KR102231542B1 - 성형할 가공대상물의 벽의 돌출부의 소성변형을 위한 전기유압식 성형기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 성형될 가공대상물(P), 바람직하게는 원통형 관상 부품의 벽(P1)의 돌출부(P13)를, 성형 유체(F)로 소성 변형하기 위한 전기 유압식 성형기에 관한 것이다.
상기 전기 유압식 성형기(1)는 상기 성형 유체(F)를 상기 돌출부(P13)의 내면(P11)에 적용하기 위한 툴(4)을 포함하며, 상기 적용 툴(4)은:
- 상기 성형 유체(F)를 함유할 챔버(44)로서, 상기 챔버(44)에 함유될 성형 유체(F)에 충격파를 발생시키는 상기 수단(3)과 협동하는 챔버(44), 및
- 변형될 벽(P1)의 돌출부(P13)의 전방에 끝나고 또한 상기 성형 유체(F)의 통과 및 발생된 충격파의 상기 타깃 지지 부(2, 7)의 압인 부(22, 71) 쪽으로의 전파를 위해 상기 챔버(44)와 유체 연통하는, 적어도 하나의 하류 측 홀(42)을 포함한다.

Description

성형할 가공대상물의 벽의 돌출부의 소성변형을 위한 전기유압식 성형기{ELECTRO-HYDRAULIC FORMING MACHINE FOR THE PLASTIC DEFORMATION OF A PROJECTILE PART OF THE WALL OF A WORKPIECE TO BE FORMED}

본 발명은, 전기 유압식 성형 기술을 이용하여 가공대상물의 벽을 유리하게는 고속 및 고압에서 소성 변형하는 기계 및 방법에 관한 것이다.

일부 재료들은 제한된 연성(ductility)을 나타낸다. 이것은 특히 티타늄 합금 또는 높은 탄성 한계를 갖는 강 등의 금속들에서 특히 그러하다.

본 명세서에서, 일부 가공대상물 특히 관상 부품(tubular pieces)의 성형(shaping)은 문헌 US-6,305,204 또는 US-4,557,128에 기재된 바와 같이, 유압 성형기들을 이용하여 이루어질 수 있다. 이들 성형기에서, 가압 유체는 변형될 튜브안으로 들어가는 원통형 툴에 제공된 작은 직경을 갖는 채널을 통해 성형 챔버로 전달된다.

이들 유압성형 기술은 특정 수단에 의한 가압 유체의 제공을 달성함으로써 재료의 점진적인 변형을 확보할 수 있다.

그러나, 이러한 유압 성형 기술들에 의해 얻어진 재료의 변형은 공정의 종단에서 탄성복귀(elastic return)를 일으키는데, 이것이 적용(application)에 관한 한, 제한 인자로 보일 수 있다.

상당한 특정 지식을 필요로 하는 아주 다른 분야에서는, 이들 재료의 성형은 고속 및 고압 성형 기술들, 특히 문헌 EP-1 488 868에 기재된 바와 같은, 전기 유압식 성형 기술 또는 전자 유압 성형 기술에 의해 이루어질 수 있다.

이들 전기 유압 성형 기술은 변형될 가공대상물의 벽의 면들 중 하나에 적용되는 성형 유체의 빠른 이동 및 그 유체의 압력의 빠른 증가(유압 성형기에서의 압력의 점진적인 증가와 대조적으로)에 기초를 두고 있다.

성형 유체는 그리고, 변형될 부품(the piece to be deformed)을 스탬핑(stamping)하는 수단으로서 사용된다.

성형 작용에 필요한 에너지는 성형 유체에서 충격파로 사용할 수 있다.

그러나, 현재 전기 유압 성형기들은 일부 변형들을 가공대상물의 특정 구조에 적용할 수 있게, 특히, 팽창을 작은 직경의 관상 부품들에 적용할 수 있게, 완전하게 구성된 것은 아니다.

본 명세서에서, 본 발명은 성형될 가공대상물(workpiece to be formed) 의 벽의 돌출부에 동적 변형을 일으키기에 적합한 그리고, 작은 직경을 갖는 원통형 관상 부품들의 성형에 특히 적합하게 구성된 신규의 전기 유압식 성형기 및 신규의 방법을 제공한다.

그러므로, 이에 상응하는 전기 유압식 성형기는 성형될 가공대상물, 바람직하게는 원통형 관상부품의 벽의 돌출부를, 상기 돌출부의 내면에 적용되어야 할 성형 유체에 의해, 소성 변형할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.

상기 전기 유압식 성형기는:

변형될 가공대상물의 상기 돌출부를 수용하기 위한 것으로 상기 돌출부의 외면의 전방에 놓여질(get in) 압인 부(imprint)를 포함하는 타깃 지지 부; 및

상기 돌출부에 원하는 소성변형을 일으키도록 구성된, 상기 성형 유체의 내부에 충격파를 발생시키기 위한, 유리하게는 고속 및 고압을 얻기 위한 수단을 포함하며,

그리고, 본 발명에 의하면, 상기 성형기는 돌출부의 내면에 상기 성형 유체를 적용하기 위한 툴을 포함하며, 상기 적용 툴(application tool)은:

충격파를 발생시키는 상기 수단과 협동하는, 상기 성형 유체를 함유하는 챔버; 및

변형될 벽의 돌출부의 전방에서 끝나게 되며 상기 성형 유체의 통과 및 발생된 충격파의 타깃 지지 부의 압인 부 쪽으로의 전파를 위해 상기 챔버와 유체 연통하는 적어도 하나의 하류측 홀(downstream hole)을 포함한다.

특히 흥미로운 실시예에 의하면, 적용 툴은 상기 성형 유체로 충전될 챔버를 한정하는 원통형 관상 부재로서 형상화되어 있으며 다음 두 개의 단부를 포함한다:

- 상기 성형 유체에 충격파를 발생시키기 위한 수단과 협동하는 상류 단부; 및

- 상기 성형 유체의 통과 및 상기 발생된 충격파의 전파를 위한 수개의 하류측 홀들을 구비한 하류측 단부.

그 경우에, 바람직하게는, 적용 툴의 하류측 홀들은 상기 적용 툴을 반경방향으로 통과하여 끝나고 적용 툴의 하류측 단부의 원주에 걸쳐서 분포된다.

