KR101047155B1 - 풍력발전용 메인샤프트 성형장치 및 이를 이용한 메인샤프트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부 조직이 치밀하여 강도가 우수하고, 치수 정확도가 높아 재료의 낭비가 적으며, 생산성이 뛰어난 풍력발전용 메인샤프트를 제조하기 위한 성형장치 및 이를 이용한 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에서는, 하중을 바닥에 전달하여 지지하기 위한 지지 프레임(230), 상기 지지 프레임의 상단부에 고정 결합하는 것으로서 상부가 개방되는 원형의 회전 가압장치 안착대(210) 및 상기 회전 가압장치 안착대(210)에 연결하여 형성되는 중공 실린더 형상의 몸체 성형틀(220) 및 상기 회전 가압장치 안착대에 장착되는 회전 가압장치(250)로 구성하되, 상기 회전 가압장치는 원형의 내측 링판(255); 상기 내측 링판의 외측에 결합하는 것으로서 내주면에 핀케이싱(253)이 형성되고, 외주면 상에는 그 원주방향을 따라 다수의 회전용 돌기(257)가 형성되는 외측 링판(256); 상기 내측 및 외측 링판의 상부에 위치하는 것으로서, 십자형의 가압대(252a)와 일단이 상기 가압대의 단부 하방에 결합하고 타단은 상기 핀케이싱의 내부로 삽입되는 지지핀(252b)으로 이루어지는 크로스바(251); 및 상기 지지핀이 관통하여 삽입되며, 상기 가압대(252a)와 상기 핀케이싱 사이에 위치하여 완충작용을 하는 스프링(254)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 메인샤프트 성형장치 및 이러한 성형장치를 이용한 메인샤프트 제조방법에 관하여 개시한다.

강괴, 업셋팅, 플랜지, 몸체, 핸들부, 원호 형상 다이, 상부 다이, 하부 다이, 단조용 유압 프레스, 집게차, 1차 성형체, 2차 성형체, 재가열, 성형장치, 회전 가압장치, 회전용 기어판, 황삭, 절삭

Description

풍력발전용 메인샤프트 성형장치 및 이를 이용한 메인샤프트 제조방법{Main Forming device and Manufacturing method of a main shaft for wind power plant}

본 발명은 풍력발전용 부품의 일종인 메인샤프트를 제조하기 위한 장치 및 이를 이용한 제조방법에 관한 것으로서, 종래에 비하여 내부 조직이 치밀하여 물리적, 기계적 특성이 우수하고, 치수 정확도가 높아 재료의 낭비가 적어 경제적이며, 플랜지 부위나 샤프트의 몸체 부위의 성형성이 우수하도록 설계된 풍력발전용 메인샤프트 성형장치 및 이를 이용한 메인샤프트 제조방법에 관한 것이다.

최근 화석연료를 대체할 새로운 에너지원으로서 태양에너지, 풍력에너지 등을 개발하고자 하는 노력들이 활발하게 전개되고 있는데, 풍력발전소는 이러한 노력의 일환으로서 바람이 가지는 운동에너지를 이용하여 전력을 생산하는 에너지 생성 시스템의 일종이다.

이러한 풍력발전소에 사용되는 메인샤프트는 지속적인 피로하중 및 진동 등에 의한 가혹한 운전조건을 견딜 수 있어야 하므로 주로 단조에 의하여 생산된다. 도 17은 종래의 메인샤프트 제조공정의 일예를 보인 공정 개략도이다. 일반적으로 풍력발전용 메인샤프트는 열처리로에서 약 1200℃ 정도의 고온으로 가열한 강괴를 유압 프레스로 가압하여 업셋팅 한 후 상기 업세팅 후 소재(1)를 유압 프레스의 상부 다이 및 하부 다이 사이에 위치시켜 그 길이방향을 따라(횡으로) 반복 가압하게 된다. 이를 코깅(cogging)이라 하는데, 이 과정에서 소재(2)의 두께는 작아지고 길이가 길어지게 된다. 이후 상기 코깅된 소재(2)의 외주면을 다이로 반복하여 가압하여 마무리 단조작업을 수행함으로써 대략의 메인샤프트 중간제품(3)을 제조하게 된다. 이렇게 형성된 중간 제품은 요구되는 메인샤프트의 최종 규격과 현저한 차이를 보이므로 다시 황삭 등의 절삭공정을 거쳐 최종제품으로 완성된다.

