KR100519460B1 - 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

숏피닝을 사용하여 표면개질(잔류응력을 압축에 의해 개선, 피로강도개선, 가공효과 등)하고 있는 기계가공업, 및 부품세정을 요하는 분야에 적합한 금속부품 등의 표면개질방법에 관한 것으로서, 본 발명은, 피가공부품(W)을 액체를 채운 제 1 용기(1)내에 설치하고, 상기 부품의 표면에서 이격된 노즐(4)로부터 제 1 용기내로 유입되는 액체와 제 1 용기로부터 유출하는 액체의 유량을 제어하여 제 1 용기(1)를 가압하고, 캐비테이션 기포의 압궤충격력을 증대시키고, 이 충격력에 의해 부품표면에 피닝효과를 주어 가공부품의 표면을 강화, 세정한다.

Description

금속부품 등의 표면개질 및 세정방법 및 그 장치{SURFACE REFINING AND CLEANING METHOD FOR METAL PARTS OR THE LIKE AND DEVICE THEREFOR}

본 발명은, 치차, 스프링, 금형 등의 금속부품의 표면개질방법 및 그 장치에 관한 것이고, 특히 숏피닝을 이용하여 표면개질(잔류응력을 압축에 의해 개선, 피로강도개선, 가공경화 등)하는 기계가공업, 및 부품세정을 요하는 분야에 적합한 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법 및 그 장치에 관한 것이다.

종래부터 숏피닝을 이용하여 각종 금속부품의 표면개질(잔류응력을 압축에 의해 개선, 피로강도개선, 가공경화 등)이 행해지고 있다.

또한, 최근에는 원자로 압력용기 등의 응력부식 크랙을 저지 및 방지하기 위해서, 복수개의 스로트(throat)로 구성되는 노즐을 사용하여 수중으로 가압수를 취출(吹出)하고, 캐비테이션을 발생시켜, 피가공물표면의 잔류응력을 압축하는 기술 등도 있다.

그러나 상기 가압수를 취출하여 표면개질을 행하는 기술은, 캐비테이션의 압궤(壓潰)충격력을 이용하는 것같이 개시되어있는데, 실제로는「캐비테이션 분류」를 공기중에 분사하는 「일반적인 워터제트」와 혼동하여 사용되고 있다.

즉 「일반적인 워터제트」는, 표면개질의 정도(개선되는 잔류응력의 값, 개선되는 피로강도의 정도, 가공경화하는 정도 등)는 분사하는 가압수의 압력에 의존하는 것으로 하고, 펌프의 토출압력을 고가인 고압펌프를 사용하여 높이고 있는데, 표면개질의 점에서 만족스러운 가공능력을 얻을 수 없다. 또한, 표면개질에 있어서 캐비테이션 압궤충격력의 지배인자를 파악하지 않고, 캐비테이션 기포의 압궤충격력 및 캐비테이션 분류에 의한 표면개질효과를 유효하게 활용하고 있지 않는 등의 문제점이 있다.

그래서, 본 발명자는 이러한 캐비테이션 기포의 압궤충격력 및 캐비테이션 분류에 의한 표면개질의 현상에 대하여 연구를 진행한 결과, 캐비테이션 기포의 압궤충격력 및 캐비테이션 분류에 의한 표면개질효과(잔류응력개선, 가공경화, 피로강도향상)는, 가압수의 압력뿐만 아니라 피가공물을 설치하는 수조의 압력에 의존하는 것, 가압수의 압력과 수조의 압력의 비에 최적치가 존재하는 것, 캐비테이션 압궤충격력은 액온의 온도에 의해 증감하는 것, 이러한 조건을 만족할 수 있으면 캐비테이션의 압궤충격력이 증대하는 것을 확인하였다.

본 발명은 이러한 식견을 기초로 이루어진 것이고, 물 또는 오일 등의 액체로 채워진 조(槽)에 설치된 피가공물에 캐비테이션 분류를 분사하여 가공하고, 캐비테이션 분류의 가공능력을 증대시키기 위해서 피가공물을 설치한 조를 가압하고, 단시간에 피가공물을 설치한 조를 가압제어하는 것에 의해, 부품의 표면개질을 행할 수 있는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법 및 그 장치를 제공한다.

또한, 피가공물상에 캐비테이션 분류를 분사하는 가압용기를 이동자유로이 설치하는 것으로, 대형구조물의 표면가공이 될 수 있는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법 및 그 장치를 제공한다.

더욱이, 파이프내에 캐비테이션 분류를 분사하는 가압구간을 형성하고, 이 구간을 파이프 내면을 따라 이동시키면서, 파이프 내면의 표면가공, 세정을 행할 수 있는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법 및 그 장치를 제공한다.

그리고 상기 세정방법 및 장치에 의해, 상술한 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 표면개질장치의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 표면개질장치의 구성도이다.

도 3은 본 발명에 관한 가압데이터를 도시하는 도면이다.

도 4는 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 표면개질장치의 구성도이다.

도 5는 본 발명의 제 4 실시형태에 관한 표면개질장치의 구성도이다.

도 6은 도 5중, 제 1 용기의 가공물로의 누름방법을 설명하는 도면이다.

도 7은 본 발명의 제 5 실시형태에 관한 표면개질장치의 구성도이다.

도 8은 본 발명의 제 6 실시형태에 관한 표면개질장치의 구성도이다.

도 9는 본 발명을 사용하여 합금공구강을 처리한 때의 압축잔류응력의 모양을 도시하는 도면이다.

