KR101343340B1 - 나선홈 성형 제조장치 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

나선홈 성형 강관을 성형하는 장치로서, 각 부분의 설치를 위한 골격을 형성하며, 지면에 견고하게 설치되는 베이스 프레임부; 공압 또는 유압 실린더에 의해 전진 및 후진이 가능한 제 1 밀대, 공급함(Hopper box), U형 가이드, 가이드 롤러, 제 1센서, 스토퍼(Stopper)가 구비되어, 강관을 소정의 위치로 도입시키며, 하기의 각부들이 연동하여 이후의 작업이 순차적으로 작동하도록한 강관공급 프레임부; 주축롤러 구동모터의 작동으로 주축백업롤러, 주축롤러 및 동일 방향으로 회전하는 한 쌍의 지지롤러들을 포함하는 지지롤러 프레임부; 하단에 센싱 아이들 실린더 및 센싱 아이들 롤러, 센싱롤러 실린더 및 근접센서, 1차 성형완료 감지 센서, 2차 성형완료 감지 센서 및 3개의 가이드 아이들 롤러가 각각 소정의 위치에 체결되어 움직이는 상부 프레임부, 두 개의 날이 강관의 나선홈 간 간격의 정수배만큼 떨어져 있고, 제 1 성형롤러의 날의 연장선이 상기 지지롤러 혹은 강관의 중심선의 직각 방향과 12~14° 의 각도를 이루며, 날의 각도가 50~90° 인 제 1 나선홈성형롤러, 제1 나선홈성형롤러 구동모터 그리고 베이스 프레임부와 체결되어 작동하는 제 1 나선홈성형 프레임을 포함한 제 1 나선홈성형부와, 제 2 나선홈성형롤러의 날의 연장선이 상기 지지롤러 혹은 강관의 중심선의 직각 방향과 12~14°의 각도를 이루며, 날의 각도가 50~90°인 제 2 나선홈성형롤러, 제 2 나선홈성형롤러 구동모터, 그리고 베이스 프레임부와 체결되어 움직이는 제2 나선홈성형 프레임을 포함한 제 2 나선홈성형부를 포함하는 나선홈성형 프레임부; 2 차 나선홈성형완료된 강관이 상기 상부프레임의 소정의 위치에 체결된 2차 성형 완료 감지 센서에 감지되면, 제 2 성형롤러를 정지 및 후진시키고, 상기 상부프레임을 상승시켜 2차 나선홈성형완료 완료된 강관을 하단의 적재함으로 자연 낙하시키며, 동시에 제1 실린더에 의한 제 1 밀대와 제 2 실린더에 의한 스토퍼를 전진 및 상승시키는 강관 적재부를 포함하는 나선홈 성형 제조장치를 제공할 수 있다.

Description

나선홈 성형 제조장치 및 그의 제조방법{A SPIRAL FORMING MACHINE AND ITS MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 열교환기용 튜브의 나선홈(Spiral)을 형성하기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 자동차 엔진의 배기가스 재순환(Exgaust Gas Recirculation: 이하 "EGR"이라 한다)장치에 체결되는 EGR 냉각장치(Cooler)의 동심원상에 배열된 다수의 스테인레스 강관 외주부에 나선형으로 홈을 형성시키기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 나선형 스테인레스 강관(Spiral stainless steel tube)은 외주면에 나선형의 요철이 형성된 것으로서, 자동차 분야나 열교환기 분야에 널리 사용된다.

특히, 자동차 엔진 등의 배기 장치로부터 배기가스의 일부를 취하여, 흡입 장치로 순환시켜 혼합한 후, 이 혼합가스를 엔진의 연소실로 재유입시켜, 실린더 온도 및 산소농도를 낮추어, 배기가스 중의 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)의 발생량은 거의 그대로 유지하면서 질소산화물(NOx)을 저감시키고, 연소가스의 온도를 감소시켜, 엔진의 배기가스 정화 및 열효율 향상시키는 데 사용된다.

이때, 냉각 유체와의 접촉 면적을 증가시킴과 동시에 강관 내부를 통과하는 재순환 배기가스의 흐름을 원활하게 하기 위하여, 이 강관의 길이 방향으로 나선형 홈을 형성시키는데, 상기 강관의 나선홈의 간격(Pitch)은 자동차의 배기량 또는 사용연료에 따라 작거나 클 수 있으며, 강관의 직경이 작고 두께가 얇을수록 효율이 높아진다.

이때, 나선은 강관의 축심선과 직교하는 면에 대하여 10~15°의 각도를 이루며, 강관의 내주면에 대하여 나선형 돌기의 산 높이를 강관 내경 치수의 5~15%로 할 경우, 열교환 효율이 우수하게 되고 내주면에 배기가스 그을음의 퇴적이 어렵게 되어 양호한 열교환 효율을 유지할 수 있다.

한편, 이러한 나선형 강관을 제조하기 위해서는, 도 1a 와 같이, 한 쌍의 성형 지지롤러(Forming Back-up Roller) 사이에 강관을 위치시킨 다음, 나선홈을 형성하기 위한 성형 다이스롤러(Forming Dies Roller, 이하 "성형롤러"라 한다)가 필요하다.

이때, 성형롤러는 소정높이의 날이 구비된 외날 성형롤러를 사용하거나, 생산성을 향상하기 위하여 강관 길이와 동일한 길이로 나선형 날이 구비된 성형롤러를 사용한다.