이러한 종래의 방법에서는 주로 단조용 유압 프레스를 이용한 자유단조로 메인샤프트를 제조하게 되므로 유압 프레스의 엔빌의 크기, 종류 및 플랜지의 크기에 의하여 성형에 제한을 받게 되며, 제품의 전장길이를 정확하게 맞추기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 소재를 그 길이방향으로 이동시켜가며 단조하여 제작하므로 소재 자체의 하중에 의하여 샤프트 몸체 부분이 휘어지는 현상이 발생하여 추후 공정에서 이를 교정하는 작업이 별도로 요구되므로 공정시간이 오래 걸리고 생산성이 저하되는 문제가 있다. 아울러, 플랜지와 샤프트 사이의 단차나 곡선 형상을 정확하게 형성하기 어려워 추후 절삭가공 등에 시간이 많이 소요되며, 재료의 낭비가 심하다는 문제가 있다. 또한, 플랜지의 상단부면 및 샤프트의 하단부면을 직접 단조할 수 없는 공정 특성상 단부면 표면이 불균일하게 되고 이로 인하여 단조여유를 지나치게 주게 되어 소재의 낭비를 초래하여 비경제적이라는 문제가 있다. 게다가 소재를 일정한 한 방향으로만 지속적으로 단조가공하게 됨에 따라 내부 조직에 결 함이 생겨 UT 검사 등에서 검출되는 불량률이 높다는 단점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 도출한 것으로서, 본 발명의 목적은 풍력발전용 메인샤프트의 내부 조직을 개선하여 제품의 품질을 향상시키고, 중간제품의 치수 정확도를 높여 후가공에 따른 소재의 낭비를 막아 생산비를 절감하며, 단조가공 중 일어나는 소재의 벤딩 현상 등을 없애 별도의 교정작업이 필요없도록 함으로써 작업시간을 단축하고 생산성을 높일 수 있도록 하는 메인샤프트의 성형장치 및 이를 이용한 제조방법을 제공하는 것이다.

전술한 목적의 달성을 위하여 본 발명에서는, 하중을 바닥에 전달하여 지지하기 위한 지지 프레임(230), 상기 지지 프레임의 상단부에 고정 결합하는 것으로서 상부가 개방되는 원형의 회전 가압장치 안착대(210) 및 상기 회전 가압장치 안착대(210)에 연결하여 형성되는 중공 실린더 형상의 몸체 성형틀(220) 및 상기 회전 가압장치 안착대에 장착되는 회전 가압장치(250)로 구성하되, 상기 회전 가압장치는, 원형의 내측 링판(255); 상기 내측 링판의 외측에 결합하는 것으로서 내주면에 핀케이싱(253)이 형성되고, 외주면 상에는 그 원주방향을 따라 다수의 회전용 돌기(257)가 형성되는 외측 링판(256); 상기 내측 및 외측 링판의 상부에 위치하는 것으로서, 십자형의 가압대(252a)와 일단이 상기 가압대의 단부 하방에 결합하고 타단은 상기 핀케이싱의 내부로 삽입되는 지지핀(252b)으로 이루어지는 크로스바(251); 및 상기 지지핀이 관통하여 삽입되며, 상기 가압대(252a)와 상기 핀케이싱 사이에 위치하여 완충작용을 하는 스프링(254)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 메인샤프트 성형장치가 제공된다.

여기서, 상기 성형장치에는 외주면 상에 형성되는 다수의 기어이빨(261)이 상기 회전용 돌기에 치합하도록 설치되는 회전용 기어판(260)이 더 포함될 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 단조용 유압 프레스를 이용하여 풍력발전용 메인샤프트를 제조하는 방법에 있어서, (가) 소재인 가열된 강괴를 단조용 유압 프레스를 이용하여 그 길이방향으로 가압함으로써 업셋팅하는 단계; (나) 단조용 유압 프레스를 이용하여 업셋팅된 소재의 외주면 단부를 가압하여 핸들부를 형성하는 단계; (다) 핸들부가 형성된 소재를 회전시켜가며 핸들부 이외의 외주면을 단조용 유압 프레스로 반복하여 가압함으로써 단면이 다면체 형상인 플랜지부와 몸체부를 형성하는 단계; (라) 상기 몸체부를 내주면이 원호 형상인 상부 다이와 하부 다이 사이에 위치시킨 후 회전시켜가며 상부 다이와 하부 다이로 반복하여 가압함으로써 몸체부의 단면 형상이 원형이 되도록 단조가공하는 단계; (마) 상기 (라)단계의 가공을 거친 소재에서 핸들부를 절단하여 플랜지부와 몸체부로 이루어지는 1차 성형체를 획득하는 단계; (바) 상기 1차 성형체를 가열하는 단계; (사) 가열된 1차 성형체를, 지지 프레임(230), 상기 지지 프레임의 상단부에 고정 결합하는 것으로서 상부가 개방되는 원형의 회전 가압장치 안착대(210), 상기 회전 가압장치 안착대(210)에 연결하여 형성되는 중공 실린더 형상의 몸체 성형틀(220) 및 상기 회전 가압장치 안착대에 회전 가능하게 장착되는 회전 가압장치(250)로 구성되는 성형장치(200)에 장입하는 단계; 및 (아) 상기 성형장치에 장입된 상기 1차 성형체의 플랜지부 상면을 상기 회전 가압장치를 회전시켜가며 반복적으로 가압함으로써 성형장치의 내주면 형상에 대응하는 외주면 형상을 가지는 2차 성형체를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 메인샤프트 제조방법 이 제공된다.

