KR102402774B1 - 용접부 고주파 표면 충격처리장치, 그 고주파 표면 충격처리장치를 이용한 철도차량의 대차프레임 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접부 고주파 표면 충격처리장치, 그 고주파 표면 충격처리장치를 이용한 철도차량의 대차프레임 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접 지단부의 고주파 표면처리를 위한 고주파 표면 충격처리장치에 있어서, 하우징; 상기 하우징 내에 마련되며 미리 설정된 주파수의 진동을 발생시키는 액추에이터; 상기 액추에이터에서 발생하는 진동을 전달받아 표면처리대상이 되는 구조물의 표면에 반복적인 타격을 인가하는 공구툴; 및 상기 공구툴을 상기 하우징의 전단 측에 장착시키며 공구툴 장착부;를 포함하고, 상기 공구툴은, 상기 공구툴 장착부의 관통홀에 관통되어 끝단이 상기 표면처리대상이 되는 구조물의 표면을 타격하게 되는 충격핀과, 상기 충격핀 후방 끝단에 연결되는 걸림턱을 포함하며, 상기 공구툴 장착부와 상기 걸림턱 사이에 탄성부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리장치에 관한 것이다.

Description

용접부 고주파 표면 충격처리장치, 그 고주파 표면 충격처리장치를 이용한 철도차량의 대차프레임 제작방법{Manufacturing Method of bogie frame for railway vehicles using surface treating apparatus}

본 발명은 용접부 고주파 표면 충격처리장치, 그 고주파 표면 충격처리장치를 이용한 철도차량의 대차프레임 제작방법에 대한 것이다.

철도차량은 구조적 측면에서 크게 차체와 대차로 구성된다. 차체는 여객열차에서 승객이 타는 객실이나 화물열차에서 컨테이너가 실리는 구조체이고, 대차는 차체를 지지하는 부분으로 대차프레임에 차축, 휠, 현가장치 등이 장착되어 휠과 레일과의 구름접촉으로 차량이 운행하는데 필요한 부분이다.

철도차량의 대차프레임은 여러 가지 형식이 있지만 대개 가로빔, 세로빔 그리고 가로빔과 세로빔에 취부된 브라켓으로 구성된다.

대차프레임의 제작방법은 크게 두 가지가 있다. 하나는 대차프레임을 여러 부분으로 나누어 각 부분을 주강으로 제작하고 이들 부품을 적절히 조립하여 제작하는 방법이다, 다른 방법은 철판을 필요한 형상으로 가공하고 용접으로 접합하여 제작하는 방법이다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에서 대상으로 하는 철판을 용접하여 제작하는 대차프레임(1)의 개략도이다. 그리고 도 2의 표는 대차프레임에 사용되는 대표적 재료와 재료의 특성을 보여 준다. 또한 도 3은 대차프레임의 제작공정을 보여 준다.

도 3에 도시된 바와 같이, 가로빔(2)과 세로빔(4)의 제작공정은 유사하다. 가로빔(2)을 대상으로 제작공정을 설명하면 다음과 같다.

첫 번째 공정인 판재 전처리에서는 철판에 허용되지 않는 결함이 있는지 혹은 철판의 평활도가 허용 기준에 들어오는지를 육안 혹은 장비를 이용하여 검사하고 허용 기준을 초과하면 수정한다.

다음 공정인 판재 그루브 (Groove) 가공에서는 가로빔(2)을 용접할 때 필요한 그루브를 가공하는 단계이다. 그루브는 용접사양을 반영하여 가공한다.

그리고 판재 절단 공정에서는 도 4a에 도시된 바와 같이, 판재를 성형했을 때 가로빔(2)의 형상과 크기가 일치하도록 절단하는 작업이다. 그리고 도 4b에 도시된 바와 같이, 절단 작업 후 금형을 이용하여 판재를 성형하여 가로빔(2)의 형상으로 만든다.

그리고 강도 보강을 위해 필요한 경우 성형된 가로빔(2)의 내부에 보강재를 용접으로 취부할 수도 있다. 가로빔(2)의 상판과 도 4c에 도시된 밑판을 지그로 고정하고 용접으로 결합한다. 다음에 가로빔에 설치되는 각종 브라켓(3)을 용접한다.

