KR101506585B1 - 중공 샤프트용 성형장치 - Google Patents

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Abstract

중공 샤프트용 성형장치에 대한 발명이 개시된다. 본 발명의 중공 샤프트용 성형장치는: 서로 다른 직경의 가공홈부가 연이어 설치되어 내측공간부를 형성하는 금형부와, 금형부의 내측으로 중공부가 형성된 가압대상물을 가압하는 가압부 및 가압부에서 연장되어 중공부에 삽입되며 가압대상물이 금형부에 접하면서 중공부를 향한 내측으로 부풀려지는 배럴링 현상을 방지하는 배럴링방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

중공 샤프트용 성형장치{APPARATUS FOR FORMING HOLLOW SHAFT}
본 발명은 중공 샤프트용 성형장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중공 샤프트의 성형 불량률을 감소시킬 수 있는 중공 샤프트용 성형장치에 관한 것이다.
최근 화석연료를 대신할 새로운 에너지원으로서 태양에너지, 풍력에너지 등으로 대체하고자 하는 움직임이 활발하게 전개되고 있다.
풍력발전기는 블레이드로부터 전달되는 동력을 기어박스로 전달하는 로터 샤프트를 구비한다.
로터 샤프트는 회전력의 전달하는 것과 동시에 블레이드로부터 전달되는 토크 진동을 감쇠시키기 위하여, 지속적인 피로하중 및 진동 등에 의한 가혹한 운전조건을 견딜 수 있어야 하므로 주로 단조에 의하여 생산된다.
일반적으로 풍력발전용 로터 샤프트는 가열로에서 고온으로 가열한 강괴를 유압 프레스로 가압하여 업셋팅한다. 업셋팅 작업이 완료되면 소재를 유압 프레스의 상부다이 및 하부다이 사이에 위치시켜 횡측 길이방향을 따라 반복 가압하는 코깅(Cogging)작업을 수행한다.
코깅작업을 통해 소재의 두께는 작아지고 길이가 길어지게 된다. 이후 코깅된 소재의 외주면을 다이로 반복하여 가압하여 마무리 단조작업을 수행함으로써 대략의 로터 샤프트 중간제품을 제조한다. 이렇게 형성된 중간제품은 로터 샤프트의 최종 규격과 현저한 차이를 보이므로 다시 황삭 등의 절삭공정을 거쳐 최종제품으로 완성된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2009-0071527호(2009.07.01 공개, 발명의 명칭: 타워 직결형 발전기 하우징이 구비된 풍력발전기)에 개시되어 있다.
종래에는 풍력 발전기에서 사용되는 로터 샤프트의 중량이 많이 나가서 생산비가 증가하며, 풍력발전기의 구조강성이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 로터 샤프트의 내측에 중공이 형성된 중공 샤프트의 제조가 이루어지고 있다. 그러나, 중공 샤프트의 중간제품인 가압대상물이 금형부에 삽입되어 성형되는 세미 다이 포징(Semi Die Forging)작업에서 가압대상물이 샤프트의 내측으로 부풀려지는 베럴링(Berreling) 현상이 발생하여 성형 불량률이 증가한다. 따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 가압대상물이 금형부에 삽입되어 성형되는 작업에서 가압대상물이 샤프트의 내측으로 부풀려지는 베럴링 현상을 방지하여 중공 샤프트의 성형 불량률을 감소시킬 수 있는 중공 샤프트용 성형장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 중공 샤프트용 성형장치는: 서로 다른 직경의 가공홈부가 연이어 설치되어 내측공간부를 형성하는 금형부와, 금형부의 내측으로 중공부가 형성된 가압대상물을 가압하는 가압부 및 가압부에서 연장되어 중공부에 삽입되며 가압대상물이 금형부에 접하면서 중공부를 향한 내측으로 부풀려지는 배럴링 현상을 방지하는 배럴링방지부를 포함한다.
또한 가공홈부의 직경은 가압대상물의 진입이 이루어지는 금형부의 입구부에서 금형부의 내측을 향할수록 단차를 이루며 작아지는 것이 바람직하다.
또한 가압부는, 입구부에 가압대상물의 일부가 삽입된 상태에서, 가압대상물을 가압부의 내측방향으로 가압하는 것이 바람직하다.
또한 배럴링방지부는 원기둥 형상으로 형성되며, 가압부의 하측으로 돌출되어 중공부에 삽입되는 것이 바람직하다.