도 10은 본 발명을 사용하여 침탄기어재를 처리한 때의 압축잔류응력의 모양을 도시하는 도면이다.

도 11은 가공경화의 비교예이다.

이를 위해 본 발명이 채용한 과제해결수단은,

피가공부품을 액체를 채운 제 1 용기내에 설치하고, 상기 부품의 표면에서 이격된 노즐로부터 제 1 용기내로 유입되는 액체와 제 1 용기에서 유출하는 액체의 유량을 제어하여 제 1 용기를 가압하고, 캐비테이션 기포의 압궤충격력을 증대시켜, 이 충격력에 의해 부품표면에 피닝효과를 주어 가공부품의 표면을 강화, 세정하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법이다.

피가공부품을 액체를 채운 제 1 용기내에 설치하고, 상기 제 1 용기를 액체를 채운 제 2 용기내에 설치하고, 상기 부품의 표면에서 이격된 노즐에서 가압액체를 분출시켜 캐비테이션을 발생시키고, 캐비테이션 기포의 압궤충격력에 의해 부품표면에 피닝효과를 주어 가공부품의 표면을 강화, 세정하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법이다.

상기 제 1 용기내에 유입하는 액체와 제 1 용기에서 유출하는 액체의 유량을 제어하여 제 1 용기를 가압하고, 캐비테이션 기포의 압궤충격력을 증대시켜, 이 충격력에 의해 부품표면에 피닝효과를 주어 가공부품의 표면을 강화, 세정하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법이다.

상기 제 1 용기와 제 2 용기내와의 사이에 음향 임피던스가 상이한 물질을 넣은 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법이다.

상기 제 1 용기와 제 2 용기내와의 사이에 채워진 액체의 온도를 제어하여 제 1 용기내의 액체의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법이다.

제 1 용기내에 주입되는 캐비테이션 분류액을, 제 1 용기에서 냉각수단에 보내어 냉각후, 캐비테이션 분류용의 펌프로 복귀시키도록 한 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법이다.

피가공부품을 수납할 수 있는 제 1 용기와, 제 1 용기를 밀폐상태로 하는 덮개와, 상기 제 1 용기를 수납할 수 있는 제 2 용기와, 제 1 용기내에 가압액체를 분출하는 노즐과, 상기 노즐로부터의 분출압력을 제어하는 유량제어밸브와, 제 1 용기내의 액압을 제어하는 압력제어밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치이다.

상기 노즐은 복수 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치이고, 상기 제 2 용기는 제 1 용기의 높이보다도 깊은 용기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치이다.

상기 제 1 용기와 제 2 용기내 사이에 음향 임피던스가 상이한 물질을 배치한 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치이다.

상기 제 1 용기의 덮개는 소정의 힘으로 닫는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치이다.

상기 제 2 용기내의 액체를 가열 또는 냉각하는 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치이다.

상기 피가공물 부품은, 피가공부품을 이송하는 이송수단상에 얹어 놓여있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치이다.

피가공부품상에 액체를 채운 제 1 용기를 배치하고, 상기 제 1 용기내에 액체를 유입하여 제 1 용기내를 가압하고, 이 가압된 제 1 용기내에 캐비테이션을 발생시키기 위한 가압액체를 분출시켜 캐비테이션 기포의 압궤충격력을 증대시키고, 이 충격력에 의해 부품표면에 피닝효과를 주어 가공부품의 표면을 강화, 세정하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법이다.

피가공부품을 액체를 채운 제 1 용기내에 설치하고, 상기 제 1 용기내에 액체를 유입하여 제 1 용기내를 가압하고, 이 가압된 제 1 용기내에 캐비테이션을 발생시키기 위하여 가압액체를 분출시켜 캐비테이션 기포의 압궤충격력을 증대시켜, 이충격력에 의해 부품표면에 피닝효과를 주어 가공부품의 표면을 강화, 세정하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법이다.

피가공부품상에 배치한 제 1 용기와, 제 1 용기내에 가압유체를 주입하는 노즐과, 제 1 용기내의 가압액체내에 캐비테이션 분류를 분출하는 노즐을 구비하고, 캐비테이션 기포의 압궤충격력에 의해 부품표면에 피닝효과를 주어 가공부품의 표면을 강화, 세정하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치이다.

상기 제 1 용기와 제 1 용기내에 가압유체를 주입하는 노즐과 제 1 용기내의 가압액체내에 캐비테이션 분류를 분출하는 노즐을 일체로 구성한 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치이다.

상기 제 1 용기내의 액압은 밸브 등의 액압조정수단에 의해 제어되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치이다.

상기 피가공부품은 제 2 용기내의 액체내에 침지(浸漬)되어 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치이다.

상기 피가공부품은 제 2 용기내에 들어간 액체의 표면보다 위에 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치이다.

제 1 용기내에 주입되는 캐비테이션 분류액을 냉각하는 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치이다.

상기 제 1 용기내에 캐비테이션 분류액을 둘러싸도록 가압유체를 주입하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치이다.

파이프형상 또는 관로 등의 피가공부품에 있어서, 파이프 또는 관로내에 액체가압실을 형성하고, 이 가압액체내에 캐비테이션 분류를 분출하고, 캐비테이션 기포의 압궤충격력을 증대시켜, 이 충격력에 의해 파이프 내면에 피닝효과를 주어 파이프 내면의 표면을 강화, 세정하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법이다.

