KR100716614B1 - 히트 롤러의 제조방법 및 그의 제조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 유도가열 용접에 의해 고강도 튜브형 용접물을 제조한 후 완전풀림(full annealing)과 1회 인발 가공 등을 수행하여 용접타입 중공형 롤러본체를 제조함에 따라서, 용접부위와 비용접부위간 조직차이를 감소시키거나 매우 유사하게 할 수 있고, 용접선을 제거할 수 있으며, 제조속도를 높이고 제조가격을 낮추어 생산성을 극대화하며, 강도 및 경도가 우수한 히트 롤러의 제조방법 및 그의 제조물을 제공하고자 한다.

본 발명의 히트 롤러의 제조방법은 적어도, 정밀한 완성 가공과 신연(伸延)에 따른 방향성 조직 형성을 위해서 5000계열 알루미늄합금 소재를 냉간 압연하여 압연물을 제작하는 5000계열 알루미늄합금 잉고트 압연단계(S10)와; 상기 압연물을 고주파 유도가열 용접 방식으로 용접하여 고강도 튜브형 용접물을 제작하는 고주파 유도가열 용접단계(S20)와; 상기 용접물을 온도 410±10℃, 2시간으로 조직 재결정을 수행하여 연화(軟化) 용접물을 제작하는 완전풀림단계와(S30); 상기 연화 용접물을 1회 인발 가공하여 히트 롤러용 규격에 맞게 단면감소율 15±1%를 갖는 인발물을 제작하는 인발단계(S40)를 포함한다.

알루미늄, 용접, 히트 롤러, 인발, 완전풀림

Description

히트 롤러의 제조방법 및 그의 제조물{Manufacturing Method For Heat Roller and Product thereof}

도 1은 일반적인 레이저 프린터용 토너 카트리지의 구성을 설명하기 위한 개략도,

도 2는 종래 기술에 따른 히트 롤러용 원통형 지지체의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도,

도 3은 종래 다른 기술에 따른 알루미늄합금 용접파이프 및 그의 확대 단면도,

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 히트 롤러의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도,

도 5는 도 4에 도시된 히트 롤러의 제조방법에 사용된 롤러본체 제조설비를 설명하기 위한 공정도,

도 6은 도 5에 도시된 히트 롤러에 관련된 롤러본체 제조설비에 의한 제조물인 용접타입 중공형 롤러본체의 사시도 및 부분 확대도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 롤러본체 제조설비 110 : 조관장치

120 : 용접장치 130 : 열처리장치

140 : 인발장치 150 : 사이징 및 피니싱장치

본 발명은 히트 롤러의 제조방법 및 그의 제조물에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 고주파 유도가열 용접방식을 이용하여 기존의 주조, 사출, 압출 등의 제조방식에 의한 중공체에 비해 강도 및 경도가 우수하면서도, 생산성, 제조속도, 가격, 제조두께, 편심도 등의 품질 특성이 매우 양호한 히트 롤러의 제조방법 및 그의 제조물에 관한 것이다.

일반적으로 LBP(Laser Beam Printer)와 같은 레이저 프린터, 팩스, 복사기 등은 토너(toner)를 현상제로 하고 일반 용지를 사용하는 것으로서, 레이저, 발광 다이오드(LED), 액정 셔터(liquid crystal shutter) 등을 광원으로 하여, 전자사진공정(electro-photographic process)에 의해 인쇄 또는 복사를 수행한다.

도 1에 도시된 레이저 프린터용 토너 카트리지의 일반 구성을 살펴보면, 카본(carbon)과 쇠가루로 이루어진 토너를 저장하고 있고 교반장치를 구비한 토너호퍼, 와이퍼 블레이드(wiper blade), 리커버리 블레이드(recovery blade), 웨이스트 챔버 등을 갖고 있되, 용지(2) 공급을 위해 외측에 픽업 롤러(3)를 배치시킨 카트리지 하우징(1)과; 음(-)전하로 대전된 토너를 토너호퍼로부터 끌어올리는 역할을 하되 토너의 끌어올리는 양을 조절하기 위해 닥터 블레이드(doctor blade)를 외주면에 근접하게 배치한 마그네틱 롤러(4)와; 이런 마그네틱 롤러(4)의 인접한 위치에 형성되고 레이저빔이 인쇄할 문자, 화상 등의 이미지를 표면에 쏘아 주는 바와 같이 노광을 수행할 경우, 그 노광된 부분에만 상기 마그네틱 롤러(4)와의 정전기력 차이에 의해서 토너가 묻게 되도록 하는 감광드럼(5)(OPC Drum : Organic Photo Conductor Drum)과; 상기 감광드럼(5)의 일측 외주면에서 맞물리도록 설치되어서 고압트랜스로부터 음(-)전하를 인가 받아 상기 감광드럼(5)에 대전시키는 PCR(6 : Primary Charge Roller)을 갖는다.