그런데, 도 1b 와 같은 외날 방식의 성형롤러는 나선홈 성형중 지지롤러와 성형롤러의 회전력의 차이 및 성형롤러에 공급되는 윤활유에 의해 슬립(Slip) 현상이 발생하여, 홈간 간격이 일정하지 않은 문제점이 있어, 미끄러짐 현상을 줄이기 위해 지지롤러와 성형롤러의 회전속도 차이를 정밀하게 조정하거나 성형압력을 낮추어야 할 필요가 발생하나, 회전속도를 정밀하게 맞추기는 현실적인 어려움이 있어 낮은 성형압력으로 가공해야 하는 데, 낮은 성형압력으로 한 번에 소정의 나선홈을 형성하기가 어려우므로, 여러 번에 걸쳐 반복하여 성형작업을 해야 하지만, 슬립 현상에 의해 성형롤러의 외날을 최초 형성된 나선홈에 정확하게 일치시키기가 어려워 여러 줄이 형성될 가능성이 있으며, 외날에 성형압력이 집중되어 직진성이 나쁘고 뒤틀림 현상이 발생하는 등의 생산성 측면의 단점이 있다.

이러한 단점을 개선하고자 도 1c 와 같이 나선날 방식을 채택하면, 규칙적 간격형성, 직진성 및 뒤틀림 현상 등의 개선효과는 있으나, 강관과 같은 길이로 나선날을 가공하기 어려울 뿐만 아니라, 강관의 직경 및 나선홈 간격에 따라 성형롤러를 매번 제작해야 하는 문제와 더불어, 나선날의 길이가 길어질수록 강관에 동시에 접촉하는 날의 개소가 많아지고, 각 날의 개소 마다의 마모 정도가 달라지고, 일정한 깊이의 나선홈을 형성시키기 위하여 강관에 필요 이상의 성형압력을 가하게 됨에 따라, 상대적으로 적게 마모된 날에 응력이 집중되고, 강관 내면에 균열(Crack)이 빈번히 발생하여, 제품불량이 다량으로 발생하는 커다란 단점이 있다.

뿐만 아니라, 배기가스 재순환 냉각장치(EGR Cooler)의 구조상 동심원으로 배열된 나선형 강관은 그 길이뿐만 아니라 길이 공차도 일정한 수준으로 유지관리 되어야 하나, 상기의 어느 방법으로도 지속적으로 길이공차를 일정수준으로 유지, 관리 및 조정하는 데 한계가 있었다.

따라서, 외날 성형방식의 슬립 현상, 불규칙적 홈 간격, 직진성 불량 및 뒤틀림 현상을 방지함은 물론, 복수의 나선날 성형방식의 양산성을 유지하면서 내면의 균열 등의 불량을 대폭 줄이고, 길이공차를 용이하게 조정할 수 있는 새로운 제조장치가 절실하게 요구되는 실정이다.

한국특허출원공개 2004-0069744호

본 발명은 전술한 종래 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 외날 성형롤러 방식의 일정하지 않은 나선홈의 간격, 국부적인 불균일 성형압력의 인가로 인한 뒤틀림 및 직진성 불량의 문제를 해결하고자 한다.

