KR101975005B1 - 수문 개폐 장치 및 그것의 랙바 제조 방법 - Google Patents

수문 개폐 장치 및 그것의 랙바 제조 방법 Download PDF

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KR101975005B1 KR1020190020113A KR20190020113A KR101975005B1 KR 101975005 B1 KR101975005 B1 KR 101975005B1 KR 1020190020113 A KR1020190020113 A KR 1020190020113A KR 20190020113 A KR20190020113 A KR 20190020113A KR 101975005 B1 KR101975005 B1 KR 101975005B1
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장정수
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Abstract

수문 개폐 장치 및 수문 개폐 장치의 랙바를 제조하는 방법에 관한 것으로, 서로 대칭되어 일렬로 나열된 다수의 홈을 갖는 한 쌍의 평강(31)을 제조하는 단계; 복수 개의 환봉(32)을 제조하는 단계를 포함하고, 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 각 환봉(32)의 크기 상호간에는 억지 끼워 맞춤의 공차를 갖고, 한 쌍의 평강(31)의 내부까지 균등하게 가열될 수 있도록 한 쌍의 평강(31)을 기름에 넣어 가열하는 방식으로 한 쌍의 평강(31)을 열간 가공하는 단계; 및 복수 개의 환봉(32)의 내부까지 균등하게 냉각될 수 있도록 액화기체의 증발에 의해 형성된 냉각 분위기에서 복수 개의 환봉(32)을 냉각하는 방식으로 복수 개의 환봉(32)을 냉간 가공하는 단계 중에서 적어도 하나의 단계를 더 포함하고, 각 환봉(32)의 양단을 한 쌍의 평강(31)의 서로 마주 보는 두 개의 홈(A)에 헐겁게 끼워 맞춘 상태에서 상온으로 복원시키는 방식으로 한 쌍의 평강(31) 사이에 복수 개의 환봉(32)을 결합시키는 단계를 더 포함한다.

Description

수문 개폐 장치 및 그것의 랙바 제조 방법 {Floodgate switchgear apparatus and method for manufacturing rack bar thereof}
수문 개폐 장치 및 그것의 랙바 제조방법에 관한 것으로서, 특히 평강에 환봉을 결합하여 랙바를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 랙바가 적용된 수문 개폐 장치에 관한 것이다.
일반적으로 댐, 방조제, 저수지 또는 하천 등에는 수량 조절이나 역류 방지 등 여러 목적을 위해 수문이 설치되고 있다. 수문 공간에 설치되는 프레임, 프레임을 따라 승하강하면서 수로를 개폐하는 수문판 및 수문판을 승강시키기 위한 장치로 구성되고, 승강 장치는 수문판의 상단에 설치되는 기어 박스와 기어 박스에 맞물려 구동하는 핸들로 구성된다. 수문판은 랙바(Rack bar)에 의해 승강되게 하여 수문이 개패된다. 랙바는 수문 개폐 장치의 기어와 맞물려 상하 이동되며, 랙바는 수문 개폐 장치의 기어와 맞물리도록 돌기를 가진 바 형태로 제작되거나 사다리 형태로 제작된다. 사다리 형태의 랙바는 한 쌍의 평강과 그것 사이에 삽입되는 복수 개의 환봉으로 구성되고, 종래에는 평강과 환봉이 서로 이탈되지 않도록 용접되어 결합되었다.
종래와 같이, 수문 개폐 장치의 랙바를 용접에 의해 제작하는 경우에는 랙바가 국부적으로 매우 높은 온도로 가열된다. 용접사의 작업 성향, 숙련도에 따라 랙바의 국부적 가열이 지나치게 높은 온도로 진행되거나 지나치게 오랫동안 진행될 수 있는데, 이 과정에서 랙바의 국부적인 열 변형이 발생되고 이로 인해 랙바의 표면이 미세하게 울퉁불퉁하게 된다. 이러한 열 변형의 정도가 심한 경우에는 랙바가 휘어질 수도 있다. 랙바의 표면이 미세하게 울퉁불퉁하거나 휘어지게 되면 랙바의 승강이 원활하게 이루어질 수 없고 랙바와 기어박스의 기어가 완벽하게 맞물리지 않게 되어 수문 개폐 장치의 기어박스가 고장날 수 있다.
랙바 제조 시 용접으로 인해 발생하는 열 변형을 방지함으로써 원활하게 수문이 개폐되도록 하면서 수문 개폐 장치의 고장을 방지할 수 있는 수문 개폐 장치의 랙바 제조방법을 제공하는 데에 있다. 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수 있다.
본 발명에 따른 수문 개폐 장치의 랙바 제조방법은 수문 개폐 장치의 랙바 제조방법에 있어서, 서로 대칭되어 일렬로 나열된 다수의 홈을 갖는 한 쌍의 평강을 제조하는 단계; 복수 개의 환봉을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 한 쌍의 평강의 각 홈의 크기와 상기 각 환봉의 크기 상호간에는 억지 끼워 맞춤의 공차를 갖고, 상기 한 쌍의 평강의 내부까지 균등하게 가열될 수 있도록 상기 한 쌍의 평강을 기름에 넣어 가열하는 방식으로 상기 한 쌍의 평강을 열간 가공하는 단계; 및 상기 복수 개의 환봉의 내부까지 균등하게 냉각될 수 있도록 액화기체의 증발에 의해 형성된 냉각 분위기에서 상기 복수 개의 환봉을 냉각하는 방식으로 상기 복수 개의 환봉을 냉간 가공하는 단계 중에서 적어도 하나의 단계를 더 포함하고, 상기 각 환봉의 양단을 상기 한 쌍의 평강의 서로 마주 보는 두 개의 홈에 헐겁게 끼워 맞춘 상태에서 상온으로 복원시키는 방식으로 상기 한 쌍의 평강 사이에 상기 복수 개의 환봉을 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 평강을 제조하는 단계는 스테인리스강 STS 304의 모재로부터 상기 한 쌍의 평강을 제조하고, 상기 복수 개의 환봉을 제조하는 단계는 스테인리스강 STS 304의 모재로부터 상기 복수 개의 환봉을 제조하고, 상기 한 쌍의 평강의 각 홈의 크기는 기준 치수(D)에 대해 상온 20℃에서 0mm 내지 +(
Figure 112019018205392-pat00001
의 0.372%)mm의 공차를 갖고 상기 각 환봉의 크기는 기준 치수(D)에 대해 상온 20℃에서 +(
Figure 112019018205392-pat00002
의 0.825%)mm 내지 +(
Figure 112019018205392-pat00003
의 1.1%)mm를 가짐에 따라 상기 한 쌍의 평강의 각 홈의 크기와 상기 각 환봉의 크기는 상호간에 억지 끼워 맞춤의 공차를 가질 수 있다.
상기 열간 가공하는 단계는 상기 한 쌍의 평강을 최소 180℃ 이상의 기름에 넣어 최소 180℃ 이상으로 가열함으로써 상기 각 홈의 크기의 0mm 내지 0mm 내지 +(
Figure 112019018205392-pat00004
의 0.372%)mm 공차를 +(0.002768×D)mm 내지 +{(
Figure 112019018205392-pat00005
의 0.372%)+(0.002768×D)}mm 이상의 공차로 변형함에 따라 상기 한 쌍의 평강의 각 홈의 크기와 상기 각 환봉의 크기 상호간의 억지 끼워 맞춤의 공차는 헐거운 끼워 맞춤 공차로 변형될 수 있다.
