KR20080031961A

KR20080031961A - 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법 및 제조장치

Info

Publication number: KR20080031961A
Application number: KR1020087003873A
Authority: KR
Inventors: 키앙 주; 앤드류 필립 잭슨
Original assignee: 커민스 터보 테크놀러지스 리미티드
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2008-04-11
Also published as: CN101262966A; US20090160091A1; JP2009501870A; US8464777B2; WO2007010181A2; CN101262966B; WO2007010181A3; EP1909995A2; GB0514751D0; DE602006014546D1; EP1909995B1

Abstract

반고체 물질로 터빈 또는 컴프레셔 휠을 형성하는 방법은 다수개의 세그먼트들로 이루어진 내부 카트리지 및 외부 다이를 구비하는 다이 조립체를 이용한다. 상기 반고체 물질이 소정 압력 및 고온하에 상기 다이로 주입되어 상기 카트리지의 상기 세그먼트들 사이에 한정되는 블레이드공들로 유입된다. 상기 카트리지는 상기 외부 다이로부터 제거되고 상기 세그먼트들이 분리되어 휠이 배출된다.

Description

터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법 및 제조장치{Method and apparatus for manufacturing turbine or compressor wheels}

본 발명은 터빈(turbine) 및 컴프레셔(compressor) 휠(wheel)의 제조방법에 관한 것이며, 구체적으로는, 하지만 이에 한정되지 않게, 터보차져(turbocharger)용 터빈 및 컴프레셔 휠의 제조방법에 관한 것이다.

터보차져는 상압 보다 높은 압력(부스트 압력)에서 내연 엔진(internal combution engine)의 흡입구(intake)로 공기를 제공하는데 쓰이는 장치로 널리 알려져 있다. 종래의 터보차져는 터빈 하우징 내의 회전 샤프트에 설치된 배기가스 로 동작하는 터빈 휠을 필수적으로 포함한다. 상기 터빈 휠의 회전에 의해 컴프레셔 하우징 내의 상기 회전 샤프트의 다른 끝단에 설치된 컴프레셔 휠이 회전한다. 상기 컴프레셔 휠은 상기 내연 엔진의 흡입구 매니폴드(manifold)로 압축된 가스를 보내게 된다.

컴프레셔 및 터빈 휠은 흡입가스 및 배기가스의 유속, 방향 및 압력을 변화시키기 위해서 매우 복잡한 형상을 가진다. 상기 휠들은 큰 허브 부분에 45도에서 90도 사이의 각도를 이루며 붙어있는 약 1mm두께의 얇은 블레이드 부분(thin-walled blade section)를 포함한다. 상기 하우징과 상기 블레이드들의 사이에 정의 된 통로를 따라 상기 공기 또는 가스가 흐른다. 예를 들어, 컴프레셔 휠에서, 상기 블레이드들은 처음에는 상기 흡입공기(intake air)를 축방향으로 빨아들일 수 있도록 형성되고 그 후 상기 공기를 방사상 방향으로 흘러가도록 방향을 바꾸도록, 동시에 원심력을 가하여 상기 공기를 고속으로 가속시키도록 외측으로 구부러져 있다. 상기 공기는 상기 휠의 방사상 주변에 있는 소용돌이꼴의 아울렛 챔버로 상기 블레이드 끝단(tips)에 의해 고압으로 분사되어야 한다. 상기 블레이드들의 형상은 상기 터보차져 휠들의 기체역학적 특성에 중요한 요소이며, 정확하게 형성되어야 하며, 각 블레이드들 마다 반복되어야 한다. 상기 블레이드들의 복잡한 프로파일에 더하여, 상기 휠들은 표면에 언더컷들(undercuts) 및 다른 갑작스런 변화부들(sudden changes)을 구비한다. 상기 휠들 형상의 복잡함 때문에 주조(casting), 단조로부터의 기계가공법(machining from forgings)과 같은 종래의 제조방법은 피할 수 없는 문제점들을 가지게 된다.

최근의 터보차져 휠들을 제조하는 주된 방법은 주조이다. 이 방법은 정확하게 형성된 제품을 비교적 저가에 생산하도록 하는 공정이다. 이 방법은 액체금속, 예를 들어, 터빈 휠용 니켈 기반 초합금(Ni based superalloys) 및 컴프레셔 휠용 Al-Si 합금을 왁스와 같은 마스터 패턴을 이용해 미리 형성한 세라믹 또는 플래스터(plaster) 거푸집(mould)에 붓는다. 상기 거푸집으로 합금을 주입하기 전에 상기 왁스는 적절한 솔벤트에 의해 제거된다. 상기 금속이 상온으로 냉각되고 나면 상기 세라믹 또는 플래스터는 깨져 상기 휠이 드러나게 된다. 상기 처음의 왁스패턴은 일반적으로 용융된 왁스를 다이에 주입하여 제조한다.

비교적 가볍고 저가인 알루미늄은 터빈 및 컴프레셔 휠 모두의 제조에 바람직한 물질이다. 예전에는 매트릭스 형태로(in the form of a matrix) 사용되었고, 최근에는 터빈 휠용 합금원소로 사용되고 있다. 알루미늄의 한가지 문제점은 진공 또는 비활성 기체 분위기 하에서 주조하거나 또는 주조 하기 전에 산화되어 결함이 생기는 경향이 있다는 것이다. 이런 산화에 의한 결함(defect)은 쉽게 제어할 수 없고, 또한 이러한 결함은 부품의 내구성을 급격하게 감소시켜 피로파괴가 시작되는 요인이 된다. 이러한 결함을 갖는 휠의 내구성은 예측하기 힘들게 되고, 결과적으로 터보차져의 신뢰성은 떨어지게 된다. 최근의 주요 연구들은 알루미늄 및 니켈 기반 초합금의 주조에서 상기 산화 결함을 줄이기 위해 이루어지고 있으나 성과가 없었다.

터보차져의 주조와 관련된 다른 문제점은 재료의 미세구조를 컨트롤하는 데에 있다. 상기 휠의 복잡한 형상은 수축, 기공(gas porosity) 및 결정립(grain)의 크기, 수지상의 크기 및 이차상 입자(second phase particle)의 크기와 같은 미세구조의 균일성을 일관되게 유지하는데 어려움을 주며, 이에 따라 부품 품질의 균일성을 떨어뜨리게 된다.

주조와 관련된 문제점들을 해결하기 위하여 최근에 재료를 빌릿(billet)으로 주조하고, 바(bar) 형태로 사출한 후, 상기 바를 단편(斷片,pieces)들로 커팅하고, 상기 단편들을 단조하고, 상기 단조된 단편들 각각을 다축 장치(mullti-axis machine)을 이용해 상기 휠의 형상으로 기계가공하는 방법이 제안되고 있다. 이 방법에 의해 주조공정, 단조공정 및 기계가공 공정 동안 산화결함 및 기공결함과 같 은 결함들이 제거될 수 있다. 또한 미세하고 균일한 결정립 및 이차상 입자들을 얻어낼 수 있다. 이에 따라, 종래의 주조방법에 의해 형성된 제품들과 비교하여 훨씬 향상된 휠 내구성의 균일성을 얻을 수 있다. 이 방법은 내구성 높은 휠을 반복적으로 제조할 수 있으나, 많은 공정단계 때문에 주조방법에 비해 노동력과 훨씬 높은 비용이 든다.

고품질의 터보차져 휠을 반복적으로 생산해내는데 적합하면서 그 공정은 경제적인 비용으로 이루어지는 것이 요구된다.

반고체 금속성형법(semi-solid forming of metals)은 수축문제를 야기시키지 않으면서 높은 강도 및 연성을 갖는 제품을 생산해 내는 것으로 잘 알려져 있다. 반고체 성형법은 액체상태와 고체상태 사이 온도의 합금 공정을 말하며, 이는 고상의 금속 입자가 액상의 용융금속에 떠있는 슬러리(slurry)를 포함한다. 수지상의(dendritic) 고체 입자는 변형되어 대략 회전타원체(spheriods)의 형태를 띤다. 가장 잘 알려진 공정방법인 틱소캐스팅(thixocasting) 및 레오캐스팅(rheocasting)은 고체 금속을 기계가공한 부품과 비슷한 품질의 부품을 낮은 가격에 생산할 수 있는 것으로 알려져 있다. 틱소캐스팅에서, 반고체 상태의 요변성의 빌릿(thixotropic billet)은 상기 슬러리를 냉각하여 형성하며, 이 때 그것이 고체상태가 될 때까지 상기 수지상의 미세구조는 변형되며 그 이후 반고체 상태로 재가열하게 되며 상기 빌릿은 30-70%의 액상을 함유하고, 거푸집에 주입 또는 주조하기 바로 직전에 이루어진다. 레오캐스팅 방법에서는 합금을 완전히 용융시키고 그 후 고체 입자가 액상의 공융혼합물(eutetics)에 의해 둘러싸이게 되는 액상과 고체상 중간정도의 온도로 냉각된다. 이 때, 미세구조가 변형되고, 상기 반고체 상태의 재료를 거푸집에 주입하거나 또는 주조함으로써 부품이 만들어지게 된다. 주입 전에 재가열을 위해 고상 빌릿의 배치(batch)에 효과적으로 재료를 제공해야하는 틱소캐스팅에 비하여 레오캐스팅은 주입을 위해 필요에 따라 반고체 재료를 제공할 수 있다는 점에서 매력적이다.