또한, 나선날 성형롤러 방식에 있어, 나선날의 길이 및 개소가 많을수록 각 날 마다의 마모 정도가 달라지게 되고, 소정의 나선홈 깊이를 형성하기 위하여 강관에 소정의 성형압력을 가하게 되면, 상대적으로 적게 마모된 날에 가공응력이 집중되어 강관 내면에 균열이 빈번히 발생하여 제품불량으로 이어지는 문제점을 해결할 수 있는 새로운 제조장치 및 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기의 기술적 문제점을 해결하기 위해, 강관에 나선홈을 성형하는 나선홈 성형 제조 장치로서, 각 부분의 설치를 위한 골격을 형성하며, 지면에 견고하게 설치되는 베이스 프레임부; 공압 또는 유압 실린더에 의해 전진 및 후진이 가능한 제 1 밀대, 공급함(Hopper box), U형 가이드, 가이드 롤러, 제 1센서, 스토퍼(Stopper)가 구비되어, 강관을 소정의 위치로 도입시키며, 하기의 각부들이 연동하여 이후의 작업이 순차적으로 작동하도록 하는 강관공급 프레임부; 주축롤러 구동모터의 작동으로 주축백업롤러, 주축롤러 및 동일 방향으로 회전하는 한 쌍의 지지롤러들을 포함하는 지지롤러 프레임부; 하단에 센싱 아이들 실린더 및 센싱 아이들 롤러, 센싱롤러 실린더 및 나선홈 감지 근접센서, 1차 성형완료 감지 센서, 2차 성형완료 감지 센서 및 3개의 가이드 아이들 롤러가 각각 소정의 위치에 체결되어 움직이는 상부 프레임부; 두 개의 날이 강관의 나선홈 간 간격의 정수 배만큼 떨어져 있고, 제 1 나선홈 성형롤러의 날의 연장선이 상기 지지롤러 혹은 강관의 중심선의 직각 방향과 12~14°의 각도를 이루며, 날의 각도가 50~90° 인 제 1 나선홈 성형롤러, 제1 나선홈 성형롤러 구동모터 그리고 베이스 프레임부와 체결되어 작동하는 제 1 나선홈성형 프레임을 포함한 제 1 나선홈성형부와, 제 2 나선홈 성형롤러의 날의 연장선이 상기 지지롤러 혹은 강관의 중심선의 직각 방향과 12~14°의 각도를 이루며, 날의 각도가 50~90°인 제 2 나선홈성형롤러, 제 2 나선홈성형롤러 구동모터, 그리고 베이스 프레임부와 체결되어 움직이는 제2 나선홈성형 프레임을 포함한 제 2 나선홈성형부를 포함하는 나선홈성형 프레임부; 2 차 나선성형된 강관이 상기 상부프레임의 소정의 위치에 체결된 2차 성형 완료 감지 센서에 감지되면, 제 2 성형롤러를 정지 및 후진시키고, 상기 상부프레임을 상승시켜 2차 나선홈 성형이 완료된 강관을 하단의 적재함으로 자연 낙하시키며, 동시에 제1 실린더에 의한 제 1 밀대와 제 2 실린더에 의한 스토퍼를 전진 및 상승시키는 강관 적재부를 포함하는 나선홈 성형 제조장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 날간 간격이 강관의 나선홈간 간격의 정수 배만큼 떨어져 있고, 0.1~0.3mm의 높이 차를 가지는 두 개의 날을 추가로 구비하며, 좌측 날에 의해 예비 성형된 나선홈이 우측 날에 의해 제 1 나선홈을 성형하고, 상기 제 1 나선홈 성형이 완료된 강관의 나선홈 위치를 정확하게 인식하게 한 후 제 2 나선홈 성형 압력을 가함으로써, 홈 깊이 및 제품길이를 미세하게 조정하도록 하는 제 2 나선 홈을 성형하는 나선홈 성형 제조장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에서 제 1 나선홈은 강관의 중심선의 직각방향과 10 ∼ 15°의 각을 이루고, 나선홈 성형 제조 장치는 상기 제 1 나선홈의 위치를 인식하는 제 1 나선홈 감지 롤러 및 근접센서를 추가로 포함하는 나선홈 성형 제조장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 나선홈 성형 제조장치를 사용하면, 강관에 나선홈을 성형하는 방법을 제공하며, 강관에 나선홈을 성형하기 위해, 강관공급 프레임부는 강관을 소정의 위치로 도입시키며, 제 1 나선홈 성형부와 제 2 나선홈 성형부를 통해 2 차의 나선홈을 성형하는 단계; 상기 2 차의 나선홈이 성형된 강관이 상부프레임부의 소정의 위치에 체결된 제 2 나선홈 성형 완료 감지 센서에 감지되면, 제 2 나선홈 성형롤러를 정지 및 후진시키고, 상기 상부프레임부를 상승시켜 2차 나선홈 성형이 완료된 강관을 하단의 적재함으로 자연 낙하시키며, 동시에 제 1 실린더에 의한 제 1 밀대와 제 2 실린더에 의한 스토퍼를 전진 및 상승시키는 단계를 포함하는 나선홈 성형 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 나선홈 성형 방법은 제 1 나선홈 성형 강관의 나선홈 위치를 정확히 인식하는 단계, 제 1 나선홈 깊이와 제품길이를 조정하여 성형하는 제 2 나선홈 성형 단계를 포함하는 나선홈 성형 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 나선홈 성형 방법은, 제 1 나선홈 감지롤러가 2열로 배열된 네 개의 나선홈 감지 아이들롤러와 지지롤러와의 밀착에 의해 제자리 회전하고 있는 제1 나선홈 성형 강관의 외주 표면을 따라 회전하다가 제 1 나선홈 성형 강관의 일단이 도입되었을 때, 나선홈 감지롤러와 체결되어 있는 제 1 나선홈 감지 근접센서로 하여금 0.3mm 이상의 거리에서는 "ON[또는 OFF]" 상태로 0.3mm 미만의 거리에서는 "OFF[또는 ON]" 상태로 인식하도록 하는 단계; 상기 제 1 나선홈 감지 근접센서와 마주하는 나선홈 감지롤러 부시의 말단과의 거리가 상기 제 1 나선홈의 깊이만큼 멀어져 0.3~0.55mm 로 되는 경우, 제 1 나선홈 성형 강관의 나선홈 위치를 정확하게 감지하는 단계를 포함하는 나선홈 성형 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 나선홈 성형 방법은 제 2 나선홈 성형 강관의 길이치수가 공차범위의 상한치 또는 하한치로 이동하는 경우, 제 2 나선홈 성형롤러 프레임의 후면에 위치한 마이크로미터를 조절하여 제 2 나선홈 성형롤러 구동 유압실린더의 스트로크를 조정함으로써, 제 2 나선홈 성형롤러의 성형압력에 의한 제 2 나선홈 성형 가공량이 조정되어 제 2 나선홈 성형강관의 길이치수가 공차범위의 중심 값으로 조정할 수 있도록 하는 나선홈 성형 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 나선홈 성형 방법은 필요에 따라 각 단계의 구성 순서를 변경할 수 있으며, 3 단계 이상으로 나선홈 성형이 가능하도록 변경할 수 있는 나선홈 성형 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 나선형 강관 성형 방법은 제 1 및 제 2 나선홈 성형롤러의 날의 개수를 2 개 이상으로 설정할 수 있는 나선홈 성형 방법을 제공할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 나선홈 성형 장치를 이용한 제조방법은 아래와 같은 이점을 갖는다.

종래 나선형 강관 성형에 있어서 외날 성형작업의 문제점이었던 왕복 반복작업에 의한 복수 줄의 형성이 없으며, 강관을 제 1 (또는 제 2) 나선홈 성형롤러와 한 개 이상의 아이들 가이드롤러와 동시에 접촉하도록 하여 나선홈성형 가공중 슬립 및 뒤틀림 현상이 방지되고 직진성을 양호하게 함으로서 형성되는 나선홈의 간격 및 각도가 일정해지는 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 본 발명은 나선날 성형롤러 방식에 있어, 날간 마모정도의 차이에 의한 과도한 성형압력으로 강관 내면에 균열이 발생하는 문제를 2단계에 걸쳐 성형량 (가공량) 을 배분함으로써 이를 간단히 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 제 2 나선홈 성형시 홈의 정확한 위치를 인식함으로 인해 정확한 성형압력과 깊이로 나선홈 성형이 가능해지는 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 본 발명은 길이공차 중심값의 이동을 용이하게 조정할 수 있어 길이공차의 산포를 좁게 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 제품불량을 획기적으로 감소시키고 양품수율을 높일 수 있어 제품의 신뢰수준을 한층 높일 수 있다.

