KR20030087614A - 관형 부품을 하이드로포밍하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

원료 관(40, tube)으로부터 성형된 부품을 형성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 부품은 하이드로포밍 다이 구조물(12, 14) 및 한 쌍의 관 결합 펀치(81)를 포함하는 다이 조립체 내부에서 형성될 수 있다. 펀치는 단부를 원하는 형상으로 성형하기 위해 원료 관의 단부로 삽입된다. 원료 관의 중간 부분은 하이드로포밍에 의해서 원하는 형상으로 성형된다. 따라서, 방법 및 장치는 이의 전체 길이를 따라 원료 관이 성형될 수 있어서, 원료 관의 제거되어야 할 잔여 부분을 남기지 않는다.

Description

관형 부품을 하이드로포밍하기 위한 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR HYDROFORMING A TUBULAR PART}

대체로, 하이드로포밍에 의해 관형 부품을 형성하기 위해, 원료 관(raw tube)이 하이드로포밍 공구 내부에 위치되고 관은 이의 단부에서 고정된다. 이어서 원료 관의 중간 부분이 하이드로포밍되고, 원료 관의 단부와 하이드로포밍된 중간 부분 사이에 전이대(transitional zone)를 남긴다. 그 후 하이드로포밍된 부품은 두 개의 전이대를 관(tube)으로부터 제거시킴으로써 마무리되고, 완전하게 하이드로포밍된 중간 부분만이 남겨진다.

하이드로포밍된 부품의 단부를 제거하는 이러한 공정은 비효율성을 낳는다. 예를 들면, 마무리된 부품으로부터 절단되는 단부는 폐원료가 되어버린다. 또한,단부를 절단하는 단계는 별도의 절단 공구를 필요로 하고, 이는 마무리된 부품을 생산하는데 필요한 장치를 복잡하게 만든다. 또한, 마무리된 부품의 완성을 위해 각 단부에서 전이대를 절단하는 추가의 단계를 필요로 하기 때문에 시간이 허비된다.

하이드로포밍의 몇몇 예들이 홀톤(Horton)에게 허여된 미국 특허 제5,987,950호 및 재켈(Jackel) 등에게 허여된 미국 특허 제6,014,950호에 개시된다.

본 발명은 전체적으로는 좀 더 효율적으로 관형 부품을 하이드로포밍하기 위한 개선된 장치 및 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 부품의 각 단부를 원하는 형상으로 만들고 하이드로포밍 중에 부품을 유지시키는 펀치를 사용하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 출원은 2000년 10월 19일자로 출원된 미국 가출원 제60/241,337호의 우선권을 주장하였으며, 그 전체 내용이 참고로 본 명세서에 포함되어 있다.

도1은 본 발명의 원리에 따른 하이드로포밍 다이 조립체의 상자(box)형 펀치 및 상하부 다이 구조물을 도시한 확대 사시도이다.

도2는 도1의 절단선 1-1을 따라 취한, 하부 다이 구조물 내부에 위치한 관형 블랭크, 상승되거나 완전히 개방된 위치에서 도시된 상부 다이 구조물 및 관형 블랭크의 단부와 결합하는 상자형 펀치를 포함하는 하이드로포밍 다이 조립체의 종단면도이다.

도3은 관형 블랭크는 하부 다이 구조물 내부에 위치하고, 상자형 펀치가 관형 블랭크의 단부에 삽입되고 유체가 관형 블랭크 내부로 주입된, 도2와 유사하지만, 완전히 하강된 위치에서의 상부 다이 구조물을 도시한 하이드로포밍 다이 조립체의 종단면도이다.

도4는 하이드로포밍 조립체 내부에 배치되고 하이드로포밍 유체로 채워진 팽창되지 않은 타원형 관형 블랭크를 도시한 도3의 절단선 4-4를 따라 취한 단면도이다.

도5는 도9의 선5-5를 따라 취한, 협동하는 상하부 하이드로포밍 다이의 팽창 영역 내부의 압력 하에서 유체에 의해 팽창된 관형 블랭크를 도시한 단면도이다.

도6은 관형 블랭크와 결합하는 상자형 펀치의 부분적인 단면을 도시한 부분 사시도이다.

도7은 상자형 펀치를 도시한 도6의 선 7-7을 따라 취한 종단면도이다.

도8은 도9의 절단선 8-8을 따라 취한 그 안에 삽입되는 상자형 펀치를 가진 상부 및 하부 클램핑 구조물 사이의 관형 블랭크의 단부를 도시하는 단면도이다.

도9는 상부 다이 구조물이 완전히 하강된 위치에 있고 관형 블랭크가 압력 하의 유체에 의해 팽창된 형상으로 하이드로포밍된 하이드로포밍 단계를 도시한 종단면도이다.

도10은 비교적 짧은 블랭크가 비교적 긴 하이드로포밍 다이 조립체에서 하이드로포밍되게 하는 펀치에 부착되는 하이드로포밍 램 연장기(extender)의 사용을 도시한 종단면도이다.

