KR101506797B1

KR101506797B1 - 관 플랜징 방법

Info

Publication number: KR101506797B1
Application number: KR1020130093627A
Authority: KR
Inventors: 정동원
Original assignee: 제주대학교 산학협력단
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-03-27
Also published as: CN105451906B; US10252310B2; WO2015020282A1; KR20150017551A; CN105451906A; US20150367394A1

Abstract

본 발명은 성형 몰드 내부에 파이프를 삽입한 채로 상기 파이프의 에지부를 몰드 외부로 노출되도록 배치하는 단계와, 상기 파이프의 노출된 에지부에 외력을 가하여 에지부를 확관시키는 단계와, 상기 에지부에 외력을 가하여 상기 몰드 외표면 쪽으로 절곡시키는 단계와, 절곡된 상기 에지부에 외력을 가하여 단면이 선형적으로 일체화되고 상기 파이프 길이에 수직 방향인 플랜지부를 형성하는 단계를 포함하는 관 플랜징 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 균일한 두께를 유지하면서 파이프의 절곡에 의해 플랜지를 형성할 수 있다.

Description

관 플랜징 방법 {Flanging method for pipe}

본 발명은 관 플랜징 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 절삭이나 접합 공정없이 파이프를 직접 가공하여 두께가 일정한 플랜지를 제조하는 새로운 방법을 제안한다.

플랜지(flange)는 피팅(fitting) 종류의 하나로 엘보우(Elbow)나 티(Tee)와 같이 파이프와 파이프를 이어주는 관이음쇠를 의미하며, 파이프와 다른 기계 부분을 결합하는 경우에도 사용될 수 있다.

또한, 플랜지는 축이음이나 관이음과 같이 부품의 접속에 사용되는 경우 외에도 보강 플랜지와 같이 부품의 강도를 증가시키기 위해 사용되기도 한다.

차량 공조장치의 냉매 사이클을 이루는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기 등의 구성요소 사이에는 유체가 연속적으로 흐를 수 있도록 냉매파이프가 연결되고, 이러한 구성요소와 냉매파이프 간의 결합력을 향상시키기 위해 냉매파이프의 단부에 플랜지가 체결되는데, 이러한 파이프 결합용 플랜지는 통상 플라스틱을 사출 성형하여 형성한다. 플라스틱은 가공이 비교적 용이하기 때문에 정확한 치수와 두께로 플랜지 제조가 가능하다.

한편, 파이프 간의 연결 뿐만 아니라 접속 강도 보강 등을 위해서는 스텐레스 등의 금속 재질 플랜지가 요구된다. 플랜지는 일반적으로 도 1a에 도시한 바와 같이 플랜지(10)의 몸통을 이루는 파이프 부분(12)과 날개 형태의 에지부(14)를 포함하는데, 플랜지 몸통과 에지부는 별도로 제작하여 두 부품을 용접 등의 방법으로 접합하거나 하나의 파이프 몸체를 부분적으로 절삭하여 플랜지 형태로 가공할 수도 있다. 절삭 방식의 경우 정밀한 치수로 플랜지를 가공할 수 있지만 재료의 낭비가 심하며, 용접에 의해 플랜지를 형성하게 되면 접합 부위의 강도가 약해질 수 있다.

정밀한 치수의 플랜지를 가공하기 위해서는 다양한 방법이 이용될 수 있는데, 예를 들어 도 1b에 도시한 바와 같이 최초 파이프 형태의 구조물(20a)의 에지부(20b)를 부분적으로 절곡시켜 플랜지(22) 형태로 가공할 수 있다.

이와 같은 절곡 방식의 가공 시 최초 파이프 두께(t1)와 절곡에 의해 형성된 플랜지부의 두께(t2)가 달라지는 문제가 있다.

따라서, 균일한 두께를 유지하면서 공정 효율성과 최종 가공품의 강도를 유지할 수 있는 새로운 플랜지 가공 방법의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 균일한 두께를 유지하면서 파이프의 절곡에 의해 플랜지를 형성할 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 대량 생산이 용이하고 공정 효율이 뛰어나며 설계 자유도가 우수한 플랜징 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 절곡 방식의 플랜징 가공을 위한 공정 조건 및 이에 적합한 몰드를 제공하는 것이다.

기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 성형 몰드 내부에 파이프를 삽입한 채로 상기 파이프의 에지부를 몰드 외부로 노출되도록 배치하는 단계와, 상기 파이프의 노출된 에지부에 외력을 가하여 에지부를 확관시키는 단계와, 상기 에지부에 외력을 가하여 상기 몰드 외표면 쪽으로 절곡시키는 단계와, 절곡된 상기 에지부에 외력을 가하여 단면이 선형적으로 일체화되고 상기 파이프 길이에 수직 방향인 플랜지부를 형성하는 단계를 포함하는 관 플랜징 방법을 제공한다.

