KR20160105776A - 개선된 냉각 시스템을 갖는 열간 성형 금속 다이 - Google Patents

개선된 냉각 시스템을 갖는 열간 성형 금속 다이 Download PDF

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아르파드 터카치
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마틴리어 메탈 인더스트리즈, 인코포레이티드
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Abstract

서로에 대해 개방된 위치와 폐쇄된 위치 사이에서 이동될 수 있는 한 쌍의 다이를 갖는 열간 금속 성형 장치. 이 다이는 원하는 스탬핑된 부품의 형상에 대응하는 대면하는 금속 성형 표면을 갖는다. 스탬핑된 부품으로부터 멀어지는 방향으로 열을 이동시킴으로써 스탬핑된 부품을 ?칭시키기 위해 하나 이상의 다이 내에 하나 이상의 긴 히트 파이프가 장착된다.

Description

개선된 냉각 시스템을 갖는 열간 성형 금속 다이{HOT FORMING METAL DIE WITH IMPROVED COOLING SYSTEM}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2013년 11월 5일에 출원된 미국 가특허출원 번호 61/900,003의 우선권을 주장하고, 그 개시 내용은 참조에 의해 본원에 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 열간 금속 성형 장치에 관한 것이다.
매우 경질의 부품이 요구되는 많은 산업적 용도가 있다. 예를 들면, 자동차에서 자동차 승객실용 수직 필러와 같은 일부의 부품은 전형적으로 충돌 사고 시에 차량의 탑승자를 보호하고, 차량의 중량을 과도하게 증가시키지 않는 고강도의 경량 재료로 구성된다.
자동차 용도로 사용되는 하나의 일반적인 경질 재료는 탄소강의 동소체인 마르텐사이트이다. 마르텐사이트 부품을 형성하기 위해, 먼저 붕소 원소를 포함하는 탄소계 강의 시트 스톡 또는 블랭크가 금속 블랭크를 오스테나이트로 변태시키기 위해 필요한 온도인 약 850-1100℃로 가열된다. 다음에, 이 금속 블랭크가 여전히 고온이고, 약 450℃를 초과하는 온도인 동안에 이 금속 블랭크는 스탬핑 다이 내에 위치되고, 이 다이는 이 다이의 대면하는 표면에 의해 형성된 원하는 부품의 형상으로 블랭크를 기계적으로 굴곡가공 및 성형하기 위해 폐쇄된다. 이제 형성된 부품은 다음에 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시키기에 충분한 빠른 속도로 ?칭된다. ?칭 후에, 이 부품은 제거되고, 마르텐사이트 마감으로의 화학적 변화를 허용하도록 공기 중에서 냉각을 완료하도록 허용된다.
열간 스탬핑 방법을 사용하여 형성된 부품은 충분한 경도를 나타내지만, 열간 스탬핑 방법은 생산 시설 내에서 수행하기에 고가이다. 이러한 비용 중 상당한 액수는 오스테나이트를 마르텐사이트로 전환 또는 변태시키기 위해 충분히 낮은 온도까지 다이 내에서 형성된 블랭크를 ?칭하는데 필요한 시간에 기인된다. 실제로, 이전에 공지된 열간 성형 금속 다이에서, 형성된 부품을 ?칭하기 위한 총 사이클 시간은 스탬핑된 부품의 특정 형상에 기초하여 생산 시설 내에서 10 초 이상을 필요로 할 수 있다. 이러한 긴 사이클 시간은 경우에 따라 생산 요구에 부합하기 위해 다수의 스탬핑 다이의 사용을 필요로 할 수 있다.
본 발명은 스탬핑 작업 후에 형성된 부품을 ?칭시키기 위한 개선된 냉각 수단을 구비하는 열간 금속 성형 장치 또는 열간 금속 스탬핑 장치를 제공한다.
간단히, 본 발명의 장치는 열간 스탬핑 작업을 위한 블랭크를 지지하기 위한 치수의 베드를 갖는 하우징을 포함한다. 이 베드는 금속과 같은 열전도성 재료로 구성되고, 전체 블랭크를 지지하도록 기계가공된 표면을 갖는다.
