KR100481328B1 - 튜브 냉간 압연용 공구구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라스틱 금속 가공에 관한 것으로, 특히 튜브의 압연 제조에 관한 것이다. 본 발명은 압연기에서의 튜브 냉각 압연에 적용될 수 있다.

본 발명에 따라, 정확도와 표면의 품질과 기계적인 특성의 안정성을 증가시키고 압연 튜브의 결함을 감소시키기 위하여 외부 공구 및 내부 공구의 프로파일이 단일의 곡선 형태를 나타내도록 되고, 다양한 스플라인 함수 키포인트의 기하학적인 위치를 나타내며, 계산된 곡선의 스플라인 함수의 기하학적인 파라미터와 함께 압연 재료의 물리적-수학적 특성 및 압연 조건을 한정하는 계수가 사용되는 것을 특징으로 하는 냉간 압연 공구구조가 제공된다.

Description

튜브 냉간 압연용 공구구조{TOOL DESIGN FOR TUBE COLD PILGERING}

본 발명은 플라스틱 금속 가공에 관한 것으로, 특히 튜브의 압연 제조에 관한 것이다. 본 발명은 압연기에서의 튜브 냉각 압연에 적용될 수 있다.

압연 재료의 물리적-기계적 파라미터 및 기하학적인 치수의 안정성을 제공하는 압연 공정의 효과적인 변형 구성의 실현은 형상 공구의 가공 표면의 제조 품질과, 그 가공 부분의 결합의 평탄성과, 기계 장비의 계산된 곡선의 형상에 대응하는 가공 표면의 실제 형상의 재생 가능성에 의해 현저히 제한된다.

롤 패스 융기 부분이 포물선 형태로 구성되는 압연 롤러와, 포물선 모선을 갖춘 단면이 감소하는 맨드릴로 이루어진 압연 공구의 이용이 가능하다. 롤 패스 융기 부분은 맨드릴 모선 포물선의 계수보다 높은 포물선 계수를 갖는다 (본건 출원의 발명자의 USSR 발명자증 제 534261 호, 국제분류기호 B 21 B 21/02, I.E. 41, 1976).

테이퍼 형태로 경사진 맨드릴과, 형태변화 길이를 따라 감소 영역, 맨드릴 모선의 경사각보다 큰 맨드릴 축선에 대한 모선의 경사각을 갖는 구부러진 영역, 예비 조정 영역 및 교정 영역을 구비하는 롤 패스를 갖춘 압연 롤러를 포함하는 압연 공구의 이용이 가능하다. 그와 함께, 예비 조정 영역의 모선은 맨드릴 모선의 경사각의 0.5 - 0.9 배에 해당하는 맨드릴 축선에 대한 경사각을 가지며, 예비 조정 영역의 길이는 구부러진 영역의 길이의 0.3 - 0.6 배에 해당한다 (본건 출원의 발명자의 USSR 발명자증 제 822937 호, 국제분류기호 B 21 B 21/02, I.B. 15, 1981).

지르코늄 합금 피복 튜브용 압연 공구로서,

- 링 다이의 시작 부분은 약간의 감소 영역을 가지며,

- 최대의 변형은 형태변화의 전반부에서 발생하고,

- 가공 섹션의 단부에서의 테이퍼의 각도가 최소(롤 장벽 경계선의 10 도당 0.04 mm)인 것을 특징으로 하는 압연 공구의 이용이 가능하다 (S. Reschke, A. Schaa 및 T. Grimmelsmann "VERBESSERUNG DES HERSTELLUNGSVERFAHRENS FUR ZIRCALOY- HULLROHRE". Metall, 1986, H. 제4호 S.338-346).

개시된 내용을 통해 알 수 있는 바와 같이, 이들 공구를 사용할 경우 작은 튜브 결함의 형성은 피할 수가 없다.

청구하고자 하는 바에 가장 근접한 기술적인 해결책은 외부 공구의 교정 및 내부 공구의 프로파일의 형태변화가 일정하게 오목한 형상, 주로 전체 가공 길이에 걸쳐 포물선 곡선을 가질 수 있도록 압연 공구구조를 제공하는 것이다.

