KR20030022168A - 구조 부재들을 성형하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

구조 부재들, 특히 항공학 및 우주 비행에 이용된 구조 부재들을 성형하기 위한 방법이 제공되어 있다. 구조 부재들은 판형 기재, 및 거기서부터 대략 직각으로 뻗어나가고 기재와 일체로 연결되어 있고 종방향으로 길게 뻗고 대략 서로 평행하게 뻗어 있는 리브들을 갖고 있다. 또한 부재의 성형은 고속으로 구조 부재의 표면 영역 위로 입사되어 소성 재료 변형을 일으키는 연마제의 입자들에 의해 이루어진다. 단일축 및 다중축의 다양한 부재 형상들이 얻어질 수 있게 하는, 간단하고 저렴하게 수행될 수 있는 방법을 얻기 위해, 리브의 서로 대향하는 종 측면들 위에 배치된, 리브의 서로 대향하는 표면 영역들이, 동시에 연마제의 입자들로 타격을 받게 하는 기술이 개시되어 있다.

Description

구조 부재들을 성형하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR SHAPING STRUCTURAL PARTS}

본 발명은, 구조 부재들을 성형하기 위한 방법, 특히 항공학 및 우주 비행에 이용된 구조 부재들을 성형하기 위한 방법에 관한 것으로, 그 경우 구조 부재들은 판형 기재, 및 거기서부터 대략 직각으로 뻗어나가고, 기재와 일체로 연결되어 있고, 종방향으로 길게 뻗고 대략 서로 평행하게 뻗는 리브들을 갖고 있으며, 또한 거기에 있어 성형은 고속으로 구조 부재의 표면 영역 위로 투사되어 소성 재료 변형을 일으키는 연마제의 입자들에 의해 이루어진다.

특히 항공학 및 우주 비행 기법에서는, 경우에 따라 리브가 없는 측면은 평평한 한편, - 대체로 일측면에서, 그러나 경우에 따라서는 양측면에서 - 서로 평행하게 뻗는 리브들을 가진 소위 구조 부재들 또는 일체화 부재들이 흔히 사용된다. 대략 서로 직각으로 배향하는 부재의 종방향으로도 횡방향으로도 리브들이 존재하는 경우에는, 부재는 카세트 구조를 갖는다. 그런 부재들을 구부리기 위해서는, 비용이 드는 방법들이 사용되어야 하는데, 그 이유는 리브들은 - 특히 이들이 만곡 방향에 평행으로 뻗을 때에는 - 해당한 성형 저항을 나타내기 때문이다.

모두에 기재한 종류의 성형 방법들은, 항공학 및 우주 비행 기술에서는 이미 오래 전부터 큰 면적의 부재들. 이를테면 날개 또는 동체를 구부리는 데에 사용되어 왔다. 구조 부재들을 성형할 경우에는 주로 2-4mm까지의 입자 직경을 가진 연마제가 사용될 수 있다. 연마제가 원심 휠에 의한 부재들의 대면적 가공에 사용되는 한편, 장소적으로 한정된 성형을 위해서는 수동 분사 장치가 사용된다. 이들 수동 분사 장치는 리브들을 만곡하는 데에도 사용된다. 분사물의 형태 및 분사물의 직경에 기초하여 통상적인 평면 리브들을 목적에 맞게 성형할 수 있기 위해서는, 성형될 리브 영역에서 소망하는 신장 구배가 달성될 수 있도록, 처리 가공될 리브들은 부분적으로 마스크로 덮여진다. 타격시키지 않을 리브의 면 부분들을 덮기 위해서는 고무 또는 기타 충격 흡수 재료가 사용된다. 리브의 피복은, 특히 다수의 마스크가 제조되어야 할 때에는, 대단히 큰 비용을 필요로 한다.

