KR101416788B1 - 보충적인 가열이 있는 신장 성형 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

신장 성형 장치는 죠오 어셈블리 사이에서 다이 인클로저를 갖는 주 프레임을 포함한다. 다이 인클로저는 다이에 대해 신장 성형되고 있는 작업물에 열을 공급하기 위한 방사 가열기를 포함한다.

Description

보충적인 가열이 있는 신장 성형 장치 및 방법{STRETCH FORMING APPARATUS WITH SUPPLEMENTAL HEATING AND METHOD}

본 특허 출원은 2009년 11월 30일에 출원된 일부 계속 특허 출원 제 12/627,837 호에 대해 우선권을 주장하는 국제 PCT 출원이다.

본 발명은 금속 부품의 성형, 보다 구체적으로는, 신장 성형 공정의 선택된 단계 동안에 보충적인 가열을 하여 티타늄 및 그의 합금을 열간 신장 성형 및 크리 프 성형하는 것에 관한 것이다.

신장 성형은 작업물을 다이 위에서 성형하면서 그 작업물을 그의 항복점까지 예비 신장시켜 금속 부품의 곡면 형상을 형성하는데 사용되는 잘 알려져 있는 공정이다. 이 공정은 대형 알루미늄 및 알루미늄 합금 부품을 만드는데 종종 사용되며, 낮은 공구 비용과 우수한 반복성을 갖는다.

어떤 부품, 특히 항공기용 부품에서는 알루미늄 대신에 티타늄 또는 티타늄 합금이 사용된다. 그 이유는 티타늄이 더 높은 강도 대 중량 비, 더 높은 극한 강도 및 복합 재료와의 더 양호한 야금학적 적합성을 갖기 때문이다.

그러나, 티타늄의 항복점은 극한 인장 강도에 매우 가까우며 최소의 연신율 값을 가지므로, 이러한 티타늄을 주변 온도에서 신장 성형하는데는 어려움이 있다. 그러므로, 일반적으로 티타늄 부품은 큰 빌렛으로부터 범프 성형 및 기계 가공되는데, 이는 비용이 많이 들고 시간 소모적인 공정이다. 티타늄 부품을 전기 절연시키고 그런 다음에 그 부품에 전류를 흘려 저항 가열을 일으켜 신장 성형 중에 티타늄 부품에 열을 가하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 이 공정은 원하는 결과를 얻는데 충분하지 않는 경우가 있다.

따라서, 티타늄과 그 합금을 신장 성형하는 장치와 방법이 필요하다. 근처의 저항 요소를 사용하여 방사열을 부품에 가하면 티타늄 성형 공정이 더욱 향상되는 것으로 나타났다.

따라서, 본 발명의 목적은 고온에서 티타늄을 신장 성형 및/또는 크리프 성형하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고온에서 티타늄을 신장 성형 및/또는 크리프 성형하는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 성형 공정 중에 보충적인 열을 작업물에 가하는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 이들 및 다른 목적은 신장 성형 방법으로 달성되는 바, 본 방법은 미리 선택된 단면 프로파일을 갖는 기다란 금속 작업물을 제공하는 단계 및 상기 단면 프로파일에 상보적이며 열절연재를 포함하는 작업면을 갖는 다이를 제공하는 단계를 포함한다. 작업물은 그에 전류를 흘려 작업 온도까지 저항 가열되며, 작업물이 작업 온도에 있는 상태에서 그 작업물과 다이를 서로에 대해 움직이게 하여 작업물이 작업면에 대해 성형되어, 작업물의 소성 연신 및 굽힘이 일어나 작업물이 미리 선택된 최종 형태로 성형된다. 다이에 대한 작업물의 하나 이상의 미리 정해진 위치에서, 그 작업물의 하나 이상의 미리 정해진 부분에 방사열이 가해져 그 하나 이상의 미리 정해진 부분에서 작업물의 소성 연신이 증가된다.

