KR101869576B1

KR101869576B1 - 워크피스 처리용 가열로 및 그 처리방법

Info

Publication number: KR101869576B1
Application number: KR1020137011576A
Authority: KR
Inventors: 랄프요셉 슈바르츠
Original assignee: 슈바르츠 에바
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: MX2013003767A; EP2439289A1; JP6158086B2; JP2013542324A; KR20140018184A; WO2012045647A1; BR112013008194A2; PL2439289T3; EP2439289B1; CN103270178A; US20130196275A1; CN103270178B; MX356552B; ES2609328T3; US9840748B2

Abstract

본 발명은 가열로(10)안의 적어도 하나의 워크피스(20)를 처리하는 방법에 관한 것이며 상기 방법에서 워크피스(20)는 각각 워크피스(20)와 연관있는 적어도 두 개의 가열유닛(15,16)에 의하여 가열로(10) 안의 챔버(11)에서 가열되고 워크피스는 제1측면(21) 및 제2측면(22)이 있어서 제1가열유닛(15)은 워크피스(20)의 제1측면(21)을 가열하고 제2가열유닛(16)은 워크피스(20)의 제2측면(22)을 가열한다. 본 발명은 각각의 가열유닛(15,16)이 서로 옆에 배열된 가열가능한 접촉면을 포함하고 동일한 방향을 향하는 적어도 두 개의 압력피스톤(30,31,32,33,34)으로 구성되고 워크피스(20)의 제1측면(21)과 제1가열유닛(15)의 적어도 두 개의 압력피스톤(30,31) 접촉면 사이에 접촉이 일어나고 워크피스(20)의 제2측면(22)과 제2가열유닛(16)의 적어도 두 개의 압력피스톤(32,33,34) 접촉면 사이에 접촉이 일어나서 워크피스(20)가 가열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 가열가능한 압력피스톤(30,31,32,33,34)을 포함하는 적어도 두 개의 가열유닛(15,16)으로 구성된 상기 방법을 수행하는 가열로(10)에 관한 것이다.

Description

워크피스 처리용 가열로 및 그 처리방법{Process and furnace for treating workpieces}

본 발명은 가열로에서 적어도 하나의 워크피스를 처리하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 워크피스는 제1측면 및 제2측면이 있어서 제1가열유닛이 워크피스의 제1측면을 가열하고 제2가열유닛이 워크피스의 제2측면을 가열하는 워크피스 처리방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 상기 방법을 수행하는 가열로에 관한 것이다.

가공부품의 생산 및 처리영역에서는 원하는 재료특성을 가진 가공부품을 체계적으로 제조하는 것이 일반적이다. 예를 들어 자동차산업에서는 자동차의 트랜스버스 컨트롤 아암(transverse control arm), 비필러(B-pillar) 또는 범퍼 등 부품이 매우 뜨거워졌다가 냉각되면서 단단해진다. 상기 목적을 위해 철강(steel)으로 제조된 부품은 오스테라이트화(austenitization) 온도까지 가열되어야 하므로 마텐자이트(martensite)가 빠르게 냉각되는 중에 형성된다. 반면 경금속으로 제조된 부품은 연화온도(softening temperature)까지 가열된다. 다양한 적용사례, 특히 자동차기술에서 가공부품(formed part)이 다양한 영역에서 다양한 재료 특성을 가지는 것이 유리하다. 예를 들어 한 영역에서는 높은 강도를 가져야 하나 비교적 다른 영역에서는 더 높은 연성을 가지며 각각의 영역을 다양한 레벨로 가열함으로써 상기 가공부품을 얻을 수 있다.

최근 생산규모가 큰 가공부품(formed part)을 가열하기 위해 전기로 작동하는 가열로가 사용되고 워크피스를 가열하기 위해서는 와전류(eddy current)가 워크피스에 유도된다. 그러나 전도 가열로(conduction furnace)의 경우에는 전류가 가공부품을 바로 통과하여 지나간다.

그러나 상대적으로 낮은 125W/㎡/K의 최대 열전달계수(heat transfer coefficient,HTC)로 인해 멀티-레이어 디자인임에도 연속로(continuous furnace)는 길이가 매우 길고 표면적이 커서 많은 에너지를 소모한다. 멀티-챔버 가열로에서는 부품이 위로 쌓이지만 상기 가열로도 마찬가지로 낮은 열전달계수를 가지기 때문에 규모가 크고 고에너지를 소비하는 문제점이 있다.

직접 유도가열(direct induction heating)로 인하여 5000W/㎡/K까지의 열전달계수를 얻을 수 있다. 그러나 자성을 띤 철(magnetic iron)의 경우 유도성 커플링(inductive coupling)이 퀴리점(Curie point) 위에서 급격히 떨어지고 유도된 전류의 흐름이 홀(hole)을 가지고 섹션(section)에 걸쳐 넓히거나 좁아질 수 있는 플레이트 바 기하학(plate bar geometry)으로 인해 매우 다양하므로 가열은 매우 불규칙적이다. 결과적으로 균일한 가열을 하기 위해 여전히 전통적인 가열로가 필요하다. 매우 단순한 기하학이 포함되지 않는다면 상기의 이상한 배열은 그다지 실용적이지 않으며 이 영역에서 발생하는 일이 거의 없다. 게다가 유도 가열(induction heating)은 필수적인 2차 에너지 및 코일냉각 때문에 투자비용 및 작동비용의 관점에서 매우 비싸다.

유사한 문제점이 전도 가열(conduction heating)에도 존재하는데 적어도 코일냉각이 필요하지 않으므로 작동비용은 적게 든다. 그러나 전극 말단이 접촉탭(contact tab)을 필요로 하기 때문에 워크피스를 위한 더 많은 판금이 필요해진다. 게다가 끝의 두 방법은 다음 공정단계에서 제작되어야 하는 다양한 구조에 대한 필요성을 충족시키지 못한다.

