KR101504467B1 - 열간 성형 다이 및 그 제조 방법과 공작물 열간 성형 방법 - Google Patents

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Abstract

열간 성형 다이는 제1 다이 및 제2 다이를 포함한다. 제1 다이는 공구강으로 형성된 제1 다이 구조를 갖는다. 제1 다이 구조는 제1 다이 표면 및 복수의 제1 냉각 개구들을 갖는다. 제1 다이 표면은 복잡한 형상을 갖는다. 제1 냉각 개구들은 제1 소정 거리만큼 다이 표면으로부터 이격된다. 제2 다이는 제2 다이 표면을 갖는다. 제1 및 제2 다이 표면은 다이 캐비티를 형성하도록 협동한다. 또한, 열간 성형 다이를 성형하고 공작물을 열간 성형하기 위한 관련 방법들이 제공된다.

Description

열간 성형 다이 및 그 제조 방법과 공작물 열간 성형 방법 {HOT FORMING DIE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE AND METHOD FOR HOT FORMING A WORKPIECE}
본 개시는 열간 성형 다이에 관한 것이고, 특히 열간 성형 다이 및 그 제조 및 사용을 위한 방법에 관한 것이다.
차량 제작사들은 점점 더 강하고, 더 가볍고 그리고 비용이 적게 되는 차량을 제공하려고 노력한다. 예를 들어, 차량 제작사들은 차량 본체의 일부분을 위하여 시트 알루미늄, 향상된 고강도 강, 및 초고강도 강과 같은 비전통적인 재료들을 이용하기 위해 상당한 노력을 들였다. 이러한 재료들은 비교적 강하고 가볍지만, 구입하고, 성형하고 그리고/또는 조립하는데 비용이 많이 드는 것이 일반적이다.
하나의 제안된 해결책은 차량 본체를 성형하도록 열처리된 시트 강 패널의 사용을 포함한다. 몇몇 응용예들에서, 시트 상 패널 부재들은 종래의 성형 공정으로 성형된 후에 열처리 작업을 겪는다. 이러한 2개의 단계 작업은 추가 작업이 상당한 비용을 추가시키고 구성요소들이 열처리 작업 동안에 비틀릴 수 있다는 점에서 바람직하지 않다.
별도의 열처리 작업을 채용하는 공정에 대한 하나의 대안으로서, 붕소 강과 같은 임의의 재료들이 열간 성형 다이 내에서 동시에 성형되고 담금질될 수 있는 것이 알려져 있다. 이에 관하여, 사전 열처리된 시트 스톡(sheet stock)이 열간 성형 다이 내로 도입되고 양호한 형상으로 성형되고 성형 작업에 이어서 담금질됨으로써 열 처리된 구성요소를 다이 내에서 생산하는 것이 일반적이다.
동시적인 열간 성형 및 담금질 단계들을 수행하는 알려진 열간 성형 다이들은 건 드릴링과 같은 종래 방식으로 성형되는 (열간 성형 다이를 통해 냉각수를 순환시키기 위한) 물 냉각 통로를 채용하는 것이 일반적이다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 건 드릴링과 같은 기술에 의해 생성된 구멍들은 다이를 통해 연장되는 직선 구멍들을 생성한다. 차량 제작자들이 편평하고 직선인 구성요소들을 갖는 차량 본체들을 일반적으로 설계하지 않기 때문에, 열간 성형 다이의 성형 표면들 또는 다이 표면들이 일반적으로 편평하고 평면형이지 않을 것이라는 것을 당업자라면 또한 알 수 있을 것이다. 이와 같이, 일반적인 자동차 본체 구성요소를 위한 열간 성형 다이의 다이 표면의 외형에 드릴링된 물 냉각 통로를 부합시키는 것이 가능하지 않을 것이다. 3차원적으로 복잡한 형상을 갖지만 종래에 구성된 물 냉각 통로들을 채용하는 열간 성형 다이가 요구된 것보다 더 가열된 부분들을 가질 수 있어서 담금질 작업이 차량 본체 구성요소의 전체 표면에 걸쳐서 적절하게 수행되지 않을 것이므로 이러한 사실은 중요하다. 이와 같이, 알려진 열간 성형 다이들에 의해 성형된 구성요소들은 구성요소의 나머지보다 상대적으로 더욱 연성인 하나 이상의 영역들을 가질 수 있다.
이에 따라, 개선된 열간 성형 다이에 대한 당업계의 필요성이 남아 있다.
하나의 형태에서, 본 교시는 주로 공구강으로 형성된 제1 다이 구조를 갖는 제1 다이를 제공하는 단계와, 제1 다이 구조 상에 복잡한 형상을 갖는 제1 다이 표면을 성형하는 단계와, 제1 다이 표면의 복잡한 형상을 대체로 따르는 외형을 각각 갖는 복수의 냉각 채널들을 제1 다이 구조 내에 성형하는 단계와, 다이 캐비티를 형성하도록 제1 다이 표면과 협동하는 제2 다이 표면을 갖는 제2 다이를 성형하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
다른 형태에서, 본 교시는 제1 다이 및 제2 다이를 포함하는 열간 성형 다이를 제공한다. 제1 다이는 공구강으로 형성된 제1 다이 구조를 갖는다. 제1 다이 구조는 제1 다이 표면 및 복수의 제1 냉각 개구들을 갖는다. 제1 다이 표면은 복잡한 형상을 갖는다. 제1 냉각 개구들은 제1 소정 거리만큼 다이 표면으로부터 이격된다. 제2 다이는 제2 다이 표면을 갖는다. 제1 및 제2 다이 표면은 다이 캐비티를 형성하도록 협동한다.
