KR19990086137A - Apparatus and method for ultra high pressure water jet peening. - Google Patents

Apparatus and method for ultra high pressure water jet peening. Download PDF

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KR19990086137A
KR19990086137A KR1019980018946A KR19980018946A KR19990086137A KR 19990086137 A KR19990086137 A KR 19990086137A KR 1019980018946 A KR1019980018946 A KR 1019980018946A KR 19980018946 A KR19980018946 A KR 19980018946A KR 19990086137 A KR19990086137 A KR 19990086137A
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탐 버틀러
데이브 몬세루드
데이브 보텔
데이브 스틸
존 헤이크
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버틀러 토마스
워터제트 테크놀리지 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 초고속 워터제트(waterjet)에 의해 물질을 피이닝(peening) 가공하기 위한 장치 및 방법에 관련된다. 이 장치는 공작물과 제트의 3차원 상대 운동을 발생시키고 유지하는 수단을 포함한다. 제어 장치는 균일한 깊이로 피이닝 가공되거나 다른 깊이로 피이닝 가공된 복잡한 모양을 형성할 수 있고 상대 속도, 분리 거리, 각도와 압력을 자동으로 변화시킬 수 있다. 본원 발명에 따른 방법은 피이닝 가공을 용이하게 하기 위해서 워터제트 내에 부유운반된 소실 입자를 사용하는 것을 포함한다.The present invention relates to an apparatus and method for peening a material by means of an ultrafast waterjet. The apparatus includes means for generating and maintaining three-dimensional relative motion of the workpiece and the jet. The control unit can form complex shapes pinned to a uniform depth or pinned to different depths and can automatically change relative speeds, separation distances, angles and pressures. The method according to the invention comprises the use of missing particles suspended in a water jet to facilitate pinning.

Description

초고압 워터제트 피이닝 가공을 위한 장치 및 방법.Apparatus and method for ultra high pressure water jet peening.

본 발명은 물질 처리에 관련된다. 특히 본 발명은 국부 압축시켜 결정 구조로 바꾸어줌으로써 물질의 성질을 바꾸도록 물질의 표면을 피이닝 가공하는 것에 관한 것이다. 이 방법은 제트 내에 운반되는 소실 입자를 사용하고 전술한 방법을 실시하기 위한 장치를 포함한다.The present invention relates to material processing. In particular, the present invention relates to the pinning of the surface of a material to change its properties by local compression to a crystal structure. The method includes apparatus for using missing particles carried in a jet and for carrying out the method described above.

종래 기술에 따른 다양한 방법에 의해 물질이 피이닝 가공되어 왔다. 피이닝 가공은 임팩트에 의해 물질 표면을 바꾸는 공정으로 정의내릴 수 있다. 초기에 피이닝 공정은, 금속이 차가울 때 망치질을 한다면 반복된 망치질에 의해 금속이 단단해진다는 것을 대장장이가 발견한 이후에 개발되었다. 금속이 가열되어 있거나 가열된 상태에서 두드려 펴진다면 원하는 특성을 종종 상실할 수 있다. 이 때문에 전술한 공정을 "냉간 가공"이라고 부른다. 이 효과는 "가공 경화"로 알려진 현상과 유사하다. 피이닝 가공에 의해 물질은 부식과 약화에 대해 보다 높은 저항성을 가지게 된다.The material has been pinned by various methods according to the prior art. Pinning can be defined as the process of changing the material surface by impact. Initially, the pinning process was developed after the blacksmith discovered that if the metal is cold when hammered, the metal is hardened by repeated hammering. Desired properties can often be lost if the metal is heated or beaten while heated. For this reason, the above-mentioned process is called "cold processing." This effect is similar to a phenomenon known as "work hardening." The pinning process makes the material more resistant to corrosion and weakening.

일반적으로 피이닝 공정은 피이닝 가공될 물질 표면에 충격을 가하는 공기 추진식 쇼트(shot) 또는 원심 추진식 쇼트의 사용에 의해 이루어진다. 상기 쇼트는 금속 쇼트이거나 세라믹 볼(ball)이다. 쇼트의 임팩트는, 단단한 디이프 물질이 압축시 표면 물질을 유지하도록 하는 휨 강도를 초과하여 부품의 표면을 압착한다. 금속의 부식 및 약화를 방지하는 것은 표면 잔류 압착 응력이다. 오늘날 피이닝 가공은 종래의 물질뿐만 아니라 철 합금, 티타늄, 와강 스킨 및 ISO 그리드 패널과 같은 다양한 금속에 널리 이용된다. 쇼트 피이닝은 상기 물질의 표면을 가공 경화시키고 성형하는데 사용된다. 피이닝은 핵산업과 항공기 산업에서 광범위하게 이용되어왔다.The pinning process is generally accomplished by the use of an air propelled shot or centrifugal propelled shot that impacts the surface of the material to be pinned. The shot is a metal shot or a ceramic ball. The impact of the shot squeezes the surface of the part beyond the flexural strength that allows the hard dip material to retain the surface material upon compression. It is the surface residual compressive stress that prevents corrosion and weakening of the metal. Today pinning is widely used in a variety of metals such as iron alloys, titanium, vortex skins and ISO grid panels as well as conventional materials. Shot peening is used to work harden and shape the surface of the material. Pinning has been widely used in the nucleic acid and aircraft industries.

