KR100808675B1 - 재생냉각형 노즐의 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 재생냉각형 노즐의 내측 구조물 제작에 사용되는 재료를 단조 가공하는 단조 단계; 단조단계에 의해 단조 가공된 재료를 진공로에서 열처리한 후 노냉 시키는 열처리단계; 열처리단계가 완료된 재료의 조직을 분석하는 검사단계; 검사단계에서 검사 완료된 재료를 이용하여 외주면에 냉각채널이 구비된 내측구조물을 제작하는 1차가공단계; 1차가공단계에서 가공된 내측구조물의 일단부를 벌징 하는 벌징단계; 및 벌징 단계에서 벌징된 내측구조물과 재생냉각형 노즐의 외측구조물을 브레이징(brazing) 한 후 용접이 용이하도록 가공하는 2차가공단계를 포함하는 재생냉각형 노즐의 제작 방법이 개시된다. 개시된 재생냉각형 노즐의 제작 방법에 의해 제작된 재생냉각형 노즐은 냉각채널이 있는 노즐, 콘(cone), 또는 벨(bell) 형상의 내측구조물에 벌징 공정을 수행할 때 구조물의 파손 및 손상을 방지할 수 있다.

재생냉각형 노즐, 냉각채널, 벌징

Description

재생냉각형 노즐의 제작 방법{Manufacturing method for regenerative cooling thrust chamber nozzle}

도 1은 본 발명에 따른 재생냉각형 노즐의 제작 방법의 공정도,

도 2는 본 발명에 따른 내측구조물의 측단면도,

도 3은 본 발명에 따른 벌징단계의 가공도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...채널리브 20...냉각채널

30...내측구조물 40...외측구조물

50...벌징치구

본 발명은 재생냉각형 노즐의 제작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각채널이 구비되어 있는 노즐의 내측구조물에서 복수개의 벌징 치형을 이용하여 노즐 확대부를 벌징함으로써 벌징 공정 시 발생하는 제품의 파손 및 손상을 방지 할 수 있도록 하는 재생냉각형 노즐의 제작 방법에 관한 것이다.

일반적으로 어떠한 형상을 갖는 금속 구조물의 제작은 기계가공을 이용한다.

여기서, 액체로켓 연소기의 재생냉각 챔버에서 노즐목(nozzle throat)이후 노즐 확대부는 직경이 점차적으로 증가하는 콘(cone) 또는 종(bell) 형상으로 이루어진다.

따라서, 재생냉각형 노즐의 제작은 노즐의 내측구조물과 외측구조물을 기계 가공하여 제작한 후 내측구조물과 외측구조물을 브레이징(brazing)으로 접합하는 방식과, 내측구조물과 외측구조물을 기계가공 한 후 전기도금을 이용하여 외측구조물을 내측구조물의 외주면에 원하는 두께만큼 증착하여 제작하는 두 가지의 방식으로 사용되고 있다.

여기서, 기계가공을 통해 제작한 내측구조물과 외측구조물을 조립하는 경우에는 노즐의 확대부의 기하학적 형상 때문에 내측구조물을 외측구조물에 조립할 수 있는 형상으로 가공한 후 제작하고자 하는 최종형상으로 가공하는 벌징 공정이 필요하다.

그러나, 근래에는 노즐 확대부의 벌징 공정에서 단지 하나의 벌징 치구를 이용하여 벌징 하며, 이러한 벌징 치구는 벌징 전 내측구조물과의 형상의 차이가 크기 때문에 벌징 공정 시 노즐 확대부의 벌징이 급격히 이루어진다.

따라서, 노즐확대부의 내측구조물을 벌징 할 때 전체적으로 균일한 변형이 발생되지 않기 때문에 내측구조물의 손상 및 파손이 발생하고 그에 따라 제품의 생산성이 저하되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 재생냉각형 노 즐의 벌징 공정 시 내측구조물이 전체적으로 균일하게 변형이 발생할 수 있도록 하여 내측구조물의 변형에 대한 손상 없이 노즐을 제작할 수 있도록 하는 재생냉각형 노즐의 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 재생냉각형 노즐의 제작 방법은 재생냉각형 노즐의 내측 구조물 제작에 사용되는 재료를 단조 가공하는 단조 단계; 상기 단조단계에 의해 단조 가공된 재료를 진공로에서 열처리한 후 노냉 시키는 열처리단계; 상기 열처리단계가 완료된 재료의 조직을 분석하는 검사단계; 상기 검사단계에서 검사 완료된 재료를 이용하여 외주면에 냉각채널이 구비된 내측구조물을 제작하는 1차가공단계; 상기 1차가공단계에서 가공된 내측구조물의 일단부를 벌징 하는 벌징단계; 및 상기 벌징 단계에서 벌징된 내측구조물과 재생냉각형 노즐의 외측구조물을 브레이징(brazing) 한 후 용접이 용이하도록 가공하는 2차가공단계를 포함한다.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

상기 단조단계(S1)는 재생냉각형 노즐의 내측구조물에 사용되는 재료를 단조처리 하여 재료의 그레인(grain) 사이즈를 작고 균일하게 만든다.