다른 방법에서는 부품이 판(plate) 형태의 가열된 두 부품 사이에서 가열된다. 그러나 판의 필수적인 크기 때문에 짧은 작동시간 후에 판에서 표면 변형(surface deformation) 및 분열(crack)이 생기는 문제점이 있다. 각각의 사이클 동안 판에 허용되는 탄성 변형이 열 형태 변화에 의해 초과되기 때문이다. 따라서 장치의 생명은 매우 짧고 장치가 받게 되는 높은 마모와 분열 때문에 매우 가격이 높다.

특히 선행기술들은 부분적으로 중간부분, 예를 들어 B-pillar의 lock case 영역에서 가공부품의 나머지 부분보다 다양한 구조를 가짐과 동시에 안전규정 및 품질관리에 관하여 자동차 생산에서 필요조건을 충족시키는 부품을 제조하기에 적합하지 않다. 상기 부품은 높은 열전달계수로 가열하도록 하고 적은 작동비용과 극히 적은 에너지소모를 수반하도록 하여 사용된 장치가 받게 되는 높은 마모 및 분열을 피하도록 한다.

따라서 본 발명의 목적은 재료와 방법의 특성이 다양한 반면 적은 비용으로 품질규정을 충족시키는 형태가 되도록 워크피스를 처리하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법을 수행하는 가열로를 제공하는 데 있다.

본 발명의 상기 목적은 독립청구항 제1항의 특징을 가지는 워크피스 처리방법에 의해 달성된다. 상기 방법의 유리한 개선점은 종속청구항 제2항 내지 제7항에 의해 달성된다. 본 발명의 목적은 또한 청구항 제8항에 따른 가열로에 의해 달성된다. 가열로의 실시예는 종속청구항 제9항 내지 제15항에 의해 달성된다.

도 1은 여러 압력피스톤(pressure piston)으로 구성된 두 개의 가열유닛(heating unit)을 포함한 본 발명에 따른 가열로(furnace)를 나타내는 구성도이다.
도 2는 가열로 앞에 장입디바이스(charging device)가 있는 도 1에 따른 가열로의 구성도이다.
도 3은 가능한 방법에 따라 워크피스(workpiece)가 장입디바이스에 의해 가열로 안으로 들어간 상태의 도 1에 따른 가열로의 구성도이다.
도 4는 압력피스톤의 구성도이다.

본 발명은 가열로(furnace)에서 적어도 하나의 워크피스(workpiece)를 처리하는 방법으로 구성되고, 워크피스(workpiece)는 적어도 두 개의 가열유닛(heating unit)에 의해 가열로 챔버(furnace chamber)에서 가열되며 워크피스는 제1측면(first side) 및 제2측면(second side)이 있다. 제1가열유닛(first heating unit)은 워크피스의 제1측면(first side)을 가열하고 제2가열유닛(second heating unit)은 워크피스의 제2측면(second side)을 가열한다. 본 발명에 따르면 하나의 워크피스는 각각의 가열유닛 두 개와 연관되고 각 가열유닛은 서로 옆에 배열되는 가열된 접촉면(contact surface)을 포함하고 동일한 방향을 향하는 적어도 두 개의 압력피스톤(pressure piston)이 있다. 워크피스는 워크피스의 제1측면과 제1가열유닛의 적어도 두 개의 압력피스톤 접촉면 사이에 접촉이 일어나고 워크피스의 제2측면과 제2가열유닛의 적어도 두 개의 압력피스톤 접촉면 사이에 접촉이 일어나서 가열된다.

상기 접촉 가열 공정을 통해 2000W/㎡/K 를 넘는 열전달계수를 얻었고 본 발명은 연속적인 접촉면의 경우 사용도중에 온도조건으로 인해 접촉면이 뚜렷한 열 형태 변화에 노출되므로 워크피스를 접촉 가열로 가열하는 것이 불리하며 일정한 수의 스트로크(stroke)만이 허용된다는 중요한 발견에 근거를 둔다. 그러나 더 작은 접촉면을 가진 적어도 두 개의 압력피스톤으로 구성된 가열유닛을 사용함으로써 상기의 부정적인 결과는 피할 수 있고 구체화한 필요조건이 지속적으로 충족될 수 있는 방법을 제공할 수 있다. 워크피스의 크기에 의존하여 가열유닛마다 두 개의 압력피스톤이 최소조건이나 두 개 이상의 압력피스톤은 더 유리한 것으로 증명된 바 있다.

바람직하게는 가열유닛의 압력피스톤 접촉면이 워크피스와 접촉할 때 상승하거나 하강하는 평편한 워크피스가 접촉할 수 있으므로 각각은 한 평면(one plane)이나 다른 평면(different plane)에 위치하게 된다.

워크피스를 가열로 안으로 넣기 위해서는 워크피스가 가열되기 전에 바람직하게는 적어도 두 개의 압력피스톤이 수직으로 이동되며 압력피스톤 접촉면과 워크피스의 측면사이에 접촉이 없는 위치를 벗어나 압력피스톤 접촉면과 워크피스의 측면사이에 접촉이 있는 위치로 이동된다.

특히 워크피스는 가열로 챔버(furnace chamber) 안에 수평적으로 놓이고 워크피스의 하부(bottom)가 하부가열유닛(lower heating unit)의 압력피스톤 접촉면 위에 놓인다. 상부가열유닛(upper heating unit)의 압력피스톤 접촉면과 워크피스의 상부(top) 사이에 접촉이 있을 때까지 상부가열유닛의 압력피스톤은 수직으로 하강하는 반면 하부가열유닛의 압력피스톤의 위치는 변하지 않는다.

