KR101722469B1 - 소재의 가공방법 및 이를 이용한 관 - Google Patents

Abstract

구멍면에 언더컷부가 남겨진 초벌 구멍을 소재에 뚫는 공정, 원호형의 절단날을 구비한 완성 구멍 직경보다 외경이 작은 사이드 커터(Ⅱ)를, 소재(12)에 대해 소정 방향으로 상대적으로 기울인 자세로 자전시키면서 공전시키고, 이 때의 공전을, 완성 목표의 구멍면을 따라 커터가 이동하도록 행하여 초벌 구멍(11_-3)의 일단측 내경을 마무리하는 공정, 사이드 커터(Ⅱ)를 자전시키면서 공전시켜 초벌 구멍(11_-3)의 타단측 내경을 마무리하는 공정을 거쳐 엘보 구멍을 형성하도록 하였다.

Description

소재의 가공방법 및 이를 이용한 관 {Fabricating method of material and pipe using thereof}

본 발명은, 소재의 가공방법 및 이를 이용한 관, 예컨대, 배관용 절삭 엘보(곡관; 曲管)에 관한 것이다.

배관용 금속제 엘보에는, 주형으로 성형한 주조 엘보, 직관(直管)을 굽힘 가공한 엘보, 금속판을 프레스 성형하여 얻은 이분할 형상의 2개의 곡관재를 맞대어 용접 일체화한 용접 엘보 및 금속 소재로부터 잘라낸 절삭 엘보가 있다.

이 중 절삭 엘보는, 예를 들면 하기 특허문헌 2 등에 언급되어 있다. 또 하기 특허문헌 1에 굽힘 가공 엘보나 용접 엘보에 대한 기재가 있다.

특허문헌 1: 일본특허공보 평7-41315호 공보 특허문헌 2：일본공개특허 2000-343136호(특허 제3352052호) 공보

종래의 절삭 엘보는, 소재에 대해 2방향으로부터 구멍을 뚫고 그 2개의 구멍을 내부에서 교차시켜 내부 유로를 형성하였다. 따라서 예를 들면, 90°엘보에 대해서는 내부 유로가 직각에 가까워져 배관의 일부로서 사용할 때 유로 저항이 커진다는 결점이 있다. 이것은, 특허문헌 2의 0009단락에서 지적되어 있다.

이 유로 저항의 문제는, 구멍을 완만하게 굴곡시킴으로써 해소할 수 있지만, 그러한 형상의 구멍을 가진 절삭 엘보, 그 중에서도 굽힘각이 90°혹은 그 이상이고 소재에 SUS(스텐레스강), 티타늄계 재료, 니켈기 내열 합금{니켈 베이스에 철, 크롬, 니오븀, 몰리브덴 등의 합금 원소를 첨가한 합금, 예를 들면 스페셜 메탈사(Special Metals Corporation) 상품명：인코넬} 등의 난삭재(難削材)를 채용한 엘보는, 최첨단 기술을 구사한 5축 가공기나 다축 복합 가공기를 이용해도 만들 수 없다고 생각되고 있었다.

최첨단 기능을 가진 가공기를 사용하면, 굴곡된 구멍을 어느 정도까지는 가공할 수 있다. 그러나 통상의 가공방법으로는 굽힘부의 안쪽이 되는 부분의 구멍면에, 가공 불가능한 언더컷부(깎고 남은 부분)가 생겨 그것이 유체의 흐름을 악화시키기 때문에 실용적인 제품을 만들 수 없다. 따라서 이런 종류의 엘보에 대해서는 주조, 굽힘 가공, 용접 중 어느 한가지로 제조된 것이 채용되고 있었다.

그러나 주조 엘보는 블로홀(blow hole) 등의 결함이 쉽게 발생하여 품질면에서 신뢰성을 확보하기 어렵다. 또한 다른 엘보에 비해 강성이 낮다.

또 굽힘 가공 엘보는 각 부의 두께와 강도가 균일하지 않다. 굽힘부의 안쪽보다 오히려 두께와 강도가 필요한 굽힘부의 바깥쪽에서 관의 두께와 강도가 작아지는 경향이 있어 파이프의 단면 형상도 고정밀도로 할 수 없다.

또한 용접 엘보는 용접 접합부의 재료 조직이 변화되어 응력 부식 균열이 쉽게 발생하게 되고 용접에 의한 큰 왜곡도 피할 수 없다.

예를 들면 비행기의 엔진 배관, 원자력 관련 시설의 배관 등에 대해서는 매우 엄격한 조건을 충족시킬 것이 요구되며, 이러한 용도로는 고품질, 고정밀도, 저유로 저항의 엘보가 기대된다.

절삭 엘보는, 용제 금속의 일체 가공품으로서, 블로홀이나 용접 결함이나 왜곡이 발생하지 않아 품질면에서 신뢰성이 우수하다. 고정밀도 가공기를 사용함으로써 치수 정밀도나 형상 정밀도를 높일 수도 있다. 이 절삭 엘보 구멍을 양호하게 가공할 수 있으면, 절삭 엘보의 약점인 유로 저항의 문제가 해소되어 고품질, 고정밀도, 저유로 저항의 요구에 대응한 금속제 엘보를 실현할 수 있다.