상기한 구형 제트 방법의 대안적 방법으로서, 종래 기술에서 소위 집게 방법(엑홀드(Eckhold)-방법)이 알려져 있다. 이 방법에서는 집게가 일종의 클램프 포착부로 인접하는 두 지점에서 격리된 두 포착 부재를 가진 리브를 둘러싼다. 양 포착 부재를 서로 멀리 떨어지게 또는 서로 접근하게 단시간 이동시킴에 의해 리브는 국부적으로 인장되거나 또는 수축된다. 리브의 종 연장선을 따라 반복 사용함으로써 연속적으로 볼록하거나 또는 오목한 만곡이 형성될 수 있다. 만곡은 집게 행정 및 이 사용의 반복 회수에 의해 영향 받을 수 있다.

그런 집게 공정이 자동화될 수 있다 하더라도, 성형 과정의 집게 행정 당 신장이 작기 때문에 대단히 긴 시간이 요구된다는 것은 결점으로 간주될 수 있다. 원칙적으로 자동화가 가능하지만, 리브의 만곡 위험 및 탄성 복귀 거동으로 인해 이 집게 과정을 수행하는 데에는 조작자에 의한 많은 경험이 요구된다.

그 위에 일반적으로 구조 부재를 위한 소위 크리프 성형 공정(시효 크리프 성형)이 알려져 있다. 이 경우 부재는 절삭 가공, 특히 선반 가공에 의해 먼저 평평한 형상으로 만들어진다. 이어서 부재는 완성된 부재의 외부 윤곽을 가진 주형 내에 도입된다. 압력과 온도의 영향 하에 부재는 주형에 적합화 된다. 이 성형 과정은 보통 여러 시간 지속한다. 추가의 결점은 각각의 형상을 위해 특별한 주형이 제작될 필요가 있다는 점이다. 그 외에도 각각의 부재에 대해 패라미터, 온도, 압력 및 온도가 별도로 결정될 필요가 있다. 그 외에도 그때 수행되는 열 처리에 적합하지 않은 피가공물에 대해서는 크리프 성형 공정의 이용이 배제된다. 또 하나의 난점은, 정확히 소망하는 최종 부재 형태가 되도록 하기 위해 부재를 주형으로부터 꺼낸 후의 탄성 복귀를 보상하기 위해, 주형 내에서 부재를 얼마만큼 과도 신장시켜야 하는 데에 있다.

그 외에도 종래 기술에는, US 4,329,862로부터 알려진, 평판상 부재, 특히 날개 구조물을 구형 제트 성형하는 방법도 포함된다. 그러나 거기에는 연마제에 의해 타격시키려는 날개 부재들이 리브들에 의해 강화된다는 시사는 없다. 상기 미국 특허는 오히려, 부재가 첫째 단계에서 연마제에 의한 양면 타격에 의해 늘어지고 이어서 연마제에 의한 단지 일면만의 타격에 의해 다른 방향으로 구부리는 것을 교시하고 있다.

끝으로, 구조 부재를 성형하는 실제에서 이용되는 방법에서는 현대식 CNC-선반기에 의해 중실 재료로부터 부재를 절삭 가공하고 있다. 재료 비용이 해당히 높은 것 외에도 이 방법은 유연하게 구부러지는 부재에 대해서만 이용된 수 있다. 이경우 두께가 큰 원 재료를 준비해야 하기 때문에 해당한 비용이 든다. 그래서 특히 큰 면적의 부재를 위한 이 방법은 단지 대단히 적은 경우에서만 경제적으로 이용된 수 있다. 그 외에 절삭 가공의 결과에서도 치수 보존성에 영향을 주는 심한 탄성 복귀 효과가 완성 부재에서 나타난다.

본 발명의 목적은, 무시할 수 있는 저렴한 방식으로 극히 상이한 형상들이 완성 가공된 부재들로 구현될 수 있게 하는, 구성 부재들을 성형하는 방법을 제공하는 것이다.

모두에 기재된 류의 성형 방법에 기초하여, 상기 목적은 본 발명에 따라,036+- 각 리브의 대향하는 종측면들 위에 배치된, 리브들의 대향하는 표면 영역들이 연마제의 입자들에 의해 영향을 받게 함에 의해 달성된다.

