KR102552514B1 - 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법 - Google Patents
피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일측면에 따르면, 적어도 한 개의 만곡된 라운드부를 포함하며, 내부에 제1 유체 및 기체 상(gas phase)인 제2 유체가 수용되는 중공이 형성된 파이프 부재에 압축 잔류 응력을 인가하는 피닝 장치로서, 상기 중공에 공급된 상기 제1 유체에 잠기게 배치되어, 상기 제1 유체에 파(wave)를 인가하는 탐침부를 포함하며, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체는 서로 다른 음향 임피던스(acoustic impedance)를 가져, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 접촉되는 반사면에 상기 파가 전반사되어 정재파로 형성되고, 형성된 상기 정재파에 의해 생성 및 성장되는 캐비티(cavity)가 폭발되며 방출되는 충격파(shockwave) 또는 마이크로젯(microjet)에 의해, 상기 중공을 둘러싸는 상기 파이프 부재의 내면에 압축 잔류 응력이 인가되는, 피닝 장치가 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 파이프 또는 스프링 등의 내부에 형성된 중공을 둘러싸는 내면을 피닝하여 압축 잔류 응력을 인가할 수 있는 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법에 관한 것이다.
파이프 또는 배관은 두 개 이상의 부재를 유체 등이 소통 가능하게 연결하기 위해 사용된다. 파이프의 내부에는 중공(hollow)이 형성된다. 상기 유체는 상기 중공을 통해 어느 하나의 부재에서 다른 하나의 부재로 전달될 수 있다.
파이프에 형성된 중공은 파이프 자체의 강도를 감소시킨다. 즉, 파이프의 단면을 고려하면, 그 단면적은 형성된 중공의 단면적만큼 감소되어 경량화가 가능하다. 경량화와 더불어 반복하중을 받는 중공 스프링의 경우 외벽(외면)과 동시에 내벽(내면)에도 일정기준 이상의 피로강도를 구현해야 한다. 이를 위한 방편으로, 외면 및 내면 처리에 대한 기술들이 소개된 바 있다.
외면 및 내면 처리는 파이프의 외면 및 내면에 압축 잔류 응력을 인가하여 파이프의 피로 강도를 증가시키기 위한 기술이다. 흔히 활용되는 숏 피닝(shot peening)은 숏 볼(shot ball)이라 불리는 작은 크기의 강철 소재의 공을 파이프의 외면 및 내면에 투사하여 해머링(hammering)한다. 이에 따라, 숏 피닝된 파이프의 외면 및 내면에 압축 잔류 응력이 인가되어, 파이프의 피로 강도가 증가될 수 있다.
특히, 파이프에 형성된 중공의 단면이 극소한 경우, 또는 파이프가 만곡부 등을 포함하는 복잡한 형상을 갖는 경우, 숏 피닝을 위한 장치의 투입이 용이하지 않다.
중공형 코일 스프링(hollow coil spring)이 한 예로 포함될 수 있다. 기존의 코일 스프링은 내부에 중공이 없는 바(bar) 형태의 모재를 굽힘 가공하여 형성되는데 반해, 중공형 코일 스프링은 내부에 중공이 형성된 파이프 형태의 모재를 굽힘 가공하여 형성된다.
따라서, 중공형 코일 스프링은 기존의 코일 스프링과 같은 탄성 계수를 가짐을 전제로, 중공의 부피에 대응되는 모재의 질량만큼 경량화가 가능하다. 따라서, 차량, 철도 차량, 항공기 등 연비 및 에너지 효율 향상을 위해 부재의 경량화가 필요한 제품에는 기존의 코일 스프링보다 중공 코일 스프링이 더 유리하다.
다만, 굽힘 가공이 수행된 이후에는, 중공형 코일 스프링의 중공 내벽에 샷 피닝 등을 수행하기 위한 장치가 투입되기 어렵다.
이에, 곡선 형태로 연장되는 부재의 내면을 처리하기 위한 기술들이 소개된 바 있다.
한국공개특허문헌 제10-2005-0086683호는 초음파 충격 처리에 의한 냉간 가공부의 강도 향상 방법 및 파괴 인성 및 피로 강도가 높은 금속 제품을 개시한다. 구체적으로, 초음파를 이용하여 파이프의 내면에 피닝 작업을 수행하기 위한 기술이 개시된다.
그런데, 상기 선행문헌은 작업 대상물로 직선 형태의 금속관만을 개시한다. 즉, 상기 선행문헌이 제안하는 기술은 곡선 형태의 파이프, 튜브 또는 스프링 등의 내벽에 적용되기 어렵다.
또한, 상기 선행문헌은 피닝을 위한 장치로, 금속관의 내면을 원주 방향으로 이동되며 내면을 피닝하기 위한 초음파 진동자를 개시한다. 따라서, 중공의 크기가 초음파 진동자의 작업이 어려울 정도로 작은 경우, 상기 선행문헌이 제안하는 기술이 적용되기 어렵다.
미국공개특허문헌 제2006/0021410호는 초음파 피닝을 위한 숏, 장치 및 설비와 이들에 의해 처리된 부품(Shot, devices, and installations for ultrasonic peening, and parts treated thereby)을 개시한다. 구체적으로, 소노트로드(sonotrode)를 이용하여 부품의 내벽을 피닝하기 위한 기술이 개시된다.
그런데, 상기 선행문헌 역시 그 대상물을 피닝 처리가 필요한 내벽의 깊이가 얕은 부품에 한정한다. 즉, 상기 선행문헌이 제안하는 기술도 길이가 긴 곡선 형태의 파이프, 튜브 또는 스프링 등의 내벽에 적용되기 어렵다.
또한, 상기 선행문헌은 소노트로드가 내면에 직접 초음파를 인가하여 피닝이 수행되는 것으로, 연장 방향의 일 단부가 폐쇄된 부재에만 적용될 수 있다.
따라서, 상기 선행문헌들은 한 개 이상의 곡선 부분을 포함하게 연장되는 파이프 또는 중공형 코일 스프링의 내면을 처리하기 위해 적용되기 어렵다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법을 제공함을 목적으로 한다.
먼저, 중공이 형성된 파이프 등이 경량화되면서도 내면에 충분한 피로 강도를 갖게 제조될 수 있는 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 중공이 형성된 파이프 등의 내면에 압축 잔류 응력을 인가할 수 있는 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 곡선형 파이프 또는 스프링 등 그 형상이 복잡한 부재의 내면에도 압축 잔류 응력을 인가할 수 있는 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 중공이 형성된 파이프 등의 내면에서, 압축 잔류 응력이 인가되는 위치를 용이하고 정확하게 조정할 수 있는 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 중공이 형성된 파이프 등의 내면에 인가되는 압축 잔류 응력의 크기를 극대화할 수 있는 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 적어도 한 개의 만곡된 라운드부를 포함하며, 내부에 제1 유체 및 기체 상(gas phase)인 제2 유체가 수용되는 중공이 형성된 파이프 부재에 압축 잔류 응력을 인가하는 피닝 장치로서, 상기 중공에 공급된 상기 제1 유체에 잠기게 배치되어, 상기 제1 유체에 파(wave)를 인가하는 탐침부를 포함하며, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체는 서로 다른 음향 임피던스(acoustic impedance)를 가져, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 접촉되는 반사면에서 상기 파가 전반사되어 정재파가 형성되고,
형성된 상기 정재파의 압력안티노드에서 생성 및 성장되는 캐비티(cavity)가 폭발되며 방출되는 충격파(shockwave) 또는 마이크로젯(microjet)에 의해, 상기 중공을 둘러싸는 상기 파이프 부재의 내면에 압축 잔류 응력이 인가되는, 피닝 장치가 제공된다.
