KR101424772B1 - 냉각 팁과 진동 감쇠부를 갖는 마모 시험장치 및 그 시험 방법. - Google Patents

냉각 팁과 진동 감쇠부를 갖는 마모 시험장치 및 그 시험 방법. Download PDF

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Abstract

진동이 발생하는 마모시험장비에서 진동에 의한 하중을 감쇠시키고 유지 중인 하중을 계측 가능한 구조로 하였으며, 마모 측정 시 시편에 부과되는 하중 측정 시 발생하는 진동을 감쇠하며, 하중 부과시 볼을 이용하여 하나의 접점점을 갖게 되어 힘 부과시 편심에 대한 오차를 줄일 수 있다.
또한, 마찰을 발생하는 팁에 냉각 기능을 포함시키고, 시편이 로드되는 시험용기를 온도에 따라 자동 교체되는 구조를 통해 시편의 정확한 온도 가열 시험이 가능하다. 이에 따라, 시험자가 원하는 온도로 만들어 시험을 하게 되면 사용자가 하고자 하는 정확한 온도에서 시험을 할 수 있다.

Description

냉각 팁과 진동 감쇠부를 갖는 마모 시험장치 및 그 시험 방법.{Abrasion Tester With Cooling Tip and Vibration Isolation Part and Method For The Same.}
진동이 발생하는 마모시험장비에서 진동에 의한 하중을 감쇠시키고 유지 중인 하중을 계측 가능한 구조로 하였으며, 시편에 부과하는 하중에 대한 편심을 감소시키기 위하여 포인트 접촉을 하여 힘을 부과하는 방법이다.
예전에는 마모시험에 대한 시험이 거의 없었으나 현재는 자동차나 엔진 등을 제조하는 곳에서 많은 마모 시험을 행하고 있다.
2010년 이전에는 상온 상태의 마모시험을 많이 하였지만 날로 기술이 발달되고 고온에서 사용하는 물질들이 개발됨에 따라 고온에서의 시험이 필요하게 되었다.
고온 시험을 하게 되면 시험을 하는 시편뿐 아니라 시험을 하기 위한 시험기(기구물)도 열에 노출되어 금속 자체 성질인 열팽창과 열수축 등으로 인하여 정확한 시험을 하여 데이터를 얻는 것이 어려웠다.
마모시험에서 가장 중요한 시험 요인은 시편에 부과되는 힘과 시험 조건의 온도이다.
많은 마모 시험기들은 온도 조건을 일반 카트리지 히트를 사용하여 시편 하중를 가열하는 국부 가열 방식을 사용하고 있다.
이때 시편 하중의 온도는 사용자가 하고자 하는 온도와 비슷한 온도가 되지만 실제 시험을 하는 시편 표면은 사용자가 원하는 온도가 되지 않는 문제가 있다.
힘을 주는 구조 역시 공압이나 유압 등을 이용하여 힘을 부과하나 힘을 부과하는 실린더 등과 직접 체결되어 시험시 힘이 부과되는 주축의 직각도에 따라 실제 시편이 받는 힘이 달라지는 문제가 있다.
기구를 아무리 정밀하게 제작하더라도 실제 시편과 모재의 직각도를 완벽하게 제작 할 수 없으며 이 직각도에 따라 축을 지탱하는 부품들에 마찰력이 가해져 실제 부과한 하중과 시편이 받는 하중에 많은 힘의 오차가 발생하게 된다.
등록특허 10-0611567호는 재료의 마모 성질 시험장치에 관한 것으로, 기계 구조물에 적용되는 재료를 심해(深海)와 같은 상황의 저온/고압, 우주와 같은 상황의 진공/온도차, 원자력 발전소의 증기발생기 내부와 같은 고온/고압의 상황을 모의적으로 연출시키되 압력이 자동으로 조절되는 구동장치가 챔버 및 냉각장치와 압력경계 외부에 위치함으로써 다양한 극한 환경하에서 마모와 같은 재료의 기계적 성질(Mechanical properties)을 시험할 수 있게 한 재료의 마모 성질 시험장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 내부에 구비된 시험편을 고정하는 고정 지그(Jig)가 마련되며 시험 상황을 모의적으로 제공하는 시험용 챔버, 상기 챔버의 둘레면 종, 횡방향으로 설치되어 시험에 필요한 하중과 변위를 발생시키는 구동장치, 상기 챔버와 구동장치에 개재되어 챔버에 발생된 열로부터 구동장치 내부에 구비된 로드셀과 센서를 보호하는 냉각장치, 상기 챔버의 내부와 연통되어 고온/고압의 시험 환경을 일정하게 유지하는 수화학 조절장치, 상기 수화학 조절장치와 구동장치를 전기적으로 연결시켜 각각 제어하며 챔버내에 하중과 변위에 따른 일률 등을 산출하여 표시 및 제어하는 제어부를 포함하는 재료의 마모 성질 시험장치를 제공한다. 그러나, 마모시험에서 가장 중요한 시험 요인은 시편에 부과되는 힘과 시험 조건의 온도를 조절할 수 있는 방법이 기재되어 있지 않다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 힘을 부과하는 부분에 강한 열처리 볼을 이용하여 그립의 주축 중앙에 힘을 점 접촉시켜 힘을 부과하고 주축과 실린더와 분리시켜 편심에 대한 힘에 대한 손실을 줄일 수 있다.