제작이 완성된 가로빔(2)은 자분탐상, 초음파 검사 혹은 방사선 검사로 용접 결함을 검사하여 허용되지 않는 결함이 발견되면 결함부를 보수한다. 세로빔(4)의 경우도 판재를 성형하여 용접으로 제작하는 경우에는 가로빔(2)과 유사한 공정으로 제작한다. 세로 빔(4)을 제작하는 다른 방법은 판재를 사용하는 대신 기성품인 원형의 강관을 사용하여 제작공정을 단순화하는 것이다.

가로빔(2)과 세로빔(4)의 제작 후 두 빔을 지그에 고정하고 가로빔(2)과 세로빔(4)의 연결부를 용접으로 결합한 후 용접부에 대해 자분탐상, 초음파 검사 혹은 방사선 검사로 용접 결함을 검사하여 허용되지 않는 결함이 발견되면 결함부를 보수한다.

검사 후 다음 공정은 용접 후 열처리이다. 이 열처리는 용접에 의해 프레임에 발생한 잔류응력을 제거하기 위해 대차프레임을 열처리 챔버에 넣고 600~650℃까지 서서히 가열하여 이 온도에서 1~2 시간 유지한 후 약 200℃까지 챔버에서 냉각한 후 꺼내어 공기 중에서 냉각하는 공정으로 대한민국 철도안전법 하위 규정인 철도차량기술기준에 명시되어 있다.

열처리 챔버를 가열하기 위해 보통 전기나 액화천연가스를 사용하는데 이때 소비되는 에너지에 상응하는 이산화탄소의 배출량이 국내만 해도 연간 300톤 이상으로 상당히 많으므로 이 공정을 개선할 필요가 있다.

그리고 열처리 공정은 대차프레임의 운반, 열처리 챔버에 설치작업, 후처리 공정 등 많은 시간을 소모하므로 차량의 제작공정이 연장되고 제작비용이 증가하는 원인이 된다.

열처리가 끝난 대차프레임은 쇼트피닝을 하여 표면에 묻은 오물이나 용접 스패터(spatter)를 제거한 후 부식 방지와 표면 보호를 위해 1차 도장을 한다. 도장 후 필요한 기계가공을 하고 치수검사를 한 후 2차 도장을 하면 대차프레임 제작이 완료된다.

최근에 자동차, 항공, 조선 등 여러 분야에서 구조 강도 측면에서 취약하다고 판단되는 용접부에 고주파 표면 충격처리를 한다. 고주파 충격처리는 용접으로 생성된 잔류응력 중 인장 잔류응력이 작용하는 용접 지단부(Welding toe) 주위를 공압으로 작동하는 해머나, 초음파로 작동하는 액추에이터 끝단에 취부된 핀으로 용접부 표면을 타격하여 재료에 소성변형을 일으켜 용접 시 발생한 인장 잔류응력을 압축 잔류응력으로 바꾸어 피로 내구성을 향상하는 방법이다.

액추에이터를 작동하는 동력원으로는 공압이나 초음파를 사용하고 액추에이터는 압전소자(Piezoelectric)나 자기변형소자(Magneto-restrictive)가 주로 사용될 수 있다.

고주파 타격은 재료의 입자 크기를 작게 하여 강도를 높이는 효과가 있고, 고주파 타격에 의해 전달되는 진동이 용접으로 생성된 잔류응력을 감소시키는 효과가 있으며, 타격에 의해 소성변형이 생기면 표면에는 압축 잔류응력이 남는다. 그리고 용접 지단부의 노치 반경을 크게 하여 응력집중을 완화하는 효과가 있다.

도 5는 기존에 공개된 고주파 충격 처리장치(등록특허 10-1643736)(100)의 일례이다. 도 5에 도시된 바와 같이 액추에이터(20)는 자기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 자기변형소자(magneto-strictive element)가 사용되었다.

액추에이터(20)의 끝단에 타격 팁(35)이 직접 연결되어 표면처리를 할 소재의 표면을 직접 타격하는 방식이다. 이러한 방식은 작업자가 표면처리를 할 소재에 대해 누르는 힘의 크기에 따라 소재에 작용하는 충격력이 달라져 균일하고 정량적인 표면가공을 하기가 어렵고, 팁과 소재의 충격 시 발생하는 충격이 고스란히 장비와 작업자에게 전달되어 장비의 수명을 단축하고 작업자의 피로도가 증가하는 문제가 있어 실제 현장에 적용하기에는 어려움이 있다.

