KR20090079235A - 진동 보조 장치를 갖는 금속 성형 - Google Patents

진동 보조 장치를 갖는 금속 성형

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KR20090079235A KR1020097009691A KR20097009691A KR20090079235A KR 20090079235 A KR20090079235 A KR 20090079235A KR 1020097009691 A KR1020097009691 A KR 1020097009691A KR 20097009691 A KR20097009691 A KR 20097009691A KR 20090079235 A KR20090079235 A KR 20090079235A
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Abstract

금속 성형 다이는 제1 다이 반부 및 제1 다이 반부에 대해 이동 가능한 제2 다이 반부를 포함한다. 제1 다이 반부 및 제2 다이 반부는 제2 다이 반부가 폐쇄 위치에 있을 때 다이 캐비티를 한정한다. 변환기는 금속 성형 동안 제1 다이 반부를 진동하도록 작동될 수 있다.

Description

진동 보조 장치를 갖는 금속 성형 {METAL FORMING WITH VIBRATION ASSIST}
본 발명은 금속 성형 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 진동 보조 금속 스탬핑 및 유압성형(hydroforming)을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
유압성형은 당업계에 공지되어 있다. 유압성형 기술의 예들 및 유압 성형을 이용하여 제조된 부품들 및 조립체들은 이하의 미국 특허 제5,205,187호, 제5,259,268호, 제5,403,049호, 제5,561,902호, 제5,632,508호, 제5,718,048호, 제5,794,398호, 제5,802,899호, 제5,850,695호, 제5,855,394호, 제5,862,877호, 제5,899,498호, 제5,953,945호 제5,960,660호, 제5,979,201호, 제5,987,950호, 제6,014,879호, 제6,065,502호, 제6,092,865호, 제6,158,122호, 제6,158,772호, 제6,282,790호, 제6,302,478호, 제6,412,857호, 제6,474,534호, 제6,533,348호, 제6,543,266호, 제6,566,624호, 제6,609,301호, 제6,621,037호, 제6,623,067호, 제6,662,611호, 제6,689,982호, 제6,713,707호 및 제6,739,624호에서 제공된다.
유압성형은 대개 제1 다이 반부와 제2 다이 반부 사이에 금속 튜브를 삽입하는 단계와 그 후에 다이를 폐쇄하는 단계를 포함한다. 제1 다이 반부 및 제2 다이 반부는 유압성형 공정이 완료된 후에 금속 부재의 소정의 외부 표면을 한정하도록 형상화된 다이 캐비티(die cavity)들을 포함한다. 따라서, 유압 성형하기 전에 금속 튜브의 외부 표면과 다이 반부들 사이에 공간(void)이 존재한다. 금속으로 하여금 변형을 일으키게 하여 다이 캐비티들의 형상에 실질적으로 부합하도록 가압된 유체가, 특히 물이 금속 튜브의 내부 표면에 도포된다.
초기 튜브 기하학적 형상으로부터 얻을 수 있는 최대량의 치수 변화에 관련하여 유압성형에서 난제들이 존재한다. 제한 인자들은 다이와 금속 튜브의 외부 표면 사이의 마찰, 윤활제 도포 및 금속 튜브 파손을 포함한다. 또한, 임의의 금속 구조물을 형성하기 위해 비교적 높은 유압이 요구되었다. 또한, 비교적 작은 모퉁이 반경부를 갖는 금속으로 다이 캐비티를 완전하게 채우도록 시도되는 경우에 난제들이 존재한다.
많은 구조적 구성요소들을 구성하기 위해 시트 금속 스탬핑 다이들 및 프레스들도 또한 사용되었다. 스탬핑 다이의 특징들과 조합하여 형성되는 재료의 기계적 특성 때문에, 기존의 제조 방법들은 고용적 제조 공정(high volume production process)에서 반복적으로 형성될 수 있는 최대 깊이의 드로우(draw) 및 최소의 모퉁이 반경부에 관하여 제한될 수 있다. 또한, 다이 표면들과 형성되는 구성요소 사이의 마찰을 감소시키기 위해 비교적 값비싼 윤활제들이 사용된다. 이들 윤활제들의 도포 및 취급은 다루기 힘들 수 있고, 시간이 소요될 수 있으며 값비쌀 수 있다.
