KR101632137B1 - 금속관의 확관 제조 방법 - Google Patents

Abstract

내면 공구에만 의한 확관 제조에서는 종래, 제조 조건 결정에 시간을 필요로 하고, 비용도 들었다. 구체적으로는, 확관 가공 시뮬레이션에 의해 피가공재 (10) 선단이 공구 (1) 의 숄더부 (3) 를 통과하고 나서 1.0 m 이상 진행된 상태에 있어서의 피가공재 형상을 평가하고, 그 형상이 외경에서 목표의 ± 1 ％ 이내, 두께에서 목표의 ± 7.5 ％ 이내에 들어가고, 또한 공구와의 내면 간극이 1.0 ㎜ 이내가 되는 소관 형상 및 공구 형상을 반복 계산으로 구하여, 이것을 실제 확관 제조 조건으로 한다.

Description

금속관의 확관 제조 방법{TUBE EXPANDING METHOD FOR MANUFACTURING METAL TUBE}

본 발명은, 금속관의 확관 제조 방법 (tube expanding method for manufacturing) 에 관한 것으로, 상세하게는 관 압연 (tube rolling) 등에 의해 제조된 금속관 (metal tube or steel tube) 을 소관 (Hollow piece) 에 사용하고, 소관을 내면 가공용 공구 (internal processing tool and/or mandrel bar or plug) 에 통과시킴으로써 소관보다 대경의 금속관 (large-diameter metal tube) 을 확관 제조할 때, 그 적절한 확관 제조 조건 (manufacturing condition of tube expanding method) 을 시뮬레이션 (simulation) 에 의해 유리하게 결정할 수 있는 금속관의 확관 제조 방법에 관한 것이다.

금속관을 제조 방법으로 크게 나누면, 소재로서 금속판을 사용하고, 이것을 프레스 (press) 나 롤 (roll) 에 의해 원호상 (arc-like) 으로 성형하고, 그 원호의 양 단부를 용접 결합함으로써 관 형상으로 하는 방법으로 제조되는 용접관 (welded tube) 과, 금속괴 (solid metal blank or billet) 를 압연이나 압출 (extrusion) 에 의해 중공화하여 원하는 치수로 하는 방법으로 제조되는 무이음매 관 (seamless tube) 이 있다. 모두 용도로서의 설비에 의해 선정되지만, 관 내면 (inside surface of a tube) 에 압력이 가해지고, 또한 파손에 의해 설비에 중대한 영향을 주는 경우에는 일반적으로 무이음매 관이 사용된다.

이와 같은 설비의 일례로서, 화력이나 원자력에 의한 발전소 (generating power plant and atomic power plant) 내의 증기 배관 (steam pipework) 이나 열교환기용 배관 (heat exchanger tubing) 이 있다. 최근, 발전 효율 (power generation efficiency) 의 향상을 목적으로 하여 고온화가 도모되고 있고, 열교환용 세경 금속관은 종래부터 높은 품질이 요구되고 있는 한편, 증기 배관도 대유량화 등에 대한 대응 (대경화) 이 필요해지고 있다.

현재의 무이음매 관의 제조 방법에서는 일반적으로 직경으로 400 ㎜ 정도가 상한이다. 이 때문에, 더욱 큰 직경의 금속관을 필요로 하는 경우에는, 한 번 제조한 관을 재차 압연 등의 방법에 의해 확관시키는 것이 실시된다.

확관 방법에는, 복수의 압연 롤 (mill roll) 사이에 설치된 공구 (tool) 를 사용하여 확관을 실시하는 방법이 있다 (편의상 방법 A 라고 가칭). 이것은, 특정 사이즈의 제품을 대량으로 생산하기에는 바람직하지만, 설비 비용 (facility cost) 이 고액이므로, 또 외면측에서 롤과의 접촉에 의해 흠집이 발생하기 쉬운 등의 결점도 있다고 하여 다용되고 있지는 않다.

다른 확관 방법에는, 관 내경측에 공구를 설치하고, 관을 공구의 대경단 (大徑端) 측으로 압출하거나 (예를 들어 특허문헌 1) 혹은 인발하는 성형법 (편의상 방법 B 라고 가칭) 이 있다. 이 확관 방법에서는, 가열, 비가열의 두 가지 방식이 가능하지만, 확관 후의 두께 (thickness) 를 외경의 5 ％ 정도까지 얇게 하고자 하는 경우, 생산 효율 (production efficiency) 의 점에서 열간에서 실시한다고 한다. 이 방법은 가공면에서 보았을 때 동력 (power) 을 절감할 수 있고, 또 관 사이즈 (tube size) 의 자유도 (degree of freedom) 가 비교적 높은 등의 이점이 있는 반면, 제조에는 일정한 숙련 (skill) 혹은 경험 (experience) 이 필요해진다. 왜냐하면 앞서 서술한 방법 A 에서는, 외경측을 롤 (roll), 내경측을 공구 (tool) 로 고정시킬 수 있기 때문에 최종 제품 치수 (size of finished product) 를 달성하기 쉽지만, 방법 B 에서는 외경측에 공구가 없기 때문에 변형의 자유도 (flexibility of deformation) 가 높고, 외경(external diameter) 은 물론, 두께, 내경 (internal diameter) 조차 결정하기 어렵기 때문에, 공구 형상 (tool shape) 등의 성형 조건 (forming condition) 이 일반적으로는 어렵기 때문이다.