그리고 길이 200 mm 정도의 압전소자나 자기변형소자의 경우 일반적으로 최대 변위가 100 μm 정도로 매우 작아 액추에이터 끝단에 직접 충격툴을 설치하는 경우 가공할 재료 표면에 발생하는 소성변형 층의 깊이가 매우 얇아 원하는 수명향상 효과를 얻기가 어려운 문제가 존재한다.

대한민국 등록특허 10-1643736 대한민국 등록특허 10-1065434 대한민국 등록특허 10-1666660 대한민국 등록특허 10-1579943

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 철도 차량 대차프레임의 제작공정에서, 용접 후 열처리 공정을 거치지 않고 구조 강도 측면에서 취약하다고 판단되는 용접부에 대해 고주파 표면 충격처리를 진행함으로써, 용접으로 생성된 잔류응력 중 인장 잔류응력이 작용하는 용접 지단부 주위를 고주파수로 진동하는 액추에이터 끝단에 취부된 핀으로 표면에 타격을 가하여 재료의 피로 내구성을 향상시킬 수 있는, 고주파 표면 충격처리장치를 이용한 철도차량의 대차프레임 제작방법을 제공하는데 목적이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 열처리 대신 고주파 표면충격처리를 진행하게 됨으로써, 고주파 타격에 의해 전달되는 진동이 용접으로 생성된 잔류응력을 감소시키고, 타격에 의해 소성변형이 생기고 이 부분에는 압축 잔류응력이 남게 되며, 용접 지단부의 노치 반경을 크게 하여 응력집중을 완화시킬 수 있는, 고주파 표면 충격처리장치를 이용한 철도차량의 대차프레임 제작방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 냉각수단을 구비하여, 고주파로 재료의 표면을 타격하여 소성변형에 의한 열과 표면충격 장치 내부에서 부품 간의 마찰로 인한 열을 적절히 냉각시킬 수 있는 용접부 고주파 표면 충격처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 충격핀의 크기와 개수 및 공구툴의 원판과 혼 사이의 초기 간극을 조절하여 충격의 크기를 정량적으로 관리할 수 있는 용접부 고주파 표면 충격처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 작동 구조에서, 공구툴과 혼이 분리되어 있어 충격핀이 표면을 타격할 때 충격이 직접 혼과 하우징에 전달되지 않아 장비의 진동이 작고, 하우징에 부착된 손잡이의 진동도 작아 작업자의 피로도도 기존의 방식에 비해 현저히 저감될 수 있는 용접부 고주파 표면 충격처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 하우징 내면과 혼의 외면 사이, 및 하우징 내면과 액추에이터의 외면 사이 중 적어도 어느 하나에 마찰링이 구비되어 액추에이터의 수축, 팽창에 따른 액추에이터와 혼의 구동시 축에 직각 방향으로 하중을 지탱할 수 있는 구조가 적용되는, 용접부 고주파 표면 충격처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 용접 지단부의 고주파 표면처리를 위한 고주파 표면 충격처리장치에 있어서, 하우징; 상기 하우징 내에 마련되며 미리 설정된 주파수의 진동을 발생시키는 액추에이터; 상기 액추에이터에서 발생하는 진동을 전달받아 표면처리대상이 되는 구조물의 표면에 반복적인 타격을 인가하는 공구툴; 및 상기 공구툴을 상기 하우징의 전단 측에 장착시키며 공구툴 장착부;를 포함하고, 상기 공구툴은, 상기 공구툴 장착부의 관통홀에 관통되어 끝단이 상기 표면처리대상이 되는 구조물의 표면을 타격하게 되는 충격핀과, 상기 충격핀 후방 끝단에 연결되는 걸림턱을 포함하며, 상기 공구툴 장착부와 상기 걸림턱 사이에 탄성부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리장치로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 액추에이터의 구동 전 초기상태에서, 상기 액추에이터 전방면과 상기 걸림턱 후방면 사이에 간격이 존재하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 공구툴과 상기 액추에이터 사이에 구비되는 혼을 더 포함하고, 상기 액추에이터의 진동에 의해 상기 혼이 상기 공구툴에 상기 진동을 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 액추에이터의 구동 전 초기상태에서, 상기 혼 전방면과 상기 걸림턱 후방면 사이에 간격이 존재하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 공구툴이 복수로 구성되거나, 또는 하나의 걸림턱 전방면에 복수의 충격핀이 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 간극을 조정하여 타격강도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 충격핀의 끝단은 만곡면으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 액추에이터가 수축하면 탄성부재의 반력에 의해 공구툴은 혼 방향으로 움직이고 상기 혼에 부딪혀 진동을 하는 동안 액추에이터가 팽창하면 다시 튕겨 나가 표면을 타격하게 되는 작동 구조에서, 상기 공구툴과 상기 혼이 분리되어 있어 충격핀이 표면을 타격할 때 충격이 직접 혼과 하우징에 전달되지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 하우징 내면과 상기 혼의 외면 사이, 및 상기 하우징 내면과 상기 액추에이터의 외면 사이 중 적어도 어느 하나에 마찰링이 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 액추에이터는 압전소자 및 자기변형소자 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 용접 지단부의 고주파 표면처리를 위한 고주파 표면 충격처리시스템에 있어서, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 고주파 표면 충격처리장치; 상기 표면 충격처리장치의 액추에이터의 구동에 필요한 고주파 전류와 전압을 