그래서 본 발명은, 내부에 불필요한 부분이 없어 축직각 단면(斷面) 형상이 축방향의 각 부에서 원을 이루고, 또한 구멍면이 축심을 따라 완만하게 굴곡된 구멍을 가진 엘보를 절삭에 의해 제조 가능하게 함과 동시에, 그와 같이 하여 얻어지는 엘보를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는, 절삭 엘보에 마련하는 구멍을, 소재를 회전 절삭 공구로 2방향으로부터 초벌 가공하여 그 소재에 적어도 완성품 엘보의 굽힘부의 안쪽이 되는 쪽의 구멍면에 언더컷부가 남겨진 초벌 구멍을 뚫는 공정, 원호형의 절단날을 외주에 구비한 완성 구멍 직경보다 외경이 작은 사이드 커터를, 잘라낼 엘보의 굽힘부의 안쪽에서 상기 커터의 단면(端面)이 상기 초벌 구멍의 개구로부터 이반되는 방향으로 소재에 대해 상대적으로 기울인 자세로 자전(自轉)시키면서 공전(公轉)시켜 상기 초벌 구멍의 구멍면에 깎아들어가게 하고, 이 때의 공전을, 엘보 구멍(11)의 축직각 단면이 사이드 커터(Ⅱ)의 축심에 대해 직교하는 면과 평행이 되는 부분에서는 커터의 궤도가 진원(眞圓)이 되고 나머지 부분에서는 커터의 궤도가 타원이 되어 커터가 완성 목표의 구멍면을 따라 커터가 이동하도록 행하여 상기 초벌 구멍의 일단측 내경경을 마무리하는 공정, 상기 사이드 커터를 상기 초벌 구멍에 그 초벌 구멍의 타단측으로부터 깎아들어가게 하고 자전시키면서 완성 목표의 구멍면을 따라 공전시켜 상기 초벌 구멍의 타단측 내경을 마무리하는 공정을 거쳐 형성하도록 하였다. 상기 사이드 커터는 아버(arbor)로 지지하여 초벌 구멍에 넣는다.

초벌 구멍을 마무리 가공할 때의 사이드 커터의 공전은, 완성 목표의 구멍을 사이드 커터의 축심과 직각으로 절단했을 때 축방향의 각 부에 있어서의 구멍의 절단면 형상(이것은, 엘보 구멍의 축직각 단면이 커터의 축심에 대해 직교하는 면과 평행이 되는 부분에서는 진원이 되고 나머지 부분에서는 타원이 된다)과 상사형(相似形)의 궤도를 따라 이루어지도록 한다. 가공기의 주축을 미리 설정한 제어 프로그램에 따라 움직임으로써 그 공전을 행할 수 있다.

그 사이드 커터에 의한 절삭 부분이 많으면 가공을 몇차례로 나누어 행한다.

초벌 구멍의 완성 가공에서의 소재와 사이드 커터의 상대적인 기울기 각도는, 예를 들면 25°확보하면 초벌 구멍에 남겨진 언더컷부를 완전히 제거할 수 있다.

또, 이 방법에서의 상기 초벌 구멍의 가공은, 선단 외주에 원호형의 절단날을 구비한 외경이 초벌 구멍의 내경보다 작은 밀링 커터를 사용하여, 상기 소재의 서로 인접한 2면에 상기 밀링 커터를 각각 깎아들어가는 위치와 깎아들어가는 깊이를 바꾸면서 깎아들어가게 하여 엘보의 굽힘부의 안쪽에 엘보의 굽힘각과 동일 또는 그에 근사한 각도로 교차된 언더컷부가 존재하고, 엘보의 굽힘부의 바깥쪽은 엘보 구멍의 구멍면을 대략 따르는 형상의 관통 구멍을 뚫는 공정, 상기 밀링 커터를, 그 커터의 선단이 엘보의 굽힘부의 안쪽으로 치우치는 방향으로 경사시켜 상기 언더컷부를 깎고, 이 동작을 상기 밀링 커터의 경사각을 바꾸면서 몇차례 반복하여 상기 언더컷부의 잔존량을 감소시키는 공정을 거쳐 행하면 바람직하다.

이 방법에서의 엘보의 외경 가공은, 정면 밀링 커터 등에 의한 초벌 가공과 볼 엔드 밀 등에 의한 완성 가공을 차례로 행하는 방법으로 행할 수 있다. 그 외경 가공은 구멍을 뚫은 후에 행하는 것이 바람직하지만, 구멍을 뚫기 전에 행하는 것도 가능하다.

본 발명은, 가공이 특히 어려워지는 90°혹은 그 이상의 굽힘각을 가진 특수 엘보의 제조에 적용하면 특히 효과적인데, 90°이하의 굽힘각을 가진 엘보의 제조에도 이용할 수 있다.

또 본 발명은, 절삭 엘보의 소재가 금속, 그 중에서도 앞서 설명한 SUS 등의 난삭재인 경우에 특히 큰 효과를 기대할 수 있는데, 소재로서 철 등의 일반적인 금속이나 수지가 이용되는 경우에도 그 유효성이 발휘된다. 예를 들면, 수지제의 대직경 특수 엘보를 소량 생산할 필요가 있을 때 금형 성형을 행하면 금형 비용이 많이 든다. 이럴 때에는 요구되는 형상, 사이즈의 엘보를 수지 소재 블록으로부터 절삭하는 것이 경제적으로 유리하다.

그 밖에 본 발명에서는, 소재로부터 일체의 엘보를 절삭하므로 엘보 구멍을 엘보의 외경에 대해 임의의 방향으로 의도적으로 편심시키거나 관의 단부에 일체의 접속용 플랜지를 형성하거나 할 수도 있다.

본 발명의 제조방법은, 사이드 커터와 소재의 상대적인 경사각이 허용 상한에 도달할 때까지는, 사이드 커터와 소재를 엘보 구멍이 굴곡된 위치에서 구멍의 굽힘 상태에 따라 상대적으로 기울이면서 가공하고, 사이드 커터와 소재의 상대적인 경사각이 허용 상한에 도달한 위치로부터 상대적인 기울기 각도를 고정시켜 상기 방법으로 일단측의 내경을 마무리하는 것도 가능하다.

또 상기 사이드 커터와 밀링 커터의 상기 소재의 상대적인 기울기는, 커터를 고정시키고 소재를 움직이는 방법, 소재에 대해 커터를 움직이는 방법 중 어느 하나로 행해도 좋다.

예를 들면 소재를 회전 인덱싱 기능을 가진 회전 테이블에, 절삭되는 엘보 구멍의 중심이 상기 회전 테이블의 테이블면과 평행한 면상에 놓여지는 상태로 세팅하여 회전 테이블을 회전시키는 방법을 채용하면, 소재를 밀링 커터나 사이드 커터에 대해 필요한 방향으로 기울일 수 있다.

