KR101341122B1 - 금속링 제조장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속링 제조장치 및 방법에 관한 것으로서, 즉 본 발명은 여러 금속 원료를 용해시키도록 하는 용해로(10); 상기 용해로(10)로부터 용해된 용탕을 일정 속도로 회전하는 금형의 내부로 주입되도록 하여 상기 금형의 내주면에서 원심력에 의해 일정 두께를 이루게 하고, 일정 온도가 될 때까지 냉각시켜 링형의 단조용 소재를 제작하는 원심주조기(20); 상기 원심주조기(20)로부터 탈형시킨 링형의 단조용 소재를 압연 단조 가공에 의해 완제품이 제작되도록 하는 링밀 단조기(30)로서 구비되도록 하면서 금속 원료를 준비하여 용해로(10)에서 용해되도록 하는 단계; 용해된 용탕을 원심주조기(20)의 회전하는 금형 내부에 주입하는 단계; 회전하는 상기 금형에서 용탕이 일정 온도로 냉각되면서 일정 형상의 주형인 링형 단조용 소재를 형성하는 단계; 상기 링형 단조용 소재가 설정된 온도에 도달되면 금형으로부터 탈형시키는 단계; 탈형시킨 링형 단조용 소재를 링밀 단조기(30)로 이동시켜 단조 가공을 수행하도록 하는 단계; 단조 가공을 완료한 링형 소재를 냉각시키도록 하는 단계로서 수행되도록 함으로써 공정 수행 과정이 단축되면서 그에 따른 공정 소요 시간과 제조 비용이 대폭적으로 절감되도록 하고, 구매 비용 및 재고 부담을 해소하면서 소량의 맞춤 제작이 가능하도록 하는데 특징이 있다.

Description

금속링 제조장치 및 방법{Apparatus and methods for manufacturing metal ring}

본 발명은 금속링 제조장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원심주조법과 링밀가공을 연속으로 수행하면서 공정이 단축되도록 하여 제품의 신속한 제조 및 소량 제조가 가능토록 하고, 재고 부담을 대폭적으로 경감시키며, 적은 설비 투자가 가능한 동시에 제조 원가의 절감에 따른 경제적인 기대효과가 큰 금속링 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 금속링은 매우 다양한 분야 즉 발전, 석유화학, 해양, 조선 등에서 대단히 많이 사용되고 있는 부품이다.

특히 회전체 형상의 설비들에서 대부분의 핵심부품들은 원형의 금속링으로서 이루어지는데 스팀 터빈이나 가스터빈의 내부 소재 및 베어링 관련 링 소재들이 대표적이라 할 수 있다.

금속링이 기계부품 등의 산업분야에서 사용되어지기 위해서는 일정 이상의 강도를 가져야만 하는데 이를 위하여 금속링은 단조 공정을 거친 소재를 사용하고 있고, 이런 단조용 소재로서 주로 사용되고 있는 것이 슬라브(slab) 또는 블룸(bloom) 또는 인고트(ingot)이다.

금속링을 만들기 위한 단조용 반제품 소재들은 대부분 대형 제철소 등에서 제작되며, 이들 반제품은 완제품으로 가공되는 과정을 통해서 제작되고 있다.

일례로 단조용 소재인 슬라브는 금속합금 소재를 전기로에서 용해시켜 일정 몰드에 채워 수냉방식에 의해 냉각시키게 되는 과정에 의해 제작되며, 이렇게 제작되는 슬라브는 가공과정을 통해서 완제품으로 성형되도록 하고 있다.

슬라브의 가공과정으로는 준비된 슬라브를 일정 크기로 절단한 후 프레스를 이용하여 원형의 판을 만들고, 원형판에는 중앙에 펀칭을 가해 중앙에 구멍을 뚫어 링형상을 제작하며, 이를 일정 온도로 가열한 후 중앙에 구멍에는 맨드렐이 관통하고, 일측의 외주면에는 구동롤이 면밀착되게 하여 회전시키면서 중앙의 맨드렐과 함께 내외에서 압력을 가해 내경과 외경이 조절되도록 하며, 링의 타측에서 상부면과 하부면은는 각각 에칭롤에 의해 평면가공이 이루어지도록 하는 링밀공정을 수행하여 원하는 직경과 두께의 링제품을 제작하게 된다.

일본 특허공개공보 평02-133131호(1990.05.22.명칭:링형금속부재의 통전가열장치)는 제작된 슬라브를 일정한 크기로 절단하여 원판이 되게 단조공정을 거친 후 펀칭한 가공물을 링밀 가공에 의해 완제품이 형성되도록 하고 있다.

