KR101258707B1 - 성형된 연결 헤드를 구비한 압력관 - Google Patents

Abstract

예컨대, 고압 연료 분사관으로서 압력관은 냉간 성형에 의해 제조된 연결 헤드(1)를 파이프 라인(16)의 단부에 갖는다. 연결 헤드(1)는 원추대형이며 그 외주면에 환형 밀봉면을 갖는다. 상기 밀봉면은 압력 숄더(10)를 통해 도입된 예비 하중(preload)을 상응하는 시트를 가진 연결부에 인가한다. 파이프 라인(16)의 외부면은 압력 숄더(10)의 면과 90°보다 큰 각을 형성한다.

고압 연료 분사관, 압력관, 연결 헤드, 밀봉면, 압력 숄더, 연결부.

Description

성형된 연결 헤드를 구비한 압력관{PRESSURE PIPE WITH FORMED CONNECTING HEAD}

도 1은 선행 기술에 따른 연결 헤드를 구비한 압력관 단부의 횡단면도.

도 2는 본 발명에 따른 연결 헤드를 구비한 압력관 단부의 횡단면도.

도 3은 본 발명에 따른 다이의 횡단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 연결 헤드 2: 압력 숄더(선행 기술)

3: 아치형부 4: 업셋 성형시의 접힘부

5: 내경 수축부 6: 원추대형 맨드릴의 상부면

7: 업셋 성형 다이 8: 맨드릴

9: 내부 원추부 10: 압력 숄더(본 발명)

11: 압력 링 12: 오목부

13: 밀봉면 14: 면취부

15: 경사부 16: 파이프 라인

17: 내부면 18: 원추대형 연결 헤드의 상부면

19: 개구 20: 리세스

본 발명은 성형된 연결 헤드를 가진 압력관, 특히 업셋 성형(upsetting)된 연결 헤드를 가진 고압 연료 분사관에 관한 것이다.

본 발명에 기초가 되는 압력관은 분사 장치에 연료를 공급하기 위한 연료 분사관 또는 유압관으로서 사용된다. 압력관을 다른 부품에 밀봉 방식으로 연결하기 위해, 압력관의 단부들은 원추대의 형태로 형성된다. 이러한 연결 헤드를 제조하기 위한 경제적인 방법으로는 냉간 성형이 공지되어 있다. 선행 기술로 공지된 방법에 의한 제품으로는 예컨대 특허 문헌 US 6,286,556 B1 및 DE 103 58 373 A1 호에 개시된 연료관을 예로 들 수 있다.

상기 선행 기술은 도 1에 횡단면도로 도시되어 있다. 도 1은 원추대형 연결 헤드 및 압력관의 업셋 성형에 의해 변형된 관 내부를 나타낸다. 압력관에 연결되어야 하는 부품에 대한 밀봉은 이 선행 기술에 따른 실시예에서 연결 헤드의 경사진 외주면 및 유니온 너트(도시되지 않음)를 통해 이루어지며, 이 유니온 너트는 압력 숄더(2)를 통해 예비 하중을 압력관에 가하므로, 압력관 또는 연결 헤드의 경사진 외주면은 연결될 부품의 상응하는 시트에 가압된다.

그러나, 선행 기술에서는 냉간 성형 또는 업셋 성형 시에 반경 방향 외측으로의 관 외주의 변위로 인해 관의 내주에 링형의 예리한 업셋 성형 접힘부(4a)가 생긴다. 그러나, 연료 분사관은 작동 동안 높은, 팽창 내압에 노출되기 때문에, 업셋 성형 접힘부(4a)은 압력관의 피로 파괴를 야기할 수 있다. 또한, 연결 헤드의 영역에서의 내경이 균일하지 않고, 여러 수축부(5a, 5b)를 가지며, 상기 수축부는 연료 흐름의 스로틀을 야기하고, 횡단면 변동으로 인해 압력 변동 및 그에 따른 캐비테이션 발생의 위험이 있다. 선행 기술에서는 상기 불균일한 내경 및 업셋 성형 접힘을 방지하기 위해서, 업셋 성형 접힘부(4a) 및 수축부(5a, 5b)가 제거될 때까지, 원추형 리머를 이용해서 단부면에서 관의 내경을 리밍 가공(reaming)한다. 이러한 후처리 시에, 관 내부에서 표면 상태에 불리하게 작용하는 냉간 성형에 의해 형성된 업셋 성형 접힘이 남김없이 제거되는 것이 보장되어야 한다.

