KR102147694B1 - 압력 용기 라이너의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

압력 용기에 사용하기 위한 라이너 제조 방법은 알루미늄 합금 라이너 쉘(10)의 전이 구역(20b) 부분을 형상화하는 냉간 인발 공정을 포함한다. 전이 구역(20b)은 더 얇은 벽의 드럼 부분(18)과 쉘의 개방된 상단에 있는 더 두꺼운 벽의 단부 영역(20a)을 연결한다. 전이 구역(20b)은, 냉간 인발 프레스로부터 제거하는 동안 파열에 대한 쉘의 민감도를 줄이고, 또한 단부 영역(20a)으로부터 나사산 방식 넥이 형성되는 후속 공정에 대비하여 쉘 재료를 재분배하도록, 냉간 인발 공정에 의해 형상화될 수 있다. 이러한 공정은 AA7060 또는 AA7032와 같은 더 단단한 알루미늄 합금을 가공하는 데 특히 적합하다.

Description

압력 용기 라이너의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING PRESSURE VESSEL LINERS}

본 발명은 압력 용기에 사용하기 위한 원통형 라이너의 제조에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 일단은 폐쇄되고 타단은 용기에 피팅(fitting)들의 부착을 위한 나사산 방식 넥(neck)을 가진 이음매 없는 알루미늄 합금 압력 용기 라이너의 제조에 관한 것이다.

본 발명과 관련된 유형의 압력 용기는 일반적으로, 산소 또는 교정 기체와 같은 유체 및 기체를, 수소 기체의 경우에는 700 bar까지 일 수 있지만, 통상 약 300 내지 380 bar의 압력까지 수용하는 데 사용된다. 의료용 휴대 산소 병 및 자가 호흡 장치와 같은 많은 응용 분야에서, 흐름은 심각한 약화 없이, 동시에, 상당히 많은 가압 및 감압을 견딜 수 있는 최소 무게의 용기를 제공하는 것이다. 하나의 해결책은 (일반적으로 단순히 알루미늄으로 지칭되는) 알루미늄 합금 또는 탄성 중합체 재료와 같은 경량 재료로 만들어진 얇은 불침투성 라이너를 제공하는 것이다. 이러한 재료는 비교적 팽창성이고 내부 압력을 견딜 수 없으므로, 에폭시 수지와 같은 수지로 함침된 탄소, 아라미드 및/또는 유리 섬유로 감아서 강화된다. 따라서, 라이너의 주 목적은 유체를 수용하고 기체 압력을 섬유에 전달하는 것이다. 알루미늄 라이너들은 또한 부하의 일부를 흡수함으로써 도움을 준다. 최고의 성능은 완전히 감싸인 라이너로 달성된다. 즉, 세로 및 원주 양 방향 응력을 흡수하도록 강화되는 것이다. 따라서, 섬유는 가능한 한 세로 방향에 가깝게 원주 방향으로 그리고 나선형으로 원통형 라이너 주위로 감긴다.

완전히 감싸인 알루미늄 라이너는 잘 알려져 있고, 수년 동안 생산되어 왔다. 제조 방법은, 제품 성능이 향상됨에 따라 수년에 걸쳐 개선되거나 추가된 다수의 단계를 포함한다. 초기 공정들은 압출, 인발, 성형의 단계를 기반으로 하였다. 알루미늄은 대기 온도에서 다이를 통해 압출되어 일단이 폐쇄된 중공 관을 얻는다. 이후 라이너 관의 직경 감소뿐만 아니라 알루미늄 재료의 강화를 위해, 감소된 직경의 제2 다이를 통해 관이 인발된다. 관은 길이로 절단된다. 재료를 세로 방향 넥을 가진 반구형 단부로 유도하기 위해 관이 회전될 때 관을 가열하고 나서 관에 압력을 가함으로써 용기의 둥근 단부가 형성된다.

나사산 방식 넥에 대한 요건은 넥 부근에서 용기가 특정의 최소 두께를 가져야 함을 의미한다. 즉, 피팅의 부착을 위한 나사산 가공을 지지하도록 허용하기 위해 넥에 충분한 재료가 있어야 한다. 더욱이, 넥부(neck portion)는 완성된 실린더에서 덜 효과적으로 감싸이지만, 여전히 저장 기체에 의해 피팅에 작용하는 압력에 저항할 필요가 있다. 이러한 고려들은 넥에 사용되어야 하는 재료의 양에 대한 최소 한계를 효과적으로 설정한다. 종래 기술의 제조 방법에서, 용기 관은 균일한 두께로 만들어졌다. 따라서, 넥에서 두께 요건은 용기의 나머지를 동일한 두께로 제한하였고, 그 결과 드럼 부분은 필요 이상으로 더 두꺼웠다. 결국, 라이너는 과도한 재료를 포함하였고, 비용 및 무게를 전혀 줄이지 못하였다.

