KR20070101220A - 저항 가열에 의한 금속 성형 장치 및 성형 방법 - Google Patents

Abstract

금속 물품의 성형 장치는 가공편을 수용하고 지지하는 스테이션을 포함한다. 상기 스테이션은 전류 공급원과 유체 공급원을 가진다. 상기 스테이션은 추가로 제1 및 제2 전극 클램프를 포함한다. 각각의 클램프는 전류 공급원과 전기적으로 연통되고, 유체 공급원과 유체로 연통된다. 상기 클램프는 가공편을 체결하여 전류 및 유체를 가공편에 공급한다. 상기 시스템은 하나 이상의 상기 클램프와 기계적으로 결합된 액추에이터를 포함한다. 상기 액추에이터는 클램프와 함께 기계적 힘을 가공편에 가하도록 조작될 수 있다. 상기 시스템은 성형 단계 또는 처리 단계중에 가공편의 온도 프로파일 및/또는 주변 조건을 선택적으로 제어하도록 조작될 수 있다. 모듈형 시스템을 포함하는 특정한 시스템이 개시되고, 또한 상기 시스템을 사용하는 방법이 개시된다.

금속 성형, 저항 가열, 전극 클램프, 액추에이터, 마텐자이트, 베이나이트

Description

저항 가열에 의한 금속 성형 장치 및 성형 방법{METAL FORMING APPARATUS AND PROCESS WITH RESISTANCE HEATING}

관련 출원

본 출원은 또한 "저항 가열에 의한 금속 성형 방법"을 발명의 명칭으로 하는 2004년 9월 17일자 미국 특허 가출원 제60/610,720호를 우선권으로 주장한다.

기술분야

본 발명은 일반적으로 금속 물품을 성형하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 금속 물품을 가열하는 데 전기 저항 가열을 이용하는 금속 물품의 성형 장치 및 방법에 관한 것이다. 가장 구체적으로, 본 발명은 단일 처리 스테이션에서 물품을 성형, 열처리 및/또는 담금질할 수 있는 것을 특징으로 하는, 금속 물품의 성형 장치 및 방법에 관한 것이다.

많은 금속 성형 프로세스들은 원하는 형상 프로파일을 변경하거나 유지할 목적에서 가공편(workpiece)을 가열하고, 가공편에 대해 성형력(shaping force)을 가하는 단계를 포함한다. 그러한 프로세스에 있어서 원하는 야금학적 상태를 얻거나 유지하려는 목적, 및/또는 질화(nitriding), 침탄(carburizing) 등과 같은 열처리 단계를 수행하려는 목적에서의 온도 제어가 일반적으로 매우 중요하다. 열을 발생 시키도록 가공편을 통해 전류를 흐르게 하는 저항 가열이 많은 금속 성형 프로세스에서 바람직하게 사용되는데, 그것은 저항 가열이 매우 신속하고 제어 가능하므로, 정밀한 온도를 얻을 수 있고, 및/또는 가공편의 선택된 영역을 가열할 수 있기 때문이다.

종래의 기술은 벤딩, 다이 성형, 스트레칭 등과 같은 다양한 성형 단계와 저항 가열을 조합한 여러 가지 금속 성형 프로세스를 구현했다. 그러한 시스템 중 몇 가지는, 예를 들면 미국특허 제5,737,954호, 제6,463,779호, 제6,384,388호, 제5,515,705호, 제3,933,020호, 제6,868,709호 및 제5,744,773호에 제시되어 있다.

다양한 금속 가공 공정에서, 성형 및 처리 공정의 과정중에 가공편을 액체나 기상 유체와 접촉시킬 필요가 있다. 이 유체는 가공편의 온도를 제어하는 데 사용되는 담금질 유체를 포함할 수도 있고, 가공편의 금속에 대한 화학적 반응성을 가진 종(species)과 같은 처리 유체를 포함할 수도 있으며, 그러한 처리 유체는 질화 유체, 침탄 유체 등을 포함할 수 있다.

본 발명은 가열, 성형 및 유체 공급 기능을 하나의 가공편 지지 스테이션(supporting station) 내에 집적시키는 시스템을 제공하려는 것이다. 본 발명의 시스템은 모듈 형태로 제조될 수도 있어서, 상이한 프로파일 및/또는 상이한 야금학적 성질을 가진 다양한 물품을 제조할 수 있도록 단시간에 재구성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 시스템은 대량 제조 공정에 용이하게 적응될 수 있다. 본 발명의 이러한 장점을 비롯한 그 밖의 장점을 이하의 도면, 논의 및 기재사항을 참조하여 설명한다.

