KR20130110800A - 유동 오일을 이용한 금속 볼 성형 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동 오일을 이용한 금속 볼 성형장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 주입되는 용융 금속의 양을 정밀하게 제어하여 성형되는 금속 볼의 사이즈를 정교하게 조절할 수 있으며, 용융된 금속의 낙하속도를 자유낙하 속도와 동일하도록 하여 용융된 금속의 표면장력에 의해 구형에 가까운 금속 볼을 성형할 수 있으며, 종래기술보다 더 큰 사이즈의 금속 볼을 제조할 수 있도록 하기 위한 것으로서, 지면에 가까워질수록 단면이 좁아지는 테이퍼진 실린더 형태의 유동 오일 볼 성형장치, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 외주면에 위치하며 냉각탱크와 냉각 펌프를 거쳐 냉각제가 내부로 유입되는 유체 냉각장치, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 상단에 위치하며 용융된 금속을 상기 유동 오일 볼 성형장치의 내부로 주입시키는 용융 금속 주입장치, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 하단에 연결되어 자유 낙하하는 성형이 완료된 금속 볼의 낙하 속도를 감소시키는 완충부, 상기 완충부의 하단에 연결되어 성형이 완료된 금속볼을 임시 저장하는 바스켓, 상기 유동 오일 볼 성형장치와 용융 금속 주입장치와 완충부에 일정한 유체 압력을 유지시켜 주기 위한 유체 저장탱크 및 유압펌프, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 상단에 유입되는 유체의 온도를 높여주는 유체 가열장치를 포함하여 구성되는 유동 오일을 이용한 금속 볼 성형장치에 관한 것이다.

Description

유동 오일을 이용한 금속 볼 성형 장치{omitted}

본 발명은 유동 오일을 이용한 금속 볼 성형 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주입되는 용융 금속의 양을 정밀하게 제어하여 성형되는 금속 볼의 사이즈를 정교하게 조절할 수 있으며, 용융된 금속의 낙하속도를 자유낙하 속도와 동일하도록 하여 용융된 금속의 표면장력에 의해 구형에 가까운 금속 볼을 성형할 수 있으며, 종래기술보다 더 큰 사이즈의 금속 볼을 제조할 수 있는 유동 오일을 이용한 금속 볼 성형장치에 관한 것이다.

특허 "등록번호-1004006600000" 의 "고온 고압 오일을 이용한 금속 볼 성형 방법 및 장치"에 명시된 금속 볼을 성형하는 방법(이하 '종래기술'이라함)은 도 2 및 아래에 설명하는 내용과 같다.

금속 볼은 성형시 예열된 절단 금속봉들이 오일 압력 볼 성형장치(10) 상단에서 하단으로 자연낙하 하면서 각기 변형온도에서 고온오일의 열과 물체에 가해지는 전체 압력에 의하여 와이어 형태가 점차 구형으로 형성되면서 오일 속을 낙하하여 하단 1/3지점의 냉각존(냉각파트)(10b)에 도달하면 와이어의 용융점보다 낮은 온도로 유지시켜 서서히 냉각되면서 수축되어 볼의 형태로 성형되도록 한다.

종래의 금속 볼 성형 방법은 오일 압력 볼 성형장치(10) 을 통과하는 과정에서 금속의 와이어를 낙하시키게 되는데 오일 압력 볼 성형장치(10) 내의 유체는 정지상태의 유체이기 때문에 금속 와이어가 낙하되는 과정에서 오일의 저항력을 받게 된다. 금속와이어는 낙하하면서 자중에 의해서 점점 가속되게 되는데 이 저항력은 유체와 낙하되는 금속 사이의 상대속도의 제곱에 비례하게 한다.

즉 이것은 금속의 와이어가 낙하하면서 중력에 의해 낙하 속도가 빨라질수록 저항력은 더욱 커져서 금속의 와이어가 용융되어 구형의 볼로 성형되는 과정을 방해하여 구형의 볼을 성형하는데 품질을 저하하게 되는 문제점이 있다.

추가하여 설명하자면 아래의 ＜그림 1＞은 유동의 종류에 따른 그림은 원통 주위의 유동의 형상들을 모아놓은 그림이다.

오른쪽의 유동장은 원통과 유체의 상대속도, 유체의 점성에 따라 결정되는 레이놀즈 수에 의해서 유동장의 형상이 왼쪽과 같이 다양한 형태로 나타나게 된다.