CA 2,151,862는, 압출된 알루미늄 관이 유동 성형기에 장착된 초기 제조 공정의 개발을 기술한다. 롤러들이 관에 압력을 가하여 단부 영역의 두께를 유지하면서 드럼 영역의 두께를 감소시킨다. 이후 단부 영역은 스핀 성형되어, 세로 방향으로 연장된 넥을 가진 실질적으로 폐쇄된 돔 형상의 단부를 생성한다.

드럼 영역에서 더 얇은 벽을 가진 실린더를 생성하는 세 가지 공정들이 JP 2000/202552에 기술되어 있다. 이러한 공정들은 관 또는 컵 형상의 쉘(shell)이 형성되는 초기 단계에 차이가 있다. 예를 들어, 펀치와 다이 사이에 알루미늄 빌렛을 성형함으로써 쉘이 형성된다. 그 결과 일단이 폐쇄된 관이 된다. 이후 관의 중심 드럼 부분은 스피닝에 의해 더 두꺼운 개방된 단부 영역이 폐쇄되기 전에 아이어닝(ironing)에 의해 두께가 감소된다.

라이너의 무게를 줄이는 다른 접근법은 더 적은 양의 더 강한 재료를 사용하는 것이다. 다양한 알루미늄 합금이 라이너 제조에 사용되어 왔다. 석출 경화될 수 있는 알루미늄 합금, 예컨대, 1994년 개정된 알루미늄 협회 발간 "단조 알루미늄 및 알루미늄 합금에 대한 국제 합금 명칭 및 화학 조성 제한 국제 합금"에 정의된 것과 같은 AA2xxx, AA6xxx, AA7xxx, 및 AA8xxx 계열이 일반적으로 바람직하다. 그러나, AA7060과 같은 더 강한 합금은, AA6061과 같은 더 약한 합금에 대해 성공적으로 사용되었던 가공 방법들에 적합하지 않다.

따라서, 종래 기술의 방법들로 가능한 것보다 더 다양한 재료에 적용될 수 있는 새로운 알루미늄 라이너 제조 방법에 대해 인식할 필요성이 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 더 단단한 AA7xxx 계열을 포함한 다양한 알루미늄 합금에 걸쳐 효과적으로 이용될 수 있는 제조 공정을 제공하는 것이다. 특히, 결과적으로 제조된 라이너는, 완전히 감싸일 경우, 종래 기술에서 알려진 동일한 압력 용기들보다 잠재적으로 더 작고 더 가볍다.

따라서, 본 발명은, 압력 용기에 사용하기 위한 라이너를 제조하는 방법으로서,

(a) 폐쇄된 크라운 단부 및 개방된 상단을 가진 쉘로서, 더 얇은 벽을 가진 드럼 영역, 더 두꺼운 벽을 가진 개방된 상단에서의 단부 영역, 및 두께가 점점 줄어드는 중간 전이 구역을 갖는, 알루미늄 합금으로 된 컵 형상의 쉘을 제공하는 단계;

(b) 인발 작업 시 쉘의 전이 구역과 만나는, 일반적으로 원통형 벽 및 형상화된 상부 영역을 가진 펀치를 이용하여 쉘을 냉간 인발하는 단계;

(c) 단부 영역 및 전이 구역을 성형하여 개방된 상단을 폐쇄하고 단부 영역 및 전이 구역으로부터 연장되는 넥을 형성하는 단계; 및

(d) 넥 안에 나사산을 절삭하는 단계를 포함하는, 방법을 제공한다.

본 발명은, AA6061과 같은 더 연질의 알루미늄 합금들뿐만 아니라, 이전에 냉간 가공용으로 비교적 가공하기 힘든 재료로 간주된, AA7060 및 AA7032 재료들을 가공하는 데 적합하다는 점에서 유리하다. 그러나, 특히 본원에 설명된 방법에 따라 실린더의 전이 구역이 냉간 인발에 의해 형상화되는 경우, 이러한 재료들에 냉간 가공이 효과적으로 적용될 수 있다는 것을 놀랍게도 알게 되었다.

바람직한 실시예에서, 펀치의 형상화된 상부 영역은 일반적으로 안쪽으로 연장되며, 냉간 인발하는 단계는,

(i) 적어도 쉘의 단부 영역의 외경보다 더 작은 직경의 다이 안으로 펀치 및 쉘을 밀어 넣는 단계; 및

(ii) 펀치의 원통형 부분이 쉘의 전이 구역을 추가로 형성하도록 쉘로부터 펀치를 빼내는 단계를 포함한다.

이러한 냉간 인발 공정 동안, 전이 구역은 안쪽으로 밀어져, 펀치의 형상화된 상부 영역과 만난다. 펀치가 빼내어질 때, 그 하부의, 일반적으로 원통형 부분은 형상화된 전이 구역을 후방으로 바깥쪽으로 밀어내고 전이 구역의 내면을 유리하게 평탄화한다. 이는, 결국, 쉘 전이 구역에 부여된 형상화가 쉘의 외측에 전달되도록 한다. 이러한 형상화는 쉘의 가공에 있어서 추가 단계들에 유리하도록 될 수 있다.

