KR20060022263A - 분말 금속 부품에 홀 또는 슬롯을 형성하는 방법 및 장치 - Google Patents

분말 금속 부품에 홀 또는 슬롯을 형성하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

압축 중에 펀치의 측면과 다이 세트의 다른 측면 사이의 계면에서 다이 세트내에 금속 분말의 결핍부를 생성함으로써 분말 금속 부품의 벽을 통해 연장하는 하나 이상의 홀이 형성되며, 상기 다이 세트의 다른 측면은 상기 펀치의 측면과 실질적으로 매우 밀접하게 마주하여 상기 계면에서 분말 금속의 결핍부를 생성한다.

Description

분말 금속 부품에 홀 또는 슬롯을 형성하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR FORMING A HOLE OR SLOT IN POWDER METAL COMPONENTS}
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2003년 6월 10일자로 출원된 미국 가명세서 출원 제 60/477,264 호에 의한 이익을 주장한다.
도 1a-c 는 가압 방향에 수직인 방향으로 홀이 형성된 종래 기술의 분말 금속 부품의 예를 도시한다. 항상 그러한 것은 아니지만, 가압 방향은 통상적으로 수직이다. 따라서, 수직으로 가압될 때, 도 1a-c 의 홀들은 그 홀의 축선과 함께 수평으로 연장될 것이다. 본 명세서에서 "수직" 및 "수평"이라는 용어는 방향을 한정하기 위해 사용된 것이 아니며, 가압 방향이 중력 방향과 정렬되는지의 여부에 관계없이, 단지 두 방향이 서로 직교한다는 것 또는 "수평"이 가압 방향에 직교한다는 것을 전달하기 위해 사용한 것이다.
도 1a 의 부품(10), 도 1b 의 부품(15) 및 도 1c 의 부품(20)은 소정 부분을 통한 수평 홀 또는 슬롯이 최종 부품에서 필수적으로 요구되는 다양한 금속 부품의 형상 중 3가지를 도시한 것이다. 종래의 분말 금속 부품 제조 방법에서는, 수평 홀 또는 슬롯을 형성하기 위해서는 그러한 홀 또는 슬롯을 형성하기 위한 추가적인 공정을 필요로 하였다. 분말 금속 부품에 수평 홀 또는 슬롯을 제공하기 위한 종래의 방법은, 홀 또는 슬롯을 형성하기 위해, 2차 제조 공정이라고 알려진 부가적인 제조 공정을 추가하였다. 이러한 부가적인 제조 공정은 드릴가공, 펀치 피어싱 또는 밀링에 의한 컷팅(cutting), 가열 변형 컷팅, 플라즈마 컷팅, 또는 기타의 금속을 제거하여 홀 또는 슬롯을 형성하는 공정을 포함한다.
분말 금속 부품내에 홀 또는 슬롯을 형성하는 종래의 공정들은 몇 가지 단점을 가진다. 그 단점은 부가적인 제조 단계에 필요한 부가적인 자본 설비(capital equipment) 및 지출, 부가적인 제조 단계의 완료에 필요한 부가적인 시간, 2차 공정중에 생성되는 하나 이상의 홀 또는 슬롯이 손상될 수 있는 부가적인 위험, 2차 공정중에 필요한 부가적인 취급 및 저장, 2차 공정중에 생성되는 스크랩(scrap), 및 2차 공정에 소요되는 추가적인 노동력 및 유지 비용을 포함한다.
홀 또는 슬롯을 형성하는데 소요되는 부가적인 공정의 비용으로 인해 부품 형성을 위한 분말 야금 공정을 실시하기 곤란한 경우도 있을 것이다. 이러한 필수적인 특성들로 인해 부품들이 고려되지 않을 수도 있을 것이다. 불행하게도, 이로 인해 분말 야금 공정에 의해 제조되는 부품들의 많은 이점, 예를 들어 작은 공차로 복잡한 부품을 제조할 수 있는 능력과 같은 이점을 활용하지 못하게 된다.
본 발명에서, 분말 금속 부품은 가압 방향으로 압축되고, 다이(die) 및 기타 공구(tooling) 부재의 조합이 가압 사이클 중에 상호작용하여 상기 가압 방향에 직교하는 방향으로 부품의 벽을 통해 연장하는 홀 또는 슬롯을 압축 부품내에 형성한다. 가압 이동중에 수평 홀 또는 슬롯이 형성되기 때문에, 별도의 홀 또는 슬롯 형성 제조 공정이 필요 없다.