도11은 관형 블랭크의 대향 단부와 결합하는 원형 펀치 및 상자형 펀치를 갖춘 하이드로포밍 다이 조립체의 종단면도이다.

본 발명의 일 목적은 중공 부품을 형성하기 위한 개선된 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 부품의 적어도 일단부를 기계적으로 성형하고 부품의 일부를 하이드로포밍함에 의해 중공 부품을 효율적으로 그리고 비용 면에서 효율적으로 성형하기 위한 개선된 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 부품을 형성하기 위하여 각각의 단부가 하이드로포밍된 중간 부분과 동일한 형상을 갖도록 펀치가 단부를 성형하는 동시에 부품의 각각의 단부를 고정하는 펀치를 사용하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

전술한 목적들은 관형 블랭크로부터 상기 블랭크의 형상과는 다른 원하는 형상을 갖고 일 단부에서 원하는 단면을 갖는 부품을 하이드로포밍하기 위한 하이드로포밍 다이 조립체이며, 상기 부품의 원하는 외부 형상과 일치하는 단면 형상을 갖는 다이 공동을 한정하는 내부 표면을 갖춘 다이 구조물과, 상기 다이 공동의 대향 단부에 배치되며 상기 관형 블랭크의 대향 단부들과 결합하도록 구성되어 배열된 한 쌍의 관 단부 결합 구조물을 포함하고, 상기 관 단부 결합 구조물은 상기 관형 블랭크의 상기 대향 단부들을 밀봉하고 상기 다이 공동의 상기 내부 표면과 일치하도록 상기 관형 블랭크를 팽창시키기 위해 상기 관형 블랭크 내부의 하이드로포밍 유체를 가압하도록 구성되어 배열되고, 상기 관 단부 결합 구조물의 첫번째의 것은 상기 부품의 일 단부에서 상기 원하는 단면에 대응하는 외부 단면 형상을 갖고, 상기 관 결합 구조물의 상기 첫번째의 것은 상기 관결합 구조물의 상기 첫번째의 것의 외부 단면 형상 및 그에 따라 상기 부품의 일 단부에서 미리 정해진 단면에 상기 관형 블랭크의 일 단부를 일치시키기 위해 상기 관형 블랭크의 일 단부와 억지 결합되도록 이동 가능한 하이드로포밍 다이 조립체를 마련함으로써 기본적으로 달성될 수 있다.

또한, 전술한 목적들은 하이드로포밍된 부품을 제작하기 위한 방법이며, 관형 블랭크로부터 상기 블랭크의 형상과는 다른 원하는 형상을 갖고 부품의 일 단부에서 원하는 단면을 갖는 부품을 하이드로포밍하기 위한 하이드로포밍 다이 조립체이며, 부품의 원하는 단면과 일치하는 단면 형상을 갖는 다이 공동을 한정하는 내부 표면을 갖춘 다이 구조물과, 다이 공동의 대향 단부에 배치되며 관형 블랭크의 대향 단부들과 결합하도록 구성되어 배열된 한 쌍의 관 단부 결합 구조물을 포함하고, 관 단부 결합 구조물은 관형 블랭크의 대향 단부들을 밀봉하고 다이 공동의 내부 표면과 일치하도록 관형 블랭크를 팽창시키기 위해 관형 블랭크 내부의 하이드로포밍 유체를 가압하도록 구성되어 배열되고, 관 단부 결합 구조물의 첫번째의 것은 부품의 일 단부에서 상기 원하는 단면에 대응하는 외부 단면 형상을 갖는 하이드로포밍 다이 조립체를 제공하는 단계와, 상기 관형 블랭크의 일 단부를 관 결합 구조물의 첫번째의 것의 외부 단면 형상 및 그에 따라 부품의 일 단부에서 미리 정해진 단면에 일치시키도록 관형 블랭크의 일 단부와 억지 결합하도록 관 결합 구조물의 첫번째의 것을 이동시키는 단계와, 부품의 원하는 형상으로 관형 블랭크를 형성하도록 관형 블랭크 내부에 압력을 가하는 단계를 포함하는 방법을 마련함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 다른 목적들, 장점 및 특징들이 후속의 상세한 설명, 첨부된 도면 및 청구범위로부터 명확해질 것이다.

본 발명에 따라 전체적으로 도면 부호 10으로 표시된 하이드로포밍 다이 조립체의 확대 사시도가 도1에 전체적으로 도시된다. 하이드로포밍 다이 조립체(10)는 가동식 상부 다이 구조물(12), 가동식 하부 다이 구조물(14), 고정된 다이 구조물(16) 및 고정된 다이 구조물(16)이 그 위에 장착되는 고정된 기부(18)를 포함한다. 복수의 공압식 또는 질소 스프링 실린더(20)는 고정된 기부(18) 상에서의 이동을 위해 하부 다이 구조물(14)을 장착한다. 상부 다이 구조물(12), 하부 다이 구조물(14) 및 고정된 다이 구조물(16)은 그 사이에 본 명세서에서 기술될 바와 같은 실질적으로 상자형 또는 다중면의 단면을 가지는 종방향 다이 공동을 형성하도록 협동한다. 양호하게는, 상부 다이 구조물(12), 하부 다이 구조물(14), 고정된 다이 구조물(16) 및 고정된 기부(18)는 각기 P-20 강 및/또는 2714 강과 같은 적절한 강 재료(steel material)로서 제조된다.