상부 플레이트 또는 상부 다이는 상부 “슈(shoe)”(최상부 플레이트)에 장착된다. 하부 플레이트 또는 하부 다이는 하부 슈에 장착된다. 상부 슈 및 하부 슈(플레이트 조립체)는 안내 핀에 의해 수평 방향으로 안내된다. 상부 슈 및 하부 슈(장착 플레이트)는 유압 또는 기계식 펀치 프레스 내에서 상하로 수직 운동된다. 상부 슈가 상부 장착 플레이트와 하부 장착 플레이트 사이에 간극을 형성하는 개방된 위치에 있을 때에 가열된 “블랭크” 재료가 하부 공구 상으로 도입/설치된다. 이 블랭크는 일종의 공압식/유압식 또는 기계식 로케이터(locator) 및 레벨러(leveler)를 이용하여 위치된다. 블랭크가 전체 경도의 결과에 영향을 줄 수 있는 개별 영역에서의 블랭크의 냉각을 개시하는 임의의 다이 표면과 접촉되지 않도록, 로케이터는 블랭크 강을 위치시키고, 레벨러는 작은 핑거를 이용하여 수평 위치에 블랭크를 유지하기 위해 사용된다. 상부 다이가 프레스와 함께 하부 다이 상으로 폐쇄되고, 다음에 냉각이 실행되는 중에 프레스가 폐쇄된 상태를 유지할 때, 블랭크 레벨러는 로케이터와 함께 블랭크를 정위치에 유지한다.
상부 다이 뿐만 아니라 하부 다이의 양자 모두에 하나 이상의 긴 히트 파이프, 바람직하게는 복수의 긴 히트 파이프가 부착된다. 각각의 히트 파이프의 일단부는 다이의 내부 내에 매립되고, 한편 반대 단부는 다이의 외부에 위치된다.
각각의 히트 파이프는 열전도성 케이싱에 의해 둘러싸인 튜브형의, 바람직하게는 원통형의 소결된 분말 심지(wick)를 포함한다. 물과 같은 유체가 히트 파이프의 내부 내에 봉입되어 있는 상태에서 히트 파이프의 양단부는 또한 케이싱에 의해 밀폐된다.
히트 파이프의 일단부는 상부 다이 또는 하부 다이 내에 매립되고, 한편 히트 파이프의 타단부는 냉각 메커니즘에 열적으로 결합된다. 예를 들면, 히트 파이프의 제 2 단부는 냉각 유체욕, 히트 싱크, 냉각욕 또는 히트 파이프로부터 열을 제거하기 위해 히트 파이프의 단부에서 일정한 물 온도를 유지할 수 있도록 공구를 통한 일정한 물의 유동을 허용하는 채널 내에 위치될 수 있다.
작동 시에, 히트 파이프 내에 수용된 유체는 히트 파이프의 고온 단부에서 비등하고, 이제 증기 액체는 소결된 분말 심지의 내부로 유입된다. 이 증기는 히트 파이프의 타단부를 향해 유동되고, 여기서 냉각 메커니즘은 증기를 냉각시켜 액체로 되돌린다. 이 액체는 모세관 작용에 의해 소결된 분말 심지를 통해 히트 파이프의 고온 단부로 역행하고, 이곳에서 액체는 다시 증기로 변환되고, 사이클은 반복된다.
결과적으로, 상부 다이 및 하부 다이의 양자 모두를 위해 하나 이상의, 바람직하게는 복수의 히트 파이프를 제공함으로써, 다이, 따라서 스탬핑된 부품은 히트 파이프에 의해 신속하게 ?칭될 수 있다. 작동 시에, 상부 다이와 하부 다이의 양자 모두 내에 히트 파이프의 적절한 사용을 통해 약 1 초의 ?칭 사이클 시간이 달성될 수 있다.
첨부한 도면에 관련된 이하의 상세한 설명을 참조하면 본 발명을 보다 깊이 이해할 수 있을 것이고, 도면에서 동일한 참조 부호는 다수의 도면을 통해 동일한 부품을 나타낸다.
도 1은 이격된 위치에 있는 상부 열간 스탬핑 다이 및 하부 열간 스탬핑 다이를 도시하는 개략 측면도이고;
도 2는 스탬핑 작업 중에 폐쇄된 위치에 있는 상부 다이 및 하부 다이를 도시하는 도 1의 유사도이고;
도 3은 실질적으로 도 1의 3-3 선을 따라 취한 도면이고;
도 4는 실질적으로 도 1의 4-4 선을 따라 취하고, 명확한 도시를 위해 확대한 종단면도이고;
도 5는 명확한 도시를 위해 부품을 제거한 히트 파이프의 입면도이고;
도 6은 다이 내에 수직 위치로 장착된 하나의 히트 파이프의 평면도이고;
도 7은 다이 내에 수평 위치로 장착된 하나의 히트 파이프를 도시하는 평면도이고;
도 8은 다이 내에 예각으로 장착된 하나의 히트 파이프의 도이고;
도 9는 본 발명의 장치의 다이의 일부를 도시하는 부분 단면도이다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 열간 스탬핑 프레스(10)의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 이 프레스(10)는 하부 슈에 장착된 하부 다이(12) 및 상부 슈에 장착된 상부 다이(14)의 양자 모두를 포함하고, 이들 양자 모두는 금속과 같은 열전도성 재료로 구성된다. 이 상부 다이(14) 및 하부 다이(12)는 원하는 스탬핑된 금속 부분의 형상에 대응하도록 기계가공된 대면하는 금속 성형 표면(15, 13)을 각각 갖는다.