특히, 펀치의 형상화된 상부 영역이, 오목한 곡률 반경 R2를 가진 제2 내향 만곡부에 인접한 볼록한 곡률 반경 R1을 가진 제1 내향 만곡부를 포함하는 실시예들에서, 제1 부분은, 파열에 덜 민감하게 하면서, 펀치로부터 빼낼 때 쉘을 어느 정도 보호하고, 제2 부분은 쉘 벽을 쉘의 단부 영역쪽으로 효과적으로 두껍게 한다. 이러한 후자의 효과는, 상단을 폐쇄하고 라이너의 넥을 형성하기 위한 단부 영역의 후속 가공에서 유리하다.

R1은 바람직하게 R2보다 크고, 바람직하게 R2 ± 20%의 2배와 같다.

R1 및 R2는 다음 식에 의해 결정될 수 있다.

여기서, 쉘의 단부 영역은 인발 후, 두께 Tfm을 갖고, 전이 구역은 인발 후, 최대 두께 FTT를 가진 웨지(wedge)부를 갖고, A는 11과 60 사이의 상수 값이다.

냉간 인발 작업 시 펀치 및 쉘이 밀려 들어갈 수 있는 다이는, 쉘의 드럼 영역의 외경보다 더 작은 직경을 또한 가질 수 있다. 이렇게 더 작은 직경의 쉘은 쉘의 길이를 따라 냉간 가공이 수행되도록 허용하여, 쉘의 길이를 증가시키고, 쉘 벽을 얇게 하며, 전체적으로 재료를 강화시킨다.

냉간 인발 이전에, 폐쇄된 크라운 단부 및 개방된 상단을 가진 컵 형상의 쉘은 기계 가공에 의해 형상화되어, 더 얇은 벽을 가진 드럼 영역, 더 두꺼운 벽을 가진 단부 영역, 및 두께가 점점 줄어드는 전이 구역을 가진 쉘을 제공할 수 있다. 대안적으로, 이러한 형상화된 쉘은, 종래 기술에서 알려진, 예컨대 JP 2002/202552에 기술된 것과 같은, 방법들을 이용하여 제공될 수 있다. 그러나, AA7060과 같은 더 단단한 알루미늄 합금을 가공하는 데 기계 가공이 더 적합한 것으로 알려져 있다.

컵 형상의 쉘은 바람직하게 알루미늄 합금의 압출에 의해 형성된다. 대안적으로, 컵 형상의 쉘은 딥 드로잉에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 방법에서, 쉘 상단 및 넥은 스핀 성형에 의해 형성될 수 있다.

알루미늄 합금은 바람직하게 AA7xxx 또는 AA2xxx 계열로부터 선택된 하나와 같은 강한 합금이다. 특히, 알루미늄 합금은 AA7xxx 계열로부터 선택될 수 있고, 바람직하게는 AA7060 및/또는 AA7032이다. 이러한 합금들은, 그 사용이 기술 분야에서 알려진 것과 유사한 강도로 제조되지만 재료를 덜 사용할 수 있도록 하는, 특히 강한 알루미늄 재료들이다. 따라서, 이러한 라이너는 종래 기술의 라이너보다 더 가볍고 더 휴대성이 있어 그 유용성을 향상시킨다. 냉간 인발의 단계는 15 내지 38%의 양으로, 바람직하게는 25 내지 38%의 양으로, 쉘을 냉간 가공하는 단계를 포함한다.

이하, 단지 예로서, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 라이너 제조에 포함된 공정 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 압출 후 라이너의 개략도의 단면이다.
도 3은 기계 가공에 의해 형상이 조정된 후의 동일한 라이너를 도시한다.
도 4a는 냉간 인발 공정의 시작 시 기계 가공된 라이너의 개략도이다.
도 4b는 동일한 라이너가 냉간 인발 공정의 초기 단계를 거칠 때의 동일한 라이너를 도시한다.
도 4c는 도 4b의 박스 C에 대한 확대도로서, 냉간 인발 펀치의 형상화된 영역을 나타낸다.
도 4d는 냉간 인발 작업의 종료 시 라이너를 도시한다.
도 4e는 냉간 인발 펀치로부터 제거되는 라이너의 개략도이다.
도 5는 냉간 인발 후 라이너의 연신 및 형상화를 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 5의 라이너의 부분(20b)에 대한 확대도로서, 본 발명에서 중요한, 더 얇은 벽에서 더 두꺼운 벽으로의 전이 형상을 나타낸다.
도 7은 넥을 형성하기 위한 스피닝 공정을 거친 후의 라이너 단면도이다.
도 8은 밸브 피팅의 부착에 대비한 나사산 가공 후 라이너의 넥에 대한 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따라 라이너를 제조하기 위해, 냉간 인발 펀치의 형상화된 영역을 설계하는 데 포함된 공정 단계들을 나타내는 흐름도이다.