도1에 도시된 바와 같이, 상부 다이 구조물(12)은 그 대향하는 종방향 단부에 한 쌍의 크래들 영역(22)을 형성한다. 크래들 영역(22)은 상부 다이 구조물(12)의 대향하는 종방향 단부에서 상부 클램핑 구조물(26)을 수용 및 수납하도록 형성 및 배열된다. 특히, 클램핑 구조물(26)은 각각의 크래들 영역(22)에서 클램핑 구조물(26)과 상부 다이 구조물(12) 사이의 상대적인 수직 이동을 허용하는 복수의 공압식 또는 질소식 스프링 실린더(24)에 의해 상부 다이 구조물(12)에 각각 연결된다.

하부 다이 구조물(14)은 그 대향하는 종방향 단부에 유사한 형식으로 하부 클램핑 구조물(28)을 수용하도록 구성 및 배열된 유사한 크래들 영역(30)을 가진다. 도시된 바와 같이, 하부 다이 구조물(14)의 크래들 영역(30)을 형성하는 도면부호 15로 표시된 종방향 단부는 전체적으로 U자형 형상을 가진다.

하부 클램핑 구조물(28)은 각기 다중면 표면 형상의 절반을 한정하는 단면 형상을 가지는 상향으로 면하는 표면(34)을 가진다. 본 발명의 문맥상에 있어서, 용어 다중면(multifaceted)은 원형 또는 타원형 형상이 아닌, 정사각형, 직사각형, 평행 6면체, 다각형 또는 임의의 다른 유사한 것을 의미한다. 설명된 실시예에 있어서, 표면(34)은 직사각형의 절반을 형성한다.

도시된 실시예에 있어서, 상부 두 개의 클램핑 구조물(26)은 실질적으로 하부 클램핑 구조물(28)과 동일하지만, 거기에 대해 역전되어 있다. 더 구체적으로, 각각의 상부 클램핑 구조물(26)은 다중면(예를 들면 직사각형) 표면 형상의 나머지 반을 한정하는 단면 형상을 가지는 하향으로 면하는 표면(36)을 가진다. 각각의 클램핑 구조물(26)의 표면(36)은 상부 다이 구조물(12)이 하강할 때 관형 블랭크(40)의 단부를 포획하는 다중면 클램핑 표면을 형성하도록 각각의 하부 클램핑 구조물(28)의 표면(34)과 협동한다.

예를 들면 도2, 도3 및 도4로부터 알 수 있는 바와 같이, 상부 다이 구조물(12)은 실질적으로 역전된 U자형 단면을 가지는 종방향 채널(38)을 한정한다. 채널(38)은 하향으로 면하고, 전체적으로 수평 종방향으로 연장하는 표면(44) 및 표면(44)의 대향측으로부터 서로 평행하게 연장하는 한 쌍의 이격되고 종 방향으로 연장하는 수직측 표면(43)에 의해 한정된다.

하부 다이 구조물(14)은 U자형 종방향 단부들(15) 사이에서 이를 통해 수직으로 연장하는 중심 개구(42)를 가진다. 개구(42)는 고정된 다이 구조물(16)을 수용한다. 하부 다이 구조물(14) 내의 내부 수직 표면(41)은 전술된 중심 개구(42)를 한정한다. 더 구체적으로, 한 쌍의 종방향으로 연장하는 측면(41)은 개구의 횡방향의 한계를 한정한다. 표면은 서로 평행하게 대면하는 관계로 수직을 배치된다. 하부 다이 구조물(14)의 U자형 단부(15)는 개구(42)의 종방향 한계를 한정하고, 서로 평행하게 대면하는 관계로 수직으로 배치된 내부 표면(도시 생략)을 가진다.

고정된 기부(18)는 실질적으로 직사각형의 금속 슬래브(slab)의 형태이다. 고정된 다이 구조물(16)은 고정된 기부(18)의 상부 표면(46)에 고정된다. 고정된 다이 구조물(16)은 전체적으로는 고정된 기부(18)의 중심을 따라서 고정된 기부(18)의 상부 표면(46)의 길이부의 주요부를 따라 연장하는 긴 구조물이다. 고정된 다이 구조물(16)은 고정된 기부(18)로부터 상향으로 돌출하고 그 대향하는 종방향 측면 상에 실질적으로 수직인 측면(48)을 가진다. 고정된 다이 구조물(16)은 고정된 다이 구조물의 전체적으로 수직인 측면(48)과 하부 다이 구조물(16)의 수직 표면(41) 사이에 최소 간극을 가진 상태로, 하부 다이 구조물(14) 내의 개구(42) 내부에서 연장하도록 구성 및 배열된다. 유사하게, 하부 다이 구조물(14)의 단부(15)의 내부 횡측 표면(도시 생략)과 고정된 다이 구조물(16)의 수직 단부 표면(49) 사이에 최소 간극이 존재한다. 고정된 다이 구조물(16)은 상부 다이 구조물(12)의 종방향으로 연장하고 하향으로 향하는 다이 표면(44)에 이격되어 면하는 관계로 연장하도록 구성 및 배열된 상향으로 대면하고, 전체적으로 수평 종방향으로 연장하는 다이 표면(50)을 더 포함한다.

