KR20050019041A - 교반성형장치 및 그 방법 - Google Patents

교반성형장치 및 그 방법

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KR20050019041A
KR20050019041A KR1020040062920A KR20040062920A KR20050019041A KR 20050019041 A KR20050019041 A KR 20050019041A KR 1020040062920 A KR1020040062920 A KR 1020040062920A KR 20040062920 A KR20040062920 A KR 20040062920A KR 20050019041 A KR20050019041 A KR 20050019041A
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Abstract

본 발명은 비평면의 원하는 형상으로 소재를 성형하는 장치와 방법에 관한 것으로, 쇼울더와 핀을 가지는 적어도 하나의 마찰교반성형기구가 원하는 형상으로 소재를 가압하고 소재를 마찰교반성형하는 데에 사용된다. 이 마찰교반성형기구는 이 마찰교반성형기구로부터 구조용 부재의 맞은 편에 있는 다이나 쇼울더의 외형면 에 대하여 소재를 가압할 수 있다. 그러므로, 마찰교반성형기구는 소재의 일부에 가소성을 주고, 원하는 형상으로 소재를 가압한다. 또한, 소재의 재료의 성질은 마찰교반공정에 의해서 개선될 수 있다.

Description

교반성형장치 및 그 방법{Stir forming apparatus and method}
본 발명은 구조용 부재(structural member)를 성형하는 것에 관한 것으로, 특히 마찰교반공정(friction stir processing)과 관련하여 구조용 부재를 성형하는 것에 관한 것이다.
원하는 모양으로 구조용 부재를 성형하는 것은 단조, 스탬핑(stamping), 벤딩(bending), 기계가공 등에 의해서 이루어질 수 있다. 예컨대, 강철이나 알루미늄, 티타늄 또는 이들의 합금과 같은 금속의 평평한 시트(sheet)로 이루어지는 예비성형품(preform)이나 블랭크(blank)는 단조로(鍛造爐)에서 가열되고 망치로 두드려져서 원하는 구조용 부재의 모양으로 가공된다.
또한, 구조용 부재의 원하는 형상에 따라 성형면을 형성하는 2개의 마주보는 다이(die) 사이에서, 구조용 부재를 원하는 모양으로 스탬핑 하거나 단조하는 데에 기계적인 압력이나 유압이 사용될 수 있다. 이와 같은 성형방법은 원하는 모양의 주조용융재료(casting molten material)보다 일반적으로 더 빠르고 더 저렴하며, 곡선(curve)과 각(angle) 등과 같은 복잡한 모양을 구조용 부재에 부가할 수 있다. 그러나, 예비성형품의 특별한 재료에 따라, 예컨대, 예리한 각의 성형이나 다른 큰 변형이 있는 성형과 같은 과도한 성형으로부터 크랙(crack)이나 약화된 부분이 발생할 수 있다. 그러므로, 매우 복잡한 구조용 부재의 성형에는 다수의 기초부재가 성형된 후 용접이나 다른 결합방법에 의해 결합시키는 것이 필요하다. 또한, 예컨대 용화열처리(solution heat treatment)와 경시변화(aging) 및 담금질 등의 열처리와 같은 이어지는 재료처리(material processing)가 성형된 구조용 부재의 원하는 성질을 얻기 위해서 요구될 수 있다. 이러한 추가작업은 구조용 부재의 제조시간과 제조비용을 더 증가시킨다.
또한, 구조용 부재는 원하는 모양으로 성형되기 전에 처리될 수 있다. 예컨대, 제안된 한 방법에 따라 예비성형품이 평평한 형상으로 지지되고 이어서 마찰교반용접기구(friction stir welding tool)가 이 예비성형품으로 유도되고 회전되면서 예비성형품의 재료에 가소성(可塑性)을 준다. 예비성형품의 부분이 마찰교반처리되도록 마찰교반용접기구는 이후에 예비성형품의 표면 위에서 지속적으로 이동한다. 예비성형품은 이후에 예컨대 단조나 스탬핑 또는 벤딩 등에 의해서 원하는 구조용 부재의 모양으로 성형된다. 이와 같은 마찰교반공정은 예비성형품의 입자구조를 정제하여 구조용 부재의 재료의 성질을 개선시킨다. 그러나, 이러한 공정은 시간이 많이 들고 구조용 부재의 제조 비용을 더 증가시킨다.
그러므로, 구조용 부재의 성형을 위한 장치와 공정의 개선의 필요성이 있으며, 이러한 공정은 복잡한 기하학적 형상의 구조용 부재를 포함해서 구조용 부재의 다양한 형상을 성형하는 것이 가능해야만 한다. 또한, 이러한 공정은 원하는 재료의 성질을 가지는 구조용 부재를 만들어야 한다.