도 1a 내지 도 1c 는 종래 기술에 의한 나선홈 성형장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2a 는 본 발명의 실시예에 따른 나선홈 성형장치의 정면도를 나타낸 것이다.
도 2b 는 본 발명의 실시예에 따른 나선홈 성형장치의 측단면도를 나타낸 것이다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나선홈 성형장치의 성형과정을 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4a 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나선홈 성형장치의 제 1 성형롤러를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4b 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나선홈 성형장치의 제 2 성형롤러를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나선홈 성형장치의 제 1 나선홈 감지 롤러 및 제 1 나선홈 감지 근접센서의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6a 내지 도 6c 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나선홈 성형장치에 의해 제조한 1차 및 2차 나선홈 성형강관의 단면도 및 외관도의 사진을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는 것이다.

본 발명의 실시예에 의한 나선홈 성형장치는 도 2 내지 도 3과 같이 크게 베이스 프레임부(100), 강관공급 프레임부(200,200',200"), 지지롤러 프레임부(300), 상부프레임부(400), 나선홈성형 프레임부(500,500'), 나선형강관 적재부(600)가 강관의 성형 경로를 따라 구비되어 있으며, 2 단계에 걸쳐 나선홈을 성형할 수 있도록, 일련의 장치 및 센서가 연동되어 무인연속작업이 가능하도록 구성된다.

이하, 본 발명의 장치에 의한 바람직한 실시예에 의한 장치를 나선홈 성형과정을 통하여 상세히 설명하고자, 외경 φ8mm, 두께 0.25mm, 길이 309.5±0.13의 강관(10)을 준비하였다.

우선, 베이스 프레임부(100)에 대하여 설명하면,

후술한 각 부분들의 모체이자 이들을 상부 또는 하부 공간에 설치하기 위한 지지면 또는 골격으로 하부는 지면에 견고하게 설치된다.

다음으로, 강관공급 프레임부(200,200',200")에 대하여 설명하면,

높이 조절이 가능하도록 공급함 높이조절 실린더(201)와 스크류에 의해 체결되어 있고 최대 적재길이가 600mm이며 바닥면의 경사각을 조절 가능한 공급함(210)에 상술한 309.5±0.13의 길이로 절단된 강관(10)을 적재한 후,

도면에 도시하지는 않았으나 원활한 인출을 위하여 나사 조절장치와 체결된 공급함 내부격벽과 적재된 강관이 0.5~3(바람직하게는 2 이하)mm로 이격되도록 조정하고, 상기 공급함의 인출구로 인출된 강관(10)이 공압(또는 유압)에 의해 상하로 동시에 작동되는 스토퍼들에 의해 1개씩 대기하게 되며, 경사면 말단에 위치한 스토퍼가 내려가면 강관은 이송대기 홈으로 진입하게 되는데, 이는 기존의 공급장치와 유사한 방법으로 공급된다.

이때, 강관(10)이 장치에 공급되게 되면 공압(또는 유압)에 의한 스토퍼 실린더(240)를 작동시켜 실린더 아암(241)의 말단에 체결된 길이 조정이 가능한 스토퍼(242)가 직상방으로 이동하여 성형 지지롤러들(310,310') 사이에 위치하게 되며,

동시에, 전원 공급으로 공압(또는 유압)에 의한 강관 공급 실린더(221)를 작동시켜, 강관 공급 실린더 아암(222)에 체결된 강관 공급 밀대(220)의해 대기 홈에 있는 강관(10)을 U홈 가이드(232), 가이드롤러(231)와 강관공급 감지센서(230)를 통과시켜, 상기 강관의 일단이 스토퍼(240)에 다달아 상기 강관의 일단과 후술한 제1 나선홈 성형 롤러의 좌측 날과의 소정의 거리(본 발명의 실시예에서는 12mm)가 되도록 하며,

상기 스토퍼(240)는 원위치로 하강되도록 연동된 제 1 나선홈성형 강관공급 프레임부(200');와

상기 강관(10)이 상기 강관공급 감지센서(230)를 통과함으로써, 본 발명의 실시예에 의한 나선홈 성형장치의 좌측에 위치한 공압(또는 유압)에 의한 제 2 나선홈성형 강관이송 실린더(251) 및 밀대(250)를 전진시켜, 후술한 제 2 나선홈성형 가공을 위해 제 1 나선홈성형이 완료된 강관(10')을 소정의 위치로 안착시키록 한 제 2 나선홈성형 강관공급 프레임부(200")로 구성된다.

다음으로, 지지롤러 프레임부(300)에 대하여 설명하면,

상기 강관의 선단이 상기 강관공급 감지센서(230)를 통과함으로써, 주축성형롤러 구동 유압실린더(350)에 의해 상기 지지롤러 프레임부(300)가 소정의 위치로 전진하여, 적어도 상기 지지롤러(310,310')의 일단과 강관(10)의 일단이 접촉될 수 있도록 지지롤러(310,310') 사이로 안착되고, 후술한 상부프레임 플레이트(480) 및 아이들 가이드롤러(410,410',410")가 하강하여 강관의 후면을 지지함과 동시에, 주축롤러 구동모터(340)가 작동되어 체인(341)으로 연결된 주축구동 백업롤러(330) 및 주축성형롤러(320)를 회전시켜 상기 지지롤러들(310,310')을 동일한 방향으로 회전 구동시키게 된다.

이때, 도면에는 도시하지 않았으나 본 발명의 실시예에 의한 장치는 정밀성을 향상시키기 위해 주축의 속도제어 장치와 연동 브레이크 장치를 사용하였다.

한편, 상기 강관(10)이 상기 강관공급 감지센서(230)를 통과함으로써, 본 발명의 실시예에 의한 나선홈 성형장치의 좌측에 위치한 공압(또는 유압)에 의한 제 2 나선홈성형 강관이송 실린더(251) 및 밀대(250)를 전진시켜, 후술한 제2 나선홈성형 가공을 위해 제 1 나선홈성형 가공 완료된 강관(10')을 소정의 위치로 안착시킨다.

