KR102661540B1 - 피닝 장치 및 이의 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 피닝 장치(10)는 파이프 부재(P')(예를 들어, 코일 스프링)의 내면(I.S)과 외면(O.S)에 압축 잔류 응력을 동시에 인가할 수 있다.
파이프 부재(P')의 외면(O.S)에 압축 잔류 응력의 인가는 파이프 부재(P')를 중력방향(z축 방향)으로 세운 후 회전시키면서 파이프 부재(P')의 외면(O.S)에 피닝 볼을 충돌시킴으로써 실현될 수 있다.
파이프 부재(P')의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력의 인가는 파이프 부재(P')를 중력방향(z축 방향)으로 세운 후 파이프 부재(P')의 내부에 제1 유체(F1)(예를 들어, 물)를 채운 후 파이프 부재(P')의 내부(중공(H))에 초음파(W)를 인가함으로써 실현될 수 있다.
파이프 부재(P')의 외면(O.S)에 압축 잔류 응력의 인가는 파이프 부재(P')를 중력방향(z축 방향)으로 세운 후 회전시키면서 파이프 부재(P')의 외면(O.S)에 피닝 볼을 충돌시킴으로써 실현될 수 있다.
파이프 부재(P')의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력의 인가는 파이프 부재(P')를 중력방향(z축 방향)으로 세운 후 파이프 부재(P')의 내부에 제1 유체(F1)(예를 들어, 물)를 채운 후 파이프 부재(P')의 내부(중공(H))에 초음파(W)를 인가함으로써 실현될 수 있다.
Description
본 발명은 피닝 장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 내부에 중공이 형성된 파이프 또는 스프링의 내면과 외면을 동시 또는 이시에 피닝하여 압축 잔류 응력을 인가할 수 있는 피닝 장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
파이프 또는 배관은 두 개 이상의 부재를 유체 등이 소통 가능하게 연결하기 위해 사용된다. 파이프의 내부에는 중공(hollow)이 형성된다. 유체는 상기 중공을 통해 어느 하나의 부재에서 다른 하나의 부재로 전달될 수 있다.
파이프에 형성된 중공은 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 피닝 처리에 대한 기술들이 소개된 바 있다.
외면 및 내면 피닝 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.
한편, 종래에는 피닝 대상물(예를들어, 파이프, 중공 스프링)의 외면(O.S)만을 피닝하거나, 내면(I.S)만을 피닝하기 위한 피닝 장치가 개시된바 있다.
그러나, 종래의 피닝 장치는 피닝 대상물의 외면(O.S) 또는 내면(I.S)만을 각각 피닝하는바, 피닝 시간이 오래 걸리는 단점이 있었다.
또한, 이러한 종래의 피닝 장치는 피닝 대상물의 외면(O.S) 또는 내면(I.S)만을 각각 피닝하는바, 외면(O.S)과 내면(I.S) 모두를 피닝하는 것과 비교하여 피닝 대상물에 최적의 압축 잔류 응력을 인가하는 것이 어려웠다.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 피닝 대상물(예를 들어, 파이프 부재)의 외면(O.S)과 내면(I.S)을 동시에 피닝하여 압축 잔류 응력을 인가할 수 있는 피닝 장치 및 피닝 장치의 제어방법을 제공하고자 한다.
또한, 피닝 시간을 단축할 수 있는 피닝 장치 및 피닝 장치의 제어방법을 제공하고자 한다.
또한, 피닝 대상물의 내부에 채워지는 제1 유체(F1)(예를 들어, 물)의 양을 제어하여 반사면(R.S)의 위치를 제어할 수 있는 피닝 장치 및 피닝 장치의 제어방법을 제공하고자 한다.
