KR101337003B1 - 링 압연 공법을 이용한 풍력 타워용 플랜지 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플랜지 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 링 압연 공법을 이용한 풍력 타워용 플랜지 제조방법은 블랭크의 외주면을 가압시키는 메인롤과 상기 블랭크의 내주면을 가압시키는 압력롤과 상기 블랭크의 상부면과 하부면을 가압시키는 한 쌍의 축롤을 포함하는 링 압연 장치를 이용하여 링 압연 공법으로 풍력 타워용 플랜지 형태로 제조하는 방법에 있어서, 상기 링 압연 장치를 이용하여 상기 블랭크의 내경 및 외경을 확대하는 성형 단계와, 상기 압력롤의 외주면에 돌출형성된 돌출부가 상기 블랭크의 내주면에 접촉되도록 수직이동시키는 이송 단계와, 상기 압력롤의 외주면에 돌출된 돌출부를 이용하여 상기 블랭크의 내주면에 함몰부를 형성시키는 함몰부 성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

링 압연 공법을 이용한 풍력 타워용 플랜지 제조방법{a method for production of flange for wind tower}

본 발명은 링 압연 공법을 이용한 풍력 타워용 플랜지 제조방법에 관한 것으로서, 풍력 타워의 골격을 형성하는 튜브(tube)와 튜브를 연결하는 플랜지를 링 압연 공법을 이용하여 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 링 압연공정은 이음매 없는 링 모양의 제품을 연속적으로 가공하여 원하는 치수의 제품, 즉 링 압연품을 제조하는 공정이다. 이러한 링 압연공정은, 발전설비, 화학 플랜트, 가스터빈 및 제트엔진용 링부품 등 다양한 분야의 링부품 제조에 적용되고 있다.

상기 링 압연공정은 압연과는 다른 제조공정인 링 단조(Ring Forging) 공정에 비해, 작업속도가 빠르고, 온도유지가 가능하며, 수율향상 등을 꾀할 수 있다. 특히, 링 압연 공정으로 제조된 링 압연품은 그레인 플로우 라인(Grain Flow Line)이 원주방향으로 끊기지 않고 연속적으로 형성되기 때문에, 우수한 특성을 발현할 수 있는 장점이 있다.

도 1에는 링 압연공정의 전체 공정도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 링 압연공정을 통하여 링 압연품을 만드는 과정을 살펴보면, 우선 빌렛 원소재를 적당한 크기로 가스 절단하거나 기계톱으로 절단하여 예컨대, 원기둥 구조의 초기 빌렛(1)을 준비한다(S1).

다음에, 가열로(2)를 이용하여 초기 빌렛(1)을 목표온도로 가열하고,(S2) 다음에 상기 가열된 초기 빌렛(1)을 단조프레스(3)로 이송한다(S3).

상기 단조프레스(3)의 금형은 미리 예열되며, 이 예열된 금형에 의하여 상기 가열된 초기 빌렛(1)에 대하여 업세팅 단조를 수행함으로써 초기 빌렛(1)을 축방향으로 압축한다(S4).

그리고 초기 빌렛(1)을 업셋팅 단조하여 압축시킨 중간재(1a)를 펀치(4)를 이용하여 구멍을 뚫는 피어싱(Piercing) 공정을 거치게 함으로써, 중공을 가지는 블랭크(Blank, 9)를 만든다(S5).

다음에, 상기 블랭크(9)의 외주를 가압하도록 회전하는 메인롤(5), 상기 블랭크(9)의 내주면을 가압하도록 회전하는 압력롤(Pressure roll,6), 상기 블랭크(9)의 상면을 가압하는 상부 축롤(Axial roll, 7), 상기 블랭크(9)의 하부를 가압하는 하부 축룰(8) 및 상기 블랭크(9)의 외주를 회전지지하는 다수의 가이드롤(10)이 구비된 링 압연기에 의하여, 상기 블랭크(9)를 링 압연한다(S6). 이 링 압연에 의하여 소정 형상의 링 압연품(11)을 제조할 수 있다(S7).

특히, 풍력 타워의 골격을 형성하는 튜브(tube)와 튜브를 연결하는 플랜지는 이러한 링 압연 공정을 통해서 제조되는 것이 일반적이며, 도 2는 플랜지의 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 풍력 타워용 플랜지(10)는 각 튜브를 용접연결하기 위한 연결부(10a)가 돌출형성되며, 도 1에서 살펴본 링 압연 공정을 통해서 직사각형의 단면을 가지는 링을 제작하고 후가공을 통해서 최종 제품으로 성형하게 된다.

도 3은 함몰부가 형성된 링 압연 제품의 단면도이며, 최근에는 도 3에 도시된 바와 같이 내주면에 함몰부(12)가 형성된 제품으로 제작하고, 중간을 절단하여 최종 제품(10)으로 후가공 공정을 통해서 성형하는 방법을 이용하게 된다.