또한, 복수 개의 상기 압력안티노드는 상기 파이프 부재의 상기 내면을 따라 소정 간격 이격되어 형성되고, 상기 캐비티는, 복수 개의 상기 압력안티노드에서 기 설정된 부피까지 성장된 후 폭발되는, 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 파이프 부재의 중공과 연통되어, 상기 중공에 수용된 상기 제2 유체의 압력 또는 공급량을 조정하게 구성되는 제어부를 포함하는, 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 중공의 상기 제2 유체의 압력 또는 공급량이 조정되면, 상기 반사면의 위치는 상기 파이프 부재의 연장 방향을 따라 이동되는, 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 탐침부 및 상기 파이프 부재와 연결되어, 상기 탐침부 및 상기 파이프 부재를 함께 회전시키는 동력부를 포함하는, 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제2 유체의 압력이 일정하게 유지되며 상기 탐침부와 상기 파이프 부재가 함께 회전됨에 따라, 상기 반사면은 그 위치가 조정되되, 상기 파이프 부재의 내면과 소정의 각도로 유지되는, 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 유체가 수용되며, 상기 파이프 부재를 수용하는 탱크 부재를 포함하며, 상기 파이프 부재는, 상기 탱크 부재에 수용된 상기 제1 유체에 잠기게 배치되는, 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 동력부는, 상기 탐침부, 상기 파이프 부재 및 상기 파이프 부재를 수용한 상기 탱크 부재를 함께 회전시키게 구성되는, 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 반사면은, 상기 중공에 삽입된 고체 상(solid phase)의 판 부재 또는 막 부재로 구비되는, 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일측면에 따르면, 적어도 한 개의 만곡된 라운드부를 포함하며, 내부에 제1 유체 및 기체 상인 제2 유체가 수용되는 중공이 형성된 파이프 부재에 압축 잔류 응력을 인가하는 피닝 방법으로서, (a) 파이프 부재의 내부에 형성된 중공에 제1 유체 및 제2 유체가 주입되는 단계; (b) 상기 파이프 부재의 상기 중공에 주입된 상기 제1 유체에 정재파(standing wave)가 형성되고 정재파의 압력안티노드에서 캐비티(cavity)가 형성되는 단계; (c) 형성된 상기 캐비티가 폭발되며 상기 파이프 부재의 내면에 압축 잔류 응력이 인가되는 단계; 및 (d) 정재파의 압력안티노드(antinode)의 위치가 조정되는 단계를 포함하는, 피닝 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계는, (a1) 유체 공급부가 상기 파이프 부재와 유체 소통을 가능하게 연결되는 단계; (a2) 상기 유체 공급부가 상기 제1 유체를 상기 파이프 부재의 연장 방향의 일측 단부를 통해 상기 중공에 공급하는 단계; (a3) 상기 유체 공급부가 상기 제2 유체를 상기 파이프 부재의 연장 방향의 타측 단부를 통해 상기 중공에 공급하는 단계; 및 (a4) 상기 제1 유체 및 상기 제2 유체가 접촉되는 부분에 형성되는 반사면이 형성되는 단계를 포함하는, 피닝 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는, (b1) 탐침부가 상기 중공의 단부 중 상기 제1 유체가 수용된 일 단부에 인접하게 위치되는 단계; (b2) 상기 탐침부가 상기 제1 유체에 상기 파를 인가하는 단계; (b3) 상기 제1 유체 및 상기 제2 유체가 접촉되는 부분에 형성된 반사면에 상기 파가 전반사됨에 따라 정재파로 형성되어, 상기 파이프 부재의 내면에 정재파가 형성되는 단계; 및 (b4) 상기 정재파의 압력안티노드에서 상기 캐비티가 형성되는 단계를 포함하는, 피닝 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 정재파의 압력안티노드는 상기 파이프 부재의 연장 방향을 따라 상기 내면에 서로 이격되어 복수 개 형성되며, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 캐비티가 복수 개의 상기 압력안티노드의 위치에서 성장되는 단계; (c2) 상기 캐비티가 기 설정된 부피 이상으로 성장되어 폭발되는 단계; 및 (c3) 상기 캐비티가 폭발되어 발생되는 충격파(shockwave) 또는 마이크로젯(microjet)에 의해 상기 파이프 부재의 내면에 압축 잔류 응력이 인가되는 단계를 포함하는, 피닝 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, (d1) 제어부가 상기 중공에 수용된 상기 제2 유체의 압력 또는 공급량이 조정되어, 상기 중공에 수용된 상기 제1 유체 및 상기 제2 유체의 상대적인 부피가 조정되는 단계; (d3) 상기 제1 유체 및 상기 제2 유체가 접촉되는 부분에 형성되는 반사면의 위치가 조정되는 단계; 및 (d4) 상기 파가 상기 반사면에 전반사되어 형성되는 정재파의 압력안티노드의 위치가 조정되는 단계를 포함하는, 피닝 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, 상기 (d2) 단계 이후 및 상기 (d3) 단계 이전에, (d2') 상기 제어부가 상기 제2 유체의 압력을 일정하게 유지시키고, 상기 파이프 부재, 상기 파이프 부재에 상기 파를 인가하는 탐침부 및 탱크 부재가 회전되어 상기 반사면과 상기 내면 사이의 각도가 일정하게 유지되는 단계를 포함하는, 피닝 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 (d2') 단계는, (d21') 상기 파이프 부재, 상기 탐침부 및 상기 파이프 부재를 수용하는 상기 탱크 부재에 동력부가 연결되는 단계; 및 (d22') 상기 동력부가 상기 파이프 부재, 상기 탐침부 및 상기 탱크 부재를 회전시키는 단계를 포함하는, 피닝 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 다음과 같은 효과가 달성될 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법은 내부에 중공이 형성된 파이프 또는 스프링 등의 내면, 즉 중공을 둘러싸는 내면에 압축 잔류 응력을 인가할 수 있다. 따라서, 중공을 형성하여 파이프 또는 스프링 등의 내면에도 충분한 피로 강도를 갖게 제조될 수 있다.
또한, 중공이 형성됨에 따라, 파이프 또는 스프링 등은 단면적 및 부피의 감소분만큼의 중량이 감소될 수 있다. 따라서, 파이프 또는 스프링 등의 경량화 또한 달성될 수 있다.
결과적으로, 중공 파이프 또는 스프링 등은 내면에도 충분한 피로 강도를 갖게 형성되면서도 경량화될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법에 의해 그 내면이 처리된 파이프 또는 스프링 등은, 경량화 및 피로 강도 향상이 동시에 요구되는 다양한 제품에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법은 소형의 탐침부를 이용하여 파(wave), 예를 들면 초음파를 인가하여 내면에 압축 잔류 응력을 인가할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법은 파이프 또는 스프링 등의 중공 내부로 탐침부가 제공하는 파가 형성하는 캐비티의 폭발에 의해 수행될 수 있다.
중공의 내부에는 제1 유체와 제2 유체가 충진된다. 제1 유체 및 제2 유체는 차이가 큰 음향 임피던스를 갖는다. 탐침부는 액체 상인 제1 유체에 잠기게 배치되어 파를 제공한다.