또한, 형상이 복잡한 피닝 대상물의 내면(I.S)과 외면(O.S)에 압축 잔류 응력을 인가할 수 있는 피닝 장치 및 피닝 장치의 제어방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 일정 형상을 갖는 파이프 부재를 회전시킬 수 있는 회전부재; 상기 파이프 부재를 향하여 피닝 볼을 분사할 수 있는 샷 피닝기기; 및 상기 파이프 부재가 회전할 수 있도록 상기 회전부재의 회전을 제어하고, 상기 파이프 부재가 회전하는 동안 상기 파이프 부재를 향하여 상기 피닝 볼의 분사를 제어하는 제어부를 포함하는 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 피닝 장치는, 중공이 형성된 상기 파이프 부재의 내부에 제1 유체를 공급할 수 있는 물 공급기; 및 상기 제1 유체에 초음파를 인가할 수 있는 탐침부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 물 공급기를 제어하여 상기 파이프 부재의 내부에 채워지는 제1 유체의 양을 제어할 수 있는 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 파이프 부재의 내부 하측은 액체로 제공되는 제1 유체로 채워지고, 상기 파이프 부재의 내부 상측은 기체로 제공되는 제2 유체로 채워지는 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 샷 피닝기기는 상기 회전부재의 측면에 배치되고, 상기 회전부재는 360도 회전가능하게 제공되는 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 샷 피닝기기는 복수 개로 제공되고, 복수 개로 제공된 상기 샷 피닝기기는 상기 파이프 부재의 회전축을 기준으로 서로 마주보게 배치되고, 상기 회전부재는 180도 이상 360도 이하로 회전가능하게 제공되는 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 샷 피닝기기는 N개 제공되고, 상기 회전부재의 회전 가능한 각도는 360/N 로 제공되는 피닝 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 파이프 부재의 하측 일부는 상기 회전부재에 고정되는 피닝장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 액체 공급기와 상기 탐침부는 상기 회전부재와 동시에 회전하도록 제공되는 피닝 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 일정 형상을 갖는 파이프 부재의 외면과 내면 중 적어도 하나의 면에 압축 잔류 응력을 인가하는 피닝 장치의 제어방법으로서, 상기 파이프 부재의 외면에 압축 잔류 응력을 인가하는 피닝 장치의 제어방법은, 일정 형상을 갖는 파이프 부재를 중력방향으로 세우는 단계(S11단계); 회전부재에 의해 상기 파이프 부재를 회전시키는 단계(S12단계); 샷 피닝기기에 의해 상기 파이프 부재를 향해 피닝 볼을 분사하는 단계(S13단계)를 포함하는 피닝 장치의 제어방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 S12단계는, 상기 샷 피닝기기가 배치되는 개수에 따라 상기 파이프 부재가 회전하는 회전 각도가 제어되는 단계를 포함하는 피닝 장치의 제어방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 파이프 부재의 내면에 압축 잔류 응력을 인가하는 피닝 장치의 제어방법은, 액체 공급기에 의해 상기 파이프 부재의 내부에 형성된 중공의 일부에 액체로 제공되는 제1 유체가 채워지는 단계(S21단계); 탐침부에 의해 상기 파이프 부재의 중공에 주입된 상기 제1 유체에 초음파가 인가되는 단계(S22단계)를 포함하는 피닝 장치의 제어방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 S21단계는, 상기 파이프 부재의 중공의 나머지 일부는 기체로 제공되는 제2 유체가 채워지고, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 만나는 반사면의 위치가 조절될 수 있도록, 상기 액체 공급기에 의해 상기 파이프 부재의 중공에 채워지는 제1 유체의 양이 조절되는 단계를 포함하는 피닝 장치의 제어방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피닝 장치 및 피닝 장치의 제어방법은 피닝 대상물(예를 들어, 파이프 부재)의 외면(O.S)과 내면(I.S)을 동시에 피닝하여 압축 잔류 응력을 인가할 수 있는 장점이 있다.
또한, 피닝 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
또한, 피닝 대상물의 내부에 채워지는 제1 유체(F1)(예를 들어, 물)의 양을 제어하여 반사면(R.S)의 위치를 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한, 형상이 복잡한 피닝 대상물의 내면(I.S)과 외면(O.S)에 압축 잔류 응력을 인가할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피닝 장치(10)를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 파이프 부재의 B 부분을 확대한 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 피닝 장치(10)의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 도 1의 피닝 장치(10)의 제어방법에 대한 순서도이다.
도 2는 도 1의 파이프 부재의 B 부분을 확대한 것을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 피닝 장치(10)의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 도 1의 피닝 장치(10)의 제어방법에 대한 순서도이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
1. 용어의 설명
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 초음파 캐비테이션(cavitation)이라는 용어는 초음파가 가진된 유체의 압력 변화로 인해 유체 내에 공동(캐비티, cavity)이 형성/성장/폭발되는 일련의 현상을 의미한다.