이러한 종래 기술에는 대한민국 특허청에 출원된 출원번호 제10-2009-0131482호(2009.12.28출원:반가공형상링 성형장치 및 이를 이용한 반가공형상링 제조방법), 출원번호 제10-2010-0007954호(2010.01.28출원:비대칭형 대형링 제조장치 및 제조방법) 등이 있다.

그러나, 이러한 함몰부가 형성된 제품을 성형하기 위해서는 압력롤에 돌출부가 형성되어야 한다.

도 4는 돌출부의 형성에 따른 블랭크의 비교 단면도이다.

도 4의 (a)는 전통적인 방식인 경우이며, 도 4의 (b)는 압력롤에 돌출부가 형성된 경우이다. 도 4에 도시된 바와 같이 전통적인 방식(a)과 비교하여 압력롤에 돌출부가 형성되는 경우(b)에는 블랭크의 내경 치수(d1 < d2)가 증가하게 되고, 피어싱을 위한 펀치경이 증가되는 문제점이 발생하게 되고, 원소재수율(Material Utilization ratio)이 감소하는 단점이 있다.

본 발명에 따른 링 압연 공법을 이용한 풍력 타워의 플랜지 제조방법은 원소재수율을 저하시키지 않도록 동일한 내경치수를 갖는 블랭크를 이용하여 풍력 타워의 플랜지를 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 링 압연 공법을 이용한 풍력 타워의 플랜지 제조방법은 블랭크의 외주면을 가압시키는 메인롤과 상기 블랭크의 내주면을 가압시키는 압력롤과 상기 블랭크의 상부면과 하부면을 가압시키는 한 쌍의 축롤을 포함하는 링 압연 장치를 이용하여 링 압연 공법으로 풍력 타워용 플랜지 형태로 제조하는 방법에 있어서, 상기 링 압연 장치를 이용하여 상기 블랭크의 내경 및 외경을 확대하는 성형 단계와, 상기 압력롤의 외주면에 돌출형성된 돌출부가 상기 블랭크의 내주면에 접촉되도록 수직이동시키는 이송 단계와, 상기 압력롤의 외주면에 돌출된 돌출부를 이용하여 상기 블랭크의 내주면에 함몰부를 형성시키는 함몰부 성형 단계를 포함하되, 상기 함몰부 성형 단계에서 블랭크의 두께(S1)와 높이(T1)는 최종 제품의 두께(S2)와 높이(T2)와 수학식(b)를 만족하는 것을 특징으로 하고, 여기서, 수학식(b)는 T1² - S1² = T2² -S2² 이다.

본 발명에 따른 링 압연 공법을 이용한 풍력 타워용 플랜지 제조방법은 돌출부가 형성되지 않은 부위를 이용하여 블랭크를 일정한 크기로 성형한 후에 압력롤를 수직이동시켜서 제품을 성형하여 원소재수율을 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 링 압연 공법을 이용한 풍력 타워용 플랜지 제조방법은 블랭크의 일정크기로 가공 후 가열 단계를 생략하고 2차로 함몰부를 형성시키는 공정을 연속적으로 실행할 수 있으므로 생산성과 제조 원가를 동시에 절감할 수 있고 중심부의 미충진, 제품의 뒤틀림 등의 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 링 압연 공정의 전체 공정도.
도 2는 플랜지의 단면도
도 3은 함몰부가 형성된 링 압연 제품의 단면도.
도 4는 돌출부의 형성에 따른 블랭크의 비교 단면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 링 압연 공법을 이용한 풍력 타워용 플랜지 제조방법을 도시하는 순서도.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 압력롤의 이송 시점과 방법을 도시하는 개념도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 링 압연 공법을 이용한 풍력 타워용 플랜지 제조방법을 도시하는 순서도이다.

도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 링 압연 공법을 이용한 풍력 타워용 플랜지 제조방법은 도 1에 도시된 블랭크의 외주면을 가압시키는 메인롤과 상기 블랭크의 내주면을 가압시키는 압력롤과 상기 블랭크의 상부면과 하부면을 가압시키는 한 쌍의 축롤을 포함하는 링 압연 장치를 이용한다.

먼저, 도 5에 도시된 바와 같이 링 압연 장치를 이용하여 블랭크(9)의 내경 및 외경을 확대하는 성형 단계(a)와, 상기 압력롤의 외주면에 돌출형성된 돌출부(6a)가 상기 블랭크의 내주면에 접촉되도록 수직이동시키는 이송 단계(b)와, 상기 압력롤의 외주면에 돌출된 돌출부를 이용하여 상기 블랭크의 내주면에 함몰부(9a)를 형성시키는 함몰부 성형 단계(c)를 포함한다.