제공된 파는 상기 유체와 차이가 큰 음향 임피던스를 갖는 파이프 부재에 의해 외부로 제공되지 않고 파이프의 연장방향으로 진행하여 음향임피던스 차이가 큰 제1 유체와 제2 유체의 경계면(즉, 반사면)에서 전반사를 이루어 정재파를 중공 내부에 형성한다.
제공된 파는 반사면에 반사되어 정재파가 형성되며 정재파의 압력안티노드가 형성되는 부분에는 캐비티가 발생된다.
발생된 캐비티는 임계 부피까지 성장된 후 폭발된다. 캐비티가 폭발될 때 충격파가 발생하며 중공을 둘러싸는 내면은 상기 충격파에 의해 소성 변형과 함께 압축 잔류 응력이 발생된다.
한편, 제1 유체, 제2 유체 및 파이프 부재 간에는 음향임피던스의 차이가 매우 크기 때문에(예를 들면 물과 금속 파이프 부재는 음향임피던스의 차이가 매우 큼), 인가된 파는 외부로 유출되지 않는다. 따라서, 압축 잔류 응력이 인가될 대상물(즉, 그 내부에 형성된 중공)의 인가된 파는 연장방향으로 진행할 시 감소되는 파의 강도(intensity)량은 매우 작다. 따라서 길이가 긴 파이프 부재에도 효과적인 적용이 가능하다. 즉, 길이가 긴 파이프 부재에도 일정한 간격으로 이격된 압력안티노드들을 갖는 정재파 형성을 가능하게 한다. 또한 이는 반사면과 함께 굽힘 가공된 파이프의 경우에도 연장방향을 따라 일정한 간격으로 이격된 압력안티노드들을 갖는 정재파 형성을 가능하게 한다.
일정한 간격으로 이격된 압력안티노드를 갖는 정재파 형성은 반사면 위치 제어를 통한 피닝 위치제어를 가능하게 된다. 반사면의 위치 조정은 중공의 제2 유체(즉, 기체 상으로 구비되는)의 압력을 조정함에 따라 구현될 수 있다. 또한, 반사면의 위치가 조정됨에 따라 반사면을 기준으로 일정한 간격으로 이격된 압력안티노드들의 위치도 조정된다.
이에 따라, 파의 압력안티노드, 즉 캐비티가 발생하는 위치가 용이하고도 정확하게 조정될 수 있다. 결과적으로, 중공을 둘러싸는 내면의 부분 중 피닝 작업이 수행되어 압축 잔류 응력이 인가되는 위치가 용이하고 정확하게 조정될 수 있다.
결과적으로, 길이가 길고 굽힘 가공된 파이프 부재 또는 나선형으로 연장되는 스프링 등의 내부에 형성된 중공을 둘러싸는 내면에 효과적인 방식으로 압축 잔류 응력이 인가될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 피닝 장치 및 이를 이용한 피닝 방법에 따르면, 그 내면에 피닝 작업이 수행되는 대상물인 파이프 또는 스프링 등 및 이에 피닝을 수행하는 피닝 장치는 회전 가능하게 구비될 수 있다. 공급된 제2 유체의 압력을 일정하게 유지한 상태에서 피닝 장치 회전시에 상기 반사면은 중공을 둘러싸는 내벽에 대해 수직한 상태 (또는 일정한 상태)로 유지되면서 반사면의 위치가 변화될 수 있다. 즉, 반사면의 위치에 따라 연속적으로 형성되는 정재파들의 동일성을 향상시킨다. 따라서, 정재파의 압력안티노드(피닝 부위) 위치제어의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치의 원리를 도시하는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치를 도시하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치를 이용한 피닝 방법의 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 7은 도 6의 피닝 방법의 S100 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 8은 도 6의 피닝 방법의 S200 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 9는 도 6의 피닝 방법의 S300 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치를 도시하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치를 이용한 피닝 방법의 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 7은 도 6의 피닝 방법의 S100 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 8은 도 6의 피닝 방법의 S200 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 9는 도 6의 피닝 방법의 S300 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치(10)를 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서는 본 발명의 특징을 명확하게 하기 위해, 일부 구성 요소들에 대한 설명이 생략될 수 있다.
1. 용어의 정의
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 설명에서 사용되는 "유체 소통 가능한 연결" 또는 "연통"이라는 용어는 두 개 이상의 부재 중 어느 하나의 부재에서 다른 하나의 부재로 유체가 유동 가능하게 연결됨을 의미한다. 유체 소통 가능한 연결 또는 연통은 파이프 등의 배관 또는 호스 등을 이용하여 형성될 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 "초음파"라는 용어는 인간의 가청 범위를 초과하는 주파수를 갖는 주기적인 음압을 의미한다. 일 실시 예에서, 초음파는 20kHz 이상의 주파수를 갖는 음압일 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 "캐비테이션(cavitation)"이라는 용어는 유체의 속도 변화에 의한 압력 변화로 인해 유체 내에 공동(캐비티, cavity)이 형성/성장/폭발되는 일련의 현상을 의미한다. 일 실시 예에서, 상기 공동이 형성된 후 폭발되는 과정을 통해 파이프 부재(P) 등의 내면에 충격이 인가될 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 "피닝(peening)"이라는 용어는 재료 특성을 개선하기 위해 금속 등의 표면에 외력을 인가하여 압축잔류응력을 구현하는 일련의 과정을 의미한다. 피닝은 표면에 압축 잔류 응력을 인가하여, 표면의 피로강도를 향상시켜 피로수명을 증가시키기 위해 진행한다. 일 실시 예에서, 피닝은 초음파 가진시에 발생하는 캐비티의 폭발에 의해 발생되는 충격파에 의해 수행될 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 "파이프 부재(P)"라는 용어는 중공(hollow)이 내부에 형성된 임의의 부재를 의미한다. 파이프 부재(P)는 직선형 또는 곡선형으로 형성되거나, 직선 부분 및 곡선 부분 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하게 형성될 수 있다.
일 실시 예에서, 파이프 부재(P)는 코일 스프링(coil spring)과 같이 나선형으로 연장 형성될 수 있다. 다른 실시 예에서, 파이프 부재(P)는 내부에 중공이 형성된 스테빌라이저(stabilizer) 등 직선 부분과 라운드진 부분을 모두 포함하는 부재로 구비될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치(10) 및 이를 이용한 피닝 방법에 의해 그 내면에 압축 잔류 응력을 인가받는 파이프 부재(P)는, 만곡 형성된 라운드부를 적어도 하나 포함하게 형성될 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 "제1 유체(F1)" 및 "제2 유체(F2)"는 파이프 부재(P)의 중공(H) 내부에 충진되어, 파(W)가 유동하기 위한 매질로 기능되는 임의의 유체를 의미한다. 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)는 서로 섞이지 않으며, 서로 다른 음향 임피던스를 갖는다.
따라서, 제1 유체(F1)에서 제2 유체(F2)를 향해 제공된 파(W)는 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)가 만나는 면인 반사면(R.S)에서 전반사될 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 유체(F1)는 액체 상(liquid phase)으로 구비될 수 있다. 또한, 제2 유체(F2)는 기체 상(gas phase)으로 구비될 수 있다.
상기 실시 예에서, 제1 유체(F1)는 물로 구비될 수 있다. 또한, 제2 유체(F2)는 공기로 구비될 수 있다.