본 발명은 상기와 같은 필요성을 충족하기 위해서 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 적어도 하나의 마찰교반성형기구를 가지고 비평면의 원하는 형상으로 소재를 성형하기 위한 장치와 방법을 제공하는 것이다. 또한, 소재의 일부에 가소성을 주고 소재를 원하는 형상으로 가압하여, 소재의 입자구조를 정제하는 마찰교반성형기구를 제공하는 것이다. 이로 인해서, 복잡한 모양을 포함해서 어떤 원하는 형상으로도 소재가 성형될 수 있도록 하며, 소재의 재료의 성질을 개선하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 한 실시예에 따른 장치는 소재의 원하는 형상에 대응하는 돔(dome)모양과 같은 외형면이 형성되어 있는 다이를 포함한다. 또한, 이 다이에는 소재에 성형될 형상에 대응하는 상세형상부(detail feature)가 형성될 수 있다. 쇼울더와 이로부터 뻗은 회전 가능한 핀을 포함하는 마찰교반성형기구는 쇼울더와 핀을 다이의 외형면 쪽으로 가압하도록 되어 있다. 쇼울더는 다이에 대하여 그리고 원하는 형상으로 소재를 가압하고, 핀은 적어도 부분적으로 소재를 침투하며 정제된 입자구조(refined granular structure) 에 의해서 형성된 마찰교반성형된 영역을 형성하도록 회전한다. 또한, 이 장치는 다이의 외형면에 대응하는 소정의 경로를 따라 즉, 적어도 2개의 선형방향과 적어도 2개의 회전축 주위로 마찰교반성형기구를 조정하기 위한 액츄에이터를 포함한다. 또한, 다이는 마찰교반성형기구에 대하여 회전할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 장치는 쇼울더가 그 사이에 소재를 수용하기 위해서 대체적으로 안쪽으로 향하도록 마주보는 형상으로 제1마찰교반성형기구와 제2마찰교반성형기구를 포함한다. 이 마찰교반성형기구는 핀이 적어도 부분적으로 소재를 침투하도록 소재의 반대쪽 면에 대하여 안쪽 방향으로 하나 이상의 액츄에이터에 의해서 조정된다. 핀은 소재에 마찰교반성형된 영역을 형성하기 위해서 회전되고, 액츄에이터는 쇼울더가 원하는 형상으로 소재를 가압하도록 소재의 비평면의 원하는 형상에 따르는 소정의 경로를 따라 마찰교반성형기구를 조정한다.
또한, 본 발명은 소재를 성형하는 방법을 제공한다. 소재는 다이에 대하여 적어도 부분적으로 지지되고, 마찰교반성형기구의 쇼울더는 소재에 대하여 가압된다. 핀은 적어도 부분적으로 소재를 침투하고 소재는 외형면에 대하여 굽혀진다. 마찰교반성형기구의 핀은 소재의 일부에 가소성을 주기 위하여 소재 내에서 회전하여, 정제된 입자구조를 가지는 마찰교반성형된 영역을 형성한다. 이 마찰교반성형기구는 쇼울더가 비평면의 원하는 형상으로 소재를 가압하도록 다이의 외형면에 따르는 소정의 경로로 조정된다. 소재의 전체 표면에 가소성을 줄 수 있어서, 소재의 표면의 입자구조를 정제한다. 또한, 2개 이상의 구조용 부재가 제공될 수 있고 결합되어 소재를 형성한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방법은 제1마찰교반성형기구와 제2마찰교반성형기구에 의해서 소재를 성형하는 단계를 포함하고, 이 마찰교반성형기구는 쇼울더가 그 사이에 지지된 소재 쪽으로 대체적으로 안쪽으로 향하도록 마주보는 형상으로 되어 있다. 제1마찰교반성형기구와 제2마찰교반성형기구의 쇼울더는 소재의 각 면에 대하여 가압되고, 제1마찰교반성형기구와 제2마찰교반성형기구의 핀은 적어도 부분적으로 소재의 각 면을 침투한다. 핀은 소재의 반대쪽 부분에 가소성을 주기 위해서 회전되어서, 소재 내에 정제된 입자구조를 가지는 반대쪽의 마찰교반성형된 영역을 형성한다. 또한, 마찰교반성형기구는 쇼울더가 비평면의 원하는 형상으로 소재를 가압하도록 이에 따르는 소정의 경로로 조정된다.
일반적인 용어로 본 발명을 설명하였지만, 첨부도면을 참조로 자세히 설명한다. 본 발명의 모든 실시예가 아닌 일부 실시예가 도시된 첨부도면을 참조로 하여 본 발명을 더 자세히 설명한다. 또한, 본 발명은 많은 다른 형태로 실시될 수 있으며 여기에서 설명되는 실시예만으로 한정되지는 않는다. 또한, 이러한 실시예는 본 특허명세서가 실제 적용가능하며 합당한 요구를 만족시키도록 제시되어 있다. 같은 참조번호는 같은 부재를 나타낸다.