본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 작업물은 티타늄을 포함하고, 작업물에 방사열을 가하는 상기 단계는 작업물의 작업면 결합측의 반대쪽에 있는 그 작업물의 일측에 열이 가해지는 위치에서 방사열을 가하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 작업물에 방사열을 가하는 상기 단계는 작업물의 작업면 결합 측에 일반적으로 수직인 그 작업물의 일측에 열이 가해지는 위치에서 방사열을 가하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 작업물에 방사열을 가하는 상기 단계는 작업물의 양 반대측에 열이 가해지는 위치에서 방사열을 가하는 단계를 포함하고, 상기 양 반대측 모두는 일반적으로 작업물의 작업면 결합측에 수직이다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 작업물에 전류를 흐르게 하는 상기 단계는 죠오를 통해 작업물에 전류를 흐르게 하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 상기 방법은 작업물의 목표 온도를 결정하는 단계, 그 작업물의 실제 온도를 검지하는 단계, 및 작업물의 실제 온도를 그 작업물의 목표 온도까지 올리는데 충분한 방사열을 작업물에 가하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 상기 방법은 작업물에 있어서 방사 가열되는 부분으로부터의 거리와 그 작업물에 가해지는 방사 에너지와 상호 관련시키는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 상기 방법은 작업 온도에서 상기 작업면에 대해 성형된 작업물을 선택된 체류 시간 동안 유지시켜 그 작업물을 크리프 성형하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 상기 방법은 작업물의 제 1 부분과 다이를 인클로저로 둘러싸는 단계를 더 포함하고, 이 인클로저는 방사열을 공급하기 위한 방사 가열 요소가 장착되는 벽을 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 상기 인클로저는 성형 단계가 그 인클로저 내부에서 일어 나고 있는 중에 작업물의 단부가 그 인클로저에서 돌출되도록 해주는 개구를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 신장 성형 장치가 제공되는 바, 이신장 성형 장치는 기다란 금속 작업물을 수용하여 성형하는데 적합하게 된 프로파일을 갖는 작업면을 가지며, 적어도 이 작업면은 열절연재를 포함하는 다이를 포함한다. 작업물을 작업 온도까지 전기 저항 가열하기 위한 저항 가열기가 제공되며, 운동 요소가 작업물과 결합하여 다이와 작업물을 서로에 대해 움직이게 하여 작업물을 작업면에 대해 연신시키고 굽히게 된다. 작업물의 하나 이상의 미리 정해진 부분에 방사열을 가하여 그 하나 이상의 미리 정해진 부분에서 작업물의 소성 연신을 증가시키기 위한 방사 가열기가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 작업물은 티타늄을 포함하고, 상기 방사 가열기는 작업물의 작업면 결합측의 반대쪽에 있는 그 작업물의 일측에 열이 가해지는 위치에서 방사열을 가하도록 위치되어 있다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 상기 방사 가열기는 작업물의 작업면 결합 측에 일반적으로 수직인 그 작업물의 일측에 방사열을 가하도록 위치되어 있다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 상기 방사 가열기는 작업물의 양 반대측에 방사열을 가하도록 위치되어 있고, 상기 양 반대측 모두는 일반적으로 작업물의 작업면 결합측에 수직이다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 다이를 둘러싸는 인클로저를 포함하고, 이 인클로저는 방사열을 공급하기 위한 방사 가열 요소가 장착되는 내부 벽을 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 상기 인클로저는 다이에 접근할 수 있게 해주는 도어, 바닥 및 루프를 포함하고, 상기 도어, 바닥 및 루프 각각은 작업물에 방사열을 가하기 위해 장착되어 있는 적어도 하나의 각 방사 가열 요소를 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 상기 도어, 바닥 및 루프 각각은 개별적인 가열 영역을 규정하며, 각각의 가열 영역은 소정의 온도 입력 기준에 응하여 다른 가열 영역과는 독립적으로 방사열을 소정의 비율로 공급하도록 되어 있는 적어도 하나의 방사 가열기를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 작업물에 분리가능하게 부착되는 적어도 하나의 열전대가 제공되고, 이 열전대는 작업물의 실제 온도와 목표 온도 사이의 편차를 결정하기 위한 온도 제어 회로와 연결된다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 작업물에 광학적으로 연결되어 배치되는 적어도 하나의 적외선 온도 검출기가 배치되며, 이 온도 검출기는 작업물의 실제 온도와 목표 온도 사이의 편차를 결정하기 위한 온도 제어 회로와 연결된다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 상기 도어는 적어도 하나의 포트 및 이 적어도 하나의 포트를 통해 작업물을 광학적으로 보기 위해 장착되는 적외선 온도 검출기를 포함하고, 이 적외선 온도 검출기는 작업물의 실제 온도와 목표 온도 사이의 편차를 결정하기 위한 온도 제어 회로와 연결된다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 신장 성형 장치가 제공되는 바, 이신장 성형 장치는 기다란 금속 작업물을 수용하여 성형하는데 적합하게 된 작업면을 가지며, 적어도 이 작업면은 열절연재를 포함하는 다이를 포함한다. 작업물을 작업 온도까지 전기 저항 가열하기 위한 가열기가 제공된다. 성형 작업 중에 다이와 기다란 작업물의 제 1 부분을 둘러싸며, 작업물의 제 2 부분이 돌출될 수 있게 해주는 인클로저가 제공된다. 작업물의 양 반대쪽 단부들이 장착되는 서로 반대쪽의 인클로저가 제공되며, 이 인클로저는 다이와 작업물을 서로에 대해 움직이게 하여 작업물을 작업면에 대해 연신시키고 굽힌다. 작업물의 작업면 결합측의 반대쪽에 있는 그 작업물의 일측에 열이 가해지는 위치에서 방사열을 가하도록 위치되어 있는 방사 가열기가 제공된다. 작업물의 작업면 결합 측에 일반적으로 수직인 그 작업물의 일측에 방사열을 가하도록 위치되어 있는 다른 방사 가열기가 제공된다. 적외선 온도 센서 및 열전대 온도 센서 중에서 선택되는 온도 센서가 작업물의 실제 온도와 목표 온도 사이의 편차를 결정하기 위한 온도 제어 회로와 연결된다. 작업물에 방사열을 가하기 위한 서보 피드백 루프 회로가 제공되며, 작업물의 목표 온도와 실제 온도 및 작업물과 방사 가열기 사이의 거리가 상로 관련되어 지며, 방사 가열기로부터 충분한 열이 작업물에 공급되어, 그 작업물과 방사 가열기 사이의 거리에 상관 없이 작업물의 온도가 목표 온도로 유지된다.