가열로를 장입하기 위해서 그 위에 워크피스의 하부가 놓여있는 적어도 하나의 장입엘리먼트(charging element)를 가진 장입디바이스(charging device)가 사용된다면 장입엘리먼트 영역에 위치한 하부가열유닛의 압력피스톤은 수직하강하고 워크피스의 하부는 하부가열유닛의 다른 압력피스톤 접촉면 위에 놓인다. 이전에 수직하강했던 압력피스톤은 그 접촉면이 워크피스의 하부와 접촉할 때까지 수직상승하고, 상부가열유닛의 압력피스톤은 그 접촉면이 워크피스의 상부와 접촉할 때까지 수직하강한다. 이 방법은 장입하는 동안 가열로 챔버 안에 장입하기 위한 충분한 공간이 있음을 나타낸다.

제조상의 이유로 워크피스 측면도 압력피스톤의 접촉면도 완벽히 평편하지 않다. 그래서 압력피스톤의 접촉면과 워크피스의 측면 사이의 직접접촉은 특정지역에서는 차단된다. 그에 따라서 열전도(heat transfer)를 향상시키기 위해 열유체(thermal fluid)가 워크피스의 측면과 압력피스톤 접촉면 사이의 압력 간극(pressure gap)으로 들어간다. 압력피스톤으로 모이는 메커니즘(mechanism)은 열유체를 워크피스의 두 측면과 압력피스톤 접촉면 사이의 문제가 된 압력 간극으로 들어가게 한다.

바람직하게는 압력피스톤의 접촉면이 각기 다른 온도까지 가열되는데 워크피스의 여러 영역들을 각기 다른 온도까지 가열할 수 있게 된다. 특히 적어도 하나의 압력피스톤 접촉면이 냉각된다.

본 발명은 또한 적어도 하나의 워크피스 처리를 위한 가열로를 포함하고, 상기 가열로는 적어도 하나의 가열로 챔버와 가열로 챔버 안에서 워크피스를 가열하기 위한 적어도 두 개의 가열유닛을 포함하고 워크피스는 제1측면 및 제2측면을 가지며 워크피스의 제1측면이 제1가열유닛에 의해 가열되고 워크피스의 제2측면이 제2가열유닛에 의해 가열될 수 있는 방법으로 적어도 두 개의 가열유닛이 배열된다. 본 발명에 의하면 적어도 두 개의 가열유닛은 각각 워크피스와 연관되는데 각 가열유닛은 서로 옆에 배열된 상태로 가열될 수 있는 접촉면을 포함하고 동일한 방향을 향하는 적어도 두 개의 압력피스톤을 포함한다. 워크피스는 가열로 챔버 안에서 가열될 수 있는데 워크피스의 제1측면과 제1가열유닛의 적어도 두 개의 압력피스톤의 접촉면 사이에 접촉이 일어나고 워크피스의 제2측면과 제2가열유닛의 적어도 두 개의 압력피스톤의 접촉면 사이에 접촉이 일어나는 방식으로 가열된다.

바람직하게는 적어도 두 개의 압력피스톤이 수직으로 이동할 수 있으며 그로 인하여 압력피스톤 접촉면과 워크피스의 측면 사이에 접촉이 없는 위치를 벗어나 압력피스톤 접촉면과 워크피스의 측면 사이에 접촉이 있는 위치로 압력피스톤이 이동할 수 있다.

유리하게는 가열유닛의 여러 압력피스톤 접촉면이 행과 열을 지어 배열되고 각각은 크기가 적어도 워크피스의 외형에 해당하는 가열면(heating surface)을 형성하여 가열유닛의 압력피스톤 접촉면이 워크피스와 접촉할 때 상기 접촉면은 한 평면 또는 다른 평면에 배열될 수 있다. 따라서 가열유닛의 압력피스톤에 의해 형성된 가열면과 워크피스의 한쪽 측면은 완벽히 접촉될 수 있으나 상승 및/또는 하강하는 평편하지 않은 워크피스 표면의 경우 수평면만 접촉되어 가열유닛의 압력피스톤 접촉면은 다른 평면 위에 위치한다.

본 발명의 한 실시예에서 압력피스톤의 접촉면은 벌집형(honeycomb configuration)이며 최소의 외부길이(minimum external length)에 최대의 내부표면적(maximum internal surface area)을 가지는 형태가 가열되지 않는 영역이 생기는 것을 피하면서 유리한 형태임이 증명되었다. 바람직하게는 워크피스의 균일한 가열이 이루어진 결과 제1가열유닛의 압력피스톤 접촉면은 제2가열유닛의 압력피스톤 접촉면에 관하여 오프셋(offset) 배열되는 반면, 두 접촉면 사이에 가열되지 않는 간극이 생기는 것을 피한다.

본 발명의 한 실시예에서 압력피스톤의 접촉면은 다양한 온도로 가열될 수 있으며 이는 가열로 사용의 유연성(flexibility)을 증가시킨다. 상기 방법에서 하나의 워크피스의 다양한 영역은 다양한 온도로 가열될 수 있다. 이 점에서 적어도 하나의 압력피스톤이 냉각될 수 있다면 유리하다. 따라서 본 발명의 한 실시예에서 적어도 하나의 압력피스톤 접촉면은 선택적으로 가열되거나 냉각될 수 있다.

가열로의 유연성을 증가시키기 위해서는 가열유닛의 적어도 두 개의 압력피스톤을 선택적으로 수직이동할 수 있다.

상기 언급한 본 발명의 다른 장점, 특징 및 실용적인 개선점에 대하여 하기에 언급할 도면에 근거하여 서술한다.