파이프 또는 관로내에 액체가압실을 형성하는 제 1 부재와 제 2 부재와, 이 제 1 부재와 제 2 부재 사이에 가압유체를 주입하는 노즐과, 상기 액체가압실내에 캐비테이션 분류를 분출하는 노즐을 구비하고, 캐비테이션 기포의 압궤충격력에 의해 부품표면에 피닝효과를 주어 가공부품의 표면을 강화, 세정하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치이다.

제 1 부재와 제 2 부재중 어느 한쪽에는, 액체가압실내의 액압을 조정하는 밸브 등의 액압조정수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치이다.

이하 본 발명의 실시의 형태를 도면에 근거하여 상세히 설명하면, 도 1은 제 1 실시형태에 관한 금속부품 등의 표면개질장치의 구성도이다.

도 1에 있어서, 1은 피가공물을 용이하게 출입시킬 수 있고, 덮개(2)에 의해 밀폐가능하게 구성된 피가공부품의 표면개질을 행하는 제 1 용기, 3은 동 제 1 용기(1)를 수납할 수 있고 또한 제 1 용기(1)의 높이보다도 깊게 형성되고 제 1 용기주위에 대하여 적당한 공간(S)을 형성할 수 있는 제 2 용기, 4는 제 1 용기(1)내에 캐비테이션 분류를 분사하는 노즐, 5는 노즐에 펌프(P)로부터의 고압액체를 공급하기 위한 관로, 6은 고압액체의 유량제어밸브, 7은 제 1 용기(1)내의 유체를 용기밖으로 배출하는 관로, 8은 동 관로에 설치되어 제 1 용기(1)내의 압력을 조정하는 압력제어밸브이다.

또한, 노즐은 제 1 용기(1)에 복수 설치될 수 있고, 또 유량제어밸브(6)는 고압펌프(P)와 노즐(4)을 접속하는 관로(5)에 직접 설치하기보다는 분기된 관로(5a)내에 설치하는 것이 바람직하다.

피가공물(W)은, 용이하게 출입 및 밀폐가능한 물 또는 오일 등의 액체로 채워진 제 1 용기(1)에 들어가고, 또한, 제 1 용기(1)와 제 2 용기(3) 사이에도 물 또는 오일 등의 액체가 채워져 있다.

상기 유량제어밸브(6), 압력제어밸브(8) 및 펌프(P) 등은 도시하지 않은 전자제어장치와 접속되고, 제 1 용기(1)내에 배치되어 도시하지 않은 압력, 온도센서 등으로부터의 신호를 기초로 최적치로 되도록 제어된다.

상기 실시형태의 구체적 작용 (작동)

피가공물(W)을 제 1 용기(1)내에 넣은 후, 개폐가능한 덮개(2)에 의해 밀폐하고, 노즐(4)로부터 고압수를 분출하여, 분류주변에 캐비테이션(9)을 발생시켜서, 캐비테이션 기포를 피가공물(W)에 닿게 한다. 캐비테이션 기포의 압궤충격력을 피가공면에 작용시켜, 피가공면의 가공경화, 잔류응력개선, 피로강도향상 등을 가져온다.

캐비테이션 기포(9)의 압궤충격력을 증대시키기 위하여 노즐(4)로부터 제 1 용기(1)에 유입되는 가압수의 유량을 유량제어밸브(6)로, 또 제 1 용기(1)로부터 유출되는 유량을 압력제어밸브(8)에 의해 제어하고, 제 1 용기(1) 내의 가압액압을 제어한다.

또 제 1 용기(1)에 기상(氣相)부분이 있으면, 기상부분이 가압수에 의해 압축되기 때문에, 가압하기 위하여 일정시간을 필요로 한다. 이 때문에 본 형태에서는 제 1 용기(1)를 단시간에 가압하기 위하여 제 2 용기(3)의 깊이를 깊게 하고, 제 2 용기(3)에 충만된 액체의 압력으로 제 1 용기(1)에 소정의 압력을 부여해 놓는다. 이렇게 함으로써 제 1 용기(1) 내를 단시간에 가압하고, 제 1 용기(1)내의 기상부분을 단시간에 극력 적게 할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 가압하는 제 1 용기(1)의 기상부분을 극력 적게 할 수 있으므로, 제 1 용기(1)를 가압하는데 필요한 시간을 단축할 수 있다.

예를 들면 제 1 용기내의 최적 액압이 5기압인 경우, 제 1 용기내에 12리터 정도의 공기가 들어 있다고 하면, 10리터/min의 고압펌프로 1분간 정도 가압하는 것이 필요하고, 실제로 가공하는 시간(수십초 정도∼수분 정도, 노즐의 배치에 따라 더 단축이 가능)과 동일정도의 시간이 헛되이 된다. 본 발명에서는 미리 제 1 용기(1)를 제 2 용기(3)에 충만한 액체내에 가라앉혀 놓기 때문에 제 1 용기내의 공기를 1/10 이하로 적게 할 수 있으므로 가압시간도 1/10 이하로 단축할 수 있다. 또 제 2 용기의 깊이에 비례하여 제 1 용기에 소정의 압력을 부여해 놓기 때문에, 예를 들면 상기의 경우에서는 제 1 용기내에 12리터 정도의 공기가 들어 있어도 제 2 용기의 물 깊이가 50m 있으면 가압시간은 0으로 되고, 가압시간을 100% 단축할 수 있다.

