KR20040059949A - 고온 비틀림 시험기 및 시험방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 비틀림 시험기 및 시험방법에 관한 것으로, 고온 가열된 시편의 일단을 토크 센서로 고정시키고 타단을 서보 모터로 회전시켜 시편의 변형 정도에 따른 물성치를 측정하는 고온 비틀림 시험기에 있어서, 상기 서보 모터의 회전속도가 정격에 도달할 때까지 상기 시편에 동력이 전달되는 것을 차단하는 정격도달 제어장치와, 상기 시편에 실제로 전달된 회전량을 측정하는 엔코더가 부가된 구성에 의해, 서보 모터의 응답성에 영향을 받지 않고 제어의 효율성와 비틀림 시험 결과의 정확성을 향상시킴과 아울러, 다양한 시험 조건에서도 신뢰성을 확보할 수 있도록 한다.

Description

고온 비틀림 시험기 및 시험방법{Hot Torsion Deformation Tester and Testing Method Thereof}

본 발명은 비틀림 시험기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온 상태에서 소재에 일정 속도로 비틀림을 가하여 소요된 힘과 변형 정도에 따른 물성치를 측정하는 고온 비틀림 시험기 및 시험방법에 관한 것이다.

고온 비틀림 시험기는 소재개발연구 및 가공 등에 이용되는 필수적인 장비로서, 재료의 고온 가공성을 평가하고 열간 압연/압출/단조 모의시험 등의 용도로 자주 사용되고 있다.

특히, 고온 비틀림 시험기는 정밀 구동제어 및 고속 냉각시스템으로 작동이 되는데, 고온 상태에서 일정한 속도로 비틀림을 주었을 때 소요된 힘과 변형의 정도를 측정함으로써, 온도와 속도의 변화에 따른 재료의 강도와 같은 물성치를 파악할 수 있게 한다.

통상적인 고온 비틀림 시험기는, 첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이, 대상 시편(10)을 가열장치(20)에 의해 고온으로 가열한 상태에서 시편(10)의 한쪽 끝을 토크 센서(30)로 고정시키고 다른 한쪽은 서보 모터(40)를 이용하여 일정한 속도로 회전시키게 되며, 이 때 얻어진 모터(40)의 엔코더값과 토크값이 데이터 처리의 주된 대상이 된다.

한편, 서보 모터(40)를 구동하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 설정된 회전수에 도달할 때까지 점차적으로 회전속도가 증가하게 되는데, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 변형시작시간에서부터 응답시간까지의 변형은 설정된 변형율 속도가 아닌 부정확한 결과를 제공한다. 특히, 변형속도가 빠르고 변형량이 적은 경우에는 실제로 사용할 수 있는 데이터를 얻지 못할 때도 있다. 따라서, 서보 모터(40)의 구동시 발생하는 응답성의 영향을 받지 않고 시편(10)을 변형시킬 수 있는 효과적인 장치가 절실히 요구되는 실정이다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 그 목적은, 시편을 일정 속도로 회전시키키 위한 서보 모터의 응답성에 영향을 받지 않고 효율적인 제어와 보다 정확한 테스트 결과를 얻을 수 있으며, 초기 변형구간에서는 일정한 변형 속도를 유지하고 고속 변형시에도 신뢰성을 확보할 수 있는 고온 비틀림 시험기 및 시험방법을 제공하는 데에 있다.

도 1은 종래 고온 비틀림 시험기의 구성을 나타낸 도면,

도 2는 종래 고온 비틀림 시험기의 서보 모터의 응답시간을 설명하는 그래프,

도 3은 종래 고온 비틀림 시험기에 의한 시험 결과를 나타낸 그래프,

도 4는 본 발명에 따른 고온 비틀림 시험기의 구성을 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 고온 비틀림 시험기의 정격도달 제어장치를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 시편 20 : 토크 센서