공급하는 고주파 전원 공급장치; 상기 표면 충격처리장치에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각수단; 및 상기 고주파 전원 공급장치와 상기 냉각수단을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리시스템으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 냉각수단은, 압축공기를 생성하는 압축공기공급장치와, 상기 압축공기공급장치에서 생성된 압축공기를 상기 표면 충격처리장치로 공급하며 상기 표면 충격처리장치에 탈부착가능하도록 구성되는 냉각용 공기호스를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 표면 충격처리장치의 온도를 실시간으로 측정하는 온도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도센서에서 측정된 온도값이 설정된 임계값을 초과하는 경우, 상기 압축공기공급장치를 구동시키도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은 철도 차량의 대차프레임을 제작하기 위한 방법에 있어서, 복수의 부재 또는 복수의 빔을 제작 후, 용접으로 접합한 후, 용접부를 검사하는 단계; 및 열처리를 진행하지 않고, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 고주파 표면 충격처리장치를 이용하여, 용접 지단부에 고주파 표면 충격처리를 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 표면 충격처리장치를 이용한 철도차량의 대차프레임 제작방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고주파 표면 충격처리장치를 이용한 철도차량의 대차프레임 제작방법에 따르면, 철도 차량 대차프레임의 제작공정에서, 용접 후 열처리 공정을 거치지 않고 구조 강도 측면에서 취약하다고 판단되는 용접부에 대해 고주파 표면 충격처리를 진행함으로써, 용접으로 생성된 잔류응력 중 인장 잔류응력이 작용하는 용접 지단부 주위를 고주파수로 진동하는 액추에이터 끝단에 취부된 핀으로 표면에 타격을 가하여 재료의 피로 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 고주파 표면 충격처리장치를 이용한 철도차량의 대차프레임 제작방법에 따르면, \ 열처리 대신 고주파 표면충격처리를 진행하게 됨으로써, 고주파 타격에 의해 전달되는 진동이 용접으로 생성된 잔류응력을 감소시키고, 타격에 의해 소성변형이 생기고 이 부분에는 압축 잔류응력이 남게 되며, 용접 지단부의 노치 반경을 크게 하여 응력집중을 완화시킬 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 용접부 고주파 표면 충격처리장치에 따르면, 냉각수단을 구비하여, 고주파로 재료의 표면을 타격하여 소성변형에 의한 열과 표면충격 장치 내부에서 부품 간의 마찰로 인한 열을 적절히 냉각시킬 수 있는 효과를 갖는다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 용접부 고주파 표면 충격처리장치에 따르면, 충격핀의 크기와 개수 및 공구툴의 원판과 혼 사이의 초기 간극을 조절하여 충격의 크기를 정량적으로 관리할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 용접부 고주파 표면 충격처리장치에 따르면, 작동 구조에서, 공구툴과 혼이 분리되어 있어 충격핀이 표면을 타격할 때 충격이 직접 혼과 하우징에 전달되지 않아 장비의 진동이 작고, 하우징에 부착된 손잡이의 진동도 작아 작업자의 피로도도 기존의 방식에 비해 현저히 저감될 수 있는 효과를 갖는다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 하우징 내면과 혼의 외면 사이, 및 하우징 내면과 액추에이터의 외면 사이 중 적어도 어느 하나에 마찰링이 구비되어 액추에이터의 수축, 팽창에 따른 액추에이터와 혼의 구동시 축에 직각 방향으로 하중을 지탱할 수 있는 구조가 적용되는, 용접부 고주파 표면 충격처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1a 및 도 1b는 철판을 용접하여 제작하는 대차 프레임의 사시도,
도 2는 대차프레임에 사용되는 소재 표,
도 3은 종래 대차 프레임의 제작공정 흐름도,
도 4a는 판재 절단 공정의 가로빔
도 4b는 절단 작업 후 금형을 이용하여 판재를 성형한 가로빔의 사시도,
도 4c는 밑판의 평면도,
도 5는 종래 등록특허 제1672899호 고주파 충격처리장치의 단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고주파 표면 충격처리장치를 이용한 철도차량의 대차프레임 제작방법의 흐름도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 용접부 고주파 표면 충격처리시스템의 구성도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 용접부 고주파 표면 충격처리장치의 분해 사시도,
도 9는 액추에이터 정지상태에서의 본 발명의 실시예에 따른 용접부 고주파 표면 충격처리장치의 단면도,
도 10은 액추에이터 팽창 상태에서의 본 발명의 실시예에 따른 용접부 고주파 표면 충격처리장치의 단면도,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 복수의 공구 툴이 장착되는 장착부의 분해 사시도,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 마찰링을 갖는 용접부 고주파 표면 충격처리장치의 단면도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 철도차량의 대차프레임 제작방법에 대해 설명하도록 한다. 그리고 이러한 대차프레임 제작방법에서 열처리 공정 대신 수행되는 고주파 표면처리에 적용되는 용접부 고주파 표면 충격처리장치의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.