다음으로, 상부프레임부(400)에 대하여 설명하면,

상기 지지롤러프레임부(300)가 유압 또는 공압에 의한 주축 성형롤러 구동 유압실린더(350)에 의해 전진되면, 상부프레임 플레이트 상하강 실린더(420)가 작동되어 상부프레임 플레이트(480)가 하강하여, 지지롤러(310,310') 사이에 위치하고 있는 강관(10)의 후방 외주면을 상기 상부 프레임 플레이트(480) 하부의 소정의 위치에 체결되어 소정의 스프링 압력(장력)을 가진 아이들 가이드롤러(410)에 의해, 상기 강관(10)은 상기 지지롤러들(310,310')과 상기 아이들 가이드롤러(410)에 의해 안착되게 된다.

이때, 상기의 공급된 강관(10)은 상기 지지롤러(310,310')과 상기 상부프레임 플레이트(480) 하단에 위치되어 있는 아이들 가이드롤러(410)의 지지력에 의해 지지롤러(310,310')의 반대 방향으로 회전되어 제 1 나선홈성형 가공준비가 완료된다.

다음으로, 나선홈성형 프레임부(500,500')에 대하여 설명하면,

상기의 상부프레임 플레이트(480)가 하강함으로 인하여, 주축성형롤러(320)와 동일한 속도로 회전하는 제 1 나선홈 성형 구동모터(511)가 작동되어 제 1 나선홈 성형롤러(510)가 회전하게 됨과 동시에 유압 또는 공압에 의한 제 1 나선홈성형롤러 전후진 실린더(512)가 강관 외주표면으로부터 소정의 깊이(예컨대, 제 1 나선홈의 깊이만큼으로 본 발명의 바람직한 실시예에서는 0.2~0.3mm로 함)까지 전진하여, 상술한 바와 같이 상기 지지롤러(310,310')과 아이들 가이드롤러(410)에 의해 안착되어 있는 강관(10)에 제 1 나선홈을 성형하게 된다.

이때, 제 1 나선홈 성형롤러(510)는 두 개의 날이 구비되어 성형압력을 분산시키므로, 외날에 의한 나선홈 성형시 문제가 되었던 슬립(Slip)현상과 국부적인 압력에 의한 뒤틀림 현상을 최소화하고, 정확히 제 2 나선홈 성형완료된 강관(10")의 홈 간 간격의 정수 배(본 발명에 의한 장치에서는 타 부분의 간섭을 피하기 위해 2 배수로 하였으나, 타 장치와 간섭이 없는 한 정수 배만큼 떨어져도 무방함)만큼 떨어져 있어 강관의 나선홈이 2회전한 이후부터 좌측 날에 의해 예비 성형된 나선홈이 우측 날에 의한 본 성형하는 데 가이드(Guide) 역할을 수행해, 제 1 나선홈성형에 양호한 직진성을 부여하여 원활한 성형을 유도한다.

이때, 도 4a 와 같이 상기 제 1 성형롤러의 각각의 날선은 강관의 중심축의 직각 방향에 대하여 10~15°, 바람직하게는 12~14°, 좀 더 바람직하게는 13°의 각을 이루도록 하며, 날각은 50~90˚, 바람직하게는 60~80˚, 좀 더 바람직하게는 70˚의 각도를 이루게 하며 날 끝은 0.2~0.5mm, 바람직하게는 0.2mm의 곡률반경을 부여하여, 상기 지지롤러(310,310')와 제 1 나선홈 성형롤러(510)의 회전속도 차이 및 제 1 나선홈 성형롤러(510)의 전진 이동에 의해, 50˚ 보다 작은 예각의 경우 초기의 성형압력에 의해 강관(10)에 변형 또는 크랙이 유발될 수 있고, 90˚ 보다 큰 둔각의 경우 제 2 나선홈 성형가공을 위한 제 1 나선홈감지 근접센서(470)의 인식불량을 야기해 제 2 나선홈 성형롤러(520)가 홈 간 간격의 정수 배가 아닌 위치로 전진함으로 인해 복수의 나선홈이 발생할 수 있기 때문에, 본 발명의 실시예에서는 바람직한 각도의 날을 구비하여 상술한 문제점들을 방지하고, 제 2 나선홈 성형시 제 1 나선홈감지 근접센서(470)가 정확한 홈의 위치를 감지하여 제 2 나선홈 성형롤러(520)가 제 1 나선홈의 소정의 위치에 오도록 하고자 하였다.

이때, 상기 강관의 일단(10)이 제 1 나선홈성형 완료 센서(450)에 의해 감지되면, 제 1 나선홈 성형롤러(510)가 후진과 동시에 회전을 멈추게 되어, 제 1 나선홈 성형이 종료된다.

도 6a 에 본 발명의 장치의 바람직한 실시예에 의해 제 1 나선홈성형이 완료된 강관(10')의 단면사진를 예시하였다. 사진에서 알 수 있듯이 성형날의 각이 13°인 경우, 제 1 나선홈 성형롤러(510)의 날들이 강관(10)의 외주표면으로부터 0.2~0.26mm 깊이로 제 1 나선홈 성형을 수행하며, 총 48 회전하여 총 길이 1,153.16~1,171.66mm 의 제 1 나선홈이 형성되어 상기 강관(10)의 평균길이가 309.49mm에서 307.89mm로 평균 1.6mm 가량 감소하는데, 이는 최초 길이 대비 0.524% 감소하게 된다.

한편, 상술한 바와 같이 강관(10)이 상기 강관공급 감지센서(230)를 통과함으로써, 본 발명의 실시예에 의한 나선홈 성형장치의 최좌측에 위치하여 공압 또는 유압에 의한 제 2 나선성형이송 실린더(251) 및 밀대(250)가 전진 이동하여, 관성으로 제 1 나선홈 성형완료 감지센서(450)를 수 mm 지나쳐 위치한 제 1 나선홈성형 완료 강관(10')을 소정의 위치로 이송하여 안착시킨 후 원위치로 후진한다.