도4 및 도5에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 전술된 측면(41), 상향으로 면하는 표면(50), 측면(43) 및 하향으로 면하는 표면(44)은 실질적으로 그 종방향 길이에 걸쳐 다중면 단면 형상을 가지는 다이 공동(52)을 형성하도록 협동한다. 다이 공동 표면은 원형 또는 타원형 블랭크 관(blank tube)으로부터 하이드로포밍되는 부품의 원하는 형상을 한정한다.

도2는 개방 또는 상승된 위치에서의 상부 다이 구조물(12)을 도시한다. 이러한 위치에서 하이드로포밍 다이 조립체(10)는 관형 블랭크(40)가 하부 다이 구조물(14) 내부에 위치되는 것을 가능하게 한다.

블랭크(40)가 하부 다이 구조물(14) 내에 위치한 후에, 상부 다이 구조물(12)은 다이 공동(52)을 형성하도록 하강된다. 다이 공동은 본 명세서에서 참조되는 홀톤에게 허여된 미국 특허 제5,987,950호에 개시된 바와 같이, 블랭크(40)가 하이드로포밍 작업 중 팽창되기 전에 관형 블랭크(40)의 약한 크러싱(crushing)이 일어나도록 도4에 도시된 것보다 궁극적으로 더 작을 수도 있다. 관형 블랭크(40)가 폐쇄된 상부 다이 구조물(12)과 하부 다이 구조물(14) 사이에 위치된 상태에서, 장착 구조물(90)에 부착되는 펀치(81)를 가지는 하이드로포밍 램(80)은 관형 블랭크(40)의 대향 단부와 결합하도록 하이드로포밍 다이 조립체(10)의 대향 측부로부터 전진된다. 도6 및 도7에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 펀치(81)는 다중면, 여기서는 직사각형 부분(84)으로 전이하는 초기 경사진 부분(82)을 포함한다. 횡방향 견부(88)를 형성하는 기부(86)는 초기 경사진 부분(82)에 대향하는 다중면 부분(84)의 일단부에서 형성된다.

펀치(81)는 펀치(81) 및 홀더(92) 내에 형성된 카운터 보어 구멍(94)을 통해 연장하는 볼트와 같은 기계식 패스너(92)에 의해 장착 구조물(90)의 단부에 고정된다. 기부(86)는 양호하게는 펀치(81)와 장착 구조물(90) 사이의 원활하고 균일한 전이(transition)를 형성하도록 장착 구조물(90)의 크기 및 형상과 상호 보완하는 크기 및 형상을 가진다.

도시된 실시예에 있어서, 경사진 부분(82)은 양호하게는 상자형 부분(84)의 측부에 대해 약 13°내지 17°사이, 가장 양호하게는 15°정도의 각도(θ, 도7 참조)로 형성된다. 다중면 부분(84)은 양호하게는 다각형, 정사각형, 비스듬한 평행사변형 등과 같은 다중면 형상을 한정하는 주변을 가지도록 곧은 측부를 가진다. 상자형 부분(84)의 주변 형상은 실질적으로 하부 클램핑 구조물(28)의 상향으로 향하는 표면(34)과 상부 클램핑 구조물(26)의 하향으로 향하는 표면(36)에 의해 형성되는 클램핑 표면의 형상에 대응한다. 또한, 다중면 부분(84)의 크기는 클랭핑 표면이 블랭크(40)에 외부 지지를 제공한 상태에서 관형 블랭크(40)의 벽부와 밀봉 억지 끼워 맞춤을 제공하도록 형성된다.

경사진 부분(82)의 자유 단부에서 펀치(81)의 전방 단부(83)는 다중면 부분(84)보다 더 작은 치수를 가지고, 따라서 도2에 도시된 바와 같이 전방 단부(83)가 관형 블랭크(40)의 팽창되지 않은 단부 내부로 삽입되는 것이 허용된다. 펀치(81)의 전방 단부(83)가 블랭크(40)의 단부와 결합된 상태에서, 하이드로포밍 램은 수압력 하에서 더 전진될 수 있고, 따라서 도3에 도시된 바와 같이 상부 다이 구조물(12)은 하강된 후에 펀치(81)를 관형 블랭크(40)의 단부 내부로 가압한다. 펀치(81)의 경사진 부분(82)은 다중면 부분(84)이 블랭크(40)의 단부 내부로 완전히 삽입될 때까지 블랭크(40)의 단부를 점진적으로 형성한다. 이러한 공정 중에, 블랭크(40)의 단부는 도3 및 도8에 가장 잘 도시된 바와 같이 다중면 부분(84), 그 후 인접하는 클램핑 표면(34, 36)에 일치되기 때문에 외향으로 신장될 수도 있다. 횡방향 견부(88)의 폭은 양호하게는 관형 블랭크(40)의 외부 표면이 기부(86) 및 홀더(90)의 외부 표면과 원활하게 전이하도록 관형 블랭크(40)의 두께와 실질적으로 동일하다.