한편, 감광드럼(5)의 타측 외주면에 배치된 TCR(7 : Transfer Charge Roller)은 용지(2)의 반대쪽에서 양(+)전하를 띄고 있으므로 상기 감광드럼(5)에 대전된 토너를 용지(2)의 표면에 전사시킨다. 즉, 음(-)전하를 갖는 감광드럼(5)의 표면에 있던 토너가 양(+)전하를 띈 TCR(7)에 의해 용지(2) 쪽으로 이동된다.

토너가 전사된 용지(2)는 히트 롤러(8)와 고무 롤러(9) 조립체의 사이를 통과하여 정착(fusing)이 이루어진다.

여기서, 고무 롤러(9)는 용지를 히트 롤러(8)쪽으로 누르는 하부정착 롤러(Lower Fuser Roller)이고, 히트 롤러(8)는 토너를 종이에 녹여 부착시키도록 발열체를 내장하고 표면에 테프론(teflon) 코팅을 한 상부정착 롤러(Upper Fuser Roller)이다.

종래 기술에 관련된 히트 롤러(8)는 내부에 소정의 공간부가 형성된 알루미늄재질의 히트 롤러용 원통형 지지체와; 이런 히트 롤러용 원통형 지지체의 표면에 테프론을 코팅한 코팅층과; 상기 히트 롤러용 원통형 지지체의 내부에서 축심을 기준으로 삽입된 발열체와; 히트 롤러(8)가 토너 카트리지 상부에서 회전될 수 있도록 상기 히트 롤러용 원통형 지지체의 단부에 끼워져 결합된 기어부재로 이루어져 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 히트 롤러용 원통형 지지체의 제조방법은 빌렛(billet)제작단계(S1)와; 압출(extrusion)단계(S2)와; 3∼4회 인발(drawing)단계(S3)와; 사이징(sizing)단계(S4)로 이루어져 있다.

빌렛제작단계(S1)는 알루미늄합금을 단동식 또는 복동식, 혹은 직접 또는 간접식 압출기계의 컨테이너에 장착할 수 있도록 빌렛(billet)과 같은 압출소재를 제작하는 단계이다.

압출(extrusion)단계(S2)는 상기 빌렛제작단계(S1)의 압출소재를 해당 지지체의 지름 규격보다 상대적으로 매우 큰 지름과, 지지체의 두께 규격(예 : 관벽 두께 1t, 여기서, 1t는 1㎜를 의미함)보다 상대적으로 매우 두꺼운 관벽 두께(예 : 3∼4t)를 갖는 중공형 압출부재로 제작하는 단계이다.

여기서, 최종 히트 롤러용 원통형 지지체보다 중공형 압출부재의 지름을 크게 또는 그의 관벽 두께를 두껍게 압출시키는 이유는, 중공 형상으로서 중심 다이(center die)와 외부 다이(outer die) 사이를 연결하는 복수개(예 : 3개)의 중심 다이 고정대로 이루어진 압출 다이의 특징과, 히트 롤러의 품질에 기인한다.

즉, 압출소재가 압출 다이의 단면적을 통과하여 중공형 압출부재로 가공될 때, 상기 중공형 압출부재의 단면에는 상기 중심 다이 고정대의 개수와 간격만큼 가공라인이 형성되며, 이런 알루미늄합금과 같은 압출소재에서 가공라인을 최소화하기 위해서는 적어도 중심 다이(center die)와 외부 다이(outer die)의 사이 간격을 최소 3t 정도로 유지하여야 하기 때문이다.

히트 롤러의 품질을 기준으로 살펴볼 때, 관의 측단부, 외표면 또는 단면 부위 등에 가공라인, 스폿(spot), 얼룩(stain) 등이 없어야 테프론 코팅을 균일하게 할 수 있어서, 히트 롤러의 원통형 지지체로서 사용될 수 있기 때문이다.