본 발명의 다른 국면에서는, 엘보는 축심이 소정의 곡률로 매끄럽게 굴곡된 구멍을 가진다. 엘보는, 구멍의 내부에 깎고 남은 부분(덜 깎인 부분)이 없고, 구멍은 진원이고 구멍면이 엘보의 축심과 평행하게 되어 있다. 여기에서, 관의 주위의 두께가 균일해도 좋고, 엘보 구멍의 중심을 엘보의 외경 중심에 대해 편심시켜 굽힘부의 바깥쪽의 관 두께가 굽힘부의 안쪽의 관 두께보다 커져도 좋다.

바람직하게는, 굽힘부의 바깥쪽의 위치는 굽힘부의 안쪽의 위치와 180°떨어진 위치이다.

또 관의 두께는, 굽힘부의 안쪽에서부터 바깥쪽으로 순차로 크게 되어 있는 것이 바람직하다.

굽힘부의 바깥쪽 두께는 굽힘부의 안쪽 두께보다 두껍고, 2배 이상의 두께여도 좋다.

또 엘보의 적어도 일단측에 직선부가 있어도 좋고, 양단부에 플랜지를 일체로 성형해도 좋다.

본 발명의 방법의 특징은, 소재에 초벌 가공하여 마련한 초벌 구멍을, 원호형의 절단날을 구비한 완성 구멍 직경보다 외경이 작은 사이드 커터를 이용하여 완성 가공하는 것과, 이 때에 사이드 커터를 엘보의 굽힘부의 안쪽에서 상기 커터의 단면이 상기 초벌 구멍의 개구로부터 이반되는 방향으로 소재에 대해 상대적으로 기울인 자세로 하여 자전시키면서 나선의 궤도상을 공전 이동시키는 데 있다.

소재에 대한 초벌 구멍의 가공은, 기존의 방법으로 행할 수 있는데, 종래의 가공방법에서는, 엘보의 굽힘부의 안쪽의 구멍면에 가공 불가능한 언더컷부가 생긴다. 그 언더컷부를, 원호형의 절단날을 가진 사이드 커터를 사용하여 잘라낸다.

사이드 커터의 공전이 엘보 구멍의 축심과 대략 직각인 면내에서 일어나도록, 상기 사이드 커터와 상기 소재를 엘보 구멍이 굴곡된 위치에서 구멍의 굽힘 상태에 따라 상대적으로 기울이면서 사이드 커터를 피딩하여 엘보 구멍의 내경을 마무리할 수 있다면 비교적 쉽게 진원형의 구멍을 뚫을 수 있는데, 이 방법에서는, 예를 들면 90°엘보를 제조하려면 사이드 커터와 소재를 최대한 상대적으로 45°기울일 필요가 있어 양자의 간섭을 피할 수 없다.

본 발명에서는 그 문제를 회피하기 위해 사이드 커터와 소재의 상대적인 경사각을 작게(초벌 구멍을 축방향으로 절반만큼 가공해도 양자의 간섭이 일어나지 않는 각도) 설정한다. 그 각도는, 엘보 구멍의 내경과 사이드 커터를 보유지지한 아버 외경의 직경 차이에 따라 바뀌는데, 90°엘보의 제조로 45°의 경사각을 확보하기는 불가능하므로, 예를 들면 25°정도로 설정한다.

이제, 소재에 대해 사이드 커터를 상대적으로 25°기울였다고 가정하고 엘보의 완성 목표의 구멍을 그 기울어진 사이드 커터의 축직각 단면과 평행한 면을 따라 축방향의 각 부에서 절단하면, 구멍의 절단면은 거의 모든 부분에서 타원이 된다. 그 타원의 형상이나 크기는 절단점의 각 부마다 다르지만, 절단점의 각 부에서의 절단면 형상에 따라 커터를 이동시키면, 초벌 구멍에 남겨진 언더컷부가 깔끔하게 제거되어, 엘보 구멍이, 축직각 단면에 있어서 축방향의 각 부에서 진원을 이루고, 또한 구멍면이 축심과 평행하게 완만하게 굴곡된 형상으로 완성된다.

사이드 커터는, 본 발명의 방법으로 구멍을 마무리할 수 있도록 하기 위해 엘보 구멍의 직경보다 외경이 작은 것을 사용한다. 또 엘보 구멍의 완성 직경과 사이드 커터를 지지한 아버(이것은 당연히 사이드 커터보다 작은 직경)의 외경과의 직경 차이가 커질수록 사이드 커터와 소재의 상대적인 기울기의 허용 각도가 커져 구멍의 일단측으로부터의 가공 가능 범위가 넓어지는데, 아버의 외경이 지나치게 가늘어지면 공구 강성이 저하되어 가공중에 커터의 날이 쉽게 무뎌져 가공의 안정성이나 가공 정밀도에 악영향이 생기므로 아버의 외경은 이 점을 고려하여 설정한다.

또한 초벌 구멍의 일단측에서부터의 가공으로는 엘보 구멍의 전체 영역을 마무리할 수 없기 때문에 초벌 구멍의 타단측에서부터도 가공을 행하여 초벌 구멍을 마무리한다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 원호형 날을 가진 사이드 커터를 사용하여 타원 궤도를 공전시키면서 초벌 구멍의 완성 가공을 행하므로 종래에는 불가능하다고 생각되었던 단면 원형이며, 또한 완만하게 굴곡된 구멍을 가진 절삭 엘보를 제조할 수 있다.

발명자는 이 점을, 90°엘보의 내부에 직경보다 0.2% 작은 공이 막히지 않고 통과하는 것에 의해 실증하였다. 실제 내경 치수는 50.9㎜이며, 공의 직경은 50.8㎜이고, 공의 재질은 지르코늄이다.

또 절삭 가공이므로 엘보 구멍을 엘보의 외경에 대해 편심시켜 굽힘부의 바깥쪽에서 관의 두께와 강도를 크게 한 엘보나, 적어도 일단에 직선부가 존재하는 엘보, 나아가 양단에 접속용 플랜지를 일체로 형성한 엘보를 제조하는 것도 가능해진다.