일 실시 예에서, 공동이 형성된 후 폭발되는 과정을 통해 파이프 부재(P)의 내면(I.S)에 충격이 인가될 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 "파이프 부재(P)"라는 용어는 중공(hollow)이 내부에 형성된 임의의 부재를 의미한다. 파이프 부재(P)는 곡선형으로 형성되거나, 직선 부분과 곡선 부분을 모두 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 곡선 부분을 모두 포함하는 부재로 구비될 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, 파이프 부재(P')의 내면(I.S)의 피닝은 초음파 가진시에 발생하는 캐비티의 폭발에 의해 발생되는 충격파에 의해 수행될 수 있으며, 파이프 부재(P')의 외면(O.S)의 피닝은 피닝 볼에 의해 가해지는 충격에 의해 실행될 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 "제1 유체(F1)" 는 파이프 부재(P)의 중공(H) 내부에 충진되어, 초음파(W)가 전파되기 위한 매질로 기능되는 임의의 유체를 의미한다.
일 실시예에서, 제1 유체(F1)는 물과 같은 액체 상(liquid phase)으로 구비될 수 있다. 또한, 제2 유체(F2)는 공기와 같은 기체 상(gas phase)으로 구비될 수 있다. 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)는 서로 섞이지 않으며, 서로 다른 음향 임피던스를 갖는다.
2. 본 발명의 일 실시예에 따른 피닝 장치(10)의 설명
도 1은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피닝 장치(10)를 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 파이프 부재의 일부분(예를 들어, B부분)을 확대한 것을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 도 1의 피닝 장치(10)의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 피닝 장치(10)는 파이프 부재(P')(예를 들어, 코일 스프링)의 내면(I.S)과 외면(O.S)에 압축 잔류 응력을 동시에 인가할 수 있다.
파이프 부재(P')의 외면(O.S)에 압축 잔류 응력의 인가는 파이프 부재(P')를 중력방향(z축 방향)으로 세운 후 회전시키면서 파이프 부재(P')의 외면(O.S)에 피닝 볼을 충돌시킴으로써 실현될 수 있다.
또한, 파이프 부재(P')의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력의 인가는 파이프 부재(P')를 중력방향(z축 방향)으로 세운 후 파이프 부재(P')의 내부에 제1 유체(F1)(예를 들어, 물)를 채운 후 파이프 부재(P')의 내부(중공(H))에 초음파(W)를 인가함으로써 실현될 수 있다.
피닝 장치(10)는 파이프 부재(P')를 회전시키는 회전부재(500); 파이프 부재(P')에 피닝 볼을 분사하는 샷 피닝기기(600); 파이프 부재(P')의 내부에 제1 유체(F1)(예를 들어, 물)을 공급하는 액체 공급기(800); 파이프 부재(P')의 내부에 있는 제1 유체(F1)에 초음파(W)를 인가할 수 있는 탐침부(200); 및 회전부재(500), 샷 피닝기기(600), 액체 공급기(800) 및 탐침부(200) 중 적어도 하나를 제어하는 제어부(100)를 포함할 수 있다.
여기서, 회전부재(500)와 샷 피닝기기(600)는 파이프 부재(P')의 외면(O.S)에 압축 잔류 응력을 인가하기 위한 구성으로 이해될 수 있으며, 액체 공급기(800)와 탐침부(200)는 파이프 부재(P')의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력을 인가하기 위한 구성으로 이해될 수 있다.
먼저, 파이프 부재(P')의 외면(O.S)에 압축 잔류 응력을 인가하기 위한 피닝 장치(10)에 대해 설명하면 다음과 같다.
파이프 부재(P')의 외면(O.S)에 압축 잔류 응력을 인가할 수 있는 피닝 장치(10)는, 곡선 부분을 포함하는 파이프 부재(P')를 회전시킬 수 있는 회전부재(500); 파이프 부재(P')를 향하여 피닝 볼을 분사할 수 있는 샷 피닝기기(600); 및 파이프 부재(P')가 회전할 수 있도록 회전부재(500)의 회전을 제어하고 파이프 부재(P')가 회전하는 동안 파이프 부재(P')를 향하여 피닝 볼의 분사를 제어하는 제어부(100)를 포함할 수 있다.
회전부재(500)는 파이프 부재(P')를 중력방향(Z축 방향)으로 고정한 채로 파이프 부재(P')를 회전시킬 수 있다.