상기 냉간 가공하는 단계는 상기 복수 개의 환봉을 액화질소의 증발에 의해 형성된 냉각 분위기에서 최소 -165℃ 이하로 냉각함으로써 상기 각 환봉의 크기의 +(
Figure 112019018205392-pat00006
의 0.825%)mm 내지 +(
Figure 112019018205392-pat00007
의 1.1%)mm 공차를 {(
Figure 112019018205392-pat00008
의 0.825%)-(0.002788×D)}mm 내지 {(
Figure 112019018205392-pat00009
의 1.1%)-(0.002788×D)}mm 이하의 공차로 변형함에 따라 상기 한 쌍의 평강의 각 홈의 크기와 상기 각 환봉의 크기 상호간의 억지 끼워 맞춤의 공차는 헐거운 끼워 맞춤 공차로 변형될 수 있다.
상기 열간 가공하는 단계는 상기 한 쌍의 평강을 최소 100℃ 이상의 기름에 넣어 최소 100℃ 이상으로 가열함으로써 상기 각 홈의 크기의 0mm 내지 +(
Figure 112019018205392-pat00010
의 0.372%)mm 공차를 +(0.001384×D)mm 내지 {(
Figure 112019018205392-pat00011
의 0.372%)+(0.001384×D)}mm 이상의 공차로 변형하고, 상기 냉간 가공하는 단계는 상기 복수 개의 환봉을 드라이아이스의 증발에 의해 형성된 냉각 분위기에서 최소 -70℃ 이하로 냉각함으로써 상기 각 환봉(32)의 크기의 +(
Figure 112019018205392-pat00012
의 0.825%)mm 내지 +(
Figure 112019018205392-pat00013
의 1.1%)mm공차를 {(
Figure 112019018205392-pat00014
의 0.825%)-(0.001382×D)}mm 내지 (
Figure 112019018205392-pat00015
의 1.1%)-(0.001382×D)}mm 이하의 공차로 변형함에 따라 상기 한 쌍의 평강의 각 홈의 크기와 상기 각 환봉의 크기 상호간의 억지 끼워 맞춤의 공차는 헐거운 끼워 맞춤 공차로 변형될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 수문 개폐 장치는 랙바 제조방법에 의해 제조된 랙바가 적용된 수문 개폐 장치에 있어서, 사각 틀 형태로 형성되어 수로면에 연직으로 설치되는 프레임; 상기 프레임의 양측부에 끼어져 승하강하면서 수로를 개폐하는 수문판; 상기 제조방법에 의해 제조된 랙바로서 하단이 상기 수문판에 연결되어 상기 수문판을 승강시키는 랙바; 및 다수의 기어 조합을 이용하여 인력에 의한 핸들의 회전 운동 또는 모터의 회전 운동을 랙바의 승강 운동으로 변환하는 기어박스를 포함할 수 있다.
한 쌍의 평강의 각 홈의 크기와 각 환봉의 크기 상호간에 억지 끼워 맞춤의 공차를 갖도록 제조된 한 쌍의 평강과 복수 개의 환봉에 대해, 한 쌍의 평강을 기름에 넣어 가열하는 방식으로 열간 가공하거나 액화기체의 증발에 의해 형성된 냉각 분위기에서 복수 개의 환봉을 냉간 가공한 상태에서 각 환봉의 양단을 한 쌍의 평강의 서로 마주 보는 두 개의 홈에 헐겁게 끼워 맞추고 상온으로 복원시키는 방식으로 랙바를 제조함으로써 평강과 환봉을 용접하지 않고 견고한 랙바의 제조가 가능하게 되어 랙바 제조 시 용접으로 인해 발생하는 랙바의 열 변형(휨)을 방지할 수 있다.
한 쌍의 평강에 대한 열간 가공과 복수 개의 환봉에 대한 냉간 가공을 동시에 진행함으로써 평강의 가열 온도를 낮추고 환봉의 냉각 온도를 낮출 수 있어 랙바의 조립 소요 시간을 대폭 줄일 수 있다. 한 쌍의 평강에 대한 열간 가공과 복수 개의 환봉에 대한 냉간 가공을 동시에 진행하는 경우에 복수 개의 환봉의 냉각에 액화질소 대신에 매우 저렴한 드라이아이스를 사용할 수 있음에 따라 랙바의 제조 단가를 대폭 낮출 수 있다.
종래와 같이, 수문 개폐 장치의 랙바를 용접에 의해 제작하는 경우에는 랙바가 국부적으로 매우 높은 온도로 가열된다. 용접사의 작업 성향, 숙련도에 따라 랙바의 국부적 가열이 지나치게 높은 온도로 진행되거나 지나치게 오랫동안 진행될 수 있는데, 이 과정에서 랙바의 국부적인 열 변형이 발생되고 이로 인해 랙바의 표면이 미세하게 울퉁불퉁하게 된다. 이러한 열 변형의 정도가 심한 경우에는 랙바가 휘어질 수도 있다. 랙바의 표면이 미세하게 울퉁불퉁하거나 휘어지게 되면 랙바의 승강이 원활하게 이루어질 수 없고 수문 개폐 장치의 기어박스가 고장날 수 있다. 본 발명에 의해 제조된 랙바가 적용된 수문 개폐 장치는 이러한 용접이 필요 없게 되어 수문 개폐가 원활하게 이루어질 수 있고, 랙바와 수문 개폐 장치의 기어가 완벽하게 맞물리게 되어 기어박스의 고장이 방지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수문 개폐 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 수문 개폐 장치의 일부 확대도이다.
도 3은 도 1, 2에 도시된 랙바(30)와 종래의 랙바(30')를 비교 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 랙바(30)의 평강(31)과 환봉(32)의 결합 구조도이다.
도 5는 도 2에 도시된 랙바(30)의 각 부품의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 랙바 제조 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 랙바 제조 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 랙바 제조 방법의 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 수문 개폐 장치의 랙바(30)의 평강(31)과 환봉(32)에 인발력을 가한 시험예 1의 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 수문 개폐 장치의 랙바(30)의 평강(31)과 환봉(32)에 인발력을 가한 시험예 2의 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 이하에서 설명될 본 발명의 실시예는 평강과 환봉을 용접하지 않고 끼움 결합하는 방식으로 랙바를 제조하여 랙바 제조 시 용접으로 인해 발생하는 열 변형을 방지함으로써 수문이 원활하게 개폐될 수 있도록 할 뿐만 아니라 수문 개폐 장치의 고장을 방지할 수 있는 수문 개폐 장치의 랙바 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 랙바가 적용된 수문 개폐 장치에 관한 것이다. 이하에서는 이러한 방법 및 장치를 간략하게 “랙바 제조방법” 및 “수문 개폐 장치”로 호칭할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수문 개폐 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 수문 개폐 장치의 일부 확대도이다. 도 1, 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 수문 개폐 장치는 프레임(10), 수문판(20), 랙바(30), 기어박스(40), 및 핸들(50)로 구성된다. 본 발명의 특징은 이하에서 설명된 바와 같이 랙바(30)의 제조방법에 있기 때문에 이하에서 설명될 랙바(30)가 적용된 수문 개폐 장치에 대해서는 간략하게 설명하기로 한다.
본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 랙바(30)가 적용된 수문 개폐 장치는 도 1, 2에 도시된 형태와 구조 외에 다양한 형태와 구조로 구현될 수 있음을 이해할 수 있다. 예를 들어, 동력원으로서 핸들(50) 이외에 모터(미도시)가 추가될 수도 있다. 프레임(10)은 사각 틀 형태로 형성되어 수로면에 연직으로 설치된다. 프레임(10)의 양측부는 이것에 수문판(20)이 끼워져 수직으로 슬라이딩 이동될 수 있도록 횡단면 “[”과 “]” 형태를 갖는다. 수문판(20)은 프레임(10)의 양측부에 끼어져 승강하면서 수로를 개폐하는 역할을 한다. 랙바(30)는 이하에서 설명될 제조 방법에 의해 제조된 랙바(30)로서 그 하단이 수문판(20)에 연결되어 수문판(20)을 승강시킨다. 랙바(30)는 인력 또는 모터의 동력에 의해 구동되는 기어박스(40)에 의해 승강된다.