3∼4회 인발(drawing)단계(S3)는 상기 압출단계(S2)를 통해서 상대적으로 두꺼운 최소 관벽 두께 3t를 갖고 유동라인이 존재하는 중공형 압출부재를 수차례, 예컨대 3∼4회에 걸쳐서 다단계 인발 가공을 하여 관벽 두께 1t의 중공형 인발가공품으로 제작하는 단계이다.

예컨대, 1회 인발 가공시, 관벽 두께 3t의 중공형 압출부재를 관벽 두께 2t의 1차 중공형 인발가공품으로 가공한다. 이후, 1차 중공형 인발가공품은 2회, 3회, 4회에 걸쳐 단계적인 인발 가공을 받음에 따라, 1차 중공형 인발가공품의 관벽 두께가 2t에서 1.5t, 1.2t, 1t와 같이 단계적으로 축소된 중공형 인발가공품이 된다.

이렇게 다단계 인발을 할 수 밖에 없는 이유는, 종래 기술의 압출 후 인발이라는 공정상의 이유 때문이다.

즉, 압출을 통해 최대로 얇게 제작할 수 있는 관벽 두께가 3t인 반면, 히트 롤러의 기술 스팩에서 원하는 관벽 두께가 1t이므로, 통상의 인발가공에 의해서 중공형 압출부재의 상대적으로 두꺼운 관벽 두께를 단숨에 축소시킬 수 없고, 반드시 인발 가공시에 단면감소율을 고려하여 다단계로 축소시켜야 하기 때문이다.

만일, 해당 중공형 압출부재의 단면감소율을 고려하지 못하고 무리하게 관벽 두께를 낮출 경우, 인발응력 증가에 따라 어떤 한도에 도달시 중공형 압출부재 자체가 절단되어 인발 가공이 불가능하기 때문이다.

사이징(sizing)단계(S4)는 관벽 두께 1t의 중공형 인발가공품을 사이징 롤(sizing roll), 교정 롤(straightening roll) 등에 통과시켜서 히트 롤러용 원통형 지지체를 제작하는 단계이다.

이렇게 히트 롤러용 원통형 지지체가 제작된 후에는, 통상적인 테프론 코팅과 발열체 조립 및 기어부재 조립을 통해서, 결국 히트 롤로가 완성된다.

그러나, 종래 기술에 따른 히트 롤러용 원통형 지지체의 제조방법은, 중공형 압출부재를 다단계의 인발 가공하기 때문에 제품 불량이 발생되는 비율이 크고, 제조속도 면에서도 분당 15m 정도, 1일당 1.5톤 정도의 비효율적인 생산성에 의한 단점을 갖고 있다.

또한, 종래 기술에 따른 히트 롤러용 원통형 지지체의 제조방법은 압출제품의 특징에 따라 강도 및 경도가 낮고, 가격이 상대적으로 비싸며, 편심도가 큰 단점을 갖고 있다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 다른 종래 기술에는 제조속도가 분당 100m 정도이고 제조 두께도 얇으면서 강도 및 경도가 높지만 용접비드선에 의해 표면이 불균일하여 편심도가 큰 알루미늄합금 고주파 유도가열 용접 파이프 제조방법이 있다.

만일, 고주파 유도가열 용접 파이프 제조방법으로 원통형 지지체(8a)를 제조할 경우에는, 매우 정밀한 표면 가공을 통해서 원통형 지지체(8a)의 겉모습이 앞서 설명한 다단계의 인발 가공을 요구하는 압출제품과 유사 내지 동일하게 제작될 수 있을지언정, 제품 결함으로 지적되는 상대적으로 폭이 두꺼운 크기(예 : 0.5㎜ ∼ 2㎜)의 용접선(8d)을 제거하거나 또는 감소시키기가 매우 어려운 단점이 있다.

또한, 단순 고주파 유도가열 용접 파이프와 같은 원통형 지지체(8a)는 용접선(8d)을 기준으로 용접부위(8b)와 비용접부위(8c)간 조직차이, 예컨대 경도차이가 크게 발생되어서 히트 롤러의 제품 스팩에 미달되어 히트 롤러용 원통형 지지체로서 사용할 수 없으며, 특히 용접파이프를 기준으로 열처리를 하더라도 하기의 [표 1], [표 2]에서 확인되듯이, 종래의 원통형 지지체(8a)는 경도차이가 본 발명에 비해 상대적으로 크게 발생되고 용접선 등과 같은 결함이 발생된다.