이 경우,

- 내부 공구의 일정한 곡선, 주로 포물선 곡선 및 외부 공구의 형태변화가 하나의 동일한 수학적인 함수로서 설명되고, 동일한 포물선의 수를 갖는다.

- 교정 부분 내로 들어오는 곡선은 접선을 따라 중첩되는 원통형의 테이퍼 형태로 경사진 형상을 취한다 (FRG 특허 제 1777043 호, 1971).

내부 공구 및 외부 공구의 포물선 곡선의 기하학은 압연 재료의 물리적-기계적 특성에 좌우되지 않는다. 그 전체 가공 길이에 걸친 공구의 외부 및 내부 프로파일 형태변화가 일정하게 오목한 형상으로 된 것은 테이퍼 형상의 공구 또는 다른 형상으로 내부 공구를 형성하기가 어렵다.(Z.A. Koff, P.M. Soloveytchik, V.A. Aljoshin, M.I. Grishpun "튜브 냉간 가공" Metallurgizdat. Sverdlovsk. 1962. Glen Stapleton "냉간 압연 기술". 1683 W.216 스트리트. 미국 1996).

도 1은 외부 공구의 패스 융기 부분의 프로파일과 내부 공구(2)의 프로파일의 형태변화를 보인 도면으로,

AB는 외부 공구의 구부러진 부분이고,

BC는 외부 공구의 교정 부분이고,

A₁B₁은 내부 공구의 구부러진 부분이고,

B₁C₁은 내부 공구의 교정 부분이고,

점 1, 2, 3, ... n-1, n은 외부 공구 프로파일을 형성하는 스플라인 함수의 키포인트이고,

점 1^*, 2^*, 3^*, ... n-1^*, n^*은 내부 공구 프로파일을 형성하는 스플라인 함수의 키포인트이다.

본 발명은 기하학적 치수의 정확도와 표면 품질 및 기계적인 특성의 안정성을 향상시키고 튜브의 결함을 감소시킴으로써 상기한 문제점들을 해결한다.

본 발명의 목적은 금속의 물리적-기계적 특성과 튜브 강편의 압연 구조와 관련하여 계산되는 가공 공구 설계의 적용을 통해 튜브 강편의 최상의 변형 구조를 생성함으로써 획득된다.

기술적인 결과는, 수학적인 계산에 기초하여 생성되는 포물선 곡선의 형태로 작업 길이를 따라 프로파일로 형성되는 외부 및 내부 형상 형성 공구의 형태로 된 기존의 공구와 비교하여, 외부 공구의 프로파일과 내부 공구의 프로파일의 형태변화의 곡선의 기하학이 다양한 스플라인 함수의 키포인트에 의해 발생됨으로써 획득된다. (I.N. Bronshtein, K.A. Semendjaev "수학 핸드북" 모스크바. Nauka 1986. 504 페이지. K.De Bor "스플라인 실용 매뉴얼" 모스크바. Radio and Communication. 1985).

기술적인 결과는 각각의 압연 단계에서 각각의 별도의 외부 또는 내부 공구가 단일의 곡선 형태를 나타내도록 됨으로써 또한 달성된다. 이에 의해 공구 프로파일의 제조 공정이 (예를 들어, CNC를 사용할 수 있도록) 자동화될 수 있다

제 2의 더 높은 계수의 계산된 곡선에 따라 구성되는 튜브 냉간 압연 공구의 형상 형성 프로파일을 제조하는 기존의 공정은 상호 연결점에서 이상적으로 평탄한 전이를 제공하지 못한다.

계산을 위해 스플라인 함수를 적용하게 되면 기존의 장비에 표시된 점에서 처리된 표면에 전이의 평탄성을 제공할 수 있다.

계수 k를 가지고 키포인트 수열 t를 포함하는 스플라인 함수는 키포인트 수열 t(S k, t)의 계수 k를 갖는 B 스플라인의 선형 조합임이 분명하기 때문에, 종종 양과 수열의 선택하게 되면 이 점에서의 키포인트의 양과 파단점에서의 바람직한 평탄도의 조합이 가능하다. 그럼에도 불구하고, 키포인트의 적은 양은 많은 연속성 조건에 대응한다.