또한 주축을 분리함으로 인해 데이터 계측시 시편과 주축의 진동이 발생하게 되는데 이 주축의 진동을 감소시키기 위하여 연결부위에 스프링을 설치하여 진동에 대한 하중데이터의 떨림 현상을 개선할 수 있다.
온도 가열시 국부 가열 방식은 실제 시험 온도와 시편의 온도가 일치하지 않지만 시험하는 부위에 단열 박스를 설치한 후 내부에 히터를 설치한 후 내부 분위기 온도를 시험자가 원하는 온도로 만들어 시험을 하게 되면 사용자가 하고자 하는 정확한 온도에서 시험을 할 수 있다.
시험 부위 전체를 가열하게 되면 시편은 정확한 온도에서 시험이 가능하나 마모 시험을 하게 될 팁도 사용자가 시험하고자 하는 온도가 되는 문제가 있다.
시편은 사용자가 원하는 온도가 되고 팁의 온도를 냉각하기 위해 팁이 연결되는 부위와 팁 내부의 냉각이 가능한 구조로 제작한 후 수냉을 할 수 있는 구조로 제작하여 문제를 해결할 수 있다.
하중집중부는 힘을 부과할 때 주축의 중앙에 힘을 전달하기 위하여 센서와 주축을 분리한 후 제 1 지지대를 이용하여 그 중앙에 볼을 이용하여 점접촉 시킨 후 힘을 부과하여 센터에 힘을 집중시킬 수 있다.
또한, 시편과 팁의 마찰에 의해 시편과 팁의 온도가 과도하게 상승하여 접합되는 것을 방지하기 위하여 팁의 중앙에 냉각수 라인을 포함하였다. 냉각수의 흐름에 의한 냉각효과로 인하여 시편과 팁의 온도가 일정하게 유지되도록 하였다.
또한, 시편용기를 Chamber와 Furnace 두 개의 온도 장비를 이용하여 고온과 저온 시험을 하게 되는데 이때 사용하는 온도에 따라 온도 장비를 교체하며 시험을 할 수 있게 하였다.
마모 측정 시 시편에 부과되는 하중 측정 시 발생하는 진동을 감쇠하며, 하중 부과시 볼을 이용하여 하나의 접점을 갖게 되어 힘 부과시 편심에 대한 오차를 줄일 수 있다. 또한, 마찰을 발생하는 팁에 냉각 기능을 포함시키고, 시편이 로드되는 시험용기를 온도에 따라 자동 교체되는 구조를 통해 시편의 정확한 온도 가열 시험이 가능하다.
도 1은 본원 발명 시편의 마모를 측정하기 위한 시험장치의 정면도를 나타낸다.
도 2는 본원 발명 시편의 마모를 측정하기 위한 시험장치의 측면도를 나타낸다.
도 3은 본원 발명 시편의 마모를 측정하기 위한 시험장치의 하중인가부의 정면도를 나타낸다.
도 4는 본원 발명 시편의 마모를 측정하기 위한 시험장치를 이용하여 시편의 마모를 측정하기 위한 방법의 순서도를 나타낸다.
도 1과 도 2는 각각 은 본원 발명의 시편의 마모를 측정하기 위한 시험장치의 정면도와 측면도를 나타낸다. 시험용기를 상하로 이동시킬 수 있는 제 1 구동부(600), 시험용기를 좌우로 이동시킬 수 있는 제 2 구동부(700), 시편에 하중을 부과하기 위한 하중인가부(100), 상기 하중인가부를 상하로 구동시키기 위한 제 3 구동부(400), 상기 하중인가부를 좌우로 구동시키기 위한 제 4 구동부(500), 시편받침대만을 회전이동시킬 수 있는 제 5 구동부(200),시편과 팁(Tip)의 마찰력을 검출하기 위한 센서(800)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 하중인가부(100)는 하중을 주축으로 집중시키는 하중집중부(110), 시편과의 마찰에 의한 하중인가부(100)의 진동을 감쇠시키기 위한 진동감쇠부(120), 시편과의 하중을 한 점으로 모아 인가하기 위한 뽀족한 형상의 팁(Tip)부(130) 및 상기 하중인가부(100) 중 상기 시험용기(300) 내부로 들어가는 부분을 냉각하기 위한 냉각부(140)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 하중집중부는 볼(113)과 다수개의 제 1 스프링부(112)을 포함할 수 있으며, 상기 진동감쇠부(120)는 다수개의 제 2 스프링부(122)와 상기 스프링이 탈선하지 않게 하기 위한 핀을 포함할 수 있다.