종래의 쇼트 피이닝 방법은 여러 가지 문제점을 안고 있다. 어려운 점들로는 사용된 쇼트의 폐기물 처리, 공정 제어 및 오염등이 있다. 특히 금속인 경우에 많은 물질들이 쇼트에 의해 오염될 것이다. 항공기 엔진부와 같은 영역에서 사용된다면 소형 쇼트는 통로를 막을 수도 있다. 쇼트 오염은 원치않는 합금 및 부식 핵 형성을 비롯해 공작물의 성질을 바꿀 수 있다. 볼 추진 쇼트를 다룰 때 공정 제어는 어려워진다. 또, 반경이 짧다면 크기가 큰 쇼트가 통과할 수 없어서 필릿을 알맞게 처리할 수 없다. 쇼트가 작다면 물질을 알맞게 냉간 가공하기 위해서 충분한 에너지를 공급할 수 없고 피이닝 가공될 물질의 휨 강도를 초과한 바람직한 압축 깊이를 달성할 수 없으므로 전술한 단점을 해결하기 위해서 쇼트를 소형화하는 것이 항상 만족스러운 해법은 아니다. 끝으로, 자기 분리 가능성을 해소하기 위해서 세라믹이 사용된다면 사용된 쇼트를 복구하는 것은 어렵게 된다. 이 문제점은 원자로 성분의 소요 위치 피이닝 가공하는 경우에 특히 부각된다. 여기에서 폐기물 쇼트는 중요한 냉각 및 제어 통로를 막을 수 있다. 피복 금속의 손상으로 인해 연료봉도 손상될 수 있다. 금속 입자를 공중에 부유시킴으로써 공기는 오염될 수도 있다.The conventional short peening method suffers from various problems. Difficulties include waste disposal, process control and contamination of the used short. Many materials will be contaminated by shots, especially in the case of metals. Small shots may block the passage if used in areas such as aircraft engines. Short contamination can change the properties of the workpiece, including unwanted alloying and corrosion nucleation. Process control becomes difficult when dealing with ball propulsion shorts. In addition, if the radius is short, large shots cannot pass through and fillets cannot be properly processed. Small shots are always satisfactory in order to solve the above-mentioned drawbacks, since sufficient energy cannot be supplied to adequately cold work the material and a desired compression depth exceeding the flexural strength of the material to be pinned cannot be achieved. It's not a trivial solution. Finally, it is difficult to recover the shots used if ceramics are used to eliminate the possibility of magnetic separation. This problem is particularly noticeable when processing required position pinning of reactor components. Waste shorts can block important cooling and control passages here. Damage to the clad metal can also damage the fuel rods. Air may be contaminated by floating metal particles in the air.

쇼트 피이닝이 가지는 전술한 문제점들에 대한 대안으로 피이닝 가공을 위해 액체 제트를 사용하는 것이 제안되어 왔다. Enomoto의 미국 특허 제 5,305,361에서 그 예를 찾아볼 수 있다. Enomoto는 진동 노즐 워터제트를 이용해 원자로 성분을 피이닝 가공하는 공정을 설명한다. Enomoto의 발명에 따르면 제트류에 공동을 형성하기 위해서 노즐을 진동시키는 것이 필수적인 것으로 간주된다. 형성된 공동의 파괴는 피이닝 가공될 물질로 전달되는 힘을 증가시킨다. Enomoto는, 물질 표면을 변형시키는데 필요한 초고압으로 인해 비진동 제트류의 사용은 실행할 수 없는 것으로 기술한다. Enomoto의 발명은 원자로의 수중에서 쓰는 내면을 피이닝 가공하는 특별한 경우에 제한적으로 이용된다. Enomoto의 발명에 따르면 저압과 고흐름율로 인해 피이닝 가공을 하기 전에 연료봉을 제거해야 하기 때문에 반응력을 견딜 수 있도록 장치의 크기를 대형화시켜야 하고 따라서 고비용이 소모된다.As an alternative to the above-mentioned problems with shot peening, the use of liquid jets for peening has been proposed. An example can be found in Enomoto US Pat. No. 5,305,361. Enomoto describes the process of peening reactor components using a vibrating nozzle water jet. According to the invention of Enomoto it is considered necessary to vibrate the nozzle to form a cavity in the jet stream. Breakage of the formed cavity increases the force transmitted to the material to be pinned. Enomoto states that the use of non-vibrating jets is impractical due to the ultrahigh pressure required to modify the material surface. Enomoto's invention is of limited use in the special case of peening the inner surface of a reactor. According to Enomoto's invention, because of the low pressure and high flow rate, the fuel rod has to be removed before the pinning process, so the size of the device must be large enough to withstand the reaction force and therefore high cost.

본 발명은 초고압 워터제트를 이용하여 물질을 피이닝 가공하는 장치 및 방법을 제공한다. 본원에서 상술되는 발명은 티타늄에서 알루미늄 와강까지 다양한 물질에 적용할 수 있다. 본 발명은 종래 기술에 비해 보다 높은 정도로 피이닝 가공력을 제어하는 방법을 제시한다. 본원에 따른 장치는 종래의 쇼트 피이닝 방법으로 피이닝 가공될 수 없는 형태의 피이닝을 부여한다. 본 발명에 따른 방법은 피이닝 가공된 표면의 오염을 막는다. 쇼트가 사용되지 않으므로 쇼트를 처리할 필요도 없다. 본 발명에 따른 방법은 비교적 경제적인 소형 장치로 실행가능하다. 어떤 쇼트도 작은 공동에 끼이지 않는다.The present invention provides an apparatus and method for peening a material using an ultra high pressure water jet. The invention detailed herein is applicable to a variety of materials from titanium to aluminum vortex steel. The present invention provides a method of controlling the pinning force to a higher degree compared to the prior art. The device according to the invention imparts a pinning of a type which cannot be pinned by conventional short peening methods. The method according to the invention prevents contamination of the pinned surface. Since no shot is used, there is no need to handle the shot. The method according to the invention is feasible with a compact device which is relatively economical. No shot gets stuck in a small cavity.