두 가지 경우 모두에서 반고체 재료는 고압 주입장치 또는 다이 주조 장치(die-casting machine)로 옮겨진 후, 다이(die)로 주입된다. 상기 주입된 재료가 고체화된 후, 상기 다이는 상기 장치로부터 제거되며 개방되어 고안된 부품이 드러나게 된다. 상기 틱소캐스팅의 장점은 요구되는 미세구조의 균일성 및 주조 결함의 제거를 제어하기가 더 쉽다는 것에 있지만, 레오캐스팅에 비해 고가라는 단점이 있다.

상기 반고체 성형법은 지금까지 터보차져 휠과 같은 복잡한 구조의 부품 생산에는 적용되지 못하였다. 최근까지 반고체 성형법은 그 단면에 큰 변화가 없는 비교적 간단한 형상의 제품의 생산에만 적용되었으며, 상술한 바와 같은 복잡한 프로파일의 제품에는 적용되지 못했다. 상기 제조방법의 예들이 미국특허 제 5,630,466호, 미국출원 제 2003205351호 및 유럽특허 제 0980730호에 기술되어 있다.

반고체 상태에 있는 금속 합금의 오변성 거동(thixotropic behaviour) 및 금속 제품을 형성하기 위한 요변성 거동의 적용(application)이 주요 연구의 과제였다. 요변성형이 가능한(thixoformable) 합금의 생산 및 틱소캐스팅 및 레오캐스팅 을 사용하여 간단한 제조 부품들을 생산하는 것은 많은 특허에 개시되어 있다. 예를 들어, US3948650, 프랑스특허 2141979, US5630466, SK10002001, US 6214478(특히, 비교적 간단한 자동차용 얇은(thin-walled) 바디파트의 생산에 대해 개시함), US5879478, WO0053914, 및 EP0980730 등에 개시되어 있다.

대부분의 이전의 연구들은 알루미늄 실리콘 합금에 집중되어 있는데, 이는 이 합금들이 알루미늄 입자와 실리콘 공융물 사이의 고체화 과정에 있어서 비교적 명확한 경계(clear boundary)를 가지기 때문이다. 예를 들어, 가장 유명한 요변성형이 가능한 알루미늄 합금 A356(6.5~7.5%Si, 다른 원소들 각각은 1%미만) 및 그 변형 합금 A357(약 0.03%의 스트론튬이 추가되고 강도를 높이기 위해 마그네슘 함량을 증가시킨 것)은 자동차 부품의 제작에 널리 이용되고 있다. 가장 대중적인 부품들은 다음과 같이 요약될 수 있다(R. DasGupta: Industrial Applications - The Present Status and Challenges We Face in the Proceedings of the 8th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Limassol, Cyprus, 21-23 September 2004 참고).

(1) 합금 A357의 틱소캐스팅에 의해 제조된 연료 공급관(fuel rail);

(2) 합금 A357의 틱소캐스팅에 의해 제조된 자동변속 기어 시프트 레버(gear shift lever);

(3) 합금 A357의 레오캐스팅에 의해 제조된 엔진 마운트(engine mount);

(4) 합금 A357의 레오캐스팅에 의해 제조된 여러 가지 타입의 엔진 브라 킷(engline bracket);

(5) 합금 A356의 레오캐스팅에 의해 제조된 상부 제어 아암(upper control arm);

(6) 합금 A357의 레오캐스팅에 의해 제조된 서스펜션(suspension); 및

(7) 합금 A356의 레오캐스팅에 의해 제조된 디젤 엔진 펌프바디(diesel engine pump body)

이 공정에 의해 제조된 상기 제품들은 주조방법 보다 현저하게 향상된 품질을 가지며, 고체 금속을 이용한 기계가공 보다 현저한 비용 이익을 가진다.

앞에서 언급된 모든 제품들의 일반적인 특징은 비교적 간단한 형상이라는 것이다. 즉, 가장 두꺼운 부분에 대한 가장 얇은 부분의 비가 1:2를 넘지 않으며, 간단한 주조 다이를 사용하여 제조할 수 있다. 게다가, 앞에서 언급된 부품들은 열적 사이클(thermal cycle), 스피드 사이클(speed cycle) 및 가스 압력 등에 의해 야기되는 매우 복잡한 조건 하에서 동작하는 터보차져 휠과 달리 비교적 간단하고 양호한 환경에서의 동작을 위해 고안되었다.

요변성 합금을 성형하는 방법은 십여 가지 이상이 있다. 이 방법들은 모두 같은 원리(concept)를 이용한다. 즉, 액상에 의하여 둘러싸인 회전타원체의 고체 입자를 갖는 반고체 미세구조를 만들어낸 다음 반고체 재료를 성형하는 것이다.

본 발명의 목적은 상술한 단점 및 다른 단점들을 미연에 방지하거나 또는 경감시키고, 반고체 공정을 이용하여 복잡한 형상의 터보차져용 컴프레셔 및 터빈 휠의 제조방법 및 제조장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 제 1 양태에 따르면, 외부 다이 및 내부 다이 카트리지 조립체를 포함하는 다이 조립체(die assembly)를 사용하여, 허브(hub) 및 상기 허브의 외측으로 연장되는 복잡한 커베이쳐(curvature)를 가지는 블레이드들(blades)을 구비하는 터빈 또는 컴프레셔 휠을 형성하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 다수개의 다이 세그먼트들(segments)로 상기 내부 다이 카트리지 조립체(inner die cartridge assembly)를 조립하는 단계를 포함하되, 상기 카트리지 조립체는 중앙의 허브공(hub cavity) 및 상기 허브공의 외측으로 연장되는 다수개의 블레이드공들(blade cavities)을 한정하며, 상기 블레이드공들은 인접하는 다이 세그먼트들 사이에 한정된다. 상기 방법은 상기 카트리지 조립체를 상기 외부 다이에 삽입하고, 반고체 금속합금이 상기 카트리지 조립체 및 상기 블레이드공들로 흘러 들어가도록 상기 다이로 반고체 금속합금을 주입하고, 상기 주입공정 동안 상기 카트리지 조립체 내부의 온도 및 압력을 소정의 범위로 유지시키고, 상기 외부 다이로부터 상기 카트리지 조립체를 제거하고, 상기 카트리지 조립체의 다이 세그먼트들을 분리하여 성형된 휠을 꺼내는 것을 포함한다.

비용은 주조방법과 비슷하며, 품질은 단조물을 기계가공한 부품들과 비슷하다.

이 목적은 합금계(alloy systems)의 적절한 선택, 부품 디자인, 설비(tooling)의 디자인, 공정 파라미터의 최적화 및 후속하는 표면처리에 의해 달성될 수 있다.

상기 다이 세그먼트들은 조립되어 환(環)상의(annular) 카트리지 조립체를 정의할 수 있다.

상기 카트리지 조립체는 바람직하게는 커버를 더 구비할 수 있으며, 상기 허브공은 상기 다이 세그먼트들의 외부면과 상기 커버 사이에 정의될 수 있다. 상기 조립된 다이 세그먼트들은 바랍직하게는 상기 카트리지 조립체의 외부 링 내측에 위치되며, 상기 커버는 상기 카트리지 조립체를 상기 외부 다이에 삽입하기 전에 상기 다이 세그먼트들과 조립될 수 있다. 상기 커버는 상기 외부 카트리지 링에 고정될 수 있다.

상기 합금은 바람직하게는 상기 카트리지 조립체에 있는 개구부를 통하여 상기 허브공에 주입된다. 상기 반고체 합금은 먼저 상기 허브공에 들어가고 이어서 상기 블레이드공들로 유입되도록 주입될 수 있다. 다른 방법으로는 상기 주입단계 전에 미리 형성된 허브가 내부 다이 카트리지의 상기 허브공에 삽입될 수 있으며 상기 블레이드들은 상기 미리 형성된 허브 상에 반고체 물질로 형성될 수 있다. 이러한 방법으로 상기 블레이드들은 스톡(stock), 주조법 또는 단조법 등으로 기계가공된 허브 상에 쉽게 형성될 수 있다.

상기 허브가 미리 형성되지 않는 경우에 상기 반고체 합금은 상기 허브공으로부터 상기 블레이드공들로 슬롯 형태의 개구부를 경유하여 유입된다.

바람직하게는 상기 카트리지 조립체는 성형된 휠을 빼낸 후에 재사용을 위하여 재조립될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 미리 조립되어 상기 제 1 내부 다이 카트리지의 제거 후에 상기 다이에 삽입되는 제 2 내부 다이 카트리지가 제공된다. 제조공정을 더욱 유리하게 만들기 위해 여러 개의 미리 조립된 카트리지들이 제공될 수 있다. 상기 각각의 다이 카트리지들은 주입 전에 소정의 온도로 미리 가열될 수 있으며, 상기 외부 다이로 삽입하기 전에 소정의 온도로 미리 가열될 수 있다.

상기 반고체 물질은 요변성 빌릿을 가열하거나 또는 특별한 기술(special technonlogies)을 이용해 액체 금속을 반고체 상태로 주조하여 형성할 수 있다.

상기 카트리지를 바람직하게는 분리하기 전에 냉각시킨다.