또한, 매끄러운 표면을 갖도록 표면처리 하는 과정에서 상기 원통형 지지체(8a)는 용접과정의 조직결정이 상존하기 때문에 표피 안쪽에 안보이던 스폿(spot) 또는 얼룩(stain)이 표출되어 히트 롤러에 적합하지 않게 되는 단점을 갖는다.

한편, 스테인리스 파이프 업계에서 용접 등의 기계 가공 후, 고품질의 제품을 제작하기 위해 조직차이를 균일화하는 열처리가공(예 : 풀림) 등을 특정 온도 및 시간 조건에서 수행한 바 있으나, 금속, 비철금속 소재별로 각각 다른 조직과 특성이 존재하는 바, 일반적인 알루미늄합금 파이프 제조방법 또는 스테인리스 파이프 제조방법으로 히트 롤러용 원통형 지지체를 제작할 수 없는 실정이다.

실제로, 종래의 거의 대부분의 히트 롤러용 원통형 지지체는 알루미늄합금 소재를 압출하고 다단계로 인발 가공한 제품으로서 제작되고 있는 실정이며, 대한민국에서는 제조경제상 고가인 산업적 측면과, 알루미늄합금 용접기술 및 가공기술의 미비에 따른 기술적 측면에 의해서 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고주파 유도가열 용접에 의해 알루미늄합금 재질의 고강도 튜브형 용접물을 제조한 후 완전풀림과 1회 인발 가공을 수행하여 용접타입 중공형 롤러본체를 제조함에 따라서, 용접부위와 비용접부위간 조직차이를 감소시키거나 매우 유사하게 할 수 있고, 용접선을 제거할 수 있으며, 제조속도를 높이고 제조가격을 낮추어 생산성을 극대화할 수 있는 히트 롤러의 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 생산성 및 제조가격 면에서 경쟁력이 있고, 편심도가 작으며, 용접선이 제거되어 있어 히트 롤러 제품 규격에 대응할 수 있고, 조직차이 중 경도차이가 거의 없고, 관벽 두께가 상대적으로 얇으면서도 강도 및 경도가 우수한 히트 롤러의 제조방법에 의해 제조된 제조물을 제공하고자 한다.

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 정밀한 완성 가공과 신연(伸延)에 따른 방향성 조직 형성을 위해서 5000계열 알루미늄합금 소재를 냉간 압연하여 압연물을 제작하는 5000계열 알루미늄합금 잉고트 압연단계와; 상기 압연물을 고주파 유도가열 용접 방식으로 용접하여 고강도 튜브형 용접물을 제작하는 고주파 유도가열 용접단계와; 상기 용접물을 온도 410±10℃, 2시간으로 조직 재결정을 수행하여 연화(軟化) 용접물을 제작하는 완전풀림단계와; 상기 연화 용접물을 1회 인발 가공하여 히트 롤러용 규격에 맞게 단면감소율 15±1%를 갖는 인발물을 제작하는 인발단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 롤러의 제조방법 및 그의 제조물에 의해 달성된다.

아래에서, 본 발명에 따른 히트 롤러의 제조방법 및 그의 제조물의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 히트 롤러의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 5는 도 4에 도시된 히트 롤러의 제조방법에 사용된 롤러본체 제조설비를 설명하기 위한 공정도이며, 도 6은 도 5에 도시된 히트 롤러에 관련된 롤러본체 제조설비에 의한 제조물인 용접타입 중공형 롤러본체의 사시도 및 부분 확대도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 히트 롤러의 제조방법은 5000계열 알루미늄합금 잉고트 압연단계(S10)와; 고주파 유도가열 용접단계(S20)와; 완전풀림단계(S30)와; 인발단계(S40)와; 사이징 단계(S50)와; 불소수지 피복단계(S60)와; 가열장치 및 기어부재 조립단계(S70)를 순차적으로 수행함에 따라 정착(fusing) 공정을 장치(예 : 레이저 프린터, 팩스, 복사기 등)의 히트 롤러와 같은 제조물을 제작 한다.

5000계열 알루미늄합금 잉고트 압연단계(S10)는 정밀한 완성 가공과 신연(伸延)에 따른 방향성 조직 형성을 위해서 잉고트(ingot) 형식으로서 5000계열 알루미늄합금 소재(예 : A5052)를 0.7∼0.8t의 판재두께로 냉간 압연함에 따라 판재 또는 시트 형태의 압연물을 제작한다.