또 다른 형태에서, 본 교시는 상부 다이 및 하부 다이를 갖는 다이를 제공하는 단계와, 강 시트 블랭크를 가열하는 단계와, 상부 다이와 하부 다이 사이에 가열된 강 시트 블랭크를 위치시키는 단계와, 캐비티 내에 공작물을 성형하도록 상부 다이 및 하부 다이를 폐쇄시키는 단계와, 캐비티 내에 공작물을 담금질(quench)하도록 상부 다이 및 하부 다이의 다이 구조들을 냉각시키는 단계와, 담금질된 공작물을 캐비티로부터 배출시키는 단계를 포함하는 공작물 열간 성형 방법을 제공하며, 각각의 상부 다이 및 하부 다이는 다이 표면 및 복수의 냉각 채널들을 한정하는 다이 구조를 포함하고, 다이 표면은 복잡한 형상을 갖고, 냉각 채널은 다이 표면의 외형과 대체로 부합하는 방식으로 다이 표면으로부터 이격되고, 다이 표면들은 다이 캐비티를 형성하도록 협동한다.
다른 적용 가능한 영역들이 본 명세서에 제공된 기술로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 특정한 예들이 단지 예시할 목적으로 의도된 것이고 본 개시내용의 범위를 한정하려는 의도가 아니라는 것을 이해되어야 한다.
본 발명에 따르면, 개선된 열간 성형 다이를 제공하는 효과가 있다.
본 명세서에 기술된 도면들은 단지 예시할 목적을 위한 것이고 임의의 방식으로 본 개시내용의 범위를 제한하려는 의도는 아니다.
도1은 본 개시내용의 교시에 따라 구성된 열간 성형 다이 세트이며, 스탬핑 프레스 내에 장착되고 냉각 유체의 소스에 결합된 열간 성형 다이 세트의 개략적인 도면이다.
도2는 본 개시내용의 교시에 따라 구성된 예시적인 제1 열간 성형 다이 세트의 하부 다이의 사시도이다.
도3은 예시적인 제1 열간 성형 다이 세트의 상부 다이의 사시도이다.
도4는 기부 매니폴드 및 다이 구조들을 더욱 상세하게 도시하는, 도2의 하부 다이의 일부분의 바닥 사시도이다.
도5는 기부 매니폴드를 더욱 상세하게 도시하는, 도2의 하부 다이의 일부분의 상부 사시도이다.
도6은 도5의 상부 사시도와 유사하지만, 기부 매니폴드에 결합된 다이 구조의 부분들을 도시하는 상부 사시도이다.
도7은 하나의 캡에 결합될 때의 시임 블록을 도시하는 다이 구조의 일부분의 바닥 사시도이다.
도8은 냉각 채널을 따라 도2 및 도3의 하부 및 상부 다이를 통해 측면으로 취한 일부분의 단면도이다.
도9는 도8의 도면과 유사하지만 본 개시내용의 교시에 따라 구성된 예시적인 제2 열간 성형 다이 세트를 도시하는 도면이다.
도10은 다이 부재의 하나의 표면 내에 성형되는 홈들을 도시하는 도9의 열간 성형 다이 세트의 일부분의 바닥 사시도이다.
도면의 도1을 참조하면, 본 발명의 교시에 따라 구성된 열간 성형 다이 세트(10)가 개략적으로 도시되어 있다. 열간 성형 다이 세트(10)는 하부 다이(12) 및 상부 다이(14)를 포함할 수 있다. 하부 다이(12)는, 일리노이즈 롤링 메도우즈(Rolling Meadows)에 소재한 뵐러-유데호름(Boehler-Uddeholm) 회사에 의해 판매되는, 특히 DIEVAR®(등록 상표인 다이바) 또는 상업적으로 입수 가능한 H-11 또는 H-13의 공구강과 같은 열 전도 재료로 형성될 수 있는 다이 부재(18)를 포함할 수 있다. 다이 부재(24)는 복잡한 성형 또는 다이 표면(12) 및 복수의 냉각 채널들(22)을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어 "다이 표면"은 열간 성형된 구성요소를 성형하는 다이의 외부 표면의 부분을 지칭한다. 또한, 이 상세한 설명 및 첨부된 청구범위에서 사용된 용어 "복잡한 다이 표면"은, 다이의 한 측면 또는 두 측면들을 통해 냉각 채널을 건 드릴링함으로써 형성되는 냉각 채널을 경유하여 다이 표면이 냉각된다면, 다이 표면이 대량 생산(즉, 시간당 30개의 공작물 또는 그 이상의 비율)에서 오스테나이트 대 마텐자이트 위상 변환을 신뢰가능하게 촉진하는 것에 대해 도움이 되지 않는 3차원적 외형의 형상을 갖는 것을 의미한다. 각각의 냉각 채널(22)은 제1 소정 거리만큼 복잡한 다이 표면(20)으로부터 오프셋 될 수 있고, 이러한 거리는 냉각 채널(22)의 길이를 따라 일치될 수 있다. 유사하게, 상부 다이(14)는 DIEVAR®(등록 상표인 다이바) 또는 상업적으로 입수 가능한 H-11 또는 H-13과 같은 공구강으로 형성될 수 있는 다이 부재(24)를 포함할 수 있고, 복잡한 다이 표면(26) 및 복수의 냉각 채널들(28)을 포함할 수 있다. 각각의 냉각 채널(28)은 제2 소정 거리만큼 복잡한 다이 표면(26)으로부터 오프셋 될 수 있고, 이러한 거리는 냉각 채널(28)의 길이를 따라 일치될 수 있다. 복잡한 다이 표면들(20 및 26)은 그들 사이에 다이 캐비티를 형성하도록 협동할 수 있다.
붕소 강과 같은 적절한 열처리 가능한 강으로 형성될 수 있는 블랭크(30)는 약 930℃와 같은 소정 온도로 사전 열처리될 수 있고, 복잡한 다이 표면들(20 및 26) 사이에서 다이 캐비티 내에 놓일 수 있다. 하부 다이(12) 및 상부 다이(14)는 열간 스탬핑된 구성요소(36)를 형성하고 선택적으로 잘라내기 위해서 블랭크(30)를 변형시키도록 종래의 스탬핑 프레스(34)를 통해 다이 작용 방향으로 접합될 수 있다(즉, 폐쇄될 수 있다). 냉각 시스템(38)(예를 들어, 종래의 저장소/냉장실 및 유체 펌프를 포함하는 냉각 시스템)에 의해 제공될 수 있는 물, 가스 또는 다른 유체 매체와 같은 냉각 유체는 하부 다이(12) 및 상부 다이(14)를 냉각시키도록 냉각 채널들(22 및 28)을 통해 연속적으로 각각 순환될 수 있다. 순환 냉각 유체가 하부 다이(12) 및 상부 다이(14)를 냉각시킬 것이라는 것과 하부 다이(12) 및 상부 다이(14)가 열간 스탬핑된 구성요소(36)를 담금질하고 냉각시킬 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 스탬핑 프레스(34)는 열간 스탬핑된 구성요소(36)가 요구된 온도로 냉각되도록 허용하기 위해서 하부 다이(12) 및 상부 다이(14)를 소정 시간 동안 폐쇄된 관계로 유지할 수 있다.