기어박스(40)는 다수의 기어 조합을 이용하여 인력에 의한 핸들의 회전 운동 또는 모터의 회전 운동을 랙바(30)의 승강 운동으로 변환한다. 핸들(50)은 사람의 힘에 의해 회전되는 부재로서 수문판(20)을 승강시키기 위한 동력을 기어박스(40)에 전달한다. 동력원으로서 핸들 이외에 모터가 추가될 경우, 모터는 수문판(20)을 승강시키기 위한 토크를 발생시키고, 이와 같이 발생된 토크는 기어박스(50)에 전달된다. 즉, 모터는 미리 설정된 크기의 토크를 기어박스(50)로 전달하여 수문판(20)을 승강시킨다. 모터 및 핸들(40)은 기어박스(50)에 병렬로 연결되며, 수문개폐장치가 모터에 의해 구동될 때에는 핸들(40)은 회전하지 않는다. 이러한 구동 구조는 본 실시예의 특징과 관련이 없기 때문에 자세한 설명은 생략된다.
도 3은 도 1, 2에 도시된 랙바(30)와 종래의 랙바(30')를 비교 도시한 도면이다. 도 3의 (a) 및 (b)는 도 1, 2에 도시된 랙바(30)를 도시한 사시도와 측면도이고. 도 3의 (c) 및 (d)는 종래의 랙바(30')를 도시한 사시도와 측면도이다. 도 3의 (c) 및 (d)에는 도 1, 2에 도시된 랙바(30)와 종래의 랙바(30')의 휨 변형 정도에 대한 이해를 돕기 위해, 종래의 랙바(30')가 다소 과장되게 휘어진 것으로 도시되어 있다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 랙바(30)는 기어박스(40)의 기어와 맞물리도록 다수의 돌기를 가진 바 형태로 제작되거나 사다리 형태로 제작된다. 사다리 형태의 랙바(30)는 서로 평행하게 배치된 한 쌍의 평강(31)과 한 쌍의 평강(31) 사이에 삽입되어 연결되는 복수 개의 환봉(32)으로 구성된다.
종래의 랙바 제조방법에 따르면, 각 환봉(32)의 양단을 한 쌍의 평강(31)의 마주 보는 구멍에 끼워 맞춘 후에 한 쌍의 평강(31)의 구멍과 각 환봉(32)간의 틈새를 용접하는 방식으로 한 쌍의 평강(31) 사이에 복수 개의 환봉(32)을 결합시켰다. 이와 같이, 수문 개폐 장치의 랙바(30')를 용접에 의해 제작하는 경우에는 랙바(30')가 국부적으로 매우 높은 온도로 가열된다. 용접사의 작업 성향, 숙련도에 따라 랙바(30')의 국부적 가열이 지나치게 높은 온도로 진행되거나 지나치게 오랫동안 진행될 수 있는데, 이 과정에서 랙바(30')의 국부적인 열 변형이 발생되고 이로 인해 랙바(30')의 표면이 미세하게 울퉁불퉁하게 된다. 이러한 열 변형의 정도가 심한 경우에는 도 3의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 육안으로 확인될 만큼 랙바(30')가 휘어질 수도 있다. 랙바(30')의 표면이 미세하게 울퉁불퉁하거나 휘어지게 되면 랙바(30')의 승강이 원활하게 이루어질 수 없고 기어박스(40)가 고장나게 된다.
도 4는 도 2에 도시된 랙바(30)의 평강(31)과 환봉(32)의 결합 구조도이다. 도 4의 (a)는 도 2에 도시된 랙바(30)의 평강(31)의 내측면도이다. 도 4의 (b)는 도 1, 2에 도시된 랙바(30)의 평강(31)과 환봉(32)의 결합 구조를 나타내기 위한 정면도이고, 도 4의 (c)는 종래의 랙바(30')의 평강(31')와 환봉(32')의 결합 구조를 나타내기 위한 정면도이다. 이하에서 설명될 랙바(30)의 소재는 일반구조용 압연강재, 기계구조용 탄소강 또는 스테인리스강(stainless steel) STS 등이 가능한데, 그중 내부식성의 고강도 소재로서 스테인리스강 STS 304가 바람직하며, 이것으로 특정하여 설명하기로 한다.
도 4의 (a)를 참조하면, 본 실시예에서 각 평강(31)의 내측면에는 원형의 홈(A)이 다수 개 형성 된다. 도 4의 (b)를 참조하면, 본 실시예는 각 평강(31)의 홈(A)과 각 환봉(32)을 상온에서 억지 끼워 맞춤 공차로 가공한 후 열간 가공하거나 냉간 가공하여 헐거운 끼워 맞춤 상태가 되게 한다. 이어서, 한 쌍의 평강(31)은 양측의 홈(A)의 개구부가 서로 마주보도록 배치되고, 각 환봉(32)의 양단을 한 쌍의 평강(31)의 마주 보는 두 개의 홈(A)에 각각 삽입 후 헐겁게 끼워 맞춘 상태에서 프레스로 압력을 가하면서 상온으로 복원시키는 방식으로 한 쌍의 평강(31) 사이에 복수 개의 환봉(32)이 삽입되어 체결된다.
본 실시예의 열간 가공은 한 쌍의 평강(31)의 내부까지 균등하게 가열될 수 있도록 한 쌍의 평강(31)을 기름에 넣어 가열하는 방식으로 이루어진다. 냉간 가공은 복수 개의 환봉(32)의 내부까지 균등하게 냉각될 수 있도록 액화기체의 증발에 의해 형성된 냉각 분위기에서 복수 개의 환봉(32)을 냉각하는 방식으로 이루어진다. 이러한 열간 가공과 냉간 가공은 동시에 이루어질 수도 있다.
도 4의 (c)를 참조하면, 종래에는 한 쌍의 평강(31') 각각에 각 평강(31')을 관통하는 형태의 홈(A')이 형성된다. 각 환봉(32')이 한 쌍의 평강(31')의 마주 보는 홈(A')에 삽입된 상태에서 한 쌍의 평강(31)의 구멍과 각 환봉(32)간의 틈새인 용접 부위(S)를 용접함으로써 한 쌍의 평강(31) 사이에 복수 개의 환봉(32')이 결합되었다. 상술한 바와 같이, 이러한 종래의 용접 방식에 의해 제조된 랙바(30')는 국부적인 열 변형으로 인해 랙바(30')의 표면이 미세하게 울퉁불퉁하거나 휘어지게 된다. 결과적으로, 랙바(30)와 수문 개폐 장치의 기어박스(40)의 기어가 완벽하게 맞물리지 않게 됨에 따라 랙바(30')의 승강이 원활하게 이루어질 수 없고 기어박스(40)에 과부하가 발생되어 고장을 야기한다.
도 5는 도 2의 랙바(30)의 각 부품의 단면도이다. 도 5의 (a)는 랙바(30)의 평강(31)의 횡단면도이고, 도 5의 (b)는 랙바(30)의 환봉(32)의 종단면도이다. 다음 표 1에는 여러 규격의 평강(31)과 환봉(32)의 치수가 기재되어 있다. 여기에서, “A”는 평강(31)의 홈의 깊이를 나타내고, “B”는 평강(31)의 두께를 나타내고, “H”는 평강(31)의 너비를 나타내고, “L”은 환봉(32)의 길이를 나타내고, “D”는 평강(31) 홈의 직경과 환봉(32) 직경의 기준 치수를 나타낸다. 도 5에는 D=16mm 규격에 해당하는 평강(31)과 환봉(32)이 도시되어 있다. 이하에서는 D=16mm 규격의 실시예를 설명하기로 한다. 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다른 규격의 실시예에 대해서도 아래의 설명이 적용될 수 있음을 이해할 수 있다.