또한 배럴링방지부는 가압부와 연결된 일측에서 가압부와 멀어지는 타측을 향할수록 단면적이 점차적으로 작아지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 중공 샤프트용 성형장치는, 배럴링방지부가 가압대상물의 중공부로 삽입되어 가압대상물이 금형부에 밀려 중공부의 내측으로 부풀려지는 배럴링 현상을 방지하므로 중공 샤프트의 성형 불량률을 감소시킬 수 있다.
또한 본 발명은 배럴링방지부가 테이퍼진 형상으로 형성되어 가압대상물의 중공부로 삽입되므로 배럴링방지부가 중공부의 내측에 끼인 상태에서도 배럴링방지부를 가압대상물의 외측으로 용이하게 분리하여 작업성을 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 샤프트용 성형장치가 설치된 풍력발전기의 외형을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴바가 테이퍼 형상으로 형성된 상태에서 가공대상물과 맨드릴바가 분리된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴바가 가공대상물의 내측으로 삽입된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴바가 가공대상물에 삽입되기 전 상태를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴바의 내측에 가이드관로가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 맨드릴바의 내측에 가이드관로가 설치된 상태에서 가공대상물과 맨드릴바가 분리된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 맨드릴바의 요부 구성을 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 8은 본 발명이 다른 실시예에 따른 맨드릴바의 외형이 테이퍼 형상으로 형성된 상태를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가압대상물이 금형부에 안착된 상태에서 가압부와 함께 배럴링방지부가 하강하는 상태를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가압대상물의 내측에 배럴링방지부가 위치한 상태에서 가압부의 하강으로 가압대상물이 압축된 상태를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가압대상물이 금형부에 안착된 상태에서 테이퍼가 구비된 배럴링방지부와 함께 가압부가 하강하는 상태를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배럴링방지부가 가압대상물의 내측에 위치한 상태에서 가압부의 하강으로 가압대상물이 압축된 상태를 개략적으로 도시한 정면도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 일 실시예에 따른 중공 샤프트용 성형장치를 설명한다. 설명의 편의를 위해 풍력발전기에서 사용되는 중공 샤프트를 예로 들어 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 샤프트용 성형장치가 설치된 풍력발전기의 외형을 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴바가 테이퍼 형상으로 형성된 상태에서 가공대상물과 맨드릴바가 분리된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴바가 가공대상물의 내측으로 삽입된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴바가 가공대상물에 삽입되기 전 상태를 개략적으로 도시한 정면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴바의 내측에 가이드관로가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 풍력발전기(10)는 바람에 의해 회전하는 날개부(14)와, 날개부(14)의 중심에 위치하는 허브(16)와, 허브(16)와 연결된 중공 샤프트에 의해 회전하는 발전기를 구비한 기계실(18)을 포함한다.
허브(16)는 발전기몸체(12)에 회전 가능하게 설치되며, 허브(16)와 발전기는 중공 샤프트에 의해 연결되며, 이러한 중공 샤프트는 중공 샤프트용 성형장치(1)에 의해 생산된다.
중공 샤프트용 성형장치(1)는, 풍력발전기(10)의 날개부(14)와 연결된 허브(16)와, 기계실(18)의 내측에 구비된 발전기를 연결시키는 중공 샤프트를 성형하기 위한 기술사상 안에서 다양한 장치를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중공 샤프트용 성형장치(1)는, 히팅(Heating)장치와 코깅(Cogging)장치와 업셋팅(Upsetting)장치와 펀칭(Punching)장치와 파이프 포징(Pipe Forging)장치와 세미다이포징(Semi-Die Forging)장치를 포함한다.
3MW급 이상의 대형 풍력발전기(10)용 샤프트는 내구성이 우수해야 하므로 제품의 중량이 많이 나가게 된다.
풍력발전기(10)의 샤프트의 내측에 중공을 형성하여 기계적 성질은 기존의 샤프트와 유사하면서, 중량은 20%이상 감소된 중공 샤프트가 중공 샤프트용 성형장치(1)에 의해 생산된다.
히팅장치는 원자재를 설정된 온도로 가열하며, 코깅장치는 가열된 원재료를 일방향으로 늘리는 작업을 수행한다.
업셋팅장치는 코깅된 원재료의 상측을 가압하여 좌우 방향으로 원재료를 늘리는 작업을 수행한다.
펀칭장치는 업셋팅된 원재료의 내측에 파이프를 가압하여 중공을 형성하며, 펀칭장치를 통과한 가공대상물(20)의 내측에는 내측공(22)이 형성된다.
가공대상물(20)은 파이프 포징장치에서 길이방향으로 길게 연장되도록 성형작업을 수행한다.