도 1a는, 본 발명의 방법으로 제조하는 절삭 엘보의 일례를 도시한 사시도이다.
도 1b는, 도 1a의 엘보의 축직각 단면도이다.
도 2a는, 소재의 엘보 절삭 영역의 반을 도시한 사시도이다.
도 2b는, 도 2a의 반의 절삭 영역의 평면도이다.
도 3a는, 초벌 구멍 가공의 전단의 공정을 도시한 도면이다.
도 3b는, 초벌 구멍 가공의 전단의 공정을 도시한 도면이다.
도 3c는, 초벌 구멍 가공의 전단의 공정을 도시한 도면이다.
도 3d는, 초벌 구멍 가공의 전단의 공정을 도시한 도면이다.
도 4a는, 초벌 구멍 가공의 후단의 공정을 도시한 도면이다.
도 4b는, 초벌 구멍 가공의 후단의 공정을 도시한 도면이다.
도 4c는, 초벌 구멍 가공의 후단의 공정을 도시한 도면이다.
도 4d는, 초벌 구멍 가공의 후단의 공정을 도시한 도면이다.
도 4e는, 초벌 구멍 가공의 후단의 공정을 도시한 도면이다.
도 5a는, 초벌 구멍의 일단측을 마무리할 때의 소재와 사이드 커터의 자세를 도시한 도면이다.
도 5b는, 초벌 구멍의 일단측을 마무리한 초벌 구멍의 반을 도시한 사시도이다.
도 6a는, 초벌 구멍의 일단측 완성 가공에서의 사이드 커터의 공전 이동을 도시한 도면이다.
도 6b는, 초벌 구멍의 일단측 완성 가공에서의 사이드 커터의 공전 이동을 도시한 도면이다.
도 6c는, 초벌 구멍의 일단측 완성 가공에서의 사이드 커터의 공전 이동을 도시한 도면이다.
도 6d는, 사이드 커터의 공전 이동을 도 6a∼도 6c에 대응시켜 위에서 본 도면이다.
도 6e는, 사이드 커터의 공전 이동을 도 6a∼도 6c에 대응시켜 위에서 본 도면이다.
도 6f는, 사이드 커터의 공전 이동을 도 6a∼도 6c에 대응시켜 위에서 본 도면이다.
도 7a는, 초벌 구멍의 타단측이 완성되지 않은 상태를 도시한 사시도이다.
도 7b는, 초벌 구멍의 타단측이 완성된 상태를 도시한 사시도이다.
도 8a는, 본 발명의 방법으로 제조하는 절삭 엘보의 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 8b는, 도 8a의 엘보의 축직각 단면도이다.
도 8c는, 도 8a의 엘보의 축수평 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 방법으로 제조하는 절삭 엘보의 또 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 10은, 본 발명의 방법으로 제조하는 절삭 엘보의 또 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 11a는, 본 발명의 방법으로 구멍과 외경의 초벌 가공에 이용하는 회전 절삭 공구의 일례를 아버에 장착한 상태로 하여 도시한 사시도이다.
도 11b는, 도 11a의 절삭 공구의 측면도이다.
도 12a는, 본 발명의 방법으로 구멍의 완성 가공에 사용하는 사이드 커터의 일례를 도시한 사시도이다.
도 12b는, 상기 커터를 아버에 장착한 상태의 측면도이다.
도 13은, 본 발명의 방법으로 외경의 완성 가공에 사용하는 볼 엔드 밀의 일례를 도시한 측면도이다.

이하, 첨부 도면에 기초하여 본 발명의 절삭 엘보의 제조방법 및 그에 의해 제조되는 엘보의 실시형태를 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 방법에서 사용하는 회전 절삭 공구의 일례를 도 11a∼도 13에 도시한다. 도 11a, 도 11b에 도시한 절삭 공구는, 커터 본체(1)의 선단 외주에 원호형의 절단날(2)을 둘레 방향으로 간격을 두고 복수개 마련한 시판되는 날끝 교환식 밀링 커터(정면 밀링 커터)(Ⅰ)로서, 이것에 의해, 엘보의 소재에 마련하는 초벌 구멍과 엘보 외경의 초벌 가공을 행한다. 이 초벌 가공은, 절단날(2)을 탈부착 가능한 원형 팁으로 구성한 도시된 밀링 커터(Ⅰ)를 아버(3)에 장착하여 행하면 고능률 가공을 할 수 있어 바람직한데, 정면 밀링 커터 이외의 밀링 커터, 예를 들면 반경 엔드 밀이나 볼 엔드 밀 등에 의해 행하는 것도 가능하다.

도 12a, 도 12b는, 커터 본체(4)의 외주에 원호형의 절단날(5)을 둘레 방향으로 간격을 두고 복수개 마련한 사이드 커터(Ⅱ)이며, 이것에 의해, 엘보의 소재에 마련한 초벌 구멍의 완성 가공을 행한다. 도시된 사이드 커터(Ⅱ)는, 탈부착 가능한 원형 팁으로 절단날(5)을 구성한 시판품의 커터를 아버에 단단히 고정시킬 수 있도록 개량한 것으로서, 특주품 아버(6)의 선단에 장착하여 사용한다. 이 사이드 커터(Ⅱ)는, 그 외경이 완성 가공되는 초벌 구멍의 구멍 직경보다 작다. 또 아버(6)의 외경은 그 사이드 커터(Ⅱ)의 외경보다 더욱 작다.

도 13은, 시판품인 날끝 교환식 볼 엔드 밀(Ⅲ)로서, 예시의 방법은, 이 날끝 교환식 볼 엔드 밀(Ⅲ)이나 그를 대신하는 솔리드 볼 엔드 밀로 엘보의 외경을 마무리한다.

본 발명의 방법으로 제조하는 절삭 엘보의 일례를 도 1a, 도 1b에 도시한다. 도시된 엘보(10)는 플랜지가 없는 90°엘보로서, 축심이 소정의 곡률로 매끄럽게 굴곡된 구멍(11)을 가지고 있다.