이 상부 다이(14)는 하부 다이(12) 상측에 위치되고, 도 1에 도시된 개방된 위치와 도 2에 도시된 하부 위치 사이에서 이동될 수 있다. 상부 다이(14)는 자신의 상부 위치에서 하부 다이(12)로부터 이격되어 이들 다이(12, 14) 사이에 금속 블랭크(16)가 삽입될 수 있도록 한다. 전형적으로 이 금속 블랭크(16)는 전형적으로 붕소를 함유하는 탄소-계 재료로 구성되고, 약 850-1100℃로 가열된다. 탄소-계 재료는 850-1100℃의 온도 범위에서 오스테나이트로 변태된다.
이 금속 블랭크(16)를 850-1100℃로 가열하기 위해 임의의 종래의 메커니즘이 사용될 수 있다. 더욱이, 블랭크(16)는 상부 다이(14)와 하부 다이(12) 사이에 삽입되기 전에, 또는 상부 다이(14)와 하부 다이(12) 사이에 삽입된 후에 850-1100℃로 가열될 수 있다.
금속 블랭크(16)가 상부 다이(14)와 하부 다이(12) 사이에 삽입된 후에, 상부 다이(14)와 하부 다이(12)는 도 2에 도시된 자신의 폐쇄된 위치로 이동된다. 자신의 폐쇄된 위치에서, 금속 블랭크(16)는 상부 다이(14)와 하부 다이(12)의 각각의 금속 성형 표면(15, 13) 사이에 샌드위치되므로, 블랭크(16)는 상부 다이(14)와 하부 다이(12)의 대면하는 표면의 형상을 취하게 된다.
상부 다이(14)와 하부 다이(12)를 도 1에 도시된 개방된 위치와 도 2에 도시된 폐쇄된 위치 또는 스탬핑 위치 사이에서 이동시키기 위해 임의의 종래의 수단이 사용될 수 있다. 다이(12, 14)의 하나 또는 양자 모두를 상호 접근 및 이격시키기 위해, 예를 들면, 유압 또는 공압 실린더가 사용될 수 있다. 대안적으로, 다이(12, 14)를 이동시키기 위해 기계 구동부 또는 심지어 전기 구동부가 사용될 수 있다.
형성된 금속 블랭크(16)를 오스테나이트로부터 마르텐사이트로 변태시키기 위해, 다이(12, 14)의 폐쇄에 의해 형성되는 스탬핑된 부품(16)은 블랭크(16)의 재료에 따라 약 250℃ 미만의 온도까지 신속하게 ?칭되어야 한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 스탬핑된 부품(16)을 ?칭시키기 위해, 본 발명은 복수의 히트 파이프(20)를 사용하고, 이들 중 하나는 도 4 및 도 5의 양 도면에 모두 도시되어 있다. 각각의 히트 파이프는 가열 단부(24)와 냉각 단부(26)의 양자 모두에서 폐쇄된 튜브형 및 원통형의 소결된 분말 심지(22)를 포함한다. 이 심지(22)는 소결된 구리 또는 소결된 구리/니켈 재료와 같은 많은 종류의 상이한 재료로 구성될 수 있다. 이 심지(22)는 소결된 재료로 구성되므로, 이 심지(22)는 단부(24, 26) 사이의 자신의 길이의 전체를 통해 다공질을 유지한다.
이 전체 심지(22)는 폐쇄된 체임버(29)를 형성하는 유체-불투과성 케이싱(28) 내에 수용된다. 이 케이싱(28)은 구리, 구리/니켈 합금, 또는 만일 케이싱(28)이 높은 열전도율을 발휘한다면 임의의 다른 재료로 제작될 수 있다.
여전히 도 4 및 도 5를 참조하면, 물과 같은 액체가 케이싱(28)의 내부 체임버(29)를 부분적으로 충전하고, 따라서 심지(22) 및 이 심지(22)의 내부 보어(30) 내에 봉입된다. 그러나 다른 액체가 대안적으로 사용될 수 있다. 더욱이, 이 액체는 체임버(29)의 체적의 적은 분율만 충전시킨다.