상기 다이 세그먼트들은, 적어도, 주입 전에 배출제(release agent)에 의해 처리될 수 있다. 상기 배출제는 상기 카트리지가 상기 다이 조립체로부터 제거된 후 상기 성형된 휠로부터 상기 다이 세그먼트들을 제거할 수 있도록 하는 기능을 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 합금의 주입 후 소정의 시간이 지난 후에 상기 카트리지 조립체는 상기 다이 조립체의 나머지 부분으로부터 제거되며, 상기 세그먼트들은 분리되어 상기 휠의 상기 블레이드들이 노출된다.

상기 다이 조립체는 제 1 및 제 2 파트들을 더 포함할 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 파트들은 상기 카트리지를 수용하는 챔버를 한정한다. 상기 카트리지는 바람직하게는 상기 챔버 내부에 배치되며, 상기 다이의 상기 제 1 및 제 2 파트들은 밀봉정합(sealing engagement)하도록 결합된다. 바람직하게는 상기 챔버는 상기 다이 조립체의 상기 제 1 파트에 한정된다.

상기 합금은 상기 다이의 제 1 파트 상의 러너 블록(runner block)에 있는 러너 통로(runner passage)를 통해 주입될 수 있으며, 상기 통로는 주입장치와 상기 다이 허브공 사이를 연결한다. 상기 러너 블록은 상기 카트리지의 삽입 후에 제 1 위치로 이동하여 상기 챔버 및 상기 카트리지 상(over)에 위치할 수 있으며, 상기 주입 공정이 완료된 후에 상기 카트리지를 제거하기 위하여 상기 챔버 및 상기 카트리지를 노출시키는 제 2 위치로 이동할 수 있다. 상기 러너 블록은 제 1 및 제 2 부분을 가질 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 부분은 상기 제 1 위치에서 결합되어 상기 러너 통로를 한정하며 상기 제 2 위치로 이격되어 이동한다. 상기 제 1 및 제 2 부분은 액츄에이터에 의해 상기 다이의 제 1 파트에 대해 슬라이드될 수 있다. 본 방법은 상기 러너 통로를 통과하는 동안 상기 합금의 표면으로부터 산화물들을 벗겨내는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 러너 통로의 크기가 줄어든 단차면(a stepped reduction in size)은 이러한 목적으로 사용될 수 있다.

상기 러너 통로는 인렛(inlet)으로부터 상기 러너 블록으로 연장되는 제 1 포션(portion) 및 상기 다이 허브공의 인접부로부터 연장된 제 2 포션을 구비할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 포션들은 서로 교차하며, 상기 제 1 부분은 상기 교차 후에 블라인드 엔드(blind end)를 가진다. 상기 교차점 및 상기 블라인드 엔드 사이의 공간은 주입된 합금의 시작부분을 수용하게 되어 산화물 트랩(oxide trap)으로 기능하게 된다. 상기 러너 통로는 바람직하게는 상기 러너 블록이 상기 제 1 위치에 있을 때, 상기 카트리지 커버의 개구부와 정합하도록 결합될 수 있다. 상기 다이 파트들 상의 배치 멤버들(location members)은 상기 다이의 제 1 및 제 2 파트들이 서로 결합될 때 상기 제 1 및 제 2 파트들을 정렬하는데 사용된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 카트리지의 온도를 유지하기 위하여 가열된 오일이 상기 다이 파트들의 보어들(bores)로 유입될 수 있다.

상기 온도는 바람직하게는 0.6(액상온도) +/- 90K 의 범위에서 유지된다. 컴프레셔 휠의 예를 들면, 상기 온도는 200℃ ~ 350℃의 범위이다. 압력은 550 ~ 2800bar의 범위 또는 550 ~ 1050bar의 범위로 유지될 수 있다.

바람직하게는, 상기 합금은 40 ~ 60%의 고체상 상태로 주입될 수 있다.

상기 합금은 주입장치의 샷 슬리브(shot sleeve)로부터 주입될 수 있으며, 10초 이내에 주입될 수 있다.

상기 내부 다이 카트리지로 주입된 후에, 상기 물질은 바람직하게는 상기 카트리지가 상기 외부 다이로부터 제거되기 전에 실질적으로 100% 고체상이 되도록 소정의 시간동안 냉각될 수 있다. 상기 카트리지는 상기 물질의 압력이 실질적으로 일정하게 유지되는 상태에서 냉각될 수 있다.

상기 합금은 구리, 실리콘 및 마그네슘 및/또는 다른 합금원소들을 포함하는 알루미늄 합금일 수 있다.

본 방법은 요변성 반고체 물질의 블랭크(blank)를 형성하고, 성형에 적합한 소정의 점성을 갖도록 상기 요변성 물질을 반고체 상태로 재가열하고, 상기 휠을 형성하기 위해 상기 재가열된 블랭크를 다이 주조 주입장치에 넣는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 제 2 양태에 의하면, 반고체 물질로 컴프레셔 또는 터빈 휠을 형성하기 위한 다이 조립체가 제공된다. 상기 다이 조립체는 다수개의 다이 세그먼트들, 커버 및 상기 다이 세그먼트들을 수용하고 방사상 외측으로의 이동에 대해 상기 다이 세그먼트들을 지지하는 외부 카트리지 링을 구비하는 카트리지, 상기 커버와 상기 세그먼트들 사이에 한정되는 중앙의 허브공 및 상기 허브공으로부터 외측으로 확장되는 다수의 블레이드공들을 포함한다. 상기 블레이드공들은 인접한 다이 세그먼트들 사이에 정의된다.

상기 다이 조립체는 상기 카트리지를 제거할 수 있도록 수용하는 챔버를 한정하는 외부 다이를 더 포함한다.

상기 다이 조립체의 커버는 바랍직하게는 상기 허브공과 연결되는 개구부를 가진다. 상기 커버는 상기 외부 카트리지 링에 고정될 수 있다.

상기 다이 세그먼트들 및/또는 외부 다이에 통풍구(vent)가 제공되어 상기 다이로 상기 재료가 주입되는 동안 가스가 빠져나갈 수 있다.

본 발명의 제 3 양태에 의하면, 반고체 물질로 컴프레셔 또는 터빈 휠을 형성하기 위한 다이 조립체가 제공된다. 상기 다이 조립체는 다수개의 다이 세그먼트들, 커버, 상기 커버 및 상기 세그먼트들 사이에 한정되는 중앙의 허브공 및 상기 허브공으로부터 외측으로 확장되는 다수개의 블레이드공들을 구비하는 카트리지 및 상기 다이 세그먼트들 사이에 한정되며 상기 반고체 물질의 주입공정 동안 상기 블레이드공 내의 가스가 빠져나갈 수 있도록 상기 블레이드공과 연결되는 적어도 하나 이상의 제 1 통풍구들을 포함한다.

상기 제 1 통풍구들은 상기 반고체 물질이 상기 다이공들로 주입되는 인렛으로부터 이격되어 있다.

상기 통풍구는 상기 블레이드공의 방사상 주변에 제공된다. 상기 다이 조립체는 상기 카트리지가 수용되는 챔버를 한정하는 외부 다이를 더 포함할 수 있다. 상기 외부 다이는 상기 제 1 통풍구와 연결되는 적어도 하나 이상의 제 2 통풍구들을 갖는다.

상기 조립된 다이 세그먼트들을 수용하는 외부 링이 제공될 수 있으며, 상기 링에 상기 제 1 및/또는 상기 제 2 통풍구들과 연결되는 제 3 통풍구가 제공될 수 있다.

본 발명의 제 4 양태에 의하면, 반고체 물질로 컴프레셔 또는 터빈 휠을 형성하기 위한 다이 조립체가 제공된다. 상기 다이 조립체는 다수개의 다이 세그먼트들, 커버, 상기 커버 및 상기 세그먼트들 사이에 한정되는 중앙의 허브공 및 상기 허브공으로부터 외측으로 확장되는 다수개의 블레이드공들을 포함한다. 이 때, 재료 인렛 및 러너 통로가 제공된다. 상기 러너 통로는 상기 인렛 및 상기 다이 허브공 사이를 연결하며, 상기 재료가 상기 다이 카트리지로 주입되기 전에 상기 통로를 따라 이동하면서 상기 반고체 물질의 외부층을 벗겨낼 수 있도록 형성되어 있다.

상기 러너 통로는 러너 블록에 의해 한정되되, 상기 러너 블록은 제 1 위치에서 결합되어 상기 러너 통로를 한정하며, 제 2 위치로 이격되어 이동할 수 있는 제 1 및 제 2 부분들을 구비한다.

액츄에이터가 제공되며, 상기 제 1 및 제 2 부분들이 상기 액츄에이터에 의해 상기 다이의 제 1 파트에 대해 슬라이드할 수 있다.

상기 러너 통로는 상기 카트리지를 향하는 방향으로 크기가 줄어드는 적어도 하나의 단차면을 가질 수 있다.

상기 러너 통로는 상기 인렛으로부터 상기 러너 블록으로 연장된 제 1 포션 및 상기 다이 허브공의 인접부로부터 연장된 제 2 포션을 가질 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 포션들은 교차하며, 상기 제 1 포션은 상기 교차 후에 블라인드 엔드를 가지며, 상기 교차점 및 상기 블라인드 엔드 사이의 공간은 주입된 합금의 시작부분을 수용하게 되어 산화물 트랩(oxide trap)으로 기능하게 된다.