상기 에지부는 스피닝 공정으로 확관 및 절곡시킬 수 있으며, 상기 절곡된 에지부는 마찰 교반 공정에 의해 단면이 선형적으로 일체화된 플랜지부를 형성할 수 있다.

상기 에지부의 확관 및 절곡 시 또는 상기 플랜지부 형성 시 성형 몰드 또는 파이프를 회전시킬 수 있다.

본 발명에 따른 관 플랜징에 있어서, 상기 파이프의 내경이 d 이고 플랜지부의 직경이 D 일 때, 성형 몰드 외부로 노출시키는 파이프의 에지부의 길이 L 은 (1/4d)(D² - d²) 으로 결정할 수 있다.

본 발명은 또한, 파이프의 에지부가 절곡된 후 절곡된 부분의 단면이 선형적으로 일체화되고 상기 파이프 길이에 수직 방향으로 형성된 플랜지부를 포함하며, 상기 파이프의 두께와 플랜지부의 두께가 동일한 것을 특징으로 하는 절곡 가공된 플랜지를 제공한다.

또한, 본 발명은 내부에 파이프가 삽입되어 고정되는 파이프 안착공이 있고, 상기 파이프의 일부분을 노출시킨 후 노출된 부분을 절곡하여 가공하기 위한 원형 가공면이 상기 안착공 주변으로 마련되며, 상기 가공면의 외주에 파이프의 가공 길이를 제한시키는 제한 몰드가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 관 플랜징용 성형 몰드를 제공한다.

상기 파이프의 내경이 d 이고 노출된 부분의 길이가 L 일 때, 상기 제한 몰드의 내경 D는

으로 결정할 수 있다.

상기 성형 몰드는 회전이 가능한 것이 바람직하며, 상기 제한 몰드는 성형 몰드에 착탈이 가능하고 내경이 다른 여러 종류의 몰드를 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 균일한 두께를 유지하면서 파이프의 절곡에 의해 플랜지를 형성할 수 있다.

특히, 절곡 방식의 플랜징 가공을 위한 공정 조건 및 이에 적합한 몰드를 제공함으로써 플랜지 가공 시 반복 재현성이 우수하고, 공정 효율이 뛰어나며 설계 자유도가 우수하다.

따라서, 본 발명에 의해 다양한 고품질 플랜지 제품의 대량 생산이 가능하다.

도 1a 및 1b는 플랜지 구조 및 절곡 방식의 플랜지 가공을 설명한 도면
도 2는 본 발명에 따른 관 플랜징 방법의 공정도
도 3a 및 3b는 스피닝 가공에 의해 파이프를 절곡하는 공정을 보인 모식도
도 4는 마찰 교반 공정으로 플랜지를 형성하는 공정을 보인 모식도
도 5a 및 5b는 플랜지 가공을 위한 공정 조건을 설명하는 모식도

본 발명은 관 플랜징 기술에 관한 것으로, 관의 에지 부분을 확장시켜 플랜지를 형성함에 있어서 몰드 외부로 배출된 관의 에지 부분(플랜지 형성부)에 스피닝 공구 등을 이용하여 외력으로 확관시키는 한편, 확장된 에지 부분이 안으로 말리도록 후속 가공을 진행하면서, 말려진 에지 부분을 마찰 교반으로 선형적으로 일체화시켜 직각으로 벤딩된 플랜지부를 형성하여, 관의 최초 두께와 플랜지부 두께가 일정하게 유지되도록 가공하는 방법을 제안한다.

특히, 본 발명에서는 절곡 가공에 의한 플랜지 형성 시 반복 재현성이 뛰어난 공정 조건을 제시함으로써 플랜지부의 두께를 최초 관 두께와 동일하게 할 수 있다. 예를 들어, 플랜징을 위한 관에서 몰드 외부로 노출시키는 길이를 특정하여 성형 몰드의 사이즈를 조정하거나, 소정 규모의 성형 몰드가 정해져 있을 때 관의 노출 부위의 길이를 조정할 수 있다.

이하, 도면을 참조하며 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 기술적 구성 및 효과를 더욱 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 관 플랜징 방법의 공정을 도시하고 있다. 먼저, 성형 몰드 내에 파이프를 배치한다(단계S110).