상기 (아) 단계 이후에 상기 2차 성형체의 외주면을 황삭 가공하는 단계가 더 포함될 수 있다.

본 발명에 의하면 1차 성형시에는 소재를 그 길이방향으로 이동시켜가며 다단계로 가압하여 단조하며, 재가열후 2차 성형시에는 성형장치에 의하여 1차 성형시와 다른 방향 즉, 소재의 길이를 압축하는 방향으로 가공하게 되므로 메인 샤프트의 내부 조직의 결함이 제거되고 조직이 치밀하게 되어 UT 검사 등에서의 불량률을 획기적으로 감소시킬 수 있게 된다. 따라서, 조직 검사의 불합격으로 인한 제품의 폐기와 재작업으로 인한 시간 및 비용의 낭비를 막을 수 있게 된다.

또한, 성형장치에 의한 2차 성형으로 인하여 제품의 치수 정밀도가 우수하게 되고, 플랜지와 샤프트 몸체 간의 단차 및 굴곡진 곡선형상이 정확하게 형성되므로 후의 절삭 가공 등에 소요되는 치수관리작업이 신속하고 간단하게 수행되어 생산성이 비약적으로 향상된다는 장점이 있다.

게다가 소재의 단조가공 중 소재의 하중으로 인하여 야기되는 벤딩 현상 등을 방지할 수 있게 되며, 자유단조시 지나치게 주었던 단조여유를 없앨 수 있게 되어 재료의 낭비를 막을 수 있게 된다.

아울러, 플랜지의 상단부면 및 샤프트 몸체부의 하단부면을 가압하여 편평하게 가공할 수 있게 되므로 이 부분의 편평도 확보를 위한 추후 절삭 가공이 간편해진다는 장점이 있다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상에 관하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 풍력발전용 메인샤프트 제조방법은 크게 3가지 과정으로 구성된다. 먼저 1차 성형과정으로서 강괴를 단조용 유압 프레스로 프레싱 단조가공하여 1차 성형체를 형성하는 공정과, 다음으로 1차 성형체를 재가열한 후 성형장치를 사용하여 2차 성형체를 형성하는 공정 및 최종적으로 2차 성형체의 표면에 황삭 가공을 하여 메인 샤프트 최종제품을 형성하는 공정으로 이루어진다.

우선, 1차 성형체를 제조하는 공정에 관하여 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 메인샤프트 제조용 강괴의 외관 사시도이다. 도시한 강괴(10)를 약 1200 ℃ 정도의 온도로 열처리로에서 가열한 후 천장형 크레인 등을 사용하여 단조용 유압 프레스측으로 이동시킨다. 강괴(10)를 유압 프레스(도 10의 300)의 상부 다이(310) 하부에 위치시킨 후 상부 다이(310)를 사용하여 가압하는 업셋팅(upsetting) 공정을 수행한다.

도 2는 도 1의 강괴를 업셋팅한 후의 모습을 보인 소재의 외관 사시도이다. 도시한 것처럼, 강괴(10)를 가압하여 업셋팅하게 되면 업셋팅 된 소재(20)는 상하 길이는 짧아지고 몸통부의 직경은 증가하게 된다.

도 3은 도 2의 소재를 1차 프레싱 단조가공한 후의 모습을 보인 소재의 외관 사시도이고, 도 10은 단조용 유압 프레스를 사용하여 소재를 1차 프레싱 단조가공하는 모습을 개략적으로 보인 도면이다.