상기 러너 통로는 상기 외부 다이에 한정되며, 상기 외부 다이는 상기 카트리지를 제거할 수 있도록 수용하는 챔버를 한정한다.

본 발명의 제 5 양태에 의하면, 위에서 언급한 본 발명의 제 1 내지 제 5 양태 중 어느 하나에 의해 제조된 컴프레셔 또는 터빈 휠을 포함하는 터보차져가 제공된다.

본 발명의 제 6 양태에 의하면, 위에서 언급한 터보차져를 구비하는 내연 엔진이 제공된다.

도 1은 본 발명에 의해 제조된 터보차져용 컴프레셔 임펠러 휠의 사시도이다.

도 2는 도 1의 정면도이다.

도 3은 도 1의 측단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 다이 조립체의 제 1 파트의 정면사시도이다.

도 5는 도 4에 도시된 다이의 무빙파트에 연결되는 본 발명의 다이 조립체의 제 2 파트의 배면사시도이다.

도 6은 본 발명에 의한 다이 조립체의 카트리지를 정면에서 바라본 분해 사시도이다.

도 7은 도 6에 도시된 카트리지의 조립형상의 정면사시도이다.

도 8은 도 7의 조립된 카트리지의 측면도이다.

도 9는 도 7의 조립된 카트리지의 보이지않는 부분(hidden features)을 점선으로 나타낸 정면도이다.

도 10은 도 6내지 도 9의 카트리지 조립체의 주(major) 다이 세그먼트를 나타낸 정면도이다.

도 11은 W방향으로 본 도 10에 도시된 다이 세그먼트의 평면도이다.

도 12는 X방향으로 본 도 10에 도시된 다이 세그먼트의 측면도이다.

도 13은 도 6 내지 도 9에 도시된 카트리지 조립체의 부(minor) 다이 세그먼트를 나타낸 정면도이다.

도 14는 Y방향으로 본 도 13에 도시된 다이 세그먼트의 평면도이다.

도 15는 Z방향으로 본 도 13에 도시된 다이 세그먼트의 측면도이다.

도 16은 도 6 내지 도 9에 도시된 다이 카트리지 조립체로부터 빼어낸 후의 컴프레셔 휠의 사시도이다.

도 17은 본 발명에 의한 다이를 통한 물질의 흐름을 보여주는 간략도이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 컴프레셔 휠(1)은 중앙의, 일반적으로 실린더 형상인 허브(10) 포함하며, 이는 베이스 파트(11)를 향하는 방사상 외측으로 나팔모양으로 벌어진다. 상기 허브(10)는 작동시 상기 휠이 회전하는 중심축을 한정하며, 상기 축으로부터 외측으로 연장되는 약 1mm 두께를 가지며 주변을 둘러싸도록 배치되는 다수개의 얇은 블레이드들을 지지한다. 상기 블레이드들은 상기 허브에 대해 전형적으로 45°및 90°사이의 각도를 이루며, 상기 허브 주변에 교대로 배치되는 주 블레이드들(12) 및 더 짧은 스플릿터(splliter) 블레이드들(13)의 두 가지 타입으로 이루어져 있다. 도면들로부터 상기 블레이드들(12,13)은 원하는 방법으로 공기를 주입하기 위해 복잡하고 구부러진 프로파일을 가지며, 표면 형상에 테이퍼 형상(tapers), 언더컷(undercurs) 및 기타 다른 갑작스런 변화부들을 가지는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의한 컴프레셔 휠을 제조하는 데 사용되는 물질은 알루미늄 합금이다. 상기 합금 원소 조합의 예는 실리콘, 구리 및 마그네슘이다. 프리캐스트(pre-cast) 물질은 반고체 상태의 요변성 물질이다. 즉, 미국특허 US5879478에 상세하게 기술된 바와 같이 그 미세구조는 알루미늄 합금 원소의 공융물들(eutetics)로 둘러싸인 대략 회전타원형의 변형된 수지상의 알루미늄 입자들을 포함한다. 이하에서 예를 기술한다.

상기 컴프레셔 휠은 피스톤 드라이브를 구비하며 상기 반고체 물질을 특별히 고안된 다이 조립체로 주입하는 주입 장치(injection machine)를 이용하여 형성된다. 상기 다이 조립체는 제 1 파트(도 4의 20), 제 2 파트(도 5의 40) 및 제품이 형성되는 곳인 카트리지(50, 도 6 내지 도 9에 상세히 도시) 등 세가지 주요부를 포함한다. 상기 다이의 제 1 파트(20)는 상기 카트리지(50)을 수용할 수 있도록 고안되었으며(도 4에 도시), 상기 다이의 제 1 및 제 2 파트들(20,40)은 성형공정이 시작하기 전에 결합된다. 상기 다이의 제 2 파트(40)는 상기 성형공정을 위해 상기 반고체 물질 주입장치의 아울렛(outlet)에 나사조임되어 고정된다. 반면, 상기 제 1 파트(20)는 상기 주입장치에 대해 이동이 가능하여 상기 다이 조립체로부터 상기 카트리지(50)를 제거할 수 있도록 분리될 수 있다.

도 4 및 도 5에서 알 수 있듯이, 상기 다이 파트들(20,40)은 대략 사각형의 형상을 가지고 있으며 다수개의 상보적인 결합요소들(mating elements)을 구비한다. 상기 다이 파트들 각각은 다른 파트의 교면에 대응하여 결합하는 교면(mating surface; 21,41)을 한정하는 본체를 구비한다. 상기 다이의 제 1 파트(20)의 상기 교면(21)은 각 코너에 배치되며 상기 다이의 제 2 파트(40)로부터 돌출된 가이드핀들(42)을 수용하는 네 개의 보어들(bores,22) 및 상기 다이의 제 2 파트의 리세스에 대응되어 수용되는 대략 프루스토 웨지(frusto-wedge) 형상의 돌출부(23)를 구비한다. 상기 제 1 다이 파트의 본체는 상기 카트리지(50)를 수용하는 중앙의 실린더형 챔버(24)를 한정하며 이는 상기 본체에 설치되어 각각 슬라이드될 수 있는 한 쌍의 러너 블록들(25)에 의해 닫힐 수 있다. 각각의 러너 블록(25)은 단면이 실질적으로 사각형의 형상이며 상기 제 1 다이 파트(20) 본체의 플랭크에 고정된 각각의 유압실린더(26)의 동작에 의해 상기 본체에 대해 슬라이드할 수 있다. 상기 실린더(26)의 로드(rod,27)는 말단 접속부(end connector, 28)에 의해 각 케이스의 상기 러너 블록(25)의 플랭크에 고정된다. 상기 블록들(25)이 열림 및 닫힘 위치들(open and closed positions)의 사이에 있는 것을 도 4에 도시하였으며 이에 따라 상기 카트리지(50)는 부분적으로 보이지 않고 있다.

상기 러너 블록들(25) 각각은 상기 블록들(25)이 결합되어 상기 챔버(24)를 닫는 경우 러너 통로(29)를 한정하도록 결합되는 반실린더형(semi-cylinderical)의 리세스들(29a,29b)을 구비한다. 상기 다이의 두개의 파트들(20,40)이 결합되는 경우, 상기 러너 통로(29)는 상기 다이의 제 2 파트(40)에 있는 원형의 개구부(44)와 정합하도록 결합되며 상기 카트리지(50)와 상기 주입 몰딩 장치(도면 미도시) 사이를 연결해준다. 도 4 및 도 17에서 알 수 있듯이, 상기 러너 통로(29)는 실질적으로 곧게 뻗은 실린더형의 제 1 포션(30) 및 구부러진 제 2 포션(31) 등의 두 개의 포션들로 나뉘도록 형성된다. 상기 제 1 포션(30)은 상기 러너 블록들(25)의 앞면(32)으로부터 연장되며 방사상 내부로 단차면(step,33)을 구비하고, 블라인드 엔드 면(34) 및 상기 블라인드 엔드 면(34)에 이격되어 인접한 측개구부(35)를 구비한다. 상기 개구부(35) 및 상기 엔드 면(34) 사이에 정의되는 상기 통로의 공간은 후술하는 바와 같이 산화물 트랩(trap)으로 기능한다. 상기 제 2 포션(31)은 상기 챔버(24)에 인접한 위치로부터 상기 앞면(32)을 향하여, 처음에는 상기 제 1 포 션(30)에 평행하지만 그 측면방향으로 점점 멀어지는 방향으로, 연장된다. 상기 제 2 포션은 90°방향을 바꾸어 상기 제 1 포션(30)의 상기 측개구부(35)와 연결된다.

상기 러너 블록들(25)은 상기 카트리지(50)을 지지하도록 하며 상기 반고체 물질이 상기 카트리지로 주입될 때의 고압을 견딜 수 있도록 해준다. 상기 러너 블록들(25)은 상기 반고체 물질이 상기 주입 장치(도면 미도시)의 샷 슬리브로부터 상기 카트리지(50)로 주입되는 상기 러너 통로(29)를 한정한다.

상기 다이의 파트들(20,40) 각각의 본체들은 오일 통로로 기능하며 작동시에 외부의 오일히터(도면 미도시)로부터 유입되는 오일로 채워지는 다수개의 작은 보어통로들(36a)에 의해 관통된다. 상기 통로들(36a)의 상기 오일은 상기 다이 및 상기 카트리지(50)의 온도를 조절한다. 또한 내부 전기저항 히터들(도면에서는 보이지 않음)이 상기 다이의 상기 제 1 파트(20)의 본체(37)에 있는 보어들(36b)에 제공될 수 있다.