파이프 포징장치와 히팅장치를 통과한 가압대상물(80)은 세미다이포징장치에서 설정된 형상으로 가압되며, 후공정을 거쳐 상품화된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중공 샤프트용 성형장치(1)에서 파이프 포징장치는, 맨드릴 단조가 이루어지는 가공대상물(20)의 상부를 가압하는 상부금형(30)과, 상부금형(30)과 마주하는 하측에 위치하며 가공대상물(20)의 하부를 가압하는 하부금형(35)과, 상부금형(30)과 하부금형(35)의 사이에 위치하며 단면적이 가변되는 형상으로 형성되어 가공대상물(20)의 내측으로 삽입되는 맨드릴바(40)와, 맨드릴바(40)를 파지하여 회전시키는 매니플레이터(50)를 포함하는 것이 바람직하다.
가공대상물(20)은 원기둥 형상으로 형성되며, 가공대상물(20)의 내측을 관통하는 내측공(22)은 가공대상물(20)의 길이방향(도 2 기준 좌우방향)으로 형성된다.
가공대상물(20)의 상측을 가압하는 상부금형(30)과, 가공대상물(20)의 하부를 가압하는 하부금형(35)은 서로 마주하며 종방향으로 설치된다.
상부금형(30)과 하부금형(35) 둘다 상하로 이동될 수 있으며, 필요에 따라 상부금형(30) 또는 하부금형(35)만 상하 이동이 이루어질 수 있다.
상부금형(30)과 하부금형(35)은 원기둥 형상의 가공대상물(20)을 가압하기 용이하도록 "V"자 형상으로 파지홈을 형성한다.
상부금형(30)과 하부금형(35)의 사이에 위치하는 맨드릴바(40)는 원기둥 형상으로 형성되며, 맨드릴바(40)의 일측(도 3기준 우측)은 매니플레이터(50)에 파지된다.
일 실시예에 따른 맨드릴바(40)는 가공대상물(20)의 외측에서 가공대상물(20)의 내측을 향할수록 단면적이 점차적으로 감소되어 테이퍼 형상을 형성한다.
즉, 맨드릴바(40)의 일측에서 맨드릴바(40)의 타측(도 3기준 좌측)으로 갈수록 맨드릴바(40)의 직경이 점차적으로 작아진다.
맨드릴바(40)가 직경의 감소 없이 원기둥 형상을 형성할 때의 가상선과, 테이퍼 형상으로 형성된 맨드릴바(40)의 외측면이 이루는 각도는 경사각도(A)로 설정된다.
경사각도(A)는 맨드릴바(40)의 재료와 맨드릴바(40)의 크기 등을 고려하여 설정되며, 맨드릴바(40)가 가공대상물(20)의 내측에 걸리지 않도록 하는 기술사상 안에서 경사각도(A)를 최소로 함이 바람직하다.
설정된 온도로 가열된 가공대상물(20)의 내측공(22)에 맨드릴바(40)가 삽입되면, 가공대상물(20)의 열기가 맨드릴바(40)로 전달되어 맨드릴바(40)의 온도가 상승한다.
맨드릴바(40)의 온도 상승으로 맨드릴바(40)의 체적이 증가하면, 맨드릴바(40)가 가공대상물(20)의 내측공(22)에 끼일 수 있다. 그러나 일 실시예에 따른 맨드릴바(40)가 테이퍼 형상으로 형성되므로, 맨드릴바(40)의 일측만 가공대상물(20)에 접하여 끼인 상태가 되어도, 맨드릴바(40)의 타측은 가공대상물(20)과 이격된 상태로 설치된다.
따라서 맨드릴바(40)의 일측만 가공대상물(20)에서 빠져나오면 맨드릴바(40)의 타측은 가공대상물(20)의 내측공(22)에서 용이하게 빠져나올 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 외측면이 경사진 형상으로 형성된 맨드릴바(40)의 내측에 냉매를 공급하는 가이드관로(42)를 추가 설치할 수 있다.
가이드관로(42)는 맨드릴바(40)의 몸체를 형성하는 맨드릴몸체(41)의 내측으로 냉매를 공급하는 공급관로(43)와, 공급관로(43)에 연결되며 맨드릴바(40)의 외측으로 냉매를 배출시키는 관로를 형성하는 배출관로(45)를 포함한다.
맨드릴바(40)의 내측으로 냉매를 공급하므로, 맨드릴바(40)가 가열된 가공대상물(20)에 접하여 가열되는 현상을 감소시킨다.