이때, 상기 제 2 나선성형이송 실린더(251) 및 밀대(250)가 전진하여 최대 스트로크(stroke) 위치가 되면, 도면에 예시하지는 않았으나 일단의 신호는 상기 실린더 및 밀대가 후진하도록 하며, 일단의 신호는 공압 또는 유압에 의한 나선홈감지롤러 실린더(431)와 나선홈감지 아이들롤러 실린더(441)를 전진시킨다.

이때, 도면에 예시하지는 않았으나 나선홈감지 아이들롤러 실린더 아암(442)의 말단에 위치하여 2열로 배열된 네 개의 나선홈감지 아이들롤러(440)가 제 1 나선홈성형완료 강관(10')에 변형을 주지 않는 소정의 압력으로 밀착함으로 인하여, 상기 제1 나선홈성형완료 강관(10')은 지지롤러(310,310')의 회전에 의해 제자리 회전을 하게 된다.

또한, 도 5에 도시한 것처럼 상기 나선홈감지 아이들롤러 실린더(441)와 동시에 전진된 나선홈 감지롤러 실린더 아암(432)의 말단에 위치하여, 제 1 나선홈성형완료 강관(10')에 형성된 나선홈과 동일한 각도, 바람직하게는 13°를 가지며 강관에 변형을 주지 않는 소정의 약한 스프링 압력으로 지지되도록 설계된 나선홈 감지롤러(430)는, 상기 제 1 나선홈성형완료 강관(10')의 어느 한 외주 표면과 접촉한 상태에서, 상기 2열로 배열된 네 개의 나선홈 감지 아이들롤러들(440) 및 상기 지지롤러들(310,310')과의 밀착에 의해 제자리 회전하고 있는 상기 제 1 나선홈성형완료 강관(10')의 외주 표면을 따라 회전하다가, 상기 나선홈 감지롤러(430)가 제 1 나선홈이 형성된 어느 한 홈의 위치로 정확히 들어서게 되면, 상기 나선홈 감지롤러(430)와 체결되어 0.3mm 이상의 거리에서는 "ON(또는 OFF)" 상태로 0.3mm 미만의 거리에서는 "OFF(또는 ON)" 상태로 인식하는 제 1 나선홈감지 근접센서(470)와 0.15~0.25mm 떨어져 마주하고 있는 나선홈 감지롤러 부시(443)의 말단이 제 1 나선홈의 깊이(0.2~0.3mm)만큼 멀어져, 상기 제 1 나선홈감지 근접 센서(470)와 나선홈 감지롤러 부시(443)의 말단과의 거리가 0.35~0.55mm로 되어, 상기 제 1 나선홈감지 근접센서(470)는 "ON(또는 OFF)" 상태에서 "OFF(또는 ON)" 상태로 신호가 전환되고, 이 전환된 신호에 의해 상기 나선홈 감지롤러(430)과 나선홈 감지 아이들롤러들(440)은 후진됨과 동시에, 제 1 나선홈성형완료 강관(10')은 회전을 멈추게 되어 제 2 나선홈성형을 위한 준비가 완료된다.

이때, 상기 "OFF(또는 ON)" 신호에 의해 제 2 나선홈성형 구동모터(521)가 작동되어 제 2 나선홈 성형롤러(520)가 회전하게 되고, 동시에 제 2 나선홈 성형롤러 구동 유압실린더(522)가 소정의 나선홈 깊이(예컨대, 나선홈의 허용 깊이인 0.5~0.7mm)까지 전진하여, 상기 지지롤러들(310,310')과 아이들 가이드롤러(410',410")에 의해 안착되어 있는 강관(10')에 제 2 나선홈을 성형하게 된다.

한편, 제 1 나선홈 성형완료 강관(10')은 제 2 나선홈 성형이 진행되면서 상기 지지롤러들(310,310')과 가이드 아이들롤러들(410',410")을 따라 전진 이송되다가, 제 2 나선홈성형 완료 감지센서(460)에 제 2 나선홈성형완료 강관(10")의 일단이 감지되면,

상기 제 2 나선홈성형 구동모터(521)의 작동이 중지되고 제 2 나선홈성형롤러(520)의 회전이 중지되며, 동시에 제 2 나선홈성형롤러 구동 유압(또는 공압)실린더(522)가 후진하고, 연속하여 상부프레임 플레이트(480)가 상승하고 지지롤러 프레임부(300)가 후진하면, 제 2 나선홈성형이 완료된다.

본 발명의 장치에 의한 실시예의 경우와 같이 성형날의 각도가 13°인 경우, 도 6b 및 도 6c 의 제 2 나선홈성형완료 강관의 단면 및 외관에 나타낸 것과 같이, 제 2 성형롤러의 날이 강관(10,10',10")의 외주표면으로부터 0.5~0.7mm 깊이가 되도록 제 2 나선홈성형을 수행하면, 강관이 총 48 회전하여 총 1,021.44~1,083.44mm 길이의 나선홈이 형성되어, 상기 강관(10')의 평균길이가 307.89mm에서 305.44mm로 평균 2.46mm 감소하게 되어, 결과적으로 제 1 나선홈성형 및 제 2 나선홈성형의 2단계에 걸친 나선홈성형 가공으로 강관(10)의 평균길이가 총 4.13mm 감소하는데, 이는 최초 길이 대비 약 1% 감소하게 된다.

또한, 이러한 1차 및 2차 나선홈 성형으로 인한 강관의 길이감소비율을 활용하여 마이크로미터와 같은 측정기구를 장치의 적절한 위치에 체결하면 가공깊이의 조절이 가능해져 미세한 길이공차 조정이 가능해진다.