도 1은 원하는 형상으로 소재(100)를 성형하기 위한 성형장치(10)를 도시한 사시도이다. 소재(100)는 강철이나 알루미늄, 티타늄 또는 이들의 합금과 같은 금속과 중합체 및 마찰교반공정에 적합한 다른 재료로 형성될 수 있다. 소재(100)는 구조용 패널(structural panel), 브래킷(bracket), 튜브(tube), 캡(cap) 등을 포함하나, 이에 제한되지 않는 다양한 응용물에 사용될 수 있다. 예컨대, 돔(dome)모양의 소재(100)와 튜브형 소재(110;도 3에 도시됨)가 성형되어, 닫혀진 또는 부분적으로 닫혀진 용기를 만들기 위해서 결합될 수 있다. 소재(100)는 우주항공용과, 항공용 및 해양용의 운송수단을 위한 구조용 부재나, 압력용기와 무기류와 같은 다른 구조물로서 사용될 수 있다.
성형장치(10)는 다이(20;die)를 포함하고, 이 다이에는 소재(100)의 비평면의 원하는 형상에 따라 외형면(22;contour surface)이 형성되어 있다. 도 1에 도시된 다이(20)의 외형면(22)은 돔모양이나, 다이의 외형면(22)은 복잡한 곡선(curve)과 각(angle) 등을 포함하는 다른 모양으로 형성될 수도 있다. 바람직하게는, 외형면(22)은 평면이 아니다. 즉, 외형면(22)은 하나 이상의 곡선이나 각 또는 비평면의 형상을 형성한다. 예컨대, 비평면의 표면은 소정의 각도로 배치된 2개 이상의 평면부에 의해서 형성될 수 있다. 비평면의 표면은 또한 평면의 다이에 릿지(ridge)나 채널(channel) 또는 다른 형태를 위치시켜서 형성될 수도 있다. 다이(20)는 베이스(30)나 프레임에 고정되고, 이 베이스나 프레임은 다이(20)를 회전시키거나 이동시키도록 되어 있다. 다이(20)는 예컨대 소재(100)가 외형면(22)의 일부와 접촉하도록 부분적으로 소재(100)를 수용한다. 볼트(24)나 다른 결합장치는 소재(100)를 다이(20)의 외형면(22)에 고정하는 데에 사용될 수 있다.
또한, 성형장치(10)는 쇼울더(42;shoulder)와 핀(44;pin)과 함께 마찰교반성형기구(40;friction stir forming tool)를 포함한다. 액츄에이터(50)가 마찰교반성형기구(40)를 회전시키고 다이(20)와 소재(100)에 대하여 마찰교반성형기구(40)를 조정하도록 되어 있다. 그러므로, 액츄에이터(50)는 회전하는 마찰교반성형기구(40)를 소재(100)쪽으로 전진시킬 수 있어서 적어도 부분적으로 핀(44)이 소재(100)의 제1면(102)을 침투하도록 할 수 있다. 또한, 액츄에이터(50)는 회전하는 핀(44)이 소재(100)를 통해서 이동하도록 소정의 경로를 따라 마찰교반성형기구(40)를 조정하도록 되어 있다. 예컨대, 액츄에이터(50)는 액츄에이터(50)를 지지하거나 이동시키는 링크장치나 프레임(52)에 연결될 수 있다. 특별히, 액츄에이터(50)나 프레임(52)은 컴퓨터 수치 제어되는(CNC;computer numeric controlled) 장치일 수 있고, 이 장치는 일반적으로 기계가공용 헤드를 제어하는 데에 사용되는 것과 같이 프로그램 가능하다.
회전하는 핀(44)이 소재(100)를 통하여 이동함에 따라 핀(44)은 소재(100)의 한 영역을 마찰에 의하여 가열하여 이 영역을 가소화시킨다. 가소성이 주어진 영역은 이후 냉각되고 경화되어 도 2에 도시된 바와 같이 정제된 입자구조를 가지는 마찰교반성형된 영역(114)을 형성한다. 그러므로, 본 발명의 마찰교반작업으로부터 발생하는 소재(100)의 재료의 성질에 대한 영향은 토마스 등의 미국특허 제 5,460,317호에 설명된 마찰교반용접으로부터 발생하는 것과 비슷하거나 같다. 일반적으로 마찰교반성형으로부터 발생하는 소재(100)의 정제된 입자구조의 결과로서, 소재(100)의 재료의 성질이 예컨대, 소재(100)의 강도와 부식저항성을 증가시켜서 개선될 수 있다.
마찰교반성형기구(40)나 다이(20)는 소재(100)를 통하여 마찰교반성형기구(40)가 이동되도록 조정할 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 것처럼 베이스(30)에 대하여 다이(20)와 소재(100)를 수동으로 또는 액츄에이터(도시되지 않음)에 의해서 회전시키도록 된 회전장치(32)에 의해서 다이(20)는 베이스(30)에 연결된다. 또한, 마찰교반성형기구(40)는 도 2에 도시된 것처럼 다이(20)의 외형에 따라 아크(arc)형태로 액츄에이터에 의해서 조정되도록 되어 있다. 즉, 마찰교반성형기구(40)는 곡선경로를 통하여 이동되고 핀(44)의 길이방향에 수직한 축 주위로 회전하여, 핀(44)은 소재(100)를 통하여 이동한다. 그러므로, 마찰교반성형기구(40)와 다이(20)는 핀(44)이 소재(100)의 제1면(102)의 전체를 통하여 이동하도록 조정될 수 있다. 예컨대, 마찰교반성형기구(40)는 다이(20)가 회전하는 동안에 소재(100)의 중앙으로부터 방사상 바깥쪽으로 소재(100)의 단부를 향하여 조정될 수 있어서, 소재(100)를 통하여 나선형 경로로 핀(44)을 조정한다.