요구된 야금적 상태로 위상 변환을 초래하도록 열간 스탬핑된 구성요소(36)가 그 주 표면을 가로질러 일치하게 제어된 방식으로 담금질되게 하기 위해 하부 다이(12) 및 상부 다이(14) 양쪽의 냉각을 제어하도록 냉각 채널들(22, 28)과 복잡한 다이 표면들(20, 26) 사이의 거리뿐만 아니라 냉각 유체의 질량 유동 비율 및 냉각 유체의 온도가 선택된다. 제공된 특정한 예에서, 블랭크(30)는 그 구조가 실질적으로(비록 전체적으로는 아닐지라도) 오스테나이트로 구성되도록 가열되고, 가열된 블랭크(30)는 하부 다이(12) 및 상부 다이(14) 사이에 성형되고, 열간 스탬핑된 구성요소(36)는 하부 다이(12) 및 상부 다이(14)로부터의 열간 스탬핑된 구성요소(36)의 배출 이전에 하부 다이(12) 및 상부 다이(14)에 의해 담금질된다. 이에 관하여, 하부 다이(12) 및 상부 다이(14)는 열을 끌어들이기 위한 열 싱크로서 기능을 하고, 그에 따라 열간 스탬핑된 구성요소(36) 내에 요구된 위상 변환(예를 들어, 마텐자이트 또는 베이나이트로)을 일으키기 위해서 그리고 열간 스탬핑된 구성요소(36)를 요구된 온도로 선택적으로 냉각시키기 위해서 제어된 방식으로 열간 스탬핑된 구성요소(36)를 담금질한다. 이후에, 하부 다이(12) 및 상부 다이(14)는 서로 분리될 수 있고(즉, 개방될 수 있고) 열간 스탬핑된 구성요소(36)는 다이 캐비티로부터 제거될 수 있다. 본 개시내용의 교시에 따른 열간 성형 다이 세트(10)의 구성은 다이 표면 상의 각각의 지점에서의 담금질의 비율이 정확한 방식으로 제어되도록 허용한다. 이것은 비교적 짧은 전체 사이클 시간을 채택하면서 오스테나이트 대 마텐자이트 변환에 도달할 수 있기 때문에 높은 대량 생산에 특히 유리하다. 우리의 경험 및 시뮬레이션에서, 우리는 열간 성형 다이 세트(10)의 폐쇄로부터 약 5초 이내에 오스테나이트 대 마텐자이트 변환을 얻을 수 있다는 것과 몇몇 상황에서는 열간 성형 다이 세트(10)의 폐쇄로부터 약 2초 내지 약 4초 내에 오스테나이트 대 마텐자이트 변환을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다.
도2 및 도3을 참조하면, 예시적인 제1 열간 성형 다이 세트(10)는 하부 다이(12a) 및 상부 다이(14a)를 포함하도록 도시되어 있다. 상부 다이(14a)는 하부 다이(12a)와 실질적으로 유사한 방식으로 형성될 수 있고, 따라서 하부 다이(12a)만이 본 명세서에 상세하게 기술될 것이다.
하부 다이(12a)는 다이 기부(100), 매니폴드 기부(102) 및 다이 표면[예를 들어, 다이 표면들(20a 및 20a')]을 형성하도록 협동할 수 있는 하나 이상의 다이 구조[예를 들어, 다이 구조(104a, 104b 및 104c)]를 포함할 수 있다. 다이 기부(100)는 다이의 나머지들을 정확하게 장착하기 위한 수단을 제공하고 스탬핑 프레스에 다이를 장착하기 위한 수단을 제공하고 다이 및 정합형 다이(mating die)가 서로 폐쇄될 때 다이에 대하여 정합형 다이[예를 들어, 상부 다이(14)]를 안내하기 위한 수단을 제공하는 것과 같은 하나 이상의 종래에 잘 알려진 기능들을 수행할 수 있는 플랫폼 또는 기부이다. 본 명세서에서 달리 주목되는 것을 제외하고, 다이 기부(100)는 종래의 구성일 수 있고, 따라서 본 명세서에 더 상세하게 기술할 필요는 없다.
도4 및 도5를 참조하면, 매니폴드 기부(102)는 적절한 공구강으로 형성되는 슬래브형(slab-like) 부재일 수 있다. 매니폴드 기부(102)는 제1 장착 표면(110), 제2 장착 표면(112), 입력 매니폴드(114) 및 출력 매니폴드(116)를 포함할 수 있다. 제1 장착 표면(110)은 다이 기부(100)(도2)에 장착되도록 구성되고, 다이 기부(100)(도2)에 대하여 매니폴드 기부(102)를 위치시키도록 채용될 수 있는 슬롯들(118)과 같은 하나 이상의 위치 설정 구성들을 포함할 수 있다. 제공된 예에서, 키(key) 부재(120)(도2)는 슬롯들(118) 내로 수용되고 다이 기부(100)(도2)의 관련 표면 내에 형성되는 정합형 슬롯(122)(도2)과 맞물린다. 제2 장착 표면(112)은 제1 장착 표면(110)과 대향될 수 있고, 슬롯들(126)과 같은 하나 이상의 위치 설정 구성들과 이하에서 더욱 상세하게 기술되는 밀봉 부재(130)를 수용하기 위한 하나 이상의 밀봉 홈들(128)을 포함할 수 있다. 슬롯들(126)은 매니폴드 기부(102)에 다이 구조(들)[예를 들어, 다이 구조(104a)]를 위치시키도록 채용될 수 있다. 제공된 예에서, 키 부재들(132)은 슬롯들(126) 내에 수용되고 다이 구조들(104a, 104b 및 104c) 내에 형성되는 대응 슬롯들(도시 생략)과 맞물린다.