30 : 서보 모터 40 : 가열장치

50 : 정격도달제어장치 51 : 케이스

52 : 구동 디스크 53∼53''' : 중간 디스크

54 : 종동 디스크 55 : 입력축

56 : 지지축 57 : 출력축

B : 베어링

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온 비틀림 시험기는, 고온 가열된 시편의 일단을 토크 센서로 고정시키고 타단을 서보 모터로 회전시켜 시편의 변형 정도에 따른 물성치를 측정하는 고온 비틀림 시험기에 있어서, 상기 서보 모터의 회전속도가 정격에 도달할 때까지 상기 시편에 동력이 전달되는 것을 차단하는 정격도달 제어장치와, 상기 시편에 실제로 전달된 회전량을 측정하는 엔코더를 포함하되, 상기 정격도달 제어장치는, 상기 서보 모터의 회전력을 전달받는 구동 디스크와, 상기 구동 디스크와 치합되어 상기 서보 모터의 회전속도가 정격에 도달할 때까지 상기 회전력을 순차적으로 전달받아 상기 시편으로의 회전력 전달을 지연시키는 복수의 중간 디스크와, 상기 중간 디스크로부터 상기 시편으로 회전력을 전달하는 종동 디스크로 이루어지고, 상기 구동 디스크와 중간 디스크 및 종동 디스크의 디스크면들은 각각 중앙의 축을 중심으로 후육부와 박육부가 대칭을 이루는 구조로 이루어져, 후육부 디스크면 또는 박육부 디스크면이 반회전하여야 대향하는 디스크면과 치합됨으로써 상기 서보 모터의 회전력이 전달되는 것을 특징적인 기술적 요지로 한다.

또한, 고온 가열된 시편의 일단을 토크 센서로 고정시키고 타단을 서보 모터로 회전시켜 시편의 변형 정도에 따른 물성치를 측정하는 고온 비틀림 시험방법에 있어서, 상기 서보 모터의 회전속도가 정격에 도달할 때까지 상기 시편에 동력이 전달되는 것을 차단하고, 상기 시편에 대하여 다단계 변형 시험을 실시하는 경우에는 상기 서보 모터에 대해 정방향 회전 제어와 역방향 회전 제어를 상기 시편의 변형 회수 만큼 반복하는 것을 특징적인 기술적 요지로 한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하되, 종래 기술을 도시한 도 1과 동일한 부위에 대해서는 동일한 참조부호를 부여한다.

도 4에는 본 발명의 고온 비틀림 시험기에 대한 구성이 도시되어 있는데, 시편(10)을 고온으로 가열하기 위한 가열장치(40), 시편(10)의 한쪽 끝을 고정시키는 토크 센서(20), 시편(10)의 다른 한쪽 끝을 회전시키기 위한 회전 동력을 제공하는 서보 모터(30)를 구비하고 있음이 나타나 있다.

여기서, 본 발명의 특징으로서, 상기 시편(10)과 서보 모터(30)의 사이에 정격도달 제어장치(50)와 엔코더(60)가 설치된다.

즉, 상기 정격도달 제어장치(50)는, 상기 서보 모터(30)의 회전 구동시 그 회전 속도가 응답시간, 즉 정격(定格;rating)에 도달할 때까지 시편(10)으로 회전 동력이 전달되는 것을 지연 또는 차단시키게 된다.

이를 위한 정격도달 제어장치(50)의 보다 구체적인 구조가 도 5에 도시되어 있는데, 상기 서보 모터(30)의 회전 동력을 시편(10)에 대하여 순차적으로 전달하기 위한 다수의 디스크(52,53,53',53'',53''',54)들로 이루어져 있음을 알 수 있다.

즉, 하나의 케이스(51) 내부에 상기 디스크(52,53,53',53'',53''',54)들이 배열되어 있는데, 베어링(B)으로 지지되고 있는 입력축(55)을 통해 서보 모터(30)와 연결된 구동 디스크(52), 이 구동 디스크(52)와 치합되며 하나의 지지축(56)에 베어링(B)으로 지지되는 일련의 중간 디스크(53,53',53'',53''')들, 그리고 최종 위치의 중간 디스크(53''')와 치합되며 출력축(57)을 통해 시편측과 연결되는 종동 디스크(54)를 요체로 하고 있다.

특히, 상기 디스크(52,53,53',53'',53''',54)들의 구조를 살펴보면, 각각의 디스크면(52a,52b,53a,53b∼53'''a,53'''b,54a,54b)들이 축(55,56,57)을 중심으로 후육부와 박육부가 대칭적으로 이루어져 있기 때문에, 구동 디스크(52)의 후육 디스크면(52a)이 첫번째 중간 디스크(53)의 박육 디스크면(53a)과 대향하고 있는 상태에서 반회전하여야 비로소 첫번째 중간 디스크(53)의 후육 디스크면(53b)과 치합되어 회전력을 전달하게 되고, 마찬가지로 첫번째 중간 디스크(53)의 후육 디스크면(53b)이 두번째 중간 디스크(53')의 박육 디스크면(53'b)과 대향하고 있는 상태에서 반회전하여야 두번째 중간 디스크(53')의 후육 디스크면(53'a)과 치합된다. 이와 같은 방식에 의해 최종적으로 종동 디스크(54)에 서보 모터(30)의 회전 동력이 순차적으로 전달되기까지는 일정한 시간, 즉 서보 모터(30)의 회전속도가 정격에 도달할 때까지의 응답시간만큼 지연 또는 차단되는 것이며, 서보 모터(30)가 정격에 도달한 후에는 시편(10)에 정격의 회전속도로 회전력이 전달되어 변형을 가하게 된다.