본 발명은 금속 물품을 성형하는 장치를 개시한다. 상기 장치는 가공편, 전류 공급원, 유체 공급원, 제1 및 제2 전극 클램프를 수용하고 지지하는 스테이션을 포함한다. 각각의 클램프는 전류 공급원과 전기적으로 연통되고, 유체 공급원과는 유체로 연통된다. 상기 클램프는 가공편과 체결되어 가공편으로 전류 및 유체를 공급하도록 되어 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 시스템은 하나 이상의 클램프와 기계적으로 연결된 액추에이터를 추가로 포함한다. 액추에이터는 상기 하나 이상의 클램프와 함께 가공편에 기계적 힘을 가하도록 조작될 수 있다.

상기 장치는 전류 공급원 및 유체 공급원 중 하나 이상을 제어하는 제어기를 추가로 포함할 수 있다. 상기 장치는 가공편의 온도를 감지하는 온도 센서를 추가로 포함할 수 있다. 특별한 실시예에서, 상기 온도 센서는 제어기와 연통되어 있고, 제어기와 연통하여 가공편의 온도를 제어하도록 조작될 수 있다. 이러한 제어는 가공편의 적어도 일부분의 야금학적 상태를 변경하거나, 또는 열처리하도록 최적화된, 미리 선택된 프로파일에 따라 이루어질 수 있다.

본 발명은 또한, 베이스 스테이션 및 그와 체결가능한 하나 이상의 성형 모듈을 포함하는 모듈형 장치를 포함하는 특정한 실시예를 개시한다. 베이스 스테이션은 전류 공급원, 전류를 제어하는 제어기, 유체 공급원, 유체 공급원을 제어하는 제어기 및 액추에이터 장치에 전력을 공급하는 전력 공급원(source of power)을 포함한다. 상기 성형 모듈은, 가공편과 체결되어 가공편에 전류 및 유체를 공급하도록 되어 있는 제1 및 제2 전극 클램프를 포함한다. 상기 성형 모듈은 상기 클램프 중 하나 이상과 기계적으로 결합되어 클램프와 함께 가공편에 기계적 힘을 가하도록 조작가능한 액추에이터를 추가로 포함한다. 상기 성형 모듈은 베이스 스테이션에 모듈을 연결하는 커플러(coupler)를 추가로 포함한다. 상기 커플러는 전류 공급원으로부터 전류와 유체 공급원으로부터 유체를 클램프에 공급하도록 조작 가능하고, 또한 전력을 액추에이터에 공급하도록 조작 가능하다.

본 발명은 또한 본 발명의 장치를 이용한 금속 물품의 성형 방법을 개시한다.

도 1A 내지 1F는 본 발명에 의해 구현되는 기본적 금속 작업을 예시하는 도면이다.

도 2A는 본 발명의 특정한 예에 따른 장치의 개략도이다.

도 2B는 본 발명의 또 다른 특정한 예에 따른 장치의 개략도이다.

도 3은 본 발명에서 사용되는 온도 제어 회로의 블록도이다.

도 4A 및 4B는 본 발명의 시스템을 사용함으로써 얻을 수 있는 특정한 시간/온도 프로파일을 나타내는 그래프이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예의 개략도이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예의 개략도이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예의 개략도이다.

도 8은 본 발명에 따라 구성된 모듈형 시스템의 개략도이다.

본 발명은 가공편을 가열하기 위해 전류의 흐름을 이용하는 금속 성형 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 시스템은 경도, 템퍼링(tempering) 등과 같은 물리적 성질을 선택적으로 제어하기 위해 부품의 열처리 및/또는 담금질(quenching)을 가능하게 하는 공정에서 성형된 금속 부품을 제조하도록 조작될 수 있다. 본 발명은 바람직한 야금학적 성질을 가진 완성품을 제공하도록, 처리 과정 전체를 통해 가공편의 온도 프로파일을 제어하고; 이와 관련하여 본 발명은 소정의 프로파일에 따라 가공편의 온도를 감지하고 조절하도록 조작된다.

본 발명의 방법은, 롤 성형, 다이 성형, 벤딩, 스트레칭, 트위스팅 및 담금질을 포함하는 금속 성형 기술과 제어식 전기 저항 가열을 결합한 방법이다. 본 발명의 개시 내용과 관련하여, 전기 저항 가열이란 가공편의 가열을 일으키도록 직류 또는 교류의 전류가 가공편에 직접 인가되는 공정을 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 저항 가열은 가공편의 외부에서 진동하는 전자장에 의해 가공편 내의 전자의 대응하는 진동을 유도되어 가열을 일으키게 되는 유도 가열(induction heating)과는 구분된다.