이상과 같이 제 1 용기(1)를 가압하지 않는 경우에 비하여, 본 형태에서는 잔류응력을 크게 개선할 수 있고, 피로강도도 개선될 수 있으며, 압축잔류응력을 피가공면의 표면으로부터 안쪽 깊숙이까지 들어가게 할 수 있고, 가압하지 않은 경우에 비하여 가공효율이 높은(단시간으로 행해지는), 피가공물 표면을 가공경화할 수 있는 등의 효과가 있다.

도 3에 가압데이터를 도시한다. 도면중 A는 가압한 경우, B는 가압하지 않은 경우, X는 잔류응력이 개선되는 깊이를 도시한다. 가압하지 않은 경우에 비하여 가압한 경우는, 압축잔류응력이 피가공면에 들어가는 깊이는 2배 내지 10배 이상이고, 가공에 요하는 시간은 1/2 내지 1/10 이하로 된다(이 값은 분류의 토출압력이 20MPa, 노즐입구직경이 0.4∼0.8mm정도의 것이고, 노즐이 크고, 또한 토출압력이 증대할수록 가압에 의한 효과는 현저하게 된다).

캐비테이션 기포의 압궤충격력은, 액온에도 의존한다. 제 1 용기(1)의 주위에, 제 2 용기(3)를 설치하고, 더욱이 제 2 용기(3)에 대하여 액온제어장치를 부가하는 것으로 제 1 용기(1)의 액온을 일정하게 유지할 수 있고, 캐비테이션 기포의 압궤충격력이 최적으로 되는 온도 30℃∼60℃로 제어될 수 있다. 제 2 용기(3)를 설치하지 않은 경우, 제 1 용기(1)가 승온하여 캐비테이션 기포의 압궤충격력이 감쇠함과 동시에, 고압수의 펌프 및 배관, 제 1 용기가 새거나, 파괴되기 쉽게 되어 위험하다.

또한, 캐비테이션 기포의 압궤충격력은, 물을 이용한 경우, 비점과 융점의 중간인 50℃에서 최대로 된다. 실용상, 고압펌프나 배관은 고온(80℃이상)으로 되면 내압력이 극단적으로 저하하므로 위험하다. 이때문에 제 1 용기(1)의 수온은 30℃ 내지 60℃로 한 것이 바람직하다.

제 2 용기(3)의 설치에 의해, 제 1 용기내에서 생기는 캐비테이션 소음을 저감할 수 있다. 제 1 용기와 제 2 용기 사이에 음향 임피던스가 상이한 물질을 넣으므로써, 방음(소음)의 효과를 증진한다.

제 2 용기(3)의 설치에 의해 제 1 용기(1)내의 기상부분(압축성기체)을 극력 배제할 수 있으므로, 제 1 용기(1)로부터 누출이 생긴 경우에도, 압축된 부분이 거의 존재하지 않고, 누출되어도 제 1 용기내의 액체는 비압축성이므로, 순식간에 제 1 용기내의 압력은 감쇠하므로 안전하다. 제 1 용기(1)내에 기상부분이 존재하면, 기상부분이 팽창하여, 누출된 개소에서 계속 분출할 위험이 있다.

캐비테이션 기포의 압궤충격력은, 제 1 용기(1)내의 액체의 공기함유도에도 의존한다. 제 1 용기내의 액체가 대기에 접촉하여 공기함유량이 크게 되면, 캐비테이션 기포의 압궤충격력은 감쇠, 즉 캐비테이션 분류의 가공능력이 작게 된다. 제 2 용기(3)의 설치에 의해, 제 1 용기(1)내의 액체가 직접 대기에 접촉되지 않으므로, 제 1 용기(1)내의 액체의 공기함유량의 변화가 적고, 캐비테이션 분류의 가공능력은 대략 일정하게 된다.

이어서, 본 발명의 제 2 실시의 형태를 도면에 근거해서 설명하면, 도 2는 제 2 실시형태에 관한 금속부품 등의 표면개질장치의 구성도이다.

제 2 실시형태의 것은, 제 1 실시형태의 것에 비교하여 제 2 용기의 깊이가 얕게 되어있고, 제 1 용기의 상부 가장자리에서 액체가 넘쳐나오는 구성으로 되어있고, 가공의 작용은 제 1 실시형태와 동일하다.

제 2 실시형태의 것도 제 1 용기(1)내를 가공할 필요가 있기 때문에 제 1 실시형태의 경우와 동일하게 덮개(2)를 닫고, 덮개(2)의 간극에서 액체가 넘쳐나오도록 한다. 또한, 제 1 용기(1)의 덮개(2)의 위에 추를 두거나, 또는 덮개와 용기를 소정의 스프링정수의 스프링 등으로 연결하여 둠으로써, 덮개의 개방에 저항을 부여하고 제 1 용기(1)내를 기계적으로 가압할 수도 있다. 또한, 이 가압력도 당연하지만 전자제어장치 등에 의해 제어하는 것이 가능하다.

더욱이 본 발명의 제 3 실시형태를 도 4를 참조하여 설명한다. 도면중 P는 고압펌프로부터의 유체, C는 캐비테이션 분류, D는 피가공물을 넣은 후 밀폐하는 덮개, N은 노즐, W는 피가공물, 6, 10은 유량제어밸브이다.