도 1 및 다른 도면들을 적절히 참조하여, 본 발명의 방법에 따라 제조된 라이너의 예를 이하 설명한다.

제1 단계(S10)에서, 쉘을 형성하기 위해, 유압 프레스를 이용하여 AA7060 알루미늄 합금의 둥근 빌렛이 냉간 후방 압출된다. 도 2는 이러한 방법에 의해 생성된 쉘(10)의 일례를 도시한다. 프레스는 쉘의 내경 및 폐쇄된 하부에 각각 대응하는 직경 및 돔 형상의 하부를 가진 펀치 및 쉘의 외부 하단에 대응하는 형상을 가진 대응 다이를 포함한다. 펀치는 빌렛을 세로 방향으로 다이 안으로 밀어 넣는다. 빌렛은 펀치 주위로 후방 압출되어 컵 형상의 쉘(10)을 형성한다. 쉘(10)은 둥근 폐쇄된 크라운 영역(16), 및 균일한 벽 두께의 관형부(18, 20)를 포함한다. 관형부(18, 20)는 드럼 영역(18) 및 개방된 단부 영역(20)을 포함하는 것으로 더 간주될 수 있다.

제2 단계(S20)에서, 쉘(10)은 외부의 기계 가공을 위한 컴퓨터 수치 제어(CNC) 선반에 장착된다. 도 3은 기계 가공 후 쉘(10)의 단면 외관을 도시한다. 기계 가공 단계(S20)의 목적은 드럼 영역(18)의 벽을 얇게 하는 것으로, 강도 요건을 초과하는 합금 재료를 제거한다. 쉘 개구 근처의 단부 영역(20)의 부분(20a)은 실질적으로 원래 두께를 유지하기 위해 기계 가공되지 않거나, 최소 한도로 기계 가공된다. 더 두꺼운 단부(20a)와 더 얇은 드럼 영역(18) 사이에 있는, 단부 영역의 나머지(20b)는 기계 가공되어 전이 구역을 형성한다. 전이 구역(20b)에서, 벽은 일반적으로 (드럼(18) 및 단부(20a) 영역의) 두 개의 두께 사이에서 직선적으로 점점 줄어든다.

쉘(10)은 다음 단계(S30)에서 냉간 인발에 대비하여 합금을 연질화하기 위해 어닐링된다. 어닐링은 가공되는 합금에 적절한 범위의 온도에서 수행된다. 본 실시예에서, 쉘 재료는 AA7xxx 계열 알루미늄 합금에 속하므로, 385 내지 405℃에서 3 내지 5 시간 동안 어닐링된다. 쉘(10)은 상온까지 냉각되도록 한다.

어닐링(S30)에 이어 냉간 인발(S40)이 뒤따른다. 냉간 인발은, 상당한 회복 또는 재결정화가 일어나는 온도 이상에서 재료가 변형되도록 쉘을 늘리는 것을 의미한다. 냉간 인발은 바람직하게 대기 온도에서 또는 대기 온도 가까이에서 수행된다.

냉간 인발(S40) 공정에 포함된 단계들의 순서는 도 4a 내지 도 4e에 더 자세히 도시되어 있다. 먼저 도 4a를 참조하면, 쉘(10)은 냉간 인발 프레스(22)에 도시되어 있다. 쉘(10)은 윤활 처리되고, 직경 및 하부가 일반적으로 쉘의 내경 및 크라운(16)과 일치하는 펀치(24) 위에 장착된다. 펀치(24)는 일반적으로 그 상부 쪽으로, 형상화된 영역(24a)을 가진 원통형이다. 이는 도 4c에 더 자세히 도시되어 있다. 프레스(22)는 펀치(24), 쉘(10) 가공을 담당하는 다이(26), 공정 제어와 관련된 다양한 장비(미도시)를 지지하는 받침대(28), 및 스트리퍼 플레이트(30)를 포함한다. 도 4a에서, 쉘(10) 및 펀치(24)는 냉간 인발 공정(S40)에 대비하여 가이드에 의해 지지되는 것으로 도시되어 있다.

도 4b는 냉간 인발의 시작 시 냉간 인발 프레스(22)를 도시한다. 다이(26)는 쉘(10)과 동일한 전체 형상을 갖지만, 그 직경은 쉘의 드럼 영역의 외경보다 작다. 따라서, 쉘(10)이 다이 안으로 밀려 들어갈 때, 벽에서 냉간 가공이 수행되어, 벽은 더 얇아지고 신장된다. 즉, 쉘(10)의 전체 길이는 증가하고 그 벽 두께는 감소한다.