이러한 정격도달 제어장치(50)의 디스크수는, 서보 모터(30)의 최대 회전수에 응답시간을 곱하여 계산된 회전수를 만족하도록 구성된다.

그리고, 정격도달 제어장치(50)를 이용함에 있어서 시편(10)의 변형량을 제어하기 위해서는, 미리 계산된 서보 모터(30)의 회전량에 정격도달 제어장치(50)의 지연 회전량을 가산한 양을 서보 모터(30)에 전달함으로써 이루어지는데, 정격도달 제어장치(50)의 각 중간 디스크(53,53',53'',53''')의 치의 각을 θ라고 했을 때 한장의 디스크가 지연하는 각은 (360°-2θ)이며, 정격도달 제어장치(50)의 지연회전수는 (360°-2θ)에 디스크의 장수를 곱한 값이 된다.

한편, 상기 엔코더(60)는 실제로 시편(10)이 회전한 양을 측정하기 위한 수단으로서, 이 엔코더(60)에 의해 시편(10)의 변형량이 측정되며, 시편(10)에 가해진 토크는 토크 센서(20)에 의해 측정된다.

이상에서 설명한 본 발명의 고온 비틀림 시험기에 대한 설명에 있어서, 서보 모터(30)의 회전속도가 정격에 도달할 때까지 시편(10)에 동력이 전달되는 것을 차단한다는 기술적 요지는 본 발명의 고온 비틀림 시험방법에 그대로 적용이 되므로 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다.

단, 시편(10)에 대한 다단계 변형시험을 실시하는 경우, 서보 모터(30)에 대해 정방향으로 회전 구동되도록 하는 제어와 역방향으로 회전 구동되도록 하는 제어를 동시에 시행할 수 있는데, 특히 역방향 회전 구동 제어는 정격도달 제어장치(50)의 지연 회전수만큼 반대방향으로 서보 모터(30)를 회전시키는 것이며, 이러한 정방향 회전 제어와 역방향 회전 제어는 시편(10)의 변형 회수 만큼 반복함으로써 이루어진다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고온 비틀림 시험기 및 시험방법에 의하면, 서보 모터의 응답성에 영향을 받지 않고 제어의 효율성와 비틀림 시험 결과의 정확성이 향상되며, 다양한 시험 조건에서도 신뢰성을 확보할 수 있는효과가 있다.

Claims (2)

1. 고온 가열된 시편의 일단을 토크 센서로 고정시키고 타단을 서보 모터로 회전시켜 시편의 변형 정도에 따른 물성치를 측정하는 고온 비틀림 시험기에 있어서,

   상기 서보 모터의 회전속도가 정격에 도달할 때까지 상기 시편에 동력이 전달되는 것을 차단하는 정격도달 제어장치와, 상기 시편에 실제로 전달된 회전량을 측정하는 엔코더를 포함하되,

   상기 정격도달 제어장치는, 상기 서보 모터의 회전력을 전달받는 구동 디스크와, 상기 구동 디스크와 치합되어 상기 서보 모터의 회전속도가 정격에 도달할 때까지 상기 회전력을 순차적으로 전달받아 상기 시편으로의 회전력 전달을 지연시키는 복수의 중간 디스크와, 상기 중간 디스크로부터 상기 시편으로 회전력을 전달하는 종동 디스크로 이루어지고,

   상기 구동 디스크와 중간 디스크 및 종동 디스크의 디스크면들은 각각 중앙의 축을 중심으로 후육부와 박육부가 대칭을 이루는 구조로 이루어져, 후육부 디스크면 또는 박육부 디스크면이 반회전하여야 대향하는 디스크면과 치합됨으로써 상기 서보 모터의 회전력이 전달되는 것을 특징으로 하는 고온 비틀림 시험기.
2. 고온 가열된 시편의 일단을 토크 센서로 고정시키고 타단을 서보 모터로 회전시켜 시편의 변형 정도에 따른 물성치를 측정하는 고온 비틀림 시험방법에 있어서,

   상기 서보 모터의 회전속도가 정격에 도달할 때까지 상기 시편에 동력이 전달되는 것을 차단하고, 상기 시편에 대하여 다단계 변형 시험을 실시하는 경우에는 상기 서보 모터에 대해 정방향 회전 제어와 역방향 회전 제어를 상기 시편의 변형 회수 만큼 반복하는 것을 특징으로 하는 고온 비틀림 시험방법.