D 평강(31) 환봉(32) A B H L
최소공차 최대공차 최소공차 최대공차
16 0.000 0.015 0.033 0.044 10 15 40 50
22 0.000 0.017 0.039 0.052 8 12 65 55
25 0.000 0.019 0.041 0.055 11 16 65 70
26 0.000 0.019 0.042 0.056 11 16 75 70
32 0.000 0.021 0.047 0.062 15 22 90 90
35 0.000 0.022 0.049 0.065 17 25 90 99
43 0.000 0.024 0.054 0.072 30 38 105 140
51 0.000 0.027 0.059 0.072 30 38 125 160
65 0.000 0.030 0.067 0.089 30 38 180 190
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 랙바 제조방법의 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 랙바 제조방법은 다음과 같은 단계들로 구성된다. 110 단계에서는 절삭 가공 등을 이용하여 스테인리스강 STS 304의 모재로부터 서로 대칭되어 일렬로 나열된 다수의 홈을 갖는 한 쌍의 평강(31)을 제조한다. 120 단계에서는 절삭 가공 등을 이용하여 스테인리스강 STS 304의 모재로부터 복수 개의 환봉(32)을 제조한다. 여기에서, 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 각 환봉(32)의 크기 상호간에는 억지 끼워 맞춤의 공차를 갖는다.
본 실시예에 따르면, 110 단계에서의 한 쌍의 평강(31) 제조 시, 상온 20℃에서 각 홈(A)의 직경은 기준 치수(D) 16mm 에 대해 16mm 내지 16.015mm [{D+(
Figure 112019018205392-pat00016
의 0.372%)}mm]로 형성되고, 홈(A)의 깊이는 각 평강(31)의 두께 15mm일 때 10mm의 깊이로 형성되고, 각 평강(31)의 내측면에서의 이웃하는 홈(A)들 간의 간격은 랙바와 맞물리는 기어의 간격과 동일하게 형성된다. 120 단계에서의 환봉(32) 제조 시, 상온 20℃에서 각 환봉(32)의 직경은 기준 치수 16mm에 대해 16.033mm 내지 16.044mm [{D+(
Figure 112019018205392-pat00017
의 0.825%)}mm 내지 {D+(
Figure 112019018205392-pat00018
의 1.1%)}mm]로 형성되고, 환봉(32)의 길이는 50mm로 형성된다.
이와 같이, 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기는 각 홈의 크기 기준 치수 16[D]mm에 대해 상온 20℃에서 0mm 내지 +0.015mm[+(
Figure 112019018205392-pat00019
의 0.372%)mm]의 공차를 갖고 각 환봉(32)의 크기는 각 환봉(32)의 크기 기준 치수 16mm에 대해 상온 20℃에서+0.033mm 내지 +0.044mm [+(
Figure 112019018205392-pat00020
의 0.825%)mm 내지 +(
Figure 112019018205392-pat00021
의 1.1%)mm]를 가짐에 따라 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 각 환봉(32)의 크기는 상호간에 억지 끼워 맞춤의 공차를 갖게 된다.
130 단계에서는 한 쌍의 평강(31)의 내부까지 균등하게 가열될 수 있도록 한 쌍의 평강(31)을 기름에 넣어 가열하는 방식으로 110 단계에서 제조된 한 쌍의 평강(31)을 열간 가공한다. 이러한 열간 가공 시 사용되는 기름의 예로는 지방유, 혼합유, 광유 등을 들 수 있다. 한 쌍의 평강(31)이 그 내부까지 가열될 수 있도록 기름의 온도에 따라 그것을 기름에 완전히 담근 상태에서 10분 내지 1시간 정도 잠시 대기한 후에 꺼낸다. 각 평강(31)의 열간 가공시 신장량은 도 5에 도시된 바와 같은 크기로 각 평강(31)이 제조되었을 때에 스테인리스강 STS 304의 열팽창 계수는 0℃ 이상에서 17.3×10-6 m/(m℃)이므로 다음 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 1]
열팽창량 = 길이×열팽창 계수×온도변화량
상온 20℃에서 각 평강(31)을 제조한 후에 열간 가공에서 180℃로 가열했을 경우, 열팽창량 = 16mm×17.3×10-6×160= 0.044mm [Dmm×17.3×10-6×160 = (0.002768×D)mm]이므로, 평강의 홈(A)의 직경은 0.044mm [(0.002768×D)mm]만큼 증가하게 된다. 즉, 180℃ 가열 상태의 평강(31)의 각 홈 직경 공차는 +0.044mm 내지 +0.059mm [+(0.002768×D)mm 내지 +{(
Figure 112019018205392-pat00022
의 0.372%)+(0.002768×D)}mm]가 되고 상온 20℃의 각 환봉(32)의 직경 공차는 +0.033mm 내지 +0.044mm [+(
Figure 112019018205392-pat00023
의 0.825%)mm 내지 +(
Figure 112019018205392-pat00024
의 1.1%)mm]이므로, 한 쌍의 평강(31)의 각 홈과 환봉(32)간의 최소틈새는 0.0000mm이고, 최대 틈새는 0.026mm로 헐거운 끼워 맞춤 공차가 된다. 이에 따라, 한 쌍의 평강(110)의 마주 보는 홈에 환봉(32) 양단의 삽입이 매우 수월하게 이루어질 수 있다. 이와 같이, 130 단계에서는 한 쌍의 평강(31)을 최소 180℃ 이상의 기름에 넣어 최소 180℃ 이상으로 가열함으로써 각 홈의 크기의 0mm 내지 +0.015mm[+(
Figure 112019018205392-pat00025
의 0.372%)mm] 공차를 +0.044mm 내지 +0.059mm [ +(0.002768×D)mm 내지 +{(
Figure 112019018205392-pat00026
의 0.372%)+(0.002768×D)}mm ] 이상의 공차로 변형함에 따라 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 각 환봉(32)의 크기 상호간의 억지 끼워 맞춤의 공차는 헐거운 끼워 맞춤 공차로 변형된다.
140 단계에서는 120 단계에서 제조된 각 환봉(32)의 양측을 130 단계에서 열간 가공된 한 쌍의 평강(31)의 서로 마주 보는 두 개의 홈(A)에 헐겁게 끼워 맞춘 상태에서 프레스로 압력을 가하면서 상온 20℃의 환경에서 방치시키는 방식으로 한 쌍의 평강(31) 사이에 복수 개의 환봉(32)을 결합시킨다. 여기에서, 프레스의 압력은 한 쌍의 평강(31) 사이에 복수 개의 환봉(32)이 헐겁게 끼워진 상태에서의 상온 복원 과정이 상당한 시간이 소요됨에 따라 상온 복원 과정에서 한 쌍의 평강(31)과 복수 개의 환봉(32)간의 조립 형태가 틀어지는 것을 방지하기 위해 사용된다.
상술한 바와 같이, 한 쌍의 평강(31)이 180℃까지 가열되었다가 상온 20℃로 되돌아오면 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 각 환봉(32)의 크기 상호간의 헐거운 끼워 맞춤의 공차는 억지 끼워 맞춤 공차로 복원된다. 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 직경이 16mm[Dmm] 미만이고 각 환봉(32)의 직경이 16.044mm[{D+(
Figure 112019018205392-pat00027
의 1.1%)}mm]를 초과하면 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 직경보다 각 환봉(32)의 직경이 지나치게 큼에 따라 평강(31)의 홈 주위에 균열이 발생할 수 있다. 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 직경이 16.015mm[{D+(
Figure 112019018205392-pat00028
의 0.372%)}mm]를 초과하고 각 환봉(32)의 직경이 16.033mm[{D+(
Figure 112019018205392-pat00029
의 0.825%)}mm]미만이면 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 내면에 각 환봉(32)의 표면이 단단하게 압착 결합될 수 없음에 따라 수문 개폐 장치의 사용 중에 한 쌍의 평강(31)로부터 환봉(32)이 쉽게 분리될 수 있다.