많은 금속 구조물들이 유압성형 또는 스탬핑 기술을 이용하여 현재 구성되어 있지만, 다이와 형성될 재료 사이의 마찰을 감소시키는 향상된 공정에 대한 필요성이 존재한다. 윤활에 대한 필요성을 감소시키거나 제거하기 위해서 금속 스탬핑 또는 유압성형 작업 동안 진동 성형을 이행하는 것이 또한 유리할 수 있다.
본 명세서에 기술된 도면들은 단지 예시 목적을 위한 것이고 본 개시 내용의 범위를 임의의 방식으로 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1은 유압성형 다이의 측단면의 개략도이다.
도 2는 금속 스탬핑 다이의 단면의 개략도이다.
본 개시내용은 제1 다이 반부와 제1 다이 반부에 대해 이동 가능한 제2 다이 반부를 포함하는 금속 성형 다이에 관한 것이다. 제1 다이 반부 및 제2 다이 반부는 제2 다이 반부가 폐쇄 위치에 있을 때 다이 캐비티를 한정한다. 변환기는 금속 성형 동안 제1 다이 반부를 진동하도록 작동될 수 있다.
또한, 적용되는 영역들은 본 명세서에 제공된 기술로부터 명백해질 것이다. 기술 및 특정한 예들이 단지 예시의 목적으로 의도되고 본 개시 내용의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
이하의 기술은 사실상 오로지 예시적이고 본 개시내용, 출원 또는 용도를 제한하려는 의도는 아니다.
도 1은 서로 연통하는 제1 다이 반부(12) 및 제2 다이 반부(14)를 갖는 예시적인 유압성형 다이(10)를 도시한다. 제1 다이 반부(12)는 캐비티(16)를 포함하고, 캐비티(16)는 상단 벽(22)에 의해 상호 연결되는 제1 측벽(18) 및 제2 측벽(20)을 포함하며, 상단 벽(22)과 제1 측벽(18) 및 제2 측벽(20) 사이에 반경부 또는 모퉁이를 한정한다. 제1 다이 반부(12)는 정합(mating) 표면(24)을 포함한다.
제2 다이 반부(14)는 캐비티(26)를 포함하고, 캐비티(26)는 제1 측벽(28), 제2 측벽(30) 및 제1 측벽과 제2 측벽을 상호 연결시키는 바닥 벽(32)에 의해 한정되며, 제1 측벽(28) 및 제2 측벽(30)과 바닥 벽(32) 사이에 반경부 또는 모퉁이를 한정한다. 네가티브 엠보스(negative emboss) 또는 리세스(recess)(34)는 바닥 벽(32)으로부터 내측으로 연장하고, 그들 사이에 반경부 또는 모퉁이를 구비한다. 제2 다이 반부(14)는 유압성형 다이(10)가 폐쇄될 때 정합 표면(24)과 결합하는 정합 표면(36)을 포함한다.
유압성형 구성요소를 생성하기 위해서, 다이 반부들이 서로 이격되고 성형 다이가 개방 위치에 있을 때 제1 다이 반부(12)와 제2 다이 반부(14) 사이에 공작물(40)이 삽입된다. 공작물(40)은 내부 표면(42)과 외부 표면(44)을 갖는 긴 중공 부재이다. 내부 표면(42)은 내부 용적(46)의 경계를 이룬다. 공작물(40)의 기하학적 구조는 얻으려는 최종 구성요소의 기하학적 구조에 따라 변화될 수 있다.
특히, 공작물(40)이 도 1에 도시된 바와 같이 실질적으로 원통형 단면을 가질 수도 있다는 것이 고려된다. 대안적으로, 공작물(40)은 직사각형(oblong) 또는 편평한 단면 또는 임의의 수의 미리 한정된 형상들을 가질 수 있다. 편평부들(flats) 또는 오목부들(indentaions)와 같은 추가적인 특정한 기하학적 형상들이 단지 소정의 거리만큼 또는 공작물(40)의 전체 길이를 따라 연장할 수 있다.
공작물(40)은 2개의 개방 단부들을 가질 수 있거나 하나의 개방 단부 및 하나의 블라인드(blind) 또는 폐쇄 단부를 가질 수 있다. 유사한 방식으로, 유압성형 다이는 성형될 부품들에 따라서 2개의 개방 단부들을 가질 수 있거나 하나의 폐쇄 단부 및 하나의 개방 단부를 가질 수 있다. 유압성형 공정을 계속하기 위해서, 피팅부들(도시 생략)은 가압된 유체와 연통하는 내부 용적(46)을 위치시키기 위해서 공작물(40)의 단부들에 결합된다. 변환기들(transducer)(60)이 제1 다이 반부(12)에 결합되고, 추가적인 변환기들(60)이 제2 다이 반부(14)와 결합될 수 있으며 또는 그 반대로 될 수 있다. 변환기들(60)은 금속 성형 공정 동안 마찰이 비교적 높은 반경부 또는 모퉁이 부근에 위치되는 것이 바람직하다. 변환기들(60)은 동력원에 전기적으로 접속되어, 공작물(40)과 제1 다이 반부(12) 및 제2 다이 반부(14) 중 적어도 하나 사이에서 상대적인 이동을 하게 하기 위해서 다이 내로 진동을 부가하도록 작동될 수 있다.