제1 유체(F1)가 물로 구비되는 실시 예에서, 물 공급기(water supply)가 구비될 수 있다.
또한, 제2 유체(F2)가 공기로 구비되는 실시 예에서, 공기 공급기(air supply)가 구비될 수 있다.
이하의 설명에서 "반사면(R.S)"이라는 용어는 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)가 만나는 부분에 형성되는 면을 의미한다.
이하의 설명에서는 반사면(R.S)이 서로 다른 음향 임피던스를 갖는 두 유체가 접촉되어 형성됨을 전제한다. 대안적으로, 중공(H)에 삽입된 고체 상(solid phase)의 별도의 판 부재 또는 막 부재가 반사면(R.S)으로 기능될 수 있다.
상기 실시 예에서, 중공(H)에 삽입된 별도의 판 부재 또는 막 부재를 기준으로 중공(H)의 일측에는 제1 유체(F1)가 충진될 수 있다. 또한, 상기 판 부재 또는 막 부재를 기준으로 중공(H)의 타측에는 제2 유체(F2)가 충진될 수 있다. 즉, 상기 판 부재 또는 막 부재는 도 1에 도시된 반사면(R.S)으로 기능됨이 이해될 것이다.
이하에서 설명될 피닝 장치(10) 및 이를 이용한 피닝 방법은 파이프 부재(P)의 내면 처리를 위해 활용될 수 있다. 더 나아가, 피닝 장치(10) 및 이를 이용한 피닝 방법은 파이프 부재(P)의 내면을 세척하기 위해 활용될 수도 있다.
2. 본 발명의 일 실시 예에 따른 피닝 장치(10)의 설명
본 발명의 일 실시 예에 따른 피닝 장치(10)는 파이프 부재(P)의 내부에 파(W)를 조사하게 구성될 수 있다. 파이프 부재(P)의 내부 공간에는 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)가 충진된다. 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)가 서로 만나는 부분은 반사면(R.S)으로 정의될 수 있다.
이때, 충진된 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)와 파이프 부재(P)의 음향 임피던스의 차이에 의해, 조사된 파(W)는 파이프 부재(P)의 외부로 유출되지 않으며, 두 유체(F1, F2)의 경계면에서 전반사되어 정재파를 형성한다.
캐비티(C)는 파(W)가 형성하는 압력안티노드(AN)에 집중적으로 발생될 수 있다. 이는 압력안티노드(AN)에서 압력 변위가 최대가 됨에 기인한다. 캐비티(C)는 주기적인 압력 변위에 의해 성장된다.
기 설정된 크기, 즉 임계 크기까지 성장한 캐비티(C)는 폭발하며 파이프 부재(P)의 내면(I.S)에 충격파를 전달할 수 있다. 상기 충격파에 의해 내면(I.S)에 압축 잔류 응력이 인가될 수 있다.
더불어, 캐비티(C)가 발생 및 폭발되는 제1 유체(F1)와, 파이프 부재(P)는 서로 다른 음향 임피던스를 갖게 구비된다. 제1 유체(F1)는 파이프 부재(P)와 큰 차이의 음향 임피던스를 갖게 구비되어, 제공된 파(W)는 파이프 부재(P)의 내부에만 음파장을 형성할 수 있다.
파이프 부재(P)의 내면(I.S)을 소성 변형시켜 압축 잔류 응력을 인가하기 위한 수단으로 파(W) 및 이에 의해 발생되는 캐비티(C)를 이용함에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 피닝 장치(10)는 파이프 부재(P)의 형상과 무관하게 활용될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치(10)는 파이프 부재(P)가 직선형, 곡선형인 경우, 더 나아가 코일 스프링과 같이 나선형인 경우에도 활용될 수 있다.
또한, 제공된 파(W)는 파이프 부재(P)의 내부에 충진된 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)의 경계면으로 정의되는 반사면(R.S)에 의해 전반사되어 정재파로 형성될 수 있다.
더 나아가, 반사면(R.S)의 위치는 중공(H) 내부에 공급된 제2 유체(F2)의 압력 (또는 유체(F2)의 공급량)을 조정함으로써 조정될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 제공된 파(W)의 반사 위치 및 그에 따라 형성되는 압력안티노드(AN)의 위치는 작업자에 의해 용이하게 조정될 수 있다.
따라서, 그 폭 및 부피가 협소한 파이프 부재(P)의 내부 공간을 둘러싸는 내면(I.S)에 압축 잔류 응력이 용이하면서도 정확하게 인가될 수 있다. 이에 따라, 파이프 부재(P)의 피로 강도가 증가될 수 있다.
이하에서 설명되는 파이프 부재(P)는 반복하중 (또는 하중)을 받는 부재로 구비됨을 전제한다. 일 실시 예에서, 파이프 부재(P)는 코일 스프링 또는 내부에 중공이 형성된 스테빌라이저 등으로 구비될 수 있다.
이하에서 설명되는 파이프 부재(P)는 내부에 중공(H)(hollow)이 형성됨을 전제한다. 따라서, 파이프 부재(P)의 중량이 감소되어 파이프 부재(P)를 이용하여 제작된 여타 제품, 예를 들면 스프링 등의 경량화가 달성될 수 있다. 파이프 부재(P)의 중공(H)은 파이프 부재(P)의 연장 방향을 따라 연장되되, 그 연장 방향의 각 단부가 개방 형성되어 외부와 연통될 수 있다.
한편, 중공(H)을 둘러싸는 내면(I.S)에 피닝 처리가 완료된 파이프 부재(P)는 실제 사용시 각 단부에 위치되는 개구부가 폐쇄될 수 있다. 이에 따라, 실제 사용시 내면(I.S)의 부식 등이 방지될 수 있다.
중공(H)의 내부에는 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)가 각각 충진될 수 있다. 이때, 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)는 중공(H)의 연장 방향을 따라 서로 다른 위치에 인접하게 충진될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 실시 예에서, 제1 유체(F1)는 상대적으로 좌측에, 제2 유체(F2)는 상대적으로 우측에 위치된다.
제1 유체(F1)에는 파(W)를 조사하기 위한 탐침부(200)가 삽입될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 실시 예에서, 탐침부(200)는 제1 유체(F1)에 부분적으로 잠기게 배치된다. 탐침부(200)에서 제공된 파(W)는 파이프 부재(P)가 연장되는 방향을 따라 전파된다. 달리 표현하면, 파(W)는 제2 유체(F2)를 향해 전파된다고 할 수 있을 것이다.
제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)가 만나는 면은 반사면(R.S)으로 정의될 수 있다. 상술한 바와 같이, 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)는 서로 다른 음향 임피던스를 갖는다.
따라서, 제1 유체(F1)에 침전된 탐침부(200)에서 제공된 파(W)는 반사면(R.S)에 의해 전반사되어 정재파를 형성한다.
이때, 정재파(standing wave)는 복수 개의 압력노드(N) 및 압력안티노드(AN)를 형성하는데, 압력 변위가 가장 큰 압력안티노드(AN) 부분에서 캐비티(C)가 발생된다.
파(W)의 압력안티노드(AN)에서는 압력 변위가 주기적으로 변화되며 따라서 캐비티(C)는 점차 성장하고, 임계 크기 이상이 되면 폭발한다. 캐비티(C)의 폭발은 파이프 부재(P)의 내면(I.S)에 충격파를 인가하는데, 이에 따라 내면(I.S)에 압축 잔류 응력이 인가될 수 있다.