이상에서의 상온 20℃는 본 실시예의 랙바(30)가 사용되는 환경 온도의 예일 뿐이며, 그 환경 온도가 -40℃ 내지 40℃의 범위 내에서는 도 5에 도시된 예와 같은 수치로 한 쌍의 평강(31)과 복수 개의 환봉(32)이 제작될 경우에 평강(31)의 홈 주위의 균열 발생이 없고 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 내면에 각 환봉(32)의 표면이 단단하게 압착 결합될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 랙바 제조방법의 흐름도이다. 도 7을 참조하면, 도 7에 도시된 실시예에 따른 랙바 제조방법은 다음과 같은 단계들로 구성된다. 210 단계에서는 절삭 가공 등을 이용하여 스테인리스강 STS 304의 모재로부터 서로 대칭되어 일렬로 나열된 다수의 홈을 갖는 한 쌍의 평강(31)을 제조한다. 220 단계에서는 절삭 가공 등을 이용하여 스테인리스강 STS 304의 모재로부터 복수 개의 환봉(32)을 제조한다. 여기에서, 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 각 환봉(32)의 크기 상호간에는 억지 끼워 맞춤의 공차를 갖는다. 210, 220 단계에서 한 쌍의 평강(31)과 복수 개의 환봉(32)을 도 6에 도시된 실시예과 동일하게 도 5에 도시된 예의 크기로 제작된다. 따라서, 이것에 대한 자세한 설명은 도 5에 대하여 상술한 설명으로 갈음하기로 한다.
230 단계에서는 복수 개의 환봉(32)의 내부까지 균등하게 냉각될 수 있도록 액화질소의 증발에 의해 형성된 냉각 분위기에서 복수 개의 환봉(32)을 냉각하는 방식으로 220 단계에서 제조된 복수 개의 환봉(32)을 냉간 가공한다. 각 환봉(32)의 냉간 가공 시 수축량은 도 7에 도시된 바와 같은 크기로 각 평강(31)이 제조되었을 때에 스테인리스강 STS 304의 열팽창 계수는 0℃ 이상에서 17.3×10-6 m/(m℃)이고, 0℃ 내지 -73℃의 열팽창 계수는 14.8×10-6 m/(m℃)이므로 다음과 같이 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
상온 20℃에서 각 환봉(32)을 제조한 후에 냉간 가공에서 -165℃로 냉각했을 경우, 20℃ 내지 0℃의 열팽창량 =16mm×17.3×10-6×(-20) = -0.006mm [Dmm×17.3×10-6×(-20)=-(0.000346×D)mm]이고, 0℃ 내지 -165℃의 열팽창량 =16mm×14.8×10-6×(-165) = -0.039mm [Dmm×14.8×10-6×(-165)=-(0.002442×D)mm]이므로, 각 환봉(32)의 직경은 0.045mm[(0.002788×D)mm]만큼 감소하게 된다. 즉, -165℃ 냉각 상태의 환봉(32)의 직경 공차는 -0.012mm 내지 -0.001mm [{(
Figure 112019018205392-pat00030
의 0.825%)-(0.002788×D)}mm 내지 {(
Figure 112019018205392-pat00031
의 1.1%)-(0.002788×D)}mm]가 되고 상온 20℃의 평강(31)의 각 홈 직경 공차가 0mm 내지 +0.015mm[+(
Figure 112019018205392-pat00032
의 0.372%)mm]이므로, 한 쌍의 평강(31)의 각 홈과 환봉(32)간의 최소틈새는 0.001mm이고, 최대 틈새는 0.027mm로 헐거운 끼워 맞춤 공차가 된다. 이에 따라, 한 쌍의 평강(110)의 마주 보는 홈에 환봉(32) 양단의 삽입이 매우 수월하게 이루어질 수 있다. 이와 같이, 230 단계에서는 복수 개의 환봉(32)을 액화질소의 증발에 의해 형성된 냉각 분위기에서 최소 -165℃ 이하로 냉각함으로써 각 환봉(32)의 크기의 +0.033mm 내지 +0.044mm [+(
Figure 112019018205392-pat00033
의 0.825%)mm 내지 +(
Figure 112019018205392-pat00034
의 1.1%)mm] 공차를 -0.012mm 내지 -0.001mm [{(
Figure 112019018205392-pat00035
의 0.825%)-(0.002788×D)}mm 내지 {(
Figure 112019018205392-pat00036
의 1.1%)-(0.002788×D)}mm]이하의 공차로 변형함에 따라 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 각 환봉(32)의 크기 상호간의 억지 끼워 맞춤의 공차는 헐거운 끼워 맞춤 공차로 변형된다.
240 단계에서는 230 단계에서 냉간 가공된 각 환봉(32)의 양측을 210 단계에서 제조된 한 쌍의 평강(31)의 서로 마주 보는 두 개의 홈(A)에 헐겁게 끼워 맞춘 상태에서 프레스로 압력을 가하면서 상온 20℃의 환경에서 방치시키는 방식으로 한 쌍의 평강(31) 사이에 복수 개의 환봉(32)을 결합시킨다. 여기에서, 프레스의 압력은 한 쌍의 평강(31) 사이에 복수 개의 환봉(32)이 헐겁게 끼워진 상태에서의 상온 복원 과정이 상당한 시간이 소요됨에 따라 상온 복원 과정에서 한 쌍의 평강(31)과 복수 개의 환봉(32)간의 조립 형태가 틀어지는 것을 방지하기 위해 사용된다.
상술한 바와 같이, 복수 개의 환봉(32)이 -165℃까지 냉각되었다가 상온 20℃로 되돌아오면 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 각 환봉(32)의 크기 상호간의 헐거운 끼워 맞춤의 공차는 억지 끼워 맞춤 공차로 복원된다. 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 직경이 16mm[Dmm] 미만이고 각 환봉(32)의 직경이 16.044mm[{D+(
Figure 112019018205392-pat00037
의 1.1%)}mm]를 초과하면 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 직경보다 각 환봉(32)의 직경이 지나치게 큼에 따라 평강(31)의 홈 주위에 균열이 발생할 수 있다. 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 직경이 16.015mm[{D+(
Figure 112019018205392-pat00038
의 0.372%)}mm]를 초과하고 각 환봉(32)의 직경이 16.033mm[{D+(
Figure 112019018205392-pat00039
의 0.825%)}mm] 미만이면 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 내면에 각 환봉(32)의 표면이 단단하게 압착 결합될 수 없음에 따라 수문 개폐 장치의 사용 중에 한 쌍의 평강(31)으로부터 환봉(32)이 쉽게 분리될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 랙바 제조방법의 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 도 8에 도시된 실시예에 따른 랙바 제조방법은 다음과 같은 단계들로 구성된다. 310 단계에서는 절삭 가공 등을 이용하여 스테인리스강 STS 304의 모재로부터 서로 대칭되어 일렬로 나열된 다수의 홈을 갖는 한 쌍의 평강(31)을 제조한다. 320 단계에서는 절삭 가공 등을 이용하여 스테인리스강 STS 304의 모재로부터 복수 개의 환봉(32)을 제조한다. 여기에서, 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 각 환봉(32)의 크기 상호간에는 억지 끼워 맞춤의 공차를 갖는다. 310, 320 단계에서 한 쌍의 평강(31)과 복수 개의 환봉(32)은 도 5에 도시된 실시예과 동일하게 도 5에 도시된 예의 크기로 제작된다. 따라서, 이것에 대한 자세한 설명은 도 5에 대하여 상술한 설명으로 갈음하기로 한다.