입력 매니폴드(114)는 매니폴드 기부(102)의 제1 측면 상의 매니폴드 기부(102)를 통해 종방향으로 연장할 수 있는 비교적 큰 직경의 보어(140)와, 제2 장착 표면(112)을 통해 보어(140)로부터 연장할 수 있는 복수의 입력 개구들(142)을 포함할 수 있다. 제공된 특정한 예에서, 2개의 공급 개구들(144)은 제1 장착 표면(110)을 통해 형성되고 보어(140)와 교차하며, 공급 개구들(144)은 냉각 유체의 소스로부터 가압된 냉각 유체를 수용하기 위해서 냉각 유체(38)(도1)의 소스에 유체 연결하여 결합되도록 구성되고, 보어(140)의 대향 단부들은 유체 밀봉 방식으로 (예를 들어, 파이프 플러그들을 통해) 막을 수 있다. 이에 따라, 공급 개구들(144)에 도입된 냉각 유체는 보어(140) 내로 그리고 입력 개구들(142)을 통해 밖으로 유동할 것이라는 것을 알 수 있다.
유사하게, 출력 매니폴드(116)는 매니폴드 기부(102)의 제2의 대향 측면 상의 매니폴드 기부(102)를 통해 종방향으로 연장할 수 있는 비교적 큰 직경의 보어(150)와, 제2 장착 표면(112)을 통해 보어(150)로부터 연장될 수 있는 복수의 출력 개구들(152)을 포함할 수 있다. 제공된 특정한 예에서, 2개의 복귀 개구들(154)은 제1 장착 표면(110)을 통해 형성되고 보어(150)와 교차하며, 복귀 개구들(154)은 냉각 유체(38)(도1)의 소스의 저장소(도시 생략)로 냉각 유체를 방출하도록 소스 냉각 유체(38)(도1)에 유체 연결하여 결합되도록 구성되고, 보어(150)의 대향 단부들은 유체 밀봉 방식으로 (예를 들어, 파이프 플러그들을 통해) 막을 수 있다. 이에 따라, 출력 개구들(152)을 통해 보어(150) 내로 수용된 냉각 유체는 복귀 개구들(154)을 통해 매니폴드 기부(102) 밖으로 유동할 것이라는 것을 알 수 있다.
도2를 다시 참조하면, 제공된 특정한 예의 하부 다이(12a)는 한 쌍의 다이 표면들(20a 및 20a')을 선택적으로 형성하는 3개의 별개인 다이 구조들(104a, 104b 및 104c)을 채용한다. 3개의 별개인 구조들은 하부 다이(12a)의 부분들이 필요할 때 교체되고 그리고/또는 사용되도록 허용하기 위해서 이 예에서 채용되었다. 이 방식에서 하부 다이(12a)의 구성은 다이의 유지를 효율적이고 비용이 들지 않도록 도울 수 있지만, 당업자라면, 다이가 다소의 다이 구조들(예를 들어, 단일 다이 구조)을 채용할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 용어 "다이 표면"은 열간 스탬핑된 구성요소(36)(도1)의 일부분을 형성하는 다이[예를 들어, 하부 다이(12a)]의 표면의 부분(들)을 인지하도록 본 명세서에 채용된다. 이에 따라, "다이 표면"은 다이 구조의 부속 외부 표면과 같은 공간에 걸칠 필요가 없다는 것과, 2개 이상의 다이 표면들이 본 개시내용의 교시에 따라 구성된 다이 구조 내로 병합되는 곳에서, 다이 표면들(20a 및 20a') 중 어느 한쪽의 일부분을 형성하지 않는 공간(160)이 다이 표면들(20a 및 20a') 사이에 제공될 수 있다는 것을 본 개시내용으로부터 알 수 있을 것이다.
도2 및 도6 내지 도8을 참조하면, 다이 구조(104a)의 구성이 도시되어 있다. 나머지 다이 구조들(104b 및 104c)의 구성은 실질적으로 유사하고, 따라서 다이 구조(104a)의 구성의 기술은 나머지 다이 구조들(104b 및 104c)에 대해 충족될 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 다이 구조(104a)는 예를 들어 캡(200)과 같은 제1 부재(도7 및 도8), 하나 이상의 단부 부재 또는 시임 블록들(seam block)(202)(도6 및 도7), 및 예를 들어 캡 인서트(204)와 같은 제2 부재(도6 및 도8)를 포함할 수 있다. 캡(200), 시임 블록(들)(210) 및 캡 인서트(204)는 입력 개구들(142) 및 출구 개구들(152)에 유체 연결하여 결합될 수 있는 복수의 냉각 채널들(210)을 한정하도록 협동할 수 있다.
도7 및 도8을 구체적으로 참조하면, 캡(200)은 DIEVAR®(등록 상표인 다이바) 또는 상업적으로 입수 가능한 H-11 또는 H-13의 공구강으로 형성될 수 있고 캡 벽(20) 및 플랜지(222)를 포함할 수 있는 쉘형 구조일 수 있다. 캡 벽(220)은 다이 표면들[(20a(도2) 및 20a'(도2)]의 각각의 부분들을 한정할 수 있는 외부 표면(224)과, 요구된 크기만큼 외부 표면(224)으로부터 이격될 수 있는 내부 표면(226)을 포함한다. 캡 벽(220)이 비교적 균일한 두께를 갖는 것으로 도시되었지만, 캡 벽(220)의 임의의 소정 부분의 두께는 적절하게 선택될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 제공된 예에서, 다이 구조(104a)(도2)가 하나의 다른 다이 구조[즉, 도2에서의 다이 구조(104b)]에 대하여 접합되므로, 플랜지(222)는 캡 벽(220)의 3개의 측면들 상에 연장한다. 대조적으로, 다이 구조(104b)(도2)의 플랜지 구조(220')(도2)는 2개의 다이 구조들[즉, 도2에서의 다이 구조들(104a 및 104c)]과 접합하고, 따라서 다이 구조(104b)(도2)의 2개의 대향 측면으로부터만 연장된다. 결과적으로, 다이 구조(104b)(도2)는 2개의 별개의 시임 블록들(202)을 채용한다. 플랜지(222)는 매니폴드 기부(102) 내에 형성되는 관련 밀봉 홈(128) 위에 놓이도록 구성될 수 있고, 예를 들어 매니폴드 기부(102) 내의 나사식 구멍에 나사식으로 맞물릴 수 있는 나사식 체결구(도시 생략)에 의해 플랜지(222)를 매니폴드 기부(102)에 고정되지만 해제 가능하게 고정되도록 채용될 수 있는 복수의 관통 구멍들(230)을 포함할 수 있다.