결과적으로, 캐비티(C)의 폭발에 의해 발생되는 충격파에 의해, 파이프 부재(P)의 내면(I.S)에 소성 변형 및 압축 잔류 응력의 인가가 수행될 수 있다.
캐비티(C)가 형성되는 압력안티노드(AN)의 위치는 중공(H)에 주입된 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)가 접촉되는 부분에 형성되는 반사면(R.S)의 위치에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 중공(H)의 내부에 수용된 기체 상의 제2 유체(F2)의 압력 또는 공급량을 조정하여 반사면(R.S)의 위치를 변경하면, 압력안티노드(AN)의 위치 또한 변경될 수 있다.
도 2를 참조하여 상기 내용을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2에서, 점선으로 표시된 압력안티노드(AN) 및 반사면(R.S)은 위치 조정 전, 일점 쇄선으로 표시된 압력안티노드(AN) 및 반사면(R.S)은 위치 조정 후를 나타낸다.
도 2의 우측에 도시된 확대도를 참조하면, 반사면(R.S)의 위치가 하측으로 조정된다(일점 쇄선으로 표시된 반사면(R.S)). 이에 따라, 반사면(R.S)에 반사되어 형성된 정재파가 형성하는 압력안티노드(AN)의 위치 또한 하측으로 이동된다(일점 쇄선으로 표시된 압력안티노드(AN)).
도 2의 좌측에 도시된 확대도를 참조하면, 반사면(R.S)의 위치 조정에 따른 압력안티노드(AN)가 이동된 상태가 도시된다.
즉, 도 2의 좌측에 도시된 확대도에서, 새로운 압력안티노드(AN)(일점 쇄선으로 표시된 압력안티노드(AN))는 종전의 압력안티노드(AN)(점선으로 표시된 압력안티노드(AN))에 비해 상측으로 이동된다.
결과적으로, 반사면(R.S)의 위치를 연속적으로 변화시키면 내면(I.S) 전체에 일정하게 압축 잔류 응력이 인가될 수 있다.
이때, 도 1 및 도 2에 도시된 좌측의 확대도는 파이프 부재(P)의 축을 중심보다 전방 측에 위치되는 부분에 대한 확대도이다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시된 우측의 확대도는 파이프 부재(P)의 축을 중심보다 후방 측에 위치되는 부분에 대한 확대도이다.
즉, 도 1 및 도 2의 좌측 및 우측의 확대도는, 파이프 부재(P)의 축을 사이에 두고 서로 반대되게 위치되는 각 부분을 확대한 것임이 이해될 것이다. 도시된 실시 예에서, 좌측의 확대도는 보다 전방 측 부분을, 우측의 확대도는 보다 후방 측 부분을 확대 도시한다.
따라서, 좌측 및 우측의 확대도에 도시된 파이프 부재(P)의 만곡 방향 및 압력안티노드(AN), 반사면(R.S)의 이동 방향이 서로 상이함이 이해될 것이다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 장치(10)를 상세하게 설명한다. 도시된 실시 예에서, 피닝 장치(10)는 제어부(100), 탐침부(200), 탱크 부재(300) 및 동력부(400)를 포함한다.
제1 유체 및 제2 유체가 충진된 파이프 중공 내부의 반사면 위치 제어는 기체 상인 제2 유체와 연결되어 있는 제어부(100)를 통해 구현된다. 제어부(100)는 제2 유체의 압력과/또는 공급량의 조정을 통해 반사면의 위치를 조정한다. 제어부(100)는 기체를 공급하면서 압력 또는 공급된 유량을 감지 또는 조정할 수 있는 임의의 형태로 구현될 수 있다.
탐침부(200)는 생성된 파(W)를 파이프 부재(P)의 중공(H)에 조사한다. 조사된 파(W)는 중공(H)을 둘러싸는 내면(I.S)에 캐비티(C)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 파(W)가 반사면(R.S)에 의해 반사되어 형성되는 정재파의 압력안티노드(AN) 부분에 캐비티(C)가 형성될 수 있다.
생성된 캐비티(C)가 성장 및 폭발되며 발생되는 충격파에 의해 파이프 부재(P)의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력이 인가될 수 있음은 상술한 바와 같다.
탐침부(200)는 중공(H)에 부분적으로 수용될 수 있다. 도 1을 참조하면, 탐침부(200)는 그 단부가 액체 상인 제1 유체(F1)에 침전되도록 중공(H)에 수용된다. 탐침부(200)의 상기 단부로부터 파(W)가 조사될 수 있음이 이해될 것이다.
탐침부(200)는 소형의 크기를 갖게 형성될 수 있다. 구체적으로, 탐침부(200)는 중공(H)의 단면보다 작은 단면을 갖는 일 부분을 포함하게 형성되어, 중공(H)에 수용될 수 있다.
또는, 탐침부(200)는 중공(H)의 단면보다 큰 단면을 갖게 형성되어, 중공(H)에 삽입되지 않고 그 외측에서 중공(H)으로 파(W)를 조사하게 구성될 수 있다.
탱크 부재(300)는 파이프 부재(P) 및 파이프 부재(P)에 충진되는 제1 유체(F1)를 수용한다. 파이프 부재(P)는 탱크 부재(300)에 수용되되, 그 일부가 제1 유체(F1)에 잠기게 배치된다.
도 4 내지 도 5에 도시된 실시 예에서, 파이프 부재(P)는 탱크 부재(300)에 수용된 제1 유체(F1)에 완전히 잠기게 배치된다. 파이프 부재(P)가 제1 유체(F1)에 잠기는 영역의 비율은 변경될 수 있다.
다른 실시 예에서, 파이프 부재(P)는 탱크 부재(300)에 수용되지 않은 상태로 배치될 수 있다. 상기 실시 예에서, 파이프 부재(P)의 중공(H)에는 제1 유체(F1)가 공급된 상태로 제공될 수 있다. 이때, 제어부(100)에 의해 중공(H)에 공급된 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)의 양이 조정될 수 있다.
즉, 파이프 부재(P)가 탱크 부재(300) 없이 구비되는 실시 예에서도, 탱크 부재(300)가 적용된 실시 예에서 파이프 부재(P)의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력이 인가되는 과정이 동일하게 수행될 수 있다.
탱크 부재(300)에 수용되는 제1 유체(F1)는 외부의 유체 공급부(미도시)에서 공급될 수 있다. 상기 실시 예에서, 탱크 부재(300)는 외부의 유체 공급부(미도시)와 유체 소통 가능하게 연결될 수 있다.
탱크 부재(300)는 기체 상의 제2 유체를 압력을 일정하게 유지한 상태에서 회전할 경우 반사면과 내면 사이의 각도를 일정하게 유치하면서 반사면의 위치를 조정할 수 있다. 즉, 후술될 동력부(400)는 탱크 부재(300)를 시계 방향 및 반 시계 방향 중 어느 하나의 방향으로 회전시킬 수 있다. 탱크 부재(300)는 피닝 장치(20)의 다른 구성 요소, 예를 들면 탐침부(200)와 함께 회전될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 탱크 부재(300)에는 커버 부재(미도시)가 구비될 수 있다. 상기 커버 부재(미도시)는 탱크 부재(300)의 개구부를 폐쇄하여, 탱크 부재(300)의 회전시 수용된 제1 유체(F1) 및 파이프 부재(P)의 임의 이탈을 방지할 수 있다.