330 단계에서는 한 쌍의 평강(31)의 내부까지 균등하게 가열될 수 있도록 한 쌍의 평강(31)을 기름에 넣어 가열하는 방식으로 310 단계에서 제조된 한 쌍의 평강(31)을 열간 가공한다. 상온 20℃에서 각 평강(31)을 제조한 후에 열간 가공에서 100℃로 가열했을 경우, 열팽창량 = 16mm×17.3×10-6×80 = 0.022mm [(0.001384×D)mm]이므로, 평강의 홈(A)의 직경은 0.022mm 만큼 증가하게 된다. 즉, 100℃ 가열 상태의 평강(31)의 각 홈 직경 공차는 +0.022mm 내지 +0.037mm [+(0.001384×D)mm 내지 +{(
Figure 112019018205392-pat00040
의 0.372%)+(0.001384×D)}mm]가 된다.
340 단계에서는 복수 개의 환봉(32)의 내부까지 균등하게 냉각될 수 있도록 드라이아이스의 증발에 의해 형성된 냉각 분위기에서 복수 개의 환봉(32)을 냉각하는 방식으로 320 단계에서 제조된 복수 개의 환봉(32)을 냉간 가공한다. 상온 20℃에서 각 환봉(32)을 제조한 후에 냉간 가공에서 -70℃로 냉각했을 경우, 20℃ 내지 0℃의 열팽창량 =16mm×17.3×10-6×(-20) = -0.006mm [Dmm×17.3×10-6×(-20)=-(0.000346×D)mm] 이고, 0℃ 내지 -70℃의 열팽창량 =16mm×14.8×10-6×(-70) = -0.017 mm [Dmm×14.8×10-6×(-70)=-(0.001036×D)mm] 이므로, 각 환봉(32)의 직경은 0.022mm(반올림값 반영)[(0.001382×D)mm] 만큼 감소하게 된다. 즉, -70℃ 냉각 상태의 환봉(32)의 직경 공차는 0.011mm 내지 +0.022mm [{(
Figure 112019018205392-pat00041
의 0.825%)-(0.001382×D)}mm 내지 {(
Figure 112019018205392-pat00042
의 1.1%)-(0.001382×D)}mm]가 된다.
330 단계에서의 열간 가공에 의한 100℃ 가열 상태의 평강(31)의 각 홈 직경 공차는 +0.022mm 내지 +0.037mm [+(0.001384×D)mm 내지 +{(
Figure 112019018205392-pat00043
의 0.372%)+(0.001384×D)}mm]이고, 440 단계에서의 냉간 가공에 의한 -70℃ 냉각 상태의 환봉(32)의 직경 공차는 0.011mm 내지 +0.022mm [{(
Figure 112019018205392-pat00044
의 0.825%)-(0.001382×D)}mm 내지 {(
Figure 112019018205392-pat00045
의 1.1%)-(0.001382×D)}mm]이므로, 한 쌍의 평강(31)의 각 홈과 환봉(32)간의 최소틈새는 0.000mm이고, 최대 틈새는 0.026mm로 헐거운 끼워 맞춤 공차가 된다. 이에 따라, 한 쌍의 평강(31)의 마주 보는 홈에 환봉(32) 양단의 삽입이 매우 수월하게 이루어질 수 있다.
이와 같이, 330 단계에서는 한 쌍의 평강(31)을 최소 100℃ 이상의 기름에 넣어 최소 100℃ 이상으로 가열함으로써 각 홈의 크기의 0mm 내지 +0.015mm[+(
Figure 112019018205392-pat00046
의 0.372%)mm] 공차를 +0.022mm 내지 +0.037mm [+(0.001384×D)mm 내지 +{(
Figure 112019018205392-pat00047
의 0.372%)+(0.001384×D)}mm] 이상의 공차로 변형하고, 340 단계에서는 복수 개의 환봉(32)을 드라이아이스의 증발에 의해 형성된 냉각 분위기에서 최소 -70℃ 이하로 냉각함으로써 각 환봉(32)의 크기의 +0.033mm 내지 +0.044mm [+(
Figure 112019018205392-pat00048
의 0.825%)mm 내지 +(
Figure 112019018205392-pat00049
의 1.1%)mm] 공차를 0.011mm 내지 +0.022mm [{(
Figure 112019018205392-pat00050
의 0.825%)-(0.001382×D)}mm 내지 {(
Figure 112019018205392-pat00051
의 1.1%)-(0.001382×D)}mm] 이하의 공차로 변형함에 따라 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 각 환봉(32)의 크기 상호간의 억지 끼워 맞춤의 공차는 헐거운 끼워 맞춤 공차로 변형된다.
350 단계에서는 340 단계에서 냉간 가공된 각 환봉(32)의 양측을 330 단계에서 열간 가공된 한 쌍의 평강(31)의 서로 마주 보는 두 개의 홈(A)에 헐겁게 끼워 맞춘 상태에서 프레스로 압력을 가하면서 상온 20℃의 환경에서 방치시키는 방식으로 한 쌍의 평강(31) 사이에 복수 개의 환봉(32)을 결합시킨다. 여기에서, 프레스의 압력은 한 쌍의 평강(31) 사이에 복수 개의 환봉(32)이 헐겁게 끼워진 상태에서의 상온 복원 과정이 상당한 시간이 소요됨에 따라 상온 복원 과정에서 한 쌍의 평강(31)과 복수 개의 환봉(32)간의 조립 형태가 틀어지는 것을 방지하기 위해 사용된다.
상술한 바와 같이, 한 쌍의 평강(31)이 100℃까지 가열되고 복수 개의 환봉(32)이 -70℃까지 냉각되었다가 상온 20℃로 되돌아오면 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 각 환봉(32)의 크기 상호간의 헐거운 끼워 맞춤의 공차는 억지 끼워 맞춤 공차로 복원된다. 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 직경이 16mm [Dmm] 미만이고 각 환봉(32)의 직경이 16.044mm[{D+(
Figure 112019018205392-pat00052
의 1.1%)}mm]를 초과하면 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 직경보다 각 환봉(32)의 직경이 지나치게 큼에 따라 평강(31)의 홈 주위에 균열이 발생할 수 있다. 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 직경이 16.015mm[{D+(
Figure 112019018205392-pat00053
의 0.372%)}mm]를 초과하고 각 환봉(32)의 직경이 16.033mm[{D+(
Figure 112019018205392-pat00054
의 0.825%)}mm] 미만이면 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 내면에 각 환봉(32)의 표면이 단단하게 압착 결합될 수 없음에 따라 수문 개폐 장치의 사용 중에 한 쌍의 평강(31)으로부터 환봉(32)이 쉽게 분리될 수 있다.
도 8에 도시된 실시예에서는 한 쌍의 평강(31)에 대한 열간 가공과 복수 개의 환봉(32)에 대한 냉간 가공을 동시에 진행함으로써 평강(31)의 가열 온도를 낮추고 환봉(32)의 냉각 온도를 낮출 수 있어 랙바(30)의 조립 소요 시간을 대폭 줄일 수 있다. 질소의 비등점은 -196℃이고 이산화탄소의 비등점은 -78℃이므로 복수 개의 환봉(32)에 대한 냉간 가공만 진행하는 경우에는 드라이아이스가 사용될 수 없다. 이와 같이, 도 8에 도시된 실시예에서는 복수 개의 환봉(32)의 냉각에 액화질소 대신에 매우 저렴한 드라이아이스를 사용할 수 있음에 따라 랙바(30)의 제조 단가를 대폭 낮출 수 있다.
도 6, 7, 8에 도시된 실시예에 따라 제작된 랙바(30)의 사용 과정에서의 파손 가능성을 알아보기 위하여 총 3 개의 실시예와 총 4 개의 비교예를 제작한 후에 인발력 시험기를 이용하여 각 실시예와 비교예의 평강(31)과 환봉(32)에 인발력을 가하여 각 실시예와 비교예에 대한 인발력 시험을 실시하였다.
<실시예 1~3>
평강(31)의 각 홈(A)의 직경이 16.015mm이고 환봉(32)의 직경이 16.033mm이고 나머지 치수는 도 5에 도시된 예와 동일하게 되도록 상온 20℃에서 평강(31)과 환봉(32)을 제작한 후에 평강(31)을 180℃로 열간 가공하는 방식으로 도 6에 도시된 제조방법에 따라 실시예 1의 랙바를 제작하였다. 이와 같이, 실시예 1은 평강(31)의 홈 직경이 최대 허용치수로 가공되고 환봉(32)의 직경이 최소 허용치수로 가공된 경우이다.