적용 툴의 하류측 단부는 원통형 외표면을 포함하는데, 상기 원통형 외표면 내에 홈이 형성되고 상기 원통형 외표면에서 하류측 홀들이 끝나며, 상기 홈은 타깃 지지 부의 압인 부의 전방에 액체의 저장부를 형성할 것이다.

유리한 특징에 의하면, 적용 툴은 하류측 홀 또는 홀들의 레벨에는(at the level of the downstream hole or holes), 성형 유체의 작업구간을 제한하기 위하여, 성형 유체에 대한 기밀성(tightness)을 확보하기 위한 수단을 포함한다. 이 경우에, 기밀 수단은 바람직하게 다음을 포함한다:

- 상기 적용 툴과 변형될 가공대상물 사이에 들어가도록 제작된, 하류측 홀 또는 홀들의 양측에(on either side) 제공된 밀봉부재들(seals), 또는

- 적용 툴의 하류측 홀 또는 홀들을 유체 밀봉 방식으로 덮는 가요성 외피.

특히 흥미로운 형태의 실시예에 의하면, 충격파를 발생시키는 수단은 압력 증대효과(pressure multiplying effect)를 확보하도록 제작된 피스톤을 포함하며, 상기 피스톤은 적용 툴의 챔버와 유체 연통하는 적용 툴의 상류 홀을 통해 병진/선형 운동으로 이동할 수 있으며, 상기 피스톤은 다음의 두 개의 단부를 포함한다:

- 적용 툴의 챔버의 내부로 연장하는 하류측 단부, 및

- 고속으로 선형운동으로 작동하기 위한 수단과 협동하는 상류측 단부.

이 경우에, 피스톤의 작동을 위한 수단은 바람직하게는 피스톤의 상류측 단부가 연장하는 상류측 공간을 포함하며, 상기 공간은 도전성 유체를 수용하도록 구성되며 상기 도전성 유체 내부에 충격파를 발생시키기에 적합한, 상기 도전성 유체 내로 방전을 일으키기 위한 수단을 구비하고 있다. 대안적인 방식으로, 피스톤 작동을 위한 수단은 자기공간(magnetic space)을 포함하며 상기 자기공간의 레벨로 피스톤의 상류측 단부가 연장하고, 상류측 단부는 피스톤의 고속 가속을 확보할 자력을 수용하는데 적합한 도전성 부품을 구비한다.

본 발명의 또 하나의 특징에 의하면, 적용 툴의 챔버는 상기 챔버 내에 진공을 생성하기 위한 수단 및 상기 챔버를 상기 성형 유체로 충전하기 위한 수단과 추가로 연결된다.

타깃 지지 부는 형틀(matrix) 또는 변형될 가공대상물 상에서 크림핑(crimping)될 부품일 수 있다.

본 발명은 또한, 위에 정의된 바와 같이, 전기 유압식 성형기를 위한, 충격파를 성형 유체에 적용하기 위한 툴에 관한 것이다.

본 발명은 또한 가공대상물의 벽의 돌출부를 여기 위에서 정의된 전기 유압식 성형기로 소성 변형하는, 예를 들면 원통형 관상 부품을 그의 팽창 또는 그의 성형(shaping)을 위하여 소성 변형하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은:

- 변형될 상기 가공대상물을 타깃 지지 부에, 예를 들면 팽창에 의해 크림핑될 부품을 포함할 수도 있는 형틀에, 위치 선정하는 단계;

- 변형될 벽의 돌출부 및 타깃 지지 부의 압인 부의 전방에 적용 툴의 하류측 홀 또는 홀들을 위치시키기 위하여 적용 툴을 위치 선정하는 단계;

- 적용 툴의 챔버에 함유된 성형 유체에 충격파를 발생시키는 단계; 및

- 상기 적용 툴에 대하여 소성 변형된 가공대상물을 추출하는 단계를 포함한다.

본 발명은 첨부 도면에 나타내어진 서로 다른 실시예의 다음의 설명에 의해, 전혀 제한 없이, 추가로 예시될 것이다.
도 1은 변형될 가공대상물의 돌출부의 소성변형 전(상부 절반) 및 후(하부 절반)의 본 발명에 따른 전기 유압식 성형기의, 길이방향 단면으로서의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기 유압식 성형기의 특정 실시예의, 길이방향 단면으로서의 개략도이며, 피스톤의 작동을 위한 수단은 "수력발전(hydroelectric)" 형이다.
도 3은 도 2에 보여진 성형기의 부분 확대도로서, 변형될 벽의 돌출부의 내면에 성형 유체를 적용하기 위한 성형기의 툴을 보여주는 도면이다.
도 4는 형틀 타입의 타깃 지지 부에서 원통형 관상 부품의 돌출부의 팽창에 대한 그리고 상기 돌출부의 소성변형 전(상부 절반) 및 후(하부 절반)의 돌출부에 대한, 도 3에 따른 적용 툴의 제1 실시예를 도시한다.
도 5는 팽창에 의해 크림핑될 부품의 타입의 원통형 관상 부품의 돌출부의 타깃 지지 부에서의 팽창에 대한 그리고 상기 돌출부의 소성 변형 전(상부 절반) 및 후(하부 절반)의 이 돌출부에 대한, 도 3에 따른 적용 툴의 제2 실시예를 도시한다.
도 6은 도 3에 따른 적용 툴을 도시하며, 여기서 기밀 수단은 추가된 가요성 외피에 의해 대체된다.
도 7은 본 발명에 따른 전기 유압식 성형기의 또 하나의 특정 실시예의 단면으로서의 개략도이며, 피스톤의 동작을 위한 수단은 "자기(magnetic)" 형이다.

도 1에 개략적으로 단면으로서 보여진 전기 유압식 성형기(1)는 가공대상물(P)을 성형 유체(F)를 이용하여 소성변형을 가능하게 한다.

일반적으로, 용어 "변형(deformation)", "성형(forming)", "성형(shaping)" 은 균등적으로 사용된다.

이 전기 유압식 성형기(1)는 재료를 성형하는 한도(limit)를 밀어내고 그것의 탄성복귀를 제한할 수 있는 고속 성형의 방법들을 실시하는 것을 가능하게 한다.