동력부(400)는 피닝 장치(20)의 다른 구성 요소들이 회전되기 위한 동력을 제공한다. 일 실시 예에서, 동력부(400)는 제어부(100), 탐침부(200), 탱크 부재(300) 및 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)가 충진된 파이프 부재(P)를 회전시킬 수 있다.
이에 따라, 반사면(R.S)과 내면(I.S) 사이의 각도가 일정하게 유지되면서 반사면의 위치가 조정될 경우 반사면의 위치에 따라 연속적으로 형성되는 정재파들의 동일성이 향상될 수 있다. 결과적으로, 정재파의 압력안티노드(AN)들의 제어의 및 발생되는 캐비티(C)의 위치 제어의 정확성이 향상될 수 있다.
동력부(400)는 피닝 장치(20)의 다른 구성 요소 및 파이프 부재(P)와 연결된다. 동력부(400)는 파이프 부재(P)의 길이 방향을 축으로 하여 피닝 장치(20)의 다른 구성 요소 및 파이프 부재(P)를 회전시킬 수 있다.
도 5에 도시된 실시 예에서, 동력부(400)는 탱크 부재(300)의 하측 단부를 축으로 하여 피닝 장치(20)의 다른 구성 요소 및 파이프 부재(P)를 회전시킬 수 있다(도 5에 도시된 화살표 방향).
동력부(400)는 파이프 부재(P)를 회전시킬 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다. 일 실시 예에서, 동력부(400)는 모터 등 전동기의 형태로 구비될 수 있다. 상기 실시 예에서, 동력부(400)는 외부의 전원(미도시)과 통전 가능하게 연결되어, 작동에 필요한 전력을 전달받을 수 있다. 동력부(400)의 회전 속도 및 회전 방향 등은 조정 가능하게 구성될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 피닝 장치(10)에는 하중 인가부(미도시)가 구비될 수 있다. 하중 인가부(미도시)는 실제 사용시 파이프 부재(P)에 인가되는 하중과 동일한 형태의 하중을 파이프 부재(P)에 인가할 수 있다. 이때, 하중 인가부(미도시)는 탐침부(200)가 파(W)를 인가하기 전 파이프 부재(P)에 하중을 인가하게 구성될 수 있다.
예를 들어, 하중 인가부(미도시)는 파이프 부재(P)의 길이 방향으로 압축 하중 또는 인장 하중을 인가할 수 있다. 대안적으로, 하중 인가부(미도시)는 파이프 부재(P)가 연장되는 방향으로 압축 하중 또는 인장 하중을 인가할 수 있다.
구체적으로, 파이프 부재(P)가 별도의 라운드지게 연장되는 부분 없이 일자형 또는 직선형(flat) 관으로 구비되는 경우, 하중 인가부(미도시)는 파이프 부재(P)의 연장 방향을 따라 압축 하중 또는 인장 하중을 인가할 수 있다.
파이프 부재(P)가 코일 스프링(coil spring)으로 구비되는 경우, 하중 인가부(미도시)는 코일 스프링의 축 방향, 즉 코일 스프링이 실제 사용될 때 주로 하중이 인가되는 방향을 따라 압축 하중 또는 인장 하중을 인가할 수 있다.
하중 인가부(미도시)가 구비되는 실시 예에서, 캐비티에 의한 압축 잔류 응력 인가의 효과가 향상될 수 있다.
도 1, 도 2, 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시 예에 따른 피닝 장치(10)에 의해 압축 잔류 응력을 인가받는 파이프 부재(P)가 도시된다.
도시된 실시 예에서, 파이프 부재(P)는 나선형으로 연장된 코일 스프링(coil spring)의 형태로 구비된다. 파이프 부재(P)의 내부에는 외면(O.S) 및 내면(I.S)으로 둘러싸여 형성되는 공간인 중공(H)이 형성된다.
중공(H)은 파이프 부재(P)가 연장되는 방향으로 연장된다. 도시된 실시 예에서, 파이프 부재(P)는 나선형으로 형성되는 바, 중공(H) 또한 나선형으로 형성됨이 이해될 것이다. 중공(H)의 연장 방향의 각 단부는 개방 형성되어 외부와 연통될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 탐침부(200)는 중공(H)의 일 단부(도시된 실시 예에서 상측 단부)에 부분적으로 삽입될 수 있다. 탐침부(200)의 단부는 중공(H)의 내부에 수용되어, 중공(H)에 파(W)를 조사할 수 있다. 탐침부(200)가 중공(H)의 외부에서 중공(H)에 파(W)를 조사할 수 있게 구비될 수 있음은 상술한 바와 같다.
도 1 및 도 2의 확대도에 도시된 실시 예에서, 탐침부(200)는 액체 상인 제1 유체(F1)에 침전되어 파(W)를 조사하게 배치된다.
조사된 파(W)가 반사면(R.S)에서 반사되어 형성되는 압력안티노드(AN) 부분에서 캐비티(C)가 생성 및 성장하여 폭발됨은 상술한 바와 같다.
캐비티(C)의 상기 폭발에 의해 발생되는 충격파에 의해, 내면(I.S)에 압축 잔류 응력이 인가될 수 있다.
이상 설명된 피닝 장치(10)에서, 파이프 부재(P)가 연장되는 방향의 중간 부분에 반사면(R.S)이 형성될 수 있다. 피닝 장치(10)는 반사면(R.S)에 의해 구획된 파이프 부재(P)의 일측 및 타측의 내면(I.S)에 순차적으로 압축 잔류 응력을 인가할 수 있다.
구체적으로, 탐침부(200)는 반사면(R.S)을 기준으로 파이프 부재(P)의 일측 단부에 먼저 삽입되어, 파이프 부재(P)의 상기 일측에 치우친 절반 부분에 압축 잔류 응력을 인가할 수 있다.
상기 과정이 완료되면, 탐침부(200)는 반사면(R.S)을 기준으로 파이프 부재(P)의 타측 단부에 삽입되어, 파이프 부재(P)의 상기 타측에 치우친 나머지 절반 부분에 압축 잔류 응력을 인가할 수 있다.
이는, 파이프 부재(P)의 연장 길이가 과다할 경우, 파(W)의 연장 거리 또한 증가되어 중공(H) 내부에 초음파의 강도가 약화될 우려가 있음에 기인한다. 따라서, 본 실시 예에서, 파이프 부재(P)가 적절하게 구획되어 각각 압축 잔류 응력이 인가되므로, 내면(I.S)에 일정한 크기의 압축 잔류 응력이 인가될 수 있다.
3. 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 방법의 설명
본 발명의 실시 예에 따른 피닝 방법은 상술한 실시 예에 따른 피닝 장치(10)에 의해 수행될 수 있다.
이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 피닝 방법을 상세하게 설명한다.
도 6을 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 피닝 방법은 파이프 부재(P)의 내부에 형성된 중공(H)에 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)가 주입되는 단계(S100), 파이프 부재(P)의 중공(H)에 주입된 제1 유체(F1)에 파(W)가 인가되어 캐비티(C)가 형성되는 단계(S100), 형성된 캐비티(C)가 폭발되며 파이프 부재(P)의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력이 인가되는 단계(S200), 파(W)가 형성하는 압력안티노드(AN)의 위치가 조정되는 단계(S300)를 포함한다.