도 6은 용접 후 열처리를 하지 않고 대차프레임을 제작하는 공정을 나타낸다. 기존의 방법과 유사한 방법으로 가로빔(2)과 세로빔(4)을 제작하여 두 빔을 용접으로 접합한 후 자분탐상, 초음파 검사 혹은 방사선 검사로 용접부의 결함을 검사하여 허용되지 않는 결함이 발견되면 결함부를 보수한다. 다음 공정으로 기존의 방법에서 수행하였던 용접 후 열처리 공정을 거치지 않고 구조 강도 측면에서 취약하다고 판단되는 용접부에 대해 고주파 표면 충격처리를 한다.

고주파 표면 충격처리는 용접으로 생성된 잔류응력 중 인장 잔류응력이 작용하는 용접 지단부 주위를 고주파수로 진동하는 액추에이터 끝단에 취부된 핀으로 표면에 타격을 가하여 재료의 피로 내구성을 향상하는 방법이다. 고주파 타격은 재료의 입자 크기를 작게 하여 강도를 높이는 효과가 있고, 고주파 타격에 의해 전달되는 진동이 용접으로 생성된 잔류응력을 감소시키는 효과가 있으며, 타격에 의해 소성변형이 생기고 이 부분에는 압축 잔류응력이 남는다. 그리고 용접 지단부의 노치 반경을 크게 하여 응력집중을 완화하는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 용접부 고주파 표면 충격처리장치의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고주파 표면 충격 처리시스템의 조립도를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고주파 표면 충격 처리시스템(1000)은 전체적으로, 표면 충격 처리장치(200), 전선(300), 고주파 전원 공급장치(600), 그리고 냉각용 공기호스(500), 압축 공기 공급장치(400)를 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.

고주파 전원 공급장치(600)는 입력으로 100-250 볼트의 전기를 받아 압전소자 혹은 자기변형소자로 구성되는 액추에이터의 구동에 필요한 15-30 kHz의 고주파 전류와 전압을 공급하는 장치로 기존의 상업용 초음파 전원 발생 장치를 이용하거나 제작하여 사용할 수 있다. 장치의 제작 원리는 공지기술로 통상의 기술자에게 명확한 사항이므로, 본 명세어에서 자세히 기술은 생략하도록 한다.