본 발명에 따른 방법은 단일 초고압 워터제트 노즐을 사용한다. 초고압 유체는 노즐에서 배출되어 약간 떨어진 금속면을 두드린다. 초고압은, 캐비테이션 기포를 파열시키거나 유체 내에 입자를 가속화하거나 직접적으로 금속면을 구부리기에 충분할 정도로 제트 속도를 빠르게 해주어야 한다. 제트는 공작물에 대해 움직인다. 이 운동은 제트에 대해 2차원 또는 3차원으로 공작물을 움직이거나 제트 자체만 움직여줌으로써 이루어진다. 세 방향 중 한두 방향은 본원 방법으로 회전할 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 각도와 힘뿐만 아니라 상대 운동 속도도 바꾼다. 전술한 각 인자의 제어는 모든 다른 인자의 변동을 보상하도록 유지되어야 한다.The method according to the invention uses a single ultra high pressure waterjet nozzle. The ultrahigh pressure fluid exits the nozzle and taps on the metal surface slightly apart. The ultrahigh pressure should speed up the jet enough to burst the cavitation bubbles, accelerate the particles in the fluid or bend the metal surface directly. The jet moves with respect to the workpiece. This movement is achieved by moving the workpiece in two or three dimensions relative to the jet, or by moving only the jet itself. One or two of the three directions can be rotated by the present method. The method according to the invention changes not only the angle and the force but also the relative speed of movement. The control of each of the factors described above should be maintained to compensate for variations in all other factors.

본 발명에 따른 장치는 초고압 워터제트를 포함한다. 이 제트는 유체와 입자를 적절히 공급한다. 상기 제트는, 제트의 방향을 3차원으로 움직이도록 허용하는 매니풀레이터에 부착된다. 이 3차원은 일반적인 카아티이젼 좌표로 적용할 수 있다. 다른 적용 방법에 따르면 제트는 한 평면 전체를 따라 움직일 수 있지만 무제한 회전 자유도를 가진다. 끝으로 제트는 선 구획부를 따라 움직일 수 있고 2도의 회전 자유도를 가질 수도 있다. 전술한 세 분류의 장치에서, 공작물의 운동은 제트의 운동으로 대체될 수 있다. 또, 피이닝 가공 동안 장치는 제트의 피이닝 가공력을 바꾼다. 제트의 강도와 위치의 변화 이외에 상대 운동 속도가 연속적으로 바뀔 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 물질의 정확한 냉간 가공을 위해서 상기 모든 기능을 동시에 제어한다.The device according to the invention comprises an ultra high pressure water jet. This jet supplies fluid and particles properly. The jet is attached to a manipulator that allows the jet to move in three dimensions. This 3D can be applied to general Cartesian coordinates. According to another application, the jet can move along an entire plane but has unlimited rotational freedom. Finally, the jet can move along the line compartment and have two degrees of freedom of rotation. In the three classes of devices described above, the movement of the workpiece can be replaced by the movement of the jet. In addition, during the pinning operation, the device changes the pinning force of the jet. In addition to changes in the intensity and position of the jet, the relative speed of movement can be changed continuously. The apparatus according to the invention controls all of these functions simultaneously for accurate cold processing of the material.

요약해서, 본 발명에 따른 장치 및 방법은, 종래 피이닝 기술로 쉽게 만들어질 수 없는 형태로 다양한 물질의 피이닝을 가능케 한다. 본원 발명에 따른 장치 및 방법은, 종래 쇼트 피이닝이 불가능한 다양한 곳에서 이용할 수 있다.In summary, the apparatus and method according to the present invention enable the pinning of various materials in a form that cannot easily be made by conventional pinning techniques. The apparatus and method according to the invention can be used in a variety of places where conventional short peening is not possible.

도 1 은 본 발명의 방법을 나타낸 정면도.1 is a front view showing a method of the present invention.

도 2 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 장치의 정밀 사시도.2 is a precise perspective view of the apparatus according to the second embodiment of the present invention.

도 3 은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 장치의 정밀 사시도.3 is a precise perspective view of the apparatus according to the third embodiment of the present invention.

도 4 는 도 3에 나타낸 실시예의 사시도.4 is a perspective view of the embodiment shown in FIG.

도 5 는 원자로에서 본 발명의 제 4 실시예에 따른 정면도.5 is a front view according to a fourth embodiment of the present invention in a nuclear reactor.

*부호 설명* Sign Description

1 ... 공작물 2 ... 노즐 조립체1 ... workpiece 2 ... nozzle assembly

3 ... 제트 5 ... 피이닝 가공면3 ... jet 5 ... pinning face

본 발명에 따른 모든 실시예에서, 종래에 인지하지 못한 공정에 필요한 여러 가지 인자들이 있음을 발견하였다. 제 1 인자는 인큐베이션(incubation) 기간의 존재이다. 캐비테이션의 연구는 인큐베이션 기간의 존재를 밝혔다. 인큐베이션 기간은, 물질이 캐비테이션 기포 파열을 일으키지만 어떤 물질 손실도 일으키지 않는 기간을 의미한다. 초고압 워터제트 피이닝 가공은, 물질 손실을 일으키지 않으면서 공작물을 냉간 가공하기 위해서 인큐베이션 기간 동안 이루어진다.In all embodiments according to the present invention, it has been found that there are various factors required for a process not previously known. The first factor is the presence of an incubation period. Cavitation studies revealed the presence of incubation periods. Incubation period means a period in which a material causes cavitation bubble rupture but no material loss. Ultra high pressure water jet peening is done during the incubation period to cold work the workpiece without causing material loss.