업셋팅 후 소재(20)를 집게차(manipulator)의 집게(400)를 사용하여 유압 프레스(300)의 상부 다이(310)와 하부 다이(320) 사이에 위치시킨 후 상부 다이(310)로 1차 프레싱 단조가공하게 된다. 1차 프레싱 단조가공 후 소재(30)는 직경이 서로 다른 두 부분으로 형성되는데, 즉 직경이 큰 부분인 상체(31) 및 직경이 작은 부분인 하체(32)로 형성된다. 상기 상체(31) 부분에는 후의 공정에서 플랜지부가 형성되고, 하체 부분에는 핸들부가 형성된다.

도 4는 도 3의 소재를 2차 프레싱 단조가공하여 경계홈을 형성한 모습을 보인 소재의 외관 사시도이다. 본 단계에서는 유압 프레스(300)의 상부 다이에 폭이 좁은 프레싱 툴을 부착하거나, 상부 다이를 그러한 형상의 다이로 교체한 후 소재의 하체(42) 부분에 경계홈(42a)을 형성한다. 즉, 1차 프레싱 단조가공 후 소재(30)의 상체(31) 부분을 집게(400)로 지지하여 소재의 하체(32)를 상부 다이와 하부 다이 사이에 위치시켜 돌려가면서 폭이 좁은 다이로 하체(32) 부분을 가압하여 오목한 홈을 형성하는 것이다. 이렇게 하여 형성된 경계홈(42a)은 하체의 외주 면에 오목하게 링 형상으로 형성된다. 도면의 미설명부호 41은 2차 프레싱 단조가공 후 소재(40)의 상체를 나타낸다.

도 5는 도 4의 소재를 3차 프레싱 단조가공하여 핸들부를 형성한 모습을 보인 소재의 외관 사시도이다. 본 단계에서는 집게차의 집게(400)가 소재를 안정적으로 파지하고 이후의 단조작업을 수행할 수 있도록 하기 위하여 2차 프레싱 단조가공 후 소재(40)의 경계홈(42a) 외측 부분을 프레싱 가공하여 핸들부(53)를 형성하는 공정이 수행된다. 도시한 바와 같이, 3차 프레싱 단조가공 후 소재(50)의 하체(52)의 단부측에 집게(400)가 소재를 파지할 수 있도록 핸들부(53)가 형성된다. 도면에서 미설명부호 51은 3차 프레싱 단조가공 후 소재(50)의 상체를 나타낸다.

도 6은 도 5의 소재를 4차 프레싱 단조가공하여 1차 형상이 형성된 모습을 보인 소재의 외관 사시도이다. 본 단계에서는 3차 프레싱 단조가공 후 소재(50)의 핸들부(53)를 집게로 잡아 지지한 상태에서 소재의 상체(51) 및 하체(52)를 편평한 상부 다이(310) 및 하부 다이(320) 사이에 위치시킨 후 프레싱 단조가공하게 된다. 집게차의 집게(400)는 회전이 가능한 구조이며, 상부 다이(310)와 하부 다이(320) 사이에 위치한 소재를 회전시켜 가며 프레싱 작업을 반복하게 되면 결국 도시한 것과 같은 형상의 4차 프레싱 단조가공 후 소재(60)의 형상이 얻어진다. 상기 4차 프레싱 단조가공 후 소재(60)의 몸체부(63)는 도시한 바와 같이 대략 직육면체 또는 정육면체의 형상에 가깝도록 프레싱한다. 도면에서 미설명부호 61은 플랜지부(flange portion)이고, 62는 목부(neck portion)를 나타내며, 64는 핸들부 를 나타낸다. 이 과정에서 몸체부(63)의 단면 형상은 사각형에 가깝게 형성하는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니므로 그 단면 형상이 달라질 수 있다.

도 7은 도 6의 소재를 5차 프레싱 단조가공하여 2차 형상이 형성된 모습을 보인 소재의 외관 사시도이다. 본 단계에서는 4차 프레싱 단조가공 후 소재(60)를 유압 프레스를 사용하여 다시 프레싱 단조가공하여 그 몸체부(72)의 단면 형상이 도시한 것처럼 이전 보다 원형에 더 가까운 다면체의 형상이 되도록 가공한다. 도면에서 미설명부호 70은 5차 프레싱 단조가공 후 소재를, 71은 플랜지부를, 도 73은 핸들부를 각각 나타낸다.