따라서, 관(tube)이 최종 관 형상과 일치하도록 펀치에 걸쳐 형성되는 경우, 블랭크의 스크랩(scrap) 부분을 제거할 필요가 없고, 이는 절단 공구에 대한 필요성이 없어져서 비용 및 시간을 절약시킨다.

앞선 설명은 단지 하나의 펀치에 대해서만 언급되었지만, 이러한 논의는 관(40)의 대향 단부에서의 펀치(81) 모두에 적용될 수 있음을 이해하여야 한다.

관형 블랭크(40)는 둥근 형태(원형 단면)일 수도 있다. 펀치(81)는 블랭크와 유사한 높이 및 폭 치수를 가진다. 블랭크는 직사각형이거나 다르게는 높이 또는 폭 치수를 따라 연장되는 펀치에 대해 타원형일 수도 있다. 타원 관형 블랭크를 사용하는 하이드로포밍 공정은 앞에서 언급되는 바와 같이 본 명세서에서 참조되는 참조 문헌인 미국 특허 제5,987,950호에 개시된다. 타원형 단면을 가지는 관형 블랭크를 제공하는 것은 전체적으로 상자형(정사각형 아님) 단면 형상의 다이 공동(52)의 최종 단면 주변과 더 근접하여 일치하는 경계선을 제공하기 때문에 종래의 원형 단면과 비교하여 장점을 가진다. 따라서, 블랭크(40)의 적은 팽창이 블랭크를 공동(52)을 형성하는 표면과 일치되게 팽창시킬 때 요구된다. 또한, 블랭크 및 공동 표면의 더 근접한 일치는 블랭크가 팽창이 블랭크(40)의 팽창 중에 블랭크의 외부 표면과 공동 표면 사이에서의 마찰 표면 접촉의 증가에 기인하여 가장 어렵게 되는 공동(52)의 코너부로 용이하게 팽창되는 것을 허용한다.

도3에서 알 수 있는 바와 같이, 블랭크(40)가 다이 구조물(12, 14) 사이의 제 위치에 사실상 견고하게 유지될 경우, 하이드로포밍 실린더 또는 램(80)은 블랭크(40)의 두 개의 대향 단부들 내에 삽통식 및 밀봉식으로 삽입되어 경사진 표면(82)은 블랭크(40)의 대향 에지에 결합한다. 램(80)은 표면(88)과 결합할 때까지 블랭크(40)의 대향 에지가 표면(82) 아래로 누르도록 내향 가압되어 블랭크의 단부를 펀치(81)의 부분(84)의 외부 형상으로 변환시킨다. 이후, 하이드로포밍 실린더는 바람직하게는 관형 블랭크(40)에 도면 부호 F로 표시된 하이드로포밍 유체(바람직하게는 물)를 예비 충전되지만, 소정의 큰 범위로 가압되지는 않는다. 유압 유체는 대응 장착 구조물(90)에 형성된 채널(97)과 연통하는 하나 또는 두 개의 펀치(81) 내로 형성된 채널(87)을 통해 주입된다. 예비 충전 작업이 몇몇 적용예에서 순환 시간을 감소시키고, 보다 매끄러운 외형의 부품을 이루는데 바람직하긴 하지만, 상부 다이 구조물(12)은 소정의 유체가 관형 블랭크(40) 내부에 제공되기 전에 충분하게 하강될 수도 있다.

밀봉된 다이 공동(52)의 각 부분은 일반적으로 클램핑 구조물(28, 26)의 클램핑 표면(34, 36)과 동일한 크기 및 형상을 각각 갖는 표면 부분(54)에 의해 한정된 전체적으로 직사각형 형상이다. 따라서, 부분(54)은 펀치(81)가 도6에 도시된바와 같이 관형 부재의 단부로 가압된 후 관형 부재(40)의 단부의 단면 형상에 의해 한정된 영역과 동일하거나 또는 약간 큰 영역을 갖는 다이 공동의 영역을 형성한다. 다르게 설명하면, 다이 공동(52)의 부분(54)은 블랭크의 형상을 둥근 또는 타원형 단면으로부터 다중면을 갖는(여기서는 직사각형) 단면 형상으로 변환시키는 데 필요한 정도로만 하이드로포밍 공정 동안 관형 블랭크(40)를 팽창시키는 데 사용되는 다이 공동의 영역을 한정한다. 펀치(81)에 고정된 블랭크(40)의 단부가 하이드로포밍된 최종 부품을 위한 형상을 형성하고 관의 남아있는 절단되지 않은 부분이 원하는 부품에 대응하도록 하이드로포밍 후 절단되어야만 하는 팽창되지 않은 부분을 구성하지 않기 때문에, 실질적인 스크랩(scrap) 재료가 절약된다. 다이 구조물의 각각의 팽창되지 않은 표면 부분(54)이 펀치(81)의 부분(84, 86)의 형상과 일치하는 형상을 한정한다.