제 2 인자는 피이닝 가공시 분리 거리(standoff)의 효과 및 결정에 대한 것이다. 분리 거리는 노즐로부터 공작물까지 거리에 해당한다. 분리 거리는 피이닝 가공의 메커니즘과 세기를 결정한다. 워터제트 절삭시 공작물에 가능한 한 인접시켜 노즐을 배치하는 것이 바람직하다. 초고압 워터제트 피이닝 가공시 캐비테이션 기포가 공작물에 생성되어 파열되도록 노즐과 공작물 사이의 거리는 충분하여야 한다. 임팩트 압력에 의해서만 피이닝 가공이 이루어진다면 분리 거리는 짧아야 한다. 그러므로 최적 분리거리는 작동 조건에 맞게 바뀌어야 한다.The second factor is about the effect and determination of the standoff in the peening process. The separation distance corresponds to the distance from the nozzle to the workpiece. The separation distance determines the mechanism and strength of the pinning process. It is desirable to place the nozzle as close to the workpiece as possible when cutting the water jet. The distance between the nozzle and the workpiece must be sufficient to allow cavitation bubbles to form and rupture in the ultra high pressure waterjet peening process. If the peening is only effected by impact pressure, the separation distance should be short. Therefore, the optimum separation distance must be adapted to the operating conditions.

끝으로 제 3 인자는 온도 효과이다. 유체 온도가 끓는점에 가까워진다면 공동화하기 위해서 증가하는 경향이 있다. 본 발명의 모든 실시예는 유체를 가열시켜 공동화 및 피이닝 효과를 높인다.Finally, the third factor is the temperature effect. If the fluid temperature approaches boiling point, it tends to increase to cavitation. All embodiments of the present invention heat the fluid to enhance the cavitation and pinning effects.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 나타낸 정면도이다. 본 발명에 따른 방법을 실시하는 기본형이 나타나 있다.1 is a front view of the method according to the invention. A basic form of carrying out the method according to the invention is shown.

피이닝 처리되지 않은 공작물(1)의 표면은 초고압 노즐 조립체(2)에 인접하여 배치된다. 노즐 조립체(2)를 통하여 초고압류가 이동할 수 있다. 본 발명에 따르면 초고압은 20,000p.s.i.를 초과하는 압력, 선호적으로 50,000p.s.i.를 초과하는 압력으로 정의된다. 적절한 노즐 조립체는 미국 특허 제 5,320,289에 나타나 있다. 초고압 워터제트(3)는, 초고압 유체가 노즐(2)에 적용될 때 노즐(2)에서 흘러나온다. 노즐(2)은 공작물(1)의 표면을 가로질러 움직인다. 제트(3)가 공작물에 닿았을 때 공작물의 표면(5)에 제트(3)의 충격 압력이 가해진다. 노즐(2)에 작용하는 드러스트 하중은 흐름율과 압력의 제곱근의 곱에 비례한다. 예를 들어 분당 2.5갤런의 흐름율을 가질 때 60,000 압력은 1의 상대 드러스트를 발생시킨다. 표면(1)의 소성 변형에 이용할 수 있는 에너지는 압력의 세제곱 정도이다. 이것은 4배의 압력은 피이닝 강도를 64배로 증가시킨다는 것을 의미한다. 이 압력을 발생시키는데 88마력이 필요하고 대형 펌프의 흐름은 효율성을 증대시킨다.The surface of the unpinned workpiece 1 is disposed adjacent to the ultrahigh pressure nozzle assembly 2. Ultra high pressure flow can move through the nozzle assembly (2). According to the invention ultrahigh pressure is defined as a pressure exceeding 20,000 p.s.i., preferably a pressure exceeding 50,000 p.s.i. Suitable nozzle assemblies are shown in US Pat. No. 5,320,289. The ultra high pressure water jet 3 flows out of the nozzle 2 when the ultra high pressure fluid is applied to the nozzle 2. The nozzle 2 moves across the surface of the workpiece 1. When the jet 3 contacts the workpiece, the impact pressure of the jet 3 is applied to the surface 5 of the workpiece. The thrust load acting on the nozzle 2 is proportional to the product of the square root of the flow rate and the pressure. For example, with a flow rate of 2.5 gallons per minute, 60,000 pressures produce 1 relative drust. The energy available for plastic deformation of the surface 1 is about the cube of pressure. This means that four times the pressure increases the pinning strength by 64 times. It takes 88 horsepower to generate this pressure, and the flow of large pumps increases efficiency.

반대로, 15,000p.s.i의 압력을 가지는 진동 압력 제트의 상대 추력은 분당 20 갤런의 흐름으로 상대 추력 4를 발생시킨다. 이 노즐은 1/64의 피이닝 동력을 생성하는데 176 마력 펌프를 필요로 한다. 초고압 노즐에 필적할 만한 피이닝 강도를 생성하기 위해서 고압 진동 노즐은 반응력을 흡수하는 고가의 지지 구조체와 대형 펌프를 필요로 한다.In contrast, the relative thrust of a vibrating pressure jet with a pressure of 15,000 p.s.i produces a relative thrust of 4 at a flow of 20 gallons per minute. This nozzle requires a 176 horsepower pump to generate 1/64 of pinning power. To produce a pinning strength comparable to ultra high pressure nozzles, high pressure vibrating nozzles require expensive support structures and large pumps to absorb reaction forces.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 장치의 정밀 사시도이다. 도 2에 나타낸 실시예는 실린더형 공작물(10)의 내부를 피이닝 가공하는데 이용할 수 있다. 워터제트 노즐(11)은 공작물(10) 내에 배치된다. 공작물(10)은 노즐(11)에 대한 회전(13)을 위해 적용된다. 회전(13)은 공작물(10)을 회전시키거나 노즐(11)을 회전시킴으로써 실행될 수 있다. 워터제트(12)는 노즐(1)로부터 뻗어서 공작물(10)에 최근접하고 있다. 노즐(14)은 공작물(10)의 길이와 평행한 종방향(14)으로 움직이기에 적합하다. 나선형 경로는 공작물(10)의 내면을 따라 제트(12)에 의해 뒤따르도록 작동시에 공작물(10)은 13을 따라 회전하고 노즐은 14를 따라 종방향으로 움직인다. 피이닝 작동은 도1을 참고로 상술된 바와 동일한 방식으로 수행된다.2 is a precise perspective view of a device according to a second embodiment of the present invention. The embodiment shown in FIG. 2 can be used for peening the interior of the cylindrical workpiece 10. The waterjet nozzle 11 is disposed in the workpiece 10. Workpiece 10 is adapted for rotation 13 relative to nozzle 11. Rotation 13 may be effected by rotating workpiece 10 or rotating nozzle 11. The water jet 12 extends from the nozzle 1 and is closest to the work 10. The nozzle 14 is adapted to move in the longitudinal direction 14 parallel to the length of the workpiece 10. In operation such that the helical path is followed by a jet 12 along the inner surface of the workpiece 10, the workpiece 10 rotates along 13 and the nozzle moves longitudinally along 14. The pinning operation is performed in the same manner as described above with reference to FIG.