도 8은 도 7의 소재를 6차 프레싱 단조가공하여 3차 형상이 형성된 모습을 보인 소재의 외관 사시도이고, 도 11은 단조용 유압 프레스를 사용하여 소재를 6차 프레싱 단조가공하는 모습을 개략적으로 보인 도면이다. 본 단계에서는 전술한 다면체 형상의 단면을 가지는 5차 프레싱 단조가공 후 소재(70)의 몸체부(72)를 원호 형상의 상부 다이(312) 및 하부 다이(322)를 이용하여 프레싱함으로써 실린더 형상으로 제조하는 공정이 수행된다. 즉, 집게(400)로 5차 프레싱가공 소재(70)의 핸들부(73)를 파지하여 지지한 후 원호 형상의 상부 다이(312) 및 하부 다이(322) 사이에 몸체부(72)를 위치시킨다. 이후 소재를 파지한 집게(400)를 회전시킴으로써 소재를 회전시켜가며, 상부 다이(312)로 소재를 반복하여 가압하게 되면 도 8에 도시한 바와 같은 6차 프레싱 단조가공 후 소재(80)가 얻어진다. 상기 6차 프레싱 단조가공 후 소재(80)의 몸체부(82)의 단면은 도시한 것처럼 원형을 이룬다. 도면에서 미설명부호 81은 플랜지부를 나타낸다.

전술한 4차 내지 6차 프레싱 단조가공 후 소재(60,70,80)의 플랜지부(61,71,81)는 아직 완성된 형태의 것이 아니기 때문에 후술할 완제품 메인샤프트(110)에 요구되는 치수 정밀도를 아직 가지고 있지 않은 상태이다.

이렇듯 여러 단계에 걸쳐서 프레싱 단조가공을 수행하는 이유는 완성된 메인샤프트 내부의 조직을 치밀하게 하여 금속의 재료적 특성을 개선하기 위한 것이다. 처음부터 업셋팅 된 소재를 바로 원하는 형상으로 제조하게 되면, 치수 정밀도가 떨어짐은 물론 조직 내부에 결함이 생겨 풍력발전을 위한 회전축의 용도로 사용하기에 부적합하게 되기 때문이다. 또한, 이렇게 함으로써 금속 조직 내부 결함으로 인한 재료의 낭비를 막고 재생산에 들이는 비용을 절감할 수 있게 된다.

6차 프레싱 단조가공이 완료되면 집게차 등으로 소재(80)을 일정한 장소로 이동시킨 후 냉각시킨다.

도 9는 도 8의 6차 프레싱 단조가공 후 소재의 핸들부를 절단한 후의 모습을 보인 1차 성형체의 외관 사시도이다. 본 단계에서는 냉각된 6차 프레싱 단조가공 후 소재(80)의 핸들부(83)를 절단하는 작업이 수행된다. 왜냐하면 이후의 2차 성형 공정에서는 상기 핸들부(83)가 더 이상 필요 없기 때문이다. 이로써 반제품인 1차 성형체(90)가 얻어진다. 1차 성형체(90)는 플랜지부(91)와 원기둥 형상의 몸체부(92)로 이루어진다.

도 12는 1차 성형한 소재를 재가열한 후 성형장치에 장착하는 모습을 개략적으로 보인 도면이다. 상기 1차 성형 공정을 마친 1차 성형체(90)는 열처리로에 재장입되어 약 1200℃의 온도 분위기에서 재가열된다. 이후 집게차의 집게(400)나 천 장형 크레인 등으로 가열된 1차 성형체(90)를 이동시켜 성형장치(200)에 삽입한다. 상기 성형장치(200)는 크게 전체 구조를 지지하는 지지 프레임(230), 상기 지지 프레임(230)의 상단부에 형성되는 것으로서 상부가 개구된 회전 가압장치 안착대(210) 및 상기 회전 가압장치 안착대(210)에 연설되는 몸체 성형틀(220)로 구성된다. 상기 가압장치 안착대(210)에는 후술할 회전 가압장치(250)를 장착할 수 있도록 회전 가압장치 안착시트(211)가 형성되며, 상기 몸체 성형틀(220)은 중공 실린더의 형상을 가진다. 상기 회전 가압장치 안착대(210)와 상기 몸체 성형틀(220)은 서로 연결하여 형성되며, 상기 1차 성형체(90)가 상기 회전 가압장치 안착대(210)와 몸체 성형틀(220)의 내부로 삽입된다. 따라서, 상기 회전 가압장치 안착대(210)와 이에 연설하는 상기 몸체 성형틀(220)의 내주면 형상은 후술할 도 15의 2차 성형체(100)의 외주면 형상에 대응하는 형상을 가진다. 즉, 상기 1차 성형체(90)의 플랜지부(91)는 상기 회전 가압장치 안착대(210)의 내부에 삽입 장착되고, 상기 몸체부(92)는 상기 몸체 성형틀(220)에 삽입되어 장착되는 것이다.