이와 같이 변형의 자유도가 높다는 것에서 기인한 제품상의 결함 (defect) 을 없애기 위해, 제품의 굽힘 (bentness) 등을 억제할 수 있다고 한 공구 형상의 제안도 있다 (예를 들어 특허문헌 2).

일본 공개특허공보 소61-56746호 일본 공개특허공보 2001-113329호

그러나, 특허문헌 2 에서는, 제품 치수 (product dimension) 를 어떻게 정밀하게 만들어 내는지라는 기본적인 점의 기술적 개시가 전혀 없고, 바꾸어 말하면, 정해진 치수를 대상으로 한 성형 조건 (conditions of forming) 을 알고 있는 전제로, 공구 형상 (tool shape) 을 변경하는 것이 효과적이라고 서술하고 있는 것에 불과하다.

따라서, 방법 B (관단 (管端) 을 밀거나 당기거나 하여 관 내경측을 공구에 통과시키는 방법) 에 있어서, 임의의 제품 치수에 따라 적정한 공구 형상이나 소관 치수와 같은 제조 조건 (manufacturing condition) 을 결정하는 데에는 많은 시작 (試作), 시험을 필요로 하여 매우 곤란하고 또한 비경제적 (non-economic) 이라는 일대 단점이 있었다. 그 때문에, 사용자 니즈 (customer needs) 를 반영시키는 것이 곤란하였고, 보급도 정체되어 있었다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는, 금속관의 관단을 밀거나 당기거나 하여 관 내경측을 공구에 통과시키는 금속관의 확관 제조 방법에 있어서, 임의 치수의 최종 제품을 얻기 위해, 시뮬레이션을 사용하여 특정한 제약 범위 (limited range) 에 해석 결과 (analysis result) 가 들어가는 확관 제조 조건 (공구 형상, 소관 치수) 을 구함으로써, 제품 치수의 확대나 제조상 과제가 된 시험 시간 (testing time), 비용의 삭감 (cost reduction), 나아가서는 공업화를 용이하게 달성할 수 있는 금속관의 확관 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 확관 제조 방법에 적용되는 금속관의 제조 방법과 화학 조성은 특별히 한정되지 않지만, 이하에 나타내는 금속관이 특히 바람직하다.

(1) JISG 3458 배관용 합금강 강관 (alloy steel pipe for piping) (STPA20, STPA22 ∼ 26) (ASTM A335, ASTM A405, BS 3604, DIN 17175, DIN 17177 상당) :

바람직한 조성 범위는, C : 0.10-0.15 ％, Si : 0.10-1.00 ％, Mn : 0.30-0.80 ％, P : 0.035 ％ 이하, S : 0.035 ％ 이하, Mo : 0.40-1.10 ％, Cr : 0 ％ 혹은 0.50-10.00 ％ 를 함유하고, 그 밖에 필요에 따라 Cu : 1 ％ 이하, Ni : 2 ％ 이하, Nb : 0.1 ％ 이하, V : 0.5 ％ 이하, Ti : 0.2 ％ 이하, B : 0.005 ％ 이하, REM : 0.02 ％ 이하, Ca : 0.01 ％ 이하를 첨가할 수 있다. 불가피적 불순물로는 N : 0.010 ％ 이하, O : 0.006 ％ 이하가 허용된다. 또한, 강관의 제조 방법은, 만네스만식 천공 압연 (Mannesmann type piercing) 에 의한 무이음매 강관이 바람직하다.