이렇게 냉간 압연하여 제작된 압연물은 방향성을 갖는 새로운 형상의 결정을 갖고 있어서 강도 및 경도가 압출제품 등에 비해 상대적으로 큰 특징을 갖는다.

설명의 용이성을 위해서, 상기 압연물의 판재두께를 0.8t로 선택하여 이하의 설명에서 설명하도록 하겠다.

알루미늄합금 잉고트 압연단계(S10)의 압연물은 스트립(strip)을 코일 형태로 감아 하기에 설명할 히트 롤러에 관련된 롤러본체 제조설비에 제공된다.

고주파 유도가열 용접단계(S20)는 고주파 유도가열 용접 방식으로 상기 압연물을 기본 용접물로 용접시킨 후 절삭, 냉각, 절단 등을 거쳐 고강도 튜브형 용접물로 제작하는 단계이다.

즉, 고주파 유도가열 용접단계(S20)에서는 상기 롤러본체 제조설비에 구비된 조관장치가 일반적인 조관공정을 통해서 상기 압연물을 파이프 형상으로 만든다.

이후, 조관공정의 후반부에서 고주파 유도가열 용접장치가 비 앵글각도(vee angle)를 유지하면서 연속적으로 상호 밀접하게 공급되는 용접부위를 400㎑ ∼ 600㎑ 범위내에서 선택된 어느 하나의 출력값으로 용접한다.

이후, 맨드릴 공법 또는 일반적인 절삭공법을 이용하여 상기 용접물의 용접 된 부위의 내측 및 외측의 용접비드를 제거한 후, 이를 냉각시켜서 용접응력 및 절삭가공응력을 제거하고, 결국 미리 정한 길이(예 : 6m ∼ 10m)로 절단하여 고강도 튜브형 용접물을 제작한다.

이때, 고강도 튜브형 용접물은 조관공정별로 직경 15㎜ ∼ 50㎜ 중에서 선택된 어느 하나의 지름과, 소정 관벽 두께(예 : 0.8t)를 갖을 수 있다.

이렇게 제작된 본 발명의 고강도 튜브형 용접물은 상대적으로 양호한 취성과 견고한 내구성과 같은 고품질의 용접 품질을 갖고, 종래의 압출제품(예 : 관벽 두께 3t)에 비해 월등히 얇은 관벽 두께, 즉 0.8t를 갖는다.

완전풀림단계(S30)는 완전풀림 가공을 수행할 수 있는 통상적인 열처리장치에 의해 상기 고강도 튜브형 용접물을 온도 410±10℃, 2시간동안 조직 재결정을 수행함에 따라 연화(軟化) 용접물을 제작하는 것이 바람직하다.

인발단계(S40)는 단면감소율 15±1%로 가공을 수행할 수 있는 인발다이 및 인발장치를 이용하여 상기 연화 용접물을 인발 가공한다. 여기서, 인발전 연화 용접물은, 인발 후 관벽 두께 0.6∼0.68t와 같은 인발물이 된다.

사이징 단계(S50)는 상기 인발물을 사이징 롤, 교정 롤 등에 통과시키고 히트 롤러 제품 규격에 맞게 길이를 절단하여 히트 롤러 규격에 대응할 수 있는 관벽 두께 및 길이를 갖는 용접타입 중공형 롤러본체를 제작한다.

여기서, 종래 기술을 보여주는 도 3과 본 발명 관련 도 6을 비교 참조할 때, 상기 용접타입 중공형 롤러본체는 일반적인 고주파 유도가열 용접에 비해 용접선이 없거나 종래에 비해 확연히 감소되어 있다. 즉, 상기 완전풀림단계(S30) 이후 인 발단계(S40) 및 사이징 단계(S50)를 거치는 동안 용접부위와 비용접부위간 경도차이 및 용접선이 감소 또는 제거된 것이다.

이를 입증하기 위한 입증실험으로, A5052 알루미늄합금을 사용하되, 일반적인 고주파 유도가열 용접 후 완전풀림 처리만을 수행한 종래 기술 관련 제1그룹의 시편들, 즉 무인발(無引拔) 상태의 시편 A-1, B-1, C-1, D-1을 준비한다.

또한, 동일 알루미늄합금으로서, 5000계열 알루미늄합금 잉고트 압연단계(S10), 고주파 유도가열 용접단계(S20), 완전풀림단계(S30), 인발단계(S40) 및 사이징 단계(S50)를 순차적으로 모두 수행한 본 발명 관련 제2그룹의 시편들, 즉 인발 상태의 시편 A-2, B-2, C-2, D-2를 준비한다.