도 13은 본 발명의 회전 가압장치의 외부 사시도이다. 재가열된 1차 성형체(90)를 상기 성형장치(200)에 삽입하여 장착한 후 성형장치(200)의 회전 가압장치 안착대(210)의 안착시트(211)에 회전 가압장치(250)를 장착한다. 상기 회전 가압장치(250)는 크게 원형의 내측 링판(255)과 외측 링판(256)으로 구성되고, 상기 내측 또는 외측 링판(255,256)에 가압대(252a)와 지지핀(252b)로 구성되는 크로스바(251)가 완충가능하게 형성된다. 즉, 일자형 또는 도시한 것과 같은 십자형 가압대(252a)가 지지핀(252b), 스프링(254) 및 핀 케이싱(253)에 의하여 내측 또는 외측 링판(255,256)에 연결된다. 상기 지지핀(252b)의 일단은 크로스바(251)의 단부에 고정 결합하고, 타단은 상기 내측 링판(255) 또는 외측 링판(256)에 고정된 중공 실린더 형상의 핀 케이싱(253) 내부를 관통하여 삽입된다. 또한, 상기 지지핀(252b)은 상기 크로스바(251)와 상기 핀케이싱(253) 사이에 설치되는 압축 스프링(254)에 삽입된다. 따라서, 이후의 공정에서 상부다이(310)로 상기 크로스바(251)를 가압하는 경우 상기 스프링(254)에 의하여 완충작용을 하게 된다. 상기 외측 링판(256)의 외주면에는 다수의 회전용 돌기(257)가 그 원주방향을 따라 형성되는데, 이는 후술할 회전용 기어판(260)의 기어이빨(261)과 결합하기 위한 것이다.

전술한 구성을 가지는 회전 가압장치(250)는 재가열된 1차 성형체(90)가 상기 성형장치(200)에 장착된 후에 천장형 크레인 등을 사용하여 상기 성형장치(200)의 회전 가압장치 안착시트(211) 장착된다.

도 14는 본 발명의 성형장치를 사용하여 소재를 2차 성형하는 모습을 보인 도면이다. 도시한 바와 같이, 회전 가압장치(250)가 회전 가압장치 안착대(210)의 안착시트(211)에 장착되어 있다. 이제 상기 성형장치(200)를 단조용 유압 프레스(300)의 상부 다이(310) 하방에 위치시킨 후 상부 다이(310)로 상기 크로스바(251)를 반복적으로 가압하여 1차 성형체(90)를 그 길이방향으로 단조가공한다. 1차 성형체(90)를 형성하는 단조 공정에서는 단조용 유압 프레스(300)를 사용하여 그 길이방향을 따라 횡으로 단조 작업을 수행한 반면, 2차 성형체를 제조하는 공정에서는 그 길이방향으로 즉, 종으로 단조 작업을 수행하게 된다. 상기 성형장치(200)에 삽입 장착된 1차 성형체(90)의 플랜지부(91)의 상단부가 성형장치(200)의 상단부보다 약간 높아지도록 노출되므로 상부 다이(310)를 하강시켜 크로스바(251)를 가압하면, 크로스바(251)의 하면이 상기 플랜지부(91)의 상면을 가압하게 된다. 이때 상기 크로스바(251)의 폭이 상기 플랜지부(91)의 폭보다 작으므로 상기 크로스바(251)를 가압하고 이후 회전시키는 작업을 반복하여 수행하여야 한다. 상기 크로스바(251)의 회전을 위하여 상기 회전용 돌기(257)에 도시한 바와 같이 회전용 기어판(260)의 기어이빨(261)이 장착된다. 상기 회전용 기어판(260)의 회전중심에는 기어핸들(262)이 형성되고, 상기 기어핸들(262)을 집게(400) 등으로 잡고 회전시키면 된다. 상기 회전용 기어판(260)을 회전시키면 이와 치합하는 상기 회전 가압장치(250)도 안착시트(211) 상에서 회전하게 된다. 따라서, 상부 다이(310)로 상기 크로스바(251)를 가압하는 작업을 플랜지부(91) 상면에 고르게 수행할 수 있게 되어 조직의 내부 결함을 예방할 수 있게 되는 것이다. 본 실시예에서는 상기 회전 가압장치(250)의 회전을 위하여 집게(400) 및 회전용 기어판(260)을 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 모터 등 기타의 수단을 사용하여 상기 회전 가압장치(250)를 회전시키는 것도 가능할 것이다.