압연 튜브의 물리적-기계적 특성의 안정성을 제공하기 위해서는, 스플라인 함수의 계산 파라미터로서 곡선의 키포인트를 계산할 때, 기하학적인 파라미터와 함께 압연 금속의 물리적-기계적 특성을 고려한 계수, 예를 들어, 탄성율, 항복 강도, 마찰 계수 및 압연 구조와, 벽 두께 및 튜브의 내경에 의한 변형율, 이송 체적 등이 사용된다.

외부 공구의 패스 융기 부분의 프로파일(AC)의 형태변화는 계수 k > 3이고 n의 키포인트를 포함하는 스플라인 함수 S(x)의 형태로 실행된다. 내부 공구의 프로파일(A₁C₁)의 형태변화는 계수 k₁ > 3이고 n^*의 키포인트를 포함하는 스플라인 함수 S₁(x)의 형태로 실행된다.

스플라인 함수 S(x) 및 S₁(x)의 키포인트의 양은 적용되는 압연기의 형태 및 외부 공구의 형태, 예를 들어 세그먼트 및 링 다이에 따라 10 내지 10000 사이의 값을 갖는다.

연성이 낮은 금속의 압연에 있어서는 스플라인 함수 S(x) 및 S₁(x)가 최대를 목표로 하는 곡률의 계수이고, 연성이 높은 금속의 압연에 있어서는 최소를 목표로 하는 곡률의 계수이다

압연 금속의 안정된 물리적-기계적 특성을 제공하기 위하여, 스플라인 함수 S(x) 및 S₁(x)는 외부 및 내부 공구의 길이에 따른 변형율의 감소 조건에 따라 계산된다.

실시예 1: 지르코늄 합금 Zr-1,0 Nb으로 된 φ9.13 mm 튜브의 생산

최종 크기의 튜브을 얻기 위하여 세 단계에 걸쳐 강편이 냉간 압연되었다. 첫 번째 압연은 압연기 HPT-55에서 수행되었다. 외부 공구는 반쪽 디스크 형태로 구성되었다. 두 번째 압연은 압연기 K.PW-25에서 수행되었다. 외부 공구는 링 다이의 형태로 구성되었다. 세 번째 압연은 압력기 KPW-18에서 수행되었다. 외부 공구는 링 다이의 형태로 구성되었다.

압연기 HPT-55의 외부 공구의 롤 패스 융기 부분의 프로파일과 내부 공구의 프로파일의 형태변화는 다양한 스플라인 함수, 예를 들어 계수 k = 6이고 50 키포인트를 포함하는 S(x) 및 계수 k₁ = 4이고 48 키포인트를 포함하는 S₁(x)에 의해 형성되었다.

압연기 KPW-25의 외부 공구의 롤 패스 융기 부분의 프로파일과 내부 공구의 프로파일의 형태변화는 다양한 스플라인 함수, 예를 들어 계수 k = 4이고 100 키포인트를 포함하는 S(x) 및 계수 k₁ = 4이고 80 키포인트를 포함하는 S₁(x)에 의해 형성되었다.

압연기 KPW-18의 외부 공구의 롤 패스 융기 부분의 프로파일과 내부 공구의 프로파일의 형태변화는 다양한 스플라인 함수, 예를 들어 계수 k = 6이고 300 키포인트를 포함하는 S(x) 및 계수 k₁ = 5이고 250 키포인트를 포함하는 S₁(x)에 의해 형성되었다. 키포인트 수열의 계산은 다음의 식에 따라 행해졌다.

D_n = Kt/[(K_t-K)/D_n-1 + K-1]

여기서,

D_n은 n 섹션의 내부 공구의 직경

K_t = f(G, σ_0,2, E)는 금속의 물리적-수학적 특성에 따른 계수

G는 전단율

σ_0,2는 항복 강도

E는 탄성율

K = f(m, μ, Q, ...)는 압연 조건에 따른 계수

m은 이송되는 금속의 체적

μ는 패스 당 연신율

Q는 내부 튜브 직경 변형율에 대한 벽 두께 변형율의 비

φ9.13 mm의 튜브를 생산한 후에 기하학적인 크기의 검사가 수행되었다. 검사 결과, 외부 직경의 변형은 최대 30 mkm이었고, 내부 직경의 변형은 25 mkm을 초과하지 않았다. 외부 및 내부 표면에서는 어떠한 결함도 검출되지 않았다. 압연된 튜브의 길이 및 단면에 따른 기계적인 특성의 평가는 값의 분포가 2 %를 초과하지 않음을 보여주었다. 종래의 기술적인 제조공정에 따라 생산된 튜브에서의 값의 분포는 10 %에 달하였다.