본 발명은 첨부 도면과 함께 하는 이하의 설명으로부터 가장 잘 이해할 수 있을 것이다.

도 1 은 본 발명에 따라 구성된 예시적인 신장 성형 장치의 사시도이다.
도 2 는 도 1 의 신장 성형 장치의 죠오 어셈블리의 상단면도이다.
도 3 은 도 1 에 나타나 있는 장치의 일 부분을 형성하는 다이 인클로저의 사시도로, 그의 도어는 개방 위치에 있다.
도 4 는 도 3 에 나타나 있는 다이 인클로저의 단면도로, 그의 내부 구성이 나타나 있다.
도 5 는 도 3 의 다이 인클로저의 상평면도이다.
도 6 은 다이 인클로저의 일 부분의 분해도로, 그의 측면 도어의 구성이 나타나 있다.
도 7 은 도 1 에 나타나 있는 신장 성형 장치의 사시도로, 작업물이 그 장치 안에 실려 성형될 준비가 되어 있는 상태이다.
도 8 은 신장 성형 장치의 다른 시시도로, 작업물은 완전히 성형된 상태이다.
도 9a 는 신장 성형 장치를 사용하는 예시적인 성형 방법을 도시하는 블럭도이다.
도 9b 는 도 9a 의 블럭도의 연속이다.
도 10 은 성형 방법의 가열 제어/온도 피드백 모니터링 기능의 예시적인 공정 흐름도를 도시하는 블럭도이다.
도 11 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 일 성형 사이클을 보여주는 시간/온도 그래프이다.

도면을 참조하면, 다양한 도들 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다. 도 1 은 본 발명에 따라 구성된 예시적인 신장 성형 장치(10)를 예시적인 작업물(W)과 함께 도시한다. 도 10 에서 보는 바와 같이, 예시적인 작업물(W)은 L 형 단면 프로파일을 갖는 압출품이다. 어떤 원하는 형상도 본 발명에 따라 신장 성형될 수 있다.

본 발명은 압연 플랫 또는 압연 성형체, 바아 스톡, 프레스-브레이크 성형된 프로파일, 압출 프로파일, 기계 가공된 프로파일 등을 포함하여(이에 한정되지 않음) 다양한 종류의 작업물에 사용되는데 적합하다. 본 발명은 비사각형 단면 프로파일을 갖는 작업물 및 약 20 이하의 종횡비를 갖는 단면 프로파일을 갖는 작업물에 대해 특히 유용하다. 도 10 에서 보는 바와 같이, 종횡비는 단면 프로파일의 외부 범위를 둘러싸는 사각형 박스(B)의 길이 "L1" 및 "L2"의 비를 말한다. 물론, 단면 형상과 종횡비는 제한적인 것이 아니며, 단지 예시적으로 주어진 것이다.

본 장치(10)는 실질적으로 강성적인 주 프레임(12)을 포함하며, 이 프레임은 다이 장착 표면(14)을 가지며 장치(10)의 주 작동 요소를 지지한다. 서로 반대쪽에 있는 제 1 및 2 스윙 아암(16A, 16B)은 주 프레임(12)에 선회가능하게 장착되고, 유압 성형 실린더(18A, 18B)에 각각 연결되어 있다. 스윙 아암(16A, 16B)은 유압 인장 실린더(20A, 20B)를 지니고 있으며, 이들 실린더는 그에 장착되어 있는 유압 작동식 죠오 어셈블리(22A, 22B)를 갖고 있다. 인장 실린더(20)는 고정된 배향으로 스윙 아암(16)에 부착될 수 있으며, 또는 수직 축선 주위로 스윙 아암(16)에 대해 선회될 수 있다. 아래에서 상술하는 다이 인클로저(24)가 죠오 어셈블리(22A, 22B) 사이에서 다이 장착 표면(14)에 장착되어 있다.

가압된 유압 유체를 성형 실린더(18), 인장 실린더(20) 및 죠오 어셈블리(22)에 공급하기 위한 적절한 펌프, 밸브 및 제어 요소(미도시)가 제공되어 있다. 대안적으로, 상기한 유압 요소는 전기 또는 전기기계 장치와 같은 다른 종류의 액츄에이터로 대체될 수 있다. 장치(10)의 제어 및 시퀀싱은 예컨대 PLC 또는 PC 형 컴퓨터로 수동 또는 자동으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 원리는 작업물과 다이가 성형 작용이 일어나도록 서로에 대해 움직이게 되는 모든 종류의 신장 성형기에 사용되는데 마찬가지로 적합할 수 있다. 이러한 공지된 종류의 성형기는 고정 또는 가동 다이를 가질 수 있으며 수평 또는 수직으로 배향될 수 있다.