우선 '종래 기술'에 따라서 유체로 가득 찬 고 압력 볼 성형 장치(10)에 가열된 와이어가 통과를 하게 될 때, 초기에는 낙하속도가 작기 때문에 중력이 항력보다 크게 되어 와이어는 점차적으로 가속되게 되다가 속도의 제곱에 비례 하는 항력과 중력의 값이 같게 되면 더 이상 가속 되지 않코 일정한 속력을 유지하게 된다.

따라서 가열된 와이어는 점차적으로 가속되다가 일정한 속도를 유지하게 되는데, 속력의 변화에 따라서 레이놀즈 수가 변하게 되어 구 주위에 발생하는 유동장 또한 시시각각 변화하게 되어 가열된 와이어가 낙하 하여 가속되는 동안 일정한 구로 성형되기 위한 일정한 조건을 만들어 줄 수 없게 된다.

왼쪽의 등식의 왼쪽 항은 항력이고, 오른쪽 항은 중력이다. 따라서 위에서 설명한 중력과 항력의 크기가 같아지는 상태를 표현한 등식인데, C _D 는 항력 계수 ρ는 밀도 A는 유동 방향으로 물체를 투사한 면적, v 는 유체와 물체와의 상대속도, m은 물체의 질량, g는 중력 가속도를 나타낸다.

만약 가열되는 와이어가 구형이라 가정하고, C _D =0.47이라 가정하고, 구의 직경이 1mm 일 때를 고려해 보면 유체와 물체의 상대속도는 약 v=5.3m/s 정도의 속도를 갖게 된다. v=5.3m/s 정도의 속도는 작은 값으로 층류로 추정 할 수 있다.

아래의 ＜그림 2＞는 원통 주위의 유동이 난류와 층류일 때 원통 주위의 각도에 따른 압력계수의 변화를 나타낸 그래프 인데, 위에서 '종래기술'에 따른 가열된 와이어의 낙하 속도를 해석한 결과 와이어의 낙하에 따른 유동은 층류로 추정 할 수 있었다.

아래의 그래프에서 빨간 박스가 나타내는 그래프가 층류에 의한 그래프인데 그래프에서 확인 할 수 있듯이, 각도θ가 0°∼ 180° 까지 변하게 될 때 압력계수가 1.0 에서 -1.2 에 걸쳐서 변하는 것을 볼 수 있는데 이것은 구의 각각의 표면에 압력이 다르게 분포 한다는 것을 의미한다.

따라서 표면장력에 의해서 가열된 와이어가 구형의 형태를 이루려 하겠지만, 항력에 의해서 와이어 표면에 작용하는 압력의 크기가 각각 다르기 때문에 양질의 금속 구를 성형 할 수 없다.

종래기술 의 볼 성형 원리는 금속와이어가 고온의 유체에 의해서 용융되었을때, 용융된 와이어의 표면장력에 의해서 구형으로 성형 하는 원리를 이용하였다. 하지만 표면 장력의 크기는 구의 경우 반지름의 크기에 반비례하기 때문에 금속와이어가 오일 압력 볼 성형장치(10)를 낙하하는 과정에서 낙하 속도가 점차적으로 증가하면 표면장력은 일정한 값을 갖지만 항력은 점차적으로 증가하기 때문에 항력에 의한 영향이 커져서 금속을 구형으로 성형이 힘들어 짐을 알 수 있다.

예를 들면 높은 건물내부의 높은 위치에서 큰 물방울을 바닥으로 낙하시킨다고 가정하자. 이 때 큰 물방울의 표면장력은 물방울의 초기의 반지름에 의해 일정한 값을 갖게 되고, 물방울이 낙하 됨에 따라서 낙하속도가 가속되게 되는데 이에 따라서 항력은 증가하게되고 따라서 물방울에 작용하는 항력의 영향이 커져서 물방울은 부스러져서 항력의 영향에 의해 부스러 지지 않는 매우 작은 물방울만 바닥에 떨어지게 된다. 여기서 건물 내의 공기를 종래기술1의 오일 압력 볼 성형 장치(10), 높은 곳에서 떨어뜨리는 큰 물방울을 용융된 금속 와이어로 비교할 수 있겠다.

따라서 종래기술 1은 일정한 반지름 이상의 크기를 갖는 금속볼을 제조할 수 없는 문제점이 있다.