상기와 같은 개구부들은, 압축중에, 실질적으로 매우 근접한 공구 부재들의 측면들 사이의 계면(界面)에서 다이 세트내에 분말 금속의 결핍부(absence)를 생성함으로써 형성된다.
본 발명의 상기 목적과 이점, 그리고 기타 목적과 이점은 이하의 상세한 설명에서 보다 분명해질 것이다. 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해 첨부 도면을 참조하였다.
도 1a 는 부품의 단부 벽을 통해 가압 방향에 직교하는 방향으로 연장하는 슬롯을 가진 종래의 분말 금속 부품을 도시한 사시도이다.
도 1b 는 부품의 벽을 통해 가압 방향에 직교하는 방향으로 연장하는 홀을 가진 종래의 분말 금속 부품을 도시한 저면 사시도이다.
도 1c 는 부품의 벽을 통해 가압 방향에 직교하는 방향으로 연장하는 홀을 가진 다른 분말 금속 부품을 도시한 도 2 와 유사한 사시도이다.
도 2a 는 본 발명에 따라 다시 디자인된 도 1a 의 부품의 사시도이다.
도 2b 는 본 발명에 따라 다시 디자인된 도 1b 의 부품의 사시도이다.
도 2c 는 본 발명에 따라 다시 디자인된 도 1c 의 부품의 사시도이다.
도 2d 는 본 발명에 따라 다시 디자인된 도 1c 의 부품의 사시도이다.
도 3a-d 는 도 2a 의 분말 금속 부품을 형성하기 위한 공구의 사시도이다.
도 4 는 공구의 영역들에 의해 형성된 부품의 영역들을 도시한 도 2a 와 유사한 사시도이다.
본 발명에 따라, 가압 사이클 중에 수평 홀 또는 슬롯이 생성된다. 도 2b 내지 2d 에 도시된 바와 같이, 주변 벽(32)을 통해 축방향으로 연장하는 홀(51)을 가지는 복잡한 부품(30 및 35)의 제조에 새로운 공정을 적용할 수 있다. 도 2a 및 도 4 에 도시된 바와 같은 단순한 부품(25)을 제조하기 위해 실시되는 공정이 도 3a-d 에 도시되어 있으며, 그 공정은 부품(25)의 각 단부 벽(44 및 46)내의 각각의 홀(28 및 29)에서 슬롯(26 및 27)과 만나는 수평 슬롯(42)을 형성한다.
도 3a-d 에 도시된 바와 같이, 단순한 부품(25)은 분말 압축 공구 다이 세트를 이용하여 본 발명에 따라 제조될 수 있으며, 상기 분말 압축 공구 다이 세트는 다이(101), 상부 공구 부재(221 및 231), 및 하부 공구 부재(351, 361 및 371)를 포함한다. 상부 및 하부 공구 부재들은 또한 펀치라고도 한다. 다이(101) 및 공구 부재(221, 351, 361 및 371)는, 분말 금속 압축 프레스내에 설치되었을 때, 기계식, 유압식 또는 다른 동력 수단에 의해 이동된다.
시작 위치가 도 3a 에 도시되어 있다. 이러한 위치에서, 다이(101)는 하부 공구 부재(351, 361 및 371)와 정렬되며, 상기 하부 공구 부재(351, 361 및 371)는 모두 서로 높이가 다른 상부 표면을 가지고 있다.
도 3b 에 도시된 제 2 단계는, 부품(25)의 하부 및 외측 표면을 형성하는 공동(cavity)을 형성하기 위해 공구 부재(351, 361 및 371)를 서로에 대해(그리고 필 요한 경우에 다이(101)에 대해) 상대적으로 이동시킨다. 이는 펀치(351, 361 및 371)를 하향 이동시키거나 및/또는 다이(101)를 상향 이동시킴으로써 이루어진다. 부품(25)의 상부 및 내측 표면은 펀치(221 및 231)의 하단부들에 의해 형성되며, 상기 하단부들은 축방향을 따라 서로에 대해 상대적으로 활주될 수 있다.
이어서, 도 3c 에서, 제 3 단계는 결과적인 공동(381)을 분말 금속으로 충진한다.
도 3d 에 도시된 제 4 단계에서, 공구 부재(221 및 231)를 다이(101) 공동(381)내로 유도하여 상부측으로부터 분말을 압축하고, 동시에 공구 부재(351, 361 및 371)가 다이(101)에 대해 상대적으로 이동하여 바닥측으로부터 분말을 압축하며, 또는 다른 관점에서는 다이에 의해 공동(381)내에 수용되고 상기 펀치들 사이에 위치하는 분말을 펀치들이 서로를 향해 이동하여 압축한다.