실제로, 연속작업중 제 2 나선홈성형완료 강관(10")의 길이치수가 공차범위의 상한치 또는 하한치 쪽으로 이동하는 경우, 제 2 성형롤러 프레임(500')의 후면에 장착한 마이크로미터(530)를 조절하면, 제 2 나선홈 성형롤러 구동 유압실린더(522)의 스트로크(Stroke) 길이를 마이크로미터 단위로 조정할 수 있어, 결과적으로 제 2 나선홈 성형롤러(520)에 의한 제 2 나선홈성형 가공량이 미세하게 조정되어 제 2 나선홈성형완료 강관(10")의 길이를 치수공차의 중심값으로 조정할 수 있게 되며, 길이 분포 범위를 좁게 유지할 수 있어 고치수정밀도 및 고치수신뢰도를 유지하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 치수불량률을 획기적으로 줄일 수 있게 된다.

마지막으로, 나선형 강관 적재함부(600)에 대하여 설명하면,

최대길이 600mm의 나선홈성형완료 강관(10")을 적재할 수 있으며, 제 2 나선홈 성형이 완료된 강관이 적재함(610)으로 유도될 수 있도록 일단에 경사면(611)이 체결되어 있으며, 본 발명의 실시예의 도면상에서는 제시되지 않았으나 제 2 나선홈성형완료 강관(10")의 규격이 크거나 낙하 속도를 높여 작업효율을 높이기 위하여 에어(또는 질소가스) 블로어(Air or N₂ gas blower) 장치를 추가할 수도 있다.

제 2 나선홈성형완료 강관(10")은 자중에 의해 하단에 구비된 경사면(611)을 따라 낙하하여 차례로 적재함(610)으로 적재된다.

이렇듯, 상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예의 나선홈 성형장치로 나선홈을 성형가공하면, 기존의 외날 방식의 장치에 의한 슬립현상, 복수의 나선홈 발생, 직진성 불량 및 틀어짐이 없어지게 된다.

또한, 기존의 복수날 방식의 장치에 의한 실시예에 있어 치명적인 단점이었던 터짐 현상 등의 불량을 획기적으로 줄일 수 있어, 성형속도에 의한 생산성 저하 문제를 상쇄하며, 각 부분의 장치 및 센서들이 유기적으로 연동하여 작동되도록 설계함으로써 무인연속 작업이 가능하게 된다.

또한, 근접센서의 원리를 응용하여 제 1 나선홈 성형완료 강관의 나선홈 위치를 정확하게 인식할 수 있어, 복수의 나선홈이 발생되지 않는 2단계 나선홈 성형이 가능하게 된다.

또한, 마이크로미터를 이용 제 2 나선홈성형롤러 구동 유압실린더의 스트로크(Stroke)를 미세 조정함으로써, 제 2 나선홈성형롤러에 의한 제 2 나선홈성형 가공량의 미세 조정이 가능하게 되어, 제 2 나선홈성형 강관의 치수공차를 분포도의 중심 값으로 용이하게 이동시킬 수 있으므로, 최종 제품의 높은 치수정밀도 및 치수신뢰성을 실현 및 유지할 수 있을 뿐만 아니라 불량률을 획기적으로 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 나선홈성형 장치의 기술적인 사상 및 범주 내에서, 금속관(Metal Pipe 및 Tube)의 재질, 직경 및 길이 등 그 사용목적에 따라 각 부들의 순서를 변경하여 배치하거나, 제 1 및 제 2 나선홈 성형롤러의 날의 개수를 2개소 및 3개소 이상으로 하거나, 나선홈성형을 3단계 이상으로 하는 등 얼마든지 변형하여 나선홈을 성형하는 것도 가능하다.

10, 10',10"; 강관
100; 베이스 프레임
210; 공급함 (hopper box)
220; 제 1 나선홈성형 이송 밀대
230; 강관공급 감지센서(제 1 센서)
240; (제 1 나선홈성형) 스토퍼
310, 310'; 지지롤러
320 ; 주출성형롤러
330; 주축구동 백업롤러
410, 410', 410"; 아이들 가이드 롤러
420; 제 2 나선홈성형 이송밀대
430; 제 1 나선홈 감지롤러
440; 제 1 나선홈 감지 아이들 롤러
450; 제 1 나선홈성형완료 감지센서(제 2 센서)
460; 제 2 나선홈성형완료 감지센서(제 4 센서)
470; 제 1 나선홈감지 근접센서(제 3 센서)
510; 제 1 나선홈성형 롤러
520; 제 2 나선홈성형 롤러
610; 나선홈성형완료 적재함

Claims (9)