도 2 에는 죠 어셈블리(22A)의 구성이 도시되어 있는데, 이 죠오 어셈블리는 다른 죠오 어셈블리(22B)를 대표한다. 죠오 어셈블리(22A)는 서로 이격되어 있는 죠오(26)들을 포함하는데, 이들 죠오는 작업물(W)의 일 단부를 잡도록 되어 있고 쐐기형 콜릿(28) 사이에 장착되며, 이 콜릿 자체는 환형 프레임(30)의 내측에 배치된다. 유압 실린더(32)가 배치되어 있어 죠오(26)와 콜릿(28)에 축방향 힘을 가하며, 그리 하여 그 콜릿(28)이 죠오(26)를 작업물(W)에 단단히 조이게 된다. 죠오 어셈블리(22A) 또는 그의 대 부분은 작업물(W)과 전기 절연되어 있다. 이는 산화물형 코팅과 같은 절연층 또는 코팅을 죠오(26), 콜릿(28) 또는 이들 둘다에 가함함으로써 이루어질 수 있다. 죠오(26)의 면(36)을 포함하여 그 죠오 전체에 걸쳐 코팅(34)이 가해지면, 죠오 어셈블리(22A)는 완전히 절연될 것이다. 죠오(26)에 가열 전류를 흐르게 하는 것이 바람직한 경우에는, 그 죠오의 면(36)은 비피복 상태로 남게 되고 적절한 전기 연결부가 제공될 수 있다. 대안적으로, 죠오(26) 또는 콜릿(28)은 다이(58)에 대해 전술한 바와 같은 절연재(세라믹 재료와 같은)로 만들어질 수 있다. 죠오(26)와 콜릿(28)은 죠오 어셈블리(22A)의 나머지 부분으로 가는 전기적 또는 열적 누설 경로를 피하기 위해 절연 고정구(59)를 사용하여 설치될 수 있다.

이제 도 3 ∼ 5 를 참조하면, 다이 인클로저(24)는 박스형 구조로 되어 있으며, 상부벽(38), 바닥벽(40), 후방벽(42), 측벽(44A, 44B) 및 전방 도어(46)를 가지며, 이 전방 도어는 도 1 및 3 에 나타나 있는 개방 위치에서 도 7 및 8 에 나타나 있는 폐쇄 위치로 회전할 수 있다. 물론 특정 형상과 치수는 성형될 작업물의 크기와 비율에 따라 변하게 될 것이다. 다이 인클로저(24)는 강과 같은 재료로 만들어지며, 일반적으로 공기 누출 및 작업물(W)로부터의 열방사를 최소화하도록 구성된다. 다이 인클로저(24)는 원하는 경우 열절연될 수 있다.

다이 인클로저(24)의 내부에는 다이(58)가 배치되어 있다. 이 다이(58)는 비교적 크고 무거우며, 작업물(W)이 다이(58) 주위로 굽혀질 때 그 작업물에 선택된 곡면 또는 프로파일이 부여되도록 형성되어 있는 작업면(60)을 갖는다. 작업면(60)의 단면은 일반적으로 작업물(W)의 단면 형상에 부합하며, 플랜지 또는 레일과 같은 작업물(W)의 돌출 부분을 수용하는 홈(62)을 포함할 수 있다. 필요한 경우, 다이(58) 또는 그의 일 부분은 가열될 수 있다. 예컨대, 다이(58)의 작업면(62)은 전기 가열에 적합하게 될 수 있는 강 또는 다른 열전도성 재료의 층으로 만들어질 수 있다.

도 3 및 4 에서 가장 잘 볼 수 있듯이, 도어(46)는 저항 코일(49A, 49B)을 포함한다. 이 코일(49A, 49B)은 세라믹 재료와 같은 내부 절연층(70)에 부분적으로 매립되며, 도어가 폐쇄되어 신장 성형 장치(10)가 작동하면, 상기 코일(49A, 49B)은 아래에서 더 자세히 설명하는 바와 같이 작업물(W) 상으로 보충적인 방사열을 보내는데 충분한 온도로 저항 가열된다.

이제 도 3 및 5 를 참조하면, 상부벽(38) 및 바닥벽(40)은 각각의 세라믹 루프 및 바닥 인서트(72, 74)를 포함하는데, 이 인서트 안에는 저항 코일(72A ∼ 72F 및 74A ∼ 74F) 세트가 부분적으로 매립되어 있다. 보는 바와 같이, 루프 인서트(72) 및 바닥 인서트(74)는 도어(46)와 다이(58)의 작업면(6)) 사이에서 상기 인클로저(24) 안에 있도록 형성되어 있다. 명확성을 위해, 루프 인서트(72)내의 코일(72A ∼ 72F)가 가상선으로 나타나 있으며, 인클로저 안으로 하방을 향해 있으며 바닥 인서트(74)의 코일(74A ∼ 74F) 쪽으로 열을 인클로저 안으로 방사한다.