제 5 단계에서는, 공구 부재(231)가 공구 부재(361)를 지날 때까지 펀치들을 서로를 향해 계속 이동시킨다. 이러한 공정에서, 분말은 4개의 구별된 영역에서 압축된다. 도 4 에 도시된 바와 같이 이러한 영역들은 다음과 같다: 즉, 공구 부재(221)와 공구 부재(361) 사이의 영역(392); 공구 부재(231)와 공구 부재(351) 사이의 영역(394); 공구 부재(231)와 공구 부재(361) 사이의 영역(396); 공구 부재(221)와 공구 부재(371) 사이의 영역(398).
제 6 단계에서는, 공구 부재(221 및 231)를 하부 공구 부품(101, 351, 361 및 371)에 대해 그 하부 공구 부품으로부터 먼 쪽으로 상향 이동시킨다.
최종 단계에서는, 나머지 공구, 다이(101) 및 공구 부재(351, 361 및 371)를 도 3a 에 도시된 바와 같이 서로 다른 높이에 있는 시작 위치(압축 부품(25)을 사출시킨다)로 서로에 대해 상대적으로 다시 이동시킨다.
상기 공구 부재(221)의 외측 표면(223)이 상기 공구 부재(351)의 내측 표면(353)을 근접하여 통과할 때 제 4 및 제 5 단계에서 수평 홀 또는 슬롯이 생성되며, 상기 근접 통과시에는 표면(223)과 표면(353) 사이의 계면으로부터 표면(353)에서 분말 금속 물질을 실질적으로 배출하여 두 펀치의 마주하는 측면들 사이의 계면에 분말이 실질적으로 없도록 충분히 근접된다. 실질적으로 분말은 없으나 공구 부재(351)의 측면들 위쪽에 그리고 그 측면들에 대해서 그리고 공구 부재(221)의 아래쪽에 분말이 압축된 이러한 영역은 슬롯(42)과 슬롯(26 및 27) 사이의 접합부에서 물질이 없는 상태에서 슬롯(26 및 27)과 만나는 슬롯(42)을 초래하여, 부품(25)의 각 벽(44 및 46)을 통한 홀(28 및 29)을 생성한다.
영역(398)의 두께가 영역(392)의 두께와 상당히 상이하기 때문에, 펀치(361)와 펀치(371)가 두개의 분리된 피스(piece)로 제조된다는 것을 주지하여야 한다. 두개의 피스로 펀치를 제조하는 것은 영역(392)의 면적 보다 영역(398)의 면적내의 다이를 보다 적은 분말 금속 물질로 균일하게 충진할 수 있게 한다. 그러나, 최종 압축체(25)의 압축 공정 말기까지, 펀치(371)의 상부는 펀치(361)의 높이까지 상승되는데, 이는 부품(25)의 바닥이 편평하기 때문이다.
도 2b-d 에 도시된 부품(30 및 35)은 본 발명에 포함되는 다른 부품들을 도시한 것이다. 이러한 부품들에서, 각 홀(51)에 대해서, 일방향(도 2b 및 2d 에서 위쪽)으로 개방된 하나의 슬롯(53) 및 상기 슬롯(53)이 개방된 방향과 180°반대쪽 (도 2b 및 2d 에서 아래쪽)으로 개방된 연결 슬롯(55)이 형성된다. 각 홀(51)은 각 슬롯(53 및 55)을 형성하는 두개의 펀치의 측면들 사이의 계면에서 다이 공동내에 분말 물질이 실질적으로 결핍됨으로써 생성된다. 부품(35)이 플랜지(57)를 가지기 때문에, 플랜지(57)내의 홀(59)(도 2c 참조)을 생성하는 펀치에 의해 내측 슬롯(55)들이 형성된다.
본 발명의 바람직한 실시예를 상당히 구체적으로 설명하였다. 설명된 바람직한 실시예의 다양한 변형 실시예 및 계량 실시예들은 소위 당업자에게 분명할 것이다. 예를 들어, 분말 금속 부품들은 수평 방향으로 형성된 홀들과 교차하는 수직 방향의 추가적인 홀들을 가지는 다수 홀 또는 슬롯 또는 다양한 정도의 복잡도를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명은 설명된 실시예들로 제한되어서는 안 된다.