상기 다이의 제 2 파트에 대하여, 도 5를 참조하면, 상기 본체는 상기 러너 블록들(25)이 닫힘 위치에 있을 때 상기 러너 블록들(25)을 수용하도록 하는 중앙의 사각형 형상 리세스(45)를 구비한다. 상기 리세스는 앞면(front wall,46) 및 네 개의 측벽들(side walls,47)에 의해 한정된다. 상기 러너 통로(29)와 정합하는 중앙의 개구부(44)는 상기 리세스(45)의 앞면(46)에 한정된다. 상기 중앙의 리세스 위에 상기 다이의 제 1 파트(20) 상의 프루스토 웨지(frusto-wedge) 돌출부(23)에 상보적으로 대응하는 사다리꼴 모양의 리세스(43)가 배치된다. 상기 리세스(43)는 한 쌍의 돌출핀들(38)을 구비하며, 이들은 상기 코너들에 설치된 가이드핀들(42) 보다 약간 작으며, 대응되는 상기 다이의 제 1 파트(20)의 보어들(38)에 들어맞는다. 추가적인 리세스들(49)이 상기 유압실린더들(26)의 로드들(27) 및 말단 접속부들(28)에 들어맞도록 제공된다. 배출 채널들(V1)이 상기 다이의 제 2 파트의 교면(41)에 제공된다.

작동시에, 상기 카트리지(50)는 상기 다이의 제 1 파트(20)의 상기 챔버(24)로 삽입되며 상기 유압실린더들(26)이 작동하여 상기 러너 블록들(25)을 닫게 된다. 그 후 상기 제 2 파트 상의 상기 핀들(42)을 그에 대응하는 상기 제 1 파트(20) 상의 보어들(22)에 정렬시킴으로써 상기 다이의 제 1 및 제 2 파트들(20,40)은 정합되도록 결합된다. 그 후 상기 반고체 빌릿(billet, 도 17에 간략하게 도시됨)은 상기 주입 장치의 상기 샷 슬리브로부터 상기 다이의 제 2 파트(40)의 개구부(44)를 통하여 상기 러너 통로(29)로 주입된다. 상기 다이의 상기 개구부(44)는 상기 샷 슬리브의 아울렛 및 그를 한정하는 면의 에지 보다 더 작은 지름을 가지므로 공기와 접촉하여 형성된 산화물을 상기 반고체 알루미늄 빌릿으로부터 벗겨낼 수 있게 된다. 상기 러너 통로(29)의 단차면(33)은 이와 유사하게 상기 빌릿이 통과하는 동안 상기 빌릿으로부터 표면층을 벗거내게 된다. 이에 의해 상기 빌릿의 중앙의 물질만 상기 카트리지(50)로 유입될 수 있게 된다. 산화물을 함유하고 있는 상기 빌릿의 시작부(leading end)는 상기 러너 통로(29)의 상기 제 1 포션(30)의 엔드면(34) 전면에 있는 산화물 트랩으로 유입되는 방식으로 제거된다. 상기 외부층이 제거된 빌릿은 상기 측개구부(35)를 통하여 상기 러너 통로(29)의 상기 제 2 포션(31)으로 주입되며 이어서 상기 카트리지(50)로 주입된다.

도 6 내지 도 8에 상세하게 도시된 바와 같이 상기 카트리지(50)는 다수개의 주(major) 및 부(minor) 카트리지 세그먼트들(51,52)을 포함한다. 상기 카트리지 세그먼트들(51,52)은 환형으로 교대로 정렬되며 평평한 앞면, 뒷면(55,56) 및 환형의 측벽을 한정하도록 결합된다. 상기 세그먼트들(51,52)은 결합하여 축방향으로 실질적으로 균일한 깊이를 갖는 실질적으로 솔리드(solid)한 환형의 외측부 및 중앙의 허브공(58)을 한정하는 축방향의 앞에서부터 뒤로 갈수록 깊이가 증가하는 내측부를 한정한다. 상기 외측부에서 상기 다이 세그먼트들(51,52)의 교면들(facing surfaces)이 만나게 되며 맞물리게 된다. 반면 상기 내측부에 상기 휠의 상기 블레이드들이 제조되는 공(空)들(cavities)이 제공된다. 상기 허브공은 상기 앞면(55)의 큰 원형의 개구부(59)으로부터 상기 카트리지(50)의 상기 뒷면(56)의 비교적 작은 원형의 개구부(60)로 연장된다. 다수개의 얇고 구부러진 통로들(61)은 상기 허브공(58)으로부터 상기 외측부로 향하도록 연장되며 상기 앞면(55) 및 뒷면(56) 사이의 거리의 상당 부분을 가로지른다.

상기 중앙의 허브공(58)은 일반적으로 단면이 실린더형이며 앞면(55)에서 뒷면(56)으로 갈수록 구부러지며 테이퍼지게 된다. 상기 공(58)의 형상은 상기 성형되는 휠의 허브(10)를 한정하게 된다. 상기 구부러진 통로들(61)은 상기 세그먼트들(51,52)의 교면 사이에 한정되며, 각각이 연장된 슬롯들(63)에 의해 상기 공을 향하여 개방된다. 이러한 통로들(61)의 프로파일은 상기 휠의 상기 블레이드들(12,13)의 형상을 한정하도록 디자인된다. 상기 카트리지 세그먼트들(51,52)을 이하에서 더 자세히 기술한다.

상기 내부 카트리지 바디(50)는 일단 조립되면 한 쌍의 잠금 커버판(66)에 의해 덮히는 환상의 외부 카트리지 링(65)의 내부에 배치된다. 이러한 관점에서, 상기 외부 링(65)는 상기 내부 카트리지 바디의 외지름과 실질적으로 같거나 조금 큰 내지름을 가지게 되어 꼭 들어맞을 수 있게 된다. 상기 카트리지 바디(50)가 상기 외부 링(65)에 수용되면, 상기 커버판(66)은 상기 앞면(55) 상에 배치되며 고정된다. 상기 커버판들(66)과 상기 카트리지 링(65)의 상대적인 회전은 잠금 엘리먼트들(interlocking mating elements)에 의해 방지된다. 특히, 환형의 립(lip,67) 및 스포크들(spokes,68)은 상기 링(65)의 앞면에 정의되며, 상기 커버판들의 하부측에 한정되는 리세스들(69, 도면에는 한 종류만 도시되고 나머지는 가려졌음)에 들어맞도록 디자인된다. 상기 판들(66)은 결합되어 상기 앞면(55) 및 상기 내부 카트리지 바디(51,52)의 상기 공(58)부분을 덮게 되나 상기 러너 통로(29)의 아울렛과 상기 공(58)을 연결하는 중앙의 개구부(70)를 한정하게 된다. 상기 카트리지(50)의 여러 부품들이 조립되면 상기 잠금 커버판들(66)의 구멍들(72)을 통해 상기 외부 링(65)의 나사산 구멍들(73)에 들어가는 다수개의 나사들(71)에 의해 단단히 고정된다. 상기 나사들(71) 및 그에 대응하는 구멍들(72,73)은 도 9에서 보여지는 바와 같이 상기 카트리지(50)의 중심 축에 대하여 기울어져 있다.

환형의 배출 채널(V2)이 상기 외부 링(65)의 내부에 한정되며 축방향으로 연장되는 여러개의 배출 채널들(V3, 도 6에서 오직 한개만 도시됨)과 교차한다. 이 채널들(V2,V3)은 상기 다이 파트(40)의 상기 배출 채널들(V1)과 상기 다이 세그먼트들(51,52)의 교면들의 외부에 한정된 배출구들(V4, 도 6에는 두개만 도시)를 연 결한다.

도 10 내지 도 12에 도시된 상기 카트리지 바디의 각각의 주 세그먼트(51)는 서로 동일하며 상기 카트리지 조립체(50)의 앞면으로부터 뒷면으로 연장되며 평평한 앞면(55a)과 뒷면(56b) 및 외측의 원주형의 측벽(57a)을 구비한다. 도 13 내지 도 15에 도시된 각각의 부 세그먼트(52)는 인접하는 주 세그먼트들(51) 사이에 수용되며 상기 카트리지 조립체(50)의 뒷면까지 연장되지 않는다. 이것은 외부의 원주의 측벽(57b)과 함께 평평한 앞면(55b)을 구비한다. 상기 카트리지의 외측에 있어서, 상기 세그먼트들(51,52)의 교면은 서로 접하며 맞물린다. 반면 내측에 있어서는 상기 교면들은 리세스되어 휠의 주 블레이드(12) 및 스플리터 블레이드(13)가 형성되는 통로들(61)을 한정한다. 상기 주 블레이드공을 한정하는 통로는 상기 카트리지 조립체(50)의 앞면을 향해서 상기 주 및 부 세그먼트들(51,52) 각각의 상기 인접한 교면들(70,72)의 사이에 한정되며, 뒷면에서 인접한 주 세그먼트들(51)의 교면들(70,71) 사이에 한정된다. 상기 부 블레이드공을 한정하는 통로는 상기 주 및 부 세그먼트들 각각의 인접하는 교면들(73,74) 사이에 한정된다. 상기 주 및 부 세그먼트들 사이에 한정되는 상기 통풍구들(V4)은 상기 블레이드공들에서 나타나며 그들을 연결한다.