상기 절삭 공구를 사용한 도 1a, 도 1b의 90°엘보(10)의 제조를 예로 들어 이하의 설명을 한다. 도 2a, 도 2b의 12는, 각진 블록 형태로 가공된 엘보의 소재이다. 가공 상황을 이해하기 쉽게 하기 위해 그 소재(12)를 반으로 절단한 단면의 도면으로 하고, 커터도 간략화한 도면으로 하였다.

여기에서는, 소재(12)를 가공기의 회전 테이블(미도시)에 대해 절삭되는 엘보(10)의 구멍 중심(O)이 그 회전 테이블의 테이블면(이것은 회전 중심의 축에 대해 직각)과 평행한 면상에 놓여지는 상태로 세팅하고, 후술하는 커터와 소재(12)의 상대 경사를 회전 테이블의 회전에 의해 행한다.

가공기의 주축(미도시)에 밀링 커터(Ⅰ)를 세팅하고, 도 3a에 도시한 바와 같이 이 밀링 커터(Ⅰ)를 소재(12)의 A면에 대해 깎아들어가는 위치와 깎아들어가는 깊이를 바꾸면서 축방향으로 피딩하여 삽입하고, 굽힘부의 바깥쪽에서는 구멍면의 언더컷부가 적은 도 3b와 같은 끝이 막힌 구멍(blind hole; 11_-1)을 형성한다.

다음으로, 도 3c, 도 3d에 도시한 바와 같이, 소재(12)의 A면에 대해 직교된 B면을 밀링 커터(Ⅰ)의 선단에 대면시키고, 이 상태에서 밀링 커터(Ⅰ)를 A면에 구멍을 뚫었을 때와 마찬가지로 깎아들어가는 위치와 깎아들어가는 깊이를 바꾸면서 B면에 축방향으로 피딩하여 삽입하고, 이 가공으로 생기는 구멍을 선행 가공한 끝이 막힌 구멍에 연통시켜 굽힘부의 안쪽에 구멍 지름 방향으로 튀어나온 언더컷부(13)가 존재하는 관통 구멍(11_-2)을 얻는다.

이 상황에서는, 언더컷부(13)의 잔존량이 너무 많아 도 12a, 도 12b의 사이드 커터(Ⅱ)에서는 완성 가공시에 언더컷부를 완전히 제거할 수 없다. 그래서 도 4a에 도시한 바와 같이, 소재(12)를 밀링 커터(Ⅰ)에 대해 그 커터(Ⅰ)의 선단이 엘보의 굽힘부의 안쪽으로 치우치는 방향으로 θ°경사시키고, 그 상태에서 밀링 커터(Ⅰ)를 깎아들어가는 위치를 바꾸면서 축방향으로 피딩하여 언더컷부(13)의 일부를 잘라낸다.

이 동작을, 밀링 커터(Ⅰ)와 소재(12)의 상대적인 기울기 각도를 조금씩 증가시키면서 몇차례 반복하여 언더컷부(13)의 잔존량을 충분히 감소시킨다. 이 가공시의 소재(12)와 밀링 커터(Ⅰ)의 상대적인 기울기 각도는, 소재의 재질에 따라 커터의 절삭 부담이 과잉이 되지 않도록 설정한다. 평가 시험에서는, 도 4a의 θ를 15°,도 4b의 θ1을 25°, 도 4c의 θ2를 35°, 도 4d의 θ3를 45°로 설정하였으나, 이에 한정되지는 않는다.

이 언더컷부(13)의 제거는, 관통 구멍(11_-2)의 양단에서부터 가공해도 상관없지만, 대부분의 경우에는 관통 구멍(11_-2)의 일단측에서부터의 가공만으로도 충분하고, 이 경우 작업 공정수가 적어도 좋다.

이상의 공정을 거치면, 소재(12)에 대해 도 4e에 도시한 초벌 구멍(11_-3)이 형성된다. 그래서 가공기의 주축에 장착한 공구를 도 12a, 도 12b의 사이드 커터(Ⅱ)로 바꾸고 이 사이드 커터(Ⅱ)를 사용하여 초벌 구멍(11_-3)의 완성 가공을 행한다.

그 완성 가공은, 사이드 커터(Ⅱ)를, 도 5a에 도시한 바와 같이 잘라낼 엘보(10)의 굽힘부의 안쪽에서 사이드 커터(Ⅱ)의 단면이 초벌 구멍(11_-3)의 개구로부터 이반되는 방향으로 소재(12)에 대해 상대적으로 각도 θ4 기울이고, 그 자세로 사이드 커터(Ⅱ)를 자전시키면서 공전시켜 초벌 구멍(11_-3)의 구멍면에 깎아들어가게 한다. 그리고 이 때의 사이드 커터(Ⅱ)의 공전을, 완성 목표의 구멍면을 따라 커터가 나선 궤도를 이동하도록 실시한다. 여기에서는 사이드 커터(Ⅱ)와 소재의 상대 경사의 각도 θ4를 항상 일정하게 유지한다고 생각할 수 있지만, 이것은 필수 요건은 아니다.

도 6a∼도 6f는, 사이드 커터(Ⅱ)를 자전시키면서 축방향으로 피딩하면서 반시계 방향으로 공전시키는 상태를 도시한 도면이다. 그 공전은 피딩중의 공전이므로, 사이드 커터(Ⅱ)가 나선의 궤도를 이동하게 된다.

또 깎이기 전의 엘보(10)의 축직각 단면이 소재(12)에 대해 사이드 커터(Ⅱ)의 축심과 직각인 단면(각도 θ4 경사진 사이드 커터의 단면)과 평행해지는 위치{도 5a의 Y-Y선을 따르는 위치}에서는, 엘보 구멍(11)의 절단면이 진원이 되고, 도 5a의 X-X선이나 Z-Z선 등을 따르는 다른 위치에서는, 엘보 구멍(11)의 축직각 단면에서의 절단면이 타원이 된다. 또한 그 타원의 절단면은, 구멍(11)의 축직각 절단점의 각 부에서 크기나 형상이 다른 것이 된다. 사이드 커터(Ⅱ)는, 완성 목표의 구멍면, 즉, 축방향 각 부의 절단면의 구멍 단면을 따라 공전에의한 이동을 하도록 한다.