시험조건으로, 하기의 [표 1]과 같이 모두 동일하게 A5052 알루미늄합금을 사용하며, 역시 모두 동일하게 완전풀림 공정과 같이 410±10℃에서 시간별(30분/1시간/2시간/4시간)로 열처리 한 후 로냉으로 200℃까지(약 2시간) 냉각 및 공냉시킨다. 그런 다음, 3개의 측정지점 각각에서 용접부위와 비용접부위별로 비커스 경도를 측정 후 평균값을 산출한다.

입증실험의 비거스 경도 측정결과는 [표 2]와 같다.

[표 2]에서와 같이, 본 발명 관련 제2그룹의 시편들은 각각의 용접부위와 비용접부위 각각의 평균값간 경도차이가 거의 없어 용접 품질이 뛰어난 반면, 종래 기술 관련 제1그룹의 경도차이는 용접부위와 비용접부위 사이에서 크게 차이가 발생되어 용접 품질이 떨어짐이 확인되었고, 조직 검사에서도 제2그룹의 시편들은 용접선이 제거된 것으로 확인되었다.

특히, 완전풀림과 같은 열처리를 너무 짧게(예 : 30분) 수행 하거나 장시간(예 : 4시간) 수행할 경우, 오히려 용접부위 및 비용접부위 모두 경도가 떨어지기 때문에, 본 발명에서는 상기 용접물을 온도 410±10℃, 2시간동안 완전풀림을 수행한 '시편 C-2'가 다른 시편들에 비해 경도 및 강도를 증가시키면서도 균일한 경도차이를 보이고 있으므로, 히트 롤러의 기술 규격에 적합한 것으로 판단된다.

예컨대, 시편 C-2의 경도차이는 비커스 경도 기준, 0.2 ∼ 1.13에서 선택된 어느 하나에 해당하는 0.81이지만, 다른 시편들에 비해 경도 및 강도가 크기 때문에 히트 롤러에 적합하게 사용될 수 있다.

한편, 불소수지 피복단계(S60)는 불소수지 소재군에서 선택된 어느 하나의 피복소재(예 : 원료명 Dupont 420-119)를 사용할 수 있다. 불소수지 피복단계(S60)에서는 용접타입 중공형 롤러본체를 피복장치에 입고시키는 입고과정과; 입고된 상기 용접타입 중공형 롤러본체의 세척(Tec)하는 세척과정과; 온도 150∼400℃로 가열하여 상기 세척된 용접타입 중공형 롤러본체의 표면에 흡착된 기체를 제거하는 가층제거과정과; 상기 가층제거과정을 거친 용접타입 중공형 롤러본체를 매쉬(mesh) 100∼500#으로 연마하는 샌드브라스팅 과정과; 이후 통상의 소결과정을 수행한다.

이후, 소결과정을 거친 용접타입 중공형 롤러본체에 상기 선택된 피복소재를 분사시켜 30 ∼ 50마이크론 정도의 두께를 갖도록 하는 스프레이과정을 수행하고, 이후 360℃ ∼ 380℃로 가열하는 열처리과정을 수행하여 인쇄, 복사 등에 필요한 고온의 온도에 견딜 수 있는 피복층을 용접타입 중공형 롤러본체에 형성시킨다.

마지막으로, 가열장치 및 기어부재 조립단계(S70)에서는 유리봉 타입, 비접촉식 타입의 히터와 같은 발열장치를 상기 피복층을 갖는 용접타입 중공형 롤러본체 내부에 장착시키고, 통상의 히트 롤러용 플라스틱 기어 및 마감부재를 조립시켜 히트 롤러를 완성시킨다.

이하, 롤러본체 제조설비를 기준으로 본 발명의 히트 롤러의 제조방법에 사용된 제조장치를 설명하고자 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 롤러본체 제조설비(100)는 판재두께 0.7∼0.8t의 5000계열 알루미늄합금 소재, 더욱 바람직하게 A5052 알루미늄합금 소재로 파이프 형상을 조관하는 조관장치(110)를 갖는다.

여기서, 조관장치(110)는 언코일러(111 : uncoiler), 브레이크패스 롤(112 : break down pass roll), 사이드 롤(113 : side roll), 핀패스 롤(114 : fin pass roll)을 순차적으로 배열하여서 스트립 단면을 단계적으로 중공형으로 형성시킨 압연물(194)을 성형하는 역할을 담당한다.