또한 위의 성형 방법은 볼을 성형 하는데 금속의 와이어를 잘라서 오일 압력 볼 성형 장치(10) 통과 시키게 되는데 와이어를 절단하여 금속의 양을 조절 하는 방법은 정교한 금속 볼의 사이즈 조절이 힘든 어려움을 갖고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 주입되는 용융 금속의 양을 정밀하게 제어하여 성형되는 금속 볼의 사이즈를 정교하게 조절할 수 있으며, 용융된 금속의 낙하속도를 자유낙하 속도와 동일하도록 하여 용융된 금속의 표면장력에 의해 구형에 가까운 금속 볼을 성형할 수 있으며, 종래기술보다 더 큰 사이즈의 금속 볼을 제조할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 지면에 가까워질수록 단면이 좁아지는 테이퍼진 실린더 형태의 유동 오일 볼 성형장치, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 외주면에 위치하며 냉각탱크와 냉각 펌프를 거쳐 냉각제가 내부로 유입되는 유체 냉각장치, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 상단에 위치하며 용융된 금속을 상기 유동 오일 볼 성형장치의 내부로 주입시키는 용융 금속 주입장치, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 하단에 연결되어 자유 낙하하는 성형이 완료된 금속 볼의 낙하 속도를 감소시키는 완충부, 상기 완충부의 하단에 연결되어 성형이 완료된 금속볼을 임시 저장하는 바스켓, 상기 유동 오일 볼 성형장치와 용융 금속 주입장치와 완충부에 일정한 유체 압력을 유지시켜 주기 위한 유체 저장탱크 및 유압펌프, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 상단에 유입되는 유체의 온도를 높여주는 유체 가열장치를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 하단에 위치하여 내부의 압력을 측정하는 압력계를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 유동 오일 볼 성형장치와 완충부 사이에 유체의 흐름을 차단하는 개폐 밸브를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 유동 오일을 이용한 금속 볼 성형장치는 주입되는 용융 금속의 양을 정밀하게 제어하여 성형되는 금속 볼의 사이즈를 정교하게 조절할 수 있으며, 용융된 금속의 낙하속도를 자유낙하 속도와 동일하도록 하여 용융된 금속의 표면장력에 의해 구형에 가까운 금속 볼을 성형할 수 있으며, 종래기술보다 더 큰 사이즈의 금속 볼을 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 대한 구성도.
도 2는 종래기술에 대한 구성도.

본 발명에 의한 유동 오일을 이용한 금속 볼 성형장치는, 지면에 가까워질수록 단면이 좁아지는 테이퍼진 실린더 형태의 유동 오일 볼 성형장치, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 외주면에 위치하며 냉각탱크와 냉각 펌프를 거쳐 냉각제가 내부로 유입되는 유체 냉각장치, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 상단에 위치하며 용융된 금속을 상기 유동 오일 볼 성형장치의 내부로 주입시키는 용융 금속 주입장치, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 하단에 연결되어 자유 낙하하는 성형이 완료된 금속 볼의 낙하 속도를 감소시키는 완충부, 상기 완충부의 하단에 연결되어 성형이 완료된 금속볼을 임시 저장하는 바스켓, 상기 유동 오일 볼 성형장치와 용융 금속 주입장치와 완충부에 일정한 유체 압력을 유지시켜 주기 위한 유체 저장탱크 및 유압펌프, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 상단에 유입되는 유체의 온도를 높여주는 유체 가열장치를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 유동 오일 볼 성형장치의 하단에 위치하여 내부의 압력을 측정하는 압력계를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 유동 오일 볼 성형장치와 완충부 사이에 유체의 흐름을 차단하는 개폐 밸브를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하, 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 대한 구성도, 도 2는 종래기술의 구성도를 나타낸 것이다.

유동 오일 볼 성형장치(10)는 지면에 가까워질수록 단면이 좁아지는 테이퍼 진 형태의 실린더 형태를 띄고 있다. 이 장치 내부에는 성형할 금속의 용융점보다 기화점이 높고, 성형될 금속과 화학적으로 안정적이라 성형될 금속 볼의 품질에 해가 되지 않는 유체가 유압펌프(14a)에 의해 유동된다.

용융 금속 주입 장치(20)는 유동 오일 볼 성형 장치(10)의 상부에 위치해 있고, 용융 금속 저장소(21) 로부터 용융금속 주입 밸브(21a)를 통해 용융된 금속을 공급 받는다. 용융 금속 저장소(21)로부터 용융된 금속을 주입받기 전에 용융금속 주입장치(20)는 유체로 가득 차 있는 상태이고, 용융금속 주입 장치(20)로부터 용융된 금속이 주입 되면서 용융된 금속의 밀도가 유체의 밀도보다 크기 때문에 용융금속은 용융금속 주입장치(20)의 주입구쪽부터 채워지게 된다. 이 때문에 용융금속 저장소(21)로부터 공급된 용융금속의 부피만큼 밀려나서 유체는 유체이송파이프(13c)를 통해 유체 저장탱크(30a)에 회수 된다.