성형 몰드(200)는 도 3a의 단면 모식도에 도시한 바와 같이 내부에 파이프(100)가 삽입되어 고정할 수 있도록 원통형의 안착공이 형성되어 있다. 또한, 파이프의 일부분을 노출시킨 후 노출된 부분을 절곡하여 가공하기 위한 원형 가공면(도 3b, 202)이 상기 안착공 주변으로 마련되어 있다. 뿐만 아니라 상기 성형 몰드는 상기 가공면의 외주에 파이프의 가공 길이를 제한시키는 제한 몰드(도 4, 210)가 부가되어 있는 것이 바람직하다.

성형 몰드 내부에 파이프를 삽입한 채로 상기 파이프의 에지부(도 3a, 110)를 몰드 외부로 배출하여 노출시킨다.

상기 파이프의 노출된 에지부에 외력을 가하여 도 3a에 도시한 바와 같이 에지부를 확관시킨다. 확관에 의하여 에지부에는 제1절곡부(110a)가 형성된다. 확관 공정은 예를 들어 절곡 공구(310)를 이용하여 스피닝 공정(spinning process)에 의해 수행될 수 있다 (제1 스피닝 공정, 단계S120).

그 다음, 확관과 단계적으로 또는 연속적으로 상기 에지부에 외력을 계속 가하여 상기 몰드 외표면 쪽으로 절곡시킨다. 이 과정에서 상기 에지부는 제2절곡부(110b)가 형성되고, 상기 제1절곡부(110a)는 성형 몰드의 가공면(202) 쪽으로 구부러지게 되어 전체적으로 에지부가 구형에 유사하게 말려진 상태가 된다. 이 상태에서 상기 제1절곡부(110a)와 제2절곡부(110a)는 서로 마주보게 된다.

이와 같은 절곡 공정 역시 전술한 확관 공정과 동일하게 절곡 공구(310)를 이용하여 스피닝 공정으로 수행될 수 있다 (제2 스피닝 공정, 단계S130)

절곡된 상기 에지부에 압착 공구(320)로 외력을 가하여 도 4에 도시한 바와 같이 단면이 선형적으로 일체화되고 상기 파이프 길이에 수직 방향인 플랜지부를 형성한다. 절곡된 에지부는 마찰 교반 공정(friction stir process)에 의해 단면이 선형적으로 일체화된 플랜지부를 형성할 수 있다 (마찰 교반 공정, 단계 S140)

마찰 교반 공정은 간단하면서도 독특한 연속 공정으로서 접합 모재를 고정시킨 후 이음부의 맞대기 면을 따라 접합 모재에 비해 경한 재질을 지닌 비소모식 회전 공구의 일부분이 삽입되어 공구와 접합모재의 상대적 운동에 의해 마찰열을 발생시켜 모재의 변형저항을 낮추어 인접한 접합부를 가열시킨다. 이로 인해 공구의 삽입된 부분인 프로브(probe) 주위로 연화된 영역이 생기게 되고, 기계적 힘을 가하여 프로브가 접합선을 따라 이동함에 따라 가열된 부위가 프로브의 앞부분에서 뒤쪽 방향으로 압출되게 되고 마찰열과 기계적 가공의 조합에 의해 고상접합부가 만들어진다.

본 발명은 이와 같은 마찰 교반 공정을 이용하여 상기 절곡된 에지부를 선형적으로 가공하는 한편, 상기 제1절곡부(110a)와 제2절곡부(110a)를 마찰 교반 용접으로 일체화시켜 강도를 향상시키고, 상기 파이프 길이에 수직 방향인 플랜지부를 형성한다. 플랜지부의 두께는 마찰 교반 공정에 의하여 최초 파이프 두께와 동일하게 되며, 플랜지부의 수평 길이 즉 직경은 성형 몰드 가공면 외주의 제한 몰드(210)에 의하여 확장이 제한된다.

본 발명에서 상기 에지부의 확관 및 절곡 시 또는 상기 플랜지부 형성 시 성형 몰드 또는 파이프를 회전시킬 수 있다. 이와 같이 파이프 자체를 회전시키거나 성형 몰드를 회전시킴으로써 (이에 따라 파이프도 함께 회전) 스피닝 공정 및 마찰 교반 공정의 공정 효율을 높일 수 있고, 가공되는 플랜지부의 형상을 균일하게 형성할 수 있으며, 플랜지부의 두께 제어가 용이하다.

또한, 본 발명에서는 절곡 가공된 플랜지에서 파이프의 두께와 플랜지부의 두께가 동일하도록 공정 조건을 제어할 수 있다.

도 5a를 참조하면, 본 발명에 따른 관 플랜징용 성형 몰드(200)는 안착공에 파이프(100)가 삽입되어 고정된 상태에서 파이프의 일부분(110)이 노출되어 있다. 상기 파이프의 내경이 d 이고 파이프의 두께가 t, 성형 몰드 외부로 노출시키는 파이프의 에지부의 길이가 L 일 때, 노출된 에지부의 부피(Vo)는 다음과 같다.