기본 공정에서, 가공편을 가열하기 위해 전류가 가공편에 인가된다. 가열된 가공편은 가공편의 형상을 변화시키거나, 경우에 따라서는 유지하는 역할을 하는 성형력(shaping force)을 받게 될 수 있다. 다른 경우에, 상기 가열은 가공편의 야금학적 상태를 변화시킨다. 가열의 정도는 전류의 흐름을 제어함으로써 매우 정밀하게 제어될 수 있다. 가열에 이어서, 전류는 중단되고, 가공편은 방치되어 냉각된다. 냉각의 프로파일은 담금질제(quenchant)의 사용에 의해 제어될 수 있다. 이러한 기본 공정은 도 1A 내지 1F를 참조하면 가장 잘 이해될 것이다.

도 1A를 참조하면, 금속, 전형적으로는 강철로 된 본체를 포함하는 가공편(10)이 도시되어 있다. 몇몇 경우에, 가공편(10)은 롤 성형, 스탬핑, 절삭, 천공(piercing) 등과 같은 금속가공 조작이 사전에 실시된 것일 수 있다. 가공편은 고체 금속편으로서의 형상을 가질 수 있지만, 많은 경우에 가공편은 중공 빔9hollow beam), C형 프로파일과 같은 복합 프로파일, 또는 그 밖의 복합 형상을 가진 부재를 포함할 수 있다.

상기 공정의 제1 단계에서, 도 1B에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 전극 클램프(12A, 12B)가 가공편(10)에 부착된다. 이것은 이하의 여러 가지 도면을 참조하여 설명되는 추가적 부재 및 기능을 포함할 수 있는 설비(fixture)에서 실행되는 것이 일반적이다. 전극 클램프(12A, 12B)는 가공편(10)에 대한 전기 전도성 접합(junction)을 형성하고, 바람직한 일 실시예에서는 물리적으로 가공편에 클램핑되지만, 다른 형상을 가진 전극을 사용할 수 있는 것으로 이해해야 한다. 전극 클램프(12A, 12B)는 전원과 전기적으로 연통되고, 이 예에서 전원은 발전기(14)인 것으로 도시되어 있다. 배터리 및 그 밖에 교류 및 직류 전원을 포함하는 다른 전원이 본 발명의 실시에 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 도 1B의 시스템은 발전기(14)로부터 가공편(10)을 통과하는 전류를 제어하기 위해 설치된 스위치(16), 또는 변압기나 가변저항기(rheostat)와 같은 다른 제어기를 추가로 포함한다.

도 1C에 나타낸 본 발명의 후속 단계에서, 가공편(10)을 통해 전류의 흐름이 시작되도록 스위치(16)가 닫힌다. 전류는 가공편이 가열되도록 하고, 가열의 정도 는 가공편(10)을 통과하는 전류의 크기 및/또는 전압을 조절함으로써 제어될 수 있다. 이렇게 해서 가공편의 가열에 대한 정밀한 제어를 달성할 수 있음을 이해할 수 있다.

도 1D에 도시된 바와 같이, 가열된 가공편(10)은 원하는 방식으로 가공편을 변형시키는 기계적 힘을 받는다. 도 1D의 실시예에서, 가공편은 클램프(12A, 12B)와 결합된 액추에이터로, 그리고 액추에이터를 통해 인가된 기계적 힘에 의해 곡선을 이룬 외형으로 벤딩된다. 그러한 벤딩 힘은 화살표 A로 표시되어 있다. 화살표 B로 표시된 바와 같이, 클램프(12A, 12B)를 통해 가공편(10)에 비틀림이 적용될 수 있다. 마찬가지로, 클램프를 통해 신장력이 가해질 수 있다. 이하에서 구체적으로 설명하는 바와 같이, 가공편은 다이, 액추에이터 등과 같이 클램프와는 별도의 다른 수단에 의해 가해지는 기계적 힘에 의해 추가적으로 성형될 수 있다. 몇몇 경우에, 성형은 압력밀봉법(pressurization)(즉, 블로우 몰딩), 자기 성형 또는 유사한 다른 기술에 의해 실행될 수 있다.

가공편이 적절하게 성형되면, 전류의 흐름은 도 1E에 나타낸 바와 같이 스위치(16)를 개방함으로써 정지된다. 경우에 따라서는, 전류의 흐름 및 가열이 성형 단계 이전 또는 성형 단계중에 정지될 수 있음을 이해해야 한다. 성형 조작이 완료된 후, 가공편(10)은 담금질되거나, 또는 원하는 야금학적 전이(metallurgical transition)를 가져오도록 제어된 냉각 단계를 거치는 것이 바람직하다. 예를 들면, 특정 실시예에서, 가공편은 오스테나이징 온도(austenizing temperature)까지 가열되고, 계속해서 비교적 연질인 상태에서 가공되고, 상기 가공 단계에 이어서 강철을 마텐자이트(martensite) 구조 또는 베이나이트(bainite) 구조와 같은 경도가 더 높은 형태로 변환하기 위해 담금질 처리된다. 최종 단계에서, 마무리 처리된 가공편(10)은 클램프(12A, 12B)로부터 제거되고, 기본 공정은 완결된다. 이상은 가공편의 전체적 형상이 변화되는 공정을 설명했지만, 경우에 따라서 본 발명의 금속 가공 공정은 부재가 가열되고 담금질되는 동안 부재의 형상을 유지하도록 도모될 것이다.