도6 내지 도8을 구체적으로 참조하면, 시임 블록(202) 및 캡 인서트(204)는 캡 벽(220)을 지지하고, 위에서 기술한 바와 같이 출력 개구들(152)에 입력 개구들(142)을 유체적으로 결합할 수 있는 복수의 냉각 채널들(210)을 형성하도록 캡 벽(220)과 협동하도록 구성된다. 시임 블록(202) 및 캡 인서트(204)는 관통 냉각 유체의 유동을 촉진하도록 입력 개구들(142) 및 출력 개구들(152)에 각각 정렬될 수 있는 제1 및 제2 개구들(240, 242)을 포함한다. 단일 다이 구조가 전체 다이 구조를 형성하도록 채용되는 상황들에서, 시임 블록들이 필요로 하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다(즉, 플랜지(222)는 캡 벽(220) 둘레에서 완전히 연장할 수 있고, 플랜지(222)는 캡 벽(220)의 전체 직경을 지지할 수 있다). 그러나, 제공된 예에서, 다이 구조(104a)(도2)에 의해 한정된 다이 표면들(20a, 20a')의 부분은 캡 벽(220)의 지지되지 않은 에지(244)(도2)[즉, 플랜지(222)에 의해 지지되지 않은 캡 벽(220)의 부분]까지 연장하고, 결과적으로 다이 표면들(20a 및 20a')의 이 부분은 제어된 방식으로 모두 냉각되고 지지되어야 한다. 만약 플랜지(222)가 이 영역에서 연장하기 위해서 형성된다면, 플랜지(222)는 캡 벽(220)의 에지(244)를 지지하지만 본 개시내용의 교시에 따라 이 영역에서 냉각 채널들(210)의 구성을 허용하지는 않는다.
만약 캡 인서트(204)가 시임 블록(202)보다는 에지(244)(도2)를 지지하도록 채용된다면, 캡 인서트(204)에 에지(244)를 결합하는 것이 바람직하다. 나사식 체결구(도시 생략)는 몇몇 상황에서 에지(244)에 근접한 캡 벽(220) 내에 형성된 블라인드(blind) 나사식 구멍(도시 생략)을 나사식으로 맞물리도록 채용될 수 있지만, 캡 벽(220)은 나사식 체결구를 수용하기 위하여 블라인드 나사식 구멍을 포함하도록 모든 상황에서 충분히 두껍지 않을 수 있다. 대안적으로, 캡 인서트(204)가 관통 용접으로 캡 벽(220)에 실질적으로 영구히 결합될 수 있다. 캡(200)이 충분히 낡아질 때 캡(200) 및 캡 인서트(204) 양쪽 모두가 교체될 필요가 있으므로, 이러한 방식에서의 구성은 모든 경우에 바람직하지 않을 수 있다.
캡 인서트(204) 및 채용된 경우에서의 시임 블록(들)(202)은 매니폴드 기부(102)의 제2 장착 표면(112)에 대해 각각 접합될 수 있고 확고하게 고정될 수 있는 제1 표면들(260, 262)과, 캡 벽(220)의 내부 표면(226)에 대하여 각각 접합될 수 있는 제2 표면들(264, 266)을 구비할 수 있다. 캡 인서트(204) 및 시임 블록(들)(202)의 제2 표면들(264, 266)은 캡 벽(220)의 내부 표면(226)의 외형에 밀접하게 부합하고, 따라서 표면들이 요구된 각도로 서로 부합하도록 캡 인서트(204) 및 시임 블록(들)(202)의 제2 표면들(264 및 266) 및/또는 내부 표면(226)을 일반적으로 "시험(try out)" 및 진열(bench)할 필요가 있을 것이다.
냉각 채널들(210)은 내부 표면(226), 제2 표면(264), 제2 표면(266) 또는 그의 조합으로 형성될 수 있다. 제공된 특정한 예에서, 냉각 채널들(210)은 볼 노즈 엔드 밀(ball nose end mill)(도시 생략)로 캡 벽(220)의 내부 표면(226) 내로 기계가공된다. 냉각 채널들(210)은 다이 표면들(20a 및 20a')로부터 소정 거리로 배치되도록 기계가공될 수 있다. 이에 관하여, 각각의 냉각 채널(210)이 [냉각 채널(210)이 종단면에서 보여질 때] 외형을 갖는다는 것과, 각각의 냉각 채널(210)의 외형이 [냉각 채널(210)이 종단면에서 보여질 때] 냉각 채널(210)과 바로 일렬로 되어 있는 위치들에서 다이 표면[즉, 다이 표면(20a 또는 20a')]의 외형에 대체로 부합된다는 것을 알 수 있을 것이다. 이 개시내용 및 첨부된 청구범위의 목적을 위하여, 냉각 채널들(210)과 냉각 채널들(210)의 각각의 관련 지점[즉, 냉각 채널(210)이 종단면도에서 보여질 때 다이 표면과 바로 일렬로 되어 있는 각각의 지점]을 위한 다이 표면 사이의 최소 거리 간의 편차들이 약 0.15 인치(0.381 cm) 및 바람직하게는 약 0.04 인치(0.1016 cm) 내에 있다면, 냉각 채널들(210)의 외형은 다이 표면의 외형에 부합한다.