고압 기술의 분야에서, 예컨대 선박 엔진에 사용되는 바와 같은, 약 1600 바아 이상의 분사 압력에서, 상기 문제는 특히 중요하다. 높은 압력에 대처할 방법은 관의 외경과 내경 사이의 직경 비율을 상응하게 조절하는, 즉 내경에 비해 큰 외경을 선택함으로써 두꺼운 관 외주을 형성하는 것이다. 그러나, 상기 조치는 고강도 재료의 관이 사용되어야 한다는 한계를 갖는다. 그러나, 인장 강도의 증가에 따라 재료의 연성 및 성형 가능성이 감소한다. 파괴 연신율 A가 20%보다 큰 관 재료의 경우 연결 헤드의 성형 시에 업셋 성형 접힘이 매우 깊게 형성될 위험이 있다. 그러면, 원추형 리머에 의한 리밍 가공에 의해서는 상기 업셋 성형 접힘이 더 이상 완전히 제거될 수 없다.

상기 특허 문헌 DE 103 58 373 A1는 이러한 업셋 성형 접힘을 피하기 위해, 연결 헤드의 압력 숄더에 계단형 연결 판을 사용할 것을 제안한다. 이러한 선행 기술의 단점은 복잡한 계단형 연결 판의 사용 및, 냉간 성형시 내경의 변형이 상기 선행 기술에서 선택된 방법에 의해 방지될 수 없다는 사실이다. 따라서, 선행 기술에서는 고강도 강의 경우 압력관의 성형을 배제하고, 그 대신 압력관의 연결 헤드가 절삭 가공에 의해 형성된다.

본 발명의 과제는 연결 헤드의 냉간 성형 후에도 업셋 성형 접힘 및 수축된 내경을 갖지 않는 압력관 및 이 압력관을 제조하기 위한 공구를 제공하는 것이다.

상기 과제는 본 발명의 독립 청구항에 의해 해결된다.

종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 실시예이다.

본 발명의 제1 관점에 따르면, 예컨대 디젤 엔진의 분사 장치의 연료 분사관으로서 사용될 수 있는 압력관은 원추대형으로 성형된 연결 헤드를 갖는다. 따라서, 압력관은 파이프 라인 및 연결 헤드를 갖는다. 연결 헤드는 파이프 라인의 단부에 예컨대 냉간 성형에 의해 제조될 수 있다. 원추대를 형성하는 연결 헤드는 측면에 외주면, 관의 단부에 상부면 및 원추대의 기저면의 일부로 구성된다. 상기 기저면의 내측은 나머지 압력관과 일체형으로 연결되고, 기저면의 노출된 외부 부분은 기저면의 내부 면과 동일한 평면에 놓이지 않기 때문에, 연결 헤드는 여기서 원추대형이라 하지만 완벽한 원추대를 형성하지는 않는다. 외주면에는 연결 헤드를 대응 부분에 대해 밀봉하기 위한 면이 형성된다. 대응 부분은 예컨대 디젤 엔진용 분사 시스템의 일부일 수 있다. 상부면에는 관 개구가 형성되고 이 상부면의 반대측에는 밀봉면을 밀봉하기 위해 필요한 예비 하중을 도입하기 위한 압력 숄더가 형성된다. 성형되지 않은 압력관, 즉 파이프 라인의 외부면은 상기 압력 숄더의 면과 90°보다 큰 각을 형성한다.