(2) JISG 3462 보일러·열교환기용 합금강 강관 (alloy steel pipe for boiler and heat-exchange) (STBA12 ∼ 13, STBA20, STBA22 ∼ 26) (ISO 9329-2 : 1997, ISO 9330-2 : 1997, ASTM A161, A199, A179 A200, A209, A213, A250, A423, BS 3059, DIN 17175, DIN 17177 상당) :

바람직한 조성 범위는, C : 0.10-0.20 ％, Si : 0.10-1.00 ％, Mn : 0.30-0.80 ％, P : 0.035 ％ 이하, S : 0.035 ％ 이하, Mo : 0.40-1.10 ％, Cr : 0 ％ 혹은 0.50-10.00 ％ 를 함유하고, 그 밖에 필요에 따라 Cu : 1 ％ 이하, Ni : 2 ％ 이하, Nb : 0.1 ％ 이하, V : 0.5 ％ 이하, Ti : 0.2 ％ 이하, B : 0.005 ％ 이하, REM : 0.02 ％ 이하, Ca : 0.01 ％ 이하를 첨가할 수 있다. 불가피적 불순물로는 N : 0.010 ％ 이하, O : 0.006 ％ 이하가 허용된다. 또한, 강관의 제조 방법은, 만네스만식 천공 압연에 의한 무이음매 강관, 혹은 고주파 전류 (high-frequency current) 를 이용한 전기 저항 용접법 (electric resistance welding) 에 의한 전기 저항 용접 강관 (electric resistance welded steel pipe) (전봉 강관) 이 바람직하다.

상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 본 발명은 이하와 같다.

(1)

공구의 최소경단인 시단으로부터 최대경단인 종단에 걸쳐 순차적으로 순조롭게 늘어서는 테이퍼부 (taper portion), 숄더부 (shoulder portion), 평행부 (parallel portion) 를 갖는 내면 가공용 공구에, 그 공구의 시단측을 입측으로 하여, 소관 내경이 상기 평행부 직경 즉 공구 최대경 미만의 피가공재인 금속관을 이송하여 관의 내경측을 통과시킴으로써, 상기 피가공재를 확관 가공하는 금속관의 확관 제조 방법에 있어서,

확관 가공 전의 피가공재인 소관의 치수, 및 상기 공구의 치수를 유한 요소 해석에 기초한 확관 가공 시뮬레이션에 의해 이하의 순서로 결정하는 것을 특징으로 하는 금속관의 확관 제조 방법.

(a) 제품의 목표 외경, 목표 두께, 및 공구의 테이퍼부 길이, 및 사용하는 확관 가공 장치로의 이송력 (feed power) 의 상한인 상한 부하 (upper load) 를 설정한다.

(b) 치수 파라미터 (size parameter) 로서, 소관 외경, 소관 두께, 공구 테이퍼부의 테이퍼 각도인 테이퍼 각도, 공구 축방향 단면 내의 숄더부의 곡률 반경 (radius of curvature) 인 숄더부 R, 공구 평행부 직경인 공구 최대경을 설정한다.

(c) 피가공재를 복수의 요소로 분할한다.

(d) 확관 가공 시뮬레이션을 실행하고, 피가공재 선단이 숄더부 위치로부터 공구 출측을 향하여 1 m 이상 진행된 시점에 있어서의, 계산 이송력 (calculated feed power) 인 계산 부하 (calculated load), 피가공재의 가공 후의 외경, 가공 후의 두께, 가공 후의 내경을 구한다.

(e) 계산 부하가 상한 부하 이하인 것의 성패 (pass/fail) 를 판정하여, 성공 (Yes) 이면 (f) 로 진행된다. 실패 (No) 이면 소관 두께 혹은 추가로 테이퍼 각도 (taper angle) 를 변경하여 (c) 로 되돌아온다.

(f) 가공 후의 외경이 목표 외경 ± 1 ％ 의 범위 내이고 또한 가공 후의 두께가 목표 두께 ± 7.5 ％ 의 범위 내인 것의 성패를 판정하여, 성공이면 (g) 로 진행된다. 실패이면 소관 외경 및/또는 소관 두께를 변경하여 (c) 로 되돌아온다.

(g) 내면 간극 ＝ 가공 후의 내경 － 공구 최대경이 1 ㎜ 이하인 것의 성패를 판정하여, 성공이면 이 때의 치수 파라미터가 실제 확관 제조용인 것으로 결정하고, 순서 종료로 한다. 실패이면 숄더부 R 및/또는 테이퍼 각도를 변경하여 (c), (d) 로 되돌아온다.

(2)

상기 공구에 관 내경측을 통과시키면서, 테이퍼부 위치를 통과 중인, 내지는 그 상류측에 해당하는 피가공재 부분을 외경측으로부터 가열하고, 테이퍼부 위치에서 소망의 온도로 하는 (1) 에 기재된 금속관의 확관 제조 방법.

(3)

상기 소관이 무이음매 관인 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 금속관의 확관 제조 방법.

(4) 상기 확관 가공 시뮬레이션이 상용 해석 코드인 ABAQUS 를 사용하여 동적양해법에 의한 2 차원 유한 요소법으로 실시하는 것인 (1) ∼ (3) 중 어느 하나에 기재된 금속관의 확관 제조 방법.