공동(52)은 또한 이의 종방향 중심 부분를 향해 확대된 부분(56)을 포함할 수 있다. 상부 다이 구조물(12)이 하부 다이 구조물(14)에 대하여 밀폐되고, 펀치(81)가 블랭크(40)의 단부들 내로 밀봉식으로 삽입됨에 따라, 유체(F)는 가압되어 관형 블랭크(40)를 다이 공동(52)을 한정하는 표면에 일치하도록 팽창시킨다(도5 및 도9 참조). 관형 블랭크(40)는 다이 공동(52)의 둥근 형태가 아닌, 다중면을 갖는 형태(예컨대, 직사각형)로 팽창된다. 만일 하이드로폼 조립체가 확대된 부분(56)을 갖춘 다이 공동을 포함한다면, 블랭크(40)는 그 면적으로 확대될 것이다. 공동(52)의 부분(54)이 펀치(81)의 다중면을 갖는 부분(84)의 형상과 일치하는 형상을 한정하기 때문에, 하이드로폼된 부재는 이의 단부까지 일치된 형상을 갖고, 단부 부분을 절단할 필요가 없다. 블랭크의 부분이 이의 단면적 주변으로 상당히 확대되었다면(예컨대, 원래 블랭크 주변에 대하여 5% 이상), 블랭크의 종방향 단부들은 블랭크가 팽창됨에 따라 벽 두께를 보충하도록 서로를 향해 내향으로 가압되는 것이 바람직할 수 있다. 만일 블랭크가 확대되지 않고 오직 다중면을 갖는 다이 공동과 일치하도록 팽창된다면, 블랭크의 팽창 중 단부들의 종방향 이동은 필요하지 않을 수 있다. 특히, 바람직한 하이드로포밍 공정에 대해서는 재켈 등(Jaekel et al.)에게 허여된 미국 특허 제6,014,879호에 개시되어 있으며, 참고로서 본 명세서에 포함되었다.

다른 실시예에 따르면, 상당한 양의 주변 팽창이 실질적인 벽 두께 보충이 그 곳에서 요구될 정도로 관형 부품의 일 단부에서 요구된다면, 다중면을 갖는 펀치에 대향되는 원형 또는 타원형 펀치를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 재료가 보다 효과적으로 그리고 상자 형상의 단부보다는 둥근 단부로부터 확대된 영역을 향해서 균일하게 유동하기 때문이다. 이러한 하이드로포밍 형상이 도11에 도시되어 있고, 도11에서 주위의 다이 구조물은 도시의 명확성을 위해서 도시되지 않는다. 도시된 구성은 앞에서 도시되고 설명된 직사각형 형상의 장착 구조물(90)과 경사진 직사각형 형상의 펀치(81)를 구비하는 하나의 하이드로포밍 램(80)을 포함한다. 구성은 또한 단부에 형성된 삽입 경사부(116)를 갖춘 더 작은 원통형 부분(102) 및 원통형 기부(112)를 구비하는 제2 하이드로포밍 램(100)을 포함한다. 관형 블랭크(40')의 단부와 결합하는 원형, 환형 밀봉 견부(114)는 기부(112)와 원통형 부분(102) 사이에 형성된다.

다중면을 갖춘 펀치(81)에 의해 결합된 블랭크(40')의 단부에서, 다이 구조물(도시 생략)은 블랭크의 부분(110)에서 단면 형상이 블랭크의 둥근 단면이 다중면을 갖춘 단면으로 변하게 될 정도로만 팽창되도록 블랭크(40')를 형성하는 표면 형상을 제공한다. 부분(110)은 확대된 직사각형 형상의 단부 부분(106)으로 연장하는 점진적으로 테이퍼진 세그먼트(108)에 의해 결합된다. 역으로, 원통형 펀치(100)에 의해 결합된 블랭크(40')의 단부에서, 다이 구조물은 블랭크의 상대적으로 짧고 확대되지 않은 원통형 부분(105)을 형성하는 표면 형상을 제공한다. 그런 후, 블랭크는 105에서 둥근 주변 형상으로부터 영역(106)에서 직사각형 단면으로 변화된다. 관형 부재(40')의 단부에서 종방향의 푸싱(pushing)은 만일 펀치가 둥글다면 벽 두께를 보충하는 데 보다 효율적이기 때문에 원통형 펀치(100)는 급작스러운 변화 구역(104) 및 확대된 영역(106)의 비교적 큰 팽창을 허용한다. 원통형 펀치(100)에 의해 형성된 성형 부재의 원통형 단부 부분은 일반적으로 수반되는 마무리 작업 동안에 절단된다.