본 개시내용이 직각 모퉁이들을 갖는 것으로 다이 캐비티(26)를 예시하고 있지만, 다이 캐비티(26)가 임의의 소정 형상을 가질 수 있다는 것은 당업자에게 쉽게 이해된다. 변환기(60)는 금속 성형 공정 동안 마찰이 비교적 높은 반경부 또는 모퉁이 부근에 위치된다. 금속 성형 공정을 시뮬레이션하는 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램이 이용될 수 있다. 금속 성형 공정 동안 마찰이 문제를 일으킬 수 있는 영역을 결정하기 위해 이들 프로그램들이 이용될 수 있다. 변환기들(60)은 다이 표면과 공작물 사이의 마찰을 감소시키거나 최소화하도록 문제 영역들 부근에 위치된다.
유압성형 공정을 완료하기 위해서, 공작물(40)을 변형시키고 외부 표면(44)으로 하여금 캐비티(38)의 형상에 부합하게 하기 위해 다이가 폐쇄될 때 및/또는 내부 용적(46) 내에 함유된 가압 유체가 가압될 때 변환기들(60)이 유압 다이(10)를 진동시키도록 작동된다. 당업계, 특히 미국 특허 제5,987,950호 및 제5,979,201호에서 알려진 바와 같이, 제 1 다이 반부(12)를 제2 다이 반부(14)에 대하여 이동시킴으로써 제1 다이 반부(12)를 폐쇄시키는 단계는 공작물(40)의 금속 변형을 또한 초래할 수 있다. 진동은 공작물(40)의 부분들로 하여금 제1 다이 캐비티(16) 및 제2 다이 캐비티(26)의 표면들에 대하여 더욱 자유롭게 이동하게 한다. 향상된 재료 유동은 특히 비교적 작은 반경부를 갖는 위치들에서 캐비티(38)의 형상에 더욱 완전하게 부합하는 공작물(40)을 초래한다. 변환기들(60)의 사용은 외부 표면(44)과 제1 다이 반부(12) 및 제2 다이 반부(14)의 표면들 사이에서 윤활제에 대한 필요성을 감소시킬 수 있거나 완전히 제거할 수 있다.
도 2는 다른 진동 보조 금속 성형 공구를 참조번호 100으로 도시한다. 공구(100)는 기부(102)와 기부(102) 내에서 형성된 포켓(106) 내에 위치된 하부 다이 인서트(104)를 포함한다. 상부 다이 인서트(108)가 램(110)에 결합된다. 램(110)은 개방 및 폐쇄 위치들 사이에서 하부 다이 인서트(104)에 대해 상부 다이 인서트(108)를 이동시키도록 작동될 수 있다. 하부 다이 인서트(104)는 스탬핑 작동이 완료된 후에 공작물(114)의 외부 표면에 대응하도록 형상화되거나 상보적인 캐비티(112)를 한정한다. 상부 다이 인서트(108)는 캐비티(112)에 대해 상보적인 형상을 포함한다. 캐비티(112) 및 상부 다이 인서트(108)의 프로파일(profile) 사이의 정확한 상대 치수들은 공작물(114)의 두께 및 다른 금속 성형 특징들을 고려함으로서 결정된다.
변환기들(116)은 하부 다이 인서트(104)에 결합된다. 변환기들(116)은 스탬핑 작동이 수행되는 동안 하부 다이 인서트(104)를 진동시키도록 작동될 수 있다. 스탬핑 공정 동안, 공작물(114)은 변환기들(116)로부터의 진동 입력에 기초하여 하부 다이 인서트(104)에 대하여 이동하도록 조장된다. 성형 공정 내로 진동을 도입함으로써, 다이 인서트들(104, 108)과 공작물(114) 사이의 감소된 마찰로 인하여 향상된 재료 유동이 초래된다. 다이의 모퉁이 반경부 내로의 재료 유동이 증가된다. 또한, 증가된 깊이의 드로우가 본 개시내용에서 한정된 바와 같이 진동 보조 금속 성형의 사용을 통해 가능하게 될 수 있다.
일단 램(110)이 램의 완전히 연장되거나 폐쇄된 위치로 상부 다이 인서트(108)를 구동시키면, 변환기들(116)은 하부 다이 인서트(104)를 더 이상 진동시키지 않도록 제어된다. 상부 다이 인서트(108)는 램(110)을 수축시킴으로써 개방 위치로 이동된다. 완전하게 성형된 부품은 공구(100)로부터 이제 제거될 수 있다.
또한, 전술된 검토는 본 발명의 단순히 예시적인 실시예를 개시하고 기술한다. 당업자라면, 다양한 변화, 수정 및 변형들이 이하의 청구항들에서 한정된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에 이루어질 수 있다는 것을 이러한 검토로부터 그리고 첨부 도면 및 청구항들로부터 쉽게 인식할 것이다.