하지만 종래 기술에서와 같이 링밀 가공을 하기 위해서는 합금을 용해시켜 링밀 가공을 위한 형상이 되게 하기까지의 과정이 매우 복잡하고, 공정 수행에 따른 소요 시간이 지나치게 길어 생산성 저하의 원인이 되고 있다.

또한, 전술한 바와 같이 슬라브 제작은 통상적으로 대형 제철소에서 이루어지게 되므로 대형 제철소로부터 슬라브를 조달하는데 따른 대량 구매와 재고 부담의 애로사항과 함께 슬라브 구비 상태와 수요를 미리 예측할 수가 없어 적기에 납기를 맞추지 못하게 되는 문제가 있다.

일본 특허공개공보 평02-133131호(1990.05.22.)

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 링밀 단조가 수행될 수 있는 반제품의 링형 소재는 원심주조법에 의해 제작하고, 링밀 단조 가공에 의해 완제품이 성형되도록 함으로써 공정 수행 과정을 대폭적으로 단축되도록 하여 공정 소요 시간과 비용을 한층 절감시킬 수 있도록 하는 금속링 제조장치 및 방법을 제공하는데 주된 목적이 있다.

또한 본 발명은 별도의 단조용 소재인 슬라브의 대량 구매와 재고 부담을 해소시키면서 제품의 소량 생산을 가능토록 하는 금속링 제조장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기한 목적 달성을 위한 본 발명의 금속링 제조장치는, 여러 금속 원료를 용해시키도록 하는 용해로;
상기 용해로로부터 용해된 용탕을 일정 속도로 회전하는 금형의 내부로 주입되도록 하여 상기 금형의 내주면에서 원심력에 의해 일정 두께를 이루게 하면서 단조에 적절한 일정 온도가 될 때까지 냉각시켜 링형의 단조용 소재를 제작하는 원심주조기; 복수의 실린더를 방사상으로 구비하고, 각 실린더로부터 인출입되는 피스톤의 선단은 일정 반경의 원호형상으로 형성되도록 하여 상기 피스톤 선단이 링형 단조용 소재의 내경면에 밀착되게 함으로써 링형의 단조용 소재를 척킹하도록 하는 실린더 척; 상기 실린더 척에 연결되도록 하여 상기 실린더 척에 의해 척킹된 링형의 단조용 소재를 상기 원심 주조기로부터 탈형시켜 이송되도록 하는 크레인; 상기 크레인에 의해 상기 원심주조기로부터 탈형시킨 링형의 단조용 소재를 압연 단조 가공에 의해 완제품이 제작되도록 하는 링밀 단조기로서 이루어지는 구성이다.

상기에서 용해로는 전기로로 적용하고, 상기 원심주조기는 상기 금형이 수직으로 구비되는 수직형으로 형성되도록 한다.

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또한 금속 원료를 준비하여 용해로에서 용해되도록 하는 단계; 용해된 용탕을 원심주조기의 회전하는 금형 내부에 주입하여 30~60분동안 원심주조가 수행되도록 하는 단계; 회전하는 상기 금형에서 용탕이 일정 온도로 냉각되면서 일정 형상의 주형인 링형 단조용 소재를 형성하는 단계; 상기 링형 단조용 소재가 설정된 온도에 도달되면 방사상으로 복수의 실린더를 구비한 각 실린더로부터 인출입되는 피스톤의 선단이 상기 링형 단조용 소재의 내경면에 밀착되도록 하여 척킹되도록 하는 실린더 척을 크레인에 의해 상승시켜 금형으로부터 탈형시키는 단계; 단조에 적절한 온도를 유지되게 하면서 상기 원심주조기로부터 탈형시킨 링형 단조용 소재를 상기 크레인에 의해 링밀 단조기로 이동시켜 단조 가공을 수행하도록 하는 단계; 단조 가공을 완료한 링형 소재를 냉각시키도록 하는 단계;로서 수행되도록 하는데 특징이 있다.

상기 원심주조기에 주입되는 용탕은 30~60분간 원심주조되도록 하며, 상기의 단계에서 상기 원심주조기에서 원심주조되는 탄소강의 링형 단조용 소재는 표면 온도가 650도에서 탈형되도록 하고, 합금강의 링형 단조용 소재는 표면 온도가 850도에서 탈형되도록 한다.