상기 카트리지 세그먼트들(51,52)은 공구강(工具鋼,tool steel)의 조합으로 만들어진다. 설비(tooling)의 상기 반고체 알루미늄과 접촉하게 되는 모든 부분은 알려진 공구강인 H13 프리미엄(H13 premium)으로 만들어진다. 이 물질은 상기 반고체 공정의 열적 사이클(thermal cycles)을 견뎌야하는 고온 공정에 적합하고, 정확 한 형상을 만들수 있고, 안정적이고, 고품질의 표면처리를 위한 연마할 수 있는 특성(properties)을 가지고 있다. 상기 설비는 모든 커팅 공정을 끝마친 후 각 부품들은 표면 질소 강화처리를 하게 된다. 이것은 설비의 수명을 향상시킬 수 있고 단조 후에 개별 부품들을 분리하는 것을 쉽게 하기 위한 것이다.

상기 다이의 제 1 및 제 2 파트들(20,21)은 AISI P20으로 제조된다. 중탄소(C 0.33%), 연합금(mild alloy)(Cr 1.6%, Mo 0.5%) 등급(grade)으로 몰딩 제품들에 널리 사용된다. 269 ~ 302 브리넬 경도(28 ~ 32 로크웰 C)로 프리하든(pre-hardened)한 것이 사용된다.

작동시에, 상기 조립된 카트리지 유닛(50)은 로봇 암을 이용하여 상기 다이의 제 1 파트(20) 내에 위치시킨다(도 4에 도시됨). 상기 다이(20)는 상기 오일 및 카트리지 히터들에 의해 가열되어 상기 성형공정이 시작될 때 260℃에 달하며 상기 성형공정 동안 온도 범위(band) 내에서 유지된다. 상기 성형공정 동안, 상기 통풍구(V4)는 상기 반고체 물질의 유입에 따라 상기 다이의 가스를 배출한다. 상기 공기는 다이 공들로부터 연속적으로 상기 카트리지의 상기 외부 링에 있는 통풍 채널들(V2,V3) 및 이어서 상기 외부 다이 파트(41)에 있는 통풍 채널들(V1)을 경유하여 대기 중으로 배출된다. 상기 성형공정 후에, 상기 다이 파트들은 분리되며 상기 러너 블록이 열림 위치로 이동하여 상기 카트리지 조립체를 제거할 수 있게 된다. 적절한 냉각 후에 상기 커버의 고정을 풀어 제거하고, 상기 외부 링으로부터 상기 내부 카트리지 바디(50)를 빼내고, 방사상 외측방향으로 상기 주 및 부 세그먼트들을 제거하여 형성된 휠을 드러내는 방식으로 상기 카트리지가 분리된다. 이 분리과정 은 로봇 암에 의해서 수행될 수 있다. 상기 카트리지 고안의 주요 장점 중 하나는 적절한 공간좌표에 의해 프로그램된 소프트웨어에 의해 작동하는 로봇 암에 의해 트래버스(traverse)될 수 있는 소정의 경로를 따라 상기 세그먼트들을 이동시키는 것에 의해 상기 세그먼트들이 상기 카트리지 조립체 바디로부터 쉽게 떨어져 나온다는 것이다. 상기 카트리지의 세그먼트들은 재사용이 가능하다.

도 6 내지 도 15에 도시된 다이 카트리지 조립체로 형성된 컴프레셔 휠의 예가 도 16에 도시되어 있다. 도 1 내지 도 3에 대응되는 부분들은 각각 100씩 더해진 참조번호에 의해 지시되며, 더 이상 기술하지 않기로 한다. 상기 허브(110)의 작은 지름의 끝단은 상기 카트리지(50)의 뒷면에 있는 개구부(60)를 통과하며 형성된 꼭지부(100)를 구비하는 것을 알 수 있다.

상기 꼭지부(100)는 산화물들을 함유할 수 있으며 기계가공에 의해 제거된다.

<실시예>

98mm의 외반지름을 갖는 컴프레셔 휠을 알루미늄-실리콘-구리-마그네슘 합금의 틱소캐스팅에 의해 성공적으로 제작하였다. 상기 합금의 화학적 조성(질량%)는 아래와 같다.

구리 : 2.5~3.5%

실리콘 : 5.5 ~ 6.5%

마그네슘 : 0.3 ~ 0.4%

스트론튬 : 0.01 ~ 0.05%

기타 다른 물질들 각각 : 0.03% 미만

기타 다른 물질들 총합 : 0.1% 미만

상기 주조전의 원료 재료는 요변성의 반고체 미세구조를 가진다. 즉, 예를 들어, 미국 특허 제 5,879,478 호에 기술된 바와 같이, 구형의 변형된 수지상의 알루미늄 입자들이 실리콘 및 구리 공융물들에 의해 둘러싸인다. 상기 미세구조를 전자기적 교반(electromagnetic agitating)에 의해 변형시켰다. 생산된 고체 빌릿들은 90mm의 지름 및 2m의 길이를 가졌으며 178mm 길이의 블랭크들로 커팅되었다. 상기 블랭크들은 572℃ ~ 589℃ 사이의 온도로 유도가열(induction heating)하여 반고체 상태로 재가열하였으며, 이 때, 완성된 부품의 최상의 품질을 위해 블랭크들은 약 40~60%의 고체상을 함유하게 된다. 상기 가열된 블랭크들을 다이 주입 장치로 이동시켜 상술한 바대로 특별히 제작된 다이로 10초간 주입하였다. 완성된 부품의 요구되는 표면품질에 의존하는 200℃ ~ 350℃ 사이 온도, 수축 기공(shrankage porosity) 한계 요구치에 의존하는 750 ~ 1050 bar 사이 고압의 뜨거운 카트리지가 본 발명에 따른 컴프레셔 휠을 제조하는데 사용되었다.

상술한 바에 의해 제조된 컴프레셔 휠들은 두 개의 특별히 고안된 리그 테스트 장비(rig testing facilities)에서 테스트 되었다. 하나는 기체역학적 특성을 측정하는 것으로, 상기 반고체로 제작된 휠이 단조하거나 주조한 액체금속으로 가공된 휠과 동일한 기체역학적 특성을 가지는 것을 보여주었다. 두번째 테스트 장치 는 디젤 엔진 어플리케이션에서 나타나는 실제 사이클 동작 상태를 시뮬레이팅하여 휠의 내구성을 측정하는 것으로, 주조된 휠 보다 현저하게 더 좋은 내구성을 보여주었으며, 단조법으로 가공된 부품과 비슷한 내구성을 보여주었다.

본 발명에 의한 방법은 변형 축퇴된 수지상 미세구조의 고체 빌릿들을 재용융함으로써 반고체 물질을 제조하고 상기 반고체 상태의 물질을 주조법, 단조법, 또는 이와 같은 방법들에 의해 거푸집(mould)에서 성형하는 틱소캐스팅과 같은 틱소포밍(thixoforming) 기술에 의해 수행될 수 있다는 것을 알 수 있다. 다른 방법으로는 상기 반고체 물질이 요구에 따라 즉시 거푸집에서 성형되는 반고체 상태로 냉각시키는 것에 의해 반고체 물질을 제조하는 레오캐스팅과 같은 레오포밍(rheoforming) 기술에 의해 수행될 수 있다.

본 발명에 의한 다이 조립체 및 방법은 미리 형성된 허브 상에 휠 블레이드들을 형성하는데 사용될 수 있다. 이러한 방법에서 상기 허브는 예를 들어, 주저법, 단조법 또는 기계가공법과 같은 종래의 방법에 의하여 제작되며, 그 후 상기 다이 허브공에 삽입되며, 상기 카트리지의 적당한 개구부로부터 상기 반고체 물질이 주입된다. 이 기술에서 상기 블레이드들은 상기 허브와 일체로 형성된다.