변형될 가공대상물(P)은 (티타늄 합금, 높은 탄성한계를 갖는 강과 같은) 금속재료들 또는 비-금속의, 연성의 또는 비-연성의 재료들 중에서 선택된 재료로 제조된다.

가공대상물(P)은 유리하게는 길이방향 축(P')을 가지며 내면(P11) 및 외면(P12)을 가지는 벽(P1)을 포함하는 원통형 관상 부품(cylindrical tubular piece)으로 이루어진다.

상기 가공대상물(P)의 벽(P1)의 "돌출(projectile)" 부(P13)는 "소성변형", 특히 스탬핑(stamping) 또는 드로잉(drawing) 형의, 물질을 변위시켜 얻어진 영구변형을 겪게 된다.

상기 소성변형은 유리하게는, 변형될 가공대상물(P)의 돌출부(P13)의, 불어로 "dudgeonnage"로 지칭되는, 반경방향 팽창(radial expansion) 또는 비딩(beading)을 포함한다(consist in).

그러므로, 성형 유체(F)는 변형될 벽(P1)의 돌출부(P13)의 내면(P11)에, 고속 및 고압으로 적용될 것이다. 그래서, 실시되는 것은 높은 유압을 이용하여 타깃 지지 부의 압인 부(imprint)로 고속으로 상기 벽(P1)의 돌출부(P13)를 압착하여(pressing) 얻는 것이다.

성형 유체(F)는 유리하게는 액체, 바람직하게는 물을 포함한다.

의도된 "고속" 은 100과 150 m/s 사이에 있으나 전혀 이에 제한되지 않고, 또한 의도된 "고압" 은 여기서 또한 수백 바(bar) 또는 수천 바(bar)보다 더욱더 높으나 전혀 이에 제한되지 않는다.

이 목적으로, 본 발명에 따라, 전기 유압식 성형기(1)는:

변형될 벽(P1)의 상기 돌출부(P13)를 수용하기 위한 타깃 지지 부(2);

상기 성형 유체(F) 내부에 충격파를 발생시키기 위한 수단(3) - 상기 충격파는 변형될 벽(P1)의 상기 돌출부(P13)의 원하는 소성변형을 일으키도록 구성됨 -; 및

변형될 벽(P1)의 돌출부(P13)의 내면(P11)에 상기 성형 유체(F)를 적용하기 위한 툴(4)(노즈(nose)라고도 지칭됨)을 주로 포함한다.

이후에 상술하는 바와 같이, 적용 툴(4)은 성형 유체(F)를 이용하여 돌출부(P13)에 충격파를 국부 적용하는 것을 가능하게 하며, 유리하게는 원통형 관상 부품의 부분인 환상 밴드의 반경방향 팽창을 일으키는 것을 가능하게 한다.

일반적으로, 돌출부(P13)의 "내면(internal face)"은 성형 유체(F)가 적용되는 면으로 해석될 것이고; 돌출부(P13)의 "외면(external face)"은 타깃 압인 부(imprint)로 밀려지고 타깃 압인 부와 맞추어질 반대 면으로 해석될 것이다.

타깃 지지 부(2)는 유리하게는 반경방향으로 팽창될 부품(또는 크림핑(crimping)될 부품)을 수용할 수 있는 형틀(matrix)로 구성된다.

타깃 지지 부(2)는 변형될 벽(P1)의 돌출부(P13)의 외면(P12) 전방에 놓여질 환상 압인 부(22)를 포함하는 원통형 관통공(21)을 포함한다.

상기 원통형 관통공(21)의 직경은 유리하게는, 클리어런스 (clearance) 내에서, 가공대상물의 벽(P1)의 외면(P12)에 의해 정의된, 변형될 가공대상물(P)의 외경에 상당한다.

따라서, 압인 부(22)의 프로파일은 특히, 변형될 벽(P1)의 돌출부(P13)에 대한 원하는 최종 형상의 함수로서 형성된다.

적용 툴(4)은 변형될 부품(P)의 길이방향 축(P')에 대하여 그리고 원통형 관통공(21)의 길이방향 축에 대하여, 동축으로, 또는 적어도 거의 동축으로, 연장하는 길이방향 축(4')을 갖는 원통형 관상 부재로 구성된다.

적용 툴(4)은 두 단부(41)를 포함한다:

성형 유체(F)에 충격파를 발생시키는 수단(3)과 협동하는 상류측 단부(41a); 및

상기 성형 유체(F)의 통과 및 상기 성형 유체(F)에서의 상기 발생된 충격파의 전파를 위한 수 개의 하류측 홀들(42)을 구비한 하류측 단부(41b).

적용 툴(4)은 두 개의 원통형 표면(43)을 추가로 포함한다:
원통형 내표면(43a) - 상기 원통형 내표면의 일부는 성형 유체(F)를 함유할 챔버(44)를 한정함 -; 및

원통형 외표면(43b) - 상기 원통형 외표면의 일부는 형틀(2)의 압인부(22) 전방 및 변형될 벽(P1)의 내면(P11)의 전방에 놓여짐 -.

적용 툴(4)의 원통형 외면(43b)의 직경은 유리하게는 클리어런스 내에서, 변형될 벽(P1)의 내면(P11)의 직경에 상당한다.

원통형 외면(43b)의 직경은 예를 들면, 수 밀리미터(예를 들면 2 내지 20 mm)와 수 센티미터(예를 들면 2 내지 5 cm) 사이에 포함된다.

적용 툴(4)의 하류측 홀들(42)은 변형될 벽(P1)의 돌출부(P13)의 전방 및 형틀(2)의 압인부(22)의 전방에서 끝난다.

하류측 홀들(42)은, 상기 챔버(44)로부터의 성형 유체(F)가 통과할 수 있도록, 특히 상기 성형 유체(F)에서 발생된 충격파의 타깃 지지 부(2)의 압인부(22)쪽으로의 최적 전파를 확보할 수 있도록, 구성된다.

그러므로, 하류측 홀들(42)은 종단부가 개구 형이며, 즉, 한편으로는 내부에 있는 챔버(44)와 유체 연통되어 있고 다른 한편으로는 적용 툴(4)의 주변 외표면(43b)의 레벨에서 종단부가 개구 형이다.