이후에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 히트 파이프(20)의 가열 단부(24)는 가열된 스탬핑된 부품에 인접하여 위치되고, 한편 히트 파이프(20)의 냉각 단부(26)는 수용(water bath) 또는 물 채널, 냉각 공기, 등과 같은 냉각제 내에 위치된다. 작동 시에, 케이싱(28)의 내부 체임버(29) 내에 수용된 액체는 히트 파이프의 가열 단부에서 가열 및 비등 또는 증발된다. 그러면 증기는 냉각제 내에 위치된 가열된 파이프의 냉각 단부(26)를 향해 이동된다. 히트 파이프(20)의 냉각 단부에서, 히트 파이프(20)로부터 냉각제로 열이 전달되고, 증기는 액체로 응결되어 심지 내로 유입된다. 액체는 도 4에서 화살표(32)로 표시된 바와 같이 모세관 작용에 의해 히트 파이프(20)의 냉각된 단부(26)로부터 심지를 통해 히트 파이프(22)의 가열 단부(24)를 향해 이동된다. 일단 액체가 히트 파이프(20)의 가열 단부(24)에 도달되면, 이 액체는 다시 증발되거나 비등되어 위의 프로세스가 반복된다.
결과적으로, 이 히트 파이프(20)는 자신의 가열 단부(24)로부터 열을 제거하고, 이 열을 자신의 냉각 단부(26)에서 소산시키는 역할을 한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 히트 파이프(20)의 열 제거 특성을 더 향상시키고, 촉진시키기 위해, 히트 파이프(20)의 냉각 단부(26)는 냉각욕 또는 채널(34), 히트 싱크, 방열기, 또는 기타 종래의 열 제거 장치 내에서 냉각되는 것이 바람직하다.
이제 도 1 및 도 3을 참조하면, 상부 다이(14) 및 하부 다이(12)의 적어도 하나 내에, 바람직하게는 양자 모두 내에 복수의 히트 파이프(20)가 위치된다. 각각의 히트 파이프(20)의 가열 단부(24)는 상부 다이(14) 및 하부 다이(12)의 대면하는 표면에 인접하여, 따라서 블랭크(16)의 근처에 위치된다. 역으로, 각각의 히트 파이프(20)의 냉각 단부(26)는 자신의 관련된 다이(12 또는 14)로부터 외방향으로 연장된다. 이 냉각 단부(26)는 더욱이 히트 파이프(20)의 이 냉각 단부(26)로부터 열을 제거하기 위해 냉각욕(34) 또는 기타 메커니즘 내에 위치되는 것이 바람직하다.
아마도 도 9에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 히트 파이프(20)의 가열 단부(24)는 하부 다이 또는 상부 다이의 각각의 작업 표면(13, 15)에 근접하여 위치된다. 예를 들면, 히트 파이프(20)의 가열 단부(24)는 다이(14)의 금속 성형 표면(15)으로부터 1/2 인치 이하로 이격되어 위치되는 것이 바람직하다. 반대로, 히트 파이프(20)의 냉각 단부(26)는 다이(14)의 금속 성형 표면(15)으로부터 이격되고, 냉각제 욕 또는 냉각제 채널(34) 내에 위치되는 것이 바람직하다. 이 채널(34)은 물과 같은 임의의 적절한 액체에 의해 냉각될 수 있다.
히트 파이프(20)에 의한 열전달을 최대화하기 위해, 자신의 가열 단부(24)에 인접하는 히트 파이프(20)의 일부는 다이(14) 내의 수용 개구 내에 꼭끼워맞춤으로 위치된다. 자신의 가열 단부(24)에 인접하는 히트 파이프(20)와 다이(14) 사이의 꼭끼워맞춤은 다이14)와 히트 파이프(20) 사이의 효율적인 열전도율을 보장한다. 또한 그리스 또는 에폭시와 같은 열전도성 재료는 다이(14)로부터 히트 파이프(20)로의 열전도율을 최대화하기 위해 가열 단부(24)들 사이에 사용될 수 있다.
히트 파이프(20)의 길이, 직경, 및 수는 용도에 따라 달라진다. 그러나, 블랭크로부터 자동차의 승객실용 필러를 스탬핑하는 용도에서, 히트 파이프(20)는 2 내지 10 인치의 범위의 길이 및 약 1/2 인치의 직경을 가질 수 있다. 이 히트 파이프(20)는 도 3에 도시된 패턴과 같은 임의의 적절한 패턴으로 1/2 내지 2 인치로 서로로부터 이격될 수 있다.