본원 발명에 이용되는 링 압연 공법은 일반적인 링 압연 공법과 기본적으로 동일하다.

다만, 도 4에 도시된 바와 같이 종래의 돌출부가 형성된 압력롤을 이용하는 경우에 블랭크의 내경 크기를 돌출부가 없는 경우와 같이 조정할 수 있다. 즉, 펀칭 크기를 줄이고, 원소재수율을 높일 수 있다.

본 발명에서 중요한 것을 압력롤이 언제 하강되고, 어떤 이동 속도로 이동되는 것이다.

즉, 압력롤의 하강시점이 빠른 경우에는 압력롤과 고온의 소재가 접촉하는 시간이 길어져서 압력롤의 열화로 인한 수명저하가 발생될 수 있으므로 최대한 최종치수에 가깝게 성형 후에 압력롤을 이동시킬 필요가 있다.

이러한 압력롤의 하강시점은 최종 제품의 두께와 함몰부의 높이, 두께에 의하여 결정된다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 압력롤의 이동 시점과 방법을 도시하는 개념도이다.

도 6에 도시된 바와 같이 기본적으로 압력롤의 이동 전의 두께(S1)이 최종 제품의 두께(S2)보다 커야 한다.

또한, 상기 함몰부 성형 단계에서 블랭크의 두께가 S1에서 S2로 변화될 때 돌출부의 수직 단면적(A1)과 함몰부의 수직 단면적(A2)이 수학식(a) S1 > S2 (1 + A1/A2)를 만족하여야 한다.

즉, 함몰부의 체적량이 크면 클수록 성형과정에서 메인롤과 소재가 분리되는(separation)가능성이 높고 함몰부 성형을 위한 두께 여유를 두어 압력롤의 외주면이 블랭크의 내주면에 접하여 성형되도록 하여야 한다.

그리고, 상기 함몰부 성형 단계에서 블랭크의 두께(S1)와 높이(T1)는 최종 제품의 두께(S2)와 높이(T2)와 수학식(b)를 T1² - S1² = T2² -S2² 만족하여야 한다.

금속소재의 체적 불변량 조건을 통해서 상기 수학식(b)가 구해지고, 이를 통해서 압력롤의 이동시점과 내경과 외경 치수를 구할 수 있다.

본 발명에 따른 링 압연 공법을 이용한 풍력 타워용 플랜지 제조방법은 높이에 비하여 폭이 상대적으로 작은 직사각형 단면 형상에 연결부가 있는 풍력 타워용 플랜지의 성형에 유리한다.

구체적으로, 블랭크를 단조성형하고 본 발명에 따른 링 압연 공법을 통해서 1차로 사각 단면의 링 제품으로 성형하고, 압력롤을 이동시켜서 함몰부를 가지는 제품으로 성형하게 된다.

이러한 제조방법은 1차 가열, 황지, 2차 가열, 1차 링밀, 3차 가열, 2차 링밀의 공정으로 이루어지는 종래의 압연 링 공법에서 3차 가열을 생략할 수 있으므로 생산 시간과 제조 원가를 획기적으로 개선할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명은 링 압연 공법을 이용한 풍력 타워용 플랜지 제조방법을 제공하는 것을 주요한 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시 예는 단지 하나의 실시 예에 불과하므로 본 발명의 진정한 범위는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

6: 압력롤
6a: 돌출부
9: 블랭크
9a: 함몰부
10: 제품
10a: 연결부

Claims (3)

1. 블랭크의 외주면을 가압시키는 메인롤과 상기 블랭크의 내주면을 가압시키는 압력롤과 상기 블랭크의 상부면과 하부면을 가압시키는 한 쌍의 축롤을 포함하는 링 압연 장치를 이용하여 링 압연 공법으로 풍력 타워용 플랜지 형태로 제조하는 방법에 있어서,
   상기 링 압연 장치를 이용하여 상기 블랭크의 내경 및 외경을 확대하는 성형 단계와;
   상기 압력롤의 외주면에 돌출형성된 돌출부가 상기 블랭크의 내주면에 접촉되도록 수직이동시키는 이송 단계와;
   상기 압력롤의 외주면에 돌출된 돌출부를 이용하여 상기 블랭크의 내주면에 함몰부를 형성시키는 함몰부 성형 단계;를 포함하되,
   상기 함몰부 성형 단계에서 블랭크의 두께(S1)와 높이(T1)는 최종 제품의 두께(S2)와 높이(T2)와 수학식(b)를 만족하는 것을 특징으로 하는 링 압연 공법을 이용한 풍력 타워용 플랜지 제조공법.
   여기서, 수학식(b)는 T1² - S1² = T2² -S2² 이다.
   
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