상기의 구성에 따른 본 발명의 금속링 제조장치 및 방법은 슬라브 제작 단계를 생략하고 직접 원심주조법에 의해서 반제품인 링형 소재를 제작한 후 링밀 단조가공에 의해 제작되도록 하는 것이므로 공정 수행 과정이 단축되면서 그에 따른 공정 소요 시간과 제조 비용이 대폭적으로 절감될 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 슬라브의 대량 구매에 따른 비용 및 재고 부담을 해소하면서 소량의 맞춤 제작이 가능하므로 강성과 특성을 최적화한 제품을 정확히 납품할 수 있도록 하여 품질과 생산 신뢰성을 한층 향상시킬 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 금속링 제조장치를 이루는 구성을 예시한 블록도
도 2는 본 발명에 따른 금속링 제조장치에서 원심주조된 링형 단조용 소재를 이송시키는 이송 수단을 예시한 평면도
도 3은 본 발명에 따른 금속링 제조방법을 예시한 순서도

이하, 본 발명에 따른 금속링 제조장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 금속링 제조장치를 이루는 구성을 예시한 블록도이다.

도시한 바와 같이 본 발명은 용해로(10)와 원심주조기(20)와 링밀 단조기(30)로서 이루어지는 구성이다.

본 발명에서 용해로(10)는 금속을 용해시키도록 하는 구성으로서, 용해로(10)는 여러 가지 종류와 형식이 있는데 반사로, 도가니로, 전기로, 용선로 등으로 크게 나눌 수가 있고, 이중에서 본 발명은 소량 제작에 유리한 전기로를 사용하는 것이 가장 바람직하다.

하지만 본 발명의 용해로(10)는 전기로에 한정하지 않고, 그 외의 방식으로도 적용은 가능하다.

그리고 본 발명의 원심주조기(20)는 회전하는 금형의 내부로 용탕이 주입되도록 하여 원심력에 의해 금형의 내경면에 일정 두께로 용탕이 쏠리면서 그 상태로 냉각되게 하여 관형의 제품이 제작되게 하는 구성이다.

이런 원심주조기(20)는 회전하는 축의 방향에 따라 수평형(일명 가로형이라고도 함)과 수직형(일명 세로형이라고도 함)으로 나누어지게 되는데 본 발명은 이중 수직형으로 적용하는 것이 바람직하며, 다만 수직형에 한정하지 않고 수평형으로도 적용은 가능하다.

특히 본 발명의 원심주조기(20)에는 통상적으로 제작되는 일정 사이즈로 규격화된 금속링에 적절한 금형을 미리 제작하여 이들 금형의 교체만으로 다양한 금속링을 제작할 수가 있다.

원심주조기(20)를 통해서 제작된 반제품의 링형 소재는 본 발명의 링밀 단조기(30)를 통해 완제품화된다.

링형 단조기(30)는 링형 소재의 내주면과 외주면에 아이들러 롤(idler roll)과 드라이브 롤(drive roll)이 각각 밀착되면서 상호 일정 압력으로 가압하도록 하고, 일측의 상부면과 하부면에는 에징 롤(edging roll)이 각각 면밀착되도록 하는 구성이다.

즉 링형 소재의 내주면에는 드라이브 롤의 방향으로 수평이동이 가능하게 구비되는 아이들러 롤이 구비되어 드라이브 롤에 의해 링형 소재가 회전되게 하면서 아이들러 롤이 드라이브 롤측으로 가압하는 압력에 의해 점차 필요로 하는 폭과 직경을 형성하도록 하고, 상부면과 하부면은 에징 롤에 의해 가공되어 금속링의 필요로 하는 두께를 형성하도록 한다.

이와 같이 본 발명은 원심주조기에 의해서 링형상의 반제품이 제작되도록 하고, 이를 링밀 가공기에 의해서 단조 가공함으로써 완제품으로 후가공하도록 하는 것이다.

다만 원심주조기(20)로부터 링형 단조기(30)로는 별도의 이동수단이 필요로 되는데 도 2는 본 발명에 따른 금속링 제조장치에서 원심주조된 링형 단조용 소재를 이송시키는 이송 수단을 예시한 평면도로서, 도시한 바와 같이 원심주조기(20)에서 원심주조된 링형 단조용 소재는 복수의 실린더(41)가 방사상으로 균일한 각도를 이격하여 일체로 결합되도록 한 실린더 척(40)에 의해 척킹되도록 하는 것이 가장 바람직하다.