Claims (15)

  1. 제1 다이 반부와,
    개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 상기 제1 다이 반부에 대해 이동 가능한 제2 다이 반부와,
    상기 제1 다이 반부 및 상기 제2 다이 반부 중 하나의 반부에 장착되고 금속 성형 동안 상기 제1 다이 반부 및 상기 제2 다이 반부 중 상기 하나의 반부를 진동시키도록 작동될 수 있는 변환기를 포함하며,
    상기 제1 다이 반부 및 상기 제2 다이 반부는 상기 제2 다이 반부가 상기 폐쇄 위치에 있을 때 다이 캐비티를 한정하도록 협동하는 금속 성형 다이 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 변환기는 상기 제1 다이 반부 및 상기 제2 다이 반부 중 상기 하나의 반부가 비교적 높은 주파수 및 비교적 낮은 진폭에서 진동을 일으키도록 작동될 수 있는 금속 성형 다이 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다이 캐비티는 하나의 모퉁이를 갖고, 상기 변환기는 상기 모퉁이 부근에 위치되는 금속 성형 다이 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 금속 성형 다이 조립체는 상기 제1 다이 반부 및 상기 제2 다이 반부 내에 장착된 추가의 변환기들을 더 포함하는 금속 성형 다이 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 각각의 상기 변환기는 상기 제1 다이 반부 및 상기 제2 다이 반부의 모퉁이 반경부 부근에 장착되는 금속 성형 다이 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 다이 반부 및 상기 제2 다이 반부는 유압성형 다이를 형성하는 금속 성형 다이 조립체.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 다이 반부 및 상기 제2 다이 반부는 스탬핑 다이를 형성하는 금속 성형 다이 조립체.
  8. 하나의 변환기를 갖고 캐비티를 한정하도록 제2 다이 반부와 협동하는 제1 다이 반부를 제공하고, 개방 위치에서 한정하도록 제2 다이 반부에 대해 상기 제1 다이 반부를 병렬시키는 단계와,
    상기 제1 다이 반부와 상기 제2 다이 반부 사이에서 금속 공작물의 적어도 일부분을 위치시키는 단계와,
    상기 제1 다이 반부를 진동시키도록 변환기를 작동시키는 단계와,
    개방 위치로부터 폐쇄 위치로 제2 다이 반부에 대해 제1 다이 반부를 이동시키고, 캐비티의 형상에 실질적으로 부합하도록 공작물을 성형시키는 단계를 포함하는 금속 성형 공정.
  9. 제8항에 있어서, 공작물의 성형은 제1 다이 반부가 제2 다이 반부에 대해 폐쇄될 때 일어나는 금속 성형 공정.
  10. 제8항에 있어서, 공작물의 초기 량의 성형은 제1 다이 반부가 제2 다이 반부에 대해 폐쇄될 때 일어나고, 잔류 량의 성형은 공작물의 유압성형으로부터 초래되는 금속 성형 공정.
  11. 제8항에 있어서, 공작물을 성형시키는 단계는 유압성형인 금속 성형 공정.
  12. 제8항에 있어서, 공작물을 성형시키는 단계 동안 제2 다이 반부를 진동시키도록 다른 변환기를 작동시키는 단계를 더 포함하는 금속 성형 공정.
  13. 제12항에 있어서, 공작물의 성형은 제1 다이 반부가 제2 다이 반부에 대해 폐쇄될 때 일어나는 금속 성형 공정.
  14. 제12항에 있어서, 공작물의 초기 량의 성형은 제1 다이 반부가 제2 다이 반부에 대해 폐쇄될 때 일어나고, 잔류 량의 성형은 공작물의 유압성형으로부터 초래되는 금속 성형 공정.
  15. 제12항에 있어서, 공작물을 성형시키는 단계는 유압성형인 금속 성형 공정.
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