예시된 가공방법의 경우, Z-Z선을 초과한 위치(구멍의 타단측)에서의 완성은, 구멍의 굽힘부의 바깥쪽에서만 커터를 축방향 각 부의 절단면의 구멍 단면을 따라 움직여 아버(6)가 소재와 간섭하지 않도록 한다. 초벌 구멍의 일단측에서부터의 완성 가공은 구멍의 반을 가공할 수 있으면 되기 때문에 굽힘부의 안쪽에서는 커터를 무리하게 절단면의 구멍 단면을 따르게 할 필요는 없다.

이 때의 절삭 부분이 크면, 가공을 몇차례로 나누어 행하여 1회당 가공 부담을 줄인다. 깎고 남은 부분을 몇차례로 나누어 조금씩 깍아내어 최종 가공으로 목표 내경으로 마무리하는 방법을 채용하면, 절삭 부하가 과대해지지 않아 가공의 안정성과 가공 정밀도가 높아진다.

이 이동 제어를 수반한 사이드 커터에서의 가공에 의해 초벌 구멍(11_-3)에 남겨진 언더컷부의 대부분이 제거되어 초벌 구멍의 일단측 내경이 완성된다.

초벌 구멍의 일단측에서부터의 가공으로는, 구멍 형상에 의한 가공 규제가 생겨 도 5b와 같이 초벌 구멍의 전체 영역을 마무리할 수 없기 때문에, 이 후에 초벌 구멍(11_-3)의 타단측에서부터도 가공을 행하여 구멍을 마무리한다. 사이드 커터(Ⅱ)를 도 7a에 도시한 바와 같이 초벌 구멍(11_-3)의 타단 측에 배치하고, 상기와 마찬가지의 작업을 하여(상기 동일 조건의 이동 제어를 반드시 행할 필요는 없다) 언더컷부(13)의 잔존부를 깎아낸다.

이상에 의해, 엘보 구멍(11)이 축직각 단면에 있어서 축방향의 각 부에서 진원을 이루고, 또한 구멍면이 축심과 평행하게 완만하게 굴곡된 형상으로 완성된다.

예시된 제조방법에서는, 이 후에 엘보의 외경을 도 11a, 도 11b의 밀링 커터(Ⅰ)를 사용하여 초벌 가공하고, 그 후 또한 도 13의 볼 엔드 밀(Ⅲ)을 사용하여 외경을 마무리 가공한다. 이상에 의해, 원하는 절삭 엘보가 완성된다.

엘보의 외경 가공은, 구멍을 뚫은 후에 행하면 구멍 가공시 소재의 유지 안정성을 쉽게 높일 수 있고 외경면에 흠이 생기는 것도 방지할 수 있어 바람직하지만, 구멍을 뚫기 전에 행할 수도 있다.

또한 밀링 커터(Ⅰ)나 사이드 커터(Ⅱ)의 소재(12)에 대한 상대적인 기울기는, 커터를 장착한 가공기의 주축을 기울이는 방법으로 행할 수도 있다.

또한 가공기의 제어가 조금 복잡해지는데, 사이드 커터(Ⅱ)를 초벌 구멍(11_-3)에 깎아들어가게 하여 자전시키면서 공전시키고, 그 이동이 완성품의 엘보에 마련하는 구멍의 축심과 대략 직각인 면내에서 일어나도록 사이드 커터(Ⅱ)와 소재(12)를 엘보 구멍(11)이 굴곡된 위치에서 구멍의 굽힘 상태에 따라 상대적으로 기울이면서 초벌 구멍(11_-3)의 일단측 내경을 구멍의 일단측에서부터 타단측을 향해 도중까지 가공하고, 사이드 커터(Ⅱ)와 소재(12)의 상대적인 경사각이 허용 상한에 도달한 위치부터 상대적인 기울기 각도를 고정시켜 초벌 구멍(11_-3)의 일단측 내경의 완성 공정을 행해도 발명의 목적을 달성된다.

그 밖에 본 발명의 방법은, 절삭 가공이므로 엘보 구멍(11)의 중심(O₁)을 엘보의 외경 중심(O₂)에 대해 편심시켜 굽힘부의 바깥쪽에서 관의 두께와 강도를 크게 한 도 8a∼도 8c에 도시한 엘보(10)를 제조할 수도 있다.

여기에서, 도 8a는 엘보(10)의 사시도이며, 도 8b는 도 8a에 대해 화살표 B-B로 도시한 방향에서 본 엘보(10)의 단면도이며, 도 8c는 도 8a에 대해 화살표 C-C로 도시한 부분의 단면도이다.

이러한 엘보(10)라면, 도 8b에 도시한 바와 같이 엘보 구멍(11)의 중심(O₁)과 엘보의 외경 중심(O₂)의 편심량을 조정함으로써, 엘보의 바깥쪽 두께를, 필요한 강도에 따른 치수로 할 수 있다.

또 엘보에는 진동 하중에 의해 옆구리부에 균열이 생기는 경우가 있다. 이 균열은, 도 8a에서 일점쇄선으로 도시한 부분에 발생한다. 이 실시형태에서의 엘보는, 이 옆구리부의 두께를 원하는 두께로 할 수 있기 때문에 이러한 진동 균열 대책에 대해서도 큰 위력을 발휘한다.

도 8b에서는, 엘보 구멍(11)의 중심(O₁)을 엘보(10)의 직경상에서 편심시켰으나, 이에 한정되지 않으며 엘보(10)의 직경상 이외의 임의의 방향에서 편심시켜도 좋다.

또 이 실시형태에 의하면, 적어도 일단측에 직선부(14)를 가진 도 9에 도시한 엘보, 혹은 양단에 접속용 플랜지(15)를 일체로 가공한 도 10에 도시한 엘보를 제조하는 것도 가능하다.

이 경우, 굽힘부의 바깥쪽의 위치는 굽힘부의 안쪽의 위치와 180° 떨어진 위치이며, 관의 두께는, 굽힘부의 안쪽에서부터 바깥쪽으로 순차로 크게 되어 있는 것이 바람직하다.