타격 받는 표면 영역들은 바로 대향해 위치하기 때문에, 리브가 길게 뻗는 방향에 대해 횡 방향으로는 리브의 뒤틀림이나 비틀림이 확실히 방지된다. 그런 비틀림은 특히 종래 기술에 의한 수동 분사 공정에서와 같이 리브가 단지 한 면으로만 연마제에 의해 충격을 받을 때에는 유의할 필요가 있다. 다른 한편으로는 양측으로부터 동시에 리브 표면에 입사하는 연마제에 의해 각 투사 입자들의 효과는 상승된다. 탄성 재료 성형에 의한 에너지 손실은 본 발명에 의한 방법에서는 최소화 된다. 기재를 기준으로 리브의 어느 높이에서 본 발명의 방법에 의한 양면 연마제 충돌이 행해지느냐에 따라, 그렇게 처리 가공된 구조 부재의 볼록 만곡도 오목 만곡도 달성될 수 있다. 그리고 곡률 반경의 크기는, 연마제 입자의 크기와 속도 및 분사 처리의 기간에 의해 영향을 받는다. 본 발명에 의한 방법의 특별한 이점은 구조 부재들의 성형이 전적으로 리브의 타격에 의해 행해지고 그래서 기재의 추가 처리는 생략될 수 있다는 데에 있다. 추천된 공정의 자동화도, 특히 처리된 구조 부재의 형상이 온라인 상에서 측정되어 공정 제어를 위한 조절 계획 내에 포함될 때에는 역시 가능하다.

본 발명에 의한 방법의 실시예에 따라, 리브의 리브 다리부 접경 종방향 띠 또는 리브의 리브 두부 접경 종방향 띠가 연마제의 입자들에 의해 타격을 받는데, 종방향 띠의 폭은 최대 리브의 높이에 해당할 수 있다.

위에서 첫 번째에 언급된 경우에는 부재의 종 리브 및/또는 횡 리브는 다리부 영역에서 연마제 타격에 의해 신장된다. 이로 인해 오목이란 용어를 리브가 있는 판평 기재의 쪽을 기준으로 사용할 경우 부재는 오목하게 구부러진다.

다른 경우, 부재의 볼록한 만곡은 두부 영역에서, 즉 종방향으로 뻗는 이마 측 가까이에서 부재의 종 리브 및/또는 횡 리브를 신장시킴에 의해 달성된다.

본 발명에 의한 방법이 상자 구조, 즉 십자로 교차하는 종 리브와 횡 리브를 가진 구조 부제에 사용되면, 단일축뿐 아니라 다축 부재 만곡들과 개평들도 형성될 수 있다. 예컨대 종 리브가 다리부 영역에서 신장되는 한편 횡 리브는 두부 영역에서 신장되면, 부재의 오목과 볼록의 조합이 생겨, 그로 인해 안장 형 형상이 형성된다. 오직 종 리브 또는 횡 리브만을 갖는 부재에 있어서는, 리브의 종방향에 대해 횡 방향인 만곡이 종래 기술에 따라 알려진 방법으로 기재의 연마제 처리에 의해 수행되게 함으로써 안장형 구조가 얻어질 수 있다.

본 발명에서는 그 위에 형상적으로 연마제의 입자가 4mm 이상의 평균 직경을가질 것이 추천된다. 이에 의해 두꺼운 벽의 리브를 가진 구조 부재도 신뢰성 있게 성형될 수 있다. 큰 입자들, 특히 4mm 이상의 직경을 가진 거대 입자들은 큰 깊이 내에까지 리브의 침투를 가능하게 한다.

본 발명에 의한 또 다른 실시예에 따라, 연마제의 입자들은, 리브의 종방향 및 높이 방향으로 이동되는, 분사 장치의 서로 마주보는 노즐들로부터 유출한다. 그럼으로써 공정 실행시의 자동화 및 여러 형상의 실현이 가능해진다.

더욱이 노즐들을 동기적으로 같은 방향으로 또한 같은 속도로 이동시키는 것이 유리하다. 이에 의해 처리 장소가 연속적으로 이동할 경우에도 리브의 서로 마주 보는 표면 영역들은 항상 타격 받는 것이 보장된다.