이러한 실린더 척(40)은 각 실린더(41)들이 결합되는 중앙의 결합부위가 크레인(미도시)에 연결되도록 하여 크레인에 의해서 승강 및 링형 단조기(30)로의 이송이 이루어지도록 한다.

실린더 척(40)의 각 실린더(41)로부터 외측으로 인출입되는 피스톤의 선단은 일정 반경을 갖는 원호형상으로 이루어지도록 하여 링형 단조용 소재의 내경면과 밀착시 변형이 방지되게 하는 것이 가장 바람직하다.

상기와 같은 구성을 이용한 본 발명에 따른 금속링을 제조하는 방법에 대해서 순차적으로 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 금속링 제조방법을 예시한 순서도이다.

도시한 바와 같이 본 발명은 금속링을 형성하기 위한 다양한 금속 원료들을 준비하는 사전 준비 단계에서부터 시작된다.(S1)

금속 원료들은 제조하고자 하는 금속링의 용도나 특성에 따라 다양하고, 혼합되는 비율도 매우 다양하므로 그에 적절한 금속 재료들이 준비되도록 해야만 한다.

금속 원료들이 준비되면 이 원료들을 각각 용해로(10)에 투입하여(S2) 일정 온도로 일정 시간을 가열하여 합금 용탕이 만들어지도록 한다.(S3)

용해된 합금 용탕은 원심주조기(20)의 일정 속도로 회전하고 있는 금형의 내부로 일정량이 주입되도록 한다.(S4)

원심주조기(20)에서 금형은 일정 속도와 일정 시간 동안을 회전하면서 내부의 용탕이 냉각되도록 하여 일정 형상의 주형을 형성하도록 한다.(S5)

이때 원심주조기(20)에 주입되는 용탕은 30~60분간 원심주조되도록 하는 것이 가장 바람직하다.

주형은 링형상의 반제품인 단조용 소재를 형성하게 되며, 반제품 상태의 링형 단조용 소재는 단조 가공이 가능한 온도가 될 때까지만 냉각이 이루어지도록 한다.

반제품의 링형 단조용 소재가 설정된 온도에 도달하게 되면(S6) 원심주조기(20)의 금형으로부터 반제품 링형 단조용 소재를 탈형시킨다.(S7)

다만, 원심주조기(20)에서 원심주조되는 탄소강의 링형 단조용 소재는 표면 온도가 650도에서 탈형되도록 하고, 합금강의 링형 단조용 소재는 표면 온도가 850도에서 탈형되도록 하는 것이 가장 바람직하다.

원심주조기(20)로부터의 탈형은 실린더 척(40)에 이루어지고, 탈형한 링형 단조용 소재는 크레인을 이용하여 링밀 단조기(30)로 이송되도록 한다.

탈형시킨 반제품의 링형 단조용 소재는 링밀 단조기(30)에 공급되어(S8) 중앙에 일정 직경으로 홀이 형성되어 있는 부위에 아이들링 롤이 삽입되게 하고, 아이들링 롤의 수평 이동에 의해 링형 단조용 소재를 수평 이동시켜 일측의 외주면이 일정 속도로 회전하고 있는 드라이빙 롤에 밀착되도록 한다.

링형 단조용 소재가 링밀 단조기의 드라이빙 롤에 밀착되는 순간 드라이빙 롤과의 면마찰에 의해 링형 단조용 소재도 동시에 회전하게 되고, 회전하는 링형 단조용 소재의 상부면과 하부면에서는 서로 상하부에서 마주보게 구비되는 한 쌍의 에지 롤과의 면마찰에 의해 단조용 소재의 상부면과 하부면의 면가공이 이루어지도록 한다.(S9)

아이들링 롤과 드라이빙 롤과의 사이에서 링형 소재는 일정 압력으로 눌려지면서 압연 단조 가공이 이루어지게 되므로 링형 단조용 소재는 필요로 하는 강도와 내구력을 갖게 된다.

아이들링 롤과 드라이빙 롤 사이에서 링형 단조용 소재가 이미 설정된 링 폭과 직경이 형성할 때까지 내경과 외경 가공은 이루어지게 되는 동시에 상부면과 하부면 또한 한 쌍의 에지 링에 의해서 가공되면서 금속 링의 설정된 두께가 되도록 한다.