따라서 맨드릴바(40)의 외측면에 경사각도(A)가 형성된 구성과, 맨드릴바(40)의 내측으로 냉매를 공급하는 구성에 의해, 맨드릴바(40)가 가공대상물(20)의 내측공(22)에 끼이는 현상이 감소되며, 맨드릴바(40)가 내측공(22)에 끼인 경우에도 맨드릴바(40)가 가공대상물(20)에서 용이하게 분리될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가압대상물이 금형부에 안착된 상태에서 가압부와 함께 배럴링방지부가 하강하는 상태를 개략적으로 도시한 정면도이며, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가압대상물의 내측에 배럴링방지부가 위치한 상태에서 가압부의 하강으로 가압대상물이 압축된 상태를 개략적으로 도시한 정면도이며, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가압대상물이 금형부에 안착된 상태에서 테이퍼가 구비된 배럴링방지부와 함께 가압부가 하강하는 상태를 개략적으로 도시한 정면도이며, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배럴링방지부가 가압대상물의 내측에 위치한 상태에서 가압부의 하강으로 가압대상물이 압축된 상태를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 9와 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 샤프트용 성형장치(1)에서 세미다이포징장치는, 서로 다른 직경의 가공홈부(76)가 연이어 설치되어 내측공간부(74)를 형성하는 금형부(70)와, 금형부(70)의 내측으로 중공부(82)가 형성된 가압대상물(80)을 가압하는 가압부(90)와, 가압부(90)에서 연장되어 중공부(82)에 삽입되며 가압대상물(80)이 금형부(70)에 접하면서 중공부(82)를 향한 내측으로 부풀려지는 배럴링 현상을 방지하는 배럴링방지부(95)를 포함한다.
금형부(70)는 금형몸체(72)의 내측에 서로 다른 직경의 가공홈부(76)가 연이어 설치되어 내측공간부(74)를 형성하는 기술사상 안에서 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
가공홈부(76)의 직경은 가압대상물(80)의 진입이 이루어지는 금형부(70)의 입구부에서 금형부(70)의 내측을 향할수록 단차를 이루며 작아진다.
일 실시예에 따른 가공홈부(76)는 제1가공홈부(77)와 제2가공홈부(78)와 제3가공홈부(79)를 포함하며, 제1가공홈부(77)의 직경보다 제2가공홈부(78)의 직경이 작게 형성되며, 제2가공홈부(78)의 직경보다 제3가공홈부(79)의 직경이 작게 형성된다.
제1가공홈부(77)의 하측에 제2가공홈부(78)가 위치하며, 제2가공홈부(78)의 하측에 제3가공홈부(79)가 위치한다.
금형부(70)의 단면 형상에서, 제1가공홈부(77)와 제2가공홈부(78)와 제3가공홈부(79)는 서로 단차를 이루며 설치된다.
이러한 금형부(70)의 내측으로 공급되는 가압대상물(80)은 설정된 온도로 가열된 후 금형부(70)의 내측으로 공급된다.
가압대상물(80)의 외측에는 금형부(70)의 가공홈부(76)와 대응하는 형상으로 외측돌기부(84)가 형성되며, 가압대상물(80)의 내측에는 중공부(82)가 구비된다.
가압부(90)는 중공부(82)가 형성된 가압대상물(80)을 금형부(70)의 내측으로 가압하는 기술사상 안에서 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 가압부(90)는, 입구부에 가압대상물(80)의 일부가 삽입된 상태에서, 가압대상물(80)을 가압부(90)의 내측방향으로 가압한다.
가압부(90)는 프레스 장치와 유사하게 가압대상물(80)의 상부를 하측으로 가압하므로, 가압대상물(80)은 금형부(70)에 접하여 형상이 변형된다.
가압부(90)의 단면적은 가압대상물(80)의 단면적보다 크게 형성되므로, 가압부(90)가 가압대상물(80)의 상부를 아래로 가압하는 경우, 가압대상물(80)이 가압부(90)의 외측으로 벗어남을 방지할 수 있다.
배럴링방지부(95)는 가압부(90)에서 연장되어 가압대상물(80)의 중공부(82)에 삽입되며, 가압대상물(80)이 금형부(70)에 접하면서 중공부(82)를 향한 내측으로 부풀려지는 배럴링 현상을 방지하는 기술사상 안에서 다양한 형상으로 변형될 수 있다.
일 실시예에 따른 배럴링방지부(95)는 원기둥 형상으로 형성되며, 가압부(90)의 하측으로 돌출되어 중공부(82)에 삽입된다.
배럴링방지부(95)는 가압대상물(80)의 중공부(82)와 동일한 길이방향으로 설치되며, 가압부(90)의 하강으로 가압대상물(80)의 중공부(82)로 삽입된다.