제 3 실시형태에서는, 제 1 실시형태, 제 2 실시형태와는 제 1 용기에서의 액체의 배출방법이 다르게 되어있다. 즉, 제 3 실시형태에서는 제 1 용기로부터의 액체는 유량제어밸브(10)를 통해서 제 2 용기내로 배출되고, 다시 제 2 용기내의 액체를 유량제어밸브(8)를 통해서 용기외로 배출하도록 되어 있어, 이와 같은 구성으로 함으로써, 캐비테이션 기포 붕괴후에 제 1 용기내에 잔류하는 기포를 효과적으로 제거할 수 있다.

이어서 본 발명의 제 4~제 6 실시형태를 도면에 근거해서 설명한다.

상술한 제 1~제 3 실시형태는, 물 등의 액체를 채운 밀폐가능한 압력용기에 가공물 전체를 넣을 필요가 있기 때문에, 피가공물보다도 큰 제 1 용기를 필요로 한다. 이때문에, 긴 피가공물 등의 표면가공은 곤란하다. 또한, 바닥이나 도로, 교량 등의 구조물로의 적용은 불가능하였다. 더욱이, 파이프 내부의 표면가공, 세정 등도 행할 수 없는 등의 문제도 있다.

그래서, 여기서는, 가압하는 제 1 용기가 피가공물보다 작은 경우에도, 상기 실시형태와 동일하게 캐비테이션 기포의 압궤충격력이 피가공면에 작용하고, 피가공면의 가공경화, 잔류응력개선, 피로강도향상 등을 초래할 수 있는 제 4, 제 5 실시형태에 대하여, 더욱이 파이프 내부의 내면가공을 더 행할 수 있는 제 6 실시형태에 대하여 설명한다.

도 5는 본 발명에 관한 제 4 실시형태이고, 도 6은 제 4 실시형태에 관한 제 1 용기부의 확대구성도이다.

도 5에 있어서, 21은 피가공물의 표면개질을 행하는 제 1 용기이고, 그 크기는 도면에 도시한 바와 같이 피가공물(22)의 표면의 일부를 덮을 수 있는 것으로 형성되어 있다. 제 1 용기(21)는 피가공물(22)위를 이동할 수 있도록 도 6에 도시하는 바와 같이 하부에 롤러(31) 등이 배치된 다리부재(30)에 지지되어 있고, 다리부재(30)는 피가공물(22)을 걸치도록 설치되어 있다. 제 1 용기(21)내에는 동 용기내에 캐비테이션 분류(28)를 분사하는 노즐(24)이 배치되고, 이 노즐(24)에 연통하는 유로에는 유량제어밸브(25)가 설치되어 있다. 또한 제 1 용기(21)에는 용기내에 고압액체를 주입하는 노즐(26)이 배치되고, 이 노즐(26)에 연통하는 유로에는 압력제어밸브(27)가 배치되어 있다. 제 1 용기에는 도시하지 않은 펌프(원심펌프, 와류펌프 등)로부터 상기 노즐(26)을 통해서 고압액(압력 0.1∼10㎏/㎠)이 주입되고, 이것에 의해 소정의 압력을 유지할 수 있도록 되어 있다. 또한, 도면중 H는 제 1 용기로부터 누출되는 흐름이고, G는 제 1 용기의 면이 비어있는 부분, 29는 피가공물을 자유로이 출입시킬 수 있는 제 2 용기이다.

또한, 본 예에서는 롤러(31)를 갖는 다리부재(30)에 제 1 용기(21)를 지지하는 구성을 채용하고 있는데, 필요에 따라 피가공물(22)상을 이동할 수 있는 롤러(31)를 제 1 용기하면에 직접 설치할 수도 있다. 어느 경우에도 제 1 용기(21)가 용기내에 주입된 고압액의 작용으로 떠오르고 피가공물(22)의 표면과 제 1 용기(21)하면과의 간격이 지나치게 벌어지지 않도록 하는 적당한 간격제어수단(예를 들면 자석 등)이 설치된다. 또한, 다리부재(30)와 제 1 용기(21)의 사이에는 스프링 등의 탄성재를 넣고, 제 1 용기를 피가공물측으로 가압하여 두는 것도 가능하다.

상기 제 4 실시형태의 작용을 설명한다.

피가공물(22)을 제 2 용기(29)내의 액중에 배치하고, 피가공물(22)의 표면상에 제 1 용기(21)를 얹어놓는다. 이 상태에서 제 1 용기(21)내에 가압액을 주입하고, 또한 노즐(24)로부터 제 1 용기(21)내에 캐비테이션 분류(28)를 분사하고, 분류주위에 캐비테이션을 발생시켜서, 캐비테이션 기포를 피가공물(22)에 댄다. 이 때, 제 1 용기(21)내의 액압은 압력제어밸브(27)에 의해, 또한 캐비테이션 분류(28)의 압력은 유량제어밸브(25)에 의해 제어된다. 캐비테이션 기포의 압궤충격력이 피가공면에 작용하여, 피가공면의 가공경화, 잔류응력개선, 피로강도향상 등을 초래한다. 또한 오염을 동반한 액은, 제 1 용기와 피가공물 사이에서 밖으로 배출된다.