구조 부재들은 판형 기재, 및 거기서부터 직각으로 뻗어나가고 기재와 일체로 연결되어 있고 종방향으로 길게 뻗고 대략 서로 평행하게 뻗어 있는 리브들을 갖고 있는, 구조 부재들, 특히 항공학 및 우주 비행에 이용된 구조 부재들을 성형하기 위한 장치는 구조 부재의 표면 영역이 높은 속도로 입사하는 연마제의 입자들에 의해 충돌될 수 있게 하여 재료의 소성 변형을 일으키며, 발명에 따라 각각 한 입자 제트의 배향된 유출을 위한 적어도 두 개의 노즐들이 그 특징으로, 두 입자 제트들은 서로 마주 배향되어 있고 노즐들은 상호간에 리브의 두께 보다 더 큰 간격을 갖고 있다. 바람직하게는 노즐들은 인접하는 리브들 사이 중간 공간에 배치되어 있고 그럼으로써 입자 분사물을 약 90도의 각도 하에 리브 표면 위로 배향시키는 것이 가능하다.

그런 장치에 의해 비교적 간단한 수단에 의한 상기 성형 방법이 충족될 수있다. 두 노즐의 고정된 할당 배치 및 입자 분사물들의 서로 바른 배향에 의해, 리브의 대향하는 표면 영역들은 항상 입자 충돌을 확실하게 받을 수 있다. 노즐들이 인접하는 리브들 사이 중간 공간에 배치되어 있으면, 입자들은 가공하려는 표면 영역 위에 수직 방향으로 충돌될 수 있다.

끝으로 발명에 따라 노즐들은 함께 리브의 종 방향 및 높이 방향으로 이동될 수 있고 그럼으로써 거대 부재의 경우에도 리브의 여러 지점들에서 성형 작업이 수행될 수 있다. 그래서 있을 수 있는 형상의 다수의 성형 작업이 피성형 부재에 대해 실현될 수 있다.

도 1은 서로 대향하는 두 노즐을 가진 구조 부재의 성형 장치를 나타내고,

도 2a는 구조 부재의 절취 투시도이고,

도 2b는 도 2a에 의한 부재의 측면도이고,

도 2c는 도 2b와 같지만 볼록 만곡을 행한 후의 측면도를 나타내고,

도 3a 내지 3c는 도 2a~2c와 유사하지만 오목 만곡에 관한 것이고,

도 4는 볼록 만곡시 리브에 있어서의 신장 분포를 나타내고,

도 5는 도 4와 유사하지만 오목 만곡에 관한 것이다.

본 발명의 방법을 이하 도면에 표시된 장치의 실시예에 따라 상세히 설명하겠다. 도 1은 구조 부재를 성형하는 장치 중에서 단지 두 노즐(1a 및 1b)을 보여주는데, 이들 노즐의 전방 측면들(2a 및 2b)로부터 각각 하나의 입자형 연마제의 약간 원추상으로 확장하는 분사(3a/3b)가 유출한다. 연마제의 입자들은 구형을 가졌고 4mm 이상(예컨대 6mm)의 직경을 갖는다. 노즐(1a 및 1b)에의 연마제의 공급부 및 분사 장치의 추가의 성분들은 일반적으로 알려져 있어 여기서는 상세히 표시되어 있지 않다.

부분적으로 표시된 성형 장치에 의해 금속 재료로 된 구조 부재(4)는 성형된다. 이 구조 부재(4)는 판형이고 단지 부분적으로 표시된 기재(5) 및 거기에서 직각으로 돌출하고 기재(5)에 일체로 연결된 리브들(6)로 구성되어 있는데, 리브들 중에서 명료성을 위해 단지 하나만 부분적으로 표시되어 있다. 리브들(6)은 가공된 부재에 있어서는 소속된 공급 부재를 포함하는 노즐들(1a 및 1b)이 인접하는 리브들(6) 사이의 중간 공간에 위치될 수 있도록 하는 그런 거리에서 서로 평행하게 또한 등 거리로 뻗고 있다. 노즐들(1a, 1b) 사이의 거리(A)는, 두께(D)를 가진 가공될 리브(6)가 그 사이에 배치되고 그와 동시에 노즐들(1a 및 1b)과 리브 표면들 사이에 충분한 여전히 충분한 공간이 남아서 연마제의 방해 없는 흐름이 보장될 수 있도록, 치수 정해진다.