한편, 직사각형 형상의 펀치(81)에 의해 형성된 상자 형상의 단부는 원하는 최종 부재 형상에 맞추어 만들 수 있기 때문에 단부가 절단될 필요가 없다.

도10에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 램 연장기(120)는 펀치(81)와 홀더(90) 사이에 설치될 수 있다. 연장기(120)는 펀치(81)의 기부(86) 및 장착 구조물(90)의 직사각형 형상의 단면에 일치하는 직사각형 형상의 단면 형상을 갖는다. 따라서, 하이드로포밍 램(80')은 동일한 다이 공동(52) 내부에서 더 짧은 관형 블랭크(40')의 하이드로포밍을 수용하도록 다이 공동(52)의 비교적 확대되지 않은 부분(54)으로 더욱 연장할 수 있다. 물론, 연장된 하이드로포밍 블랭크(80')는 하이드로포밍 공동(52)의 확대된 영역(56)으로 연장될 수 없거나 또는 관형 블랭크(40')의 단부와 펀치(81)의 견부(88) 사이의 시일은 관형 블랭크가 확대된 영역(56)으로 팽창됨에 따라서 상실될 것이다.

따라서, 본 발명은 다이 공동을 형성하는 내부 표면을 갖춘 다이 구조물을 포함하는 관형 블랭크로부터 부품을 하이드로포밍하기 위한 하이드로포밍 다이 조립체를 포함하고, 다이 공동은 부품의 미리 정해진 단면에 일치하는 단면 형상을 갖고, 부품은 블랭크의 형상과 상이한 미리 정해진 형상을 갖고 이의 일단부에 소정의 단면을 포함한다.

바람직한 실시예의 전술한 상세한 설명 및 첨부된 도면은 사실상 단순한 예에 불과한 것이며 본 발명은 설명된 실시예 및 첨부된 청구 범위의 기술 사상 및 범위에 있는 모든 다른 실시예를 포함한다는 것을 알아야 한다.

Claims (12)

1. 관형 블랭크로부터 상기 블랭크의 형상과는 다른 원하는 형상을 갖고 일 단부에서 원하는 단면을 갖는 부품을 하이드로포밍하기 위한 하이드로포밍 다이 조립체이며,

   상기 부품의 원하는 외부 형상과 전체적으로 일치하는 단면 형상을 갖는 다이 공동을 한정하는 내부 표면을 갖춘 다이 구조물과,

   상기 다이 공동의 대향 단부에 배치되며 상기 관형 블랭크의 대향 단부들과 결합하도록 구성되어 배열된 한 쌍의 관 단부 결합 구조물을 포함하고,

   상기 관 단부 결합 구조물은 상기 관형 블랭크의 상기 대향 단부들을 밀봉하고 상기 다이 공동의 상기 내부 표면과 일치하도록 상기 관형 블랭크를 팽창시키기 위해 상기 관형 블랭크 내부의 하이드로포밍 유체를 가압하도록 구성되어 배열되고, 상기 관 단부 결합 구조물의 첫번째의 것은 상기 부품의 일 단부에서 상기 원하는 단면에 대응하는 외부 단면 형상을 갖고, 상기 관 결합 구조물의 상기 첫번째의 것은 상기 관결합 구조물의 상기 첫번째의 것의 외부 단면 형상 및 그에 따라 상기 부품의 일 단부에서 미리 정해진 단면에 상기 관형 블랭크의 일 단부를 일치시키기 위해 상기 관형 블랭크의 일 단부와 억지 결합되도록 이동 가능한 것을 특징으로 하는 하이드로포밍 다이 조립체.
2. 제1항에 있어서, 상기 첫번째 관단부 결합 구조물은 상기 관형 블랭크의 상기 일 단부 내로 부분적으로 삽입되는 경사진 부분을 포함하는 외부 표면을 갖고, 상기 첫번째 관 단부 결합 구조물은 상기 관형 블랭크의 상기 일 단부의 내부 표면 부분이 상기 경사진 부분을 따라 가압된 관계에서 활주하도록 하여 상기 관형 블랭크의 상기 일단부가 ⅰ) 상기 첫번째 관단부 결합 구조물 위로 그리고 ⅱ) 상기 첫번째 관단부 결합 구조물의 상기 외부 표면과 일치되게 변형되도록 하기 위하여 상기 관형 블랭크의 상기 일단부 내로 더욱 이동되고, 상기 다이 공동의 일 단부는 상기 첫번째 관단부 결합 구조물을 수용하고, 상기 다이 공동의 상기 일 단부에서 상기 다이 공동의 상기 내부 표면은 상기 부품의 상기 일 단부에서 상기 부품의 외부 표면 형상에 일치하는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍 다이 조립체.
3. 하이드로포밍된 부품을 제작하기 위한 방법이며,