도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 장치의 정밀도이다. 제 3 실시예에서 공작물(22)은 화살표(23) 방향으로 공작물(22)과 플래터(platter)(20)를 움직이는 회전가능한 플래터(20)에 부착된다. 워터제트 노즐(21)은 공작물(22)에 이웃하여 위쪽에 놓인다. 워터제트(25)는 노즐(21)로부터 뻗어있고 공작물(22)에 임팩트를 가한다. 노즐(21)은 방사상 방향(24)으로 움직일 수 있다. 나선형 경로는 공작물(22)의 상부면을 따라 제트(25)에 의해 뒤따르도록 작동시에 공작물(22)은, 23을 따라 회전하고 노즐은 방사상 방향(24)으로 움직인다. 피이닝 가공은 도 1에 상술한 바와 동일한 식으로 이루어진다.3 is a precision of the apparatus according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment the work piece 22 is attached to the rotatable platter 20 which moves the work piece 22 and the platter 20 in the direction of the arrow 23. The waterjet nozzle 21 lies above and adjacent to the workpiece 22. The water jet 25 extends from the nozzle 21 and impacts the workpiece 22. The nozzle 21 can move in the radial direction 24. In operation, the workpiece 22 rotates along 23 and the nozzle moves in the radial direction 24 so that the helical path is followed by the jet 25 along the upper surface of the workpiece 22. The pinning process is performed in the same manner as described above with reference to FIG. 1.

도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 장치의 사시도이다. 이 장치는 회전할 수 있는 단일 대칭축을 가지는 물질의 표면을 피이닝 가공하는데 적합하다. 예를 들어 디스크, 실린더, 원뿔형 및 구형 부분이 있다. 열거한 장치는 피이닝 센터의 원형이다. 사용되는 부품과 매개변수는 통상적인 시스템과 유사하고, 이 장치는 도 1-3에 나타내지 않은 다수의 피이닝 제어 장치를 포함한다.4 is a perspective view of an apparatus according to a third embodiment of the present invention. The device is suitable for pinning surfaces of materials with a single axis of symmetry that can be rotated. For example, there are discs, cylinders, cones and spherical parts. The device listed is the prototype of the pinning center. The parts and parameters used are similar to conventional systems, and the device includes a plurality of pinning control devices not shown in FIGS. 1-3.

공작물(31)은 플래터(32)에 부착된다. 도면에서 공작물(21)은 원반형이다. 플래터(32)는 모터(33)에 의해 회전하기에 적합하다. 워터제트(36)는 공작물(31) 위에 놓인다. 워터제트(36)는 횡단 시스템(37)에 의해 x 또는 수평 방향으로 움직일 수 있다. 워터제트(36)는 횡단 시스템(37)에 의해 y 또는 수직 방향으로도 움직일 수 있다. 워터제트(36)는 횡단 시스템(37)에 의해 z 방향으로도 움직일 수 있다. x-y-z 매니풀레이터로 불려지는 횡단 시스템(37)은 카아티이젼 세 좌표에서 운동을 허용하는 일반적으로 활용할 수 있는 시스템이다. 그러므로 이 장치에서, 워터제트는 카아티이젼 좌표를 따라 모든 방향으로 움직일 수 있다. 공작물(31)은 플래터(32)의 회전축을 따라 움직일 수 있다. 도면에 나타낸 장치는 3차원에서 불규칙 표면을 냉간 가공할 수 있는 밀링 기계와 거의 유사하다. 워터제트(36)는 초고압 펌프(30)로부터 공급선(26)을 통하여 고압 액체를 공급받는다. 아이스 또는 드라이 아이스와 같은 입자는 호퍼(31)로부터 차단 밸브(32)와 공급선(33)을 통하여 공급된다. 부품(31,33,34,36)은 작업 영역의 오염을 방지하기 위해서 액체를 보유하는 기능을 가지는 물 저장 탱크(34)에 최적으로 배치된다. 모든 부품의 작동은 시스템 컨트롤러(42)를 통하여 접하고 있는 컴퓨터(41)에 의해 제어된다.Workpiece 31 is attached to platter 32. Workpiece 21 is discoid in the figure. The platter 32 is suitable for rotation by the motor 33. The water jet 36 rests on the workpiece 31. The waterjet 36 can be moved in the x or horizontal direction by the traversing system 37. The waterjet 36 may also be moved in the y or vertical direction by the traversing system 37. The waterjet 36 can also be moved in the z direction by the traversing system 37. The transversal system 37, called the x-y-z manipulator, is a generally available system that allows movement in Cartesian three coordinates. Therefore, in this device, the waterjet can move in all directions along the Cartesian coordinates. The workpiece 31 can move along the axis of rotation of the platter 32. The apparatus shown in the figures is very similar to a milling machine capable of cold working irregular surfaces in three dimensions. The water jet 36 receives the high pressure liquid from the ultra high pressure pump 30 through the supply line 26. Particles such as ice or dry ice are supplied from the hopper 31 through the shutoff valve 32 and the supply line 33. The parts 31, 33, 34, 36 are optimally arranged in a water storage tank 34 having the function of retaining liquid in order to prevent contamination of the work area. The operation of all parts is controlled by the computer 41 which is in contact with the system controller 42.