본 실시형태에서는, 제 2 용기내의 액중에 빠진 피가공물(22)에 얹어놓은 소형의 제 1 용기(21)내의 가압액체내에 있어서 캐비테이션 분류(28)를 생기게 하고, 피가공부분의 일부를 가공하도록 하였기 때문에, 가공하는 제 1 용기부분을 극력 작게 할 수 있고, 제 1 용기를 가공하는데 요하는 시간을 단축시킬 수 있다. 또한 피가공물의 표면의 일부를 순차 가공하여 가기 때문에, 커다란 가공물이라도 용이하게 처리할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 당연한 것으로서, 제 1 용기(21)와 피가공물(22)의 사이에서 누출이 생기므로, 이 누출을 상회하는 유량을 제 1 용기내에 캐비테이션 분류를 일으키는 고압액과는 별도의 펌프에 의해 가압액을 주입할 필요가 있다. 이 가공을 위한 펌프로부터의 액주입은 캐비테이션을 생기게 할 필요는 없으므로 비교적 낮은 토출압력(캐비테이션 분류용 펌프의 1/100∼1/50 이하의 토출압력, 0.1∼10㎏/㎠정도)의 펌프면 된다. 다만 유량을 요하므로, 캐비테이션 분류용 펌프(일반적으로는 플런저펌프, 10∼1000㎏/㎠정도)와는 형식이 상이한(원심펌프, 와류펌프 등)펌프를 사용하는 것이 바람직하다. 캐비테이션 분류용 펌프는, 통상, 수리터/min∼수십리터/min 정도의 유량으로, 피가공물 표면에 밀어붙인 제 1 용기에서 누출되는 유량 전부를 보충하는 것은 곤란하다. 그래서 캐비테이션 분류 고압액과 별도의 비교적 저압의 고압액을 제 1 용기에 액주입한다.

이상과 같이 본 실시형태는, 캐비테이션 분류용 고압액과는 별도로 제 1 용기내를 가압하기 위한 고압액을 소형의 제 1 용기에 주입하여 제 1 용기내를 가압하는 점에서 커다란 특징이 있다. 또한, 제 1 용기내의 액압제어는, 제 1 용기측에 개폐밸브를 부착하고, 이 개폐밸브를 제어하는 것으로 행하는 것도 가능하다.

다음에 제 5 실시형태의 설명을 도 7을 참조하여 한다.

제 5 실시형태는, 제 4 실시형태와 같이 피가공물(22)을 제 2 용기(29)내의 액중에 넣지 않고, 액표면에서 상방으로 배치한 예이다. 이 예에서는 도면에 도시하는 바와 같이 제 2 용기(29)내의 수위를 피가공물표면보다도 낮게 한 점을 제외하고, 다른 구성은 제 4 실시형태와 동일하다. 또한, 이 형태의 발전형으로서는, 제 2 용기를 없애고, 피가공물의 표면위에 제 1 용기만을 배치한 것도 포함된다. 또한, 도 7에서 H는 제 1 용기로부터의 누출흐름을 도시한다.

그런데, 상기 제 4, 제 5 실시형태는, 벨트컨베이어 등의 이송수단의 위에 실려서 이송되는 피가공물에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 이송수단상에 피가공물을 싣고, 이송수단에 의해 피가공물을 제 1 용기의 아래로 이동하고, 이어서 이송수단을 정지하고, 제 1 용기를 하강시켜 제 1 용기내에 피가공물을 수납하고, 이 상태에서 제 1 용기내에 캐비테이션 분류용 고압액을 주입하는 것으로, 상기 각 실시형태와 동일하게 이송수단상의 피가공물의 가공, 세정이 가능하게 된다.

제 6 실시형태의 설명을 한다.

제 6 실시형태는, 파이프 또는 부재에 형성한 관로내부의 표면을 가공하는 예이다. 이 예에서는, 파이프(관로)내부에 제 1 부재(제 1 마개)와 제 2 부재(제 2 마개)를 설치하고, 이들 2개의 부재사이에 있는 관로표면을 가공하는 것이다.

도 8에 있어서, 41은 피가공물로서의 파이프이고, 이 파이프(41)내에는, 제 1 마개(42)와 제 2 마개(43)가 연결봉(44)에 의해 소정의 간격을 가지고 배치되어 있다.

제 1 마개(42)는, 파이프 내면과 액밀상태로 실링되고, 또한 미끄럼이동 자유로이 배치되어 있고, 이 제 1 마개(42)에는 유체배출구멍(45)이 형성되고, 이 구멍(45)에는 구멍을 폐쇄할 수 있는 밸브(46)가 설치되어 있다. 이 밸브(46)는 도시한 바와 같이 스프링(47) 등의 가압력에 의해 구멍(45)을 향해서 눌려져 있고, 내부의 액압이 소정압 이상으로 되면, 구멍(45)으로부터 고압액이 배출되는 구성으로 되어 있다. 또한, 밸브의 형태로서는 동일한 기능을 나타내는 다른 형태의 것을 할 수 도 있다.

또한 제 2 마개(43)는 파이프 가압액 주입용의 파이프(48)와, 캐비테이션 분류(C)용의 고압액을 주입하는 파이프(49)를 유지하고 있고, 제 2 마개(43)는 그 주위가 파이프 내면과의 사이에 근소한 간극(50)을 가지고 배치되어 있다. 또한, 파이프(48) 및 파이프(49)에는 상기 실시형태와 동일하게 압력제어밸브, 유량제어밸브가 배치되고, 각각의 파이프로부터 공급되는 액압을 조정할 수 있다. 도면중, 51은 파이프 내면에 부착한 오염물이다.