다른 실시예에서, 마찰교반성형기구(40)와 다이(20)는 서로에 대하여 다른 방법으로 이동될 수 있다. 예컨대, 마찰교반성형기구(40)가 소재(100)의 제1면(102)의 전체를 통하여 이동하는 동안 다이(20)는 정적으로 고정될 수 있고, 마찰교반성형기구(40)는 쇼울더(42)가 다이(20)의 외형면(22)이나 소재(100)의 제1면(102)에 실제적으로 평행하게 유지되도록 다중 축 주위로 회전될 수 있다. 어떤 경우에는, 쇼울더(42)가 소재의 표면으로 가압되기 때문에, 즉 핀(44)이 핀(44)과 동일선상의 점에서 외형면(22)에 접하는 평면에 수직하기 때문에 핀(44)이 소재(100)의 표면에 실제적으로 수직하게 유지되도록 핀(44)은 쇼울더(42)에 수직할 수 있다.
핀(44)은 소재(100)의 전체 두께를 통하여 뻗을 수 있도록 충분히 길 수 있다. 또한, 핀(44)은 예컨대 소재(100)의 두께의 대략 반 정도로 소재(100)의 두께보다 짧을 수 있다. 또한, 핀(44)이 도 2에 도시된 것처럼 뻗고, 도 1에 도시된 것처럼 후퇴될 수 있도록 핀(44)은 쇼울더(42)에 대하여 조정될 수 있다. 그러므로, 마찰교반성형기구(40)는 다른 두께의 소재(100)를 처리하는 데에 사용될 수 있다. 또한, 핀(44)이 다른 깊이로 소재(100)의 다른 부분을 침투할 수 있도록 소재(100)를 처리하는 동안에 핀(44)은 조정될 수 있다. 예컨대, 만약 소재(100)의 두께가 균일하지 않다면, 소재(100)의 더 두꺼운 부분을 처리하는 동안에 핀(44)은 뻗을 수 있고 소재(100)의 더 얇은 부분을 처리하는 동안에는 후퇴될 수 있다. 또한, 핀(44)은 각 공정작업이 시작하는 동안에 쇼울더(42)로부터 소재(100)로 뻗을 수 있거나, 각 공정작업의 끝에서 쇼울더(42)로부터 그래서 소재(100)로부터 후퇴될 수 있다.
핀(44)이 소재(100) 전체를 통하여 이동함에 따라서, 쇼울더(42)는 소재(100)에 대하여 가압되고 소재(100)를 외형면(22)쪽과 원하는 형상이나 소재(100)로 가압한다. 그러므로, 소재(100)는 평평한 형상에서 시작될 수 있고 굽혀질 수 있거나 그렇지 않으면 도 2에 도시된 것처럼 원하는 모양으로 성형될 수 있다. 또한, 도 2에서 소재(100)의 두께가 균일하게 도시되었다 하더라도, 쇼울더(42)는 소재(100)의 처리된 부분으로부터 가소성이 주어진 재료를 가압할 수 있어서 소재(100)에 비균일성을 형성하거나, 전체적으로 더 얇은 균일한 소재(100)를 형성한다. 소정의 경로는 실제적으로 제1면(102)의 전체의 입자구조가 정제되도록 소재(100)의 제1면(102) 전체를 통과할 수 있다. 또한, 핀(44)은 단지 예컨대, 점진적으로 떨어져 있는 위치나 입자의 정제가 소재(100)에 요구되는 특별한 부분과 같은 소재(100)의 선택영역을 통과할 수 있다. 또한, 소재(100)가 다이(20)에 대하여 성형됨에 따라 이에 따르는 세부형상이 소재(100)에 형성되도록 홈(groove)과 릿지, 구멍(aperture) 및 노브(knob) 등과 같은 세부형상부(26)가 외형면(22)에 제공될 수 있다. 도 1과 도 2에 도시된 세부형상부(26)는 다이(20) 주위로 원주방향으로 뻗는 홈이고, 이 홈은 이에 대응하는 릿지가 소재(100)에 형성될 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 성형장치(10a)는 소재(100)를 다른 부재 여기에서는 튜브형 소재(110)에 결합하는 데에 사용될 수 있다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 다이(20)에는 도 1에 도시된 것과 비슷한 돔모양의 형상이 형성되어 있다. 그러나, 추가의 튜브형 소재(110)가 소재(100)에 가깝게 위치될 수 있도록 하기 위해서 확장부(28)가 베이스(30)와 다이(20)의 사이에 위치된다. 튜브형 소재(110)는 지지부재(34)에 의해 지지되어, 소재(100)가 원하는 형상으로 성형될 때 그 사이에 접촉면(112)이 형성되도록 튜브형 소재(110)는 소재(100)에 인접하게 위치된다. 또한, 조임부재(36)가 튜브형 소재(110)를 지지부재(34)에 고정시키기 위해서 제공될 수 있다. 또한, 튜브형 소재(110)와 다이(20)는 회전장치(32)에 의해서 지지되고 마찰교반성형기구(40)에 대하여 회전 가능하다. 도 3에 도시된 바와 같이, 마찰교반성형기구(40)의 핀(44)은 소재(100)와 튜브형 소재(110)의 접촉면(112)에 삽입될 수 있고, 핀(44)이 접촉면(112)에 의해서 형성되는 원주방향의 경로를 통하여 조정되도록, 소재(100)와 튜브형 소재(110)는 회전장치(32)에 의해서 회전될 수 있다. 마찰교반성형기구(40)는 접촉면(112)에서 튜브형 소재(110)와 소재(100)의 재료를 마찰에 의해서 가열하고 이에 가소성을 주어서, 접촉면(112)에서 마찰교반용접결합부를 형성한다. 그러므로, 소재(100)가 성형된 후에, 소재(100)는 추가의 튜브형 소재(110)에 결합될 수 있고, 이 결합은 성형작업에서 사용되는 것과 같은 성형장치(10a)에서 수행될 수 있다.