   관형 블랭크로부터 상기 블랭크의 형상과는 다른 원하는 형상을 갖고 부품의 일 단부에서 원하는 단면을 갖는 부품을 하이드로포밍하기 위한 하이드로포밍 다이 조립체이며, 부품의 원하는 단면과 일치하는 단면 형상을 갖는 다이 공동을 한정하는 내부 표면을 갖춘 다이 구조물과, 다이 공동의 대향 단부에 배치되며 관형 블랭크의 대향 단부들과 결합하도록 구성되어 배열된 한 쌍의 관 단부 결합 구조물을 포함하고, 관 단부 결합 구조물은 관형 블랭크의 대향 단부들을 밀봉하고 다이 공동의 내부 표면과 일치하도록 관형 블랭크를 팽창시키기 위해 관형 블랭크 내부의 하이드로포밍 유체를 가압하도록 구성되어 배열되고, 관 단부 결합 구조물의 첫번째의 것은 부품의 일 단부에서 상기 원하는 단면에 대응하는 외부 단면 형상을 갖는 하이드로포밍 다이 조립체를 제공하는 단계와,

   상기 관형 블랭크의 일 단부를 관 결합 구조물의 첫번째의 것의 외부 단면 형상 및 그에 따라 부품의 일 단부에서 미리 정해진 단면에 일치시키도록 관형 블랭크의 일 단부와 억지 결합하도록 관 결합 구조물의 첫번째의 것을 이동시키는 단계와,

   부품의 원하는 형상으로 관형 블랭크를 형성하도록 관형 블랭크 내부에 압력을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 관결합 구조물의 첫번째의 억지 결합에 의해 형성된 부품의 일 단부를 절단하지 않고 부품을 제품에 통합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 하이드로포밍된 부품을 제작하기 위한 방법이며,

   관형 블랭크로부터 상기 블랭크의 형상과는 다른 원하는 형상을 갖고 부품의 일 단부에서 원하는 단면을 갖는 부품을 하이드로포밍하기 위한 하이드로포밍 다이 조립체이며, 부품의 원하는 단면과 일치하는 단면 형상을 갖는 다이 공동을 한정하는 내부 표면을 갖춘 다이 구조물과, 다이 공동의 대향 단부에 배치되며 관형 블랭크의 대향 단부들과 결합하도록 구성되어 배열된 한 쌍의 관 단부 결합 구조물을 포함하고, 관 단부 결합 구조물은 관형 블랭크의 대향 단부들을 밀봉하고 다이 공동의 내부 표면과 일치하도록 관형 블랭크를 팽창시키기 위해 관형 블랭크 내부의 하이드로포밍 유체를 가압하도록 구성되어 배열된 하이드로포밍 다이 조립체를 제공하는 단계와,

   관형 블랭크를 원하는 형상의 부품으로 형성하기 위해 관형 블랭크 내에 압력을 인가하는 단계와,

   다이 공동 내에서 형성된 부품의 일 단부를 절단하지 않고 부품을 제품에 통합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 관형 블랭크의 일 단부를 관 결합 구조물의 첫번째의 것의 외부 단면 형상 및 그에 따라 부품의 일 단부에서 미리 정해진 단면에 일치시키도록 관형 블랭크의 일 단부와 억지 결합하도록 관 결합 구조물의 첫번째의 것을 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 관형 부재를 팽창시키기 위한 공구이며,

   복수의 측부에 의해 형성되고 관형 부재의 원하는 내부 형상을 형성하는 주변을 갖는 제1 부분과,

   상기 제1 부분에 결합된 정합 단부, 상기 정합 단부에 대향되는 자유 단부, 종방향 축, 상기 정합 단부 및 상기 자유 단부 사이에 위치 설정된 복수의 기울어진 표면을 구비하며, 상기 복수의 기울어진 표면은 상기 정합 단부로부터 상기 자유 단부 및 상기 종방향 축을 향해 수렴하고 상기 복수의 기울어진 표면은 상기 복수의 측부와 동일한 개수인 경사진 부분을 포함하고,

   상기 제1 부분의 복수의 측부의 각각은 상기 종방향 축과 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 공구.
8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 측부는 4개의 측부이고, 상기 복수의 표면은 4개의 표면인 것을 특징으로 하는 공구.
9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 측부는 직사각형을 형성하는 것을 특징으로 하는 공구.
10. 제7항에 있어서, 상기 경사진 부분의 상기 복수의 표면의 각각은 상기 종방향 축에 대하여 대략 13 내지 17 도 사이에서 기울어진 것을 특징으로 하는 공구.
11. 제7항에 있어서, 상기 제1 부분은 상기 제1 부분의 상기 주변 둘레에서 상기 복수의 측부에 직접적으로 인접한 견부를 갖는 기부에 결합되는 것을 특징으로 하는 공구.
12. 제7항에 있어서, 상기 경사진 부분의 상기 자유 단부는 상기 경사진 부분 및 상기 제1 부분을 완전히 관통해서 연장하는 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 공구.