하류측 홀들(42)은 적용 툴(4)의 원주에 걸쳐서 규칙적으로 분포되어 있으며 일정한 각 섹터(angular sector)로 이격되어 있다. 하류측 홀들(42)은 적어도 2개이며; 여기서는 4개, 약 90°의 각 섹터로 두 개씩(two by two) 이격되어 있다.

각 하류측 홀(42)은 반경방향으로, 즉 적용 툴(4)의 축(4')을 통과하는 반경방향 축(방사 축) 상에서 연장한다.

또한, 하류측 홀들(42)은 각각 길쭉한 슬롯 형상으로, 길이방향 축이 적용 툴(4)의 길이 방향 축(4')과 평행하게 연장한다.

길이방향 축(4’)에 따른 상기 홀들(42)의 길이는 적어도 거의 벽(P1)의 길이방향 축(P’)에 따른 돌출부(P13)의 폭에 상당하거나 또는 타깃 지지 부(2)의 압인 부(22)의 폭에 상당하다.

상기 홀들(42)의 폭은 적용 툴(4)의 하류측 단부(41b)의 외주의 최대 부분을 점유하고 있는 반면에 작용하는 기계 변형률까지 견딜 수 있는 구조를 유지하도록 구성되어 있다.

적용 툴(4)의 외 표면(43b)은 그의 하류측 단부(41b) 측에, 하류측 홀들(42)이 끝나는 홈(46)을 추가로 포함한다.

상기 구조는 반경방향 팽창에 의해 변형될 돌출부(P13)의 모든 내측 원주에 결쳐서 성형 압력의 균일한 분포를 가능하게 한다.

이 목적으로, 일반적으로 환상 형상의 홈(46)은 적용 툴(4)의 외표면(43b)의 전체 원주에 걸쳐서 연장하고 또한 (적용 툴의 길이방향 축(4’)의 반대 측의) 주변부에서 끝난다.

상기 홈(46)의 길이는 하류 측 홀들(42)의 길이와 동일하거나 또는 적어도 대략 동일하다. 길이방향 축(4’)에 따른 상기 홈(46)의 길이는 벽(P1)의 길이방향 축(P')에 따른 돌출부(P13)의 폭에 또는 타깃 지지 부(2)의 압인 부(22)의 폭에, 적어도 대략 상당하다.

상기 홈의 깊이는 10분의 수 밀리미터, 예를 들면 0.3 mm와 0.7 mm의 사이에 포함된다.

그래서, 상기 홈(46)은 변형될 벽(P1)의 돌출부(P13)의 내 표면(P11)과 함께, 형틀(2)의 압인 부(22)의 전방에 액체의 저장부(R)를 형성한다.

적용 툴(4)은 또한 그의 하류측 홀들(42)의 레벨에서 그의 주변 표면(43b)에서 성형 유체(F)에 대한 기밀성(tightness)을 보장하기 위한 수단(47)을 추가로 포함한다.

상기 기밀 수단(7)은 하류측 홀들(42)의, 그리고 홈(46)의, 양 측(either side)에 성형 유체(F)의 작업구간을 제한하는데 기여한다.

여기서, 상기 기밀 수단(47)은 하류측 홀들(42)의, 그리고 홈(46)의, 하류측 홀들(42)의 양측에, 적용 툴(4)의 외 표면(43b) 둘레에 위치된 두 개의 오-링(47a)을 포함한다

그래서, 오-링들(47a)은 각각 상기 하류측 홀들(42) 및 상기 홈(46)에 대하여 하나는 상류에 다른 하나는 하류에 놓여진다.

상기 오-링들(47a)은 액체의 저장부(R)의 상류측/하류측 한계들을 정의하는데 관여하기 위하여, 적용 툴(4)의 외 표면(43b)과 변형될 벽(P1)의 내 표면(P11) 사이에 놓여지도록(getting in) 구성된다.

적용 툴(4)의 챔버(44)는 적용 툴의 하류측 단부(41b) 측에서, 적용 툴(4)의 하류측 부분에 걸쳐서 연장한다.

상기 챔버(44)는 전체적으로 원통형 형상을 가지며 직경d는 적용 툴(4)의 내 표면(43a)에 의해 정의된다.

예를 들면, 상기 챔버(44)는 수 밀리미터와 수 센티미터 사이에 포함된 직경 및 원하는 변형을 얻을 정도로 큰 체적을 갖는다.

하류측 단부에서 챔버(44)는 앞서 언급한 하류측 홀들(42)에 의해 반경방향으로 끝난다.

상류측 단부에서, 상기 챔버(44)는 적용 툴(4)의 길이방향 축(4’)에 대하여 동축으로 놓여진 상류측 홀(48)에 의해 끝난다.

상기 상류측 홀(48)은 챔버(44)와 유체 연통되어 있으며; 상기 상류측 홀은 챔버(44)에 함유된 성형 유체(F)에 충격파를 발생시키는 수단(3)과 연결되어 있다.

특히, “충격파”는 어떠한 이론에 구애받지 않고, 특히 급격한 천이(transition)와 관련된 파를 의미하는 것으로 이해되며; 그것은 특히 고압파의 형태를 갖는다.

또한, “충격파”는 성형 유체(F)를 통한 충격의 전파와 관련된 충격-형 이동(이동, 압력 및 임의의 기타 변수)을 의미하는 것으로 이해된다.

상기 “충격파”는 유리하게는 압력이 최대 상당한 중요한 값까지 급격하게 증가하는 파면(wave front)에 의해 특징지어진다.

여기서, 성형 유체(F)에 충격파를 발생시키는 수단(3)은 챔버(44)의 상류측 홀(48)을 통해 선형 운동으로 이동할 수 있는 피스톤(31)을 포함하며, 그리고 이것은 그의 길이방향 축(4’)에 동축으로 배향된 방향으로 놓여 있다.

피스톤(31)은 적용 툴의 상류측 단부(41a) 측에서, 적용 툴(4)의 상류 측 부분에 걸쳐서 연장한다.