용융금속 주입 장치(20)에 용융된 금속으로 가득 차 있는 상태에서 유압펌프(14c)를 이용하여 비압축성인 유체를 성형하고자 하는 양만큼 주입해주면 용융금속 주입장치(20)에서 유압펌프(14c)를 통하여 공급된 유체의 양과 동일한 부피의 용융된 금속이 유동 오일 볼 성형 장치(10)에 주입된다. 따라서 유압펌프(14c)를 통해 주입하는 유체의 양을 제어하여 성형되는 금속 볼의 크기를 정밀하게 조정 할 수 있다.

유동 오일 볼 성형장치(10)의 상부의 유체 초기 유동 속도는 용융금속 주입장치(20)를 통해서 주입되는 유동 금속의 초기 낙하 속도와 동일한 속도를 이룰 수 있도록 장치를 제작하고, 하부로 갈수록 유동되는 오일은 유동 오일 볼 성형장치(10)의 유동 단면적이 감소되어 유체는 하부에 갈수록 가속되게 되는데 이 가속되는 조건을 물체가 자유낙하 할 때의 가속의 조건과 동일할 수 있도록 유동오일 볼 성형 장치(10)를 제작한다. 유동 오일 볼 성형 장치(10)를 유동 하는 유체의 초기속도가 용융 금속 주입장치(20)의 주입속도와 같고, 가속도가 중력가속도와 같기 때문에 용융 금속 주입장치(20)에 의해 주입된 용융된 금속이 유동 오일 볼 성형 장치(10)를 통과 할 때 자유낙하의 상태와 거의 흡사한 상태로 낙하하게 된다. 용융상태의 금속의 낙하 상태를 자유낙하와 거의 흡사하게 만들어준 부분에서 종래기술의 유체의 저항력에 의한 결점을 보완 하고 더욱 정교한 금속 볼을 성형 할 수 있다. 유동 오일 볼 성형 장치(10) 낙하하는 용융된 금속은 중력에 의해 가속되는 상태인데 중력에 의해서 가속이 되지만 주위 유체와 동일한 속도로 낙하하기 때문에 의 상대속도가 0m/s와 거의 가깝게 된다. 따라서 항력에 의한 영향은 무시 할 수 있다. 용융된 금속은 표면장력에 의해서 구형의 형태로 점차적으로 성형된다.

유동 오일 볼 성형 장치(10)에 유체를 공급해 주는 유체 이송 파이프(13a)의 주위에는 유체 가열장치(12)가 부착 되어 유체의 온도를 성형될 금속의 용융점 이상의 일정한 온도로 가열시켜서 유동오일 볼 성형 장치(10)에 유체를 공급해 준다.

유동 볼 성형장치(10)에 유체가 주입될 때에 성형될 금속의 용융점 이상의 온도를 갖고 있고, 유체의 온도를 유동 오일 볼 성형 장치(10)의 하부로 유동 될수록 유체 냉각장치(11)에 의해서 낮아지게 하여 용융된 금속이 낙하 하는 과정에서 점차적으로 냉각 되어 구형의 볼 성형을 끝나는 온도까지 점차적으로 낮아지도록 만들어 주기 위해서 오일 볼 성형 장치(10) 외부에 여러 개의 구간으로 나누어진 유체 냉각 장치를(11)를 부착하고 각각의 구간은 하부로 내려 갈수록 유체의 온도를 낮게 만들어 줄 수 있도록 상부의 냉각장치 보다 하부의 냉각 장치가 온도가 낮게 제작한다. 따라서 오일 볼 성형 장치(10)는 상부에서 하부로 내려갈수록 내부에서 유동하는 유체의 온도는 내려가게 되고, 상부에서의 유체 온도는 용융금속의 온도보다 높고, 하부에서의 유체의 온도는 볼로 성형되는 금속이 충분히 냉각될 수 있는 온도를 만들어 준다.

냉각 탱크(32)에 저장되어 있는 냉각제는 냉각 펌프(31)를 통해 냉각제 공급 밸브(33)들을 제어하여 유체냉각장치의 각 구간을 통과하는 유체의 온도를 일정하게 유지 시켜 줄 수 있도록 유체냉각장치(11)에 공급되게 된다.

유동 오일 볼 성형 장치(10)의 상부를 유동하는 유체는 유체가열장치(12)에 의해서 성형될 금속의 용융 온도 보다 높게 가열되어 금속을 용융시킬 수 있도록 하고, 유체가 하부로 유동 할수록 유체의 온도는 유체 냉각장치(11)에 의해 점차 낮아지게 되어 용융된 금속은 점차적으로 냉각되고 금속 볼의 온도는 용융점 이하의 온도로 내려가게 되어 유동 오일 볼 성형 장치(10)의 하부에 도달 하게 되면 완전한 금속 볼이 성형되게 된다.