도면은 하기 내용을 나타낸다:

도 1은 본 발명에 따라 여러 개의 압력피스톤으로 구성된 두 개의 가열유닛 (15;16)을 포함하는 가열로(10)의 구성도를 나타내고 가열로의 필요한 특징만을 나타낸다. 당업계에 숙련된 기술자는 통상적인 방법으로 가열로의 상세한 부분을 선별할 수 있다. 도 1에 나타낸 가열로(10)는 적어도 하나의 워크피스(20)가 가열되기 위해 그 안에 들어간 가열로 챔버(11)를 포함한 가열로이다. 가열로(10)는 공정단계 중 하나일 수 있고 가열로(10)는 가열과정 전반에 걸치거나 적어도 가열과정 중의 일부분을 차지한다. 따라서 바람직하게는 가열로(10)가 장입입구(charging opening)(12)와 상반되는 배출입구(discharging opening)(13)을 포함한 가열로 챔버(11)를 갖춘 가열로 몸체를 포함하기 때문에 가열로(10)는 앞으로 가열될 워크피스의 한쪽 측면으로부터 장입될 수 있는 반면, 이미 가열된 워크피스는 다른쪽 측면으로부터 배출된다. 가열된 워크피스가 배출된 후에는 예를 들어 바로 프레스 쪽으로 옮겨지거나 다음 단계에서 가공될 때까지 가열통로 안에 계속 남아있을 수 있다. 그러나 가열로(10)는 반드시 두 개의 입구(opening)를 가질 필요는 없으며 대신 장입 및 배출을 위해서 단 하나의 입구을 가질 수 있다.

장입입구(12) 및 배출입구(13)는 일시적으로 가열로 뚜껑에 의해 폐쇄될 수 있어서 가열로 챔버(11) 내부에서 특정기체 압력이 발생할 수 있다.

바람직하게는 하나의 워크피스(20)만이 가열로(10)의 길이 전반에 걸쳐 한번에 가열된다. 따라서 어떤 워크피스도 잇따라 배열되지 않으나 적절한 장입 및 배출디바이스가 존재하여 여러 개의 워크피스가 동시에 가열될 수 있다면 절대적인 필요조건은 아니다. 그러나 여러 개의 워크피스를 동시에 가열하기 위해 가열로(10)의 폭 전반에 걸쳐 서로 옆에 배열되거나 그 밖의 여러 개의 가열로(10)가 다음 단계를 위한 주기시간을 줄이기 위해 서로 옆에서 작동될 수 있다.

예를 들어 가열로(10) 앞의 장입디바이스(charging device)(40)는 워크피스를 포함한 가열로(10)를 장입하기 위해 이용되는 반면, 가열로(10) 뒤의 배출디바이스(discharging device)(50)는 가열된 워크피스를 가열로(10)로부터 제거하기 위해 이용된다. 상기 목적을 위해 예를 들어 두 디바이스는 워크피스를 집어올릴 때 이용하는 포크 형태의 장입엘리먼트(charging element) 및 배출엘리먼트(discharging element)를 포함한다. 예를 들어 장입디바이스(40)는 두 개의 포크가지(fork tine)(41;42)를 포함하는 반면, 배출디바이스(50)는 두 개의 포크가지(51;52)를 포함한다. 바람직하게는 장입디바이스(40) 및 배출디바이스(50)는 포크로 워크피스(20)를 집어올려서 오픈된 가열로 챔버(11) 안으로 옮기거나 가열로(10) 안의 워크피스(20)를 집어올려서 밖으로 옮기기 위해서 수평적으로 움직일 수 있도록 구성할 수 있다. 게다가 포크가지는 수직이동 할 수 있게 구성할 수도 있다. 그러나 로봇(robot), 컨베이어 벨트(conveyor belt) 또는 이들의 조합형태를 가지는 어떤 디바이스라도 장입 및 배출디바이스로 사용될 수 있다. 대안으로서 워크피스(20)를 장입 및 배출하기 위한 단 하나의 디바이스를 가질 가능성도 존재하며 디바이스는 워크피스(20)를 가열로(10) 안으로 배치하고 다시 거기서 제거하기 위해 가열로(10) 앞에서 사용된다.

바람직하게는 가열로(10)의 가열로 챔버(11)가 수평적으로 확장하여 두 개의 가열유닛(15;16)이 가열로(10) 안에 들어간 다음에 워크피스(20)의 위, 아래에 위치한다. 따라서 워크피스의 제1측면(21)은 위쪽으로 향하고 상부가열유닛(15)에 의해 가열될 수 있는 반면, 워크피스의 반대쪽 측면(22)은 하부가열유닛(16)에 의해 가열된다.

각각의 가열유닛(15;16)은 말단면이 가열될 수 있는 적어도 두 개의 압력피스톤으로 구성된다. 그러한 접촉면은 워크피스(20)을 향하는 압력피스톤의 한쪽 면 위에 있다. 가열공정 동안 두 가열유닛의 압력피스톤은 워크피스(20)와 접촉되어서 워크피스(20)가 접촉 가열(contact heating)에 의해 가열된다. 가열유닛에 하나의 큰 압력피스톤을 포함하는 방안과는 반대로, 본 발명에 따른 가열유닛은 각각 자신의 접촉면을 가진 적어도 두 개의 분리된 압력피스톤으로 구성된다. 그러나 압력피스톤 및 그의 접촉면은 서로 옆에 가깝게 배열되고 연속적인 가열면이 만들어진 것과 동일한 방향을 향한다. 워크피스(20)가 판 형태이고 가열로에 수평적으로 놓인다면 압력피스톤의 접촉면도 마찬가지로 수평적으로 움직인다. 가열유닛의 각각의 접촉면 사이의 거리는 매우 짧아서 약 0.5 mm 거리가 유리한 것으로 증명되었으며 본 발명에 의하면 연속적인 가열면(heating surface)으로 인식될 수 있다. 접촉면(contact surface)의 지름은 대략 50 mm 내지 150 mm 정도이다. 접촉면의 실제크기는 사용된 피스톤 재료의 열팽창 및 압력피스톤의 허용가능한 탄성변형과 바람직한 사용기간으로부터 계산될 수 있다.