1. 나선홈 성형 제조 장치로서,
   지면에 견고하게 설치되고 골격을 형성하는 베이스 프레임부;
   공압 또는 유압 실린더에 의해 전진 및 후진이 가능한 제 1 밀대, 절단된 강관을 적재하는 공급함(Hopper box), 강관의 움직임을 감지하는 강관공급 감지센서 및 강관의 일단이 다다르는 스토퍼(Stopper)가 구비되어, 강관을 소정의 위치로 도입시키며, 작업이 순차적으로 작동하도록 하는 강관공급 프레임부;
   주축롤러 구동모터의 작동으로 주축구동 백업롤러 및 주축롤러가 회전하여 동일 방향으로 회전하는 한 쌍의 지지롤러들을 포함하는 지지롤러 프레임부;
   상부 프레임 플레이트를 하강하게 하는 상부 프레임 플레이트 상하강 실린더, 상부 프레임 플레이트 하부에 체결되어 강관을 안착시키는 아이들 가이드 롤러, 정확한 홈의 위치를 감지하는 제 1 나선홈 감지 근접 센서, 강관의 일단을 감지하여 나선홈 성형을 종료하도록 하는 1 차 성형완료 감지 센서 및 2 차 성형완료 감지 센서가 각각 소정의 위치에 체결되어 움직이는 상부 프레임부;
   제 1 성형롤러의 두 날이 강관의 나선홈 간 간격의 정수 배만큼 떨어져 있고, 각 날의 연장선이 상기 지지롤러 혹은 강관의 중심선의 직각 방향과 12~14° 의 각도를 이루며, 날의 각도가 50~90° 인 제 1 나선홈성형롤러, 제 1 나선홈성형롤러 구동모터 그리고 베이스 프레임부와 체결되어 작동하는 제 1 나선홈성형 프레임을 포함한 제 1 나선홈성형부와, 제 2 나선홈성형롤러의 날의 연장선이 상기 지지롤러 혹은 강관의 중심선의 직각 방향과 12~14°의 각도를 이루며, 날의 각도가 50~90°인 제 2 나선홈성형롤러, 제 2 나선홈성형롤러 구동모터, 그리고 베이스 프레임부와 체결되어 움직이는 제 2 나선홈성형 프레임을 포함한 제 2 나선홈성형부를 포함하는 나선홈성형 프레임부;
   2 차 나선홈성형완료 강관이 상기 상부프레임부의 소정의 위치에 체결된 2차 성형 완료 감지 센서에 감지되면, 제 2 성형롤러를 정지 및 후진시키고, 상기 상부프레임부를 상승시켜 2차 나선홈성형완료 강관을 하단의 적재함으로 자연 낙하시키며, 동시에 제 1 실린더에 의한 제 1 밀대와 제 2 실린더에 의한 스토퍼를 전진 및 상승시키는 강관 적재부를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선홈 성형 제조장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 나선홈 성형 제조장치는
   상기 홈 간격의 정수 배만큼 떨어져 있고, 0.1~0.3mm의 높이 차를 가지는 두 개의 날을 추가로 구비하며, 좌측 날에 의해 예비 성형된 나선홈이 우측 날에 의해 제 1 나선 홈을 성형완료하고,
   상기 제 1 나선홈 성형완료 강관의 나선홈 위치 및 깊이를 인식함으로써, 제 2 나선홈의 제품길이 공차범위의 중심값으로 조정하여 제 2 나선홈을 성형하는 것을 특징으로 하는 나선홈 성형 제조장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 나선홈은 강관의 중심선의 직각 방향과 10 ∼ 15°의 각을 이루고, 상기 나선홈 성형 제조 장치는 상기 제 1 나선 홈을 인식하기 위한 제 1 나선 홈 감지 롤러 및 제 1 나선 홈 감지 근접센서를 추가로 포함하는 것을 특징으로 나선홈 성형 제조장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 나선홈 성형 제조장치를 사용하여, 나선홈 강관을 성형하는 방법으로서,
   상기 강관공급 프레임부는 강관을 소정의 위치로 도입시키며,
   상기 제 1 나선홈 성형부와 상기 제 2 나선홈 성형부를 통해 2 차의 나선홈을 성형하는 단계;
   상기 2 차의 나선홈이 성형된 강관이 상기 상부프레임부의 소정의 위치에 체결된 2차 성형 완료 감지 센서에 감지되면, 상기 제 2 성형롤러를 정지 및 후진시키고, 상기 상부프레임부를 상승시켜 2차 나선홈 성형완료된 강관을 하단의 적재함으로 자연 낙하시키며, 동시에 상기 제 1 실린더에 의한 제 1 밀대와 제 2 실린더에 의한 스토퍼를 전진 및 상승시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선홈 강관 성형 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 나선홈 강관 성형 방법은 2 차의 나선홈을 성형하는 단계에서, 제 1 나선홈성형 강관의 나선홈의 위치를 정확히 인식하는 단계, 홈 깊이와 제품길이 공차를 조정하여 성형하는 제 2 나선홈성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선홈 강관 성형 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   나선홈 감지롤러는 제 1 나선홈이 형성된 강관을 지지하고,
   2열로 배열된 네 개의 나선홈 감지 아이들롤러 및 지지롤러와의 밀착에 의해 제자리 회전하고 있는 제 1 나선홈 성형완료 강관의 외주 표면을 따라 회전하다가 제 1 나선홈이 형성된 강관의 나선홈이 도입되었을 때, 나선홈 감지롤러와 체결된 제 1 나선홈 감지 근접센서가, 제 1 나선홈과 0.3mm 이상의 거리에서는 "ON[또는 OFF]" 상태로, 0.3mm 미만의 거리에서는 "OFF[또는 ON]" 상태로 인식하는 단계;
   상기 제 1 나선홈 감지 근접센서와 마주하는 나선홈 감지롤러 부시의 말단과의 거리가 상기 제 1 나선홈의 깊이만큼 멀어져 0.3~0.55mm 로 되는 경우, 제 1 나선홈성형완료 강관의 나선홈의 위치를 감지하여 제 1 나선홈성형완료 강관의 회전을 멈추어 제 2 나선홈 성형을 준비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나선홈 강관 성형 방법.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 나선홈이 성형된 강관의 치수가 공차범위의 상한값 또는 하한값 쪽으로 이동하는 경우, 제 2 성형롤러 프레임의 후면에 위치한 마이크로미터를 조절하여, 제2 나선홈성형롤러 구동 유압실린더의 스트로크 길이를 조정하고,
   상기 제 2 성형롤러에 의한 제 2 나선홈성형 가공량이 조정되어 제 2 나선홈성형 강관의 길이치수가 공차범위의 중심값으로 조정할 수 있는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나선홈 강관 성형 방법.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 나선홈 강관 성형 방법의 각 단계는 각 구성의 순서를 변경할 수 있으며, 3 단계 이상으로 나선홈 성형이 가능하도록 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 나선홈 강관 성형 방법.
9. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2 나선홈 성형롤러의 날의 개수를 2 개 이상으로 설정할 수 있는 것을 특징으로 하는 나선홈 강관 성형 방법.

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