도 4의 장치를 작동하기 위해서 공작물(31)은 플래터(32)에 부착된다. 이 실시예에서 디스크는 피이닝 가공된다. 모터(33)가 가동되어서 플래터(32)와 공작물(31)은 회전하게 된다. 그 후에 고압 유체는 호퍼(31)에서 입자를 가지고 공급선(39)을 경유해 워터제트(36)로 공급된다. 횡단 시스템(37)은 공작물(31)의 상부면을 가로질러 워터제트(36)를 움직인다. 작동시에 워터제트(36)는 공작물(31)을 피이닝 처리한다. 공작물(31)이 전체 표면에 대해 원하는 깊이로 피이닝 가공될 때까지 상기 공정은 계속된다. 원하는 정도의 피이닝 가공이 이루어졌을 때 워터제트(36)에 가해진 압력은 감소한다.Workpiece 31 is attached to platter 32 to operate the device of FIG. 4. In this embodiment the disc is pinned. The motor 33 is operated so that the platter 32 and the work piece 31 rotate. The high pressure fluid is then supplied to the water jet 36 via the feed line 39 with particles in the hopper 31. The traversing system 37 moves the waterjet 36 across the top surface of the workpiece 31. In operation, the waterjet 36 pins the workpiece 31. The process continues until the workpiece 31 is pinned to the desired depth over the entire surface. When the desired degree of pinning is performed, the pressure applied to the water jet 36 decreases.

스위프(sweep) 비율의 제어는 완성된 생산물의 피이닝 가공을 바꾸기 위해서 제 2 방법을 제공한다. 이런 식으로 포켓의 중심면 또는 그밖의 다른 부분은 에지보다 깊게 피이닝 가공될 수 있다. 또는, 연마 제트(36)의 분리 거리는 피이닝 비율을 제어하기 위해서 매니풀레이터(38)에 의해 바뀔 수 있다. 전술한 방법은 공작물(1)의 모양으로 인한 접선 속도의 변화를 보상하거나 균일한 피이닝 가공을 하는데 사용될 수 있다. 공작물(31)에 대한 공작물(36)의 각도는 피이닝 속도를 제어할 수 있다. 피이닝 공정이 완료된 후에 밸브(32)를 차단하고 공작물(31)을 분리해야 한다. 도 4에 나타낸 장치는 공작물의 형태를 컴퓨터로 프로그램 입력함으로써 실린더형, 원뿔형 또는 그밖의 불규칙적인 모양의 물체를 피이닝 가공하는데 적합하다.Control of the sweep ratio provides a second method to change the pinning process of the finished product. In this way the center plane or other part of the pocket can be pinned deeper than the edges. Alternatively, the separation distance of the abrasive jets 36 may be changed by the manipulator 38 to control the pinning ratio. The above-described method can be used to compensate for the change in the tangential velocity due to the shape of the workpiece 1 or to perform uniform pinning. The angle of the workpiece 36 relative to the workpiece 31 can control the pinning speed. After the pinning process is complete, the valve 32 must be shut off and the work piece 31 removed. The device shown in Fig. 4 is suitable for pinning cylindrical, conical or other irregularly shaped objects by program inputting the shape of the workpiece into the computer.

도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 원자로의 정면도이다. 전술한 대로 원자로는 피이닝 가공하기에 특히 어려운 부분이다. 왜냐하면 부식과 마모로 생성된 갈라진 금 이외에 빛에 의해 부식되어 갈라진 부분이 생성될 수 있기 때문이다. 이것은 원자로 성분의 소요 위치 피이닝 가공을 요구한다. 상기 조건하에서 쇼트의 손실 및 처리는 특히 어려운 문제점이다. 이 문제점은 현재까지 소요 위치 피이닝 가공을 실시할 수 없도록 하였다. 본원에서 기술된 공정은 비등 수형(水型) 원자로, 가압 수형원자로 및 그밖의 물감속 원자로에 적용할 수 있다. 본 발명의 실시예는, 두 개의 동일한 크롤러(52,55)를 가지는 비등 수형 원자로로 나타내었다.5 is a front view of a nuclear reactor according to a fourth embodiment of the present invention. As mentioned above, the reactor is a particularly difficult part for peening. This is because in addition to cracks created by corrosion and abrasion, cracks may be formed due to corrosion. This requires the required position pinning processing of the reactor components. Under these conditions, loss and processing of shots is a particularly difficult problem. This problem prevents the required position pinning operation to date. The process described herein is applicable to boiling water reactors, pressurized water reactors and other paint reduction reactors. An embodiment of the present invention is shown as a boiling water reactor with two identical crawlers 52 and 55.