도 1에는 리브(6)에 수직으로 배향된 노즐들(1a/1b)의 경우가 표시되어 있다. 그러나 입자 제트를 비스듬히 위로부터 90도와는 다른 어떤 각도 하에서 리브 표면들 위에 입사시키는 것도 가능하다. 그때에는 노즐들(1a/1b)은 리브 상면 위 한 평면에 배치되어 이동될 수 있다.

양 노즐(1a/1b)의 공통 종축(7)은 리브(6)의 양 측면(8a 및 8b)에 대해 수직으로 뻗는다. 그래서 제트들(3a 및 3b)로부터의 서로 대향하고 실질적으로 합동 일치하는 표면 영역들이 서로 대향하는 측면들(8a 및 8b) 위에 충돌하는 것이 보장될 수 있다. 그래서 같은 연마제 강도의 경우 타격 받은 리브 부분들의 영역에서는 리브(6)의 굴곡 또는 일방 경도를 방지하는 힘의 균형이 지배하게 된다.

도 2a 및 2b로부터는 절취적 및 투시적으로 측면도로 도시된 구조 부재(4)가 도출될 수 있는데, 여기에서는 리브(6)의 종 연장선에 평행하게 뻗는, 리브 두부(9)로부터 시작하는 종방향 띠(종방향 띠)(10)가, 특별히 표시되어 있다. 그 폭이 리브(6)의 높이(12)의 약 40%를 차지하는 이 종방향 띠(10)는 노즐(2b)에 의해 연마제로 충격을 받는다. 유사하게 도면에는 표시되지 않은 같은 폭(11)을 가진 대향 종방향 띠(10b)도 사실 노즐(2a)의 도움 아래 연마제에 의해 충격을 받는다. 그래서 도 1에 표시된 노즐 배치 전체가, 즉 양 노즐들(2a/2b)이 그 위치 및 배향을 상대적으로 서로 변경하는 일 없이 리브(6)의 종방향으로 예컨대 일정한 속도로 이동될 수 있다.

도 2c에는 종방향 띠(10a 및 10b)의 영역에 있어 연마제 처리 후 구조 부재(4)가 어떤 형태를 취하게 될 것인가가 표시되어 있다. 리브 두부(9)의 영역에 도입되는 재료 신장, 즉 이 영역에 있어 재료의 인장으로 인해 리브(6)도 또한 그것과 일체로 연결된 기재(5)도 볼록하게 구부러진 형태를 취하게 된다. 구부러진 형태에도 불구하고 리브(6)의 측면들(8a 및 8b)은 각각 한 평면 내에 위치한다.

리브(6)의 종방향으로의 만곡에 추가하여 구조 부재(4)는 기재(5)의 하면(13)의 분사 처리 또는 상면(14)의 분사 처리에 의해 추가적으로 리브(6)의 종 연장선에 대해 직각인 만곡도 얻어질 수 있다. 이 방법으로 안장 모양의 구조물이형성될 수 있다.

상자 구조를 가진, 즉 부재의 종방향 및 횡방향으로 교차하는 리브를 가진 구조 부재의 경우, 그런 안장형 구조물은 리브의 분사 처리만에 의해 얻어질 수 있다. 그러나 이때에도 선택적으로 기재의 추가적 분사 처리는 가능하다.

도 3a 내지 3c는 연마제 처리에 의해 구조 부재(4)의 오목한 만곡이 형성되는 경우를 보여준다. 종방향 띠(10a')는 이 경우에는 리브 다리부(15)의 영역에 있고 기재(5)의 상면(14)에 바로 이어지고 있다.