작동 시에, 다이(12, 14)가 도 1에 도시된 자신의 개방된 위치와 도 2에 도시된 자신의 폐쇄된 위치 사이에서 이동될 때, 열은 블랭크(16)로부터 다이(12, 14)로 전달된다. 다음에 그 열은 히트 파이프(20)에 의해 제거되므로 형성된 블랭크(16)가 효과적으로 ?칭되고, 오스테나이트 재료가 마르텐사이트로 변태된다.
이제 특히 도 2를 참조하면, 히트 파이프(20)의 가열 단부(24)로부터 열의 전달을 개선하기 위해, 각각의 히트 파이프(20)의 중간 부분의 주위에 절연체(36)가 제공된다. 이 절연은 히트 파이프(20)의 중간 부분을 따르는 열의 전도로부터 다이(12, 14)의 가열을 최소화하면서 열이 각각의 히트 파이프(20)의 가열 단부(24)로부터 냉각 단부(26)로 전달되는 것을 효과적으로 보장한다.
도 1, 도 3, 및 도 6을 참조하면, 대체로 수직 배향으로 다이(12, 14) 내에 장착된 히트 파이프(20)가 도시되어 있고, 이 히트 파이프는 도 3에 도시된 바와 같이 서로로부터 수평 및 수직으로 전개되어 있다. 더욱이 상부 다이(14) 내의 히트 파이프의 분포는 도 3에 도시된 바와 같은 하부 다이(12)의 것과 실질적으로 동일하다.
비록 히트 파이프(20)가 실질적으로 수직으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않는 한 도 1 및 도 2의 배향으로부터 약간 경사진 다른 배향의 히트 파이프도 사용될 수 있다. 예를 들면, 히트 파이프(20)는 도 7에 도시된 바와 같이 실질적으로 수평으로 배향될 수 있다. 마찬가지로, 히트 파이프(20)는 도 8에 도시된 바와 같이 수평으로부터 경사를 이룰 수 있다.
실제로, 도 3에 도시된 바와 같이 많은 히트 파이프를 사용함으로써 열간 스탬핑 공정에 의해 형성된 부품을 ?칭하는데 필요한 사이클 시간을 약 1초까지 감소시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다.
상기로부터, 본 발명의 스탬핑 장치는 매우 짧은 사이클 시간을 갖는 열간 금속 성형을 위한 새로운 스탬핑 작업을 제공한다는 것을 알 수 있다. 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 속한 기술분야의 당업자에게는 첨부된 청구항의 범위에 의해 정해지는 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 한 본 발명에 대한 많은 개변이 쉽게 보일 것이다.

Claims (11)

  1. 열간 금속 성형 장치로서,
    한 쌍의 다이 － 상기 다이 중 적어도 하나는 개방된 위치와 폐쇄된 위치 사이에서 다른 다이에 대해 이동가능하고, 상기 다이는, 상기 개방된 위치에 있을 때, 가열된 금속 시트를 상기 다이들 사이에 수용하기 위한 치수를 갖고, 상기 다이는 대면하는 금속 성형 표면을 가짐 －, 및
    하나 이상의 다이 내에 장착된 하나 이상의 긴 히트 파이프를 포함하고,
    상기 히트 파이프는 상기 금속 성형 표면 중의 하나에 인접하여 위치된 제 1 단부 및 상기 금속 성형 표면으로부터 이격된 제 2 단부를 갖고, 상기 하나 이상의 히트 파이프는 폐쇄된 내부 체임버를 형성하는 케이싱 및 상기 체임버를 부분적으로 충전하는 액체를 갖는, 열간 금속 성형 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 파이프의 제 2 단부는 냉각제 내에 위치되는, 열간 금속 성형 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각제는 수욕(water bath)을 포함하는, 열간 금속 성형 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각제는 공기를 포함하는, 열간 금속 성형 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체는 물을 포함하는, 열간 금속 성형 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 파이프는 상기 케이싱의 내면에 부착되는 심지(wick)를 포함하는, 열간 금속 성형 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 심지는 소결된 금속을 포함하는, 열간 금속 성형 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 소결된 금속은 구리를 포함하는, 열간 금속 성형 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 소결된 금속은 니켈을 포함하는, 열간 금속 성형 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열간 금속 성형 장치는 상기 다이 중 적어도 하나에 장착되는 복수의 히트 파이프를 포함하는, 열간 금속 성형 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 열간 금속 성형 장치는 양자 모두의 다이에 장착되는 복수의 히트 파이프를 포함하는, 열간 금속 성형 장치.
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