이후, 압연물(194)은 조관공정의 후반부에서 비 앵글각도(vee angle)를 유지하면서 연속적으로 고주파 유도가열 용접장치(120)[이하, '용접장치(120)'라 칭함]를 통과함에 따라 관벽 두께 0.8t 등의 기본 용접물(195)로 조관된다.

여기서, 용접장치(120)는 비 앵글각도를 유지하며 공급되어 오는 압연물(194)을 가이드하기 위한 심 가이드 롤(121 : seam guide roll) 이후에 400㎑ ∼ 600㎑ 범위내에서 선택된 어느 하나의 출력값으로 용접을 수행하도록 임피더(122 : impeder), 유도코일(123) 및 가압 롤(124 : squeeze roll)을 배치하고, 절삭장치(125), 냉각장치(126), 관 절단장치(127)로 구성되어 있다.

즉, 기본 용접물(195)은 본 출원인에 의해 고안된 맨드릴 방식의 파이프 용접비드 제거장치(특허등록 제531101호) 또는 일반적인 비드절삭 장치 등과 같은 용접비드 제거용 절삭장치(125)와; 용접응력 및 절삭가공응력을 제거하기 위한 냉각장치(126) 및 관 절단장치(127)에 의해서 개별적인 고강도 튜브형 용접물(196)이 된다.

고강도 튜브형 용접물(196)은 롤러본체 제조설비(100)의 완전풀림을 위한 열처리장치(130)를 통과하여 연화 용접물(197)이 된다.

이를 위해, 열처리장치(130)는 컨베이어 벨트(131, 133) 등을 구비한 입출구 사이에 완전풀림용 열처리로(132)를 구비한다.

여기서, 완전풀림용 열처리로(132)는 적어도 30분 내지 6시간 동안 온도 400℃ ∼ 600℃에서 선택된 어느 하나의 설정 온도(예 : 410±10℃)를 균일하게 유지시킬 수 있고, 온도 조절 장치를 구비한 것이 바람직하다.

이런 열처리장치(130)에 의해 연화 용접물(197)은 1회 인발 가공을 위한 인발장치(140)를 통과하면서, 관벽 두께 0.6∼0.68t(단면감소율 15±1%)를 갖는 인발물(198)로서 가공된다.

이를 위해, 인발장치(140)는 단면감소율 15±1%로 가공을 수행할 수 있는 인발다이(141)와; 봉재 인발 가공력을 제공하도록 결합된 인발기(142)로 이루어져 있다.

인발장치(140)를 빠져나온 인발물(198)은 사이징 및 피니싱(sizing and finishing)장치(150)를 통해 절단 전 튜브본체(199)가 된 후, 절단장치(153)에 의해 절단 되어 히트 롤러용 규격을 갖는 용접타입 중공형 롤러본체(200)로서 완성된다.

여기서, 사이징 및 피니싱장치(150)는 통상의 조관 공정상에서 사용되는 사이징 롤(151), 교정 롤(152), 절단장치(153) 및 버(burr) 제거용 완성 가공장치(도시 안됨)로 구성되어 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 완성된 용접타입 중공형 롤러본체(200)는 용접부위(201)와 비용접부위(202)의 경도차이가 거의 없고, 용접선이 제거되어 있다.

이런 용접타입 중공형 롤러본체(200)는 비커스 경도 기준, 0.13 ∼ 1.92에서 선택된 어느 하나의 용접부위(201)와 비용접부위(202)간 경도차이를 갖는 제품으로서, 상술한 바 있는 불소수지 피복단계(S60)와 가열장치 및 기어부재 조립단계(S70)를 통해서 히트 롤러로 제조 및 완성된다.