그러나 바람직하게는 가열유닛은 두 개 이상의 압력피스톤으로 구성되고 위에서 본 것과 같이 여러 줄과 행의 압력피스톤이 형성되어서 그 접촉면이 워크피스가 접촉해서 가열할 수 있는 연속적인 가열면을 형성한다. 예를 들어 도 1의 측면도에서 다섯 개의 압력피스톤이 상부가열유닛(15)의 앞줄에 있어서 오른쪽에 있는 두 개의 압력피스톤은 예시로서 참조번호 30 및 31로 지정된다. 반대로 하부가열유닛의 앞줄은 여섯 개의 압력피스톤으로 구성되는데 수평적인 위치에서 상부가열유닛의 압력피스톤에 대하여 오프셋(offset) 배열되기 때문이다. 오른쪽에 있는 두 개의 압력피스톤은 다시 한번 예시로서 참조번호 32 및 33으로 지정된다. 오프셋 배열 때문에 워크피스의 가능한 한 가장 균일한 가열이 수행될 수 있다. 그러나 압력피스톤이 서로에 관하여 오프셋 배열되지 않는다면 불리한 온도구배가 접촉면 사이의 영역에 형성된다. 그러나 오프셋 배열로 인하여 상부압력피스톤 사이의 간극은 하부압력피스톤에 의해 가열되고 반대의 경우도 마찬가지이며 그 결과 균일한 가열이 된다.

바람직하게는 압력피스톤의 접촉면이 벌집형태이고 사실상 연속적인 가열면을 형성하는 방법으로 가열유닛에서 서로에 관하여 오프셋 배열된다. 육각형의 벌집형태는 가열되지 않는 영역이 생기는 것을 피하면서 벌통처럼 최소 외부길이와 최대 내부 표면적을 가지며 표면이 간극없이 채워지고 바둑판 무늬가 될 수 있는 장점이 있다. 다른 기하형태의 접촉면도 제조될 수 있다.

상기 벌집형태는 도 2에서 볼 수 있으며 직각형태인 가열면이 하부압력피스톤에 의해 형성된다. 그러나 가열면은 다른 형태를 가질 수도 있고 예를 들어 앞으로 가열될 워크피스의 외형에 맞도록 변경될 수 있다. 본 발명에 명시된 대로 가열면은 단지 한 평면에 모두 위치한 압력피스톤의 접촉면에 의해 형성된 표면이 아니라 다른 평면에 위치한 접촉면을 말하는 것이다. 접촉면은 모두 동일한 방향을 향하고 즉, 유리하게는 접촉면 모두 수평적으로 확장하지만 수직상의 위치는 달라질 수 있다. 이 점은 압력피스톤 및 그 접촉면이 수직평면에서 다르게 움직일 때 발생할 수 있다. 평면 위에 예상된 대로, 접촉면은 연속된 가열면을 형성하지만 가열면은 그 높이에 있어서 오프셋이다. 그러나 본 발명에 명시된 대로 여전히 가열면으로 언급될 수 있는데 예를 들어 접촉면은 상승 및/또는 하강하는 워크피스의 평편하지 않은 표면을 가열할 수 있기 때문이다. 수평적으로 확장하지 않는 표면부분은 때때로 수용되거나 효과를 거둘 수 있으나 압력피스톤과 접촉이 없다.

도 1에서 다시 한번 볼 수 있듯이 두 가열유닛 (15;16)의 압력피스톤 접촉면은 가열로 챔버(11)에 있는 워크피스(20)와 접촉된다. 그래서 워크피스(20)는 워크피스의 두 측면(21;22)을 거쳐 가열된다. 압력피스톤의 접촉면을 워크피스(20)와 접촉시키기 위해 적어도 두 개의 압력피스톤이 수직이동할 수 있도록 구성된다. 적어도 상부압력피스톤이 수직이동할 수 있도록 구성될 수 있으나 하부압력피스톤은 고정된다. 따라서 상부압력피스톤이 앞서 위쪽으로 이동된 후 워크피스는 하부압력피스톤의 접촉면 위에 놓일 수 있다. 워크피스가 자리에 놓이자마자 상부압력피스톤은 워크피스와 접촉할 때까지 아래쪽으로 이동된다. 적어도 상부압력피스톤은 워크피스의 상부에 스프링 압력을 가하기 위해 워크피스와 접촉한 후 수직상에서 더 하강할 수 있도록 스프링으로 설계될 수 있다. 어떤 압력피스톤이 움직일 수 있게 설계되고 어떤 것이 스프링으로 설계되는지는 가열로(10)의 형태와 디자인에 따라 다르고 그 다음이 예를 들어 워크피스의 형태에 달려있다.

워크피스는 상승 및/또는 하강할 때라도 모든 접촉면이 워크피스에 균일하게 접촉하도록 각각의 압력피스톤이 서로에게서 분리되어 작동될 수 있다. 가열될 워크피스의 외형이 변한다면 압력피스톤 각각의 선택적인 작동이 유리하여 필요한 가열면의 형태 즉, 사용된 압력피스톤의 선택이 다양해져야 한다. 본 발명에서 특히 외부 영역에서 각각의 접촉면이 특별한 형태를 가진다면 이 또한 유리하여 필요한 가열면 모양 전부가 압력피스톤의 선택을 바꿈으로써 생산될 수 있다.