도 15는 본 발명에 따라 형성된 2차 성형체의 외관 사시도이다. 이와 같은 방법으로 1차 성형체(90)를 반복하여 가압하게 되면 상기 성형장치(200)의 내주면에 1차 성형체(90)가 밀착 가압되게 된다. 따라서, 상기 성형장치(200)의 내주면 형상에 대응하는 외주면 형상을 가지는 도 15와 같은 2차 성형체가 얻어진다. 상기 2차 성형체(100)는 그 외형이 거의 완제품과 동일한 형상을 가지는 반제품의 상태 가 된다. 도면에서 101은 플랜지부를 나타낸고, 102는 몸체부를 나타낸다.

도 16은 도 15의 2차 성형체를 황삭 가공하여 완성한 메인샤프트의 외관 사시도이다. 상기 2차 성형체(100)는 황삭, 중삭, 정삭 등의 필요한 절삭 공정을 거쳐 최종 제품으로 완성된다. 본 발명에 따른 2차 성형체(100)는 치수정밀도가 높아 재료의 낭비가 적다는 장점이 있다. 즉, 2차 성형체(100)의 규격이 절삭공정 후의 완제품인 메인샤프트(100)의 규격과 거의 일치하므로 황삭 등의 절삭 가공이 유리할 뿐 아니라 시간과 재료의 낭비를 막을 수 있게 되는 것이다. 도면에서 미설명부호 111은 메인샤프트의 플랜지부를 나타내고, 112는 중간부 샤프트를 나타내고, 113은 하단부 샤프트를 나타낸다. 황삭 등의 절삭 가공을 거쳐 하단부 샤프트(113)의 외주면에 테이퍼가 형성된 것을 알 수 있다.

이처럼 본 발명에서는 단조용 유압프레스를 사용하여 소재의 길이방향을 따라 반복하여 가압 성형함으로써 1차 성형체를 획득한 후, 재가열한 1차 성형체를 다시 성형장치에 장입한 후 그 길이를 압축하는 방향으로 반복하여 가압함으로써 2차 성형체를 획득한다. 이렇게 하면, 종래 일정한 방향으로만 자유단조를 실시하게 됨으로써 제품의 조직 내부에 결함이 생기는 것을 방지할 수 있으며, 치수 정밀도가 우수하여 과도한 재료의 낭비를 막을 수 있게 된다.

도 1은 메인샤프트 제조용 강괴의 외관 사시도.

도 2는 도 1의 강괴를 업셋팅 후의 모습을 보인 소재의 외관 사시도.

도 3은 도 2의 소재를 1차 프레싱 단조가공한 후의 모습을 보인 소재의 외관 사시도.

도 4는 도 3의 소재를 2차 프레싱 단조가공하여 경계홈을 형성한 모습을 보인 소재의 외관 사시도.

도 5는 도 4의 소재를 3차 프레싱 단조가공하여 핸들부를 형성한 모습을 보인 소재의 외관 사시도.

도 6은 도 5의 소재를 4차 프레싱 단조가공하여 1차 형상이 형성된 모습을 보인 소재의 외관 사시도.

도 7은 도 6의 소재를 5차 프레싱 단조가공하여 2차 형상이 형성된 모습을 보인 소재의 외관 사시도.

도 8은 도 7의 소재를 6차 프레싱 단조가공하여 3차 형상이 형성된 모습을 보인 소재의 외관 사시도.

도 9는 도 8의 6차 프레싱 단조가공 후 소재의 핸들부를 절단한 후의 모습을 보인 1차 성형체의 외관 사시도.

도 10은 단조용 유압 프레스를 사용하여 소재를 1차 프레싱 단조가공하는 모습을 개략적으로 보인 도면.

도 11은 단조용 유압 프레스를 사용하여 소재를 6차 프레싱 단조가공하는 모습을 개략적으로 보인 도면.

도 12는 1차 성형한 소재를 재가열한 후 성형장치에 장착하는 모습을 개략적으로 보인 도면.

도 13은 본 발명의 회전 가압장치의 외부 사시도.

도 14는 본 발명의 성형장치를 사용하여 소재를 2차 성형하는 모습을 보인 도면.

도 15는 본 발명에 따라 형성된 2차 성형체의 외관 사시도.

도 16은 도 15의 2차 성형체를 황삭 가공하여 완성한 메인샤프트의 외관 사시도.