배럴링방지부(95)가 가압대상물(80)의 내측으로 삽입되면서 가압대상물(80)을 금형부(70)로 가압하는 경우, 가압대상물(80)의 일부가 중공부(82) 내측으로 부풀려지는 배럴링 현상이 발생되는 경우, 배럴링방지부(95)에 의해 가압대상물(80)이 지지되므로 가압대상물(80)의 배럴링 현상이 방지된다.
도 11과 도 12에 도시된 바와 같이, 배럴링방지부(97)는 가압부(90)와 연결된 일측에서 가압부(90)와 멀어지는 타측을 향할수록 단면적이 점차적으로 작아지게 형성될 수 있다.
가압부(90)와 연결된 배럴링방지부(97)의 상측 직경 보다 중공부(82)에 삽입된 배럴링방지부(97)의 하측 직경이 작게 형성되며, 배럴링방지부(97)가 하측을 향하여 점차적으로 직경이 작아지며 테이퍼 형상으로 형성된다.
배럴링방지부(97)가 직경의 감소 없이 원기둥 형상을 형성할 때의 가상선과, 테이퍼 형상으로 형성된 배럴링방지부(97)의 외측면이 이루는 각도는 구배각도(B)로 설정된다.
구배각도(B)는 배럴링방지부(97)의 재료와 배럴링방지부(97)의 크기 등을 고려하여 설정되며, 배럴링방지부(97)가 중공부(82)에 걸리지 않도록 하는 기술사상 안에서 구배각도(B)를 최소로 함이 바람직하다.
가압부(90)가 가압대상물(80)을 가압할 때 배럴링방지부(97)가 중공부(82)에 위치하면, 배럴링방지부(97)가 가압대상물(80)의 내측을 지지하여 가압대상물(80)의 내측으로 가압대상물(80)의 일부가 부풀려지는 배럴링현상이 방지되며, 가압대상물(80)의 메탈 플로워가 연결되어 기계적 성질이 향상된다.
또한 배럴링현상에 의한 내측돌기를 제거하기 위하여 별도의 가공공정을 수행하지 않아도 되므로 가공공정이 감소된다.
배럴링방지부(97)의 내측에 별도의 냉각수 가이드관로(42)가 설치될 수 있다. 배럴링방지부(97)의 내측에 설치된 냉각수 가이드관로(42)에 의해 배럴링방지부(97)의 가열을 방지하여 배벌링방지부가 중공부(82)에 끼이는 현상을 방지한다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 중공 샤프트용 성형장치(1)의 작동상태를 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 외측면이 경사지게 형성된 맨드릴바(40)의 일측(도 4기준 우측)을 매니플레이터(50)가 파지한다.
맨드릴바(40)는 가공대상물(20)의 내측공(22)으로 삽입되며, 가공대상물(20)의 하측은 하부금형(35)에 의해 지지되며, 가공대상물(20)의 상측은 상부금형(30)에 의해 지지된다.
집게 형상의 매니플레이터(50)가 회전하면 매니플레이터(50)에 파지된 맨드릴바(40)가 회전되며, 맨드릴바(40)와 함께 가공대상물(20)도 회전한다.
상부금형(30)과 하부금형(35)은 제어부의 제어로 상하 이동하며 가공대상물(20)을 소정의 형상으로 가압한다.
가공대상물(20)의 파이프 포징 작업이 완료되면, 매니플레이터(50)가 가공대상물(20)에서 멀어지는 방향으로 이동한다.
매니플레이터(50)에 파지된 맨드릴바(40)도 가공대상물(20)과 이격되는 방향으로 이동되며, 만약 맨드릴바(40)가 가공대상물(20)과 접하여 가열된 경우, 맨드릴바(40)의 체적이 팽창되어 내측공(22)의 입구에 끼이는 현상이 발생할 수 있다.
그러나 맨드릴바(40)의 외형이 테이퍼 형상으로 형성되므로, 내측공(22)의 입구와 접하는 맨드릴바(40)의 일부 구간이 가공대상물(20)에서 이격된 경우, 가공대상물(20)의 내측에 위치한 맨드릴바(40)는 가공대상물(20)과 이격된 상태를 유지하거나 단순히 접한 상태만 유지하고 있으므로 맨드릴바(40)가 가공대상물(20)에서 용이하게 분리될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 맨드릴바(40)의 내측에 냉매의 이동을 안내하는 가이드관로(42)가 별도로 설치된 경우에는 맨드릴바(40)의 가열을 방지하므로, 파이프 포징 작업 완료 후 맨드릴바(40)가 가공대상물(20)에서 용이하게 분리될 수 있다.
도 9와 도 10에 도시된 바와 같이, 세미다이포징장치가 동작되는 경우, 금형부(70)의 상측에 가압대상물(80)이 위치한다.