이 형태에서는 파이프내에 연결봉으로 연결된 제 1 마개(42) 및 제 2 마개(43)를 도면과 같이 배치하고, 이들의 마개(42,43) 사이에 파이프내 가압용의 액을 주입하고, 양 마개 사이를 소정의 액압으로 유지하면서, 캐비테이션 분류(C)용의 고압액을 넣고, 파이프 내부의 세정을 행한다. 또한, 캐비테이션 분류를 파이프 내면에 닿게 하면, 파이프 내면의 표면가공을 행할 수 있다. 또한, 가공중, 제 1 마개(42)와 제 2 마개(43) 사이의 액체는 더러워짐과 동시에 제 2 마개(43)와 파이프(41) 사이(50)에서 배출되는 것으로 된다. 이렇게 하여, 제 1 마개(42), 제 2 마개(43)의 위치를 적당한 수단에 의해 서서히 이동시켜 감으로써, 파이프 내면 전주변을 세정, 또는 표면가공할 수 있다. 또한, 제 1 마개(42)와 제 2 마개(43) 사이의 액압은 어느 쪽인가의 마개에 밸브를 설치하고, 이들의 밸브를 개폐하므로서 제어하는 것도 가능하다.

또한, 이 실시형태에서는 제 1 마개와 제 2 마개를 연결봉(44)에 의해 연결하고 있는데, 연결봉 대신에 연결띠 등도 사용할 수 있다. 더욱이 상황에 따라서는 제 1 마개 및 제 2 마개는 반드시 봉이나 띠 등으로 연결할 필요는 없고, 이 경우에는, 제 1 마개와 제 2 마개는, 가공중의 고압액의 작용에 의해 파이프 내면을 이동하는 일이 없도록 마찰력 등의 적당한 고정수단에 의해 파이프내에 고정하여 둘 필요가 있다.

도 9에 본 발명을 사용하여 합금공구강(단조용 금형재)으로의 압축잔류응력을 도입 처리한 때의 압축잔류응력의 모양을 나타낸다. 도 9에 있어서, 재질은 SKD61, 노즐직경 2mm, 분사압력 30MPa이고, 제 1 용기를 가압한 경우(도면중 K)에서는 10분간에 강화처리할 수 있지만, 가압하지 않은 경우(도면중 J)에서는 150분간을 가지며, 압축잔류응력치도 60%정도이다.

도 10에 본 발명을 사용하여 침탄 기어재료로의 압축잔류응력을 도입처리한 때의 압축잔류응력의 모양을 도시한다. 도 10에서는 노즐 직경 2mm, 분사압력 30MPa, 가압압력은 0.32MPa이다.

또한 도 11에 노즐직경은 2mm, 분사압력 30MPa, 가압압력 0.32MPa인 때의 가공경화의 비교예를 나타낸다.

이상과 같이 제 5 실시형태에서는 가압하는 제 1 용기가 피가공물보다도 작아도 되므로, 제 1 용기에 들어가지 않는 긴 강판, 대형의 금형 등에서도 용이하게 표면개질이 가능하게 된다. 또한 본 방법은, 캐비테이션 분류에 의해 바닥의 세정 등에도 적용될 수 있다. 또한 제 1 용기의 가압용 물주입을 캐비테이션 분류용의 가압수와 별도로 설치하는 것에 의해 대유량의 플런저펌프를 필요로 하지 않고, 설비가 저렴하게 된다.

또한, 제 6 실시형태에서는, 파이프내에 가압구간을 형성함으로써 용이하게 파이프 내면을 가공, 세정할 수 있다.

이상 본 발명에 관한 여러가지 실시의 형태에 대하여 설명하였는데, 유량제어밸브, 압력제어밸브 등은 수동에 의한 것, 자동제어에 의한 것 등을 사용할 수 있다. 또한 액체는 물, 오일 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 각 실시형태에 있어서 제 1 용기에 캐비테이션 분류를 주입할 때에, 모터의 파워가 캐비테이션 분류를 통해서 열로 변하고, 수온이 지나치게 상승할 경우가 있다. 이 경우에는, 제 1 용기내의 압력을 이용하여, 제 1 용기내의 액을 제 1 용기외의 공지의 각종 냉각수단으로 보내서 액을 냉각하고, 그 후, 다시 펌프에 공급할 수 도 있다. 이와 같이 제 1 용기내의 액압을 이용하여 액을 냉각수단에 공급하는 수법을 채용하면 제 1 용기내의 액을 냉각수단으로 보내기 위한 새로운 펌프는 불필요하고, 액의 냉각을 간단히 실현할 수 있다.

또한, 제 1 용기로의 캐비테이션 분류와 가압수의 주입방법으로서, 상기 각 실시형태와 같이 캐비테이션 분류의 노즐과 가압수 주입용의 노즐을 인접하여 배치하는 방법외에, 용기의 중심부에 캐비테이션 분류 노즐을 배치하고 그 노즐을 둘러싸도록 가압수 주입용의 노즐을 배치하고, 캐비테이션 분류를 가압수로 둘러싸도록 하여 피가공물에 닿게 하는 것도 가능하다.

더욱이 캐비테이션 분류 노즐과 가압수 주입노즐의 위치관계에 대하여는 필요에 따라 그 외의 형태로 자유로이 변경하는 것도 가능하다. 또한, 제 1 용기내로의 피가공물의 배치에 대하여는 당연하게 피가공물의 형상 등을 기초로 자유로이 설정하는 것도 가능하고, 예를 들면 노즐 자신을 용기와 일체로 형성하거나 하는 형태도 당연히 가능하다.

더욱이 본 발명은 그 정신 또는 주요한 특징에서 벗어나지 않고, 다른 어떠한 형태로도 실시할 수 있다. 그 때문에, 전술의 실시형태는 모든 점에서 단순히 예시일 뿐이고 한정적으로 해석하여서는 안된다.