냉각 채널들(210)이 [예를 들어, 이러한 예에서 캡 벽(220)의 내부 표면(226) 내에] 형성됨에 따라, 시임 블록(202)은 에지(244)를 지지하도록 캡(200)에 결합될 수 있다. 제공된 특정한 예에서, 시임 블록(202)은 에지(244)에 근접하여 형성되는 2개의 냉각 채널들(210) 위에 놓인다. 시임 블록(202)은 2개의 구성요소들을 서로 확고하게 결합시키도록 캡(200)[즉, 캡 벽(220) 및 플랜지(222)]에 용접될 수 있다. 제공된 특정한 예에서, 용접은 에지(244)에 근접한 2개의 냉각 채널들(210)에 도입된 냉각 유체가 시임 블록(202)과 캡(200) 사이의 인터페이스를 통해 침투하는 것을 방지하는 밀봉을 형성한다. 당업자라면, 시임 블록(202)은 플랜지(222) 및 "누락부(missing portion)"를 형성하고, 시임 블록(202) 및 캡(200)의 조립체는 캡 인서트(204)가 내부에 수용될 수 있는 캐비티(270)를 형성한다는 것을 알 수 있을 것이다.
캡 인서트(204)는 임의의 적절한 방식으로 매니폴드 기부(102)의 제2 장착 표면(112)에 고정되지만 제거 가능하게 결합될 수 있다. 제공된 예에서, 슬롯들 및 키들(구체적으로 도시 생략)과 같은 위치 표시기(locator)들은 매니폴드 기부(102)에 대하여 요구된 위치에서 캡 인서트(204)를 위치 설정하도록 채용되고, 나사식 체결구(구체적으로 도시 생략)는 캡 인서트(204)를 통해 연장할 수 있고 매니폴드 기부(102) 내의 대응 나사식 개구들(구체적으로 도시 생략)과 나사식으로 맞물릴 수 있다. 캡(200) 및 시임 블록(202)의 조립체(274)는 캡 인서트(204)에 걸쳐서 끼워 맞춰질 수 있고, 이것은 캡 인서트(204)의 사전 위치설정 및 내부 표면(226)과 제2 표면(264) 사이의 일치로 인하여 매니폴드 기부(102)에 대하여 요구된 위치에서 다이 표면들(20a 및 20a')의 일부분을 위치 설정할 수 있다. 나사식 체결구(구체적으로 도시 생략)는 조립체(274)를 통해[즉, 플랜지(222), 및 시임 블록(202) 및 캡 벽(220)을 통해] 연장될 수 있고, 매니폴드 기부(102) 내에 형성되는 나사식 개구들(구체적으로 도시 생략)과 나사식으로 맞물릴 수 있다. O-링과 같은 밀봉 부재(130)가 밀봉 홈(128) 내에 수용될 수 있다는 것과, 밀봉 부재(130)가 매니폴드 기부(102), 플랜지(222) 및 시임 블록(202)과 밀봉식으로 맞물릴 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
작동 시에, 냉각 유체(38)(도1)의 소스로부터 가압된 유체는, 양호하게 물은 입력 매니폴드(114)로 투입되어, 캡 인서트(204) 및 시임 블록(202) 내의 제1 개구들(240)을 통해, 냉각 개구들(210)을 통해, 캡 인서트(204) 및 시임 블록(202) 내의 제2 개구들(242)을 통해 그리고 출구 매니폴드(116)를 통해 냉각 유체(38)(도1)의 소스의 저장소(도시 생략)로 매니폴드 기부(102) 내의 입력 개구들(142) 밖으로 유동한다. 하나의 형태에서, 냉각 유체는 연속적인 끊임없는 방식으로 순환되지만, 냉각 유체의 유동은 다이 표면들(20a 및 20a')의 냉각을 추가 제어하도록 요구된 방식으로 제어될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
냉각 유체(38)(도1)의 소스 및 냉각 채널(210)의 설계, 배치 및 구성은 심지어 열간 성형 다이 세트(10a)(도2)가 대량 생산에서 채용될 때에도 하부 다이(12) 및 상부 다이(14)가 열간 스탬핑된 구성요소(36)(도1)를 비교적 빠르게 담금질할 수 있는 정도로 냉각되도록 허용한다. 이에 따라, 열간 성형 다이 세트(10a)는 시간당 120 또는 180 피스와 같은 분량으로 열간 스탬핑된 구성요소들(공작물들)을 성형하고 담금질하고 냉각시키고, 전체의 공작물에 걸쳐서 오스테나이트 대 마텐자이트 위상 변환을 달성하도록 채용될 수 있다. 오스테나이트 대 마텐자이트 위상 변환은 하부 다이(12a) 및 상부 다이(14a)의 폐쇄의 약 4초 이하 내에서 달성될 수 있다. 중요하게, 열간 스탬핑된 구성요소(36)(도1)는 열간 성형 다이 세트(10a)(도2)로부터 제거될 때 상당량의 펄라이트(pearlite) 및 베이나이트(bainite)가 없어지도록 담금질되고 선택적으로 냉각될 수 있다.
당업자라면, 다이 표면들(20a 및 20a')을 요구된 경도로 경화시키도록 캡(200)이 적절한 열 처리 작업으로 열처리된다는 것을 알 수 있을 것이다. 당업자라면, 캡(200)의 특정한 구성이 열처리 작업 동안에 비틀림을 받기 쉽다는 것을 또한 알 수 있을 것이다. 우리는 비틀림이 상부 다이(14a)의 캡 조립체(274')를 하부 다이(12a)의 캡 조립체(274)와 결합시킴으로써 그리고 결합된 캡 조립체들(274, 274')을 함께 열 처리함으로써 제어될 수 있다는 것을 우리의 실험에서 주목했다. 더욱 구체적으로, 하부 다이(12a)의 캡(200)은, 만약 있다면, 관련 시임 블록(들)(202)에 조립되고, 대응하는 상부 다이(14a)의 부속 캡(200')은, 만약 있다면, 관련 시임 블록(들)(202)에 조립된다. 하부 다이(12a)의 조립체(274)(즉, 캡 및 시임 블록들)는 플랜지들 및 시임 블록들을 접합함으로써 형성되는 림을 갖는 중공 구조를 형성하도록 상부 다이(14a)의 조립체(274')(즉, 캡 및 시임 블록들)에 결합된다. 우리의 실험에서, 우리는 접합 플랜지의 인터페이스 및 접합 시임 블록들의 인터페이스에 위치된 택(tack) 용접을 통해 조립체들(274, 284')을 서로에 대해 결합했다. 우리는 열 처리 작업에 뒤이어 택 용접을 제거했고, 별도로 열 처리된 조립체와 비교하여 각각의 조립체의 상당히 적은 비틀림을 관찰했다.