도 4와 도 5는 본 발명에 따른 다른 성형장치(10b)를 도시한 것이고, 여기에서 소재(100)는 2개의 마주보는 마찰교반성형기구(40a,40b)에 의해서 성형된다. 각 마찰교반성형기구(40a,40b)는 전술된 마찰교반성형기구(40)와 비슷할 수 있으며, 쇼울더(42a,42b)와 이로부터 뻗는 핀(44a,44b)을 포함한다. 쇼울더(42a,42b)가 소재(100)의 마주보는 제1면(102)과 제2면(104)쪽으로 안쪽을 향하게 하기 위해서 마찰교반성형기구(40a,40b)는 소재(100)의 반대쪽에 위치된다. 소재(100)는 조임부재(38)나 다른 지지장치에 의해서 지지되고, 이 조임부재나 지지장치는 베이스나 프레임(39;frame)에 고정된다. 예컨대, 조임부재(38)는 소재(100)를 제 위치에 고정시키는 기계적인 또는 수압형 조임부재일 수 있다. 링크장치나 프레임에 연결되는 액츄에이터(50a,50b)는 마찰교반성형기구(40a,40b)를 회전시키고 소정의 경로를 따라 마찰교반성형기구(40a,40b)를 조정한다. 그러므로, 액츄에이터(50a,50b)는 핀(44a,44b)을 회전시키고 마찰교반성형기구(40a,40b)를 안쪽으로 가압한다. 핀(44a,44b)은 적어도 부분적으로 소재(100)의 제1면(102)과 제2면(104)을 침투하고, 소재(100)의 영역에 가소성을 주며 마찰교반성형기구(40a,40b)의 쇼울더(42a,42b)가 원하는 형상으로 소재(100)를 가압할 수 있도록 액츄에이터(50a,50b)는 소정의 경로를 따라 마찰교반성형기구(40a,40b)를 이동시킨다. 예컨대, 쇼울더(42a,42b)가 평행한 형상으로 유지되는 동안에, 액츄에이터(50a,50b)는 소재(100)의 길이를 따라 이동될 수 있다. 액츄에이터(50a,50b)는 예컨대 도 4와 도 5에 도시된 위치 사이에서, 핀(44a,44b)의 길이방향축에 수직한 축 주위를 회전할 수 있어서, 소재(100)를 곡선을 이루는 형상으로 가압할 수 있다. 또한, 3차원 곡면을 포함해서 더 복잡한 모양이 예컨대 2개 이상의 선형방향으로 그리고 2개 이상의 회전축 주위로 하나나 양 마찰교반성형기구(40a,40b)를 조정하여서 전술된 방법으로 성형될 수 있다. 성형된 형상에서, 소재(100)에는 정제된 입자구조에 의해서 형성된 마찰교반성형된 영역(114)이 형성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 마찰교반성형기구(40a,40b)의 핀(44a,44b)은 소재(100)의 두께의 반 정도의 길이를 가질 수 있거나, 핀(44a,44b)이 마주보는 제1면과 제2면으로부터 소재(100)로 가압될 때 서로 접촉하지 못하도록 하기 위해서 소재의 두께의 반보다 더 짧은 길이를 가질 수 있다. 또한, 전술된 바와 같이, 핀(44a,44b)이 쇼울더로부터 뻗고 후퇴될 수 있도록, 각 핀(44a,44b)은 각 쇼울더(42a,42b)에 대하여 조정 가능하다. 또한, 핀(44a,44b) 중의 하나가 소정의 경로를 따라 다른 핀(44a,44b)을 "이끌도록" 핀(44a,44b)은 약간 다른 위치에서 소재(100)로 삽입될 수 있다. 다른 경우에, 마찰교반성형된 영역(114)은 소재(100)의 전체 두께로 확장될 수 있다. 마찰교반성형기구(40a,40b)는 소재(100)의 전체나 단지 소재(100)의 선택부분이 처리될 때까지 소재(100)의 이어지는 부분에 가소성을 주는 데에 사용될 수 있다. 또한, 하나의 소재(100)만이 도 4와 도 5에 도시되었지만, 소재(100)는 다중의 부재로 형성될 수 있다는 것과 마찰교반성형기구(40a,40b)가 마찰교반용접에 의해서 부재들을 결합할 수 있다.