또한, 후술될 단계(S100, S200, S300) 전 파이프 부재(P)의 내부에 형성된 중공(H)에 액체 상(liquid phase)의 제1 유체(F1) 및 기체 상(gas phase)의 제2 유체(F2)가 주입되는 단계(S10)가 선행될 수 있다.
(1) 파이프 부재(P)의 중공(H)에 주입된 제1 유체(F1)에 파(W)가 인가되어 캐비티(C)가 형성되는 단계(S100)의 설명
본 단계(S100)는 파이프 부재(P)의 중공(H)에 탐침부(200)가 삽입되어 파(W)가 인가되고, 파(W)가 반사면(R.S)에 전반사되어 정재파로 형성되며, 이에 따라 압력안티노드(AN) 부분에 캐비티(C)가 형성되는 단계(S100)이다. 이하, 도 7을 참조하여 본 단계(S100)를 상세하게 설명한다.
탐침부(200)는 중공(H)의 단부에 인접하게 위치된다. 구체적으로, 탐침부(200)는 중공(H)의 단부 중 액체 상의 제1 유체(F1)가 수용된, 파이프 부재(P)의 연장 방향의 상기 일측 단부에 인접하게 위치된다(S110).
탐침부(200)는 파(W)를 제1 유체(F1)에 인가한다(S120).
파(W)는 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)가 접촉되는 부분에 형성된 반사면(R.S)에 전반사되어 정재파로 형성된다. 이에 따라, 정재파로 형성된 파(W)는 압력노드(N) 및 압력안티노드(AN)를 형성하는데, 압력안티노드(AN)는 파이프 부재(P)의 내부에 형성된다(S130).
상술한 바와 같이, 압력안티노드(AN)는 압력 변위가 최대가 되는 지점이다. 이에, 압력안티노드(AN)가 형성된 위치에 캐비티(C)가 집중적으로 형성된다(S140).
(2) 형성된 캐비티(C)가 폭발되며 파이프 부재(P)의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력이 인가되는 단계(S200)의 설명
본 단계(S200)는 형성된 캐비티(C)가 성장하여 폭발됨으로써 발생되는 충격파에 의해 파이프 부재(P)의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력이 인가되는 단계(S200), 즉 피닝 작업이 수행되는 단계(S200)이다. 이하, 도 8을 참조하여 본 단계(S200)를 상세하게 설명한다.
파(W)가 정재파가 되어 형성되는 압력안티노드(AN)는 복수 개일 수 있다. 복수 개의 압력안티노드(AN)는 파이프 부재(P)가 연장되는 방향을 따라 서로 이격되어, 내면(I.S)에 위치된다.
캐비티(C)는 복수 개의 압력안티노드의 위치에서 성장한다(S210). 캐비티(C)의 성장이 지속되어 임계 크기 이상이 되면, 캐비티(C)는 폭발되며 충격파(shockwave) 또는 마이크로젯(microjet)을 방출한다(S220).
캐비티(C)가 방출하는 상기 충격파는 파이프 부재(P)의 내면(I.S)에 전달된다. 이에 따라, 상기 충격파에 의해 내면(I.S)이 소성 변형되며 압축 잔류 응력이 인가될 수 있다(S230).
(3) 파(W)가 형성하는 압력안티노드(AN)의 위치가 조정되는 단계(S300)의 설명
본 단계(S300)는 내면(I.S)의 각 부분에 고르게 압축 잔류 응력을 인가하기 위해, 캐비티(C)가 발생 및 성장하는 압력안티노드(AN)의 위치가 조정되는 단계(S300)이다. 이하, 도 9를 참조하여 본 단계(S300)를 상세하게 설명한다.
제어부(100)는 중공(H)에 수용된 제2 유체(F2)의 압력과/또는 공급량을 조정한다(S310). 이를 위해, 제어부(100)는 중공(H)과 연결됨은 상술한 바와 같다.
한편, 반사면(R.S)의 위치가 보다 정확하게 제어되기 위해, 파이프 부재(P), 파이프 부재(P)에 파(W)를 인가하는 탐침부(200) 및 탱크 부재(300)가 함께 회전되는 단계(S330)가 더 수행될 수 있다. 상기 단계(S330)는 반사면(R.S)과 내면(I.S) 사이의 상대적인 각도를 일정하게 유지하며 반사면(R.S)의 위치가 제어되는 단계(S340)이다.
먼저, 파이프 부재(P), 탐침부(200) 및 탱크 부재(300)에 동력부(400)가 연결된다(S331). 도시되지는 않았으나, 피닝 장치(10)의 다른 구성 요소, 예를 들면 제어부(100) 또한 동력부(400)와 연결될 수 있다.
다음으로, 동력부(400)가 파이프 부재(P), 탐침부(200) 및 탱크 부재(300)를 회전시킨다(S332). 이때, 제어부(100)에 의해 중공(H)에 공급된 제2 유체(F2)의 압력은 일정하게 유지된다.
도시되지는 않았으나, 피닝 장치(10)의 다른 구성 요소, 예를 들면 제어부(100) 또한 함께 회전될 수 있다.
즉, 제어부(100)에 의해 중공(H)의 압력이 일정하게 유지된 상태에서 파이프 부재(P)가 회전될 경우, 반사면(R.S)과 내면(I.S) 사이의 각도가 일정하게 유지되는 상태에서 반사면(R.S)의 위치가 제어될 수 있다.
본 단계(S330)가 추가로 수행될 경우, 제2 유체(F2)의 압력 또는 공급량만을 조정하여 반사면(R.S)의 위치를 조정하는 경우에 비해 반사면(R.S)의 위치 및 이에 따른 압력안티노드(AN)의 위치가 보다 정확하게 제어될 수 있다.
반사면(R.S)의 위치 변화에 따른 정재파의 압력안티노드(AN)의 패턴은 일반적으로 동일하게 유지될 것으로 기대될 수 있다.
이때, 반사면(R.S)과 내면(I.S) 사이의 각도가 일정하게 유지될 경우, 압력안티노드(AN)의 패턴의 동일성이 더욱 향상될 수 있다. 결과적으로, 캐비티(C)의 위치 및 압축 잔류 응력이 인가되는 위치가 보다 정확하게 제어될 수 있다.
제어부(100)에 의해 중공(H)에 수용된 제2 유체(F2)의 압력과/또는 공급량이 조정됨에 따라(S320), 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)가 접촉되는 부분에 형성되는 반사면(R.S)의 위치가 조정된다(S340).
또한, 파이프 부재(P), 탐침부(200) 및 탱크 부재(300)가 함께 회전되며 반사면(R.S)의 각도 및 위치가 제어됨에 따라(S330), 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)가 접촉되는 부분에 형성되는 반사면(R.S)의 위치가 조정될 수 있다(S340).