그리고 고주파로 재료의 표면을 타격하면 소성변형에 의한 열과 표면충격 장치 내부에서 부품 간의 마찰로 상당한 열이 발생하므로 적절한 냉각 수단을 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에서는 압축공기 공급장치(400)를 통해 저렴하고 환경오염이 없는 압축 공기를 생성하여 고주파 표면 충격처리장치(200)와 탈부착이 용이한 냉각용 공기호스(500)를 통하여 고주파 표면 충격처리장치(200) 내부로 공급하도록 구성된다. 또한, 고주파 표면 충격처리장치(200) 내부 온도를 측정하는 온도센서를 통해 실시간으로 온도를 모니터링하면서 온도가 설정된 특정 온도를 초과하게 되는 경우, 제어부가 압축공기 공급장치(400)를 구동시키도록 제어하거나, 과온도 알림신호를 송출하도록 구성될 수 있다. 또한 작업기간이 짧거나 충격하중이 작아 많은 열이 발생하지 않는 경우는 공기호스를 탈착한 상태에서 작업을 할 수 있도 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 용접부 고주파 표면 충격처리장치의 분해 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 9는 액추에이터 정지상태(초기상태)에서의 본 발명의 실시예에 따른 용접부 고주파 표면 충격처리장치의 단면도를 도시한 것이다. 또한 도 10은 액추에이터 팽창 상태에서의 본 발명의 실시예에 따른 용접부 고주파 표면 충격처리장치의 단면도를 도시한 것이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 용접부 고주파 표면 충격처리장치는, 공구툴 장착부 (120), 탄성부재(130), 공구툴(110), 혼(140), 액추에이터 (170), 하우징 덮개(160), 하우징(150), 그리고 손잡이(180)로 구성됨을 알 수 있다.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 용접부 고주파 표면 충격처리장치는, 중심축에 대해 축 대칭 구조임을 알 수 있다.

그리고 공구툴(110)은 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 원판(113)과, 원판 전방면 중앙에 돌출 형성되는 충격핀(111)을 포함하여 구성되며, 충격핀(111)의 끝단(112)은 구형으로 되어 있음을 알 수 있다. 또한 충격핀(111)은 공구툴 장착부(120) 중심에 있는 관통홀(121) 보다 약간 작은 지름을 갖고 관통홀(121)을 관통한다.

충격핀(111)은 표면처리를 할 상대재료에 고려하여 상대재료보다 경도가 더 센 초경합금, 공구강 등의 재료를 사용한다. 충격핀(111)의 직경은 너무 작으면 작업 효율이 나쁘고, 재료의 표면에 상처를 만들 수 있고, 직경이 너무 크면 툴이 튕겨 나가는 속도가 낮아 가공 재료에 생기는 소성 변형의 깊이가 작아 원하는 피닝 효과를 얻기가 어려우므로 사람이 손으로 작업하는 경우 표면처리 장치의 경우 3-6 mm 범위가 적당하다.

대형 구조물의 경우 대형의 액추에이터(170)와 대형의 공구툴(110)을 사용할 수 있고 이 경우에도 표면 충격 처리장치(200)의 원리는 위에서 설명한 바와 차이가 없다.

도 11a은 본 발명의 실시예에 따른 복수의 공구툴이 장착되는 장착부의 분해 사시도를 도시한 것이다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 복수의 공구툴을 갖도록 구성될 수 있고, 공구툴 장착부에 복수의 관통홀이 형성되며, 각각의 관통홀에 공구툴의 충격핀이 관통 삽입되도록 구성될 수 있음을 알 수 있다.

도 11b는 원판에 복수의 충격핀이 구비된 공구툴이 장착되는 장착부의 분해사시도를 도시한 것이다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 하나의 공구툴에 복수의 충격핀이 구비된 형태로 구성될 수 있음을 알 수 있다.

이러한 공구툴(110)은 하우징(150) 내에 조립, 탈부착이 가능하므로, 서로 다른 충격핀(111)의 개수를 갖는 공구툴(110)을 교환하면서 사용하여, 표면에 가해지는 충격량을 조절할 수 있다.