도9를 참조하면, 예시적인 제2 열간 성형 다이 세트(10b)는 하부 다이(12) 및 상부 다이(14)를 포함하도록 부분적으로 도시되어 있다. 상부 다이(14b)는 하부 다이(12b)의 방식과 실질적으로 유사한 방식으로 형성될 수 있고, 따라서 하부 다이(12b) 만이 본 명세서에서 상세하게 설명될 것이다.]
하부 다이(12b)는 다이 기부(도시 생략), 매니폴드 기부(102) 및 하나 이상의 다이 구조(104')를 포함할 수 있다. 다이 기부 및 매니폴드 기부(102)는 위에서 기술한 것들과 실질적으로 동일할 수 있다. 각각의 다이 구조(104')는 예를 들어 다이 부재(300)와 같은 제1 부재와, 예를 들어 복수의 충전 플레이트들(302)(단지 하나의 충전 플레이트가 도시됨)과 같은 제2 부재를 포함할 수 있다. 다이 부재(300)는 하나 이상의 다이 표면(20')을 적어도 부분적으로 한정할 수 있는 외부 표면(306)과, 매니폴드 기부(102)의 제2 장착 측면(112)에 대하여 접합될 수 있는 내부 표면(308)을 가질 수 있다. 도10을 추가로 참조하면, 냉각 슬롯들 또는 홈들(310)은 홈(310)이 종방향 단면도에서 보았을 때 홈(310)의 내부 단부(312)가 다이 표면(20')의 외형에 대체로 부합되도록 (예를 들어, 볼 노즈 단부 밀을 이용하여) 내부 표면(308) 내로 형성될 수 있다. 충전 플레이트들(302)은 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있고, 홈(310)의 비충전 부분이 냉각 채널(210')을 한정할 수 있도록 관련 홈(310)의 일부분을 충전하도록 형성될 수 있다. 이러한 예에서, 냉각 채널(210')은 매니폴드 기부(102) 내에 형성되는 입력 및 출구 개구들(142 및 152)에 직접 결합되는 입력 및 출구 포트(240' 및 242')를 각각 포함한다.
충전 플레이트들(302)은 전자 충전 기계가공(와이어 EDM'ing)과 같은 임의의 요구된 방식으로 형성될 수 있다. 충전 플레이트들(302)의 두께는 홈들(310)의 폭과 딱 부합하도록 선택될 수 있지만, 충전 플레이트들(302)이 슬립-끼움(slip-fit) 방식으로 홈들(310) 내로 수용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 충전 플레이트들(310)은 임의의 양호한 방식으로 홈들(310) 내에 유지될 수 있다. 하나의 형태로, 충전 플레이트들(302)은 다이 부재(300)에 택 용접될 수 있지만, 제공된 예에서, 하나 이상의 유지 바아들(330)이 홈들(310)로부터 충전 플레이트들(302)의 퇴출(withdrawal)을 억제하도록 다이 부재(300)에 고정될 수 있다.
다이 구조(310)는 매니폴드 기부(102)에 대한 캡 조립체[즉, 캡(200) 및 시임 블록(202)의 결합]에 대하여 위에서 기술되는 방식과 실질적으로 유사한 방식으로 매니폴드 기부(102)에 결합될 수 있다. 이에 관하여, 나사식 체결구(도시 생략)는 다이 부재(300)를 매니폴드 기부(102)에 고정시키도록 채용될 수 있고, 밀봉 부재(130)는 매니폴드 기부(102)와 다이 부재(300) 사이의 인터페이스를 통해 냉각 유체의 침투를 억제하도록 채용될 수 있다.
특정한 예들이 명세서에서 기술되고 도면들에서 도시되었지만, 다양한 변화들이 이루어질 수 있고, 등가물들이 청구범위에서 한정된 바와 같이 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않고 구성요소에 대해 대체될 수 있다. 또한, 다양한 예들 사이에서의 구성들, 요소들 및/또는 기능들의 혼합 및 결합이 본 명세서에 명백히 고려되어 있으므로, 당업자라면, 일례의 구성들, 요소들 및/또는 기능들이 달리 우에서 기술되지 않았다면 적절하게 다른 예로 병합될 수 있다는 것을 본 개시내용으로부터 알 수 있을 것이다. 또한, 본 개시내용의 필수적인 범위로부터 벗어나지 않고 특정한 상황 또는 재료를 본 개시내용의 교시에 적합하도록 많은 변형이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 개시내용은 본 발명을 실행하기 위하여 현재 고려된 최상의 모드로서 도면에 의해 도시되고 명세서에 기술된 특정한 예에 제한되지 않지만, 본 개시내용의 범위가 전술의 기술 및 첨부된 청구범위 내에 있는 임의의 실시예들을 포함할 수 있다는 것이 의도된다.