전술한 바와 같이, 펀치(24)는 형상화된 영역(24a)을 포함한다. 이는, 도 4b의 박스 C에 대한 확대도인 도 4c에 더 자세히 도시되어 있다. 형상화된 영역은 완만하게 만곡된다. 하부는 볼록한 곡률 반경 R1을 가지고 (펀치의 내측 부분을 향해) 안쪽으로 만곡된다. 그리고 나서 형상은 오목한 곡률 반경 R2를 취한다. 도 4c에서 볼 수 있는 바와 같이, 냉간 인발 이전에, 이로 인해 펀치(24)와 쉘(10)의 내면 사이에 간극(32)을 남긴다. 냉간 인발이 계속됨에 따라, 쉘(10)은 웨지 형상의 전이 구역(20b)이 펀치의 형상화된 영역(24a)에 인접하여 위치할 때까지 신장되며, 형상화된 영역(24a)은 그 지점에서 다이(26) 안으로 밀려 들어가려 한다. 펀치(24)를 다이(26) 안으로 더 이동시키면 결과적으로 전이 구역(20b)이 길이를 따라 벽 두께가 변하는 만곡 형상으로 형성되도록 펀치의 형상화된 영역(24a)에 대해 프레싱된다. 쉘이 완전히 다이(26) 안으로 강제되었을 때, 냉간 인발 사이클(S40)의 완료가 도 4d에 도시되어 있다.

도 4e는 펀치(24)로부터 제거되는 쉘(10)을 도시한다. 도 4d에 도시된 상황 후에, 스트리퍼 플레이트(30)는 안쪽으로 이동되어 쉘(10) 위에서 펀치(24)의 측면과 만난다. 펀치(24)는 이후 다이로부터 빼내어진다. 쉘(10)이 펀치를 이용하여 상승될 때, 쉘의 가장자리는 스트리퍼 플레이트(30) 상에 걸린다. 펀치(24)는 이후 계속 빼내어지고 쉘(10)은 제거된다. 그러나, 이러한 빼냄은 전이 구역(20b) 상에서 추가 가공이 수행되도록 한다. 냉간 인발 공정 중에 전이 구역(20b)은 안쪽으로 만곡되었다는 것이 상기될 것이다. 즉, 이러한 영역에서 쉘의 내면은, 쉘(10)의 나머지뿐만 아니라 펀치의 원통부의 직경보다 작은 직경을 가지고, 안쪽으로 만곡된다. 따라서, 펀치가 위쪽으로 당겨져 쉘에서 떨어질 때, 쉘 전이 구역(20b)은 그 내면 상에서 평활화된다. 그 결과, 전이 구역(20b)은 더 재형상화되고 만곡 변형은 외면으로 전달된다.

도 5는 냉간 인발 후 쉘(10) 자체의 단면도이다. 결과는, 도 3에 도시된 냉간 인발 전 쉘(10)과 비교하면, 길이의 증가, 벽 두께의 감소, 및 전이 구역(20b)의 재형상화이다. 도 6에 재형상화된 전이 구역(20b)의 단면도가 더 자세히 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 라이너 쉘의 내면(34)은 본질적으로 원만하게 원통형이다. 따라서 이러한 단면도에서, 내면(34)은 실린더의 세로 축에 실질적으로 평행한 직선으로 보인다. 외면(36)은 냉간 인발 공정(S40)에 의해, 일반적으로 만곡된 두께 증가를 가진 영역 내로 형성된다. 전이 구역(20b)이 이러한 두께를 증가시키기 시작하는 지점에서 (냉간 인발 후) 쉘의 드럼부(18)의 두께(LT)가 도 6에 표시되어 있다. 제1 길이(FTL)에 대해, 벽은 단면에서, 얕은 웨지 각(α)을 형성하면서, 일반적으로 선형의 두께 증가를 가진다. 그 길이(FTL) 이후, 표면(36)은 위쪽으로 상승하여, 비교적 큰 곡률 반경 R1을 가진 (오목한) 만곡 프로파일로 쉘 벽의 두께를 증가시킨다. 이후, 만곡은 곡률 반경 R2를 가지고 볼록해지며, 쉘 벽의 두께는 쉘의 더 두꺼운 단부의 두께 Tfm까지 증가한다. 이러한 곡률 반경 R1 및 R2는 펀치(24)의 형상화된 영역(24a)에 의해 나타나는 곡률 반경과 대략 동일하므로, 동일한 참조 부호가 사용될 것이다. 그러나, 펀치로부터 쉘을 제거하는 데 있어서 내재하는 약간의 스프링백(springback) 및 기타 변형이 있으므로 가정된 동등함은 대략적일 뿐임을 명심해야 한다.

냉간 인발 작업뿐만 아니라 전이 구역(20b)의 형상 설정에 있어서 고려할 다수의 인자들이 있다. 이러한 고려 사항들은 본 발명의 방법에 대한 많은 실시예들에 중심이 되며 후에 자세히 다루어질 것이다. 현재로는, 냉간 인발이 쉘의 벽을 강화하고 얇게 하며, 전이 구역(20b)의 형상을 조정함을 이해하는 것으로 충분하다.