그리고 하우징(150)은 내부에 공구툴(110), 공구툴 장착부(120), 탄성부재(130) 혼(140), 액추에이터(150)가 내장될 수 있도록 구성되며, 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 몸체부(153)와, 몸체부(153)의 직경보다 작은 머리부(151)와 몸체부(153)와 머리부(151) 사이의 테이퍼부(152)를 포함하여 구성된다.

공구툴 장착부는 볼트 너트와 같은 원리로 하우징 머리부(151)과 탈착이 가능한 방법으로 조립하거나 다른 방법으로 결합할 수 있다.

또한 공구툴(110)의 타측 끝단은 탄성부재(130)을 설치할 수 있는 원판(113)이 구비되며, 원판(113)의 반경은 공구툴 장착부(120)의 내경보다 작아 공구툴(110)과 스프링(130)이 공구툴 장착부(120) 내에서 축 방향으로 이동할 수 있다.

이때 스프링 등으로 구성된 탄성부재가 하중을 받지 않는 상태에서 공구툴에 조립되면 도 9에 도시된 바와 같이, 공구툴의 원판(113)의 후방면과 혼(140)의 전방면(141) 사이에는 약간의 간격이 있음을 알 수 있다.

이때 압전소자나 자기변형소자의 최대 변위가 ±100 μm 정도이므로 액추에이터(170)가 팽창했을 때 혼(140)이 공구툴(110)을 타격할 수 있도록 공구툴(110)과 혼(140)의 간격은 액추에이터 최대 변위보다는 작아야 한다.

고주파 전원 공급장치(600)에서 전원이 공급되면 액추에이터(170)는 수축과 팽창을 한다. 액추에이터(170)가 팽창하여 도 10에 도시된 바와 같이 혼(140)이 공구툴(110)의 원판(113)을 치면 공구툴(110)은 충격을 받아 앞으로 튕겨 나가 공구툴(110)의 충격핀(111) 끝단이 표면을 가공할 재료의 표면에 충격을 가해 소성변형을 일으킨다.

공구툴(110)은 총에서 총알이 발사되듯이 아주 빠른 속도로 튕겨 나가 표면을 타격하므로 피닝 효과가 매우 크고, 소성변형을 일으키는 깊이도 깊다. 충격핀의 크기와 공구툴의 개수 및 공구툴의 원판과 혼 사이의 초기 간극을 조절하면 충격의 크기를 정량적으로 관리할 수 있다.

그리고 액추에이터(170)가 수축하면 탄성부재(130)의 반력에 의해 공구툴(110)은 혼(140) 방향으로 움직이고 다시 혼(140)에 부딪혀 진동을 하는 동안 액추에이터(170)가 팽창하면 전과 같이 튕겨 나가 표면을 타격한다.

이러한 작동 구조에서는 공구툴(110)과 혼(140)이 분리되어 있어 충격핀(111)이 표면을 타격할 때 충격이 직접 혼(140)과 하우징(150)에 전달되지 않아 장비의 진동이 작고, 하우징(150)에 부착된 손잡이(180)의 진동도 작아 작업자의 피로도도 기존의 방식에 비해 현저히 저감되는 효과가 있다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 마찰링을 갖는 용접부 고주파 표면 충격처리장치의 단면도를 도시한 것이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 하우징(150) 내면과 혼(140)의 외면 사이, 및 하우징(150) 내면과 액추에이터(170)의 외면 사이 중 적어도 어느 하나에 마찰링(190)이 구비되어 액추에이터(170)의 수축, 팽창에 따른 액추에이터(170)와 혼(140)의 구동시 축에 직각 방향으로 하중을 지탱할 수 있는 구조가 적용될 수 있음을 알 수 있다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:대차 프레임
2:가로빔
3:가로빔 브라켓
4:세로빔
5:세로빔 브라켓
20:종래 기술의 액추에이터
35:타격팁
100:종래 고주파 충격 처리장치
110:공구툴
111:충격핀
112:끝단
113:원판
120:공구툴 장착부
121:관통홀
130:탄성부재
140:혼
141:전방면
142:테이퍼면
150:하우징
151:머리부
152:테이퍼부
153:몸체부
160:하우징 덮개
170:액추에이터
180:손잡이
190:마찰링
200:용접부 고주파 표면 충격처리장치
300:전선
400:압축공기 공급장치
500:냉각용 공기호스
600:전원공급장치