10: 열간 성형 다이 세트
12: 하부 다이
14: 상부 다이
22: 냉각 채널

Claims (10)

  1. 장착 표면을 구비하는 기부, 제1 다이, 및 제2 다이를 포함하는 열간 성형 다이이며,
    상기 장착 표면 내에는 복수의 입구 오리피스들과 복수의 출구 오리피스들이 형성되며,
    상기 제1 다이는 제1 부재와 제2 부재를 구비하며,
    상기 제1 부재는 성형 표면의 적어도 일부를 형성하는 외부 표면을 구비하고 상기 외부 표면의 대향의 내부 표면을 구비하며,
    상기 제1 부재는 내부 빈 공간을 갖는 쉘을 형성하도록 적어도 두 개의 대향 측면들을 따라 연장하는 플랜지를 구비하며,
    상기 플랜지는 기부의 장착 표면에 대하여 접합되어 고정되기 위한 표면을 구비하며,
    상기 제2 부재는 상기 다이가 조립된 상태에 있을 때 제1 부재의 내부 빈 공간에 배치되며,
    상기 제2 부재는 제1 부재의 내부 표면에 대하여 접합되기 위한 제2 표면을 구비하며,
    상기 제2 표면은 제1 부재를 적어도 부분적으로 지지하며 제1 부재의 내부 표면과 협동하여 그 사이에서 복수의 냉각 채널들을 형성하며,
    상기 제2 부재는 기부의 장착 표면에 대하여 접합되어 고정되기 위한 제1 표면을 구비하며,
    상기 제2 부재는 제1 표면과 제2 표면 사이에서 관통하여 연장하는 복수의 도관들을 구비하며,
    상기 제2 다이는 제2 성형 표면을 구비하고, 상기 제1 및 제2 다이들은 협동하여 다이 캐비티를 형성하며,
    상기 복수의 도관들은 상기 기부의 장착 표면 내에 형성된 상기 복수의 입구 오리피스들과 상기 복수의 냉각 채널들 사이 및 상기 복수의 냉각 채널들과 장착 표면 내에 형성된 상기 복수의 출구 오리피스들 사이에서 유체 연통을 지지하는, 열간 성형 다이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플랜지는 제1 부재의 세 측면들을 따라 연장하는, 열간 성형 다이.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플랜지는 제1 부재의 네 측면들을 따라 연장하는, 열간 성형 다이.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 부재의 내부 표면은 복수의 릿지(ridge)들을 포함하며, 상기 복수의 릿지들은 제2 부재의 제2 표면과 협동하여 상기 복수의 냉각 채널들을 형성하는, 열간 성형 다이.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 부재의 제2 표면은 복수의 릿지(ridge)들을 포함하며, 상기 복수의 릿지들은 제1 부재의 내부 표면과 협동하여 상기 복수의 냉각 채널들을 형성하는, 열간 성형 다이.
  6. 제1 다이 부재를 포함하는 제1 다이 구조를 갖는 제1 다이를 제공하는 단계와,
    상기 제1 다이 구조 상에 복잡한 형상을 갖는 제1 다이 표면을 성형하는 단계와,
    상기 제1 다이 표면의 복잡한 형상을 일반적으로 따르는 외형을 각각 갖는 복수의 냉각 채널들을 상기 제1 다이 구조 내에 성형하는 단계와,
    제2 다이 표면을 갖는 제2 다이를 성형하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 다이 표면들은 다이 캐비티를 형성하도록 협동하며,
    상기 복수의 냉각 채널들을 성형하는 단계는,
    제1 다이 표면에 대향하여 제1 다이 부재의 표면 내에 복수의 슬롯들을 성형하는 단계와,
    복수의 충전 플레이트들을 성형하는 단계와,
    입구 포트 및 출구 포트를 성형하도록 슬롯들 중 관련 슬롯과 각각 협동하는 각각의 충전 플레이트를 슬롯들 중 관련 슬롯에 삽입하는 단계를 포함하는, 열간 성형 다이 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    냉각 유체 입구 및 냉각 유체 출구를 갖는 기부를 제공하는 단계와,
    냉각 유체 입구가 입구 포트들과 유체 연결되어 결합되도록 기부에 제1 다이 부재를 고정시키는 단계와,
    입구 포트들로부터 냉각 채널들에 진입하고 출구 포트들로부터 냉각 채널들을 나가는 냉각 유체의 유동을 기부에 제공하는 단계를 더 포함하는, 열간 성형 다이 제조 방법.
  8. 공구강으로 형성된 제1 다이 구조를 갖는 제1 다이와,
    제2 다이 표면을 갖는 제2 다이를 포함하며,
    제1 다이 구조는 제1 다이 표면 및 복수의 제1 냉각 개구들을 갖고, 제1 다이 표면은 복잡한 형상을 갖고, 제1 냉각 개구들은 제1 소정 거리만큼 다이 표면으로부터 이격되고, 제1 다이 구조는 다이 부재와 복수의 충전 플레이트들을 포함하며, 상기 다이 부재는 복수의 슬롯들을 형성하고, 각각의 충전 플레이트는 관련 슬롯 내로 수용되고 제1 냉각 개구들 중 관련 냉각 개구를 형성하도록 상기 슬롯과 협동하며, 상기 제1 및 제2 다이 포면들은 협동하여 다이 캐비티를 형성하는, 열간 성형 다이.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 다이는 제2 소정 거리만큼 제2 다이 표면으로부터 이격되는 복수의 제2 냉각 개구들을 갖는, 열간 성형 다이.
  10. 공작물을 열간 성형하는 방법이며,
    상부 다이 및 하부 다이를 갖는 다이를 제공하는 단계와,
    강 시트 블랭크를 가열하는 단계와,
    상부 다이와 하부 다이 사이에 가열된 강 시트 블랭크를 위치시키는 단계와,
    캐비티 내에 공작물을 성형하도록 상부 다이 및 하부 다이를 폐쇄시키는 단계와,
    캐비티 내에 공작물을 담금질하도록 상부 다이 및 하부 다이의 다이 구조들을 냉각시키는 단계와,
    담금질된 공작물을 캐비티로부터 배출시키는 단계를 포함하며,
    각각의 상부 다이 및 하부 다이는 다이 표면 및 복수의 냉각 채널들을 형성하는 다이 구조를 포함하고, 다이 표면은 복잡한 형상을 갖고, 냉각 채널들은 다이 표면의 외형과 일반적으로 부합하는 방식으로 다이 표면으로부터 이격되고, 다이 표면들은 다이 캐비티를 형성하도록 협동하며,
    각각의 상부 다와 하부 다이의 다이 구조는 다이 표면에 대향하는 다이 부재의 표면에 복수의 슬롯들을 갖는 다이 부재를 포함하고, 상기 다이 구조는 복수의 충전 플레이트들을 더 포함하며, 상기 복수의 충전 플레이트들의 각각의 충전 플레이트는 상기 복수의 슬롯들 중 관련 슬롯 내로 삽입되고, 각각의 충전 플레이트는 상기 슬롯들 중 관련 슬롯과 렵동하여 입구 포트와 출구 포트를 형성하는, 공작물 열간 성형 방법.
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