상기 피스톤(31)은 두 양단부를 구비하고 있다:

적용 툴(4)의 챔버(44) 내부에 연장하고 성형 유체(F)와 접촉하고 있는 하류측 단부(31a); 및

성형 유체(F)에 원하는 충격파를 발생시키기 위하여 상류/하류 방향으로 고속으로 돌출하기 위한 수단(32)과 협동하는 상류측 단부(31b).

예를 들면, 피스톤(31)의 행정은 변형을 가능하게 하기 위해 이동될 액체의 체적보다 우위에 있으며; 그의 돌출 속력(projection velocity)은 100과 150 m/s 사이에 포함된다.

상기 피스톤(31)은 유리하게는 압력 증대효과(pressure multiplying effect)를 갖는 형식을 갖는다.

“압력 증대효과”는 피스톤(31)의 상류측 단부(31b)에서 발생된 압력의 적어도 두 배와 동일한 적용 툴(4)의 챔버(44) 내부의 압력을 의미하는 것으로 이해된다.

“압력 증대효과”는 유리하게는 피스톤(31)의 상류측 단부(31b)에 작용하는 압력과 그의 하류측 단부(31a)에 작용하는 압력 사이의 5 내지 15의 크기의 배수(a multiple of the order of 5 through 15) (예를 들면 10의 크기에 있음)를 의미하는 것으로 이해된다.

이 목적으로, 피스톤(31)의 하류측 단부(31a)는 피스톤(31)의 상류측 단부(31b)의 전면의 5 내지 15 분의 1의 크기를 갖는(of the order of 5 through 15 times less than the front surface) 전면(front surface)을 가진다. 피스톤(31)의 단면 관계는 압력의 증대를 이루는 것을 가능하게 한다.

예를 들면, 피스톤(31)의 하류측 단부(31a)의 전면의 직경은 10 mm와 20 mm 사이에 포함되며, 피스톤(31)의 상류측 단부(31b)의 전면의 직경은 50 mm와 70 mm 사이에 포함된다.

압력은 유리하게는, 상류 측으로부터 하류 측까지에서 5 내지 15의 크기의(예를 들면 10의 크기의) 인자가 곱해진다.

그래서, 상기 피스톤은 유체의 압력을 “증강시키는(intensifying)” 원리를 적용한다.

본 경우에 있어서, 피스톤(31)의 상류 측 단부(31b)는 피스톤의 헤드를 형성하며, 그의 하류 측 단부(31a)는 챔버(44) 내부로 연장하는 샤프트를 형성한다.

샤프트를 형성하는 피스톤(31)의 상기 하류 측 단부(31a)의 직경은 유리하게는 클리어런스 내에서, 챔버(44)의 직경과 동일하다.

실제로, 성형될 가공대상물(P)은 관통공(21) 내의 위치 선정에 의해 형틀(2)에 적절하게 끼워진다(lodged).

특히, 가공대상물의 벽(P1)의 돌출부(P13)는 상기 형틀(2)의 압인 부(22)의 전방에 축 방향으로(axially) 적절하게 끼워진다(lodged).

그 다음에, 적용 툴(4)이 상기 부품(P) 안으로 도입되며, 그에 따라 적용 툴의 하류 측 홀들(42)이 형틀(2)의 상기 동일한 압인 부(22)의 전방에 끼워진다.

이 목적으로, 적용 툴(4)은 전자가 후자에 대하여 동축으로, 가공대상물(P)의 자유 단부를 통한 선형 이동에 의해 도입된다.

적용 툴(4)의 하류측 단부(41b)와 변형될 벽(P1) 사이의 기밀성은 적용 툴(4)의 상기 외 표면(43b)과 상기 벽(P1)의 내 표면(P11) 사이에 놓여지는 기밀수단(47)에 의해 확보된다.

그 다음에, 성형 유체(F)가 하류측 홀들(42) 안으로 연장하여 챔버(44)를 완전하게 충전하고 상기 성형 유체가 액체의 저장부(R)를 형성하기 위한 챔버의 홈(46)을 충전하기 위하여, 적용 툴(4)은 성형 유체(F)로 적절하게 충전된다.

그 다음에, 피스톤(31)의 선형 운동의 작동을 위한 수단(32)이 수축된 상류 위치(도 1의 상부 절반)로부터 전개된 하류 위치(도 1의 하부 절반)로 그의 돌출을 일으키기 위하여 작동된다.

그래서, 피스톤(31)의 하류측 단부(31a)는 적용 툴(4)의 하류측 홀들(42)의 방향으로 고속으로 이동되며, 상기 이동은 적용 툴(4)의 챔버(44) 내부의 성형 유체(F)에 충격파를 일으킨다.

상기 충격파는 최대 액체의 저장부(R)까지 성형 유체(F)에서 전파된다.

그래서, 성형 유체(F)는 동적 반경방향 압력을 변형될 돌출부(P13)의 내면(P11)에 적용하며 상기 적용은 형틀(2)의 압인 부(22)에 맞을 때(참조. 도 1의 하부 절반)까지 돌출부의 반경방향 팽창을 고속으로 일으킨다.

일단 변형이 끝나면, 적용 툴(4)이 변형된 가공대상물(P)로부터 빼내어지고 결국, 상기 변형된 가공대상물이 형틀(2)로부터 빼내어진다.

새로운 가공대상물(P)을 성형하기 위해서는, 피스톤(31)을 그의 수축된 상류 위치(도 1의 상부 절반)에 설정하고 앞서 기술한 동작들을 재-수행하면 충분하다.

도 2 및 다음의 도면들은 본 발명에 따른 전기 유압식 성형기의 특정 실시예들을 예시한다.

도 2 및 도 3에 예시된 전기 유압식 성형기(1)는 도 1을 참고하여 여기 위에서 기술한 성형기의 형식을 취한다.

상기 전기 유압식 성형기는 타깃 지지 부(도시되지 아니함), 성형 유체(F)에 충격파를 발생시키는 수단(3), 및 성형 유체(F)를 변형될 벽의 돌출부(도시되지 아니함)에 적용하기 위한 툴(4)을 포함한다.

여기서도, 적용 툴(4)은 두 단부들을 가지는 원통형 길쭉한 관상 부재의 형상을 가진다:

- 성형 유체(F)에 충격 파를 발생시키는 수단(3)과 협동하는 상류측 단부(41a), 및

- 성형 유체(F)의 통과 및 성형 유체에 발생된 충격파의 전파를 위한, 수 개의 하류측 홀들(42)을 구비한 하류측 단부(41b).