그러나 제조상의 이유로 워크피스(20)와 압력피스톤의 접촉에도 불구하고 워크피스(20)의 표면과 압력피스톤의 접촉면은 약간의 고르지 않은 영역을 가질 수 있기 때문에 워크피스(20)의 표면과 압력피스톤의 접촉면 사이에 작은 압력간극(pressure gap)이 형성되어 완전한 접촉을 방해할 수 있다. 따라서 열전달을 개선하기 위해 얇은 선들이 압력피스톤으로 통합되는데 압력피스톤을 거쳐 형성되고 있는 압력간극으로 열전도성 유체(thermally conductive fluid)가 들어갈 수 있다. 사용된 열유체(thermal fluid)는 예를 들어 헬륨 또는 수소같은 1원자 기체(monatomic gas)일 수 있다. 상기 기체들은 매우 높은 열전도성을 가지는 것이 특징이고 압력피스톤의 접촉면과 워크피스(20)의 표면 사이의 압력간극에서 좋은 열전도체 역할을 한다.

가열로(10)에서 가열되는 동안 워크피스(20)의 길이에 관한 열팽창이 가능하기 때문에 선택가능한 시계주파수(clock frequency)에서 움직일 수 있는 압력피스톤은 압력을 방출하고 난 후에 압력을 다시 채운다. 압력방출 상태 동안 워크피스 (20)는 가열공정에 따라 팽창할 수 있어서 고품질로 처리된 워크피스를 제조할 수 있다.

워크피스(20)를 포함한 가열로(10)를 장입하기 위해 다양한 방법이 사용될 수 있고 가열로(10)는 그에 따라 구성된다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 하부압력피스톤에 의해 형성된 가열면의 폭은 대략적으로 가열될 워크피스(20)의 폭에 상응한다. 장입디바이스(40)가 워크피스(20)를 가열로 챔버(11)로 옮기도록 하기 위해서 워크피스(20)는 포크가지(41;42)에 의해 집어 올려져서 하부압력피스톤(32,33,34) 위에 있는 가열로 챔버(11)에 놓일 수 있다. 상기와 같은 점이 가능하기 때문에 본 발명의 한 실시예는 아래쪽으로 수직이동될 수 있는 압력피스톤이 포크가지(41;42)가 위치한 그 압력피스톤이라는 사실을 제공한다. 도 3에서 도식적으로 나타냈듯이, 블랙으로 표시된 압력피스톤(32,33)은 하부가열유닛 (16)의 남은 압력피스톤에 관하여 아래쪽으로 수직하강하였다. 따라서 남은 압력피스톤 위에 포크가지(41;42)를 포함하는 워크피스(20)를 배치하고 포크가지가 아래쪽으로 움직이므로 워크피스를 그 위에 두기에 충분한 공간이 있다. 이후에 포크가지 41 및 42는 하부압력피스톤의 접촉면 위에 워크피스(20)가 놓여서 하부압력피스톤과 접촉할 수 있도록 워크피스(20) 아래로 빼낼 수 있다. 그 다음에 앞서 위쪽으로 움직였던 상부압력피스톤 30 및 31은 워크피스(20)와 접촉할 때까지 아래쪽으로 움직일 수 있어서 가열면이 큰 간극없이 다시 가까워지는 것이 불가피하므로 워크피스는 완전히 균일하게 가열될 수 있다. 가열공정 후에 워크피스(20)는 포크가지(51;52)를 포함하는 배출디바이스(50)에 의하여 단계의 반대 순서대로 유사하게 제거될 수 있다.

대안으로서 가열로 챔버(11)는 장입디바이스(40) 및 배출디바이스(50)가 워크피스(20)를 상부 및 하부압력피스톤 사이로 운반하기 위한 공간이 다른 곳에 있는 방법으로 구성될 수 있다. 예를 들면 워크피스(20)는 두 개의 가열유닛 압력피스톤 사이에 위치하는 방법을 중심으로 한 표시에 도달할 때까지 가열로 챔버(11)안에 수평적으로 미끄러져 들어갈 수 있다. 워크피스(20)를 바로 하부압력피스톤 위에 놓을 수 있고 거기서 집어올릴 수 있는 장입디바이스가 사용된다면 가열로 (10) 안의 추가적인 조치를 행하는 것은 불필요할 수도 있다.

다양한 가열 및 냉각방법을 사용한 결과 워크피스(20)와 가열된 압력피스톤의 접촉을 통하여 2000 W/㎡/K을 초과하는 열전달계수를 얻을 수 있다. 약 6초의 주기가 걸리므로 두 개의 가열로가 서로 옆에 위치할 수도 있다.

특히 워크피스의 다양한 영역을 다양한 온도로 가열하는 것이 가능하다. 불가피하게 예를 들어 워크피스의 다양한 영역에서 다양한 구조를 생산할 계획이라면 오스테나이트화 온도 이하로 가열하여 얻을 수 있다. 본 발명에 있어서 적어도 압력피스톤의 일부가 다양한 온도로 가열될 수 있거나 각각의 압력피스톤이 냉각될 수 있는 점에서 달성될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서 하나 이상의 압력피스톤은 워크피스의 한정된 영역을 오스테나이트 형성 이하점까지 부분적으로 가열할 수 있는 반면, 다른 한정된 영역은 오스테나이트화 온도 이상으로 가열된다. 이 상태에 도달하기 위하여 완전히 가열된 압력피스톤을 이용하여 오스테나이트화 온도까지 특정 영역이 가열될 수 있는 반면에 다른 영역은 덜 가열이 된 압력피스톤으로 오스테나이트화 온도이하로 가열된다. 대안으로서 워크피스가 먼저 모든 압력피스톤을 이용하여 오스테나이트화 온도이상으로 완전히 가열될 수 있다. 압력피스톤 각각의 그 특정 영역은 그 후에 각각의 압력피스톤에 의해 오스테나이트화 온도이하로 냉각된다. 상기의 마지막 실시예는 각각의 압력피스톤이 가열뿐만 아니라 냉각될 수 있도록 구성된다는 점을 전제로 할 수 있다. 상기 두 가지 예에서 선별된 압력피스톤은 다양한 온도가 정해질 위치에 놓이는 방법으로 배열된다. 상기 영역의 특정 형태를 얻기 위해 상기 압력피스톤의 접촉면은 다른 압력피스톤의 접촉면과는 다른 일치하는 외형을 가질 수도 있다.