상기 기본적 공정의 여러 가지 변형 및 변경을 본 발명의 범위 내에서 구현할 수 있음을 이해해야 한다. 앞에서 간단히 언급한 바와 같이, 금속 가공편의 성형은 종래 기술에서 알려져 있고 상정할 수 있는 임의의 기계적 수단을 통해 달성할 수 있다. 이제 도 2A를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 1의 실시예에서와 같이, 도 2A는 가공편(10)을 가열하고 성형하도록 조작되며, 이와 관련하여 앞서 기재한 바와 같은 전원(14) 및 전력 제어 스위치(16)와 함께 가동되는 클램프 전극(12A, 12B)을 포함한다. 도 2A의 실시예에서, 가열된 가공편(10)은 일련의 기계적 액추에이터(18A - 18L)에 의해 성형된다. 도 2A 시스템의 장점 중 하나는 액추에이터가 비교적 소형으로 만들어질 수 있고, 전력이 더 낮은 부재를 포함할 수 있다는 점이다. 이들 액추에이터들(18)은 유압식 액추에이터, 공압식 액추에이터 또는 전기 구동 액추에이터를 포함할 수 있다. 액추에이터들(18)은 작동되었을 때 가공편(10)을 접촉하고 성형할 수 있도록 설치된다. 앞에서 언급한 바와 같이, 전극 클램프(12A, 12B)를 통해 가공편에 부가적 성형력을 가할 수 있다. 또한 예시된 바와 같이, 액추에이터들(18)을 선택적으로 작동시키도 록 제어기(20)가 설치되어 있다. 도 2A 실시예는 가공편(10)을 제어기(20)에 의해 액추에이터들(18A - 18K)이 대응하여 작동되는 다양한 형상으로 성형할 수 있는 일반적 성형 장치로서 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 형태의 시스템은 두드러진 설비 개편을 필요로 하지 않고 다양한 형상의 물품을 제조하는 데 사용될 수 있다.

또한, 도 2A 실시예는 다른 형태로 변형될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들면, 천공, 절삭, 용접 등과 같은 조작을 수행하기 위해 다수의 액추에이터를 변형할 수 있다. 또한, 가공편을 파지하거나, 연신하거나, 비틀거나, 그 밖의 형태로 변형하도록 다수의 액추에이터를 구성할 수 있다. 다중 액추에이터를 결합한 실시예의 장점 중 하나는, 가공편의 형상을 궁극적으로 변화시키기 위해 어느 하나의 액추에이터가 다른 액추에이터와 함께 작동할 것이기 때문에, 어느 특정한 액추에이터가 매우 큰 힘을 가질 필요가 없다는 점이다.

도 2B를 참조하면, 본 발명에 따른 성형 시스템의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 앞선 실시예에서와 같이, 도 2B 실시예는 가공편(10)을 가열하기 위해 전원(14) 및 전력 제어 스위치(16)와 함께 가동되는 클램프 전극(12A, 12B)을 포함한다. 이 실시예에서, 가공편(10)을 성형하도록 한 쌍의 다이(22A, 22B)를 조작할 수 있다. 앞선 실시예에서와 같이, 전극 클램프(12)를 포함하는 또 다른 구조물에 의해 연신력, 비틀림 힘 또는 벤딩 힘을 가공편에 가할 수 있다. 이 실시예에서, 전극 클램프(12A, 12B)는 가공편에 성형력을 가할 수 있다.

본 발명의 시스템은 금속가공 공정의 모든 단계를 통해 가공편의 매우 양호 한 온도 제어를 제공한다. 특정한 실시예에서, 도 3에 도시된 형태의 온도 제어 회로가 상기 시스템에 포함될 수 있다. 도 3의 회로는 마이크로프로세서 기반 제어기, 아날로그 제어기 또는 전기기계식(electromechanical) 제어기일 수 있는 온도 제어기(24)를 포함한다. 상기 온도 제어기(24)는 가공편의 저항 가열을 가져오는 전원(28)을 조절하도록 조작된다. 제어 회로의 특정한 실시예에서, 온도 제어기는 또한 온도 센서(26)로부터 온도 정보를 수신한다. 온도 센서는 가공편과 연통되어 있는 광학적 고온계(pyrometer), 열전대, 또는 그 밖의 온도 측정 장치를 포함할 수 있다. 가공편의 전기 저항은 온도의 함수로서 변동되기 때문에, 경우에 따라서 온도 센서(26)는 가공편의 저항을 측정하고 그에 따라 온도를 판정하도록 조작될 수 있다. 온도 제어기(24)는 가공편에 고정된 온도를 유지하도록 조작되거나, 또는 소정의 프로파일에 따라 온도를 제어하도록 조작될 수 있다.