이러한, 상기 단조단계(S1)에서 사용되는 재료는 구리(cu)에 크롬(cr)이 함유된 구리합금이며, 자유단조 및 금형을 이용하여 단조 한다.

상기 열처리단계(S2)는 상기 단조단계(S1)에서 단조된 재료를 열처리하게 된다.

이러한, 상기 열처리단계(S2)는 진공로에서 800 내지 1030℃의 온도범위에서 20 내지 30분 동안 열처리를 수행하여 구리합금의 연신율(elongation)을 증가시킨다.

여기서, 열처리 온도가 상기 범위보다 낮으면 연신율이 저하되어 벌징 되지 않는 문제점이 발생하며, 상기 범위보다 높으면 재료가 용융 온도에 근접하여 금속의 기능을 상실하는 문제점이 발생한다.

또한, 열처리 시간은 열처리 되는 금속 재료의 크기에 따라 조절될 수 있다.

그리고 상기 열처리단계(S2)에 열처리 된 재료는 내부응력을 제거하고 재료를 연화하기 위해 진공로에서 노냉 시키며, 진공로가 아닌 상온에서 노냉 시키면 재료가 산화되는 문제점이 발생한다.

상기 검사단계(S3)는 상기 열처리단계(S2)에서 열처리 된 금속 재료의 조직을 광학 또는 전자현미경을 이용하여 분석하게 된다.

이러한, 상기 검사단계(S3)에서 분석된 금속 재료는 평균 입자 직경이 0.044㎜이하이고, 입자 면적은 0.00195㎟ 이하 이여야 하며, 1㎟에 대하여 입자 개수는 512개 이상이고, 1㎣에 대하여 입자 개수는 11600개 이상이어야 한다.

여기서, 재료는 입자의 직경 및 면적, 입자의 개수가 상기 범위를 만족하지 못하면 내측구조물의 벌징 공정에서 네킹(necking)이 발생할 수 있으며 이 경우, 상기 단조단계(S1)에서부터 새로운 공정을 재차 수행해야 한다.

상기 1차가공단계(S4)는 상기 검사단계(S3)에서 검사 완료된 재료를 이용하여 노즐의 내측구조물을 가공한다.

이러한, 상기 1차가공단계(S4)는 도 2에 도시한 바와 같이 외주면에 복수개의 채널리브(10)가 구비되어 냉각채널(20)을 형성하고, 중앙이 관통된 노즐형상의 내측구조물(30)을 제작하게 된다.

그리고, 상기 1차가공단계(S4)에서 제작된 내측구조물(30)은 미리 제작된 외측구조물(40)의 내부에 인입시켜 조립한다.

상기 벌징단계(S5)는 상기 1차가공단계(S4)에서 내측구조물(30)과 상기 외측구조물(40)을 조립한 후 상기 내측구조물(30)의 노즐부를 벌징한다.

이러한, 상기 벌징단계(S5)는 도 3에 도시한 바와 같이 일단부로 갈수록 지름이 작아지는 테이퍼 형상의 벌징 치구(50)가 복수개 구비되며, 복수개의 상기 벌 징 치구(50) 중 일부는 일단부에 서로 다른 크기의 곡면을 형성한다.

즉, 복수개의 상기 벌징 치구(50)의 테이퍼 진 정도(α)와 곡면의 곡률 반경(r)은 각각의 상기 벌징 치구(50)에 따라 다르게 형성된다.

여기서, 우선적으로 테이퍼 진 정도(α)가 가장 작은값의 상기 벌징 치구(50a)를 이용하여 상기 내측구조물의 일단부에 인입시키는 벌징을 수행하고, 점차적으로 테이퍼진 정도(α)가 큰 값과 곡면을 갖는 상기 벌징 치구(50b)를 이용하여 벌징을 단계적으로 수행하게 된다.

이때, 복수개의 상기 벌징 치구(50)의 개수는 5개에 한정되지 않고 벌징 되는 각도와 재료의 재질에 따라 벌징 치구의 개수를 변경하여 수행할 수 있음을 이해하여야 한다.

따라서, 상기 내측구조물에서 노즐 확대부는 복수개의 상기 벌징 치구(50)에 의해 단계적인 벌징 공정으로 벌징 되면서 벌징으로 인한 내측구조물의 급격한 변형에 따른 파손 및 손상을 방지할 뿐만 아니라 정확한 벌징 노즐 형상을 얻을 수 있다.