압력피스톤의 온도조절과 수직이동은 바람직하게는 가열로의 중앙조절유닛에 의해 실행되며 자유로이 프로그래밍이 가능하다.

압력피스톤 자체는 가스에 의해 또는 전기로 가열될 수 있어서 저항기를 통해 유도적으로 전기가열이 수행될 수 있다. 도 4는 상부접촉면(35)과 하부압력피스톤(32)의 가능한 구성도를 나타낸다. 압력피스톤(32)은 원통 형태이고 그 내부는 가스버너에 의해 가열된다. 상기 가스버너는 예를 들면 나가는 연소가스의 열을 이용하여 들어오는 가스를 예열하는 열교환기를 장착한다.

빠른 온도조절을 위해 바람직하게는 각 압력피스톤에서 버너는 열적 요소(thermal element)와 예를 들어 약 800℃[1472℉]의 자기점화 온도를 보장하는 외부조절기술을 갖춘다. 안전하게 설치를 시작하기 위해 가열로 챔버(11)는 가열로 (10)를 압력피스톤의 자기점화 온도까지 예열하는 하나 이상의 독립된 본질적으로 안전한 가스버너를 포함한다. 상기 점화공정 후에 각 압력피스톤의 연소실이 가스가 통하지 않도록 분리되기 때문에 가열로 챔버(11)는 조절된 가스로 채워질 수 있다. 예를 들면 불활성 기체 또는 건조한 공기가 수소취화(hydrogen embrittlement)를 피하기 위해 가열로 챔버에 사용될 수 있다.

압력피스톤 특히, 접촉면을 위해 다양한 재료가 사용될 수 있고 적용사례에 따라 달라진다. 적합한 선택은 작동 중에 표면온도가 400℃[752℉]까지 될 수 있는 적용목적을 위해 합금공구강(alloyed tool steel)으로서 사용될 수 있는 열간가공강(hot work steel)을 함유한다. 합금성분은 열간가공강이 충분한 경도 및 저항력, 고온안정성, 고온경도 및 고온에서의 내마모성을 가지는 방법으로 서로 조화를 이룬다. 따라서 상기 유형의 강철이 400℃[752℉]까지 워크피스를 가열하는데 사용되는 접촉면 재료로서 적합하다. 예를 들어 알루미늄 또는 마그네슘 워크피스같은 경금속합금인 경우 일반적으로 230℃부터 250℃까지[446℉부터 482℉까지]의 온도범위로 가열된다.

워크피스를 900℃[1652℉] 범위 내의 더 높은 온도로 가열하기 위해서 예를 들어 붕소강철(boron steel)의 경우에는 열간가공강을 압력피스톤 및 접촉면으로 사용하기에 더 이상 적합하지 않다. 그래서 예를 들어 세라믹(ceramic)이 상기 적용영역에 사용될 수 있다. 유리하게는 탄화규소(SiC)가 상기 목적에 특히 유리한 재료로 증명되었다. 매우 높은 열전도값을 가지는 탄화규소를 재료로 선택한다면 압력피스톤 내부에 발생한 열에너지가 피스톤벽/접촉면을 통하여 충분히 빠르게 흘러서 워크피스로 이동될 수 있다는 장점이 있다.

10 가열로
11 가열로 챔버
12 장입입구
13 배출입구
14 가열로 몸체
15,16 가열유닛
20 워크피스
21 워크피스의 제1측면, 윗면
22 워크피스의 제2측면, 아랫면
30,31 상부압력피스톤
32,33,34 하부압력피스톤
35 접촉면
40 장입디바이스
41,42 장입엘리먼트, 포크가지
50 배출디바이스
51,52 배출엘리먼트, 포크가지