앞에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 시스템은 가공편을 처리하는 과정에서 가열된 가공편을 담금질하도록 조작되는 것이 바람직하다. 이와 관련하여, 도 3의 온도 제어 회로는 또한, 담금질 액체 또는 가스를 가공편에 공급하도록 조작되는 담금질 시스템(30)과 전기적으로 연통될 수 있다. 그 경우, 제어기(24)는 가공편의 온도를 감지하고, 감지된 온도에 응답하여 원하는 담금질 프로파일을 달성하도록 담금질 시스템(30)의 조작을 제어한다. 이러한 형태의 시스템은 매우 정밀한 온도 제어 하에서 금속가공 공정의 다양한 부분이 수행될 수 있도록 한다. 예를 들면, 소성 변형(plastic deformation)을 촉진하기에 충분히 높으면서도 산화물 형성을 최소화하기에 충분히 낮은 온도로 금속 가공편을 가열할 수 있다. 그런 다 음, 가공편은 야금학적 전이 온도로 신속히 가열되고, 적절한 시간 동안 유지된 다음, 원하는 야금학적 상태를 생성하는 속도로 냉각된다. 예를 들어, 이 시스템을 이용함으로써 마텐자이트 또는 베이나이트 구조를 가진 완성된 부품을 신뢰성 있게 제조할 수 있다. 이러한 제어를 이용함으로써 저렴한 종래의 합금으로부터 고품질의 부품을 제조할 수 있다.

도 4A 및 4B는 본 발명의 시스템을 이용함으로써 얻어질 수 있는 시간/온도 프로파일의 다양한 예를 나타낸다. 본 발명의 시스템을 이용하여 여러 가지 다른 프로파일을 구현할 수 있음을 이해해야 한다.

도 5를 참조하면, 담금질 유체를 가열된 가공편에 공급하도록 시스템의 전극 클램프(12A, 12B)가 추가로 조작되는, 본 발명의 또 다른 특징이 나타나 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 가공편(10)은 앞선 실시예에서와 같이 스위치(16)를 통해 발전기(14)와 전기적으로 연통되어 있는 전극 클램프(12A, 12B)에 의해 지지되고 저항식으로 가열된다. 이 실시예에서, 전극 클램프(12A, 12B)는 또한 유체 라인(34)을 통해 담금질 유체(32)의 공급원과 연통되어 있다. 담금질 유체는 종래 기술에 알려져 있는 임의 형태의 담금질제를 포함할 수 있고, 예를 들면 물, 오일, 물과 오일의 에멀젼, 유기 유체 등과 같은 액체를 포함한다. 담금질 유체는 또한 가스를 포함할 수 있고, 경우에 따라서는 액체 질소와 같은 액화 가스를 포함할 수도 있다. 도 5의 실시예에서, 클램프(12A, 12B)는 담금질 유체를 가공편(10)의 외면을 가로질러 진행시키도록 되어 있을 수 있다. 가공편이 중공형 가공편인 경우에, 상기 시스템은 담금질 유체가 가공편을 통과하도록 추가로 조작될 수 있다. 도 5에는 또한 각각의 클램프(12A, 12B)와 결합되어 있는 한 쌍의 액추에이터(34A, 34B)가 도시되어 있다. 액추에이터들은, 앞에서 언급한 바와 같이, 유압식, 공압식, 전기식 또는 전기기계식 액추에이터를 포함할 수 있고, 가공편을 연신하거나 비틀거나 벤딩하도록 조작될 수 있다. 다른 경우에, 도 5의 시스템은 가공편을 처리하는 동안 침탄 유체, 질화 유체 또는 불활성 유체와 같은 다른 유체를 가공편에 공급하도록 변형될 수 있다. 이러한 다른 유체는 담금질 유체와 함께, 또는 담금질 유체 대신에 사용될 수 있다.