상기 2차가공단계(S6)는 상기 벌징단계(S5)에서 벌징된 내측구조물과 외측구조물을 브레이징(brazing)으로 접합한 후 노즐 확대부의 일단부를 용접을 수행할 수 있도록 가공한다.

이하, 본 발명을 하기 실시 예로 보다 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 이러한 실시예 등에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예1> 단조단계

재생냉각형 노즐의 재료로 사용된 구리(cu)에 크롬(cr)이 함유된 구리합금을 자유단조 하였다.

<실시예2> 열처리단계

자유단조에 의해 단조 처리된 재료를 840℃의 진공로에서 30분 동안 열처리 하였으며, 열처리 된 재료는 진공로에서 20분간 노냉 시켰다.

<실시예3> 검사단계

열처리된 재료의 조직을 전자현미경을 이용하여 관찰하였다

여기서, 평균 금속입자의 직경은 약 0.04㎜이고, 평균 금속입자 면적은 약 0.0019㎟이었으며, 1㎟에 대하여 금속입자의 개수는 약 518개이고, 1㎣에 대하여 금속입자의 개수는 약 12950개로서 기계가공에 대한 조건을 만족하였다.

<실시예4> 1차가공단계

조직 검사가 끝난 재료를 밀링 가공하여 외주면에는 복수개의 채널리브가 구비되며, 중앙이 관통된 상태로 일단부에서 일정한 직경을 가지다가 타단부로 갈수록 직경이 점차적으로 감소하면서 다시 직경이 일정하거나 아주 미세하게 직경이 감소하는 내측구조물을 제작하였다.

그런 다음, 미리 제작된 외측구조물의 내부에 상기 내측구조물을 인입시켜 조립하였다.

<실시예5> 벌징단계

일단부로 갈수록 지름이 작아지는 테이퍼 형상의 벌징 치구를 복수개 구비하였다.

여기서, 복수개의 상기 벌징 치구는 테이퍼 진 정도가 각각 다르며, 터이퍼 진 정도의 값이 작은 것에서부터 큰 것까지와 곡면이 형성되지 않은 치구와 형성된 치구를 단계적으로 상기 내측구조물의 일단부에 인입시켜 벌징 공정을 수행하였다.

<실시예6> 2차가공단계

벌징된 내측구조물과 외측구조물을 브레이징으로 접합한 후 노즐확대부의 일단부를 용접이 용이하도록 가공하였다.

이와 같이, 본 발명에 따른 제작 방법으로 제작된 재생냉각형 노즐은 내측구조물의 일단부를 벌징 할 때 복수개의 벌징 치구를 이용하여 단계적으로 벌징을 수행함으로써 내측구조물의 벌징되는 부분의 국부적인 변형이 발생하는 것을 방지하여 재료의 손상 및 파손 없이 재생냉각형 노즐을 제작할 수 있다.

본 발명에 따른 재생냉각형 노즐의 제작 방법에 의해 재생냉각형 노즐을 제작하면 노즐 확대부의 벌징 공정 시 복수개의 벌징 치구를 이용하여 단계적으로 나누어 수행함으로써 벌징 공정에 의해 변형되는 노즐 확대부의 손상 및 파손을 방지할 수 있다.

그리고, 재생냉각형 노즐의 제작 과정에서 불량품을 최소화할 수 있으며, 제작 공정 시간이 짧기 때문에 제품의 생산성을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예 의해 설명 되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (7)

1. 재생냉각형 노즐의 내측 구조물 제작에 사용되는 재료를 단조 가공하는 단조 단계;

   상기 단조단계에 의해 단조 가공된 재료를 진공로에서 열처리한 후 노냉 시키는 열처리단계;

   상기 열처리단계가 완료된 재료의 조직을 분석하는 검사단계;

   상기 검사단계에서 검사 완료된 재료를 이용하여 외주면에 냉각채널이 구비된 내측구조물을 제작하는 1차가공단계;

   상기 1차가공단계에서 가공된 내측구조물의 일단부를 벌징 하는 벌징단계; 및

   상기 벌징 단계에서 벌징된 내측구조물과 재생냉각형 노즐의 외측구조물을 브레이징(brazing) 한 후 용접이 용이하도록 가공하는 2차가공단계를 포함하되,

   상기 열처리단계는 800 내지 1030℃에서 20 내지 30분 동안 열처리한 후 진공로에서 노냉하고,

   상기 1차가공단계는 외주면에 복수개의 채널리브가 구비되어 냉각채널을 형성하고, 중앙이 관통된 노즐형상의 내측구조물을 제작하며,

   상기 벌징단계는 일단부로 갈수록 지름이 작아지는 테이퍼 형상의 벌징 치구가 복수개 구비되며, 복수개의 상기 벌징 치구의 테이퍼진 정도에 따라 순차적으로 상기 내측구조물의 일단부에 인입시켜 벌징 하는 것을 특징으로 하는 재생냉각형 노즐의 제작 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

Images