이상, 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 피가공물을 제 1 용기내에 넣은 후, 밀폐하고, 노즐로부터 고압수를 분출하여, 분류주위에 캐비테이션을 발생시켜, 캐비테이션 기포를 피가공물에 닿게 하므로서, 캐비테이션 기포의 압궤충격력이 피가공면에 작용하여, 피가공면의 가공경화, 잔류응력개선, 피로강도향상 등의 표면개질효과 및 세정효과를 이룰 수 있다. 또한, 제 1 용기를 피가공물상에 얹어놓는 방법을 채용한 경우에는 긴 강판, 대형의 금형 등도 용이하게 표면개질할 수 있다. 더욱이 캐비테이션 분류에 의한 바닥의 세정 등에도 적용될 수 있다. 또한, 파이프 또는 관로내에 가압구간을 형성하는 것이 용이하게 파이프 내면을 가공, 세정할 수 도 있다. 더욱이, 제 1 용기의 가압용 물 주입을 캐비테이션 분류용의 가압수와 별도로 설치함으로써 대유량의 플런저 펌프를 필요로 하지 않고, 설비가 저렴하게 되는, 등의 우수한 효과를 이룰 수 있다.

Claims (25)

1. 삭제
2. 피가공부품을 액체를 채운 제 1 용기내에 설치하고, 상기 제 1 용기를 액체를 채운 제 2 용기내에 설치하고, 상기 부품표면에서 이격된 노즐로부터 상기 제 1 용기내로 유입하는 액체와 제 1 용기로부터 유출하는 액체의 유량을 제어하여 제 1 용기를 가압하고, 캐비테이션 기포의 압궤충격력을 증대시켜, 이 충격력에 의해 부품표면에 피닝효과를 주어 가공부품의 표면을 강화, 세정하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 용기내로 유입하는 액체와 제 1 용기로부터 유출하는 액체의 유량을 각각 압력제어밸브를 제어하여 제 1 용기를 가압하고, 캐비테이션 기포의 압궤충격력을 증대시켜, 이 충격력에 의해 부품표면에 피닝효과를 주어 가공부품의 표면을 강화, 세정하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 용기와 제 2 용기내의 사이에 음향 임피던스가 상이한 물질을 넣은 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 용기와 제 2 용기내와의 사이에 채워진 액체의 온도를 제어하여 제 1 용기내의 액체의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법.
6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 제 1 용기내에 주입하는 캐비테이션 분류액을, 제 1 용기로부터 냉각수단에 이송하여 냉각한 후, 캐비테이션 분류용의 펌프로 복귀시키도록 한 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법.
7. 피가공부품을 수납할 수 있는 제 1 용기와, 제 1 용기를 밀폐상태로 하는 덮개와, 상기 제 1 용기를 수납할 수 있는 제 2 용기와, 제 1 용기내에 가압액체를 분출하는 노즐과, 상기 노즐로부터의 분출압력을 제어하는 유량제어밸브와, 제 1 용기내의 액압을 제어하는 압력제어밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 노즐은 복수 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 용기는 제 1 용기의 높이보다도 깊은 용기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치.
10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 용기와 제 2 용기내와의 사이에 음향 임피던스가 상이한 물질을 배치한 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치.
11. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 용기의 덮개는 소정의 힘으로 닫혀져 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치.
12. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 용기내의 액체를 가열 또는 냉각하는 수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치.
13. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 피가공물 부품은, 피가공부품을 이송하는 이송수단상에 얹어놓여 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질장치.
14. 피가공부품상에 액체를 채운 제 1 용기를 배치하고, 노즐로부터 제 1 용기내에 유입하는 액체와 제 1 용기로부터 유출하는 액체의 유량을 제어하여 제 1 용기를 가압하고, 이 가압된 제 1 용기를 다리부재와 롤러로 이루어진 간격제어수단에 의해 피가공품상을 간격을 제어하면서 이동시키고, 또한 상기 노즐로부터 분출하는 고압수에 의해 발생하는 캐비테이션 기포의 압궤충격력을 증대시키고, 이 충격력에 의해 부품표면에 피닝효과를 주어 가공부품의 표면을 강화, 세정하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정방법.
15. 삭제
16. 피가공부품상에 배치된 제 1 용기와, 제 1 용기내에 가압유체를 주입하는 노즐과, 상기 제 1 용기와 피가공부품표면과의 간격을 제어하는 다리부재와 롤러로 이루어진 간격제어수단과, 제 1 용기내의 가압액체내에 캐비테이션 분류를 분출하는 노즐을 구비하고, 캐비테이션 기포의 압궤충격력에 의해 부품표면에 피닝효과를 주어 가공부품의 표면을 강화, 세정하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 용기와 제 1 용기내에 가압유체를 주입하는 노즐과 제 1 용기내의 가압액체내에 캐비테이션 분류를 분출하는 노즐을 일체로 구성한 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치.
18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 용기내의 액압은 밸브 등의 액압조정수단에 의해 제어되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치.
19. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 피가공부품은 제 2 용기내의 액체내에 침지되어 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 피가공부품은 제 2 용기내에 넣어진 액체의 표면보다 위에 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치.
21. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 제 1 용기내로 주입되는 캐비테이션 분류액을 냉각하는 수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치.
22. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 용기내에 캐비테이션 분류액을 둘러싸도록 가압유체를 주입하는 것을 특징으로 하는 금속부품 등의 표면개질 및 세정장치.
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