본 발명에 의하면, 시뮬레이션과 간결한 논리 (logic) 를 기본으로 한 사고 실험 (thought experiment) 에 의해 적절한 확관 제조 조건을 결정하는 것이 가능해지기 때문에, 경험에 의지한 다수준 (multitude levels) 의 시작 (trial production), 시험을 거치지 않고서는 상기 결정이 불가능하였던 종래에 비해, 시작 공정 (trial production process) 의 대폭적인 삭감과 제품 제조까지의 시간 단축 (time crunch) 이 달성된다.

도 1 은, 본 발명에 사용되는 확관 제조 장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2 는, 본 발명에 있어서의 시뮬레이션 결과의 일례로서 계산 부하의 추이를 나타내는 도면이다.
도 3 은, 본 발명에 의한 시뮬레이션 결과의 일례로서 가공 후의 치수를 나타내는 도면이다.
도 4 는, 본 발명의 확관 가공 시뮬레이션에 의한 순서를 나타내는 플로우도이다.

이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명은, 공구의 최소경단인 시단 (starting end) 으로부터 최대경단인 종단 (terminal end) 에 걸쳐 순차적으로 순조롭게 늘어서는 테이퍼부, 숄더부, 평행부를 갖는 내면 가공용 공구에, 그 공구의 시단측을 입측으로 하여, 소관 내경이 상기 평행부 직경 즉 공구 최대경 미만의 피가공재인 금속관을 이송하여 관의 내경측을 통과시킴으로써, 상기 피가공재를 확관 가공하는 금속관의 확관 제조 방법인 것을 전제로 한다. 이 전제 자체는 종래 공지되어 있다.

또한, 이 전제에는, 상기 공구에 관 내경측을 통과시키면서, 테이퍼부 위치를 통과 중인 피가공재 부분을 외경측으로부터 가열하는 경우도 포함된다.

상기 확관 가공의 실시에 사용하는 확관 가공 장치의 일례를 도 1 에 나타낸다. 도 1(b) 에 나타내는 바와 같이, 공구 (내면 가공용 공구) (1) 는, 최소경단인 시단으로부터 최소경단인 종단에 걸쳐 순차적으로 순조롭게 늘어서는 테이퍼부 (2), 숄더부 (3), 평행부 (4) 를 갖는다. 한편, 도 1(a) 에 나타내는 바와 같이, 공구 (1) 는, 시단측에 연결된 맨드릴 (mandrel) (5) 을 개재하여 공구 지지 수단 (tool support means) (12) 에 의해 지지되고, 위치가 고정되어 있다. 피가공재 (금속관) (10) 는, 가공 전의 소관에서는 공구 (1) 의 평행부 외경인 공구 최대경보다 작은 내경을 갖고, 공구 (1) 의 시단측을 입측으로 하여 공구 (1) 에 이송된다. 이 이송 수단으로서, 본 예에서는, 공구 입측으로부터 관을 미는 관 밂 수단 (pusher) (11) 을 구비하고 있다. 이로써, 피가공재 (10) 의 내경측을 공구 (1) 에 통과시킨다. 또한, 이송 수단으로는, 본 예의 공구 입측으로부터 관을 미는 관 밂 수단 (11) 대신에 공구 출측으로부터 관을 당기는 관 당김 수단 (drawer) (도시 생략) 을 사용해도 된다.

본 예는, 상기 가열을 실시하는 경우를 나타내고 있으며, 테이퍼부 위치에는 가열 장치 (heating device) 인 유도 코일 (induction coil) (13) 이 피가공재 (10) 의 통로를 둘러싸는 형태로 설치되고, 이것이 테이퍼부 위치를 통과 중인 재 부분을 외경측으로부터 가열한다. 가열 장치는, 유도 코일 (13) 에 한정되지 않고 버너 (burner) 여도 된다. 또, 상기 가열 대신에 소관을 미리 노 등으로 예가열 (pre-heating) 해도 된다. 물론, 상기 가열 위치보다 상류측에서 가열을 실시하고, 테이퍼부 위치에서 소망 온도로 하도록 해도 상관없다.

실제의 확관 가공에서는 상기 가열을 실시하는 것이 일반적이고, 그 가열 장치의 위치는, 공구 (1) 를 포함하는 영역으로서, 그 영역의 바람직한 길이는 적어도 500 ㎜ 정도, 이상적으로는 2000 ㎜ 정도로 여겨지고 있다.

본 발명에서는, 종래와는 달리, 확관 가공 전의 피가공재인 소관의 치수, 및 상기 공구의 치수를 유한 요소 해석 (finite element analysis) 에 기초한 확관 가공 시뮬레이션에 의해 특정한 순서로 결정한다. 이 순서에 대해 도 4 및 이하에 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 소관이 무이음매 관이고, 또한 확관 가공시에 상기 가열이 실시되는 경우를 상정하였다. 여기서, 무이음매 관이란, 환단면 혹은 각단면을 갖는 빌릿 (billet) 내지 블룸 (bloom) 을 압연법 혹은 압출 법 (extrusion method) 에 의해 중공체 (hollow body) 로 한 것, 혹은 추가로 이것을 관 압연한 것을 말한다.