압력관의 외부면과 압력 숄더의 이러한 배치로 인해, 압력 숄더는 적어도 약간 경사지게 되어, 이로 인해 연결 헤드에서의 균일한 경사 진행이 얻어진다. 균일한 경사 진행에 의해, 특히 압력 숄더로부터 압력관 외부면으로의 이행부의 임계 영역에서 연결 헤드의 작동 강도가 개선된다. 또한, 압력 숄더의 상기 실시예에 의해 업셋 성형 접힘부 형성이 감소된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력관의 내부면은 연결 헤드의 영역에서 외부로부터 내부로 원추형으로 테이퍼진다. 이러한 테이퍼는 업셋 성형 과정에서 상응하는 업셋 성형 다이의 맨드릴에 의해 생성된다. 즉, 업셋 성형 동안 압력관의 내경이 약간 확대된다. 압력관을 제조할 때 업셋 성형 다이에 맨드릴을 사용함으로써, 압력관의 내부면이 변형되지 않기 때문에, 균일한 내경을 형성하기 위한 원추형 리머에 의한 후처리가 더 이상 필요 없다. 따라서, 압력관의 내부면의 표면 질이 연결 헤드의 영역에서 개선된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연결 헤드의 외주면은 밀봉면과 압력 숄더 사이의 영역에 오목부를 갖는다. 냉간 성형 시에 상응하게 형성된 다이에 의해 형성되는 연결 헤드의 오목부는 압력 숄더 하부의 재료 체적을 감소시킨다. 이에 따라 냉간 성형 시에 압력관의 재료가 내경의 방향으로가 아니라 그것으로부터 멀리 변위됨으로써, 내경의 수축이 일어날 수 없다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연결 헤드의 관 개구에는 면취부가 자긴 가공(autofrettage)시의 밀봉부로서 제공된다. 이 면취부는 자긴 가공 시에 상기한 밀봉면에서의 손상을 방지하기 위해 사용된다.

연료 압력관은 내구성 증가를 위해 통상적으로 자긴 가공된다. 이를 위해, 관은 단시간 동안 높은 내압에 노출되고, 상기 내압은 압력 경감 후에 소성 변형으로 인해 잔류 압축 응력을 형성한다. 자긴 가공 압력이 압력관의 추후 작동 압력보다 훨씬 높기 때문에, 원추대형 연결 헤드의 외주면 상의 추후 밀봉면에 대한 밀봉이 피해져야 한다. 자긴 가공시에 내밀성의 보장을 위해 필요한 자긴 가공 밀봉부에 대한 높은 힘은 압력 없는 상태에서 자긴 가공 밀봉부의 소성 변형, 그에 따라 손상을 야기한다. 그러한 면취부는 연결 헤드의 업셋 성형 시에 이미 업셋 성형 다이의 상응하는 구조에 의해 형성될 수 있다. 여기에 언급된 본 발명에 따른 실시예에 의해, 연결 헤드가 설명된 제조 공정으로 하기에 설명되는 본 발명에 따른 업셋 성형 다이를 이용해서 생산되는 경우, 압력관 연결 헤드의 후처리가 더 이상 필요 없다.

본 발명의 다른 실시예에 따라면, 외주면에서의 밀봉면은 볼(ball)형으로 형성된다. 이로 인해, 특히 연결 헤드의 축선이 대응 부분의 축선과 각도 편차를 가질 때, 밀봉면에서의 압력 분배가 개선된다. 또한, 밀봉면의 기계적 손상 시에 이것을 간단히 재연삭할 수 있는 가능성이 있다. 연결 헤드의 오목부와 협력해서, 밀봉면의 재연삭 시에 연결 헤드의 외주면에 연삭 노치가 생기지 않는 것이 보장된다.

본 발명의 다른 실시예에 따라면, 압력 숄더가 편평하게 형성되고, 그로 인해 조립, 및 압력관의 설치 시에 압력 숄더에 접촉하는 압력링의 조립이 간단해진다.

본 발명의 제2 관점에 따라면, 압력관에 연결 헤드를 업셋 성형하기 위한 업셋 성형 다이는 업셋 성형될 연결 헤드의 외부 윤곽에 상응하게 내부로 테이퍼지는 원추대형 리세스를 갖는다. 업셋 성형 다이는 업셋 성형 시에 연결 헤드를 형성하는 형상을 가지며, 상기 연결 헤드는 압력관의 파이프 라인의 외부면과 90°보다 큰 각을 형성하는 압력 숄더를 갖는다.

여기서, 업셋 성형 다이는 반드시 일체형으로 형성될 필요는 없고, 바람직하게는 2개의 부분으로 이루어진다. 제1 부분은 제2 부분과 대향하게 배치되는 부분이다. 즉, 제1 부분은 관 단부에 가압되고, 제2 부분은 연결 헤드의 압력 숄더를 형성한다.