Claims (14)

1. 용접 지단부의 고주파 표면처리를 위한 고주파 표면 충격처리장치에 있어서,
   하우징;
   상기 하우징 내에 마련되며 미리 설정된 주파수의 진동을 발생시키는 액추에이터;
   상기 액추에이터에서 발생하는 진동을 전달받아 표면처리대상이 되는 구조물의 표면에 반복적인 타격을 인가하는 공구툴; 및
   상기 공구툴을 상기 하우징의 전단 측에 장착시키며 공구툴 장착부;를 포함하고,
   상기 공구툴은, 상기 공구툴 장착부의 관통홀에 관통되어 끝단이 상기 표면처리대상이 되는 구조물의 표면을 타격하게 되는 충격핀과, 상기 충격핀 후방 끝단에 연결되는 걸림턱을 포함하며, 상기 공구툴 장착부와 상기 걸림턱 사이에 탄성부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 액추에이터의 구동 전 초기상태에서, 상기 액추에이터 전방면과 상기 걸림턱 후방면 사이에 간격이 존재하는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 공구툴과 상기 액추에이터 사이에 구비되는 혼을 더 포함하고, 상기 액추에이터의 진동에 의해 상기 혼이 상기 공구툴에 상기 진동을 전달하는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 액추에이터의 구동 전 초기상태에서, 상기 혼 전방면과 상기 걸림턱 후방면 사이에 간격이 존재하는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 공구툴이 복수로 구성되거나, 또는 하나의 걸림턱 전방면에 복수의 충격핀이 구비되는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리장치.
   
6. 제 4항에 있어서,
   상기 간극을 조정하여 타격강도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리장치.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 충격핀의 끝단은 만곡면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리장치.
   
8. 제 6항에 있어서,
   액추에이터가 수축하면 탄성부재의 반력에 의해 공구툴은 혼 방향으로 움직이고 상기 혼에 부딪혀 진동을 하는 동안 액추에이터가 팽창하면 다시 튕겨 나가 표면을 타격하게 되는 작동 구조에서,
   상기 공구툴과 상기 혼이 분리되어 있어 충격핀이 표면을 타격할 때 충격이 직접 혼과 하우징에 전달되지 않는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리장치.
   
9. 제 3항에 있어서,
   상기 하우징 내면과 상기 혼의 외면 사이, 및 상기 하우징 내면과 상기 액추에이터의 외면 사이 중 적어도 어느 하나에 마찰링이 구비되는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리장치.
   
10. 제 1항에 있어서,
    상기 액추에이터는 압전소자 및 자기변형소자 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리장치.
    
11. 용접 지단부의 고주파 표면처리를 위한 고주파 표면 충격처리시스템에 있어서,
    제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 고주파 표면 충격처리장치;
    상기 표면 충격처리장치의 액추에이터의 구동에 필요한 고주파 전류와 전압을 공급하는 고주파 전원 공급장치;
    상기 표면 충격처리장치에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각수단; 및
    상기 고주파 전원 공급장치와 상기 냉각수단을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리시스템.
    
12. 제 11항에 있어서.
    상기 냉각수단은,
    압축공기를 생성하는 압축공기공급장치와, 상기 압축공기공급장치에서 생성된 압축공기를 상기 표면 충격처리장치로 공급하며 상기 표면 충격처리장치에 탈부착가능하도록 구성되는 냉각용 공기호스를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리시스템.
    
13. 제 12항에 있어서,
    상기 표면 충격처리장치의 온도를 실시간으로 측정하는 온도센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도센서에서 측정된 온도값이 설정된 임계값을 초과하는 경우, 상기 압축공기공급장치를 구동시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 용접부 고주파 표면 충격처리시스템.
    
14. 철도 차량의 대차프레임을 제작하기 위한 방법에 있어서,
    복수의 부재 또는 복수의 빔을 제작 후, 용접으로 접합한 후, 용접부를 검사하는 단계; 및
    열처리를 진행하지 않고, 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 고주파 표면 충격처리장치를 이용하여, 용접 지단부에 고주파 표면 충격처리를 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 표면 충격처리장치를 이용한 철도차량의 대차프레임 제작방법.
    
    

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