유동 오일 볼 성형장치(10)의 하부에서 성형이 완료 될 때 구형의 금속 볼은 중력에 의해 가속되어 속도가 매우 빠른 상태이다. 이 때문에 이 구형의 볼을 안전하게 수거하기 위해서는 유동 오일 볼 성형 장치(10) 하부에는 적당한 완충 장치가 필요하다. 유체이송 파이프(13b)의 하부에 완충부(15)를 장착하여 유체와 구형의 볼과의 저항력을 이용하여 금속 볼의 낙하 속도를 작게 만든다.

완충부(15)는 유압펌프(14b)를 이용하여 금속 볼의 낙하 방향과 반대 방향으로 유체를 유동 시켜 주는 구조를 띄고 있어 금속 볼과 유체와의 저항력을 극대화 하여 고속으로 낙하 하는 금속 볼의 속도를 감소시켜주는 브레이크와 같은 역할을 한다. 성형이 완료된 금속 볼은 완충부(15)를 지나서 안전하게 바스켓(16)에 모이게 된다.

바스켓(16)에 쌓여 있는 금속 볼의 수거는 금속 볼의 제조가 끝난 뒤에 개폐 밸브(17)가 닫혀 지고 유압펌프(14b)를 이용하여 유체를 유체 저장탱크(30b)에 공기를 주입하며 유체를 이송시켜, 완충부(15) 내부의 압력을 대기와 같은 압력으로 만들어 주고, 바스켓을 수거하여, 구형의 볼을 수거 할 수 있다.

본 발명에 의한 유동 오일을 이용한 금속 볼 성형장치를 작동하는 동안 각 부분 별 압력을 일정하게 유지해 주기 위해서 압력계(17)을 통해서 압력의 변화를 체크하고 일정한 범위 이상으로 압력이 오르거나 떨어지면 유체 저장탱크에 저장되어있던 유체를 유압펌프(14a)를 통해서 유동오일 볼 성형장치(10)에 주입하여 각 부분의 압력을 일정하게 유지하여 준다.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 도면에 한정되는 것은 아니다.

10 : 유동 오일 볼 성형장치
11 : 유체 냉각장치
12 : 유체 가열장치
13 : 유체이송파이프(13a,13b,13c)
14 : 유압펌프(14a,14b,14c)
15 : 완충부
16 : 바스켓
17 : 개폐 밸브
18 : 압력계
20 : 용융 금속 주입장치
21a : 용융 금속 주입 밸브
21 : 용융 금속 저장소
30 : 유체 저장탱크(30a, 30b)
31 : 냉각 펌프
32 : 냉각 탱크
33 : 냉각제 주입 밸브

Claims (3)

1. 지면에 가까워질수록 단면이 좁아지는 테이퍼진 실린더 형태의 유동 오일 볼 성형장치;
   상기 유동 오일 볼 성형장치의 외주면에 위치하며 냉각탱크와 냉각 펌프를 거쳐 냉각제가 내부로 유입되는 유체 냉각장치;
   상기 유동 오일 볼 성형장치의 상단에 위치하며 용융된 금속을 상기 유동 오일 볼 성형장치의 내부로 주입시키는 용융 금속 주입장치;
   상기 유동 오일 볼 성형장치의 하단에 연결되어 자유 낙하하는 성형이 완료된 금속 볼의 낙하 속도를 감소시키는 완충부;
   상기 완충부의 하단에 연결되어 성형이 완료된 금속볼을 임시 저장하는 바스켓;
   상기 유동 오일 볼 성형장치와 용융 금속 주입장치와 완충부에 일정한 유체 압력을 유지시켜 주기 위한 유체 저장탱크 및 유압펌프;
   상기 유동 오일 볼 성형장치의 상단에 유입되는 유체의 온도를 높여주는 유체 가열장치를 포함하여 구성되는 유동 오일을 이용한 금속 볼 성형장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 유동 오일 볼 성형장치의 하단에 위치하여 내부의 압력을 측정하는 압력계를 더 포함하여 구성되는 유동 오일을 이용한 금속 볼 성형장치.
3. 제 1항 또흔 제 2항 중 어느 한항에 있어서,
   상기 유동 오일 볼 성형장치와 완충부 사이에 유체의 흐름을 차단하는 개폐 밸브를 더 포함하여 구성되는 유동 오일을 이용한 금속 볼 성형장치.

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