본 발명의 제2 관점의 실시예에 따르면, 원추대형 리세스는 다이의 제1 부분 내의 볼록한 아치형부를 갖고 있고, 이에 의해 연결 헤드의 외주면에 오목부가 형성된다.

제2 관점의 다른 실시예에 따르면, 맨드릴은 다이의 제1 부분에 제공되고, 이 맨드릴은 압력관의 관 개구 내로 삽입되기 때문에, 업셋 성형될 압력관의 내경이 변형되지 않을 수 있다. 이를 위해, 맨드릴의 외경은 압력관의 내경에 상응한다.

또한, 본 발명의 제2 관점에 따르면, 맨드릴은 원추형으로 형성된다. 상기 맨드릴의 기저면은 업셋 성형될 압력관의 내경 보다 큰 외경을 갖는다. 따라서, 업셋 성형시 압력관의 내경이 확대되고, 이로 인해 내경이 변형되는 것이 방지된다.

또한, 본 발명의 제2 관점에 따르면, 업셋 성형 다이는 맨드릴의 기저면에 별도의 경사부가 제공되도록 형성됨으로써, 압력관 개구에 면취부가 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 관 단부의 면취부는 자긴 가공 시에 압력관의 밀봉부로서 사용될 수 있는 것이 바람직하다. 따라서, 그러한 밀봉부로서 압력관의 추후 밀봉면이 사용되지는 않는다. 면취부의 가급적 저렴한 제조를 위해 면취부를 냉간 성형 공정에 의해 형성하기 때문에, 업셋 성형 다이에 상응하는 경사부가 제공된다.

다른 실시예에 따라, 업셋 성형 다이의 맨드릴은 원추대형으로 형성될 수 있고 맨드릴의 상부면에는 또 다른 면취부가 제공됨으로써, 맨드릴을 간단히 압력관에 대해 동축으로 정렬할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명한다.

도 2는 연결 헤드(1) 및 파이프 라인(16)을 가진 연료 분사관의 관 단부를 도시한다. 경사진 압력 숄더(10)는 압력 링(11)에 지지되고, 이 압력 링(11)은 예컨대 유니온 너트(도시되지 않음)에 의한 설치 시에 필요하다. 원추대형 연결 헤드의 외주면은 한편으로는 오목부(12) 및 다른 한편으로는 밀봉면(13)을 갖는다. 밀봉면(13)은 압력관을 분사 시스템(도시되지 않음)의 대응 부분에 대해 밀봉한다. 압력관의 내부면(17)에는 연결 헤드의 영역에 내부 원추부(9)가 형성되어 있다. 내부 원추부(9)는 상부면(18)에서 관 개구(19)를 형성한다. 압력 숄더(10)는 압력관의 파이프 라인(16)의 외부면과 90°보다 큰 각을 형성한다. 바람직하게는 상기 각은 100°내지 110°이다. 상기 각 범위에서 압력 링(11)의 하중 인가가 유리하다. 연결 헤드의 높이(H)는 업셋 성형 접힘부 형성에 영향을 주는 것으로, 외경이 10 mm보다 큰 압력관에 있어서 0.5 내지 1.0 x 외경의 범위 내에 놓인다. 내부 원추부(9)의 기저면에서의 관 내경, 즉 압력관의 단부면에서의 확대는 1.02 내지 1.4 x 파이프 라인 내경의 범위 내에 놓인다. 연결 헤드가 밀봉면에서 볼형으로 형성되기 때문에, 압력관과 대응 부분의 축들 사이에 편차가 있을 경우에도 밀봉면의 원주에 걸친 균일한 압력 분배가 이루어진다.

본 발명의 제2 관점의 실시예, 즉 업셋 성형을 위해 압력관 단부에 대해 가압되는 업셋 성형 다이의 제1 부분이 도 3에 횡단면도로 도시되어 있다. 업셋 성형 다이(7)는 맨드링(8)을 가지며, 상기 맨드릴은 원추대형으로 형성된다. 맨드릴의 발 부분, 즉 기저면에는 연결 헤드에 면취부(14)를 형성하기 위한 경사부(15)가 제공된다. 상부면(6)은 면취부를 통해 원추대의 외주면에 연결된다. 다이는 리세스(20)를 가지며, 이 리세스는 통 형태로서 업셋 성형될 연결 헤드의 네거티브 형상을 형성하기 때문에, 통의 프로파일에 아치형부(3)가 나타난다. 맨드릴의 길이는 적어도 1.5 x 연결 헤드 높이 H 이어야 한다.