서로 대향하는 종방향 띠들(10a' 및 10b')의 성공적인 분사 처리 후 구조 부재(4)는 도 3c에 표시된 오목하게 굽은 형태를 취하게 된다. 다리부 영역에서 리브(6)의 신장으로 인해 판상 기재(5)의 재료도 동시에 함께 신장된다. 종방향 띠들(10a' 및 10b')의 폭(11)도 역시 구조 부재(4)의 높이(12)의 약 40%에 이른다.

끝으로 도 4 및 5로부터 연마제로 타격하려는 종방향 띠들 (10a)(리브 두부) 및 (10a')(리브 다리부)의 영역에서의 신장 분포를 볼 수 있다. 도 4에 표시된 경우에는 신장이 에지 띠(10a)의 하부 경계선(16)으로부터 출발하여 리브 두부(9)에까지 영으로부터 최대치로 직선적으로 증가하고, 한편 도 5에 의한 구조 부재(4)에서는 신장이 종방향 에지 띠(10a')의 상부 경계선(17)으로부터 시작하여 신장의 최대치가 존재하는 기재(5)로의 이행부에 있는 리브 다리부(15)에 이르기까지 역시 직선적으로 증가한다.

Claims (9)

1. 구조 부재들은 판형 기재, 및 판형 기재로부터 대략 직각으로 뻗어나가고 기재와 일체로 연결되어 있고 종방향으로 길게 뻗으며 대략 서로 평행하게 뻗어 있는 리브들을 가지며, 고속으로 구조 부재의 표면 영역 위로 입사되어 소성 재료 변형을 일으키는 연마제의 입자들에 의해 성형이 이루어지는, 구조 부재들, 특히 항공학 및 우주 비행에 이용된 구조 부재들을 성형하기 위한 방법에 있어서,

   리브의 서로 대향하는 종 측면들 위에 배치된 리브의 서로 대향하는 표면 영역들이 동시에 연마제의 입자들로 타격을 받는 것을 특징으로 하는 성형방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   리브 다리부에 인접한 리브의 종방향 띠가 연마제의 입자들에 의해 타격을 받고 이때 종방향 띠의 폭은 최대로 리브의 높이의 반에 해당하는 것을 특징으로 하는 성형방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   리브 두부에 인접한 리브의 종방향 띠는 연마제의 입자들에 의해 타격을 받고, 이때 종방향 띠의 폭은 최대로 리브의 높이의 반에 해당하는 것을 특징으로 하는 성형방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   연마제의 입자들은 4mm 이상의 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 성형방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   연마제의 입자들은, 리브의 종방향 및 높이 방향으로 이동되는 분사 장치의 서로 대향되게 배향된 노즐들로부터 유출하는 것을 특징으로 하는 성형방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   노즐들은 동기적으로 같은 속도를 갖고 같은 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 성형방법.
7. 구조 부재들(4)은 판형 기재(5), 및 이 판형 기재로부터 대략 직각으로 뻗어나가고 기재(5)와 일체로 연결되어 있으며 종방향으로 길게 뻗고 대략 서로 평행하게 뻗어 있는 리브들(6)을 갖고 있으며, 연마제의 입자들은 높은 속도 하에서 구조 부재(4)의 표면 영역 위로 이송하여 그곳에서 재료의 소성 변형을 일으키는, 구조 부재들(4), 특히 항공학 및 우주 비행에 이용된 구조 부재들을 성형하기 위한 장치에 있어서,

   각각 한 입자 제트(3a, 3b)의 배향된 유출을 위한 적어도 두 개의 노즐들(1a/1b)이 설치되어 있고, 입자 제트들(3a, 3b)은 서로 마주 배향되어 있고 노즐들(1a, 1b)은 상호간에 리브(6)의 두께(D)보다 더 큰 간격(A)을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 성형장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   노즐들(1a, 1b)은 인접하는 리브들(6) 사이의 중간 공간에 배치된 것을 특징으로 하는 성형장치.
9. 제 7 항 또한 제 8 항에 있어서,

   노즐들(1a, 1b)은 함께 리브들(6)의 종방향 및 높이 방향으로 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 성형장치.