도 6에 도시된 것처럼, 성형장치(10c)는 하나의 자기-후퇴 마찰교반성형기구(40c)에 형성되는 2개의 마주보는 쇼울더(42c,42d)를 포함한다. 제1쇼울더(42c)는 소재(100)의 제1면(102)쪽으로 향하고 제2쇼울더(42d)는 소재(100)의 제2면(104)쪽으로 향하도록, 소재(100)를 관통하여 뻗는 핀(44c)에 의해서 쇼울더(42c,42d)가 연결된다. 전술된 액츄에이터(50,50a,50b)와 비슷하게 액츄에이터(50c)는 마찰교반성형기구(40c)에 연결되고 소재(100)를 통해서 마찰교반성형기구(40c)를 조정하도록 되어 있다. 공정작업의 초기에, 핀(44c)은 소재(100)의 끝단부로부터 소재(100)로 유입될 수 있거나, 핀(44c)이 소재(100)의 구멍을 통해서 위치될 수 있으며 도시된 바와 같이 쇼울더(42c,42d)와 함께 조립될 수 있도록 핀(44c)은 하나나 양 쇼울더(42c,42d)로부터 분리될 수 있다. 회전하는 핀(44c)이 소재(100)의 일부에 가소성을 주도록 비평면의 경로를 따라 이동한다고 하더라도 소재(100)가 가압되도록 액츄에이터(50c)는 마찰교반성형기구(40c)를 조정할 수 있고, 쇼울더(42c,42d)는 소재(100)를 원하는 비평면의 형상으로 가압한다.
전술된 공정에 의한 마찰교반성형 후에, 소재(100)와 이의 추가의 튜브형 소재(110)는 성형장치(10,10a,10b,10c)에서 달리 처리될 수 있다. 예컨대, 소재(100)는 기계가공용 헤드(도시되지 않음)에 의해서 소정의 공차로 기계 가공될 수 있고, 이는 액츄에이터(50,50a,50b)에서 마찰교반성형기구(40,40a,40b,40c)를 대신할 수 있거나, 개별적으로 제공될 수 있다. 또한, 열처리가 소정의 예정표에 따라서 하나 이상의 소정의 온도로 소재(100)를 가열하고 냉각하여 수행될 수 있다. 소재(100)가 성형장치(10,10a,10b,10c)에 고정되는 동안 열처리가 수행될 수 있거나, 소재(100)는 성형장치(10,10a,10b,10c)로부터 제거될 수 있고 다른 장치에서 열처리 될 수 있다.
여기에서 설명된 발명의 많은 변경과 다른 실시예가 당해업자에게는 떠오를 것이고 당해업자는 전술된 설명과 이에 관련된 도면을 통해 본 발명을 가르칠 수 있을 것이다. 예컨대, 마찰교반성형기구(40,40a,40b,40c)의 쇼울더(42,42a,42b,42c,42d)가 전술된 실시예에서 원하는 형상으로 소재(100)를 가압하는 데에 사용되는 반면에, 소재가 만들어진 후에 소재(100)가 원하는 모양으로 유지되도록 마찰교반성형기구(40,40a,40b,40c)가 마찰교반성형에 의해서 소재(100)를 처리하는 동안에 소재(100)가 굽혀질 수 있고 즉, 적어도 부분적으로 그리고 탄성적으로 원하는 모양으로 굽혀질 수 있고 그 모양으로 유지된다는 것을 또한 알 수 있다. 유지는 기계적인 또는 수압용 조임부재나 다른 유지용 장치에 의해서 달성될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 전술된 특별한 실시예에 제한되지 않고 이러한 변경과 다른 실시예는 첨부된 청구항의 관점 내에 포함되도록 의도된다는 것이 이해된다. 특별한 용어가 여기에서 사용되었다 하더라도, 이 용어들은 일반적으로 사용되었으며 단지 설명을 위해서이고 제한을 위해서는 아니다.
상기와 같이 본 발명에 의한 교반성형장치와 교반성형방법에 의하면, 소재의 일부에 가소성을 주고 소재를 비평면의 원하는 형상으로 가압하여 복잡한 형상의 소재를 성형할 수 있으며, 소재의 재료의 성질을 개선시킬 수 있고, 소재의 제조시간과 제조비용을 감소시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따라 소재를 성형하기 위한 장치를 도시한 사시도이고,
도 2는 소재가 부분적으로 성형된 것을 도시하는, 도 1의 장치의 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 소재를 성형하기 위한 장치를 도시한 단면도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 소재를 성형하기 위한 장치를 도시하는 정면도,
도 5는 소재가 부분적으로 성형된 것을 도시하는, 도 4의 장치의 정면도,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 소재를 성형하기 위한 장치를 도시하는 정면도이다.