도 17은 종래의 메인샤프트 제조공정의 일예를 보인 공정 개략도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 강괴 20: 업셋팅가공 후 소재

30: 1차 프레싱 단조가공 후 소재 40: 2차 프레싱 단조가공 후 소재

50: 3차 프레싱 단조가공 후 소재 60: 4차 프레싱 단조가공 후 소재

70: 5차 프레싱 단조가공 후 소재 80: 6차 프레싱 단조가공 후 소재

90: 1차 성형체 100: 2차 성형체

110: 메인 샤프트 200: 성형장치

210: 회전 가압장치 안착대 211: 회전 가압장치 안착시트

220: 몸체 성형틀 230: 지지프레임

250: 회전 가압장치 251: 크로스바

252a: 가압대 252b: 지지핀

253: 핀케이싱 254: 스프링

255: 내측 링판 256: 외측 링판

257: 회전용 돌기 260: 회전용 기어판

261: 회전기어 이빨 262: 기어핸들

Claims (4)

1. 하중을 바닥에 전달하여 지지하기 위한 지지 프레임(230), 상기 지지 프레임의 상단부에 고정 결합하는 것으로서 상부가 개방되는 원형의 회전 가압장치 안착대(210) 및 상기 회전 가압장치 안착대(210)에 연결하여 형성되는 중공 실린더 형상의 몸체 성형틀(220) 및 상기 회전 가압장치 안착대에 장착되는 회전 가압장치(250)로 구성하되, 상기 회전 가압장치는,

   원형의 내측 링판(255);

   상기 내측 링판의 외측에 결합하는 것으로서 내주면에 핀케이싱(253)이 형성되고, 외주면 상에는 그 원주방향을 따라 다수의 회전용 돌기(257)가 형성되는 외측 링판(256);

   상기 내측 및 외측 링판의 상부에 위치하는 것으로서, 십자형의 가압대(252a)와 일단이 상기 가압대의 단부 하방에 결합하고 타단은 상기 핀케이싱의 내부로 삽입되는 지지핀(252b)으로 이루어지는 크로스바(251); 및

   상기 지지핀이 관통하여 삽입되며, 상기 가압대(252a)와 상기 핀케이싱 사이에 위치하여 완충작용을 하는 스프링(254)

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 메인샤프트 성형장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 성형장치에는 외주면 상에 형성되는 다수의 기어이빨(261)이 상기 회전용 돌기에 치합하도록 설치되는 회전용 기어판(260)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 메인샤프트 성형장치.
3. 단조용 유압 프레스를 이용하여 풍력발전용 메인샤프트를 제조하는 방법에 있어서,

   (가) 소재인 가열된 강괴를 단조용 유압 프레스를 이용하여 그 길이방향으로 가압함으로써 업셋팅하는 단계;

   (나) 단조용 유압 프레스를 이용하여 업셋팅된 소재의 외주면 단부를 가압하여 핸들부를 형성하는 단계;

   (다) 핸들부가 형성된 소재를 회전시켜가며 핸들부 이외의 외주면을 단조용 유압 프레스로 반복하여 가압함으로써 단면이 다면체 형상인 플랜지부와 몸체부를 형성하는 단계;

   (라) 상기 몸체부를 내주면이 원호 형상인 상부 다이와 하부 다이 사이에 위치시킨 후 회전시켜가며 상부 다이와 하부 다이로 반복하여 가압함으로써 몸체부의 단면 형상이 원형이 되도록 단조가공하는 단계;

   (마) 상기 (라)단계의 가공을 거친 소재에서 핸들부를 절단하여 플랜지부와 몸체부로 이루어지는 1차 성형체를 획득하는 단계;

   (바) 상기 1차 성형체를 가열하는 단계;

   (사) 가열된 1차 성형체를, 지지 프레임(230), 상기 지지 프레임의 상단부에 고정 결합하는 것으로서 상부가 개방되는 원형의 회전 가압장치 안착대(210), 상기 회전 가압장치 안착대(210)에 연결하여 형성되는 중공 실린더 형상의 몸체 성형틀(220) 및 상기 회전 가압장치 안착대에 회전 가능하게 장착되는 회전 가압장치(250)로 구성되는 성형장치(200)에 장입하는 단계; 및

   (아) 상기 성형장치에 장입된 상기 1차 성형체의 플랜지부 상면을 상기 회전 가압장치를 회전시켜가며 반복적으로 가압함으로써 성형장치의 내주면 형상에 대응하는 외주면 형상을 가지는 2차 성형체를 형성하는 단계

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 메인샤프트 제조방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 (아) 단계 이후에 상기 2차 성형체의 외주면을 황삭 가공하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 메인샤프트 제조방법.

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