상기 코일(72A ∼ 72F 및 74A ∼ 74F)은 바람직하게는 독립적으로 제어되어 정확하고 가변적인 양의 열을 방사하게 되며, 그래서 도어(46)의 도어(49A, 49B)에 있는 저항 코일과 협력하여, 작업물(W)의 소정의 영역이 작업물(W)의 다른 영역의 온도에 상관 없이 정확한 온도로 가열될 수 있다. 예컨대, 작업물(W)이 다이(58) 주위에서 성형되고 코일들 아래를 이동할 때 코일(72A, 72E 및 74A, 74E)이 작동될 수 있으며 또는 추가적인 건류가 공급될 수 있다. 유사하게, 성형 중에 작업물(W)의 단부가 도어(46)로부터 멀어지는 방향으로 이동할 때, 그 작업물(W)의 단부상으로 더 많은 방사열을 보내어 그 단부를 원하는 온도로 유지하기 위해, 코일(49A, 49B)에 흐르는 전류를 증가시킬 수 있다. 이들 조건은 바람직하게는 서보 피드백 루프로 제어되며, 도(46)에 포트(80A ∼ 80D)를 제공하여 작업물(W)의 온도를 실시간으로 결정할 수 있다. 도어(46)의 외부에 장착되는 적외선 온도 검출기(미도시)가 상기 포터를 통해 작업물(W)의 온도를 감지하여 그 정보를 제어기에 전달한다. 상기 적외선 검출기에 추가하여 또는 그에 대한 대안으로, 원하는 지점에서 작업물(W)의 온도를 결정하기 위해 하나 이상의 열전대가 그 원하는 지점에서 작업물(W)에 물리적으로 부착될 수 있다. 보간 또는 평균화 과정을 사용하여, 정확하게 반복가능한 작업물(W)의 형상을 얻는데 필요한 정확한 온도 프로파일과 반복가능한 온도 변동을 얻을 수 있다.

도 6 에는 상기 측벽들 중의 한 측벽(44A)(이는 다른 측벽(44B)을 대표함)이 보다 자세히 도시되어 있다. 측벽(44A)은 고정 패널(48A)을 포함하는데, 이 고정 패널은 비교적 큰 측면 개구(50A)를 갖는다. 측면 도어(52A)가 예컨대 Z 브라켓(54A)으로 상기 고정 패널(48A)에 장착되며, 따라서 그 도어는 성형 공정 중에 고정 패널(48A)과의 밀착을 유지하면서 작업물(W)과 함께 앞뒤로 슬라이딩할 수 있다. 측면 도어(52A)는 이를 관통해 형성된 작업물 개구(56A)를 갖는데, 이 작업물 개구는 실질적으로 측면 개구(50A) 보다 작으며 또한 작업물(W)이 통과할 수 있기에 이상적으로 충분히 크게 되어 있다. 작업물의 노출을 최소화하면서 작업물 단부의 이동을 허용할 수 있는 다른 구조가 다이 인클로저(24)의 기본적인 원리에 영향을 줌이 없이 측벽(44)에 대해 대용될 수 있다.

신장 성형 작업 중에, 작업물(W)은 480℃(900℉) ∼ 700℃(1300℉) 이상의 의 온도로 가열될 것이다. 그러므로, 다이(58)는 열절연되는 재료 또는 그러한 재료의 조합물로 만들어진다. 이들 재료의 중요한 특성은, 그 재료가 작업물(W)과의 접촉으로 인한 가열을 견딜 수 있고 또한 고온에서 치수 안정적으로 유지될 수 있으며 또한 작업물(W)로부터의 열전달을 최소화한다는 것이다. 또한, 작업물(W)로부터 저항 가열 전류가 다이(58) 안으로 흐르지 않도록 다이(58)가 전기 절연체인 것이 바람직하다. 도시된 실시예에서, 다이(58)는 용융 실리카와 같은 세라믹 재료로 된 복수의 편으로 구성된다. 다이(58)는 다른 내화재 또는 비절연성 재료(절연층으로 코팅되거나 에워싸인다)로도 만들어질 수 있다.

작업물(W)은 신장 성형 장치(10)와는 전기 절연되므로, 작업물(W)은 전기 저항 가열로 가열될 수 있다. 전류 공급원으로 부터 나온 커넥터(64)(도 7 참조)가 작업물(W)의 각 단부에 배치될 수 있다. 대안적으로 가열 전류 연결부가 전술한 바와 같이 죠오(26)를 직접 통과할 수 있다. 열전대 또는 적외선 검출기를 사용하면, 온도 피드백 신호를 사용하여 전류 공급원을 PLC 제어할 수 있다. 이는 신속하고 균일한 가열을 위한 적절한 증감발률(ramp rate)을 가능케 하며 또한 일단 작업물(W)이 목표 온도에 도달하면 전류를 지연시키게 된다. 공지된 유형의 PID 제어 루프를 제공하여, 성형 사이클 중에 작업물 온도가 변함에 따라 조절이 자동적으로 이루어지게 할 수 있다. 이 제어는 성형 사이클 동안에 능등적이고 프로그램가능할 수 있다.