상기 단계(S310, S320, S330, S340)를 통해, 중공(H)에 인가된 파(W)가 반사면(R.S)에 전반사되어 형성되는 정재파의 압력안티노드(AN)의 위치가 변경된다(S350)(도 2 참조). 결과적으로, 압력안티노드(AN)에 형성되는 캐비티(C)의 위치 또한 조정될 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 피닝 장치
100: 제어부
200: 탐침부
300: 탱크 부재
400: 동력부
F1: 제1 유체
F2: 제2 유체
H: 중공(Hollow)
I.S: 내면(Inner Surface)
O.S: 외면(Outer Surface)
N: 압력노드(pressure node)
AN: 압력안티노드(pressure antinode)
C: 캐비티(cavity)
P: 파이프 부재
R.S: 반사면(Reflection Surface)
W: 파(Wave)
W.L: 수면(Water Line)
100: 제어부
200: 탐침부
300: 탱크 부재
400: 동력부
F1: 제1 유체
F2: 제2 유체
H: 중공(Hollow)
I.S: 내면(Inner Surface)
O.S: 외면(Outer Surface)
N: 압력노드(pressure node)
AN: 압력안티노드(pressure antinode)
C: 캐비티(cavity)
P: 파이프 부재
R.S: 반사면(Reflection Surface)
W: 파(Wave)
W.L: 수면(Water Line)
Claims (15)
- 적어도 한 개의 만곡된 라운드부를 포함하며, 내부의 일측에 제1 유체가 수용되고 타측에 기체 상(gas phase)인 제2 유체가 수용되는 중공이 형성된 파이프 부재에 압축 잔류 응력을 인가하는 피닝 장치로서,
상기 중공에 공급된 상기 제1 유체에 잠기게 배치되어, 상기 제1 유체에 파(wave)를 인가하는 탐침부; 및
상기 탐침부 및 상기 파이프 부재와 연결되어, 상기 탐침부 및 상기 파이프 부재를 함께 회전시키는 동력부를 포함하며,
상기 제1 유체와 상기 제2 유체는 서로 다른 음향 임피던스(acoustic impedance)를 가져, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 접촉되는 반사면에서 상기 파가 전반사되어 정재파로 형성되고,
형성된 상기 정재파의 압력안티노드에서 생성 및 성장되는 캐비티(cavity)가 폭발되며 방출되는 충격파(shockwave) 또는 마이크로젯(microjet)에 의해, 상기 중공을 둘러싸는 상기 파이프 부재의 내면에 압축 잔류 응력이 인가되며,
상기 제2 유체의 압력이 일정하게 유지되며 상기 탐침부와 상기 파이프 부재가 함께 회전됨에 따라, 상기 반사면은 상기 파이프 부재의 내벽에 대한 상대적 위치가 조정되되, 상기 파이프 부재의 내면과 소정의 각도로 유지되는,
피닝 장치. - 제1항에 있어서,
복수 개의 상기 압력안티노드는 상기 파이프 부재의 상기 내면을 따라 소정 간격 이격되어 형성되고,
상기 캐비티는,
복수 개의 상기 압력안티노드를 따라 기 설정된 부피까지 성장된 후 폭발되는,
피닝 장치. - 제1항에 있어서,
상기 파이프 부재의 중공과 연통되어, 상기 중공에 수용된 상기 제2 유체의 압력 또는 공급량을 조정하게 구성되는 제어부를 포함하는,
피닝 장치. - 제3항에 있어서,
상기 중공의 상기 제2 유체의 압력 또는 공급량이 조정되면, 상기 반사면의 위치가 상기 파이프 부재의 연장 방향을 따라 이동되는,
피닝 장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 유체가 수용되며, 상기 파이프 부재를 수용하는 탱크 부재를 포함하며,
상기 파이프 부재는, 상기 탱크 부재에 수용된 상기 제1 유체에 잠기게 배치되는,
피닝 장치. - 제7항에 있어서,
상기 동력부는,
상기 탐침부, 상기 파이프 부재 및 상기 파이프 부재를 수용한 상기 탱크 부재를 함께 회전시키게 구성되는,
피닝 장치. - 제1항에 있어서,
상기 반사면은, 상기 중공에 삽입된 고체 상(solid phase)의 판 부재 또는 막 부재로 구비되는,
피닝 장치. - 제1항에 기재된 상기 피닝 장치를 이용하여,
상기 중공이 형성된 상기 파이프 부재에 압축 잔류 응력을 인가하는 피닝 방법으로서,
상기 파이프 부재의 내부에 형성된 상기 중공에 액체 상의 제1 유체 및 기체 상의 제2 유체가 주입되는 (a) 단계;
상기 파이프 부재의 상기 중공에 주입된 상기 제1 유체에 파(wave)가 인가되어 캐비티(cavity)가 형성되는 (b) 단계;
형성된 상기 캐비티가 폭발되며 상기 파이프 부재의 내면에 압축 잔류 응력이 인가되는 (c) 단계; 및
상기 파가 형성하는 압력안티노드(antinode)의 위치가 조정되는 (d) 단계를 포함하는,
피닝 방법. - 제10항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
상기 탐침부의 일 부분이 상기 중공의 단부 중 상기 제1 유체가 수용된 일 단부에 인접하게 위치되는 (b1) 단계;
상기 탐침부가 상기 제1 유체에 상기 파를 인가하는 (b2) 단계;
상기 제1 유체 및 상기 제2 유체가 접촉되는 부분에 형성된 반사면에 상기 파가 전반사됨에 따라 정재파로 형성되어, 상기 파이프 부재의 내면에 상기 압력안티노드가 형성되는 (b3) 단계; 및
상기 압력안티노드가 형성된 부분에 상기 캐비티가 형성되는 (b4) 단계를 포함하는,
피닝 방법. - 제10항에 있어서,
상기 압력안티노드는 상기 파이프 부재의 연장 방향을 따라 상기 내면에 서로 이격되어 복수 개 형성되며,
상기 (c) 단계는,
상기 캐비티가 복수 개의 상기 압력안티노드의 위치에서 성장되는 (c1) 단계;
상기 캐비티가 기 설정된 부피 이상으로 성장되어 폭발되는 (c2) 단계; 및
상기 캐비티가 폭발되어 발생되는 충격파(shockwave) 또는 마이크로젯(microjet)에 의해 상기 파이프 부재의 내면에 압축 잔류 응력이 인가되는 (c3) 단계를 포함하는,
피닝 방법. - 제10항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
제어부가 상기 중공에 수용된 상기 제2 유체의 압력 또는 공급량을 조정하는 (d1) 단계;
상기 제2 유체의 압력 또는 공급량이 조정되어, 상기 중공에 수용된 상기 제1 유체 및 상기 제2 유체의 상대적인 부피가 조정되는 (d2) 단계;
상기 제1 유체 및 상기 제2 유체가 접촉되는 부분에 형성되는 반사면의 위치가 조정되는 (d3) 단계; 및
상기 파가 상기 반사면에 전반사되어 형성되는 정재파의 압력안티노드의 위치가 조정되는 (d4) 단계를 포함하는,
피닝 방법. - 제13항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
상기 (d2) 단계 이후 및 상기 (d3) 단계 이전에,
상기 제어부가 상기 제2 유체의 압력을 일정하게 유지시키고, 상기 파이프 부재, 상기 파이프 부재에 상기 파를 인가하는 상기 탐침부 및 탱크 부재가 회전되어 상기 반사면과 상기 내면 사이의 각도가 일정하게 유지되는 (d2') 단계를 포함하는,
피닝 방법. - 제14항에 있어서,
상기 (d2') 단계는,
상기 파이프 부재, 상기 탐침부 및 상기 파이프 부재를 수용하는 상기 탱크 부재에 동력부가 연결되는 (d21') 단계;
상기 동력부가 상기 파이프 부재, 상기 탐침부 및 상기 탱크 부재를 회전시키는 (d22') 단계를 포함하는,
피닝 방법.
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