한편, 필요에 따라 원하는 부분의 두께를 두껍게 하거나 얇게 하는 것도 가능하다. 또 두께로서는 임의의 두께를 가진 것을 얻을 수 있다.

또, 항공 산업 등에서는 「덕트」라고 불리는 「매우 얇은 엘보」의 출현이 기다려지고 있었다. 종래에는 철판 등을 굽혀 용접 등에 의해 제품을 만들었으나, 두께가 1.0㎜이하로 극히 얇기 때문에 프레스할 때 두께가 불균등하여 균일하게 할 수 없고 또한 재질이 티타늄, 인코넬 등의 초난삭재이므로 연구조차 되고 있지 않았다.

이에 반해 본원발명에 의하면, 이러한 재질로 내경 2인치∼5인치의 엘보로서, 두께0.8㎜∼1.5㎜의 얇은 엘보의 가공도 가능하다.

이 경우에도 두께는 바깥쪽과 안쪽에서 상기와 같이 임의의 두께로 할 수 있다.

<실시예>

내경φ190㎜, 중심의 굽힘 반경 φ200㎜, 두께 10㎜의 90°엘보를 본 발명의 방법으로 시작(試作)하였다. 엘보의 소재는, 가공방법을 실증하는 시험이므로 목재를 사용하였다.

또 회전 절삭 공구는, 도 11a, 도 11b의 밀링 커터(Ⅰ)로서 외경φ50㎜, 원호 절단날의 R반경 8㎜, 날 갯수 4의 원형 팁이 장착된 날끝 교환식 정면 밀링 커터를, 도 12a, 도 12b의 사이드 커터(Ⅱ)로서 외경 φ127㎜, 원호 절단날의 R반경 6㎜, 날 갯수 5의 원형 팁이 장착된 날끝 교환식 사이드 밀링 커터를, 도 13의 볼 엔드 밀(Ⅲ)로서, 외경 φ30㎜의 볼 엔드 밀을 각각 사용하였다.

가공기는, 출원인이 보유하고 있는 CNC수평 보링 머신을 사용하였다. 그 CNC수평 보링 머신은, 분할 인덱싱 정밀도가 1/10000도인 세계 최고 수준의 회전 테이블을 구비하고 있고, 그 회전 테이블에 소재를 세팅하여 소재와 커터의 상대적인 기울기를 그 회전 테이블에 의해 제어하는 방법으로 행하였다.

가공은, 도 3a∼도 7b에서 설명한 순서에 따라 행하였다. 사이드 커터에 의한 초벌 구멍의 완성 가공은, 깎고 남은 절삭 영역을 2㎜ 피치로 가공하면서 최종적으로 깎고 남은 부분을 0으로 하여 마무리하는 방법을 채용하였다. 그 결과, 구멍의 내부에 깎고 남은 부분이 없고, 구멍은 진원이며 구멍면이 엘보의 축심과 평행하고, 또한 관의 주위의 두께{도 1b에 도시한 원주 단면의 각 부 두께(t)}가 균일한 절삭 엘보를 얻을 수 있었다.

상술한 바와 같은 고정밀도의 인덱싱 정밀도를 가진 회전 테이블을 구비한 가공기를 사용함으로써 사이드 커터의 공전이 도중까지는 완성품 엘보에 마련하는 구멍의 축심과 대략 직각인 면내에서 일어나도록 사이드 커터와 소재를 엘보 구멍의 굽힘 상태에 따라 상대적으로 기울이면서 초벌 구멍의 내경을 마무리 가공하고, 사이드 커터와 소재의 상대적인 경사각이 허용 상한에 도달한 위치로부터 상대적인 기울기 각도를 고정시켜 타원의 궤도상을 공전시키는 방법에서의 고정밀도 가공도 문제 없이 행할 수 있다.

<산업상 이용 가능성>

본 발명에 의하면, 내부에 불필요한 부분이 없어 축직각 단면 형상이 축방향의 각 부에서 원을 이루고, 또한 구멍면이 축심을 따라 완만하게 굴곡된 구멍을 가진 엘보를 절삭에 의해 제조할 수 있기 때문에 엘보의 제조방법으로서 유리하게 사용된다.

Ⅰ 밀링 커터, Ⅱ 사이드 커터, Ⅲ 볼 엔드 밀, 1, 4 커터 본체, 2,5 절단날, 3,6 아버, 10 엘보, 11 구멍, 11_{- 1} 막인 구멍, 11_{- 2} 관통 구멍, 11_-3 초벌 구멍, 12 소재, 13 언더컷부, 14 직선부, 15 플랜지, A,B 소재의 직교면, t 관두께.

Claims (13)