본 발명에 따라 연결 헤드의 냉간 성형 후에도 업셋 성형 접힘 및 수축된 내경을 갖지 않는 압력관이 제공된다.

Claims (13)

1. 내연기관의 분사 시스템에 연결하기 위한 파이프 라인(16)의 단부에 냉간 성형에 의해 원추대형으로 제조된 연결 헤드(1)를 가진 압력관으로서,

   상기 연결 헤드(1)는 외주면에 연결부에 대해 연결 헤드(1)를 밀봉하기 위한 환형 밀봉면(13), 상부면(18)에 관 개구(19), 및 상기 상부면과는 반대측에서 파이프 라인(16)에 연결되고 상기 밀봉면(13)의 밀봉을 위해 필요한 예비 하중을 도입하기 위한 압력 숄더(10)를 가지고,

   상기 파이프 라인(16)의 외부면은 상기 압력 숄더(10)의 면과 100°내지 110°의 각을 이루며, 상기 압력관의 내부면(17)은 상기 연결 헤드(1)의 영역에서 내부 원추부(9)를 형성하되, 내부 원추부(9)의 기저면에서의 관 내경이 1.02 내지 1.4 x 파이프 라인 내경의 범위 내에 있고, 상기 연결 헤드(1)의 외주면은 상기 밀봉면(13)과 상기 압력 숄더(10) 사이의 영역에 오목부(12)를 갖는 것을 특징으로 하는 성형된 연결 헤드를 구비한 압력관.
2. 제1항에 있어서, 상기 관 개구(19)는 그 원주에 면취부(14)를 갖는 것을 특징으로 하는 성형된 연결 헤드를 구비한 압력관.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 밀봉면(13)은 볼형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 성형된 연결 헤드를 구비한 압력관.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압력 숄더(10)는 편평하게 형성되는 것을 특징으로 하는 성형된 연결 헤드를 구비한 압력관.
5. 압력관에 연결 헤드(1)를 업셋 성형(upsetting)하기 위해 2개 이상의 부분으로 이루어진 업셋 성형 다이(7)로서,

   제1 부분은 내부로 테이퍼지는 원추대형 리세스(20)를 가지며, 상기 리세스의 내부 윤곽은 업셋 성형될 상기 연결 헤드(1)의 외부 윤곽에 상응하고, 제2 부분은 업셋 성형될 연결 헤드(1)의 압력 숄더를 형성하기 위한 리세스를 가지며, 상기 제2 부분은 업셋 성형될 연결 헤드(1)가 파이프 라인(16)의 외부면과 100°내지 110°의 각을 형성하는 면을 가진 압력 숄더를 갖도록 형성되고, 상기 원추대형 리세스(20)는 그 측면에 상기 업셋 성형 다이(7)의 볼록한 아치형부(3)를 가지며, 상기 다이의 상기 제1 부분은 상기 관 개구(19) 내로 삽입하기 위한 맨드릴(8)을 가지며, 이 맨드릴의 외경은 업셋 성형될 상기 압력관의 내경에 상응하는 것을 특징으로 하는 업셋 성형 다이.
6. 제5항에 있어서, 상기 맨드릴(8)이 원추형으로 형성되고, 상기 맨드릴(8)의 기저면은 업셋 성형될 상기 압력관의 내경 보다 큰 외경을 갖는 것을 특징으로 하는 업셋 성형 다이.
7. 제5항에 있어서, 업셋 성형될 상기 압력관의 관 개구(19)에 면취부(14)를 형성하기 위해, 상기 맨드릴(8)은 기저면의 영역에 경사부(15)을 갖는 것을 특징으로 하는 업셋 성형 다이.
8. 제5항에 있어서, 상기 맨드릴(8)은 원추대형으로 형성되고, 상기 맨드릴(8)을 상기 압력관에 대해 동축으로 정렬하기 위해 상부면(6)에 면취부가 제공되는 것을 특징으로 하는 업셋 성형 다이.
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