상기 신장 성형 장치(10)를 사용하는 예시적인 성형 공정을 도 7 및 8 그리고 도 9a 및 9b 의 블럭도를 참조하여 설명한다. 먼저, 블럭 68 에서, 작업물(W)이 다이 인클로저(24) 안으로 실리며(이때 작업물의 단부는 작업물 개구(56)에서 돌출됨) 그리고 전방 도어(46)가 폐쇄된다. 측면 도어(52)는 최전방 위치에 있다. 이 상태는 도 7 에 나와 있다. 전술한 바와 같이, 본 공정은 티타늄 또는 그의 합금으로 만들어진 작업물(W)에 대해 특히 유용하다. 그러나, 본 공정은 열간 성형이 요구되는 다른 재료에도 사용될 수 있다. 어떤 작업물 프로파일에 대해서는, 작업물 단면이 성형 사이클 동안에 뒤틀리는 것을 방지하기 위해 가요성 백킹편(backing piece) 또는 "스네이크(snake)"를 사용할 필요가 있다. 이 경우, 사용되는 스네이크는 실용적이다면 고온 가요성 절연재로 만들어진다. 필요한 경우, 스네이크는 작업물(W)로부터의 열손실을 피하기 위해 고온 가열 재료로 만들어질 수 있다.

제어 시스템을 위한 열전대 또는 추가적인 피드백 장치에 대한 연결부가 이 단계 중에 연결된다. 블럭 70 에서, 일단 다이 인클로저(24) 내부에 들어가면, 작업물(W)의 단부는 죠오(26)에 위치되고 그 죠오(26)가 폐쇄된다. 별도의 전기 가열 연결부(64)를 사용하고자 할 때는, 양호한 접촉을 이루는데 필요한 열, 전기 전도성 페이스트를 사용하여 그 전기 가열 연결부를 작업물(W)에 부착한다.

블럭 72 및 74 에 도시되어 있는 루프에서, 전류가 작업물(W)에 흘러 그 작업물이 저항 가열된다. 작업물(W)의 폐루프 제어식 가열은, 원하는 작업 온도 설정점에 도달할 할 때까지 상기 열전대 또는 다른 온도 센서로부터의 피드백을 계속 이용하게 된다. 작업물을 상기 설정점까지 가열하는 속도는 작업물의 단면과 길이 및 열전대 피드백을 고려하여 결정된다.

일단 작업 온도에 도달하면, 작업물 성형이 시작될 수 있다. 그 설정점에 도달할 때까지 작업물(W)의 폐루프 가열은 계속된다.

블럭 76 및 78 에 나타나 있는 루프에서, 인장 실린더(20)가 작업물(W)을 길이 방향으로 원하는 점까지 신장시키고, 필요하다면 작업 온도가 제어되면서 주 실린더(18)는 스윙 아암(16)을 안쪽으로 선회시켜 작업물(W)을 다이(58)에 감싸게 된다. 측면 도어(52)가 후방으로 슬라이딩하여 작업물 단부의 운동을 수용한다. 이 상태는 도 8 에 도시되어 있다. 다양한 위치에서의 신장률, 체류 시간 및 온도 변화가 성형 공정 중에 제어 시스템으로의 피드백을 통해 제어될 수 있다. 일단 스윙 아암(16)으로부터의 위치 피드백이 작업물(W)이 그의 최종 위치에 도달했음을 나타내면, 제어는 작업물(W)이 풀려날 준비가 될 때까지 위치 및/또는 인장력을 유지하게 된다. 설정점에 도달할 때까지 제어는 다이 주위의 작업물(W)을 계속 속 가열 및 성형할 것이다. 필요한 경우 온도를 제어하면서 작업물(W)을 선택된 체류 시간 동안 다이(58)에 유지시킴으로써 크리프(creep) 성형이 일어날 수 있다.

블럭 80 및 82 에 나타나 있는 루프에서, 작업물(W)은 전류 공급원을 통해 보충적인 열을 추가하여 자연적인 냉각 보다 느린 속도로 냉각된다. 이 온도 감소율은 프로그램되어 있고, 온도 피드백을 통해 그 온도 감소율을 모니터링하면서 작업물(W)을 냉각시킬 수 있다.

일단 온도가 그의 최종 설정점에 도달하면, 작업물(W)에 가해지는 힘은 해제되고 전류 공급원으로부터 주어지는 전류 흐름은 중단된다. 최종 설정점에 도달할 때까지, 제어는 작업물(W)을 특정의 속도로 계속 냉각하는데 충분한 폐루프 가열을 유지할 것이다.