Claims (31)

  1. 소재의 원하는 형상에 대응하는 비평면의 외형면을 가지는 다이를 제공하는 단계;
    상기 다이에 대해서 적어도 부분적으로 상기 소재를 지지하는 단계;
    상기 소재가 외형면에 대하여 굽혀지도록 핀으로 상기 소재를 적어도 부분적으로 침투하고 상기 소재에 대하여 마찰교반성형기구의 쇼울더를 가압하는 단계;
    상기 쇼울더를 가압하는 단계 동안에 상기 소재의 일부에 가소성을 주기 위해서 적어도 부분적으로 상기 소재 내에서 상기 마찰교반성형기구의 핀을 회전시키는 단계; 및
    상기 쇼울더가 상기 소재를 원하는 형상으로 가압하고 상기 마찰교반성형기구가 상기 소재 내에 정제된 입자구조를 가지는 마찰교반성형된 영역을 형성하도록 상기 쇼울더를 가압하는 단계 동안에 적어도 부분적으로 상기 다이의 외형면에 따르는 소정의 경로로 상기 마찰교반성형기구를 조정하는 단계; 를 포함하여 이루어지는
    쇼울더와 핀으로 형성되는 마찰교반성형기구가 갖추어진, 소재를 비평면의 원하는 형상으로 성형하는 교반성형방법.
  2. 제1항에 있어서, 강철과, 알루미늄, 티타늄 및 이들의 합금으로 이루어지는 재료의 그룹 중에서 적어도 하나로 형성되는 소재를 제공하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다이를 제공하는 단계는 돔모양의 외형면이 형성된 다이를 제공하는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 마찰교반성형기구를 조정하는 단계는 돔모양의 외형면을 따라 상기 마찰교반성형기구를 이동시키는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 쇼울더를 가압하는 단계는 핀을 소재로 상기 소재의 두께의 반 정도로 가압하는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 마찰교반성형기구를 조정하는 단계는 상기 소재의 표면의 입자구조를 정제하도록 실질적으로 상기 소재의 전체 표면에 연속적으로 가소성을 주는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 마찰교반성형기구를 조정하는 단계는 외형면에 평행하게 상기 쇼울더를 유지하는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 다이를 제공하는 단계는 대응하는 세부형상부가 상기 소재에 형성되도록 상기 다이의 외형면에 적어도 하나의 세부형상부를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 소재를 지지하는 단계는 상기 마찰교반성형기구를 조정하는 단계 동안에 소재로서 적어도 2개의 구조용 부재를 제공하고, 구조용 부재가 결합되는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 마찰교반성형기구를 조정하는 단계와 관련하여 상기 소재를 회전하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 쇼울더에 대하여 상기 핀을 조정하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  11. 제1쇼울더와 제2쇼울더로 형성되고, 이 쇼울더는 마주보는 형상으로 되어 있으며 그 사이에 적어도 하나의 핀이 뻗어 있으면서 대체로 안쪽을 향하는, 적어도 하나의 마찰교반성형기구를 제공하는 단계; 와
    상기 제1쇼울더가 소재의 제1면쪽으로 향하고 제2쇼울더는 소재의 제2면을 향하도록 상기 제1쇼울더와 제2쇼울더의 사이에 소재를 지지하는 단계;
    상기 소재의 제1면에 대하여 제1쇼울더를 그리고 상기 소재의 제2면에 대하여 제2쇼울더를 가압하는 단계;
    상기 소재의 일부에 가소성을 주기 위해서 상기 제1쇼울더와 제2쇼울더를 가압하는 단계 동안에 적어도 부분적으로 상기 소재 내에 적어도 하나의 핀을 회전하는 단계; 및
    상기 쇼울더가 비평면의 원하는 형상으로 상기 소재를 가압하고 적어도 하나의 핀이 정제된 입자구조를 가지는 마찰교반형성된 영역을 소재에 형성하도록, 상기 제1쇼울더와 제2쇼울더를 가압하는 단계 동안에 적어도 부분적으로 소정의 경로를 따라 상기 적어도 하나의 마찰교반성형기구를 조정하는 단계; 를 포함하여 이루어지는
    제1면과 이의 반대쪽에 제2면을 가지는 소재를 비평면의 원하는 형상으로 성형하기 위한 교반성형방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 마찰교반성형기구를 제공하는 단계는 상기 제1마찰교반성형기구는 상기 제1쇼울더로 형성되고 상기 제2마찰교반성형기구는 상기 제2쇼울더로 형성되며, 각 마찰교반성형기구는 이들로부터 뻗는 적어도 하나의 핀으로 형성되는, 제1마찰교반성형기구와 제2마찰교반성형기구를 제공하는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1쇼울더와 제2쇼울더를 가압하는 단계는 상기 소재의 제1면의 마찰교반성형된 영역이 상기 소재의 제2면의 마찰교반성형된 영역으로 뻗도록 상기 소재의 두께의 반 정도로 상기 제1마찰교반성형기구와 제2마찰교반성형기구의 핀을 삽입하는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 마찰교반성형기구를 제공하는 단계는 그 사이로 뻗어 있는 핀에 의해서 연결되는 제1쇼울더와 제2쇼울더를 제공하는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  15. 제11항에 있어서, 강철과 알루미늄, 티타늄과 이들의 합금으로 이루어지는 재료의 그룹 중 적어도 하나로 형성되는 소재를 제공하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 마찰교반성형기구를 조정하는 단계는 상기 쇼울더가 상기 소재를 곡선의 형상으로 가압하도록 상기 마찰교반성형기구를 곡선의 경로로 조정하는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 마찰교반성형기구를 조정하는 단계는 상기 소재의 제1면과 제2면의 입자구조를 정제하도록 상기 소재의 제1면과 제2면의 전체에 실제적으로 가소성을 연속적으로 주는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 마찰교반성형기구를 조정하는 단계는 상기 쇼울더를 평행한 형상으로 유지하는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  19. 제11항에 있어서, 상기 마찰교반성형기구를 조정하는 단계는 상기 핀이 이로부터 뻗는 상기 쇼울더에 대하여 적어도 하나의 상기 핀을 축방향으로 조정하는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  20. 제11항에 있어서, 상기 소재를 지지하는 단계는 상기 마찰교반성형기구를 조정하는 단계 동안에 소재로서 적어도 2개의 구조용 부재를 제공하고, 구조용 부재가 결합되는 단계를 포함하여 이루어지는 교반성형방법.