상기 냉각부(140)는 냉각수 라인, 냉각수를 하중인가부(100)에 주입하기 위한 냉각수유입부(141), 냉각수를 배출하기 위한 냉각수배출부(142), 배출된 냉각수를 다시 냉각시키기 위한 냉각조를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 팁부(130)는 시편과 접촉하는 팁을 냉각하는 냉각부(140)을 포함할 수도 있다.
주축 중 온도 분위기를 조성하는 부분에 삽입되는 부분 내부에 물을 주입할 수 있는 냉각수유입부(141)와 냉각수를 배출할 수 있는 냉각수배출부(142)을 제작하여 물을 흘려 냉각하도록 하였다. 냉각부의 물라인은 시편 팁 끝까지 흐를 수 있도록 입수관을 제작하여 팁의 냉각이 원할 하도록 제작할 수 있다.
상기 시험용기(300)는 내부를 가열하기 위하여 내측 일면에 위치하는 발열체, 가열된 공기를 내부순환시키기 위한 팬(fan), 시편을 로드하기 위한 시편받침대(310)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이와 같이 발열체가 시험용기(300)의 내측 일면에 위치하는 경우인 Chamber는 구조상 400도 이상 가열이 어려운 문제가 있으나 온도 분포가 균일한 장점이 있다.
또한, 시험용기(300)는 내부를 가열하기 위하여 내측의 전면에 위치하는 발열체, 시편을 로드하기 위한 시편받침대(300)를 포함하여 이루어질 수 있는데, 이와 같이 발열체가 시험용기 내부 전면에 위치하는 경우인 Furnace는 500도 이하에서는 온도 분포가 좋지 않으나 그 이상에서 온도 분포가 좋고 높은 온도의 시험이 가능한 장점이 있다.
상기 발열체는 코일을 이용한 가열체, 라디에이션(Radiation)을 이용한 가열체 등을 이용할 수 있으며, 이에 한정된 것은 아니다.
이렇게 Chamber와 Furnace 두 개의 온도 장비를 이용하여 고온과 저온 시험을 하게 되는데 이때 사용하는 온도에 따라 온도 장비를 교체하며 시험을 할 수 있어야 할 것이다.
도 2는 본원 발명 시편의 마모를 측정하기 위한 시험장치의 하중인가부(100)의 정면도로 팁에 하중을 부과하고 힘을 감쇠하는 하중집중부(110), 진동감쇠부(120)를 포함할 수 있다.
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하중집중부(110)는 힘을 부과할 때 주축의 중앙에 힘을 전달하기 위하여 센서와 주축을 분리한 후 제 1 지지대(111)의 중앙에 볼(113)을 이용하여 점접촉 시킨 후 힘을 부과할 수 있다.
이때, 제 1 지지대(111)과 볼(113)을 연결하기 위하여 다수개의 핀을 사용하여 연결하고 핀연결부에 다수의 제 2 스프링부(112)를 삽입하여 미세 진동을 감쇠하면서 주축에 대한 편심이 발생시 일정 각도 내에서 움직일 수 있는 구조일 수 있다.
이로 인해 편심으로 하중 센서에 힘을 발생하지 않게 되어보다 정확한 하중을 부과할 수 있을 것이다.
진동감쇠부(120)은 주축에서 시험 시 발생되는 진동을 감쇠하는 부분이다. 내부에는 실제 사용하는 장비의 하중에 맞는 스프링 탄성값을 계산하여 장착할 수 있을 것이다. 힘을 부과하는 볼(113) 부위와 제 1 스프링부를 연결하기 위해서는 편심에 대한 오차를 없애기 위해 하중집중부(110)에 사용되는 볼(113)의 외경의 각도와 같이 일정 부분 홈을 가공하여 볼(113)이 이탈되어 중앙을 누르지 못하는 문제를 해결하는 것이 가능할 것이다.
진동감쇠부(120)는 제 2 지지대(121)와 제 3 지지대(123) 사이의 제 2 스프링부(123) 또한 4개의 핀으로 제 2 스프링부(123)가 탈선되지 않도록 잡아주고 제 2 스프링부(123)이 탈선되지 않도록 상항에 제 2 스프링부(123) 외경에 맞는 턱을 가공하여 탈선되는 문제를 방지할 수 있다. 이와 같이 구성함으로써, 실제 시편에서 전달되는 하중을 대부분 감쇠시킬 수 있을 것이다.
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.
100: 하중인가부 110: 하중집중부
111: 제 1 지지대 112: 제 1 스프링부
113: 볼 120: 진동감쇠부
121: 제 2 지지대 122: 제 2 스프링부
123: 제 3 지지대 130: 팁부
140: 냉각부 141: 냉각수유입부
142: 냉각수배출부 200: 제 5 구동부
300: 시험용기 310: 시편받침대
400: 제 3 구동부 500: 제 4 구동부
600: 제 1 구동부 700: 제 2 구동부
800: 센서