앞에 제시된 모든 실시예에서, 전극 클램프는 가공편의 양단에 설치되어 있는 것으로 도시되어 있다. 몇몇 경우에, 클램프를 달리 설치하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 가공편의 특정한 부분만을 열처리 사이클에 노출시키고자 할 경우, 클램프는 가공편의 그러한 부분으로만 전류를 공급하도록 설치될 수 있다. 따라서, 그러한 실시예는 모두 본 발명의 범위에 포함된다. 또한, 경우에 따라서는 가공편의 특정한 부분을, 가공편의 나머지 부분에 적용되는 열처리 단계와는 별도로, 특정한 열처리 단계를 거치도록 할 수 있다. 예를 들면, 가공편 전체를 가공편 내에 제1 야금학적 전이가 유도되도록 열처리하고, 이어서 그 가공편의 선택된 부분을 제2 야금학적 상태로 변환하도록 재처리할 수 있다. 예를 들어, 선택된 영역에서의 경도가 낮은 고경도 부재를 제조하도록 가공편을 처리할 수 있다.

그러한 구성은 기계적 충격을 감쇄시키도록 최적화된 미리 선택된 일련의 변형 특징을 가진, 범퍼 바, 충돌 보호 빔 등과 같은 에너지 분산(energy-dissipating) 구조를 제공할 수 있다. 다른 경우에, 용접, 탭핑, 절삭 등과 같은 후속 처리 단계를 위해 최적화된 경도 특징을 제공하도록 부재의 특정한 부위를 열처리할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 방법을 이용하여, 경도가 낮은 플랜지 또는 탭이 연장되어 나온 고경도 빔 부재를 제조할 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 가공편의 일부분을 별도로 열처리하도록 특수하게 구성된 예를 나타낸다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 가공편(10)은 전극 클램프(12A, 12B)에 의해 지지되는데, 전극 클램프는 모두 앞에서 설명한 바와 같이 스위치(16)를 통해 발전기(14)와 같은 전원에 의해 전력을 공급받는다. 도 6 실시예는 발전기(14)와 전기적으로 연통되고 제2 스위치(38)를 통해 선택적으로 작동 가능한 제2 전극 세트(36A, 36B)를 추가로 포함한다. 이 제2 전극 세트(36A, 36B)는 가공편(10)에 선택 가능하게 접촉될 수 있고, 전류가 통하면 그 사이에 설치된 가공편(10)의 부분을 저항 가열하도록 협동한다. 도시되어 있지는 않지만, 도 6 실시예는 앞에서 설명한 바에 따른 가공편에 대한 성형 조작을 수행하는 수단을 포함할 수 있음을 이해해야 한다.

도 6 실시예의 이용에 있어서, 가공편(10)은 먼저 전극 클램프(12A, 12B)를 통해 원하는 야금학적 전이 온도로 가열되고, 이어서 성형된 다음, 필요에 따라 담금질 처리된다. 추가적 단계에서, 가공편(10)의 부분을 재가열하여 그 부분을 역(reverse) 템퍼링하거나 또는 야금학적 전이가 이루어지도록 보조 전극(36A, 36B)을 작동시킬 수 있다. 그러한 재가열은 필요에 따라 성형 단계, 담금질 단계 등과 같은 추가적 처리 단계에 의해 수행될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 금속 성형 시스템은 가공편 처리의 선택 된 단계 동안 가공편에 대해 제어된 분위기를 제공하도록 추가 조작될 수 있다. 도 7을 참조하면, 그러한 실시예가 도시되어 있다. 도면에 구체적으로 나타나 있는 바와 같이, 가공편(10)은 앞에서 설명한 바와 같은 기계적 액추에이터를 포함할 수 있는 전극 클램프(12A, 12B)에 의해 지지된다. 특정한 이 실시예에서, 전극 클램프(12A, 12B)는 또한 공정 가스 공급원(70)으로부터 공정 가스를 가공편(10)에 공급하도록 구성되어 있다. 공정 가스는 질소, 아르곤 등과 같은 불활성 가스를 포함할 수 있다. 다른 경우에, 공정 가스는 수소와 같은 환원성 가스, 암모니아 등과 같은 질화 가스, 탄화수소와 같은 침탄 가스를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 가공편의 외면에 공정 가스를 공급하도록 구성될 수 있고, 가공편이 중공형 가공편인 경우에는 가공편의 내부에 공정 가스를 공급하도록 조작될 수도 있다.

공정 가스가 불활성 가스인 경우에, 불필요한 산화물 및/또는 다른 스케일이 가열된 가공편 상에 형성되는 것을 방지하거나 최소화할 수 있다. 이것은 본 발명의 매우 유의적인 특징인 바, 스케일의 방지는 보다 고품질의 물품을 제조할 수 있게 하고, 및/또는 마감 처리된 가공편의 추가적 처리를 용이하게 하기 때문이다. 불활성 분위기의 이용은 또한, 산화물 및 스케일의 형성으로 초래되는 시간적 제약이 배제되기 때문에, 가열된 가공편에 대해 조작이 수행될 수 있는 시간을 연장시킨다. 많은 경우에, 가열된 가공편을 성형하는 종래의 시스템은, 지나친 스케일 및 산화물 형성을 피하기 위해서 특별한 고가의 강 합금을 사용해야 한다. 본 발명의 이용은 이러한 비용 요인을 배제한다.