작업물(W)에서 힘이 제거되면, 죠오(26)가 개방되고 전기적 클램프가 제거된다(블럭 84). 죠오(26)를 개방하고 전기 커넥터(64)를 제거한 후에, 다이 인클로저(24)를 개방하여 작업물(W)을 제거할 수 있다. 그러면, 이 작업물(W)은 기계 가공, 열처리 등과 같은 추가적인 가공 단계를 받을 준비가 된다.

전술한 공정은 저렴한 공구 및 양호한 반복성을 포함한 신장 성형 및 크리프 성형의 이점을 티타늄 요소로 얻을 수 있게 해준다. 이는 티타늄 부품을 성형하는 다른 방법과 비교하여 관련 시간과 비용을 상당히 줄여준다. 또한, 작업물이 외부 환경으로부터 격리됨으로써, 균일한 가열이 촉진되고 또한 주변 환경으로의 열손실이 최소화되고, 그리 하여 전체적인 에너지 요구량이 감소된다. 추가로, 다이 인클로저(24)를 사용하여 사이클 중에 작업자가 작업물(W)과 접촉하는 것을 막을 있으므로 안전성이 향상된다.

도 11 에서 그래프로 나타나 있는 바와 같이, 성형 및 크리프 성형 둘다는 최대 온도에서 일어난다. 전형적인 성형 공정에서, 예열 단계를 대략 20 분간 수행한 다음에 일차 성형 단계가 수행되며, 이 성형 단계는 3 분 정도 걸린다. 크리프 성형은 10 분 정도 걸릴 수 있으며, 다음에 제어식 냉각 단계가 약 1 시간 동안 수행되며, 이 단계 중에 부품이 서냉된다. 그리고 나서 주변 온도까지의 냉각이 자연적으로 일어나게 된다.

티타늄을 신장 성형하는 장치와 방법을 전술하였다. 본 발명의 다양한 상세점들은 그의 범위를 벗어나지 않고 변경될 수 있다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시 형태의 전술한 설명 및 본 발명을 실시하기 위한 최선의 모드는 실례를 들기 위한 목적으로만 주어진 것이지 한정적인 의도는 없는 것이다.

Claims (24)