평강(31)의 각 홈(A)의 직경이 16.008mm이고 환봉(32)의 직경이 16.039mm이고 나머지 치수는 도 5에 도시된 예와 동일하게 되도록 상온 20℃에서 평강(31)과 환봉(32)을 제작한 후에 환봉(32)을 -165℃로 냉간 가공하는 방식으로 도 7에 도시된 제조 방법에 따라 실시예 2의 랙바를 제작하였다. 이와 같이, 실시예 2는 평강(31)의 홈 직경과 환봉(32)의 직경이 최대 허용치수와 최소 허용치수의 중간 값으로 가공된 경우이다.
평강(31)의 각 홈(A)의 직경이 16.000mm이고 환봉(32)의 직경이 16.044mm이고 나머지 치수는 도 5에 도시된 예와 동일하게 되도록 상온 20℃에서 평강(31)과 환봉(32)을 제작한 후에 평강(31)을 100℃로 열간 가공함과 동시에 환봉(32)을 -70℃로 냉간 가공하는 방식으로 도 8에 도시된 제조 방법에 따라 실시예 3을 제작하였다. 이와 같이, 실시예 3은 평강(31)의 홈 직경이 최소 허용치수로 가공되고, 환봉(32)의 직경이 최대 허용치수로 가공된 경우이다.
<비교예 1~4>
평강(31)의 각 홈(A)의 직경이 16.024mm이고 환봉(32)의 직경이 16.024mm이고 나머지 치수는 도 5에 도시된 예와 동일하게 되도록 상온 20℃에서 평강(31)과 환봉(32)을 제작한 후에 평강(31)을 180℃로 열간 가공하는 방식으로 도 6에 도시된 제조 방법에 따라 비교예 1의 랙바를 제작하였다. 이와 같이, 비교예 1은 평강(31)의 흠 직경이 최대 허용치수보다 크게 가공되고, 환봉(32)의 직경이 최소 허용치수보다 작게 가공된 경우이다.
평강(31)의 각 홈(A)의 직경이 16.020mm이고 환봉(32)의 직경이 16.028mm이고 나머지 치수는 도 5에 도시된 예와 동일하게 되도록 상온 20℃에서 평강(31)과 환봉(32)을 제작한 후에 환봉(32)을 -165℃로 냉간 가공하는 방식으로 도 7에 도시된 제조방법에 따라 비교예 2의 랙바를 제작하였다. 이와 같이, 비교예 2는 평강(31)의 흠 직경이 최대 허용치수보다 크게 가공되고, 환봉(32)의 직경이 최소 허용치수보다 작게 가공된 경우이다.
평강(31)의 각 홈(A)의 직경이 15.985mm이고 환봉(32)의 직경이 16.059mm이고 나머지 치수는 도 5에 도시된 예와 동일하게 되도록 상온 20℃에서 평강(31)과 환봉(32)을 제작한 후에 평강(31)을 180℃로 열간 가공하는 방식으로 도 6에 도시된 제조 방법에 따라 비교예 3의 랙바를 제작하였다. 이와 같이, 비교예 3은 평강(31)의 홈 직경이 최소 허용치수보다 작게 가공되고, 환봉(32)의 직경이 최대 허용치수보다 크게 가공된 경우이다.
평강(31)의 각 홈(A)의 직경이 15.970mm이고 환봉(32)의 직경이 16.074mm이고 나머지 치수는 도 5에 도시된 예와 동일하게 되도록 상온 20℃에서 평강(31)과 환봉(32)을 제작한 후에 환봉(32)을 -120℃로 냉간 가공하는 방식으로 도 7에 도시된 제조 방법에 따라 비교예 4의 랙바를 제작하였다. 이와 같이, 비교예 4는 평강(31)의 홈 직경이 최소 허용치수보다 작게 가공되고, 환봉(32)의 직경이 최대 허용치수보다 크게 가공된 경우이다.
<시험예 1>
실시예 1~3, 비교예 1~4 각각에 대해 인발력 시험기를 이용하여 평강(31)과 환봉(32)이 결합된 방향의 반대 방향으로 인발력을 가하여 평강(31)과 환봉(32)의 결합 위치를 기준으로 환봉(32)이 평강(31)으로부터 1mm 이탈된 때의 인발력을 측정하였다. 그 실험 결과는 아래의 표 2에 기재되어 있다.
구분 평강(31)의 홈 직경 (mm) 환봉(32)의 직경 (mm) 인발력(N)
비교예 1 16.024 16.024 49
비교예 2 16.020 16.028 137
실시예 1 16.015 16.033 1825
실시예 2 16.008 16.039 1901
실시예 3 16.000 16.044 2087
비교예 3 15.985 16.059 1780
비교예 4 15.970 16.074 1610
표 2로부터 실시예 1 내지 실시예 3은 비교예 1 내지 비교예 4보다 인발력이 높음을 알 수 있다. 비교예 1 및 비교예 2는 실시예 1~3에 비해 환봉(32)의 직경이 평강(31)의 홈 직경보다 지나치게 작아서 랙바(30)의 인발력이 매우 낮게 나타남을 알 수 있다. 비교예 1 및 비교예 2가 수문 개폐 장치에 적용될 경우, 수문 개폐 장치의 사용 과정에서 한 쌍의 평강(31)으로부터 환봉(32)이 쉽게 분리될 수 있음을 알 수 있다.
비교예 3 및 비교예 4는 실시예 1~3에 비해 환봉(32)의 직경이 평강(31)의 홈 직경에 대해 큼에도 불구하고 랙바(30)의 인발력이 비교적 낮게 나타남을 알 수 있다. 그 원인을 찾기 위해, 비교예 3 및 비교예 4의 홈 부위를 살펴본 결과, 비교예 3 및 비교예 4의 홈 부위에 균열(crack)이 발생하였음을 볼 수 있었다. 특히, 비교예 3보다 비교예 4에서 더 크게 벌어지는 균열이 나타남에 따라 비교예 3보다 비교예 4의 인발력이 더 낮게 측정되었다. 비교예 3 및 비교예 4가 수문 개폐 장치에 적용될 경우, 수문 개폐 장치의 사용 과정에서 비교예 3 및 비교예 4의 홈 부위 균열은 점점 더 심해지고 되고 한 쌍의 평강(31)으로부터 환봉(32)이 쉽게 분리될 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 수문 개폐 장치의 랙바(30)의 평강(31)과 환봉(32)에 인발력을 가한 시험예 1의 그래프이다. 도 9에 도시된 그래프에 따르면, 평강(31)의 홈 직경이 점점 더 감소되고 환봉(32)의 직경이 점점 증가되는 순서대로 X축에 실시예 1~3과 비교예 1~4를 나열하고 Y축에 표 2에 기재된 인발력 시험 결과를 표시하였다. 도 9를 참조하면, 평강(31)의 홈 직경과 환봉(32)의 직경 기준치수가 16mm일 때, 평강(31)의 홈 직경을 0.000mm 내지 +0.015mm, 환봉(32)의 직경을 +0.033mm 내지 +0.044mm의 억지 끼워 맞춤 공차로 가공하여 도 6, 7, 8에 도시된 제조방법에 따라 랙바(30)를 제작한 경우 인발력이 매우 우수한 견고한 랙바(30)를 제조할 수 있음을 알 수 있다.