Claims

외부 다이 및 내부 다이 카트리지 조립체를 구비하는 다이 조립체를 사용하여 허브 및 상기 허브로부터 외측으로 연장되는 복잡한 커베이쳐(curvature)을 갖는 다수개의 블레이드들을 구비하는 터빈 또는 컴프레셔 휠을 제조하는 방법에 있어서,

다수개의 다이 세그먼드들로 내부 다이 카트리지 조립체를 조립하되, 상기 카트리지 조립체는 중앙의 허브공 및 상기 허브공으로부터 외부로 연장되는 다수개의 블레이드공들을 한정하며, 상기 블레이드공은 인접하는 다이 세그먼트들 사이에 한정되고,

상기 카트리지 조립체를 외부 다이에 삽입하고,

반고체 금속합금을 상기 다이에 주입하여 상기 반고체 금속합금이 상기 카트리지 조립체 및 상기 블레이드공들로 흘러가도록 하고,

상기 주입공정 동안 상기 카트리지 조립체의 온도 및 압력을 소정의 범위로 유지하고,

상기 카트리지 조립체를 상기 외부 다이로부터 제거하고,

상기 카트리지 조립체의 상기 다이 세그먼트들을 분리하여 성형된 휠을 배출하는 것을 포함하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 다이 세그먼트들은 조립되어 실질적으로 환(環)상인 카트리지 조립체를 한정하는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 조립된 다이 세그먼트들은 상기 카트리지 조립체의 외부 링 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 카트리지 조립체는 커버 및 상기 다이 세그먼트들의 외부면과 상기 커버 사이에 한정되는 허브공을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 4 항에 있어서,

상기 커버는 상기 카트리지 조립체를 상기 외부 다이에 삽입하기 전에 상기 다이 세그먼트들과 조립되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

제 3 항을 인용할 때, 상기 커버는 상기 외부 카트리지 링에 고정되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 합금은 상기 카트리지 조립체의 개구부를 통하여 상기 허브공으로 주입되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 반고체 물질이 상기 허브공에 먼저 유입되고 그 후 상기 블레이드공들로 유입되도록 주입되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 합금은 슬롯 형태의 개구부들을 경유하여 상기 허브공으로부터 상기 블레이드공들로 유입되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 주입공정 전에 미리 형성된 허브가 상기 내부 다이 카트리지의 상기 허브공에 삽입되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 성형된 휠이 배출된 후 상기 내부 다이 카트리지는 재사용을 위하여 재조립되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,

미리 조립되고 상기 제 1 내부 다이 카트리지의 제거 후에 상기 다이로 삽입되는 제 2 내부 다이 카트리지가 제공되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이 카트리지 조립체는 상기 주입 전에 소정의 온도로 미리 가열되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 13 항에 있어서,

상기 다이 카트리지 조립체는 상기 외부 다이에 삽입되기 전에 소정의 온도로 미리 가열되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 반고체 합금은 틱소포밍(thixoforming) 또는 레오포밍(rheoforming)에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 카트리지 조립체는 상기 다이 세그먼트들을 분리하기 전에 냉각되는 것 을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이 세그먼트들은 적어도 주입 전에 배출제(release agent)에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 합금의 주입 후 소정의 시간이 지난 후에 상기 카트리지 조립체가 상기 다이 조립체의 나머지 부분으로부터 제거되며, 상기 세그먼트들은 분리되어 상기 휠의 블레이드들을 노출시키는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이 조립체는 상기 카트리지 조립체를 수용하는 챔버를 한정하는 제 1 및 제 2 파트들을 더 포함하되, 상기 카트리지 조립체는 상기 챔버에 배치되고 상기 다이의 제 1 및 제 2 파트들이 밀봉정합되도록 결합되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 19 항에 있어서,

상기 챔버는 상기 다이 조립체의 상기 제 1 파트에 한정되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 19 항 또는 제 20항에 있어서,

상기 합금은 상기 다이의 상기 제 1 파트 상의 러너 블록 내 러너 통로를 통하여 주입되되, 상기 통로는 주입장치와 상기 다이 허브공 사이를 연결해주며, 상기 러너 블록은 상기 카트리지 조립체의 삽입후에 제 1 위치로 이동하여 상기 챔버 및 상기 카트리지 상에 배치되고, 주입 공정이 완료된 후에 상기 카트리지의 제거를 제거할 수 있도록 상기 챔버 및 상기 카트리지를 드러내는 제 2 위치로 이동하는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 21 항에 있어서,

상기 러너 블록은 상기 제 1 위치에서 결합되어 상기 러너 통로를 한정하고 상기 제 2 위치로 이격되어 이동하는 제 1 및 제 2 부분들을 구비하는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 22 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 부분들은 액츄에이터에 의해 상기 다이의 상기 제 1 파트에 대하여 슬라이드되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 러너 통로를 통하여 상기 합금이 주입되는 동안 상기 합금의 표면으로부터 산화물들을 벗겨내는 것을 더 포함하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 24 항에 있어서,

상기 러너 통로의 크기가 줄어든 단차면(a stepped reduction in size)은 상기 합금의 외부로부터 상기 산화물들을 벗겨내는데 사용되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,

상기 러너 통로는 인렛(inlet)으로부터 상기 러터 블록으로 연장되는 제 1 포션 및 상기 다이 허브공의 인접부로부터 연장되는 제 2 포션을 포함하되, 상기 제 1 및 제 2 포션들은 교차하고, 상기 제 1 포션은 상기 교차 후에 블라인드 엔드(blind end)를 구비하며, 상기 교차점 및 상기 블라인드 엔드 사이의 공간은 주입되는 합금의 시작부분을 수용하여 산화물 트랩(oxide trap)으로 기능하는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 21 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 러너 블록이 상기 제 1 위치에 있는 경우 상기 러너 통로는 상기 카트리지 조립체의 인렛 개구부와 정합하도록 결합하는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 19 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이의 상기 제 1 및 제 2 파트들이 결합할 때, 상기 제 1 및 제 2 파트들을 정렬하도록 상기 다이 파트들 상에 한정되는 배치 멤버들(location members)을 이용하는 것을 더 포함하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 19 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 카트리지의 온도를 소정의 범위로 유지할 수 있도록 상기 다이 파트들 의 보어들(bores)로 가열된 오일을 주입하는 것을 더 포함하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 온도는 0.6(액상 온도) +/- 90K의 범위에서 유지되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 온도는 200℃ ~ 300℃의 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,

압력은 550 ~ 1050 bar의 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,

압력은 550 ~ 2800 bar의 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 합금은 40 ~ 60%의 고체상태로 주입되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 합금은 주입 장치의 샷 슬리브(shot sleeve)로부터 주입되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 합금은 10초 이내에 주입되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 36 항에 있어서,

상기 합금은 5초 이내에 주입되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 37 항에 있어서,

상기 합금은 2초 이내에 주입되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 내부 다이 카트리지 조립체로 주입된 후 상기 카트리지가 상기 외부 다이로부터 제거되기 전에 실질적으로 100% 고체상이 되도록 상기 합금이 소정의 시간 동안 냉각되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 39 항에 있어서,

상기 카트리지는 상기 합금의 압력이 실질적으로 일정하게 유지되는 상태에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 합금은 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 41 항에 있어서,

상기 합금은 구리, 실리콘 및 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서,

요변성 반고체 물질의 블랭크(blank)를 형성하고,

상기 요변성 물질을 성형에 적합한 소정의 점성을 갖도록 반고체 상태로 재가열하고,

상기 재가열된 블랭크를 상기 휠을 형성하기 위해 다이 주조 주입 장치로 이동시키는 것을 포함하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 43 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이 카트리지 조립체는 성형되는 상기 휠 보다 더 높은 녹는 점을 가지는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이 세그먼트들은 영구적인 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 반고체 물질은 전단응력(shear) 하에서 상기 공들로 변형되어 들어가는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 반고체 물질이 상기 카트리지 조립체로 유입되기 전에 상기 반고체 물질로부터 외부층이 벗겨지는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 47 항에 있어서,

상기 외부 다이에 한정되는 통로를 따라 지나가면서 상기 외부층이 벗겨지는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 48 항에 있어서,

상기 외부 층은 상기 통로의 크기가 줄어드는 단차면에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 48 항 또는 제 49 항에 있어서,

상기 통로는 상기 외부 다이의 제 1 파트에 한정되는 러너 블록에 의해 정의되고, 상기 통로는 주입 장치와 상기 허브공을 연결해주는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 1 항 내지 제 50 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 합금이 유입될 때, 상기 허브공 및/또는 블레이드공들로부터 가스가 빠져나가도록 하는 것을 더 포함하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 51 항에 있어서,

상기 가스는 상기 다이 세그먼트들에 있는 적어도 하나 이상의 통풍구를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
제 52 항에 있어서,

상기 가스는 상기 외부 다이에 있는 적어도 하나 이상의 통풍구를 더 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법.
다수개의 다이 세그먼트들, 커버 및 상기 다이 세그먼트들을 수용하고 방사상 외측으로의 움직임에 대해 지지해주는 지지 부재를 포함하는 카트리지;

상기 커버 및 상기 세그먼트들의 사이에 한정되는 중앙의 허브공; 및

상기 허브공으로부터 외부로 연장되는 다수개의 블레이드공들을 포함하되, 상기 블레이드공들은 인접하는 다이 세그먼트들 사이에 한정되는 반고체 물질로 컴프레셔 또는 터빈 휠을 형성하기 위한 다이 조립체.
제 54 항에 있어서,

상기 지지 부재는 상기 카트리지를 둘러싸는 외부 링인 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 54 항 또는 제 55 항에 있어서,

상기 카트리지를 제거할 수 있도록 수용하는 챔버를 한정하는 외부 다이를 더 포함하는 다이 조립체.
제 54 항 내지 56 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 커버는 상기 허브공과 연결되는 개구부를 가지는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 54 항 내지 제 57 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 커버는 상기 지지부재에 고정되는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 54 항 내지 제 58 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이 세그먼트들 사이에 상기 카트리지의 앞면에 한정되는 슬롯 형상의 개구부들이 제공되는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 56 항에 있어서,

상기 외부 다이는 상기 카트리지를 수용하는 챔버를 한정하는 제 1 및 제 2 파트들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 60 항에 있어서,

상기 챔버는 상기 다이 조립체의 상기 제 1 파트에 한정되는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 60 항 또는 제 61 항에 있어서,

상기 외부 다이의 상기 제 1 파트에 러너 통로가 정의되고, 상기 러너 통로는 인렛과 상기 다이 허브공을 연결하며, 상기 반고체 물질이 상기 다이 카트리지로 들어가기 전 상기 통로를 통과할 때, 상기 반고체 물질의 외부층을 벗겨낼 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 62 항에 있어서,