상기 적용 툴(4)은 상기 두 개의 원통형 표면들을 추가로 포함한다:

- 성형 유체(F)를 함유할 챔버(44)를 정의하는 내 표면(43a), 및

- 형틀의 압인 부 및 변형될 벽의 내 표면의 전방에 놓여진 외표면(43b).

적용 툴(4)의 챔버(44)는 하류 측에서는, 액체의 저장부(R)를 정의할 홈(46)의 바닥에서 연장하는 하류측 홀들(42)에 의해서 끝나며 또한 상류 측에서는, 피스톤(31)이 연장하는 위치에 있는 상류측 홀(48)(피스톤(31)은 상류측 홀의 레벨에서 연장됨)에 의해 끝난다.

여기서, 적용 툴(4)의 챔버(44)는 단부가 개방된 2개의 도관들(6), 즉 상부 도관(6a)과 하부 도관(6b)을 구비한다(도 3).

상기 단부가 개방된 2개의 도관들(6a, 6b)은 서로 동축으로 위치하며 적용 툴(4)의 길이방향 축(4')에 수직이며 상기 길이방향 축의 양측에 위치한다.

단부가 개방된 상부 도관(6a)은 챔버(44)의 내부에 1차 공기 진공(air vacuum), 즉 예를 들면 1 과 1000 Pa 사이의 1차 공기 진공을 발생시키는 수단에 연결된다. 또한, 단부가 개방된 하부 도관(6b)은 상기 챔버(44)를 성형 유체(F)로 충전하고 뽑아내는 수단에 연결된다.

상기 수단의 기능은, 상기 전용 수단(3)에 의해 충격파의 발생 동안에 상기 챔버(44)에 압축성 공기의 매트리스(mattress)의 발생을 회피하는 것이다.

충격파를 발생시키는 수단(3)은 피스톤(31)을 포함하고, 이 피스톤의 동작용 수단(32)은 여기서 동작용 "수력발전(hydroelectric)" 수단을 포함한다.

일반적으로, "동작용 수력 - 발전 수단" 은 적절한 방전에 의해 도전성 유체에서 생성되는 충격파에 의해 발생된 추진력을 이용하여 피스톤의 돌출을 보장하는 장치를 의미한다.

여기서, 상기 동작용 수단(32)은 한 쌍의 전극들(32c) 및 피스톤(31)의 상류측 단부(31b)가 연장해 들어가는 챔버(32b)를 한정하는 공간(32a)으로 구성된다.

양 전극들(32c)은 앞서 기술한 챔버(32b)를 충전하는 도전성 유체(C) 내부에 방전을 일으킨다.

양 전극들(32c)은 공간(32a)의 양 측에 끼워지며; 양 전극들은 서로 떨어져 배열되며 서로의 전방에 놓여지며, 여기서 이것은 수직 또는 거의 수직 축을 따라 놓여진다.

상기 두 개의 전극(32c)은 충격파의 개시시간을 (특히, 가융 시간의 함수로서)(as a function of its time to fuse) 제어하기 위하여, 가융성(fusible) 통전와이어(도시되지 아니함)에 의해 연결될 수 있다.

공간(32c)은 유리하게는, 흡인 및 진공 도관들(도시되지 아니함)을 구비하며, 그것들의 기능은 방전 동안에 압축성 공기의 매트리스의 발생을 없애는 것이다.

여기서 또한, 상기 피스톤(31)은 압력 증대효과를 확보하도록 구성된다.

“압력증대효과" 는 유리하게는, 도전성 유체(C)에 의해 피스톤(31)의 상류측 단부(31b)에 작용하는 압력과 그의 하류측 단부(31a)에 의해 성형 유체(F) 내에 작용하는 압력 사이의 5 내지 15의 크기의 배수(a multiple of the order of 5 through 15)(예를 들면 10의 크기에 있음)를 의미하는 것으로 이해된다.

실제는, 피스톤(31)의 운동을 일으키기 위하여, 강한 방전(10분의 수 kV 및 kA)이 양 전극들(32c) 사이에서 극히 짧은 시간(수 마이크로 초와 수백 마이크로 초 사이)에 방출된다.

강한 전류는 공간(32b) 내부에 놓여진 도전성 액체(C)를 통과하여, 상기 도전성 액체(C)의 압력을 동적으로 상승시키는 1차 충격파를 발생시킨다.

발생된 1차 충격파는 하류 측으로 선형 운동에 의해 돌출되어 있는 피스톤(31)의 상류측 단부(31b)로 추진력을 발생시킨다.

상기 운동은 적용 툴(4)의 챔버(44)의 성형 유체(F) 내부에 최종 충격파를 발생시킨다.

추가로 설명된 바와 같이, 상기 최종 충격파는 가공대상물(P)을 고속으로 팽창시키기 위해서, 그리고 이것이 형틀(여기서는 도시되지 아니함)의 압인 부에 맞을 때까지, 최대로 홈(46)까지 성형 유체(F)에서 전파된다.

도 4는 형틀(2) 내에서 가공대상물(P)의 돌출부(P13)의 팽창을 위한, 도 3에 따른 적용 툴(4)의 실시 예를 도시한다.

이 경우에, 상기 돌출부(P13)는 (도 4의 하부 절반에 도시된 바와 같이) 성형 유체(F)에서 발생된 충격파의 영향 하에서 상기 형틀(2)의 압인 부(22)에 대하여 밀려져 있다.

도 5는 삽입에 의해 추가된 링(7)에서 부품(P)의 돌출부(P13)의 팽창을 위한 도 3의 적용 툴(4)의 실시 예를 도시한다.

여기서 타깃 지지 부를 형성하는 링(7)은 예를 들면 금속 부품, 예를 들면 페룰(ferrule) 형 금속 부품으로 구성된다. 그것은 형틀(2)의 압인 부(22)에 유지된다.

상기 링(7)은 가공대상물(P)의 돌출부(P13)가 형상화될 때 맞도록 접촉되는 압인 부를 형성하는 내 표면(71)을 포함한다.