먼저 순서 (a) 로서, 제품의 목표 외경, 목표 두께, 목표 내경, 및 공구의 테이퍼부 길이, 및 사용하는 확관 가공 장치의 이송력의 상한인 상한 부하를 설정한다.

(바람직한 설정 방법)

·목표 외경, 목표 두께, 및 확관 가공 장치의 상한 부하 ＝ 각각 소정의 값.

·공구의 테이퍼부 길이 ≒ 상기 가열 장치의 길이 영역.

다음으로, 순서 (b) 에서는, 치수 파라미터로서 소관 외경, 소관 두께, 공구 테이퍼부의 테이퍼 각도인 테이퍼 각도, 공구 축방향 단면 내의 숄더부 곡률 반경인 숄더부 R, 공구 평행부 직경인 공구 최대경을 설정한다. 즉 이들 치수 파라미터에 초기값을 부여한다.

(바람직한 설정 방법)

·소관 외경 ≒ 일반적으로 무이음매 관의 상한 외경으로 여겨지는 400 ㎜. 단, 가공 전후의 외경차를 작게 하고자 하는 경우에는 400 ㎜ 미만으로 해도 된다.

·소관 두께 ≒ 제품 단면적과 소관 단면적의 일치해 (match solution) (제품 단면적과 소관 단면적이 동일해지는 해).

·테이퍼 각도 ≒ arctan (((제품 내경 － 소관 내경)/2)/테이퍼부 길이). 또한, 이 식에 있어서 제품 내경 대신에 공구 최대경으로 해도 된다.

·공구 최대경 ≒ 제품 내경 ＋ 상기 가열에 의한 열팽창분.

또한, 제품 내경 ＝ 목표 외경 － 2 * 목표 두께이다.

·숄더부 R ≒ 소관 외경과 동등 내지 이것의 2 배.

다음으로, 순서 (c) 에서는, 피가공재를 복수의 요소로 분할한다. 이 때, 해석 정밀도 확보의 점에서 가공부 (테이퍼부 통과 중인 부분) 에 있어서의 각 요소는, 관 길이 방향을 따른 단면 내에서, 관 두께 방향을 따른 치수 Δd 가 5 ㎜ 이하, 관 길이 방향을 따른 치수 ΔL 이 Δd 의 2 배 이하인 사각형상 요소 (rectangle element) 로 하는 것이 바람직하다. 또한, 계산 시간의 절약의 점에서는, Δd 는 1 ㎜ 이상, ΔL 은 Δd 의 0.5 배 이상으로 하는 것이 바람직하다. 가공부 이외의 부분의 분할에 대해서는, 가공부와 동일하게 하는 것이 바람직하지만, 계산 시간이 과대해지는 경우에는 분할수 (division number) 를 줄이도록 (요소 치수 (element size) 를 크게 하도록) 해도 된다. 또한, 3 차원 유한 요소법에 의한 해석은 시간과 비용이 들지만, 보다 정밀도를 높인 해석이 가능하기 때문에, 이쪽을 적용해도 상관없다.

다음으로, 순서 (d) 에서는, 확관 가공 시뮬레이션을 실행하고, 피가공재의 선단이 숄더부 위치로부터 공구 출측을 향하여 1.0 m 이상 진행된 시점에 있어서의 계산 이송력인 계산 부하, 피가공재의 가공 후 외경, 가공 후 두께, 가공 후 내경을 구한다.

유한 요소 해석에 기초한 시뮬레이션은, 소위 변형 전후의 형상을 가정하여, 그 계산 안정성 (calculation stability) 을 달성하기 위해 형상을 미조정해 가는 정상 해석 (steady analysis), 혹은 완전하게 피가공재 선단을 확관하는 비정상 해석 (non-stability analysis) 을 실시하는 것으로, 예를 들어 동적양해법 (dynamic explicit method) 에 의한 2 차원 유한 요소법 (two-dimensional finite element method) 에 의한 것을 바람직하게 사용할 수 있다. 해석에 필요한 코드 (code) 로는 상용 해석 코드 (co㎜ercial analysis code) 인 ABAQUS 등을 바람직하게 사용할 수 있다. 단, 정적음해법 (static implicit method) 을 부정하는 것은 아니다.