파이프 부재(P')의 하측은 회전부재(500)에 고정되고, 회전부재(500)가 회전함에 따라 파이프 부재(P')도 함께 회전할 수 있다.파이프 부재(P')는 회전축(A-A')을 중심으로 회전할 수 있으며, 회전축(A-A')은 파이프 부재(P')의 장축의 중심선으로 이해될 수 있다. 파이프 부재(P')가 코일 스프링으로 제공되는 경우, 회전축(A-A')은 코일 스프링의 장축의 중심선일 수 있다.
샷 피닝기기(600)는 파이프 부재(P')의 측면에 배치되고, 파이프 부재(P')를 향하여 피닝 볼을 분사할 수 있다.
샷 피닝기기(600)는 피닝 볼을 파이프 부재(P')의 외면(O.S)에 충돌시켜 소성 변형킴으로써 압축 잔류 응력을 발생시키는 기기로 이해될 수 있다. 피닝 볼이 파이프 부재(P')의 표면과 충돌하게 되면 충돌부위에 변형이 발생하고, 피닝 볼이 파이프 부재(P')에 가해지는 강도가 일정 에너지를 넘게 되어 변형이 회복되지 않는 소성변형이 발생한다.
도 1에서는 샷 피닝기기(600)가 하나 제공되는 것을 도시하나, 샷 피닝기기(600)는 파이프 부재(P')의 회전 각도에 따라 복수 개 제공될 수 있다.
또한, 샷 피닝기기(600)는 N개 제공되고, 회전부재(500)의 회전 가능한 각도는 360/N 로 제공될 수 있다. 여기서, N은 자연수이다.
예를 들어, 회전부재(500)에 의해 파이프 부재(P')가 360도 회전가능하게 제공되는 경우 샷 피닝기기(600)는 1개로 제공될 수 있고, 파이프 부재(P')가 180도 회전가능하게 제공되는 경우 샷 피닝기기(600)는 회전축(A-A')을 중심으로 서로 마주보게 2개로 제공될 수 있고, 파이프 부재(P')가 90도 회전가능하게 제공되는 경우, 샷 피닝기기(600)는 회전축(A-A')을 중심으로 하여 4개 제공될 수 있다.
이와 같은 파이프 부재(P')의 회전 각도 및 그에 따른 샷 피닝기기(600)의 갯수와 배치관계를 최적화하여, 파이프 부재(P')의 외면(O.S) 전체에 대해 압축 잔류 응력을 인가할 수 있다.
샷 피닝기기(600)의 높이(Z축 방향)는 파이프 부재(P')의 전체 높이 보다 크거나, 같게 제공될 수 있다. 이 경우, 파이프 부재(P')가 360도 회전하는 경우, 샷 피닝기기(600)에서 피닝 볼이 분사되어 파이프 부재(P')의 외면(O.S) 전체에 압축 잔류 응력을 인가할 수 있다.
제어부(100)는 회전부재(500), 샷 피닝기기(600), 액체 공급기(800), 탐침부(200) 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(100)는 회전부재(500)의 회전각도 및 회전속도를 제어하고, 샷 피닝기기(600)의 피닝 볼의 분사 속도 및 분사 방향을 제어할 수 있다.
제어부(100)는 회전부재(500)와 샷 피닝기기(600)를 동시에 제어함으로써 파이프 부재(P')의 외면(O.S)에 최적의 압축 잔류 응력을 인가할 수 있다.
파이프 부재(P')는 회전부재(500)에 직접 연결되어 파이프 부재(P')는 회전부재(500)에 대해 고정될 수 있다.
예를 들어, 파이프 부재(P')의 하측 일부는 회전부재(500)의 내부에 배치되고, 파이프 부재(P')와 회전부재(500)가 접촉하는 지점에서 고정될 수 있다.
또한, 파이프 부재(P')와 액체 공급기(800)를 연결하는 연결관(710)은 회전부재(500)의 내부에 배치되고, 회전부재(500)의 내부에서 파이프 부재(P') 단부와 연결관(710)이 연결될 수 있다.
다음으로, 파이프 부재(P')의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력을 인가하기 위한 피닝 장치(10)에 대해 설명하면 다음과 같다.
파이프 부재(P')의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력의 인가는, 파이프 부재(P')를 중력방향(z축 방향)으로 세운 후 파이프 부재(P')의 내부에 제1 유체(F1)(예를 들어, 물)와 제2 유체(F2)(예를 들어, 공기)를 채운 후 파이프 부재(P')의 내부(중공(H))에 초음파(W)를 인가함으로써 실현될 수 있다.