실제로, 변형될 부품(P)의 돌출부(P13)는 성형 유체(F)에서 발생된 충격파의 영향 하에서, 추가된 링(7)의 압인 부(71)에 대고 밀려진다(도 5의 하부 절반에 도시된 바와 같음).

그래서, 상기 링(7)은 성형될 가공대상물(P)의 돌출부(P13)와 형틀(2)의 압인 부(22) 사이에 샌드위치 된다. 그래서 상기 링은 가공대상물의 돌출부(P13)의 반경방향 팽창에 의해 가공대상물(P)에 크림핑(crimping) 된다.

도 6은 도 2 및 도 3에 따른 적용 툴(4)을 도시하며, 여기서 적용 툴의 기밀 수단(47)은 가요성 외피(47b)로 구성된다.

여기서, 유체에 대하여 밀봉인 가요성 외피(47b)는 폴리우레탄과 같은 재료로 제조된 일종의 슬리이브로 구성된다.

상기 가용성 외피(47b)는 적용 툴(4)의 외 표면(43b)의 하류측 부분을 덮는다.

특히, 상기 가요성 외피(47b)는 적용 툴(4)의 하류측 홀들(42)의 전방으로 연장되고, 저장부(R)를 반경방향으로 한정하기 위해 홈(46)의 주변 개구부를 폐쇄한다.

상기 가요성 외피(47b)는 유리하게는, 하류측 홀들(42) 및 홈(46)의 양 측의 두 개의 칼라부(collars)(47c)에 의해 적용 툴(4)에 고정된다.

본 실시예는 흥미로운데 그 이유는 가요성 외피가 저장부(R)를 한정하며 그래서 그것이 성형 유체(F)의 임의의 누설을 없애기 때문이다. 이 때문에, 진공을 생성하고 충전하는 작업들이 각 성형 동작에서 반복되지 않는다.

이러한 툴(4)은, 상기 가요성 외피(47b)와 함께, 도 1 내지 도 5를 참고하여 좀 더 기술되는 것과 동일한 방식으로 실시된다.

도 7은 위에서 기술한 것의 형식의 전기 유압식 성형기(1)를 도시한다.

상기 성형기는 타깃 지지 부(도시되지 아니함), 성형 유체(F) 내부에 충격파를 발생시키는 수단(3), 및 변형될 벽의 돌출부(도시되지 아니함)에 성형 유체(F)를 적용하는 툴(4)을 포함한다.

충격파를 발생시키는 수단(3)은 피스톤(31)을 포함하고, 이 피스톤의 동작용 수단(32)은 여기서 동작용 "자기(magnetic)" 수단을 포함한다.

동작을 위한 "자기" 수단(32)은 자기장 집속 수단(concentrating means for the magnetic field)이 있거나 또는 상기 집속 수단이 없는, 코일(32s)을 구비한 자기 공간(32m)을 포함한다.

피스톤(31)의 상류측 단부(31b)는 자기공간(32m)에 위치된다.

여기서, 상기 상류측 단부(31b)는 도전성의 부품(31c)을 포함하여, 피스톤(31)의 고속 가속을 보장하는 자기 추진력까지 견딜 수 있는 추진 장치를 형성한다.

여기서, 추진 부품(31c)은 코일(32c)을 변경시키지 않고, 자기장의 집속 수단의 각도를 조정할 수 있는 커다란 코어(massive core)를 구성한다.

추진 부품(31c)의 주변 표면의 기계가공은 상류 측으로부터 하류 측으로 발산하는(갈라지는) 테이퍼진 부품을 얻는 것을 가능케 한다.

상기 추진 부품(31c)은 피스톤(31)을 이동하게 만드는 (상기 추진 부품(31c)의 길이방향 축에 대한) 정의 각 α를 갖는다.

발생된 축력(axial force)은 장-집속 장치(field-concentrating device)의 각 α의 함수이다.

상기 각 α의 증가는 추진 장치(31c)와 그의 관련 피스톤(31)에서 발생된 추진 트러스트(propulsion thrust)의 증가를 가능하게 한다.

동작을 위한 "자기" 수단(32)의 임의의 다른 형태도 가능하다.

예를 들면, 장-집속 장치 없이(예를 들면 테이퍼진 코일을 구비한) 코일을 사용하는 것은 가능하며; 그 때 각도 α는 고정되며 그래서 변하지 않는다.

코일은 또한 스파이럴 형태로 기계가공된 평탄 코일로 구성될 수 있으며, 평탄코일의 축은 피스톤에 적어도 거의 동축으로 연장하며; 코일 전방의 피스톤은 커패시터들의 방전에 의해 발생된 트러스트를 직접적으로 받는다.

그래서, 본 발명은 가공대상물, 유리하게는 관상 반경방향 형태의 가공대상물의 동적 반경방향 팽창에 대한 흥미로운 기술적 해결방안을 제공한다.

상기 부품의 고속 변형은 탄성 복귀를 제한하는 것을 가능하게 하며, 그래서 그의 소성 변형에 조력한다.

본 발명에 따른 성형기는 여러 가지 이점들을 제공한다. 특히:

- 가공대상물(P)을 오염시키지 않고 크림핑(crimping)할 수 있음.

- 탄성 복귀가 없음.

- 매우 짧은 성형 시간(수 밀리 초).

- 모든 형태의 재료에 적용할 수 있음

- 자동화할 수 있음

- 작은 직경, 예를 들면, 수 밀리미터와 수 센티미터 사이의 작은 직경을 갖는 관상 부품들을 반경방향으로 팽창시킬 수 있음.