링밀 단조기(30)를 통해 압연 단조 가공되어 설정한 사이즈로서 가공 소재가 제작되면 이를 일정 시간 동안 냉각시켜 완제품이 이루어지도록 한다.(S10)

이와 같은 방식으로 공정을 수행하게 되면 종전과 같은 슬라브 제작 공정을 거치지 않고도 단조용 소재를 제작할 수가 있어 슬라브 제작과 이 슬라브를 링밀 가공이 가능한 상태가 되도록 하는 복잡한 공정을 거치지 않아도 되므로 대폭적인 공정 단축의 효과를 제공할 수가 있다.

또한 원심주조에 의한 단조용 소재는 좀더 간소한 공정을 통해 제작되기는 하지만 대형 치수로 제작되는 슬라브를 적당한 치수로 절단하여 단조를 거치면서 발생되는 내부 결함을 미연에 방지할 수가 있게 되어 좀더 안정적인 소재 제작이 가능하게 된다.

특히 본 발명은 원심주조에 의해 제작되는 단조용 소재가 별도의 가열이 필요없이 냉각되는 과정에서 링밀 단조 가공에 필요한 온도에 도달하면 그 상태에서 링밀 단조가 이루어지도록 하는 것이므로 여러번 가열해야하는 번거로움과 그에 따른 변형 및 특성 변화를 방지할 수가 있게 된다.

이와 함께 단조용 소재는 금형의 교체만으로 다양한 사이즈를 구현할 수가 있으므로 금속링의 소량 제작과 제품의 변경이 용이한 이점이 있으며, 무엇보다도 대형 제철소로부터 상당한 양의 슬라브를 구입해야 하고, 재고를 안아야 하는 경제적 부담으로부터 벗어나 안정되고 적기 납품이 가능토록 하는 효과가 있다.

10 : 용해로
20 : 원심주조기
30 : 링밀 단조기

Claims (9)

1. 여러 금속 원료를 용해시키도록 하는 용해로;
   상기 용해로로부터 용해된 용탕을 일정 속도로 회전하는 금형의 내부로 주입되도록 하여 상기 금형의 내주면에서 원심력에 의해 일정 두께를 이루게 하면서 단조 가공이 가능한 일정 온도가 될 때까지 냉각시켜 링형의 단조용 소재를 제작하는 원심주조기;
   복수의 실린더를 방사상으로 구비하고, 각 실린더로부터 인출입되는 피스톤의 선단은 일정 반경의 원호형상으로 형성되도록 하여 상기 피스톤 선단이 링형 단조용 소재의 내경면에 밀착되게 함으로써 링형의 단조용 소재를 척킹하도록 하는 실린더 척;
   상기 실린더 척에 연결되도록 하여 상기 실린더 척에 의해 척킹된 링형의 단조용 소재를 상기 원심 주조기로부터 탈형시켜 이송되도록 하는 크레인;
   상기 크레인에 의해 상기 원심주조기로부터 탈형시킨 링형의 단조용 소재를 압연 단조 가공에 의해 완제품이 제작되도록 하는 링밀 단조기;
   로서 이루어지는 금속링 제조장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
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6. 금속 원료를 준비하여 용해로에서 용해되도록 하는 단계;
   용해된 용탕을 원심주조기의 회전하는 금형 내부에 주입하여 30~60분동안 원심주조가 수행되도록 하는 단계;
   회전하는 상기 금형에서 용탕이 일정 온도로 냉각되면서 일정 형상의 주형인 링형 단조용 소재를 형성하는 단계;
   상기 링형 단조용 소재가 설정된 온도에 도달되면 방사상으로 복수의 실린더를 구비한 각 실린더로부터 인출입되는 피스톤의 선단이 상기 링형 단조용 소재의 내경면에 밀착되도록 하여 척킹되도록 하는 실린더 척을 크레인에 의해 상승시켜 금형으로부터 탈형시키는 단계;
   단조 가공이 가능한 온도를 유지되게 하면서 상기 원심주조기로부터 탈형시킨 링형 단조용 소재를 상기 크레인에 의해 링밀 단조기로 이동시켜 단조 가공을 수행하도록 하는 단계;
   단조 가공을 완료한 링형 소재를 냉각시키도록 하는 단계;
   로서 수행되도록 하는 금속링 제조방법.
   
7. 삭제
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 원심주조되는 링형 단조용 소재가 탄소강의 경우 표면 온도가 650℃에서 탈형되는 금속링 제조방법.
   
9. 청구항 6에 있어서,
   상기 원심주조되는 링형 단조용 소재가 합금강의 경우 표면 온도가 850도에서 탈형되는 금속링 제조방법.
   
   

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