파이프 부재(P')가 중력방향으로 배치됨에 따라 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)가 만나는 반사면(R.S)은 제1 유체(F1)가 채워진 상부 끝단에 형성될 수 있다. 여기서, 반사면(R.S)은 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)가 만나는 부분으로 정의될 수 있다.
파이프 부재(P')의 내면(I.S)에 초음파(W)가 인가되는 경우, 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)가 접촉되는 반사면(R.S)에서 초음파(W)가 전반사되어 파이프 내부의 제1유체에서 축방향으로 정재파가 형성되고, 형성된 정재파의 압력안티노드(AN)에서는 캐비티(cavity)가 집중적으로 생성/성장/폭발하며폭발될 때 방출되는 충격파(shockwave) 또는 마이크로젯(microjet)에 의해, 파이프 부재(P')의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력이 인가될 수 있다.
여기서, 압력안티노드(AN)는 파이프 부재(P')의 내면(I.S)에서 파이프 부재(P')의 중심축(B-B')과 수직을 이루며 형성된다(도 2 참조).
압력안티노드(AN)들의 간격(d)은 가진 초음파의 파장 길이(
/2)의 절반이다.
캐비티(C)가 정재파의 압력안티노드(AN)에서 집중적으로 발생되는 이유는 압력안티노드(AN)에서 압력 변위가 최대가 됨에 기인한다. 초음파장에서 발생하는 캐비티(C)는 주기적인 압력 변위에 의해 성장된다.
임계 크기까지 성장한 캐비티(C)는 폭발하며 파이프 부재(P)의 내면(I.S)에 충격파를 전달할 수 있으며, 충격파에 의해 파이프 부재(P')의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력이 인가될 수 있다.
또한, 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 초음파(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 초음파(W) 및 이에 의해 발생되는 캐비티(C)를 이용함에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 피닝 장치(10)는 파이프 부재(P)가 코일 스프링과 같이 곡선인 경우에도 용이하게 피닝을 수행할 수 있다.
파이프 부재(P')의 하측은 회전부재(500)에 고정되고, 회전부재(500)가 회전함에 따라 파이프 부재(P')도 함께 회전할 수 있다. 회전부재(500)의 내부에는 연결관(710)이 배치되고, 연결관(710)과 파이프 부재(P')의 하측 단부가 연통될 수 있다.
파이프 부재(P')의 단부와 연결관(710) 사이에는 제1 실링부(202)가 형성되며, 제1 실링부(202)에 의해 파이프 부재(P')와 연결관(710) 사이로 제1 유체(F1)가 누수되는 것이 방지될 수 있다.
연결관(710)은 액체 공급기(800)에서 공급되는 제1 유체(F1)(예를 들어, 물)를 파이프 부재(P')로 전달하는 통로 역할을 한다.
또한, 연결관(710)의 일측에는 초음파(W)를 제1 유체(F1)에 조사하는 탐침부(200)가 삽입될 수 있다.
연결관(710)과 탐침부(200) 사이에는 제2 실링부(204)가 형성되며, 제2 실링부(204)에 의해 파이프 부재(P')와 탐침부(200) 사이로 제1 유체(F1)가 누수되는 것이 방지될 수 있다.
또한, 연결관(710)은 액체 공급기(800)와 연결될 수 있으며, 액체 공급기(800)를 통해 연결관(710)으로 주입되는 제1 유체(F1)의 양은 체크밸브(802)의 개폐에 따라 조절될 수 있다. 체크밸브는 초음파 캐비테이션에 의해 발생될 수 있는 손상을 최소화하기 위해 초음파 프로브(탐침부) 측면 또는 뒷면에 배치될 수 있다.
액체 공급기(800)는 중공(H)이 형성된 파이프 부재(P')의 내부에 제1 유체(F1)를 공급할 수 있다.
이때, 파이프 부재(P')의 일측은 액체 공급기(800)와 연결되는 물로 제공되는 제1 유체(F1)가 채워질 수 있고, 파이프 부재(P')의 타측은 외부와 연결되어 공기로 제공되는 제2 유체(F2)로 채워질 수 있다.
즉, 파이프 부재(P')의 하측 일부 공간은 물로 채워지고, 나머지 공간은 공기로 채워질 수있으며, 물과 공기가 만나는 면은 반사면(R.S)이 형성될 수 있다.
파이프 부재(P')를 중력방향으로 세운 후, 파이프 부재(P')에 채워지는 제1 유체(F1)의 양을 조절함으로써 반사면(R.S)의 위치가 조절될 수 있다.