Claims (11)

1. 성형될 가공대상물(P)의 벽(P1)의 돌출부(P13)를, 상기 돌출부(P13)의 내면(P11)에 적용될 성형 유체(F)로 소성 변형하기 위한 전기 유압식 성형기로서, 상기 전기 유압식 성형기(1)는:
   - 성형될 상기 가공대상물(P)의 상기 돌출부(P13)를 수용하기 위한 타깃 지지 부(2, 7)로서, 상기 돌출부(P13)의 외면(P12)의 전방에 놓여질 압인 부(22, 71)를 포함하는 타깃 지지 부(2, 7),
   - 상기 성형 유체(F) 내부에 충격파를 발생시키는 수단(3)으로서, 상기 돌출부(P13)에 소정의 소성 변형을 일으키도록 형성된 수단(3)을 포함하며,
   상기 전기 유압식 성형기(1)는 상기 성형 유체(F)를 상기 돌출부(P13)의 내면(P11)에 적용하기 위한 적용 툴(4)을 포함하며, 상기 적용 툴(4)은:
   - 상기 성형 유체(F)를 함유할 챔버(44)로서, 상기 챔버(44)에 함유될 성형 유체(F)에 충격파를 발생시키는 상기 수단(3)과 협동하는 챔버(44), 및
   - 변형될 벽(P1)의 돌출부(P13)의 전방에서 끝나고 또한 상기 성형 유체(F)의 통과 및 발생된 충격파의 상기 타깃 지지 부(2, 7)의 압인 부(22, 71) 쪽으로의 전파를 위해 상기 챔버(44)와 유체 연통하는, 적어도 하나의 하류측 홀(42)을 포함하고,
   상기 충격파를 발생시키는 수단(3)은 압력 증대효과를 확보하도록 구성된 피스톤(31)을 포함하며, 상기 피스톤(31)은 적용 툴의 챔버(44)와 유체 연통하는 적용 툴(4)의 상류측 홀(48)을 통해 선형 운동 방식으로 이동할 수 있으며, 상기 피스톤(31)은 2개의 단부들:
   - 적용 툴(4)의 챔버(44) 내부로 연장하는 하류측 단부(31a), 및
   - 고속으로 선형 운동하는 피스톤의 동작용 수단(32)과 협동하는 상류측 단부(31b)를 포함하고,
   피스톤(31)의 동작 수단(32)은 피스톤(31)의 상류측 단부(31b)가 연장하는 상류측 공간(32a)을 포함하며, 상기 상류측 공간(32a)은 도전성 유체(C)를 수용하도록 구성되며 상기 도전성 유체(C) 내부로 충격파를 발생시키도록 구성된, 상기 도전성 유체(C) 내로 방전을 일으키는 수단(32c)을 구비하는 전기 유압식 성형기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 적용 툴(4)은 상기 성형 유체(F)로 충전되는 챔버(44)를 한정하는 원통형 관상 부재로서 형상화되며 두 단부들(41):
   - 상기 성형 유체(F)에 충격파를 발생시키기 위한 수단(3)과 협동하는 상류 측 단부(41a), 및
   - 상기 성형 유체(F)의 통과 및 상기 발생된 충격파의 전파를 위한 수 개의 하류 측 홀들(42)을 구비한 하류 측 단부(41b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 유압식 성형기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 적용 툴(4)의 하류 측 홀들(42)은 상기 적용 툴(4)을 거쳐 반경방향으로 끝나며 상기 하류 측 홀들은 적용 툴의 하류 측 단부(41b)의 외주에 걸쳐서 분포되는 것을 특징으로 하는 전기 유압식 성형기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 적용 툴(4)의 하류측 단부(41b)는 원통형 외표면(43b) - 홈(46)이 상기 원통형 외표면 내에 형성되고 이 원통형 외표면 내로 하류측 홀들(42)이 끝남 - 을 포함하며, 상기 홈(46)은 타깃 지지 부(2, 7)의 압인 부(22, 71)의 전방에 액체의 저장부(R)를 형성하기 위한 것을 특징으로 하는 전기 유압식 성형기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적용 툴(4)은 성형 유체(F)의 작업구간을 제한하기 위하여, 상기 하류측 홀 또는 홀들(42)의 레벨에 성형 유체(F)에 대한 기밀성을 확보하기 위한 기밀 수단(47)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 유압식 성형기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 기밀 수단(47)은:
   - 상기 하류측 홀 또는 홀들(42)의 양측에 제공되며 상기 적용 툴(4)과 변형될 가공대상물(P) 사이에 끼워지도록 구성된 밀봉 부재들(47a), 또는
   - 상기 적용 툴(4)의 하류측 홀 또는 홀들(42)을 유체 밀봉되도록 덮는 가요성 외피(47b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 유압식 성형기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 적용 툴(4)의 챔버(44)는:
   - 상기 챔버(44) 내부에 진공을 발생시키는 수단, 및
   - 상기 성형 유체(F)로 상기 챔버(44)를 충전하는 수단과 추가로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 유압식 성형기.
8. 제1항에 있어서,
   원통형 관상 부품으로 이루어진 성형될 가공대상물(P)의 벽(P1)의 돌출부(P13)를 소성 변형하기 위한 전기 유압식 성형기.
9. 제1항에 따른 전기 유압식 성형기(1)로 가공대상물(P)의 벽(P1)의 돌출부(P13)를 소성 변형하는 방법으로서, 상기 방법은:
   - 변형될 상기 가공대상물(P)을 타깃 지지 부(2, 7)에, 또는 팽창에 의해 크림핑될 부품(7)을 포함할 수도 있는 형틀(2)에, 위치 선정하는 단계;
   - 변형될 벽(P1)의 돌출부(P13) 및 타깃 지지 부(2, 7)의 압인 부(22, 71)의 전방에 적용 툴(4)의 하류측 홀 또는 홀들(42)을 위치시키기 위하여 적용 툴(4)을 위치선정하는 단계;
   - 적용 툴(4)의 챔버(44)에 함유된 성형 유체(F)에 충격파를 발생시키는 단계; 및
   - 상기 적용 툴(4)에 대하여 소성 변형된 가공대상물(P)을 추출하는 단계를 포함하고,
   강한 전류가 공간(32b) 내부에 위치한 도전성 액체(C)를 통과하여 도전성 액체(C)의 압력을 동적으로 상승시키는 1차 충격파를 발생시키고,
   발생된 1차 충격파는 선형 운동에 의해 하류측으로 돌출된 피스톤(31)의 상류측 단부(31b)에 추진력을 생성하며,
   상기 선형 운동은 적용 툴(4)의 챔버(44)의 성형 유체(F) 내부에 최종 충격파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서,
    팽창 또는 성형을 위하여 원통형 관상 부품으로 이루어진 가공대상물(P)의 벽(P1)의 돌출부(P13)를 전기 유압식 성형기(1)로 소성 변형하는 방법.
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