본 발명의 히트 롤러의 제조방법은 상대적으로 관벽 두께가 얇은 용접물, 즉 기존 압출제품 1t에 비해 0.6∼0.68t 이하의 관벽 두께를 갖고 있으며, 완전풀림 가공과 같은 열처리 후 경제적이면서도 용접선 등을 없앨 수 있는 1회의 인발 가공을 통해 비교적 얇은 관벽 두께를 가지고 있으면서도 경도 및 강도가 높은 용접타입 중공형 롤러본체를 경제적으로 양산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 히트 롤러의 제조방법은 고비용의 인발과정을 1회로 획기적 으로 단축시키는 경제적 측면과 함께, 용접기술을 통해 히트 롤러의 기술 스팩에 대응할 수 있는 고품질, 고경도 및 고내식성을 균일하게 갖는 용접타입 중공형 롤러본체를 제조할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 히트 롤러의 제조방법은 기존 3∼4회의 인발 가공을 1회로 단축시킴에 따라 불량률 발생을 대폭 줄일 수 있고, 공정 축소에 따라 생산성을 기대할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 히트 롤러의 제조방법에 의해 제조된 제조물은 완전풀림 후 인발단계를 거치면서 연화되고 조직이 균일하기 때문에 편심도가 매우 양호하며, 균일한 피복층 형성이 가능하며, 용접 특성에 의해 강도 및 경도가 높고, 일반 용접물에 비해 용접부위와 비용접부위간 경도차이가 거의 없으며, 기존 압출제품에 비해 제품 불량률을 획기적으로 줄일 수 있고, 제조속도, 생산성, 가격 모두 경쟁력을 갖는 이점을 갖고 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (7)

1. 히트 롤러의 제조방법에 있어서,

   정밀한 완성 가공과 신연(伸延)에 따른 방향성 조직 형성을 위해서 5000계열 알루미늄합금 소재를 냉간 압연하여 압연물을 제작하는 5000계열 알루미늄합금 잉고트 압연단계와;

   상기 압연물을 고주파 유도가열 용접 방식으로 용접하여 고강도 튜브형 용접물을 제작하는 고주파 유도가열 용접단계와;

   상기 용접물을 온도 410±10℃, 2시간으로 조직 재결정을 수행하여 연화(軟化) 용접물을 제작하는 완전풀림단계와;

   상기 연화 용접물을 1회 인발 가공하여 히트 롤러용 규격에 맞게 단면감소율 15±1%를 갖는 인발물을 제작하는 인발단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 롤러의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 압연단계에서, 상기 5000계열 저융점 알루미늄합금 소재가 A5052이고, 상기 압연물의 판재두께가 0.7∼0.8t인 것을 특징으로 하는 히트 롤러의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 인발단계에서, 상기 연화 용접물이 단면감소율 15±1%를 갖는 인발다이를 장착한 인발장치에 의해 인발 가공되는 것을 특징으로 하는 히트 롤러의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 인발단계 이후, 상기 인발물을 사이징 롤, 교정 롤에 통과시키고 히트 롤러 규격에 맞게 길이를 절단하여 용접타입 중공형 롤러본체를 제작하는 사이징 단계와;

   상기 용접타입 중공형 롤러본체에 불소수지 소재군에서 선택된 어느 하나의 피복소재를 피복시켜 피복층을 형성하는 불소수지 피복단계와;

   상기 피복층이 형성된 용접타입 중공형 롤러본체 내부에 발열장치를 장착하고 히트 롤러용 플라스틱 기어 및 마감부재를 조립시켜 히트 롤러를 완성시키는 가열장치 및 기어부재 조립단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 히트 롤러의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 불소수지 피복단계에서는 상기 용접타입 중공형 롤러본체를 피복장치에 입고시키는 입고과정과; 입고된 상기 용접타입 중공형 롤러본체의 세척(Tec)하는 세척과정과; 온도 150∼400℃로 가열하여 상기 세척된 용접타입 중공형 롤러본체의 표면에 흡착된 기체를 제거하는 가층제거과정과; 상기 가층제거과정을 거친 용접타입 중공형 롤러본체를 매쉬(mesh) 100∼500#으로 연마하는 샌드브라스팅 과정 및 소결과정과; 상기 소결과정을 거친 용접타입 중공형 롤러본체에 상기 선택된 피복소재를 분사시켜 30 ∼ 50마이크론 정도의 두께를 갖도록 하는 스프레이과정과; 상기 스프레이과정 이후 360℃ ∼ 380℃로 가열하는 열처리과정을 수행하는 것을 특징을 하는 히트 롤러의 제조방법.
6. 청구항 제1항에 기재된 히트 롤러의 제조방법에 의해 제조된 제조물에 있어서,

   적어도 완전풀림 열처리 이후 인발 가공에 의해 용접선이 제거된 A5052 재질의 용접타입 중공형 롤러본체를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 롤러.
7. 제6항에 있어서,

   상기 용접타입 중공형 롤러본체가 비커스 경도 기준, 0.2 ∼ 1.13에서 선택된 어느 하나의 용접부위와 비용접부위간 경도차이를 갖는 것을 특징으로 하는 히트 롤러.

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