Claims

제1측면(21;first side) 및 제2측면(22;second side)이 있는 워크피스(20)가 가열로(10) 안의 챔버(11)에서 적어도 두 개의 가열유닛(heating unit)에 의해 가열하여 제1가열유닛(15;first heating unit)이 워크피스의 제1측면(21)을 가열하고, 제2가열유닛(16;second heating unit)이 워크피스의 제2측면(22)을 가열하는 가열로(10;furnace) 안의 적어도 하나의 워크피스(20;workpiece)를 처리하는 방법에 있어서;
상기 제1가열유닛(15)과 제2가열유닛(16)의 사이에 워크피스(20)가 위치하고 있고 각 가열유닛(15,16)은 서로 옆에 배열된 가열 가능한 평편한 접촉면을 포함하며 동일한 방향을 향하는 적어도 두 개의 압력피스톤(30,31,32,33,34)으로 구성되고 워크피스(20)의 제1측면(21)과 제1가열유닛(15)의 적어도 두 개의 압력피스톤(30,31)의 접촉면 사이에 접촉이 일어나며 워크피스(20)의 제2측면(22)과 제2가열유닛(16)의 적어도 두 개의 압력피스톤(32,33,34)의 접촉면 사이에 접촉이 일어나서 워크피스(20)가 가열되고 가열유닛의 압력피스톤(30,31,32,33,34)의 접촉면이 워크피스(20)와 접촉할 때, 상기 압력피스톤(30,31)의 접촉면과 압력피스톤(32,33,34)의 접촉면은 다른 평면에 각기 배열되고 제1가열유닛(15)의 압력피스톤(30,31)의 접촉면은 제2가열유닛(16)의 압력피스톤(32,33,34)의 접촉면에 대하여 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리방법.
제1항에 있어서,
워크피스(20)가 가열되기 전에 적어도 두 개의 압력피스톤(30,31,32,33,34)이 수직으로 움직여서 압력피스톤의 접촉면과 워크피스(20)의 측면(21,22)사이에 접촉이 없는 위치에서 압력피스톤의 접촉면과 워크피스(20)의 측면(21,22)사이에 접촉이 있는 위치로 이동되는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리방법.
제2항에 있어서,
워크피스(20)는 가열로 챔버(11)안으로 수평하게 놓이고 워크피스의 하부(22)가 하부가열유닛(16)의 압력피스톤(32,33,34) 접촉면 위에 놓이며 상부가열유닛(15)의 압력피스톤(30,31) 접촉면과 워크피스의 상부(21)사이에 접촉이 생길 때까지 상부가열유닛(15)의 압력피스톤(30,31)이 수직으로 하강하는 반면, 하부가열유닛(16)의 압력피스톤(32,33,34) 위치는 변하지 않는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리방법.
제3항에 있어서,
워크피스(20)는 장입디바이스(40)에 의하여 가열로 챔버(11)안에 놓여서 장입디바이스(40)는 워크피스(20)의 하부(bottom)상에 적어도 하나의 장입엘리먼트(41,42)를 가지며 장입엘리먼트(41,42)의 구역에 위치한 하부가열유닛(lower heating unit)의 압력피스톤은 수직으로 하강한 후에 워크피스(20)의 하부(22)는 하부가열유닛(16)의 다른 압력피스톤 접촉면 위에 놓이고 이전에 수직으로 하강했던 압력피스톤(32,33,34)은 그 접촉면이 워크피스의 하부(22)와 접촉할 때까지 수직으로 상승하며 상부가열유닛(upper heating unit)의 압력피스톤(30,31)은 그 접촉면이 워크피스의 상부(21)와 접촉할 때까지 수직으로 하강하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
워크피스(20)의 측면 (21,22)과 압력피스톤(30,31,32,33,34) 접촉면 사이의 압력간극(pressure gap)으로 열유체(thermal fluid)가 들어가서 열유체는 압력피스톤(30,31,32,33,34)에 통합되는 매커니즘에 의해 압력간극으로 들어가는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리방법.
제5항에 있어서,
압력피스톤(30,31,32,33,34)의 접촉면은 각기 다른 온도로 가열되고 적어도 하나의 압력피스톤(30,31,32,33,34)의 접촉면은 냉각되는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리방법.
적어도 하나의 가열로 챔버(11) 및 가열로 챔버(11)에서 워크피스(20)를 가열하기 위한 적어도 두 개의 가열유닛(15,16)을 포함하는 워크피스는 제1측면(21) 및 제2측면(22)을 가지며 제1측면(21)이 제1가열유닛(15)에 의해 가열되는 방식으로 적어도 두 개의 가열유닛(15,16)이 배열되는 적어도 하나의 워크피스(20)를 처리하는 가열로에 있어서;
적어도 두 개의 가열유닛(15,16) 사이에 워크피스(20)가 위치되며 각 가열유닛(15,16)은 서로 옆에 배열된 가열가능한 평편한 접촉면(heatable contact surfaces)을 포함하고 동일한 방향을 향하는 적어도 두 개의 압력피스톤(30,31,32,33,34)으로 구성되고 워크피스(20)의 제1측면(21)과 제1가열유닛(15)의 적어도 두 개의 압력피스톤(30,31)의 접촉면 사이에 접촉이 일어나고 워크피스(20)의 제2측면(22)과 제2가열유닛(16)의 적어도 두 개의 압력피스톤(32,33)의 접촉면 사이에 접촉이 일어나서 워크피스(20)는 가열로 챔버(11) 안에서 가열될 수 있으며 가열유닛의 압력피스톤(30,31,32,33,34)의 접촉면이 워크피스(20)와 접촉할 때 상기 압력피스톤(30,31)의 접촉면과 압력피스톤(32,33)의 접촉면은 다른 평면에 각기 배열되고 제1가열유닛(15)의 압력피스톤(30,31)의 접촉면은 제2가열유닛(16)의 압력피스톤(32,33,34)의 접촉면에 대하여 오프셋 배열되는 것을 특징으로 하는 가열로.
제7항에 있어서,
적어도 두 개의 압력피스톤(30,31,32,33,34)은 수직으로 움직일 수 있어서 그 접촉면과 워크피스(20)의 측면(21,22) 사이에 접촉이 없는 위치에서 그 접촉면과 워크피스(20)의 측면(21,22) 사이에 접촉이 있는 위치로 상기 압력피스톤(30,31,32,33,34)을 움직이기 위한 것임을 특징으로 하는 가열로.
제7항 또는 제8항에 있어서,
가열유닛(15,16)의 여러 압력피스톤(30,31,32,33,34) 접촉면은 일렬로 배열되고 컬럼(column) 각각은 적어도 워크피스(20)의 외형(contour)에 해당하는 가열면(heating surface)을 형성하여 가열유닛(15,16)의 압력피스톤(30,31,32,33,34) 접촉면이 워크피스(20)와 접촉할 때 상기 접촉면은 각각 한 평면 또는 다른 평면에 배열될 수 있는 것을 특징으로 하는 가열로.
제9항에 있어서,
압력피스톤(30,31,32,33,34)의 접촉면은 벌집형인 것을 특징으로 하는 가열로.
제10항에 있어서,
압력피스톤(30,31,32,33,34)의 접촉면은 각기 다른 온도까지 가열될 수 있는 것을 특징으로 하는 가열로.
제11항에 있어서,
압력피스톤(30,31,32,33,34)의 접촉면은 선택적으로 가열되거나 냉각될 수 있는 것을 특징으로 하는 가열로.
제12항에 있어서,
가열유닛(15,16)의 압력피스톤(30,31,32,33,34) 중 적어도 두 개는 선택적으로 수직이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 가열로.
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