본 발명에서는, 상기 정상 해석, 비정상 해석 중 어느 것에 있어서도, 피가공재의 선단이 공구의 테이퍼부에 인접하는 숄더부를 통과하여 1.0 m 이상 진행된 시점에서의 결과에 의해 평가를 실시한다. 이것은 계산상, 일정량의 길이가 공구를 통과한 후가 아니면 가공 자체가 안정되지 않기 때문이다. 또, 실제의 가공에 있어서도 선단으로부터 확관 가공하는 경우에는, 극히 선단 근방은 재 진행측에 구속부가 없기 때문에 외경, 두께 모두 중앙부에 비해 상이한 값이 된다. 따라서 이것을 상정하는 점에서도, 전술한 바와 같은 조건을 사용해야 한다. 단 해석 조건에 따라서는 반드시 1.0 m 이상 진행된 후, 혹은 이것에 상당하는 시간 경과 후의 형상으로 평가할 필요는 없는 경우도 있지만, 많은 조건에 보편적으로 적용 가능한 제약으로서 1.0 m 이상으로 하였다. 또한, 바람직하게는 1.4 m 이상이다.

이 때, 결과적으로 계산 부하, 가공 후의 외경, 가공 후의 두께, 가공 후의 내경이 얻어진다.

다음으로, 순서 (e) 에서는, 계산 부하가 상한 부하 이하인 것의 성패를 판정하여, 성공이면 (f) 로 진행된다. 실패이면 소관 두께 혹은 추가로 공구 테이퍼부 각도를 변경하여 (c) 로 돌아온다.

계산 부하가 상한 부하 (설비의 가공력 (machining ability of equipment)) 를 초과하지 않는 것이 필요하다. 여기서 만약, 설비의 가공력을 대폭 상회하는 계산 부하가 된 경우, 소관 두께를 박육화하는 것, 테이퍼 각도를 저감시키는 것의 순서로 변경을 가하고, 재차 시뮬레이션을 실시한다. 박육화는, 단면적이 작아지기 때문에 가공에 필요해지는 계산 부하를 저감시킬 수 있고, 테이퍼 각도를 작게 하는 것은 가공시의 저항을 낮추는 것으로 이어진다. 이러한 설비의 요건을 만족시킨 경우에는, 순서 (f) 로 진행된다.

순서 (f) 에서는, 가공 후 외경이 목표 외경 ± 1 ％ 의 범위 내이고 또한 가공 후 두께가 목표 두께 ± 7.5 ％ 의 범위 내인 것의 성패를 판정하여, 성공이면 (g) 로 진행된다. 실패이면 소관 외경 및/또는 소관 두께를 변경하여 (c) 로 되돌아온다.

여기서는, 제품 목표 치수에 대한 편차 (deviation) (＝ (가공 후의 치수 － 목표 치수)/목표 치수 * 100 (％)) 가, 외경에서는 임계값 (threshold value) 으로 한 ± 1 ％ 이내, 두께에서는 임계값으로 한 ± 7.5 ％ 이내인 것의 성패를 판정한다. 외경 편차 (outside diameter deviation), 두께 편차의 각 임계값 (± 1 ％, ± 7.5 ％) 은 각각 실제 제품의 치수 공차 (size tolerance) 를 고려하여 정하였다. 판정 결과가 성공이면 (g) 로 진행되지만, 실패이면 편차가 임계값 이내에 들어가도록 소관 외경 및/또는 소관 두께를 변경하여 반복 시뮬레이션을 실시한다.

마지막으로, 순서 (g) 에서는, 내면의 간극 ＝ 가공 후의 내경 － 공구 최대경이 1 ㎜ 이하인 것의 성패를 판정하여, 성공이면 이 때의 치수 파라미터가 실제 확관 제조용인 것으로 결정하고, 순서 종료로 한다. 실패이면 숄더부 R 및/또는 테이퍼 각도를 변경하여 (d) 로 되돌아온다.

판정 결과가 실패인 경우, 가공 후의 두께가 거의 목표 두께이면 숄더부 R 을 우선적으로, 가공 후의 두께가 두껍고 또한 가공 후의 내경이 큰 것 같으면 테이퍼부 각도를 변경하면, 보다 간편하게 최종 형상을 얻을 수 있다. 숄더부 R 을 크게 하면, 테이퍼부와 평행부 (공구 최대경부) 를 느슨하게 접속시키게 되어, 피가공재가 밀어넣어지면서 (혹은 끌어내지면서) 가공되어도 거의 공구를 따라 변형할 수 있기 때문에, 두께 등의 변화를 극히 미소하게 억제하면서 내경을 변화시킬 수 있다. 물론, 두께도 내경도 큰 경우에는, 테이퍼부 각도를 약간 작게 하여 재차 시뮬레이션을 실시하고, 상기 순서로 반복하여 계산하면 된다.