냉간 인발(S40) 이후, 다음 단계(S50)는 쉘(10)의 단부 영역(20a, 20b)을 바깥쪽으로 연장되는 넥(42)을 가진 실질적으로 폐쇄된 돔 형상의 단부 캡(40)으로 스핀 성형하는 것이다. 스핀 성형은 일반적이며, 원통형 용기 상에 넥 부분을 형성하는 데 흔히 사용되는 잘 알려진 기술이다. 예를 들어, 스핀 성형은 앞서 참조한 CA 2,151,862 및 JP 2000-202552의 두 선행 기술 절차에서 모두 사용된다. 따라서, 더 이상 설명하지 않는다.

전이 구역(20b) 및 더 두꺼운 단부(20a)는 다음과 같이 단부 캡(40) 및 넥(42)으로 형성된다. 직선 웨지(FTL)는 쉘 원통부의 상부 영역을 형성한다. 쉘 재료는 중심을 향해 만곡되므로, 제1 만곡 영역(R1)은 돔 형상의 단부 캡의 제1 굴곡을 포함한다. 제2 만곡 영역(R2)은 단부 캡(40)이 넥을 형성하기 시작하는 제2 굴곡을 포함한다. 넥 자체는 주로 쉘의 더 두꺼운 단부(42)로부터의 재료로부터 형성된다.

스핀 성형의 대안은 연속적으로 형상화된 다이들에 의해 부여된 작은 변형들에 의해 캡 및 넥이 형성되는 다중 다이 성형이다.

스피닝 후에, 쉘(10)은 용액 처리(S60)를 거친다. 용액 처리는 모든 또는 대부분의 가용성 원소들이 용액 내로 수용되는 온도(알루미늄 합금의 경우 일반적으로 400 내지 545℃)로 합금을 가열하고 나서 대부분 또는 모든 가용성 원소들을 용액 내에 유지하기 위해 충분한 속도로 냉각함으로써 수행된다. 용액 처리에 이어 합금 강도를 높이기 위해 시효 경화가 뒤따른다. AA7060 합금의 구체적 예에서, 시효는 두 단계 공정으로 수행되며, 두 번째 단계의 온도가 첫 번째 단계의 온도보다 더 높다. 용액 처리 및 시효 경화는 잘 알려진 처리 기술이며, 알루미늄 합금에의 적용은 잘 문서화되어 왔다. 따라서, 공정에 대한 상세는 당업자에게 명백할 것이므로, 추가적인 상술은 불필요하다. 이러한 열처리는 고압 용기로 사용하는 데 필요한 기계적 특성 및 내식성을 라이너에 부여한다.

본 발명에 따른 라이너 제조의 마지막 단계(S70)에서, 쉘(10)은 기계 가공을 위해 CNC 선반에 다시 장착된다. 도 8을 참조하면, 넥(42)의 내부 부분 안으로 나사산 영역(44)을 절삭하기 위해 선반이 사용된다. 이러한 요건은 더 두꺼운 넥부에 대한 이유 중 하나이다: 넥부는 나사산이 절삭될 수 있도록 충분한 벽 두께를 가져야 한다. 대안적 실시예들은 외부적으로 나사산 방식일 수 있다. 이러한 단부를 폐쇄하기 위해 그리고 사용에 대비하여 밸브 피팅(46)이 라이너에 나사 결합된다.

실린더 제조 공정을 완료하기 위해, 라이너(10)는 에폭시 수지로 함침된 고강도 탄소 섬유로 강화된다. 섬유는 종래의 방식으로, 예컨대 나선 및 띠 방향으로 모두 감겨 세로 및 원주 양 방향의 응력에 대한 저항력을 제공한다. 에폭시 수지로 또한 함침된 유리 섬유 층 또한 실린더 상에 감겨 탄소 섬유에 대한 추가적 보호를 제공한다. 섬유/에폭시 복합체 오버랩(overwrap)은 이후 완전히 경화된다. 마지막으로, 감싸인 실린더는 잔류 압축 응력을 유도함으로써 내구성을 높이기 위해 오토프레타즈(autofrettage) 작업을 거친다.

냉간 인발 작업(S40) 및 전이 구역(20b)의 형상화로 되돌아가면, 3개의 매개 변수에 대한 세부 사항을 결정하는 데 기여하는 인자들이 이하 설명된다.