본 발명의 방법을 수행하는 데에는 다양한 시스템을 구현할 수 있다. 본 발 명의 일 태양에 있어서, 모듈형 금속가공 시스템을 제조할 수 있다고 생각된다. 그러한 시스템에서, 특별한 가공편에 대해 특별한 여러 가지 조작을 수행하도록 특정한 모듈을 구성할 수 있다. 그러한 모듈은 전극, 성형 부재, 유체 공급 시스템 등의 특별한 구성을 포함할 수 있다. 조작 모듈 각각의 특별한 구성은 그 안에서 제조되는 물품의 본성에 의존한다. 이러한 본 발명의 실시예에서, 모듈들은 "범용(universal)" 제어 시스템과 체결될 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 제어 시스템은 전력 공급 시스템, 공압 시스템, 유압 시스템, 유체 공급 시스템 등과 같은 공통 유닛을 수용한다. 이러한 방식으로, 본 발명의 장치는 모듈들을 내부에서 치환함으로써 여러 가지 물품의 제조를 위해 용이하게 구성될 수 있다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 베이스 스테이션(50)은 전기식 제어 시스템(52), 유압식 제어 시스템(54) 및 유체 제어 시스템(56)을 결합된 상태로 포함한다. 베이스 스테이션(50)은 또한 컴퓨터 컨트롤러, 키보드, 터치 스크린 등과 같은 데이터 입력 장치를 비롯하여 오퍼레이터로 하여금 시스템을 제어할 수 있게 하는 데이터 디스플레이 장치를 포함할 수 있는 사용자 인터페이스(58)를 포함한다. 베이스 스테이션(50)은 유체 공급 라인, 전기 접속부, 공압 또는 유체 연결부 등을 포함하는 일련의 커넥터 포트(60A, 60B, 60C)를 포함한다. 베이스 스테이션(50)은, 앞에서 설명한 바와 같이, 가공편을 수용하고 성형하기 위한 설비 및 액추에이터, 센서 및 기타 관련 시스템을 포함할 수 있는 조작 모듈(operational module)(62)을 수용하도록 구성되어 있다. 베이스 모듈(62)은 베이스 스테이션 상의 대응하는 커넥터 단자(60A, 60B, 60C)를 체결하는 커넥터(64A, 64B, 64C)를 포함한다. 모듈(62)이 스테이션(5)과 체결되어 있을 때, 상기 시스템은 전술한 본 발명의 태양에 따라 가공편에 대해 일련의 성형 조작을 수행하도록 조작된다.

이상은 본 발명의 특정한 실시예 중 몇 가지를 설명한 것이다. 이러한 여러 가지 실시예에서 알 수 있는 특징들은 본 발명에 따른 다른 시스템 및 장치를 제공하도록 결합 및/또는 변형될 수 있다. 또한 그 밖에 본 발명의 변형, 조합 및 변경은 당업자에게 명백할 것이다. 전술한 도면, 검토 및 설명은 본 발명의 몇 가지 특정한 실시예를 예시하는 것이며, 본 발명의 실시에 대한 제한을 의미하는 것은 아니다. 모든 등가물을 포함하여 이하의 청구의 범위에 의해 본 발명의 범위가 한정된다.

Claims (20)

1. 금속 물품을 성형(forming)하기 위한 장치로서,

   가공편(workpiece)을 수용하고 지지하는 스테이션;

   전류 공급원;

   유체 공급원; 및

   상기 전류 공급원과 전기적으로 연통되고, 상기 유체 공급원과 유체로 연통되는 제1 및 제2 전극 클램프

   를 포함하고,

   상기 클램프는 상기 가공편과 체결되어 상기 가공편에 전류 및 유체를 공급하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는

   성형 장치.
2. 제1항에 있어서,

   하나 이상의 상기 클램프와 기계적으로 결합되어 있는 액추에이터를 추가로 포함하고, 상기 액추에이터는 상기 하나 이상의 클램프와 함께 상기 가공편에 기계적 힘을 가하도록 조작 가능한 것을 특징으로 하는 성형 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 전류 공급원 및 상기 유체 공급원 중 하나 이상을 제어하는 제어 기(controller)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 성형 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 가공편의 온도를 감지하는 온도 센서를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 성형 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 온도 센서는 상기 제어기와 연통되어 있고, 상기 제어기와 함께 상기 가공편의 온도를 제어하도록 조작 가능한 것을 특징으로 하는 성형 장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제어기는 미리 선택된 프로파일에 따라 상기 가공편의 온도를 제어하도록 조작 가능한 것을 특징으로 하는 성형 장치.
7. 제5항에 있어서,