실시예

(실시예 1)

해석 대상 제품으로서, 외경 609.6 ㎜, 두께 24.1 ㎜ 의 STPA24 (저합금 보일러 강 (low-alloy boiler steel) ; 무이음매 강관) 를 사용하였다.

제품 외경이 약 600 ㎜ 인 점에서, 소관 외경은 무이음매 강관으로서 입수하기 쉬운 대경인 406.4 ㎜ 를 초기값으로 하고, 소관 두께는 거의 제품 두께인 25 ㎜ 를 초기값으로 하였다. 가공 동력 (manufacturing energy) 을 억제하기 위해 가공부 (공구 테이퍼부) 근방에서는 유도 가열 (induction heating) 에 의해 900 ℃ 정도로 가열하는 것을 상정하고, 여기서 제품 외경, 제품 두께로부터 공구 최대경을 562 ㎜ 로 하였다. 또한, 공구와 관 내면의 마찰 계수 (frictional coefficient) 는, 가공 전에 윤활제 (lubricant agent or lubrication) 를 도포하는 것을 전제로 0.1 로 하였다. 또, 사용하는 확관 가공 장치의 이송력의 상한인 상한 부하는 800 tonf 를 상정하였다.

여기서는 테이퍼부 길이를 1200 ㎜ 로 하고, 테이퍼 각도 ＝ arctan (arctangent function) (((공구 최대경 － 소관 내경)/2)/테이퍼부 길이) ≒ 6 도로 하였다. 또한, 소관 내경 ＝ 소관 외경 － 2 * 소관 두께이다. 테이퍼 각도는 보다 큰 값을 설정해도 상관없지만, 이것이 클수록 피가공재에 대한 이를테면 저항이 커지는 점에서 가공 동력을 필요로 하는 것은 분명하기 때문에, 가공 기계의 설비 사양 (machine specification) 상, 낮은 값으로부터 해석을 개시하는 것으로 하였다. 숄더부 R 은, 소관 외경의 약 1/2 인 R200 을 초기값으로 하였다.

소관 두께를 상기와 같이 25 ㎜ 로 하였으므로, 피가공재를 두께 방향 치수가 5 ㎜ 이하인 요소로 분할하려면 적어도 5 분할 이상의 분할을 필요로 하지만, 보다 박육을 가정할 가능성도 있기 때문에 여기서는 9 분할로 하였다. 가공부 (테이퍼부) 길이는 상기와 같이 1200 ㎜ 로 하였으므로, 이 길이 방향의 요소 치수를 두께 방향의 경우와 동일한 정도 내지 2 배 정도로 하기 위해, 가공부 길이의 분할은 300 분할로 하였다. 또한, 가공부 이외의 부분도 동일한 분할로 하였다.

확관 가공 시뮬레이션은, 관 원주 방향 (circumferential direction of tube) 이 균등한 것으로 가정하고, 초기에 개략 공구보다 약간 크게 변형하였다고 가정하여 형상을 설정하고, 여기부터 변형이 진행되는 것으로 하여, 동적양해법에 의한 2 차원 유한 요소법으로 실시하였다. 해석에 필요한 코드에는 상용 해석 코드인 ABAQUS 를 사용하였다.

시뮬레이션을 개시하여, 피가공재의 선단이 숄더부를 통과하고 나서 1.0 m 이상 진행된 것으로 간주되는 상태에서, 계산 부하, 변형 상태 (가공 후의 치수) 를 평가하였다. 부하는 도 2 에 나타내는 바와 같이, 숄더부로부터의 피가공재의 선단의 진행 길이가 1.0 m 이상이 되면 서서히 안정되고, 1.4 m 이상이 되면 대략 480 tonf 으로 안정되었다. 이것은 상정한 상한 부하 800 tonf 보다 충분히 작기 때문에, 문제 없이 확관 가공을 할 수 있다. 여기서 얻어진 가공 후 치수는 외경 ＝ 612.6 ㎜, 두께 ＝ 22.75 ㎜ 이고, 목표 치수에 비해 외경 대, 두께 소가 되었다.

그래서 소관 두께를 서서히 변화시키며 몇 가지의 시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과를 도 3 에 나타낸다. 또, 동 도면 중에 외경 편차의 임계값 (± 1 ％) 이내가 되는 외경 합격 범위 및 두께 편차의 임계값 (± 7.5 ％) 이내가 되는 두께 합격 범위를 나타냈다. 이들로부터 적정한 소관 두께는 25.5 ∼ 27.5 ㎜ 인 것을 알 수 있었다. 다음으로 이 영역에서 내면 간극에 대해 시뮬레이션 결과를 평가하였다. 여기서 숄더부 R 은 소관 외경의 거의 2 배인 R ＝ 800 ㎜ 까지 변화시켰다. 그 결과, R ＝ 300 ㎜ 에서는 내면 간극이 2.01 ㎜ 이었던 것이, R ＝ 400 ㎜ 로 함으로써 1.62 ㎜, 또한 R ＝ 600 ㎜ 이상에서 내면 간극 1.0 ㎜ 이하의 달성이 가능한 것을 확인하였다.