인발을 통해 실린더에 유도되는 냉간 가공량은 후속 어닐링 공정 후 미세한 결정립 크기를 만들어 내기에 충분해야 한다. 즉, 2차 결정립 성장을 억제하기에 충분해야 한다. 이러한 요구량은 합금 조성 및 어닐링 공정의 세부 사항과 같은 인자들에 의존한다. 2차 결정립 성장은 특히 비교적 낮은 정도의 냉간 가공에서 일어나기 쉽다. 실제 AA7060 합금에서, (크라운 표면적 변화에 의해 정의된 바에 따른) 20%의 냉간 가공이 최소 요건일 가능성이 높다. 반면, 냉간 가공량이 너무 높으면, 쉘(10)은 가공 중에 파열된다. AA7xxx 계열 합금은 비교적 가공하기 어려우며, 특히 냉간 인발 작업 중에 파열되기 쉽다. AA7060에 대한 냉간 가공의 상한은 38% 영역인 것으로 밝혀졌다.

이러한 한계는 주로 쉘의 드럼(18) 및 크라운(16) 부에 적용된다. 더 두꺼운 단부(20)는 일반적으로 인발 단계(S40)에서 냉간 가공이 덜 일어나지만, 후에 넥을 형성하는 공정은 합금 미세구조를 바꾸어 더 앞선 공정의 효과를 덜 중요하게 한다.

도 4c 내지 도 4e를 다시 참조하면, 펀치(24)로부터 쉘(10)을 제거할 때, 안쪽으로 향한 전이 구역(20a)에 바깥쪽으로 작용하는 힘이 펀치로부터 가해진다. 이 힘의 효과는 제1 곡률 R1의 시작 시 가장 강하게 느껴진다. 즉, 거리 FTL 이후 초기 웨지 형상이 안쪽으로 만곡되기 시작할 때 가장 강하게 느껴진다. 따라서, 쉘의 더 긴 길이를 따라 이 힘을 분배시켜서 재료 파열의 가능성을 줄이기 위해, 곡률 반경은 비교적 크게 유지된다.

도 7을 참조하면, 나사산 가공을 지지하기 위해, 넥 영역, 즉, 전이 구역의 더 두꺼운 단부(20a)에서, 더 많은 쉘 재료를 갖는 것이 바람직함이 분명하다. 도 6을 다시 참조하면, 초기 기계 가공 단계(S20)의 결과인, 웨지 형상으로부터 전이 구역(20b)을 재형상화하는 효과는, 웨지의 중간 부분으로부터 일부 재료를 제거하여 더 두꺼운 부분으로 재배치하는 것임을 알 수 있다. 재료의 감소 및 제1 비선형 부분의 큰 곡률 반경은 냉간 인발 및 냉간 인발 펀치로부터의 쉘 제거를 돕는다. 상부에 재료를 추가하는 것은 스피닝 또는 기타 넥 형성 과정을 돕는다. R1의 값은 바람직하게 R2의 값의 약 2배이다.

도 9는 특정 라이너 구성에 대한 전이 구역 설계에 포함된 단계들을 나타낸다. 이것은 냉간 인발 공정을 참조하여 이루어졌고, 본질적으로 제조 공정을 통한 요건의 이면 작업이다. 처음 S80 단계에서, 쉘의 넥부 및 드럼부의 인발 후 두께는 최종 실린더 설계, 예컨대, 설계 표준에 따른 내압성, 실린더 무게 등의 목표를 달성하도록 선정된다. 그리고 나서, 인발율 공차는 드럼 및 단부 영역의 인발 전 두께를 결정한다(S82). 냉간 인발 후, 경험에 비추어 보면, AA7060 합금에 대해, 웨지 각(α)은 바람직하게 1.5^o 내지 3^o 이다. (펀치에 대한) R1 및 R2는 다음 식에 의해 결정된다(S84).

여기서, Tfm은 쉘 단부 영역(20a)의 두께, FTT는 전이 구역의 선형 웨지 형상부의 단부에서의 두께, A는 상수이다. A의 값은 11과 60 사이이다.

FTL, R1 및 R2의 값들로부터, 전이 구역(20b)의 길이가 결정될 수 있다(S86). 이는 냉간 인발 전의 길이 및 그에 따라 초기에 쉘로 기계 가공되어야 하는 웨지의 형상 및 크기를 결정하는 데 이용될 수 있다(S88).

도 3 및 도 5의 도시의 근거가 되는 구체적인 예에서, 냉간 인발은 쉘(10)에 대해 균일하게 분배되지 않는다. 쉘(10)의 길이는 235 mm에서 290 mmm로 증가된다. 즉, 23%의 신장을 보인다. 드럼 영역(18)은 1.75에서 1.3 mm로 줄어들고, 단부 영역(20a)은 4.4에서 4.0 mm로 줄어든다. 즉, 각각 26% 및 9.1%만큼 줄어든다. 이러한 인발 단계(S40)에서 쉘(10)에 행해지는 냉간 가공량에 대한 측정을 얻기 위해, 유용한 측정은 인발 전후 크라운부(16)의 표면적 비이다.