실시예 2: 티타늄 합금 VT1-0으로 된 φ25.4 mm 튜브의 생산

최종 크기의 튜브을 얻기 위하여 두 단계에 걸쳐 강편이 냉간 압연되었다. 첫 번째 압연은 압연기 HPT-55에서 수행되었다. 외부 공구는 반쪽 디스크 형태로 구성되었다. 두 번째 압연은 압연기 HPT-32에서 수행되었다. 외부 공구 또한 반쪽 디스크 형태로 구성되었다.

압연기 HPT-55의 외부 공구의 롤 패스 융기 부분의 프로파일과 내부 공구의 프로파일의 형태변화는 다양한 스플라인 함수, 예를 들어 계수 k = 4이고 80 키포인트를 포함하는 S(x) 및 계수 k₁ = 6이고 80 키포인트를 포함하는 S₁(x)에 의해 형성되었다.

압연기 HPT-32의 외부 공구의 롤 패스 융기 부분의 프로파일과 내부 공구의 프로파일의 형태변화는 다양한 스플라인 함수, 예를 들어 계수 k = 5이고 120 키포인트를 포함하는 S(x) 및 계수 k₁ = 4이고 200 키포인트를 포함하는 S₁(x)에 의해 형성되었다.

φ25.4 mm의 튜브를 생산한 후에 기하학적인 크기의 검사가 수행되었다. 검사 결과, 외부 직경의 변형은 최대 150 mkm이었고, 내부 직경의 변형은 120 mkm을 초과하지 않았다. 외부 및 내부 표면에서는 어떠한 결함도 검출되지 않았다. 압연된 튜브의 길이 및 단면에 따른 기계적인 특성의 평가는 값의 분포가 5 %를 초과하지 않음을 보여주었다. 종래의 기술적인 제조공정에 따라 생산된 튜브에서의 값의 분포는 10 %에 달하였다.

상기한 실시예를 통해 알 수 있는 바와 같이, 압연 금속의 특성과 압연 조건을 고려하여 외부 및 내부 공구의 교정 부분과 구부러진 부분을 매끄럽게 연결하는 계산된 곡선의 최상의 형상을 선택함으로써, 압연 공정의 품질을 크게 향상시킬 수 있다. 기존 장비의 외부 및 내부 공구의 계산된 프로파일의 재생을 허용하는 프로그램이 만들어졌고 JSC "Chepetsky Mechanical Plant"에서 성공적으로 시험을 마쳤다.

소프트웨어는 시스템 CADDS5 내에서 계수 CVMAC에 의해 개발되었다. 압연기용 공구 제조를 위하여, 계산된 실제의 공구 기하학적 파라미터의 일치성을 최대한도로 제공하는 3 - 좌표 방식 및 5- 좌표 방식 기계 CNC- Fanuk 및 GG-52가 사용되었다.

Claims (3)

1. 외부 공구의 프로파일과 내부 공구의 프로파일의 형태변화가 수학적인 계산에 기초하여 형성되는 곡선의 형태를 나타내도록 된 냉간 압연 공구구조에 있어서, 내부 공구 및 외부 공구의 프로파일의 곡선이 다양한 스플라인 함수의 키포인트의 기하학적인 위치를 나타내는 것을 특징으로 하는 냉간 압연 공구구조.
2. 제1항에 있어서, 분리된 각각의 외부 공구 및 내부 공구의 구부러진 부분과 교정 부분은 단일의 곡선 형태를 나타내도록 된 것을 특징으로 하는 냉간 압연 공구구조.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 계산된 곡선의 스플라인 함수의 기하학적인 파라미터와 함께 압연 재료의 물리적-수학적 특성 및 압연 조건을 한정하는 계수가 사용되는 것을 특징으로 하는 냉간 압연 공구구조.