원자로(50)는 보호 측판(51)을 가지는 전형적인 비등 수형 원자로이다. 보호 측판(51)은 용접면에서 입간 응력 부식 균열을 일으키기 쉬운 스테인레스 강으로 만들어진다. 보호 측판(51)의 균열은 분명히 바람직하지 못하다. 피이닝 가공은 다른 적용시에 균열을 방지하기 위해 만족할 만한 방법으로 고려되어 왔다. 불행히도 쇼트 피이닝 가공은 폐기물처리 문제와 반경이 짧은 필렛이 가지는 문제점 때문에 불만족스럽다. 크롤러(52)는 피이닝 가공하는데 적합하다. 크롤러 (52)는 도 1에 나타낸 것처럼 초고압 워터 제트를 구비한다. 도 5에 나타난 것처럼 초고압 펌프(54)로부터 공급선(56)을 통하여 크롤러(52)에 초고압이 가해진다. 공급선(56)은 종방향 운동을 허용하기 위해서 지지 리일(57)로부터 당겨진다. 지지 리일(57)은 보호 측판(52)의 원주를 따라 움직일 수 있는 지지 리일 캐리지(58)에서 지지된다. 구동 스프로킷(59,60)은 캐리지(58)를 보호 측판(51) 둘레에서 움직인다. 컨트롤러(61)는 와이어(62)를 통하여 제어 스프로킷(59,60)과 리일(57)에 정보를 전달한다. RPV에 장착된 자동 정렬 수직 레이저(63)는 컨트롤러(61)에 부착되고 와이어(64)를 통하여 데이터 수집 유니트(66)는 크롤러(52)의 위치에 대한 정보를 제공하며 크롤러(52)의 피이드백 제어를 허용한다. 크롤러(52)는 피이닝 가공 정도를 측정하고 유니트(66)에 데이터를 피이드백 전송한다. 이 정보는 피이닝 가공을 제어하기 위해서 사용된다.The reactor 50 is a typical boiling water reactor with a protective side plate 51. The protective side plate 51 is made of stainless steel susceptible to intergranular stress corrosion cracking at the weld surface. The cracking of the protective side plate 51 is clearly undesirable. Pinning has been considered a satisfactory method for preventing cracking in other applications. Unfortunately, shot peening is unsatisfactory due to waste disposal problems and short radius fillets. The crawler 52 is suitable for peening. The crawler 52 has an ultra high pressure water jet as shown in FIG. As shown in FIG. 5, the ultra high pressure is applied to the crawler 52 from the ultra high pressure pump 54 through the supply line 56. The supply line 56 is pulled from the support rails 57 to allow longitudinal movement. The support rails 57 are supported in the support rail carriage 58 which can move along the circumference of the protective side plate 52. Drive sprockets 59, 60 move carriage 58 around protective side plate 51. The controller 61 transmits information to the control sprockets 59 and 60 and the rails 57 through the wire 62. An automatic alignment vertical laser 63 mounted on the RPV is attached to the controller 61 and via the wire 64 the data collection unit 66 provides information about the position of the crawler 52 and feeds the crawler 52. Allow back control. The crawler 52 measures the degree of pinning processing and feeds back data to the unit 66. This information is used to control the pinning process.

작동시에 크롤러(52)는 수직선을 따라 리일(57)에 의해 내려가고 이 때 초고압 워터 제트가 작동하여 수직 피이닝 가공 라인을 만든다. 그 후 캐리지(58)는 피이닝 가공 라인의 너비를 따라 진행하고 이 작동을 반복한다. 보호 측판(51)의 전체 내면이 가공될 때까지 피이닝 가공은 동일한 방식으로 수행된다. 보호 측판이 물로 채워지는 동안 상기 작동은 종료된다.In operation, the crawler 52 is lowered by the rails 57 along a vertical line, at which time an ultra high pressure water jet is activated to create a vertical pinning line. The carriage 58 then proceeds along the width of the pinning line and repeats this operation. The pinning process is performed in the same manner until the entire inner surface of the protective side plate 51 is machined. The operation ends while the protective side plate is filled with water.

수중에서 워터 제트는 보다 효과적으로 작동하여서 노즐은 보다 깊게, 약 45피이트의 깊이까지 작동한다는 것을 발견하였다. 이것은 기포 파열의 효과가 증가되었기 때문이다. 이 효과는, 캐비테이션 기포의 형성을 억제하여서 약 90피이트 깊이에서는 공기 내에서와 동일하게 하기 위해서 깊이가 증가함에 따라 감소한다.It has been found that water jets operate more effectively in water so that the nozzles operate deeper, to a depth of about 45 feet. This is because the effect of bubble burst is increased. This effect decreases with increasing depth in order to suppress the formation of cavitation bubbles and to equalize in air at about 90 feet depth.

전술한 실시예는 첨부된 청구항에서 정의된 본 발명의 예시에 불과하다.The foregoing embodiments are merely illustrative of the invention as defined in the appended claims.

Claims (20)