   상기 제어기는 상기 가공편의 적어도 일부분의 야금학적 상태를 변경하기 위해 상기 가공편의 온도를 제어하도록 조작 가능한 것을 특징으로 하는 성형 장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제어기는 상기 가공편의 일부분을 마텐자이트 구조(martensitic structure) 또는 베이나이트 구조(bainitic structure)로 변환하기 위해 상기 가공편의 적어도 일부분의 야금학적 상태를 변경하도록 조작 가능한 것을 특징으로 하는 성형 장치.
9. 제2항에 있어서,

   상기 가공편에 가해지는 기계적 힘은 벤딩(bending), 트위스팅(twisting), 스트레칭(stretching), 홀딩(holding) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 성형 장치.
10. 제2항에 있어서,

    상기 액추에이터는, 유압식 액추에이터, 공압식 액추에이터, 전기기계식 액추에이터 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 성형 장치.
11. 제1항에 있어서,

    상기 유체가 액체인 것을 특징으로 하는 성형 장치.
12. 제1항에 있어서,

    상기 유체가 가스인 것을 특징으로 하는 성형 장치.
13. 제1항에 있어서,

    상기 유체가 담금질(quench) 유체인 것을 특징으로 하는 성형 장치.
14. 제1항에 있어서,

    상기 유체가 공정 유체인 것을 특징으로 하는 성형 장치.
15. 금속 물품을 성형하기 위한 모듈형 장치로서,

    베이스 스테이션(base station);

    성형 모듈(forming module); 및

    상기 성형 모듈을 상기 베이스 스테이션에 연결하는 커플러(coupler)

    를 포함하고,

    상기 베이스 스테이션은

    전류 공급원;

    상기 전류를 제어하는 제어기;

    유체 공급원; 및

    상기 유체 공급원을 제어하는 제어기

    를 포함하고,

    상기 모듈은 제1 및 제2 전극 클램프를 포함하고, 상기 클램프들은 상기 가공편과 체결되어 상기 가공편에 전류와 유체를 공급하도록 구성되어 있고,

    상기 커플러는 상기 전류 공급원 및 상기 유체 공급원으로부터 각각 전류 및 유체를 상기 클램프에 공급하도록 조작 가능한 것을 특징으로 하는

    모듈형 장치.
16. 제15항에 있어서,

    상기 베이스 스테이션은 액추에이터 장치를 기동시키기 위한 전력 공급원을 추가로 포함하고, 상기 성형 모듈은 하나 이상의 상기 클램프와 기계적으로 결합되는 액추에이터를 추가로 포함하고, 상기 액추에이터는 하나 이상의 상기 클램프와 함께 기계적 힘을 상기 가공편에 가하도록 조작가능하고, 상기 커플러는 추가로 전력을 상기 전력 공급원으로부터 상기 액추에이터로 공급하도록 조작가능한 것을 특징으로 하는 모듈형 장치.
17. 금속 물품의 성형 방법으로서,

    전류 공급원, 유체 공급원, 각각 상기 전류 공급원과 전기적으로 연통되고 상기 유체 공급원과 유체로 연통되며, 가공편과 체결되어 전류 및 유체를 상기 가공편에 공급하도록 구성된 제1 전극 클램프 및 제2 전극 클램프를 포함하는 금속 성형 장치를 제공하는 단계;

    상기 가공편을 상기 클램프와 기계적으로 체결된 상태로 상기 성형 장치에 설치하는 단계;

    전류를 상기 전류 공급원으로부터 상기 클램프를 통해 상기 가공편으로 유통시키는 단계; 및

    유체를 상기 유체 공급원으로부터 상기 클램프를 통해 상기 가공편으로 유통시키는 단계

    를 포함하는 성형 방법.
18. 제17항에 있어서,

    상기 유체는 담금질 유체이고, 상기 전류의 흐름 및 상기 유체의 흐름은 상기 가공편의 온도를 제어하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 성형 방법.
19. 제18항에 있어서,

    상기 가공편은 철 금속으로부터 제조되고, 상기 가공편의 온도는 상기 가공편의 적어도 일부분이 마텐자이트 상태 또는 베이나이트 상태로 변환되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 성형 방법.
20. 제17항에 있어서,

    상기 금속 성형 장치는 하나 이상의 상기 클램프와 기계적으로 결합되는 액추에이터를 추가로 포함하고, 상기 액추에이터는 하나 이상의 상기 클램프와 함께 상기 가공편에 기계적 힘을 가하도록 조작가능하고, 상기 성형 방법은 상기 가공편에 기계적 힘을 가하도록 상기 액추에이터를 작동시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 성형 방법.

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