  21. 소재의 비평면의 원하는 형상에 따라 외형면을 가지는 다이; 와
    쇼울더와 이 쇼울더로부터 뻗는 회전 가능한 핀으로 형성되고, 상기 쇼울더가 다이에 대하여 그리고 원하는 형상으로 상기 소재를 가압하도록 상기 쇼울더와 핀을 상기 다이의 외형면을 향하여 가압하도록 되어 있으며, 상기 핀은 적어도 부분적으로 상기 소재를 침투하여 정제된 입자구조에 의해서 형성된 마찰교반성형된 영역을 형성하기 위해서 회전하도록 된 마찰교반성형기구; 및
    상기 쇼울더가 비평면의 원하는 형상으로 상기 소재를 가압하도록 상기 다이의 외형면을 따르는 소정의 경로를 따라 상기 마찰교반성형기구를 조정하도록 된, 상기 마찰교반성형기구를 조정하기 위한 액츄에이터; 를 포함하여 이루어지는
    비평면의 원하는 형상으로 상기 소재를 성형하기 위한 교반성형장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 다이의 외형면은 돔(dome)을 형성하고, 상기 액츄에이터는 상기 다이에 형성되는 상기 돔을 따라 상기 마찰교반성형기구를 조정하도록 된 교반성형장치.
  23. 제21항에 있어서, 상기 핀은 상기 소재의 반 정도인 교반성형장치.
  24. 제21항에 있어서, 상기 액츄에이터는 적어도 2개의 선형방향과 적어도 2개의 회전축 주위로 상기 마찰교반성형기구를 조정하도록 된 교반성형장치.
  25. 제21항에 있어서, 상기 다이의 외형면에는 적어도 하나의 세부형상부가 형성되어 있는 교반성형장치.
  26. 제21항에 있어서, 상기 다이는 상기 마찰교반성형기구에 대하여 회전하도록 된 교반성형장치.
  27. 제1쇼울더와 이의 반대에 제2쇼울더를 가지며, 양 쇼울더 사이에 적어도 부분적으로 적어도 하나의 핀이 뻗어 있고, 상기 쇼울더는 그 사이에 소재를 수용하기 위해서 대체적으로 안쪽으로 향하는 적어도 하나의 마찰교반성형기구;와
    상기 핀이 정제된 입자구조에 의해서 형성된 마찰교반성형된 영역을 형성하면서 상기 쇼울더가 상기 소재의 그 반대 면에 대하여 가압되고 회전하며 적어도 부분적으로 상기 소재를 침투하도록 상기 쇼울더를 안쪽방향으로 가압하도록 된, 상기 마찰교반성형기구를 조정하기 위한 적어도 하나의 액츄에이터; 를 포함하여 이루어지고,
    상기 액츄에이터는 상기 쇼울더가 비평면의 원하는 형상의 소재를 가압하도록 상기 소재의 비평면의 원하는 형상에 따르는 소정의 경로를 따라 상기 마찰교반성형기구를 조정하도록 된, 비평면의 원하는 형상으로 소재를 성형하기 위한 교반성형장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 핀은 제1쇼울더로부터 제2쇼울더로 뻗어 있는 교반성형장치.
  29. 제27항에 있어서, 상기 마찰교반성형기구는 제1핀과 제2핀을 가지고, 제1핀은 상기 제1쇼울더로부터 뻗고 제2핀은 상기 제2쇼울더로부터 뻗어 있는 교반성형장치.
  30. 제27항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액츄에이터는 적어도 2개의 선형방향과 적어도 2개의 회전축 주위로 상기 마찰교반성형기구를 조정하도록 된 교반성형장치.
  31. 제27항에 있어서, 상기 제1마찰교반성형기구와 제2마찰교반성형기구의 쇼울더는 평행한 형상인 교반성형장치.
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