이상과 같이, 비교적 적은 시뮬레이션 조건으로 많은 수준을 갖는 확관 가공 조건을 적절히 설정할 수 있는 것을 확인하였다.

이들의 정리를 표 1 에 나타낸다.

(실시예 2)

실시예 1 에서 얻어진 시뮬레이션 결과를 실제 확관 가공의 경우와 비교하여 본 발명의 유효성을 검증하기 위한 실험을 실시하였다. 실험은 소형 압출 장치를 사용하고, 그 모델비는 1/5 로 하고, 온도 등의 외란을 피하기 위해 연관을 피가공재로 하고, 냉간에서 확관 가공하였다. 피가공재 및 공구는 실시예 1 의 1/5 치수이다.

실험 결과를 표 2 의 Case A 에, 시뮬레이션 결과를 동 표의 Case B 에 각각 나타낸다. 표 2 로부터, 실험 결과는 시뮬레이션 결과와 대체로 유사한 경향의 값을 나타내어, 본 발명의 유효성을 검증할 수 있었다.

1 : 공구 (내면 가공용 공구)
2 : 테이퍼부
3 : 숄더부
4 : 평행부
5 : 맨드릴
10 : 피가공재 (금속관)
11 : 관 밂 수단
12 : 공구 지지 수단
13 : 유도 코일

Claims (4)

1. 공구의 최소경단인 시단으로부터 최대경단인 종단에 걸쳐 순차적으로 순조롭게 늘어서는 테이퍼부, 숄더부, 평행부를 갖는 내면 가공용 공구에, 그 공구의 시단측을 입측으로 하여, 소관 내경이 상기 평행부 직경 즉 공구 최대경 미만의 피가공재인 금속관을 이송하여 관의 내경측을 통과시킴으로써, 상기 피가공재를 확관 가공하는 금속관의 확관 제조 방법에 있어서,
   확관 가공 전의 피가공재인 소관의 치수, 및 상기 공구의 치수를 유한 요소 해석에 기초한 확관 가공 시뮬레이션에 의해 이하
   (a) 제품의 목표 외경, 목표 두께, 및 공구의 테이퍼부 길이, 및 사용하는 확관 가공 장치의 이송력의 상한인 상한 부하를 설정하고,
   (b) 치수 파라미터로서, 소관 외경, 소관 두께, 공구 테이퍼부의 테이퍼 각도인 테이퍼 각도, 공구 축방향 단면 내의 숄더부 곡률 반경인 숄더부 R, 공구 평행부 직경인 공구 최대경을 설정하고,
   (c) 피가공재를 복수의 요소로 분할하고,
   (d) 확관 가공 시뮬레이션을 실행하고, 피가공재 선단이 숄더부 위치로부터 공구 출측을 향하여 1.0 m 이상 진행된 시점에 있어서의, 계산 이송력인 계산 부하, 피가공재의 가공 후 외경, 가공 후 두께, 가공 후 내경을 구하고,
   (e) 계산 부하가 상한 부하 이하인 것의 성패를 판정하여, 성공이면 (f) 로 진행되고, 실패이면 소관 두께 혹은 추가로 테이퍼 각도를 변경하여 (c) 로 되돌아오고,
   (f) 가공 후 외경이 목표 외경 ± 1 ％ 의 범위 내이고 또한 가공 후 두께가 목표 두께 ± 7.5 ％ 의 범위 내인 것의 성패를 판정하여, 성공이면 (g) 로 진행되고, 실패이면 소관 외경 및/또는 소관 두께를 변경하여 (c) 로 되돌아오고,
   (g) 내면 간극 ＝ 가공 후의 내경 － 공구 최대경이 1 ㎜ 이하인 것의 성패를 판정하여, 성공이면 이 때의 치수 파라미터가 실제 확관 제조용인 것으로 결정하고, 순서 종료로 하고, 실패이면 숄더부 R 및/또는 테이퍼 각도를 변경하여 (c), (d) 로 되돌아오는 순서로 결정하는 금속관의 확관 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 공구에 관 내경측을 통과시키면서, 테이퍼부 위치를 통과 중인, 내지는 그 상류측에 해당하는 피가공재 부분을 외경측으로부터 가열하고, 테이퍼부 위치에서 소망의 온도가 되는 피가공재 부분을 외경측으로부터 가열하는 금속관의 확관 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 소관이 무이음매 관인 금속관의 확관 제조 방법.
4. 삭제

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