가압대상물(80)의 하측 일부가 금형부(70)의 내측공간부(74)로 삽입되며, 가압부(90)가 하강하면서 가압부(90)의 하측으로 돌출된 배럴링방지부(95)가 가압대상물(80)의 중공부(82)로 삽입된다.
가압부(90)의 계속적인 하강으로 가압대상물(80)이 하측으로 가압되면서 금형부(70)의 내측공간부(74)와 대응하는 형상으로 성형된다.
금형부(70)의 가공홈부(76)와 마주하는 가압대상물(80)의 외측돌기부(84)도 가공홈부(76)의 형상과 대응하는 형상으로 변형된다. 가압대상물(80)의 일부가 중공부(82)를 향한 내측으로 휘어지려 하는 경우에도 배럴링방지부(95)가 가압대상물(80)의 내측을 지지하므로 가압대상물(80)의 배럴링 현상을 방지할 수 있다.
도 11과 도 12에 도시된 바와 같이, 배럴링방지부(97)의 외측이 구배각도(B)만큼 경사진 경우, 배럴링방지부(97)가 가압대상물(80)에 접하여 온도가 상승하여 체적이 커지는 경우에도 배럴링방지부(97)가 가압대상물(80)의 내측에 끼이는 현상을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 맨드릴바(40)의 외형이 테이퍼 형상으로 경사지게 형성되며, 가공대상물(20)의 내측에 맨드릴바(40)가 끼이는 경우에도 가공대상물(20)과 맨드릴바(40)가 용이하게 분리될 수 있으므로, 중공 샤프트의 성형 불량률을 감소시킬 수 있다.
또한 맨드릴바(40)의 내측으로 냉매를 공급하여 맨드릴바(40)의 가열을 방지하므로, 가열된 맨드릴바(40)가 가공대상물(20)의 내측에 끼이는 현상을 방지할 수 있다.
또한 배럴링방지부(95)가 가압대상물(80)의 중공부(82)로 삽입되어 가압대상물(80)이 금형부(70)에 밀려 중공부(82)의 내측으로 부풀려지는 배럴링 현상을 방지하므로 중공 샤프트의 성형 불량률을 감소시킬 수 있으며, 가압대상물(80)의 기계적 성질을 향상시킬 수 있다.
또한 배럴링방지부(97)가 테이퍼진 형상으로 형성되어 가압대상물(80)의 중공부(82)로 삽입되므로 배럴링방지부(97)가 중공부(82)의 내측에 끼인 상태에서도 배럴링방지부(97)를 가압대상물(80)의 외측으로 용이하게 분리하여 작업성을 개선시킬 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 중공 샤프트용 성형장치(1)를 설명하기로 한다.
설명의 편의를 위해 본 발명의 일 실시예와 구성 및 작용이 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호로 인용하고 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 맨드릴바의 내측에 가이드관로가 설치된 상태에서 가압대상물과 맨드릴바가 분리된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 맨드릴바의 요부 구성을 개략적으로 도시한 정면도이며, 도 8은 본 발명이 다른 실시예에 따른 맨드릴바의 외형이 테이퍼 형상으로 형성된 상태를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 중공 샤프트용 성형장치(1)에서 파이프 포징장치는, 맨드릴 단조가 이루어지는 가공대상물(20)의 상부를 가압하는 상부금형(30)과, 상부금형(30)과 마주하는 하측에 위치하며 가공대상물(20)의 하부를 가압하는 하부금형(35)과, 상부금형(30)과 하부금형(35)의 사이에 위치하며 내측을 따라 냉매의 이동이 이루어지는 맨드릴바(60)와, 맨드릴바(60)를 파지하여 회전시키는 매니플레이터(50)를 포함한다.
가공대상물(20)은 원기둥 형상으로 형성되며, 가공대상물(20)의 내측을 관통하는 내측공(22)은 가공대상물(20)의 길이방향(도 7 기준 좌우방향)으로 형성된다.
가공대상물(20)의 상측을 가압하는 상부금형(30)과, 가공대상물(20)의 하부를 가압하는 하부금형(35)은 서로 마주하며 종방향으로 설치된다.
상부금형(30)과 하부금형(35) 둘다 상하로 이동될 수 있으며, 필요에 따라 상부금형(30) 또는 하부금형(35)만 상하 이동이 이루어질 수 있다.
상부금형(30)과 하부금형(35)은 원기둥 형상의 가공대상물(20)을 가압하기 용이하도록 "V"자 형상으로 파지홈을 형성한다.
상부금형(30)과 하부금형(35)의 사이에 위치하는 맨드릴바(60)는 원기둥 형상으로 형성되며, 맨드릴바(60)의 일측(도 6기준 우측)은 매니플레이터(50)에 파지된다.