1. 소재(12)를 제1 절삭 공구로 초벌 가공하여 그 소재(12)에 적어도 완성품의 굴곡된 구멍(11)의 굽힘부의 안쪽이 되는 측의 구멍면에 언더컷부(13)가 남겨진 초벌 구멍(11_-3)을 뚫는 공정,
   회전축의 바깥쪽을 절삭하는 원호형의 절단날(5)을 가지는 제2 절삭 공구를, 상기 구멍(11)의 굽힘부의 안쪽에서 상기 제2 절삭 공구의 단면(端面)이 상기 초벌 구멍(11_-3)의 개구로부터 이반되는 방향으로 소재(12)에 대해 상대적으로 일정 각도(θ4) 기울인 자세로 자전(自轉)시키면서 공전(公轉)시켜 상기 초벌 구멍(11_-3)의 구멍면에 깎아들어가게 하고, 이 때의 공전을, 상기 구멍(11)의 축직각 단면(斷面)이 상기 제2 절삭 공구의 축심에 대해 직교되는 면과 평행이 되는 부분에서는 상기 제2 절삭 공구의 궤도가 진원(眞圓)이 되고, 나머지 부분에서는 상기 제2 절삭 공구의 궤도가 타원이 되어 상기 제2 절삭 공구가 목표의 구멍면을 따라 이동하도록 행하여 상기 초벌 구멍(11_-3)의 일단측 내경을 형성하는 공정을 포함하며,
   상기 일단측 내경을 형성하는 공정에서, 상기 초벌 구멍(11_-3)으로부터 상기 완성품의 구멍의 굽힘부의 안쪽의 구멍면에 남겨진 언더컷부(13)를 제거하고,
   상기 제2 절삭 공구를 상기 초벌 구멍(11_-3)에 그 초벌 구멍의 타단측으로부터 삽입하고, 자전시키면서 목표의 구멍면을 따르도록 공전시켜 상기 초벌 구멍(11_-3)의 타단측 내경을 형성하는 공정을 거쳐 형성하는 소재의 가공방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 절삭 공구를 상기 초벌 구멍(11_-3)에 깎아들어가게 하여 자전시키면서 공전시키고, 그 이동이 완성품에 마련하는 구멍의 축심과 대략 직각인 면 내에서 일어나도록 상기 제2 절삭 공구와 상기 소재(12)를 상기 구멍이 굴곡된 위치에서 구멍의 굽힘 상태에 따라 상대적으로 기울이면서 상기 구멍의 일단측 내경을 구멍의 개구측에서 도중까지 가공하고,
   상기 제2 절삭 공구와 소재(12)의 상대적인 경사각이 허용 상한에 도달한 위치부터 상대적인 기울기 각도를 고정시켜 상기 초벌 구멍(11_-3)의 일단측 내경을 형성하는 공정을 실행하는 소재의 가공방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 초벌 구멍(11_-3)의 가공을, 선단 외주에 원호형의 절단날(2)을 구비한 외경이 초벌 구멍의 내경보다 작은 밀링 커터(I)를 사용하여,
   상기 소재(12)의 서로 인접한 2면(A,B)에 상기 밀링 커터(I)를 각각 깎아들어가는 위치와 깎아들어가는 깊이를 바꾸면서 깎아들어가게 하여 상기 구멍의 굽힘부의 안쪽에 상기 구멍의 굽힘각과 동일 또는 그에 근사한 각도로 교차된 언더컷부(13)가 존재하고, 상기 구멍의 굽힘부의 바깥쪽은 상기 구멍(11)의 구멍면을 대략 따르는 형상의 관통 구멍(11-2)을 뚫는 공정,
   상기 밀링 커터(I)를, 그 커터의 선단이 상기 구멍의 굽힘부의 안쪽으로 치우치는 방향으로 경사시켜 상기 언더컷부(13)를 깎아내고, 이 동작을 상기 밀링 커터(I)의 경사각을 바꾸면서 몇차례 반복하여 상기 언더컷부(13)의 잔존량을 감소시키는 공정을 거쳐 행하는 소재의 가공방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 소재(12)를 회전 인덱싱 기능을 가진 회전 테이블에, 상기 구멍의 중심이 상기 회전 테이블의 테이블면과 평행한 면상에 놓여지는 상태로 세팅하고, 상기 회전 테이블을 회전시켜 상기 소재(12)를 상기 제1 절삭 공구 및 상기 제2 절삭 공구에 대해 필요한 방향으로 기울이는 소재의 가공방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 소재(12)가 금속의 난삭재인 소재의 가공방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 구멍(11)을, 상기 구멍의 외경에 대해 상기 구멍의 굽힘부의 바깥쪽에서 상기 구멍의 두께가 커지는 방향으로 편심시키는 소재의 가공방법.
7. 축심이 소정의 곡률로 매끄럽게 굴곡된 구멍을 가지며,
   소재(12)를 회전 절삭 공구로 초벌 가공하여 그 소재(12)에 적어도 완성품의 상기 구멍의 굽힘부의 안쪽이 되는 측의 구멍면에 언더컷부(13)가 남겨진 초벌 구멍(11_-3)을 뚫고, 그 후, 상기 초벌 구멍(11_-3)으로부터 상기 구멍의 굽힘부의 안쪽이 되는 측의 구멍면에 남겨진 언더컷부(13)를 제거함으로써, 상기 구멍을 형성하고,
   그것에 의해, 상기 구멍의 내부에 깎고 남은 부분이 없고, 상기 구멍은 진원이며 구멍면이 상기 구멍의 축심과 평행하게 되어 있고, 또한 상기 구멍의 주위의 두께가 균일한 관.
8. 축심이 소정의 곡률로 매끄럽게 굴곡된 구멍을 가지며,
   소재(12)를 회전 절삭 공구로 초벌 가공하여 그 소재(12)에 적어도 완성품의 상기 구멍의 굽힘부의 안쪽이 되는 측의 구멍면에 언더컷부(13)가 남겨진 초벌 구멍(11_-3)을 뚫고, 그 후, 상기 초벌 구멍(11_-3)으로부터 상기 구멍의 굽힘부의 안쪽이 되는 측의 구멍면에 남겨진 언더컷부(13)를 제거함으로써, 상기 구멍을 형성하고,
   그것에 의해, 상기 구멍의 내부에 깎고 남은 부분이 없고, 상기 구멍은 진원이며 구멍면이 상기 구멍의 축심과 평행하게 되어 있고, 상기 구멍의 중심을 상기 구멍의 외경 중심에 대해 편심시켜 굽힘부의 바깥쪽에 있어서의 두께가 굽힘부의 안쪽의 두께보다 큰 관.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 굽힘부의 바깥쪽의 위치는 상기 굽힘부의 안쪽의 위치와 축심에 대해 원주 방향에 있어서 180° 떨어진 위치인 관.
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 두께는 상기 굽힘부의 안쪽에서부터 바깥쪽으로 순차로 커지도록 되어 있는 관.
11. 청구항 8에 있어서,
    상기 굽힘부의 바깥쪽 두께는 상기 굽힘부의 안쪽 두께보다 두꺼운 관.
12. 청구항 7에 있어서,
    축심이 소정의 곡률로 매끄럽게 굴곡된 구멍을 가지며,
    구멍의 내부에 깎고 남은 부분이 없고, 구멍은 진원이며 구멍면이 상기 구멍의 축심과 평행하게 되어 있고, 적어도 일단측에 직선부를 가지는 관.
13. 청구항 7에 있어서,
    양단부에 플랜지가 일체 성형된 관.

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