 성형 부재들은 성형 부재들로부터 능동 성형 표면들을 통해 분말 재료로 전달되는 압착력에 의해 압착 축을 따라서 상호 이동하도록 배열되는 반면, 상기 피동 성형 표면들은 압착 축에 평행하게 분말 물품의 표면들을 형성하는 역할을 하도록 구성된 분말 재료를 물품으로 압축 성형하기 위한 금형에 있어서,
    압착 축을 따라서 분리되는 상기 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재들은 압착 축을 따라서 분리되는 하나 이상의 연속적인 피동 성형 표면 부분을 포함하며;
    압착 축을 따라서 분리되고 압착 축에 평행하게 분말 물품의 표면들을 형성하기 위해 의도된 하나 이상의 상기 연속적인 피동 성형 표면의 하나 이상의 부분, 및 압착력을 전달하기 위해 의도된 하나 이상의 상기 능동 성형 표면 부분이 성형 부재들 각각에 위치하는 것을 특징으로 하는 금형.
  11. 제10항에 있어서, 상기 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재들 각각이 복수 개의 분말 물품을 성형하기 위한 복수 개의 캐버티를 한정하기 위해 피동 성형 표면 부분들과 능동 성형 표면의 부분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 금형.
  12. 제11항에 있어서, 상기 복수 개의 분말 물품이 동일한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 금형.
  13. 제11항에 있어서, 상기 복수 개의 분말 물품이 상이한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 금형.
  14. 제11항에 있어서, 상기 하나 이상의 일체형 또는 복합형 성형 부재들의 말단 면이 금형의 하나 이상의 성형 캐버티로 분말 재료를 충전시키기 위한 하나 이상의 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 금형.
  15. 제11항에 있어서, 상기 성형 부재들이 압착 축을 따라서 반대 방향으로 상호 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 금형.
  16. 제15항에 있어서, 상기 압착 축이 선형 압착 축, 만곡된 압착 축 및 원형 아크 및 고정 또는 가변적인 피치를 가진 나선형 커브 요소로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금형.
  17. 제10항에 있어서, 상기 일체형 또는 복합형 성형 부재들의 비축 이동을 방지하기 위한 비축이동방지수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금형.
  18. 제17항에 있어서, 상기 비축이동방지수단은
    보호판, 고정구, 상기 성형 부재들의 이동축에 위치한 피봇, 일체형 또는 복합형 성형 부재들 상호간의 스플라인 인게이지먼트, 일체형 또는 복합형 성형 부재들의 베이어닛 인게이지먼트, 탄성 외피로 이루어진 군으로부터 선택되는 구조 요소인 것을 특징으로 하는 금형.
  19. 제17항에 있어서, 상기 비축이동방지수단은
    상기 일체형 또는 복합형 성형 부재들 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 금형.
  20. 제10항에 있어서, 상기 일체형 또는 복합형 성형 부재들이 분말 재료의 압축 성형시 강제 방출되는 기체 또는 액체를 회수하기 위한 추가적인 캐버티를 형성하기 위한 하나 이상의 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 금형.
  21. 제20항에 있어서, 상기 추가적인 캐버티가 금형의 일체형 또는 복합형 성형 부재들의 상호 이동시 그 체적을 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 금형.
  22. 제10항에 있어서, 상기 금형의 성형 부재들의 다수 구성 요소가 분말 재료로 성형되는 물품 상의 다수 함몰부/돌출부에 상응하는 것을 특징으로 하는 금형.
  23. 제10항에 있어서, 내부 캐버티 또는 확장된 표면을 갖는 물품의 압축 성형 시 상기 금형의 성형 부재들이 금형의 반대 방향의 성형 부재들에 속하는 피동 성형 표면들 간에 동일한 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 금형.
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