액체 공급기(800)로부터 공급되는 제1 유체(F1)는 연결관(710)을 통해 파이프 부재(P')의 내부에 채워질 수 있고, 제1 유체(F1)에 초음파(W)를 인가하는 탐침부(200)의 적어도 일부분은 연결관(710)의 내부에서 제1 유체(F1)에 잠기게 제공될 수 있다.
또한, 액체 공급기(800)에 의해 파이프 부재(P')의 중공(H)에 제1 유체(F1)가 채워진 후, 탐침부(200)가 파이프 부재(P')의 일측 단부 또는 연결관(710)의 일측 단부에 삽입될 수 있다.
탐침부(200)는 제1 유체(F1)에 초음파(W)를 인가할 수 있다. 탐침부(200)는 제1 유체(F1)에 부분적으로 잠기게 배치된다. 탐침부(200)에서 제공된 초음파(W)는 파이프 부재(P')가 연장되는 방향을 따라 전파된다.
탐침부(200)는 제1 연결관(710)을 통해 파이프 부재(P')에 연결되거나 또는 파이프 부재(P')와 직접 연결될 수 있다.
또한, 액체 공급기(800)와 탐침부(200)는 회전부재(500)의 일측에 배치되어, 회전부재(500)와 함께 회전하도록 제공될 수 있다. 이 경우, 파이프 부재(P')와 액체 공급기(800) 또는 파이프 부재(P')와 탐침부(200)를 연결하는 연결관(710)의 꼬임이 없이 파이프 부재(P')를 회전시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 사상은 이에 제한되는 것은 아니며, 파이프 부재(P')가 회전할 수 있기만 하면 파이프 부재(P')와 액체 공급기(800), 파이프 부재(P')와 탐침부(200)가 서로 독립적으로 움직이는 것을 포함할 수 있다.
또한, 제어부(100)는 액체 공급기(800)를 제어하여 파이프 부재(P')의 내부에 채워지는 제1 유체(F1)(예를 들어, 물)의 공급량을 제어할 수 있다. 그에 따라, 파이프 부재(P')의 내부에 채워지는 제1 유체(F1)의 높이가 제어될 수 있다.
또한, 제어부(100)는 탐침부(200)를 제어하여 파이프 부재(P')의 내부인 중공(H)에 조사되는 초음파(W)를 제어할 수 있다.
도 4는 도 1의 피닝 장치(10)의 제어방법에 대한 순서도이다.
도 4를 참조하여, 피닝 장치(10)의 제어방법에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피닝 장치(10)의 제어방법은, 파이프 부재(P')의 외면(O.S)과 내면(I.S) 중 적어도 하나의 면에 압축 잔류 응력을 인가할 수 있다.
즉, 피닝 장치(10)에 의해 파이프 부재(P')의 외면(O.S)에 압축 잔류 응력을 인가하거나, 내면(I.S)에 압축 잔류 응력을 인가하거나, 외면(O.S)과 내면(I.S)에 압축 잔류 응력을 동시 또는 이시에 인가할 수 있다.
먼저, 파이프 부재(P')의 외면(O.S)에 압축 잔류 응력을 인가하는 피닝 장치의 제어방법은, 일정 형상을 갖는 파이프 부재(P')를 중력방향으로 세우는 단계(S11단계); 회전부재(500)에 의해 파이프 부재(P')를 회전시키는 단계(S12단계); 및 샷 피닝기기(600)에 의해 파이프 부재(P')를 향해 피닝 볼을 분사하는 단계(S13단계)를 포함할 수 있다.
S12단계는, 샷 피닝기기(600)가 배치되는 개수에 따라 파이프 부재(P')가 회전하는 회전 각도가 제어되는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 샷 피닝기기(600)가 1개 제공되는 경우 파이프 부재(P')는 360도 회전가능하게 제어될 수 있고, 샷 피닝기기(600)가 2개 제공되는 경우 파이프 부재(P')는 180도 회전가능하게 제어될 수 있다.
또한, S13 단계는, 파이프 부재(P')를 향해 조사되는 피닝 볼의 분사 속도 및 분사 방향이 제어되는 단계를 포함할 수 있다.