맨드릴바(60)는 내측에 냉매가 이동되는 기술사상 안에서 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 맨드릴바(60)는, 가공대상물(20)의 내측으로 삽입되는 맨드릴몸체(61)와, 맨드릴몸체(61)의 내측을 따라 설치되어 냉매의 흐름을 안내하는 가이드관로(42)와, 가이드관로(42)로 냉매를 공급하는 공급장치(46)와, 가이드관로(42)와 공급장치(46)를 연결하는 연결관로(47)를 포함한다.
가이드관로(42)는 공급장치(46)를 통해 공급된 냉매를 맨드릴바(60)의 내측으로 안내하는 기술사상 안에서 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 가이드관로(42)는, 맨드릴몸체(61)의 일측에서 냉매를 공급받아 맨드릴몸체(61)의 타측으로 냉매의 이동을 안내하는 공급관로(43)와, 공급관로(43)에 연통되며 맨드릴몸체(61)의 타측에서 맨드릴몸체(61)의 일측으로 냉매의 배출을 안내하는 배출관로(45)를 포함한다.
맨드릴바(60)의 내측에 설치된 가이드관로(42)는 맨드릴바(60)와 함께 회전되며, 가이드관로(42)를 구성하는 배출관로(45)는 맨드릴바(60)의 외측으로 냉매를 배출시킨다.
공급관로(43)는 연결관로(47)에 회전 가능하게 설치되며, 공급장치(46)와 연결관로(47)를 차례로 통과한 냉매가 공급관로(43)로 이동된다.
연결관로(47)는, 공급관로(43)와 공급장치(46)를 연결하며, 공급관로(43)가 회전 가능하게 설치되는 기술사상 안에서 다양한 형상으로 변형될 수 있다.
일 실시예에 따른 연결관로(47)는 공급관로(43)의 걸림부재(44)가 회전 가능하게 설치되는 연결커넥터(48)와, 연결커넥터(48)의 내측으로 굽어져서 공급관로(43)의 걸림부재(44)와 마주하는 지지부재(49)를 포함한다.
공급관로(43)의 일단에 형성된 걸림부재(44)는 연결커넥터(48)의 내측으로 삽입된 후 공급관로(43)의 외측을 향하여 휘어진 형상으로 설치된다.
걸림부재(44)는 연결관로(47)의 지지부재(49)에 접하여 회전 가능하게 설치된다. 지지부재(49)와 연결된 연결커넥터(48)는 공급장치(46)와 연결되어 냉매를 공급받으며, 연결관로(47)로 공급된 냉매는 공급관로(43)로 이동된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 맨드릴바(60)는 가공대상물(20)의 외측에서 가공대상물(20)의 내측을 향할수록 단면적이 점차적으로 감소되어 테이퍼 형상을 형성한다.
즉, 맨드릴바(60)의 일측에서 맨드릴바(60)의 타측(도 8기준 좌측)으로 갈수록 맨드릴바(60)의 직경이 점차적으로 작아진다.
맨드릴바(60)가 직경의 감소 없이 원기둥 형상을 형성할 때의 가상선과, 테이퍼 형상으로 형성된 맨드릴바(60)의 외측면이 이루는 각도는 경사각도(A)로 설정된다.
경사각도(A)는 맨드릴바(60)의 재료와 맨드릴바(60)의 크기 등을 고려하여 설정되며, 맨드릴바(60)가 가공대상물(20)의 내측에 걸리지 않도록 하는 기술사상 안에서 경사각도(A)를 최소로 함이 바람직하다.
설정된 온도로 가열된 가공대상물(20)의 내측공(22)에 맨드릴바(60)가 삽입되면, 가공대상물(20)의 열기가 맨드릴바(60)로 전달되어 맨드릴바(60)의 온도가 상승한다.
맨드릴바(60)의 온도 상승으로 맨드릴바(60)의 체적이 증가하면, 맨드릴바(60)가 가공대상물(20)의 내측공(22)에 끼일 수 있다. 그러나 다른 실시예에 따른 맨드릴바(60)가 테이퍼 형상으로 형성되며, 맨드릴바(60)의 내측에는 냉매가 공급되므로, 맨드릴바(60)가 가공대상물(20)에서 용이하게 이격될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 중공 샤프트용 성형장치(1)의 작동상태를 상세히 설명한다.
도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 내측에 냉매가 흐르는 맨드릴바(60)의 일측(도 6기준 우측)을 매니플레이터(50)가 파지한다.
맨드릴바(60)는 가공대상물(20)의 내측공(22)으로 삽입되며, 가공대상물(20)의 하측은 하부금형(35)에 의해 지지되며, 가공대상물(20)의 상측은 상부금형(30)에 의해 지지된다.
집게 형상의 매니플레이터(50)가 회전하면 매니플레이터(50)에 파지된 맨드릴바(60)가 회전되며, 맨드릴바(60)와 함께 가공대상물(20)도 회전한다.
상부금형(30)과 하부금형(35)은 제어부의 제어로 상하 이동하며 가공대상물(20)을 소정 형상으로 가압한다.
가공대상물(20)의 파이프 포징 작업이 완료되면, 매니플레이터(50)가 가공대상물(20)에서 멀어지는 방향으로 이동한다.
매니플레이터(50)에 파지된 맨드릴바(60)도 가공대상물(20)과 이격되는 방향으로 이동되며, 만약 맨드릴바(60)가 가공대상물(20)과 접하여 가열된 경우, 맨드릴바(60)의 내측을 따라 이동하는 냉매에 의해 맨드릴바(60)의 가열이 감소된다. 따라서 맨드릴바(60)의 체적이 팽창되어 내측공(22)의 입구에 끼이는 현상을 방지할 수 있다.
또한 도 8에 도시된 바와 같이, 맨드릴바(60)의 외형이 테이퍼 형상으로 형성되므로, 내측공(22)의 입구와 접하는 맨드릴바(60)의 일부 구간이 가공대상물(20)에서 이격된 경우, 가공대상물(20)의 내측에 위치한 맨드릴바(60)는 가공대상물(20)과 이격된 상태를 유지하거나 단순히 접한 상태만 유지하고 있으므로 맨드릴바(60)가 가공대상물(20)에서 용이하게 분리될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 맨드릴바(60)의 내측으로 냉매가 공급되어 맨드릴바(60)의 가열을 방지하므로, 맨드릴바(60)가 설정된 온도 이상으로 가열되어 가공대상물(20)의 내측에 끼이는 현상을 방지하므로 중공 샤프트의 성형 불량률을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 또한 풍력발전기에서 사용되는 중공 샤프트를 예로 들어 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 동력전달을 하기 위한 샤프트가 설치된 다른 기계장치에도 본 발명에 의한 중공 샤프트가 사용될 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1: 중공 샤프트용 성형장치
10: 풍력발전기 12: 발전기몸체
14: 날개부 16: 허브
18: 기계실 20: 가공대상물
22: 내측공 30: 상부금형
35: 하부금형 40: 맨드릴바
41: 맨드릴몸체 42: 가이드관로
43: 공급관로 44: 걸림부재
45: 배출관로 46: 공급장치
47: 연결관로 48: 연결커넥터
49: 지지부재 50: 매니플레이터
60: 맨드릴바 61: 맨드릴몸체
70: 금형부 72: 금형몸체
74: 내측공간부 76: 가공홈부
77: 제1가공홈부 78: 제2가공홈부
79: 제3가공홈부 80: 가압대상물
82: 중공부 84: 외측돌기부
90: 가압부 95, 97: 배럴링방지부
A: 경사각도 B: 구배각도

Claims (5)

  1. 서로 다른 직경의 가공홈부가 연이어 설치되어 내측공간부를 형성하는 금형부;
    상기 금형부의 내측으로 중공부가 형성된 가압대상물을 가압하는 가압부; 및
    상기 가압부에서 연장되어 상기 중공부에 삽입되며, 상기 가압대상물이 상기 금형부에 접하면서 상기 중공부를 향한 내측으로 부풀려지는 배럴링 현상을 방지하는 배럴링방지부를 포함하며,
    상기 가공홈부의 직경은 상기 가압대상물의 진입이 이루어지는 상기 금형부의 입구부에서 상기 금형부의 내측을 향할수록 단차를 이루며 작아지며,
    상기 가압부는, 상기 입구부에 상기 가압대상물의 일부가 삽입된 상태에서, 상기 가압대상물을 상기 가압부의 내측방향으로 가압하며,
    상기 배럴링방지부는 상기 가압부의 하측으로 돌출되어 상기 중공부에 삽입되며, 상기 가압부와 연결된 일측에서 상기 가압부와 멀어지는 타측을 향할수록 단면적이 점차적으로 작아지며,
    상기 가압대상물의 외측에는 상기 금형부의 가공홈부와 대응하는 형상으로 외측돌기부가 형성되며,
    상기 가압부의 단면적은 상기 가압대상물의 단면적보다 크게 형성되며,
    상기 배럴링방지부의 내측에는 냉각수 가이드관로가 설치되는 것을 특징으로 하는 중공 샤프트용 성형장치.
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