<시험예 2>
평강(31)과 환봉(32)의 기준 치수를 시험예 1의 D=16mm 규격 이외에 D=65mm 규격 65mm에 대해서도 추가적으로 표 1과 아래의 표 3에 따라 실시예 4~6, 비교예 5~8를 제작하고, 인발력 시험기를 이용하여 평강(31)과 환봉(32)이 결합된 방향의 반대 방향으로 인발력을 가하여 평강(31)과 환봉(32)의 결합 위치를 기준으로 환봉(32)이 평강(31)으로부터 1mm 이탈된 때의 인발력을 측정하였다. 그 실험 결과는 아래의 표 3에 기재되어 있다.
구분 평강(31)의 홈 직경 (mm) 환봉(32)의 직경 (mm) 인발력(N)
비교예 5 65.048 65.048 98
비교예 6 65.040 65.056 278
실시예 4 65.030 65.066 7570
실시예 5 65.016 65.078 8094
실시예 6 65.000 65.089 8466
비교예 7 65.970 65.120 7866
비교예 8 65.910 65.144 7512
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 수문 개폐 장치의 랙바(30)의 평강(31)과 환봉(32)에 인발력을 가한 시험예 2의 그래프이다. 도 10을 참조하면, 시험예 2 역시 시험예 1과 동일한 결과를 보여줌을 알 수 있다. D=22mm, 25mm, 26mm, 32mm, 35mm, 43mm, 51mm 규격에 대한 시험예 설명은 생략하나 시험예 1, 2와 동일한 결과가 나타남을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예, 비교예 및 시험예를 살펴보았다. 본 발명의 실시예, 비교예 및 시험예를 통하여 구체적으로 설명하였으나 이는 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니며 단지 본 발명을 입증하기 위한 것이다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 의해 제한되지 않으며, 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 프레임
20 : 수문판
30, 30' : 랙바
31, 31' : 평강
32, 32' : 환봉
40 : 기어박스
50 : 핸들
A, A' : 홈
S : 용접 부위

Claims (6)

  1. 수문 개폐 장치의 랙바 제조방법에 있어서,
    서로 대칭되어 일렬로 나열된 다수의 홈을 갖는 한 쌍의 평강(31)을 제조하는 단계;
    복수 개의 환봉(32)을 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 상기 각 환봉(32)의 크기 상호간에는 억지 끼워 맞춤의 공차를 갖고,
    상기 한 쌍의 평강(31)의 내부까지 균등하게 가열될 수 있도록 상기 한 쌍의 평강(31)을 기름에 넣어 가열하는 방식으로 상기 한 쌍의 평강(31)을 열간 가공하는 단계; 및
    상기 복수 개의 환봉(32)의 내부까지 균등하게 냉각될 수 있도록 액화기체의 증발에 의해 형성된 냉각 분위기에서 상기 복수 개의 환봉(32)을 냉각하는 방식으로 상기 복수 개의 환봉(32)을 냉간 가공하는 단계 중에서 적어도 하나의 단계를 더 포함하고,
    상기 각 환봉(32)의 양단을 상기 한 쌍의 평강(31)의 서로 마주 보는 두 개의 홈(A)에 헐겁게 끼워 맞춘 상태에서 상온으로 복원시키는 방식으로 상기 한 쌍의 평강(31) 사이에 상기 복수 개의 환봉(32)을 결합시키는 단계를 더 포함하는 수문 개폐 장치의 랙바 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 평강(31)을 제조하는 단계는 스테인리스강 STS 304의 모재로부터 상기 한 쌍의 평강(31)을 제조하고,
    상기 복수 개의 환봉(32)을 제조하는 단계는 스테인리스강 STS 304의 모재로부터 상기 복수 개의 환봉(32)을 제조하고,
    상기 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기는 기준 치수(D)에 대해 상온 20℃에서 0mm 내지 +(
    Figure 112019018205392-pat00055
    의 0.372%)mm의 공차를 갖고 상기 각 환봉(32)의 크기는 기준 치수(D)에 대해 상온 20℃에서 +(
    Figure 112019018205392-pat00056
    의 0.825%)mm 내지 +(
    Figure 112019018205392-pat00057
    의 1.1%)mm를 가짐에 따라 상기 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 상기 각 환봉(32)의 크기는 상호간에 억지 끼워 맞춤의 공차를 갖는 것을 특징으로 하는 수문 개폐 장치의 랙바 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열간 가공하는 단계는 상기 한 쌍의 평강(31)을 최소 180℃ 이상의 기름에 넣어 최소 180℃ 이상으로 가열함으로써 상기 각 홈의 크기의 0mm 내지 0mm 내지 +(
    Figure 112019018205392-pat00058
    의 0.372%)mm 공차를 +(0.002768×D)mm 내지 +{(
    Figure 112019018205392-pat00059
    의 0.372%)+(0.002768×D)}mm 이상의 공차로 변형함에 따라 상기 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 상기 각 환봉(32)의 크기 상호간의 억지 끼워 맞춤의 공차는 헐거운 끼워 맞춤 공차로 변형되는 것을 특징으로 하는 수문 개폐 장치의 랙바 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉간 가공하는 단계는 상기 복수 개의 환봉(32)을 액화질소의 증발에 의해 형성된 냉각 분위기에서 최소 -165℃ 이하로 냉각함으로써 상기 각 환봉(32)의 크기의 +(
    Figure 112019018205392-pat00060
    의 0.825%)mm 내지 +(
    Figure 112019018205392-pat00061
    의 1.1%)mm 공차를 {(
    Figure 112019018205392-pat00062
    의 0.825%)-(0.002788×D)}mm 내지 {(
    Figure 112019018205392-pat00063
    의 1.1%)-(0.002788×D)}mm 이하의 공차로 변형함에 따라 상기 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 상기 각 환봉(32)의 크기 상호간의 억지 끼워 맞춤의 공차는 헐거운 끼워 맞춤 공차로 변형되는 것을 특징으로 하는 수문 개폐 장치의 랙바 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 열간 가공하는 단계는 상기 한 쌍의 평강(31)을 최소 100℃ 이상의 기름에 넣어 최소 100℃ 이상으로 가열함으로써 상기 각 홈의 크기의 0mm 내지 +(
    Figure 112019018205392-pat00064
    의 0.372%)mm 공차를 +(0.001384×D)mm 내지 {(
    Figure 112019018205392-pat00065
    의 0.372%)+(0.001384×D)}mm 이상의 공차로 변형하고,
    상기 냉간 가공하는 단계는 상기 복수 개의 환봉(32)을 드라이아이스의 증발에 의해 형성된 냉각 분위기에서 최소 -70℃ 이하로 냉각함으로써 상기 각 환봉(32)의 크기의 +(
    Figure 112019018205392-pat00066
    의 0.825%)mm 내지 +(
    Figure 112019018205392-pat00067
    의 1.1%)mm공차를 {(
    Figure 112019018205392-pat00068
    의 0.825%)-(0.001382×D)}mm 내지 (
    Figure 112019018205392-pat00069
    의 1.1%)-(0.001382×D)mm 이하의 공차로 변형함에 따라 상기 한 쌍의 평강(31)의 각 홈의 크기와 상기 각 환봉(32)의 크기 상호간의 억지 끼워 맞춤의 공차는 헐거운 끼워 맞춤 공차로 변형되는 것을 특징으로 하는 수문 개폐 장치의 랙바 제조방법.
  6. 제 1 항의 제조 방법에 의해 제조된 랙바(30)가 적용된 수문 개폐 장치에 있어서,
    사각 틀 형태로 형성되어 수로면에 연직으로 설치되는 프레임(10);
    상기 프레임(10)의 양측부에 끼어져 승하강하면서 수로를 개폐하는 수문판(20);
    제 1 항의 제조 방법에 의해 제조된 랙바(30)로서 하단이 상기 수문판(20)에 연결되어 상기 수문판(20)을 승강시키는 랙바(30); 및
    다수의 기어 조합을 이용하여 인력에 의한 핸들의 회전 운동 또는 모터의 회전 운동을 랙바(30)의 승강 운동으로 변환하는 기어박스(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수문 개폐 장치.
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