다음으로, 파이프 부재(P')의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력을 인가하는 피닝 장치(10)의 제어방법은, 액체 공급기(800)에 의해 파이프 부재(P')의 내부에 형성된 중공(H)의 일부에 액체로 제공되는 제1 유체(F1)가 채워지는 단계(S21단계); 및 탐침부(200)에 의해 상기 파이프 부재(P')의 중공(H)에 주입된 상기 제1 유체(F1)에 초음파(W)가 인가되는 단계(S22단계)를 포함할 수 있다.
여기서, S21단계는, 파이프 부재(P')의 중공(H)의 일부(하측)는 제1 유체(F1)로 채워지고 나머지 일부(상측)는 기체로 제공되는 제2 유체(F2)가 채워지는 단계를 포함할 수 있다.
또한, S21단계는 상술한 S11단계와 S12단계 사이에 실행될 수 있다.
또한, S21단계는 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)가 만나는 반사면(R.S)의 위치가 조절될 수 있도록, 액체 공급기(800)에 의해 파이프 부재(P')의 중공(H)에 채워지는 제1 유체(F1)의 양이 조절되는 단계를 포함할 수 있다. S22단계에 의해 파이프 부재(P')의 내면(I.S)에 초음파(W)가 인가되는 경우, 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)가 접촉되는 반사면(R.S)에서 초움파(W)가 전반사되어 정재파가 형성될 수 있따. 이때, 형성된 정재파의 압력안티노드(AN)에서 생성 및 성장되는 캐비티(cavity)가 폭발되며 방출되는 충격파(shockwave) 또는 마이크로젯(microjet)에 의해, 파이프 부재(P')의 내면(I.S)에 압축 잔류 응력이 인가될 수 있다.
또한, S22단계는 상술한 S13단계와 동시에 실행될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 피닝 장치 및 이의 제어방법을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
10 : 피닝 장치
100 : 제어부
200 : 탐침부
500 : 회전부재
510 : 제1 회전부재
520 : 제2 회전부재
600 : 샷 피닝기기
710 : 연결관
800 : 액체 공급기
P' : 파이프 부재
100 : 제어부
200 : 탐침부
500 : 회전부재
510 : 제1 회전부재
520 : 제2 회전부재
600 : 샷 피닝기기
710 : 연결관
800 : 액체 공급기
P' : 파이프 부재
Claims (13)
- 일정 형상을 갖고 내부에 중공이 형성된 파이프 부재를 회전시키는 회전부재;
상기 회전부재의 외측에 구비되어, 상기 파이프 부재의 외면을 향하여 피닝 볼을 분사하는 샷 피닝기기;
상기 파이프 부재의 내부로 제1 유체를 공급하는 액체 공급기;
상기 회전부재의 내부에 배치되되, 일측은 상기 액체 공급기와 연결되고 타측은 상기 파이프 부재의 단부와 연통되는 연결관;
상기 연결관에 삽입되어 상기 제1 유체에 초음파를 인가하는 탐침부; 및
상기 회전부재, 상기 샷 피닝기기, 상기 액체 공급기, 및 상기 탐침부 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하는
피닝 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 액체 공급기를 제어하여 상기 파이프 부재의 내부에 채워지는 상기 제1 유체의 양을 제어하는
피닝 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 파이프 부재의 내부 하측은 액체로 제공되는 상기 제1 유체로 채워지고,
상기 파이프 부재의 내부 상측은 기체로 제공되는 제2 유체로 채워지는
피닝 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 샷 피닝기기는 상기 파이프 부재의 측면에 복수 개가 배치되고,
상기 제어부는,
상기 샷 피닝기기가 배치되는 개수에 따라 상기 파이프 부재의 회전 각도를 제어하는
피닝 장치. - 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 파이프 부재가 회전하는 동안, 상기 파이프 부재를 향해 조사되는 상기 피닝 볼의 분사 속도 및 분사 방향을 제어하는
피닝 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 파이프 부재의 단부와 상기 연결관 사이에 형성되는 제1 실링부; 및
상기 연결관과 상기 탐침부 사이에 형성되는 제2 실링부를 더 포함하는
피닝 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 파이프 부재의 하측 일부는 상기 회전부재에 고정되는
피닝 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 액체 공급기와 상기 탐침부는 상기 회전부재와 동시에 회전하도록 제공되는
피닝 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 액체 공급기를 통해 연결관으로 주입되는 제1 유체의 양은 체크밸브의 개폐에 따라 조절되고,
상기 체크밸브는 상기 탐침부의 옆면 또는 뒷면에 배치되는
피닝 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |