KR101738932B1 - 파이프 벤딩 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 파이프 벤딩 방법은 파이프 소재가 탄성변형을 넘어서 소성변화가 발생하기 시작하는 벤딩각도 한계점을 산출하는 산출단계, 상기 산출단계에서 산출된 벤딩각도 한계점까지 상기 파이프를 벤딩시키는 1차 벤딩단계 및 상기 1차 벤딩단계에서 1차 벤딩된 상기 파이프를 최종각도로 벤딩시키는 2차 벤딩단계를 포함한다.

Description

파이프 벤딩 방법{Pipe bending Method}

본 발명은 파이프 벤딩 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파이프의 소성변화가 최초 발생하는 벤딩각도 산출을 통해 2차 벤딩 공정을 통해 파이프를 벤딩 함으로써 파이프 벤딩 시 벤딩 부위에서 발생하는 파이프의 단면 수축 변화를 최소화할 수 있는 파이프 벤딩 방법에 관한 것이다.

도 1은 파이프 벤딩 시 파이프의 벤딩 부위에서 발생하는 파이프의 단면 수축 변화를 나타내는 단면도이다. 일정한 곡률을 갖도록 벤딩되는 파이프는 다양한 산업분야에서 널리 사용되고 있다. 이러한 곡률 파이프는 다양한 방법을 통해 벤딩 공정을 수행하지만, 대체적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 단면 형상과 무관하게 벤딩 부위에서 단면 수축 변화가 발생한다.

이와 같이, 단면수축변화가 발생하는 경우에는 파이프의 최초 단면형상과 비교하여 단면변화가 발생하는 문제점이 있다. 이와 같은 경우에는 파이프의 파단 및 성형품 불량을 야기할 수 있다. 특히, 파이프의 벤딩 시 단면수축이 심한 부위에서는 구조적 강도가 저하되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 파이프의 내부에 멘드릴 등을 삽입하여 벤딩 공정을 수행하거나, 단면 변화를 감소시키기 위한 2차 벤딩 공정을 수행하고 있다.

여기서, 2차 벤딩 공정의 경우는 1차적으로 프리 벤딩(Pre-Bending)을 수행 후, 2차적으로 최종 목적 곡률을 갖도록 최종 벤딩(Final Bending)을 수행한다.

전술한 바와 같이, 파이프의 내부에 멘드릴을 삽입하여 벤딩하거나, 2차 벤딩을 통해 파이프를 벤딩을 수행하는 경우 단일 공정을 통해 파이프를 벤딩하는 경우와 비교하여 상대적으로 단면 수축변화를 감소시킬 수 있지만, 다음과 같은 문제점이 있다.

우선, 멘드릴을 사용하는 경우에는 파이프 벤딩 시 항상 멘드릴을 삽탈해야 하기 때문에 작업 효율이 저하되는 문제점이 있으며, 멘드릴의 간격, 멘드릴의 위치 등이 어긋나는 경우에는 단면수축변화 감소 효율이 미비한 문제점이 있다.

임의의 2차 벤딩 공정을 수행하는 경우, 항상 동일한 품질의 제품을 제조하기 어려우며, 단면수축 변화를 최소화하기에 한계가 있는 문제점이 있다.

본 발명은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 파이프의 소성변화가 최초 발생하는 벤딩각도 산출을 통해 2차 벤딩 공정을 통해 파이프를 벤딩 함으로써 파이프 벤딩 시 벤딩 부위에서 발생하는 파이프의 단면 수축 변화를 최소화할 수 있는 파이프 벤딩 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 파이프 벤딩 방법은 파이프 소재가 탄성변형을 넘어서 소성변화가 발생하기 시작하는 벤딩각도 한계점을 산출하는 산출단계, 상기 산출단계에서 산출된 벤딩각도 한계점까지 상기 파이프를 벤딩시키는 1차 벤딩단계 및 상기 1차 벤딩단계에서 1차 벤딩된 상기 파이프를 최종각도로 벤딩시키는 2차 벤딩단계를 포함한다.

이때, 상기 산출단계는 아래의 수학식을 통해 파이프의 소성 변화가 발생하는 벤딩 각도 한계점을 산출할 수 있다.

본 발명의 파이프 벤딩 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 파이프의 소성 변화가 발생하는 곡률반경을 산출하고, 산출결과에 따라 파이프의 소성변화가 발생하는 곡률반경 또는 상대적으로 작은 곡률까지 1차적으로 벤딩 후 2차 최종 벤딩을 수행하여 파이프 벤딩 시 발생하는 단면수축 변화를 최소화할 수 있다.

둘째, 파이프의 두께 및 너비 등을 이용하여 작업자가 용이하게 파이프의 소성변화가 발생하는 곡률반경을 산출하고, 이를 1차 벤딩량으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

셋째, 멘드릴 등의 별도의 부재를 사용하지 않기 때문에 작업효율이 향상되는 효과가 있다.

넷째, 파이프의 소성 변화가 발생하는 곡률반경에 맞추어 2단 벤딩공정을 수행하기 때문에 기존에 어떠한 벤딩 장치에도 적용이 가능한 효과가 있다.

본 발명의 효과들은 상기 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 파이프 벤딩 시 파이프의 벤딩 부위에서 발생하는 파이프의 단면 수축 변화를 나타내는 단면도;
도 2는 본 발명에 다른 파이프 벤딩 방법을 순차적으로 나타낸 순서도;
도 3은 본 발명에 따른 파이프 벤딩 방법을 순차적으로 나타내는 개략도;
도 4는 본 발명에 따른 파이프의 벤딩 시 소성변화 시점을 산출하기 위한 파이프의 1차 벤딩 상태를 나타낸 사시도;
도 5는 본 발명에 따른 파이프 벤딩 시 발생하는 응력을 나타내는 개략적인 단면도;
도 6은 본 발명에 따른 파이프 벤딩 시 단면에서 발생하는 힘의 분포를 개략적으로 나타낸 단면도;
도 7 및 도 8은 단일 공정, 임의의 2단 벤딩 공정 및 본 발명에 따른 소성한계를 고려한 2단 성형에 따른 단면 수축변화를 비교하기 위한 사시도 및 단면도; 및
도 9는 단일 공정, 임의의 2단 벤딩 공정 및 본 발명에 따른 소성한계를 고려한 2단 성형에 따른 단면 수축변화를 나타내는 파이프의 단면 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 다른 파이프 벤딩 방법을 순차적으로 나타낸 순서도이고, 도 3은 본 발명에 따른 파이프 벤딩 방법을 순차적으로 나타내는 개략도이다. 본 발명에 따른 파이프 벤딩 방법은 파이프(100) 벤딩 시 벤딩부위에서 발생하는 단면수축을 최소화하는 파이프 벤딩 방법을 제시한다. 이와 같이, 벤딩 시 발생하는 파이프(100)의 단면수축을 최소화 하기 위한 파이프 벤딩방법을 도 1 및 도 2를 참고하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 파이프의 벤딩 시 소성변화 시점을 산출하기 위한 파이프의 1차 벤딩 상태를 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 파이프 벤딩 시 발생하는 응력을 나타내는 개략적인 단면도이다. 먼저, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 파이프(100)의 두께, 파이프(100)의 너비 등을 고려하여 파이프(100)의 벤딩 시 발생할 수 있는 파이프(100)의 소성변화가 발생하는 파이프(100)의 곡률 반경을 산출한다(S100).

이때, 파이프(100)의 소성 변화가 발생하는 파이프(100)의 벤딩 각도를 산출하는 과정을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 파이프(100)가 벤딩 되는 경우에 파이프(100)의 단면에서 작용되는 길이 방향의 힘(dF)은 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, dF_longi는 파이프(100)의 단면에서 작용되는 길이 방향의 힘, σ_{long i}는 파이프(100)의 길이방향으로의 작용응력, t는 파이프(100)의 두께, dA는 단위면적, dy는 단면의 폭방향으로의 단위 길이를 나타낸다.

또한, 파이프(100)의 길이방향의 힘에 의해 단면의 수축을 야기 시키는 단위면적(dA)당 수직방향 힘(dv)은 다음의 [수학식2]와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, dv는 폭방향 단위길이(dy)당 수직방향 힘, dF_longi는 파이프(100)의 단면에서 작용되는 길이 방향의 힘, dΦ는 파이프(100) 벤딩 모멘트에 의해 변형된 후 길이방향의 거리(dx)에서의 절곡 각도이다.

[수학식 2]에서

를

로 대체하고, [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하면 다음의 [수학식 3]과 같다.

도 6은 본 발명에 따른 파이프 벤딩 시 단면에서 발생하는 힘의 분포를 개략적으로 나타낸 단면도이다. [수학식 3]의 수직방향 힘(dv)에 의해 파이프(100) 단면의 중앙지점에서 단면 수축을 발생시키는 모멘트(Ms)는 도 6에 나타낸 바와 같이 다음의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, Ms는 수직방향 힘(dv)에 의해 파이프(100) 단면의 중앙지점에서 단면 수축을 발생시키는 모멘트, w는 파이프(100)의 너비, V는 단위면적당 수직방향 힘(dv)에 대해 파이프(100) 단면의 윗부분에 작용되는 힘의 총합을 나타낸다.

파이프(100)가 소성변형을 하기 시작하는 시점을 수학식으로 나타내면 다음의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, σ_{long i}는 파이프(100)의 길이방향으로의 작용응력, σ_y는 소재의 항복응력이다.

[수학식 5]를 [수학식 3]에 대입하고, 단위면적당 수직방향 힘(dv)에 대해 단면의 윗부분에 작용되는 힘의 총합(V)는 아래의 [수학식 6]과 같다.

여기서, V는 단위면적당 수직방향 힘(dv)에 대해 단면의 윗부분에 작용하는 힘의 총합, σ_y는 소재의 항복응력, t는 파이프(100)의 두께, w는 파이프(100)의 너비, dΦ는 파이프(100) 벤딩 모멘트에 의해 변형된 후 길이방향의 거리(dx)에서의 절곡 각도이다.

도 6을 통해 다음의 [수학식 7]을 도출할 수 있다.

여기서, d_τ는 파이프(100)의 길이방향(x방향) 단위 길이, R은 파이프의 소성 변화가 시작되는 곡률 반경, dΦ는 파이프(100) 벤딩 모멘트에 의해 변형된 후 길이방향의 거리(dx)에서의 절곡 각도이다.

[수학식 7]을 파이프(100) 벤딩 모멘트에 의해 변형된 후 길이방향의 거리(dx)에서의 절곡 각도(dΦ)로 정리하고, 이를 [수학식 6]에 대입하면 다음의 [수학식 8]과 같이 정리할 수 있다.

주어진 파이프(100)의 단면에 대한 이차단면모멘트는 아래의 [수학식 9] 또는 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, I는 관성모멘트, t는 파이프(100)의 두께, d_τ는 파이프(100)의 길이방향(x방향) 단위 길이이다.

전술한 [수학식 4], [수학식 8] 및 [수학식 10]을 통해 수직방향 힘(dv)에 의해 파이프(100) 단면의 중앙지점에서 단면 수축을 발생시키는 모멘트(Ms)는 다음의 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다.

단면에 작용하는 모멘트와 응력의 관계는 다음의 [수학식 12]와 같고, 다음의 [수학식 12]로부터 소성변형이 시작하게 되는 모멘트(Ms)는 다음의 [수학식 13]과 같이 나타낼 수 있다.

따라서, [수학식 11] 및 [수학식 13]에 의해 다음의 [수학식 14]과 같이 정리할 수 있다.

[수학식 14]를 다시 정리하면, 파이프(100) 단면의 소성변형이 시작되는 시점의 곡률 반경(R)은 다음의 [수학식 15]와 같이 주어진다.

여기서, R은 파이프의 소성 변화가 시작되는 곡률 반경, t는 파이프의 두께, w는 파이프의 너비를 나타낸다.

전술한 [수학식 15]을 통해 산출된 곡률 반경(R) 보다 큰 곡률 반경(또는 작은 곡률)을 갖도록 파이프(100)를 1차 벤딩 하는 경우, 파이프(100)에 소성 변화가 발생하지 않기 때문에 1차적으로 벤딩부위의 단면수축에 의한 단면 변경을 최소화할 수 있다.

다음으로, 벤딩 각도 산출 단계(S100)에서 산출된 곡률 반경과 같거나, 작은 각도까지 파이프(100)를 1차 벤딩 한다(S200). 일실시예로, 파이프(100)의 벤딩은 도 3에 도시된 바와 같이, 소정 간격 이격된 3개의 가공 롤러(200)를 이용하여 파이프(100)를 벤딩할 수 있다. 이와 같이, 3개의 가공 롤러(200) 중 파이프(100)의 상부에 구비되는 두 개의 가공 롤러(200)는 고정 및 자유 회전이 가능하도록 구비되고, 두 개의 가공 롤러(200)의 이격 중심의 하부에 구비되는 가공 롤러(200)는 승강 및 회전 가능하게 구비될 수 있다. 이러한 파이프 벤딩 장치는 하부에 구비된 가공 롤러(200)의 승강 높이(Dc)에 따라 파이프(100)의 벤딩 각도를 변경할 수 있다. 이러한 3개의 가공 롤러(200)를 이용하여 파이프(100)를 벤딩하는 벤딩 장치는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로서 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이때, 3개의 가공 롤러(200)를 이용한 벤딩 장치를 통해 파이프(100)를 벤딩하는 것을 일실시예를 나타내는 것일 뿐, 벤딩장치를 한정하는 것은 아니다. 전술한 3개의 가공 롤러(200)를 이용한 벤딩장치 외에 사용자가 지정한 곡률 반경을 갖는 곡률 파이프(100)를 제조할 수 있는 벤딩 장치라면 어떠한 장치를 사용하여도 무방하다.

다음으로, 1차 벤딩 공정(S200)을 통해 파이프(100)의 소성 변형이 시작되는 곡률 반경(R)보다 상대적으로 큰 곡률 반경을 갖도록 벤딩된 파이프(100)를 사용자가 사용하고자 하는 최종각도를 갖도록 2차 벤딩을 수행한다(S300). 이때, 2차 벤딩 공정(S300)을 수행하는 벤딩 장치는 전술한 1차 벤딩 공정(S200)과 동일한 장치를 사용하거나, 상호 다른 장치를 사용하여도 무방하다.

이와 같이, 파이프(100)를 1차 벤딩(S200) 및 2차 벤딩(S300)의 2단계 벤딩 공정을 통해 벤딩함에 따라 벤딩되는 파이프(100)의 단면 수축 변화가 감소한다. 이때, 1차 벤딩(S200)에는 파이프(100)의 소성변화가 발생하는 시점과 동일하거나, 이와 상대적으로 큰 곡률 반경(또는 작은 곡률, 작은 벤딩 각도)까지만 파이프(100)를 1차 벤딩(S200)하기 때문에 단면 수축 변화가 보다 감소된다. 이를 도면 및 사진을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 7 및 도 8은 단일 공정, 임의의 2단 벤딩 공정 및 본 발명에 따른 소성한계를 고려한 2단 성형에 따른 단면 수축변화를 비교하기 위한 사시도 및 단면도이다. 도 7 및 도 8은 각각 정사각 단면 및 직사각 단면을 갖는 사각 파이프(100)를 동일한 각도로 벤딩하는 경우, 단일 공정 파이프(130), 임의의 2단 성형 파이프(120) 및 본 발명에 따른 소성한계를 고려한 2단 성형 파이프(110)의 단면수축 변화를 직접적으로 비교한 결과는 다음과 같다. 이때, 도 7a 및 도 8a는 유한요소해석 기법을 통해 파이프의 벤딩 공정을 수치적으로 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.

파이프(100)를 목적 곡률까지 한번에 벤딩하는 경우와 비교하여, 임의의 2단 성형을 실행하는 경우에 단면 수축 변화가 상대적으로 작아지는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 임의의 2단 성형을 수행하는 경우에는 단일 공정과 비교하여 상대적으로 단면 수축변화를 감소할 수 있지만, 단면 수축 변화를 최소화하기에는 어려운 문제점이 있다.

도 7b 및 도 8b에 각각 도시된 바와 같이, 파이프(100)의 단면 형상과 무관하게 소성한계를 고려한 2단 성형 파이프(110)는 임의의 2단 성형 파이프(120)와 비교하여 일관적으로 단면수축변화가 감소하는 것을 확인할 수 있다.

도 9는 단일 공정, 임의의 2단 벤딩 공정 및 본 발명에 따른 소성한계를 고려한 2단 성형에 따른 단면 수축변화를 나타내는 파이프의 단면 사진이다. 전술한 실험 결과를 보다 명확하게 나타내기 위하여 실질적으로 파이프(100)를 절곡한 사진을 확인한 결과 도 7 및 도 8과 같은 실험 결과를 보다 명확하게 확인할 수 있다. 도 9에 나타난 사진의 단면 수축변화 값을 표로 정리하면 다음의 [표 1]과 같다.

가공 방법	단일 공정 파이프	임의의 2단 성형 파이프	소성한계를 고려한 2단 성형 파이프
단면수축변화값 (mm)	3.37	2.65	1.78

도 7 내지 도 9 및 [표 1]에 나타난 바와 같이, 소성한계를 고려한 2단 성형 파이프(110)는 단일 공정 파이프(130)뿐만 아니라, 임의의 2단 성형 파이프(120)와 비교하여도 파이프(100)의 단면 수축변화가 현저하게 감소되는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 파이프
110 : 본 발명에 따른 소성한계를 고려한 2단 성형 파이프
120 : 임의의 2단 성형 파이프
130 : 단일 공정 파이프
200 : 가공 롤러

Claims (2)

1. 사각파이프 소재가 탄성변형을 넘어서 소성변화가 발생하기 시작하는 벤딩각도 한계점을 산출하는 산출단계;
   상기 산출단계에서 산출된 벤딩각도 한계점까지 상기 사각파이프를 벤딩시키는 1차 벤딩단계; 및
   상기 1차 벤딩단계에서 1차 벤딩된 상기 사각파이프를 최종각도로 벤딩시키는 2차 벤딩단계;
   를 포함하되,
   상기 산출단계는 아래의 수학식을 통해 사각파이프의 소성 변화가 발생하는 벤딩 각도 한계점을 산출하는 파이프 벤딩 방법.
   

   

   
   (여기서, R은 사각파이프의 소성 변화가 시작되는 곡률 반경, t는 사각파이프의 두께, w는 사각파이프의 너비이다.)
2. 삭제

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