1. 금속 작업물을 신장 성형하는 방법으로서,
   열절연성 인클로저를 제공하는 단계 - 상기 인클로저는 이 인클로저의 서로 이격된 제 1 및 2 측벽 각각에 형성되어 서로 반대쪽에 있는 제 1 및 2 의 정렬된 작업물 개구를 포함하며, 미리 정해진 단면 프로파일을 갖는 작업면을 갖는 다이가 상기 두 측벽 사이에 배치되어 작업물을 받고, 적어도 상기 작업면은 열절연된 재료를 포함함;
   서로 반대쪽에 있는 제 1 및 2 스윙 아암 각각에 장착되는 서로 반대쪽의 제 1 및 2 죠오를 제공하는 단계;
   작업물을 작업 온도까지 전기 저항 가열하기 위한 가열기를 제공하는 단계;
   하나 이상의 미리 정해진 부분에서 작업물의 소성 연신을 증가시키도록 작업물의 하나 이상의 미리 정해진 부분에 방사열을 가하기 위한 방사 가열기를 제공하는 단계;
   성형시 작업물의 양 반대쪽 단부가 상기 인클로저의 측벽에 있는 제 1 및 2 개구 각각을 통과한 상태에서 그 작업물을 인클로저 내에서 상기 다이의 작업면에 가까히 배치하는 단계;
   작업물을 전기 절연시키는 단계;
   작업물의 양 반대쪽 단부를 죠오로 잡는 단계;
   작업물에 전류를 흘려 그 작업물을 작업 온도까지 저항 가열하는 단계;
   작업물이 작업 온도에 있는 상태에서 그 작업물과 다이의 작업면을 서로에 대해 움직이게 하여, 다이의 작업면에 대해 작업물을 미리 선택된 형태로 성형하는 단계;
   다이에 대한 작업물의 하나 이상의 미리 정해진 위치에서, 그 작업물의 하나 이상의 미리 정해진 부분에 방사열을 가하여 그 하나 이상의 미리 정해진 부분에서 작업물의 소성 연신을 증가시키는 단계; 및
   다이의 작업면에 대해 작업물이 미리 선택된 형태로 있는 중에 그 작업물을 냉각시키는 단계를 포함하는 금속 작업물의 신장 성형 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   작업물에 방사열을 가하는 상기 단계는 작업물의 작업면 결합측의 반대쪽에 있는 그 작업물의 일측에 열이 가해지는 위치에서 방사열을 가하는 것을 포함하는 신장 성형 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   작업물에 방사열을 가하는 상기 단계는 작업물의 작업면 결합 측에 일반적으로 수직인 그 작업물의 일측에 열이 가해지는 위치에서 방사열을 가하는 단계를 포함하는 신장 성형 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   작업물에 방사열을 가하는 상기 단계는 작업물의 양 반대측에 열이 가해지는 위치에서 방사열을 가하는 단계를 포함하고, 상기 양 반대측 모두는 일반적으로 작업물의 작업면 결합측에 수직인 신장 성형 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   작업물의 목표 온도를 결정하는 단계, 그 작업물의 실제 온도를 검지하는 단계, 및 작업물의 실제 온도를 그 작업물의 목표 온도까지 올리는데 충분한 방사열을 작업물에 가하는 단계를 더 포함하는 신장 성형 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   작업물에 있어서 방사 가열되는 부분으로부터의 거리와 그 작업물에 가해지는 방사 에너지를 상호 관련시키는 단계를 더 포함하는 신장 성형 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 다이의 작업면이 가열되는 신장 성형 방법.
8. 기다란 금속 작업물을 성형하기 위한 신장 성형 장치로서,
   작업물을 수용하여 성형하도록 미리 정해진 단면 프로파일을 갖는 작업면을 갖는 다이 - 적어도 상기 작업면은 열절연된 재료를 포함함;
   열절연성 인클로저 - 상기 인클로저는 이 인클로저의 서로 이격된 제 1 및 2 측벽 각각에 형성되어 서로 반대쪽에 있는 제 1 및 2 의 정렬된 작업물 개구를 포함하며, 상기 다이가 상기 두 측벽 사이에 배치되며, 상기 개구는 성형시 작업물이 상기 인클로저 내에서 다이의 작업면에 가까히 배치되어 있을 때 작업물의 단부들이 상기 개구를 통과하도록 되어 있음;
   서로 반대쪽에 있는 제 1 및 2 스윙 아암;
   서로 반대쪽에 있는 상기 제 1 및 2 스윙 아암 각각에 장착되어 작업물의 각 단부를 잡도록 되어 있는 서로 반대쪽의 제 1 및 2 죠오;
   작업물을 작업 온도까지 전기 저항 가열하기 위한 가열기;
   작업물의 하나 이상의 미리 정해진 부분에 방사열을 가하여 그 하나 이상의 미리 정해진 부분에서 작업물의 소성 연신을 증가시키기 위한 적어도 하나의 방사 가열기; 및
   다이의 작업면과 작업물을 서로에 대해 움직이게 하여 작업물을 미리 선택된 형태로 다이의 작업면에 대해 성형시키기 위한 운동 수단을 포함하는 신장 성형 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 방사 가열기는 작업물의 작업면 결합측의 반대쪽에 있는 그 작업물의 일측에 열이 가해지는 위치에서 방사열을 가하도록 위치되어 있는 신장 성형 장치.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 방사 가열기는 작업물의 작업면 결합 측에 일반적으로 수직인 그 작업물의 일측에 방사열을 가하도록 위치되어 있는 신장 성형 장치.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 방사 가열기는 작업물의 양 반대측에 방사열을 가하도록 위치되어 있고, 상기 양 반대측 모두는 일반적으로 작업물의 작업면 결합측에 수직인 신장 성형 장치.
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 열절연성 인클로저는 방사열을 공급하기 위한 적어도 하나의 방사 가열 요소가 장착되는 내부 벽을 갖는 신장 성형 장치.
13. 제 9 항에 있어서,
    상기 열절연성 인클로저는 다이에 접근할 수 있게 해주는 도어, 바닥 및 루프를 포함하고, 상기 도어, 바닥 및 루프 각각은 작업물에 방사열을 가하기 위해 장착되어 있는 적어도 하나의 각 방사 가열 요소를 갖는 신장 성형 장치.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 도어, 바닥 및 루프 각각은 개별적인 가열 영역을 규정하며, 각각의 가열 영역은 소정의 온도 입력 기준에 응하여 다른 가열 영역과는 독립적으로 방사열을 소정의 비율로 공급하도록 되어 있는 적어도 하나의 방사 가열기를 포함하는 신장 성형 장치.
15. 제 8 항에 있어서,
    작업물에 분리가능하게 부착되는 적어도 하나의 열전대를 포함하고, 이 열전대는 작업물의 실제 온도와 목표 온도 사이의 편차를 결정하기 위한 온도 제어 회로와 연결되어 있는 신장 성형 장치.
16. 제 8 항에 있어서,
    작업물에 광학적으로 연결되어 배치되는 적어도 하나의 적외선 온도 검출기를 포함하고, 이 온도 검출기는 작업물의 실제 온도와 목표 온도 사이의 편차를 결정하기 위한 온도 제어 회로와 연결되어 있는 신장 성형 장치.
17. 제 8 항에 있어서,
    상기 열절연성 인클로저는 적어도 하나의 포트를 포함하는 도어를 포함하고, 상기 신장 성형 장치는 상기 적어도 하나의 포트를 통해 작업물을 광학적으로 보기 위해 장착되는 적외선 온도 검출기를 포함하고, 이 적외선 온도 검출기는 작업물의 실제 온도와 목표 온도 사이의 편차를 결정하기 위한 온도 제어 회로와 연결되어 있는 신장 성형 장치.
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