Claims (13)

  1. 소결용 분말 금속 압축체 형성 방법으로서:
    분말 금속을 공급받고 압축체로 압축되는 동안 상기 분말 금속을 수용하기 위한 공동을 가지는 다이를 포함하는 다이 세트를 제공하는 단계로서, 상기 다이 세트는 압축 방향을 따라 상기 다이내로 그리고 축선 방향을 따른 후퇴 방향으로 상기 다이로부터 바깥쪽으로 이동가능한 하나 이상의 펀치를 포함하며, 상기 다이 세트는 상기 분말 금속이 상기 다이내로 충진되도록 허용하기 위해 개방가능하고 그리고 상기 다이내로 이전에 충진된 분말 금속이 상기 다이내에서 압축될 때 폐쇄될 수 있으며, 상기 다이가 폐쇄되었을 때 상기 축선 방향을 따라 연장하는 상기 펀치의 계면 표면은 상기 축선 방향을 따라 연장하는 상기 다이 세트의 다른 계면 표면과 면-대-면(face-to-face)의 계면에서 활주 접촉하여 상기 면-대-면의 계면에서 상기 두 표면들 사이에 분말 금속의 결핍부를 생성하고 상기 면-대-면의 계면에서 상기 축선 방향에 수직인 방향으로 상기 압축체의 벽을 통한 개구부를 생성하는, 다이 세트 제공 단계;
    분말 금속을 상기 다이내로 충진하는 충진 단계;
    상기 다이 세트를 폐쇄하여 상기 면-대-면의 계면을 생성하는 다이 세트 폐쇄 단계;
    상기 다이내의 분말 금속에 압력을 인가하는 압력 인가 단계;
    상기 다이로부터 상기 펀치를 후퇴시키는 단계; 및
    상기 다이로부터 압축체를 사출시키는 단계를 포함하는 분말 금속 압축체 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 개구부에 인접하여 상기 압축체의 표면을 형성하도록 그리고 상기 압축체의 형성 후에 상기 펀치가 상기 다이로부터 후퇴되는 것을 허용하도록, 상기 펀치의 표면은 상기 계면 표면으로부터 후퇴 방향으로 상기 축선 방향을 따라 연장하고 연속되는 분말 금속 압축체 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 분말 금속은 후퇴 방향이 아니라 상기 개구부로부터 압축하는 방향으로 상기 개구부의 일 측면상에 압축되고, 상기 분말 금속은 압축 방향이 아니라 상기 개구부로부터 후퇴하는 방향으로 상기 개구부의 다른 측면상에 압축되는 분말 금속 압축체 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 축선 방향은 중력 방향과 정렬되는 분말 금속 압축체 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 개구부는 홀인 분말 금속 압축체 형성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 홀은 중력 방향에 실질적으로 직교하는 방향으로 연장하는 분말 금속 압축체 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 개구부는 슬롯과 결합하는 분말 금속 압축체 형성 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 슬롯은 중력 방향에 수직으로 연장하는 분말 금속 압축체 형성 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 다른 표면은 다른 펀치상에 위치하는 분말 금속 압축체 형성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 양 펀치들은 상기 축선 방향을 따라 이동가능한 분말 금속 압축체 형성 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 축선 방향은 중력 방향과 정렬되는 분말 금속 압축체 형성 방법.
  12. 제 1 항에 따른 방법에 의해 형성되는 분말 금속 부품.
  13. 소결용 분말 금속 압축체를 형성하기 위한 다이 세트로서:
    분말 금속을 공급받고 압축체로 압축되는 동안 상기 분말 금속을 수용하기 위한 공동을 가지는 다이; 및
    축선 방향을 따라 상기 다이의 공동의 내외로 이동가능한 하나 이상의 펀치를 포함하며;
    상기 다이 세트는 상기 분말 금속이 상기 다이의 공동내로 충진되도록 허용하기 위해 개방가능하고 그리고 상기 다이내로 이전에 충진된 분말 금속이 상기 다이내에서 압축될 때 폐쇄될 수 있으며, 상기 다이가 폐쇄되었을 때 상기 축선 방향을 따라 연장하는 상기 펀치의 표면은 상기 축선 방향을 따라 연장하는 상기 다이 세트의 다른 표면과 면-대-면(face-to-face)의 계면에서 활주 접촉하며, 상기 면-대-면의 계면에서 상기 두 표면들 사이에 분말 금속이 실질적으로 없어서 상기 압축체의 벽을 통해 개구부를 형성하며, 상기 개구부는 상기 면-대-면의 계면에서 상기 축선 방향에 수직인 방향으로 연장하는 분말 금속 압축체를 형성하기 위한 다이 세트.
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