AA7060 알루미늄 합금을 이용하여 라이너를 제조하였고, 그 성능을 일반적인 종래 기술의 AA6061 합금 라이너의 성능과 비교하였다. AA7060 라이너의 항복 응력 및 최대 인장 강도는 증가된 것으로 나타났다.

Claims (16)

1. 압력 용기에 사용하기 위한 라이너를 제조하는 방법으로서,
   (a) 폐쇄된 크라운 단부(16) 및 개방된 상단을 가진 쉘로서, 상기 쉘은 더 얇은 벽을 가진 드럼 영역(18), 더 두꺼운 벽을 가진 상기 개방된 상단에서의 단부 영역(20a), 및 단부 영역(20a)과 드럼 영역(18)의 두께 사이에서 두께가 점점 줄어드는 중간 전이 구역(20b)을 갖는, 알루미늄 합금으로 된 컵 형상의 쉘(10)을 제공하는 단계;
   (b) 펀치(24)를 이용하여 상기 쉘을 냉간 인발하는 단계로서, 상기 펀치(24)는 축, 원통형 부분 및 반경이 상기 펀치(24)의 원통형 부분의 반경보다 작은 상부 영역(24a)을 가지고, 오목한 곡률 반경 R2을 갖는 축 방향으로 연장되는 제2 곡면에 인접한 볼록한 곡률 반경 R1을 갖는 제1 곡면을 정의하기 위해 상기 축을 따라 변화하며, 상기 냉간 인발하는 단계는,
   (i) 상기 쉘(10)의 드럼 영역(18)이 펀치(24)의 원통형 부분을 덮도록 펀치(24)에 쉘(10)을 장착하고, 적어도 상기 쉘(10)의 상기 단부 영역(20a)의 외경보다 작은 직경의 다이 안으로 상기 펀치(24) 및 상기 쉘(10)을 밀어 상기 쉘(10)의 전이 구역(20b)을 상기 펀치의 상기 상부 영역(24a)과 접촉시키는 단계; 및
   (ii) 상기 펀치(24)의 원통형 부분이 상기 쉘(10)의 전이 구역(20b)의 형태를 변경하도록 상기 쉘(10)로부터 상기 펀치(24)를 빼내는 단계;를 포함하고,
   (c) 상기 단부 영역(20a) 및 상기 전이 구역(20b)을 변경하여 상기 쉘(10)의 개방된 상단을 폐쇄하고 상기 단부 영역 및 상기 전이 구역으로부터 연장되는 넥(42)을 형성하는 단계; 및
   (d) 상기 넥 안에 나사산을 절삭하는 단계를 포함하는, 라이너를 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 단계 b(ii)는 결과적으로 상기 쉘의 상기 전이 구역(20b) 내면의 평탄화로 이어지는, 라이너를 제조하는 방법.
3. 제1항에 있어서, R1은 R2보다 큰, 라이너를 제조하는 방법.
4. 제3항에 있어서, R1 = 2 × R2 ± 20%인, 라이너를 제조하는 방법.
5. 제4항에 있어서, R1 및 R2는 다음의 식에 의해 설정되며,
   

   

   
   

   

   
   여기서, 상기 쉘의 상기 단부 영역(20a)은 인발 후, 두께 Tfm을 갖고, 상기 전이 구역은 인발 후, 최대 두께 FTT를 갖는 웨지(wedge)부를 갖고, A는 11과 60 사이의 상수 값인, 라이너를 제조하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 다이는 상기 쉘의 상기 드럼 영역(18)의 직경보다 작은 직경을 갖는, 라이너를 제조하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 컵 형상의 쉘을 제공하는 단계 (a)는,
   (i) 폐쇄된 크라운 단부(16) 및 개방된 상단을 가진 상기 컵 형상의 쉘(10)을 제공하는 단계; 및
   (ii) 상기 컵 형상의 쉘을 기계 가공하여, 더 얇은 벽을 가진 상기 드럼 영역(18), 더 두꺼운 벽을 가진 상기 단부 영역(20a), 및 두께가 점점 줄어드는 상기 전이 구역(20b)을 가진 상기 쉘을 생성하는 단계를 포함하는, 라이너를 제조하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 단계 (a)에서 제공되는 상기 컵 형상의 쉘(10)은 상기 알루미늄 합금의 빌렛을 압출함으로써 형성되는, 라이너를 제조하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 단계 (c)는 상기 쉘(10)을 스피닝 가공함으로써 수행되는, 라이너를 제조하는 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 AA7xxx 또는 AA2xxx 계열로부터 선택된 하나와 같은 강한 합금인, 라이너를 제조하는 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 AA7xxx 계열로부터 선택되는, 라이너를 제조하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 AA7060인, 라이너를 제조하는 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 냉간 인발하는 단계는 상기 쉘을 15 내지 38%량으로 냉간 가공하는 단계를 포함하는, 라이너를 제조하는 방법.
14. 제13항에 있어서, 냉간 가공량은 25 내지 38%인, 라이너를 제조하는 방법.
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