상기 러너 통로는 단차지면서 줄어들어 상기 물질의 제거하기 위한 단차진 에지부가 제공되는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 62 또는 제 63 항에 있어서,

상기 다이의 제 1 파트 상에 러너 블록이 제공되며, 상기 블록은 주입장치와 연결되는 인렛 및 상기 다이 허브공 사이를 연결하는 러너 통로를 한정하며, 상기 러너 블록은 상기 챔버 및 카트리지 상에 위치하는 제 1 위치 및 상기 다이 조립체로부터 상기 카트리지를 제거하기 위하여 상기 챔버를 드러내는 제 2 위치 사이를 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 64 항에 있어서,

상기 러너 블록은 상기 제 1 위치에서 결합되어 상기 러너 통로를 한정하고상기 제 2 위치로 이격되어 이동하는 제 1 및 제 2 부분들을 구비하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 65 항에 있어서,

액츄에이터를 더 포함하되, 상기 액츄에이터에 의해 상기 제 1 및 제 2 부분들이 상기 다이의 제 1 파트에 대해서 슬라이드할 수 있는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 62 항 내지 제 66 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 러너 통로는 상기 카트리지를 향하는 방향으로 크기가 줄어드는 적어도 하나 이상의 단차면을 구비하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 66 항 또는 제 67 항에 있어서,

상기 러너 통로는 인렛으로부터 상기 러너 블록으로 연장되는 제 1 포션 및 상기 다이 허브공의 인접부로부터 연장되는 제 2 포션을 포함하되, 상기 제 1 및 제 2 포션들은 교차하고, 상기 제 1 포션은 상기 교차 후에 블라인드 엔드를 구비하며, 상기 교차점 및 상기 블라인드 엔드 사이의 공간은 상기 주입되는 합금의 시작부분을 수용하여 산화물 트랩으로 기능하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 64 항 내지 제 67 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 러너 블록이 상기 제 1 위치에 있을 때, 상기 러너 통로는 상기 카트리지의 개구부와 정합되도록 결합되는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 60 항 내지 제 69 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이의 제 1 및 제 2 파트들이 결합할 때, 상기 제 1 및 상기 제 2 파트들을 정렬하기 위해 상기 다이 파트들 상에 한정되는 배치 부재들을 더 포함하는 다이 조립체.
제 60 항 내지 제 70 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 외부 다이에 한정되는 오일 보어들을 더 포함하는 다이 조립체.
제 54 항 내지 제 71 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 카트리지는 앞면, 뒷면 및 외부측면을 구비하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 54 항 내지 제 72 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 카트리지는 상기 형성되는 휠의 축에 실질적으로 상응하는 축을 가지며, 상기 다이 세그먼트들은 결합하여 상기 세그먼트들이 결합될 때, 실질적으로 일정한 축방향 깊이를 가지는 외측부 및 상기 허브공 및 상기 블레이드공들이 한정되는 내측부를 구비하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 73 항에 있어서,

상기 세그먼트들은 상기 외측부에서 서로 맞물리는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 73 항 또는 제 74 항에 있어서,

상기 카트리지는 상기 외측에서 실질적으로 솔리드(solid)한 것을 특징으로 하는 다이 조립체
제 73 항 내지 제 75 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 허브공은 상기 앞면과 뒷면 사이의 내측에서 연장되는 다이 세그먼트들의 테이퍼진 측부들에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 76 항에 있어서,

상기 테이퍼진 측부들은 아치형인 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 77 항에 있어서,

상기 테이퍼진 측부들은 결합되어 상기 카트리지의 앞면 및 뒷면 사이의 연장되는 방향으로 지름이 점점 줄어드는 허브공을 한정하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 74 항 내지 제 78항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 블레이드공들은 상기 다이 세그먼트들의 마주보는 면들에 있는 리세스들에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 79 항에 있어서,

상기 리세스들은 상기 카트리지의 내측부에 실질적으로 한정되는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 54 항 내지 제 80 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이 세그먼트들은 일반적인 방사상의 방향으로 슬라이드하여 분리될 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 54 항 내지 제 81 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 세그먼트들은 상기 카트리지 둘레에 교대로 배치되는 주 세그먼트들 및 부 세그먼트들을 포함하되, 상기 주 세그먼트들은 상기 카트리지의 상기 앞면으로부터 상기 뒷면으로 연장되며 상기 부 세그먼트들은 인접하는 주 세그먼트들 사이에 샌드위치되어 있는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 82 항에 있어서,

상기 부 세그먼트들은 상기 뒷면으로 연장되지 않는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 54 항 내지 제 83 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 커버는 한 쌍의 판들에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 54 항 내지 제 84 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이 카트리지 조립체는 상기 성형되는 휠의 녹는점 보다 더 높은 녹는점을 가지는 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 54 항 내지 제 85 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이 세그먼트들은 영구적인 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 54 항 내지 제 86 항 중 어느 한 항에 있어서,

반고체 물질의 유입용 인렛 및 상기 인렛으로부터 이격되며 반고체 물질이 유입될 때 상기 다이로부터 가스가 빠져나갈 수 있도록 하는 적어도 하나 이상의 통풍구가 제공되는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 87 항에 있어서,

상기 적어도 하나 이상의 통풍구는 상기 다이 세그먼트들에 제공되어 반고체 물질이 유입될 때, 상기 블레이드공들로부터 가스가 빠져나갈 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 54 항 내지 제 88 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 외부링에 통풍구가 제공되어 상기 다이 카트리지로부터 가스가 빠져나갈 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
다수개의 다이 세그먼트들, 커버, 상기 버터 및 상기 세그먼트들 사이에 한정되는 중앙의 허브공 및 상기 허브공으로부터 외측으로 연장되는 다수개의 블레이드공들을 구비하는 카트리지; 및

상기 다이 세그먼트들 사이에 한정되며 상기 블레이드공과 연결되어 상기 반고체 물질이 유입되는 동안 상기 블레이드공 내의 가스가 빠져나갈 수 있도록 상기 블레이드공과 연결되는 적어도 하나 이상의 제 1 통풍구를 포함하는 반고체 물질로 컴프레셔 또는 터빈 휠 형성하기 위한 다이 조립체.
제 90 항에 있어서,

상기 통풍구는 상기 블레이드공의 방사상 주변에 제공되는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 90 항 또는 제 91 항에 있어서,

상기 카트리지를 제거할 수 있도록 수용하는 챔버를 한정하는 외부 다이를 더 포함하되, 상기 외부 다이는 상기 제 1 통풍구와 연결되는 적어도 하나 이상의 제 2 통풍구를 구비하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 90 항 내지 제 92 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다이 카트리지는 상기 조립된 다이 세그먼트들을 내부에 수용하는 지지링을 더 포함하되, 상기 링에 상기 제 1 및/또는 제 2 통풍구들과 연결되는 제 3 통풍구가 제공되는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
다수개의 다이 세그먼트들, 커버, 상기 커버 및 상기 세그먼트들 사이에 한정되는 중앙의 허브공 및 상기 허브공으로부터 외측으로 연장되는 다수개의 블레이드공들을 포함하는 카트리지를 포함하되, 재료 인렛 및 러너 통로가 제공되며, 상기 러너 통로는 상기 인렛과 상기 다이 허브공을 연결하며 상기 반고체 물질이 상 기 카트리지로 유입되기 전에 상기 통로를 따라 지나가는 동안 상기 반고체 물질의 외부층을 벗겨낼 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 반고체 물질로 컴프레셔 또는 터빈 휠 형성하기 위한 다이 조립체.
제 94 항에 있어서,

상기 러너 통로는 제 1 및 제 2 부분들을 구비하는 러너 블록에 의해 한정되며, 상기 제 1 및 제 2 부분들은 제 1 위치에서 결합되어 상기 러너 통로를 한정하고 제 2 위치로 이격되어 이동하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체
제 95 항에 있어서,

상기 다이의 제 1 파트에 대해 상기 제 1 및 제 2 부분들을 슬라이드 시킬 수 있는 액츄에이터를 더 포함하는 다이 조립체.
제 94항 내지 제 96 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 러너 통로는 상기 카트리지 방향으로 크기가 줄어드는 적어도 하나 이상의 단차면을 구비하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 96 항 또는 제 97 항에 있어서,

상기 러너 통로는 인렛으로부터 상기 러너 블록으로 연장되는 제 1 포션 및 상기 다이허브공의 인접부로부터 연장되는 제 2 포션을 포함하되, 상기 제 1 및 제 2 포션들은 교차하며, 상기 제 1 포션은 상기 교차점 뒤에 블라인드 엔드를 가지며, 상기 교차점 및 상기 블라인드 엔드 사이의 공간은 상기 주입되는 합금의 시작부분을 수용하여 산화물 트랩으로 기능하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 94 항 내지 제 97 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 러너 통로는 상기 러너 블록이 상기 제 1 위치에 있을 때 상기 카트리지 커버의 개구부에 정합하도록 결합하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.
제 94 항 내지 제 99 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 러너 통로는 상기 외부 다이에 한정되며, 상기 외부 다이는 상기 카트리지를 제거할 수 있도록 수용하는 챔버를 한정하는 것을 특징으로 하는 다이 조립체.