Claims (11)

  1. 시편의 마모를 측정하기 위한 시험장치에 있어서,
    시험용기를 상하로 이동시킬 수 있는 제 1 구동부,
    시험용기를 좌우로 이동시킬 수 있는 제 2 구동부,
    시편에 하중을 부과하기 위한 하중인가부,
    상기 하중인가부를 상하로 구동시키기 위한 제 3 구동부,
    상기 하중인가부를 좌우로 구동시키기 위한 제 4 구동부,
    시편받침대만을 회전이동시킬 수 있는 제 5 구동부,
    시편과 팁(Tip)의 마찰력을 검출하기 위한 센서를 포함하여 이루어지며,
    상기 하중인가부는,
    하중을 주축으로 집중시키는 하중집중부,
    시편과의 마찰에 의한 하중인가부의 진동을 감쇠시키기 위한 진동감쇠부,
    시편과의 하중을 한 점으로 모아 인가하기 위한 뽀족한 형상의 팁(Tip)부,
    상기 하중인가부 중 상기 시험용기 내부로 들어가는 부분을 냉각하기 위한 냉각부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시편의 마모를 측정하기 위한 시험장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하중집중부는,
    볼(Ball)과 스프링(Spring)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시편의 마모를 측정하기 위한 시험장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동감쇠부는,
    다수개의 스프링과 상기 스프링이 탈선하지 않게 하기 위한 핀을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시편의 마모를 측정하기 위한 시험장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각부는,
    냉각수 라인, 냉각수를 하중인가부에 주입하기 위한 냉각수유입부, 냉각수를 배출하기 위한 냉각수배출부, 배출된 냉각수를 다시 냉각시키기 위한 냉각조를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시편의 마모를 측정하기 위한 시험장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 시험용기는,
    내부를 가열하기 위하여 내측 일면에 위치하는 발열체,
    가열된 공기를 내부순환시키기 위한 팬(fan),
    시편을 로드하기 위한 시편받침대를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시편의 마모를 측정하기 위한 시험장치.
  7. 청구항 1항에 있어서,
    상기 시험용기는
    내부를 가열하기 위하여 내측의 전면에 위치하는 발열체,
    시편을 로드하기 위한 시편받침대를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시편의 마모를 측정하기 위한 시험장치.
  8. 삭제
  9. 제 1항 및 제 3항 내지 제 7항 중 어느 한 항의 시험장치를 이용하여 시편의 마모를 측정하기 위한 방법에 있어서,
    (i) 내부를 가열하기 위하여 내측 일면에 위치하는 발열체, 가열된 공기를 내부순환시키기 위한 팬(fan), 시편을 로드하기 위한 시편받침대를 포함하여 이루어지는 시험용기 또는 내부를 가열하기 위하여 내측의 전면에 위치하는 발열체, 시편을 로드하기 위한 시편받침대를 포함하여 이루어지는 시험용기 중 어느 하나를 선택하는 단계;
    (ii) 상기 선택된 시험용기를 제 1 및 제 2 구동부를 이용하여 시험장치의 하중인가부와 대응하도록 정렬하는 단계;
    (iii) 상기 시험용기 내의 발열체에 전류를 흘려, 시험용기 내부를 가열하는 단계;
    (iv) 상기 냉각부를 이용하여 상기 하중인가부 중 상기 시험용기 내부로 들어가는 부분을 냉각하는 단계;
    (v) 상기 제 3 및 제 4 구동부를 이용하여 시험하고자하는 하중을 인가하는 단계;
    (vi) 제 5 구동부를 이용하여 시편받침대를 회전 이동하여 시편과 팁을 마찰시키는 단계;
    (vii) 상기 센서를 이용하여 시편과 팁(Tip)의 마찰력을 검출하는 단계:
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시편의 마모를 측정하기 위한 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
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