Vo = πdtL

또한, 도 5b를 참조하면, 관 플랜징에 의해 플랜지부(1ㅇ0)가 형성된 모습을 보이고 있다. 상기 파이프의 내경이 d 이고 플랜지부의 직경이 D, 플랜지부의 두께가 파이프의 두께와 동일한 t 일 때 가공된 플랜지부의 부피(V₁)은 다음과 같다.

V₁ = π(1/2D)²t - π(1/2d)²t

가공된 플랜지부의 부피는 최초 노출된 에지부의 부피와 동일하므로 (Vo = V₁) 따라서, 다음과 같은 관계가 얻어진다.

πdtL = π(1/2D)²t - π(1/2d)²t

이러한 관계로부터 본 발명에 따른 관 플랜징에 있어서, 상기 파이프의 내경이 d 이고 플랜지부의 직경이 D 일 때, 성형 몰드 외부로 노출시키는 파이프의 에지부의 길이 L 은 다음과 같이 결정된다.

L = (1/4d)(D² - d²)

즉, 성형 몰드의 사이즈가 일정하다면, 몰드 외부로 노출되는 에지부의 길이를 한정함으로써 최초 파이프의 두께와 동일한 플랜지부 두께를 얻을 수 있다.

또한, 파이프의 내경이 d 이고 노출된 부분의 길이가 L 일 때, 상기 제한 몰드의 내경 D는 다음과 같이 결정될 수 있다.

D =

즉, 외부로 노출되는 에지부의 길이를 변화시키더라도, 성형 몰드에 부가되는 제한 몰드의 내경을 달리하여 파이프와 두께가 동일한 플랜지를 형성할 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 성형 몰드와 제한 몰드는 회전이 가능한 것이 바람직하며, 상기 제한 몰드는 내경이 다른 여러 종류의 몰드를 사용하기 위하여 성형 몰드에 착탈이 가능한 것이 바람직하다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.

100:파이프 110:에지부
110a:절곡부 110b:절곡부
120:플랜지부 200:성형 몰드
202:플랜지 접촉면 210:플랜징 제한 몰드
310:절곡 공구 320:압착 공구

Claims

성형 몰드 내부에 파이프를 삽입한 채로 상기 파이프의 에지부를 몰드 외부로 노출되도록 배치하는 단계와,
상기 파이프의 노출된 에지부에 외력을 가하여 에지부를 확관시키는 단계와,
상기 에지부에 외력을 가하여 상기 몰드 외표면 쪽으로 절곡시키는 단계와,
절곡된 상기 에지부에 외력을 가하여 단면이 선형적으로 일체화되고 상기 파이프 길이에 수직 방향인 플랜지부를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 파이프의 두께와 플랜지부의 두께가 동일하도록, 상기 파이프의 내경이 d 이고 플랜지부의 직경이 D 일 때, 성형 몰드 외부로 노출시키는 파이프의 에지부의 길이 L 은
L = (1/4d)(D² - d²)
인 것을 특징으로 하는 관 플랜징 방법.
제1항에 있어서,
상기 에지부는 스피닝 공정으로 확관 및 절곡시키는 것을 특징으로 하는 관 플랜징 방법.
제1항에 있어서,
상기 절곡된 에지부는 마찰 교반 공정에 의해 단면이 선형적으로 일체화된 플랜지부를 형성하는 것을 특징으로 하는 관 플랜징 방법.
제3항에 있어서,
상기 에지부의 확관 및 절곡시, 또는 상기 플랜지부 형성 시 성형 몰드 또는 파이프를 회전시키는 것을 특징으로 하는 관 플랜징 방법.
삭제
삭제
내부에 파이프가 삽입되어 고정되는 파이프 안착공이 있고,
상기 파이프의 에지부를 노출시킨 후 노출된 파이프 에지부를 절곡하여 가공하기 위한 원형 가공면이 상기 안착공 주변으로 마련되며,
상기 가공면의 외주에 파이프의 가공 길이를 제한시키는 제한 몰드가 부가되어 있고,
상기 파이프의 내경이 d 이고 노출된 파이프 에지부의 길이가 L 일 때, 상기 제한 몰드의 내경은
D =

인 것을 특징으로 하는 관 플랜징용 성형 몰드.
삭제
제7항에 있어서,
상기 성형 몰드는 회전이 가능한 것을 특징으로 하는 관 플랜징용 성형 몰드.
제7항에 있어서,
상기 제한 몰드는 성형 몰드에 착탈이 가능한 것을 특징으로 하는 관 플랜징용 성형 몰드.