초고압 유량을 생성하는 공정; 초고압 유체를 초고압 워터제트 커팅 노즐로 이송하는 공정; 초고압 워터제트를 형성하기 위해서 초고압 유체를 방출하고, 피이닝 가공될 모든 면들이 제트에 의해 접촉하고 압축될 때까지 초고압 워터제트가 금속 면과 접하여 압축하도록 피이닝 가공될 금속 면을 가로질러 초고압 워터제트를 움직이는 공정 및, 상기 제트의 작동을 중단하는 공정으로 이루어진 금속 피이닝 가공 방법.Generating an ultrahigh pressure flow rate; Transferring the ultrahigh pressure fluid to the ultra high pressure water jet cutting nozzle; Ultra high pressure water is discharged to form an ultra high pressure water jet, and ultra high pressure water across the metal side to be pinned so that the ultra high pressure water jet contacts and compresses the metal side until all the surfaces to be pinned are contacted and compressed by the jet. And a step of moving the jet and stopping the operation of the jet. 제 1 항에 있어서, 유체의 압력은 20,000p.s.i.를 초과하는 것을 특징으로 하는 금속 피이닝 가공 방법.The method of claim 1, wherein the pressure of the fluid exceeds 20,000 p.s.i. 제 1 항에 있어서, 유체의 압력은 50,000p.s.i.를 초과하는 것을 특징으로 하는 금속 피이닝 가공 방법.The method of claim 1, wherein the pressure of the fluid is greater than 50,000 p.s.i. 제 1 항에 있어서, 워터제트의 운동은 나선형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 피이닝 가공 방법.2. The method of claim 1, wherein the movement of the water jet is helical. 제 1 항에 있어서, 노즐과 공작물은 물속에 침수되어서 피이닝 가공을 향상시키도록 캐비테이션을 증가시키는 것을 특징으로 하는 금속 피이닝 가공 방법.The method of claim 1, wherein the nozzle and the workpiece are submerged in water to increase cavitation to enhance the peening process. 제 1 항에 있어서, 노즐과 공작물 사이의 거리는, 공작물로부터 물질을 제거할 필요없이 공작물을 냉간 가공하기에 충분하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 피이닝 가공 방법.The method of claim 1, wherein the distance between the nozzle and the work piece is selected to be sufficient to cold work the work without the need to remove material from the work piece. 제 1 항에 있어서, 피이닝 효율성을 증대시키기 위해서 워터제트에 고상 입자를 첨가하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 피이닝 가공 방법.The metal peening processing method according to claim 1, comprising a step of adding solid particles to the water jet in order to increase the pinning efficiency. 제 7 항에 있어서, 상기 고상 입자는, 피이닝 가공이 완료된 후에 소실되는 것을 특징으로 하는 금속 피이닝 가공 방법.The metal peening processing method according to claim 7, wherein the solid particles are lost after the peening processing is completed. 제 8 항에 있어서, 상기 고상 입자는 얼음인 것을 특징으로 하는 금속 피이닝 가공 방법.10. The method of claim 8, wherein the solid particles are ice. 제 1 항에 있어서, 한 선을 따라 워터제트를 직선운동시킨 후에 피이닝 가공될 금속의 전체 표면이 피이닝 처리될 때까지 인접한 선을 따라 워터제트를 움직이는 것을 특징으로 하는 금속 피이닝 가공 방법.The method of claim 1, wherein the waterjet is moved along an adjacent line until the entire surface of the metal to be pinned is subjected to straightening after the waterjet is linearly moved along one line. 초고압 유체를 생성하기 위한 펌프; 초고압 유체를 이송하기 위해 펌프에 연결된 도관; 초고압 워터제트를 형성하기 위해 상기 도관 장치에 연결된 노즐; 피이닝 가공될 모든 면이 제트에 의해 접촉하고 압축될 때까지 상기 초고압 워터제트가 금속면과 접촉하고 압축하도록 피이닝 가공될 금속 면을 가로질러 초고압 워터제트를 움직이는 변환 장치로 이루어진 피이닝 가공 기계.A pump for producing ultrahigh pressure fluid; A conduit connected to the pump for delivering ultra high pressure fluid; A nozzle connected to the conduit device to form an ultra high pressure water jet; A pinning machine consisting of a converter for moving the ultrahigh pressure waterjet across the metal face to be pinned such that the ultrahigh pressure water jet contacts and compresses the metal face until all the faces to be pinned are contacted and compressed by the jet . 제 11 항에 있어서, 유량은 20,000p.s.i를 초과하는 것을 특징으로 하는 피이닝 가공 기계.12. The pinning machine of claim 11, wherein the flow rate is greater than 20,000 p.s.i. 제 12 항에 있어서, 유량은 50,000p.s.i.를 초과하는 것을 특징으로 하는 피이닝 가공 기계.13. The pinning machine of claim 12, wherein the flow rate is greater than 50,000 p.s.i. 제 11 항에 있어서, 변환 장치는 워터제트를 나선형으로 움직이는 것을 특징으로 하는 피이닝 가공 기계.12. The peening machine according to claim 11, wherein the conversion device moves the water jet helically. 제 11 항에 있어서, 피이닝을 향상시키도록 공동을 증가시키기 위해 노즐과 금속을 액체 내에 침수시키기 위한 침수 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 피이닝 가공 기계.12. The peening processing machine according to claim 11, comprising an immersion apparatus for immersing the nozzle and the metal in the liquid to increase the cavity to enhance the pinning. 제 11 항에 있어서, 공작물로부터 물질을 제거하지 않으면서 공작물을 냉간 가공하기에 충분하도록 노즐과 공작물 사이의 거리를 조절하기 위한 분리 거리 제어 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 피이닝 가공 기계.12. The peening machine according to claim 11, comprising a separation distance control device for adjusting the distance between the nozzle and the workpiece to be sufficient for cold working the workpiece without removing material from the workpiece. 제 11 항에 있어서, 피이닝 가공 효율성을 증대시키기 위해서 워터제트에 고상 입자를 첨가하기 위한 입자 주입 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 피이닝 가공 기계.12. The peening machine according to claim 11, comprising a particle injection device for adding solid particles to the water jet to increase the peening efficiency. 제 17 항에 있어서, 피이닝 작동이 종료된 후에 고상 입자는 소실되는 것을 특징으로 하는 피이닝 가공 기계.18. The pinning machine of claim 17, wherein the solid particles are lost after the pinning operation is terminated. 제 18 항에 있어서, 고상 입자는 얼음인 것을 특징으로 하는 피이닝 가공 기계.19. The peening machine according to claim 18, wherein the solid particles are ice. 제 11 항에 있어서, 상기 변환 장치는 한 선을 따라 워터제트를 움직인 후에 피이닝 가공될 금속의 전체 표면이 피이닝 가공될 때까지 인접한 선을 따라 워터제트를 움직이는 것을 특징으로 하는 피이닝 가공 기계.12. The peening process according to claim 11, wherein the conversion device moves the water jet along an adjacent line after moving the water jet along a line until the entire surface of the metal to be pinned is pinned. machine.
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