KR20160142399A - 축대칭체 및 축대칭 제품의 제조 방법 - Google Patents

축대칭체 및 축대칭 제품의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

레이저 금속 육성에 의해 모재(2)의 반경 방향 바깥쪽 또는 반경 방향 안쪽을 향하는 주면 상에 복수의 비드(35,36)로 이루어진 고리형 첫번째 층(31)이고 상기 비드의 폭(35,36)의 2배 이상인 폭의 첫번째 층(31)을 형성하고, 레이저 금속 육성에 의해 첫번째 층 상에 각각이 복수의 비드로 이루어진 복수의 고리형 고상층(32)을 적층함으로써 모재(2) 중의 열영향부를 매우 작게 억제하면서 비교적 넓은 폭의 플랜지부를 갖는 축대칭체(5)를 제조하는 것을 가능하게 한다.

Description

축대칭체 및 축대칭 제품의 제조 방법{AXIALLY SYMMETRIC BODY, AND AXIALLY SYMMETRIC BODY MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 플랜지부를 갖는 축대칭체의 제조 방법, 및 이 제조 방법에 의해 얻은 축대칭체에서 축대칭 제품을 제조하는 축대칭 제품의 제조 방법에 관한 것이다.
플랜지부를 갖는 축대칭체는, 예를 들어, 주조나 원주형 또는 두꺼운 원통형 원재료의 깎아내기에 의해 제조된다. 하지만, 주조에서는 금형 제작에 엄청난 비용을 필요로 한다. 또한, 깎아내기에서는 많은 재료가 낭비된다.
일본특허출원공개 2007-301980호
따라서, 모재에 대해 플랜지부를 나중에 성형하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 관형 모재에 대해 링형 판재를 완전 용입 용접에 의해 접합하는 것을 생각할 수 있다. 하지만, 용접에서는 모재의 입열량이 매우 크기 때문에 모재 중의 열영향부(HAZ)가 커진다.
이 점, 예를 들면, 특허문헌에 개시되어 있는 바와 같은 레이저 금속 육성(LMD: Laser Metal Deposition)을 이용하면, 모재 중의 열영향부를 매우 작게 만들 수 있다. 또한, 특허문헌에 개시된 기술은 모재가 플랫한 판형인 것 및 레이저 금속 육성에 의해 만들어진 비드의 2배 이하로 비교적 좁은 폭의 돌기를 형성하는 것을 전제로 한 것이며, 구조 부재로 사용하는 바와 같은 고리형 플랜지부를 형성하는 것을 의도한 것이 아니다. 또한, 특허문헌에 개시된 기술에서는 비교적 넓은 폭의 플랜지부를 형성할 수는 없다.
따라서, 본 발명은 레이저 금속 육성을 이용하여 비교적 넓은 폭의 플랜지부를 갖는 축대칭체를 제조하는 방법 및 그 축대칭체에서 축대칭 제품을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 축대칭체의 제조 방법은 플랜지부를 갖는 축대칭체를 제조하는 방법이며, 레이저 금속 육성에 의해 모재의 반경 방향 바깥쪽 또는 반경 방향 안쪽을 향하는 주면 상에 복수의 비드로 이루어진 고리형 첫번째 층이고 상기 비드의 폭의 2배 이상인 폭의 첫번째 층을 형성하는 공정과, 레이저 금속 육성에 의해 상기 첫번째 층 상에 각각이 복수의 비드로 이루어진 복수의 고리형 고상층을 적층하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 따르면, 모재 중의 열영향부를 매우 작게 억제하면서 비교적 넓은 폭의 플랜지부를 갖는 축대칭체를 제조할 수 있다.
상기 첫번째 층을, 상기 모재의 둘레 방향으로 연장된 비드를 상기 모재의 축 방향으로 늘어놓음으로써 형성하고, 상기 복수의 고상층 각각을, 상기 모재의 둘레 방향으로 연장된 비드를 상기 모재의 축 방향으로 늘어놓음으로써 형성하여도 좋다. 첫번째 층 및 고상층 각각은 레이저광을 방출하는 노즐을 모재의 주면에 대해 지그재그로 이동시켜 모재의 축 방향으로 연장된 짧은 비드를 모재의 둘레 방향으로 늘어놓음으로써도 형성할 수 있다. 하지만, 이 경우에는 하나의 비드를 형성하고 나서 그 옆에 새로운 비드가 형성될 때까지 시간이 매우 짧기 때문에 모재의 축열량이 많아져 모재의 왜곡이 커질 우려가 있다. 또한, 축대칭체의 베이스가 되는 둘레 방향으로 연속된 모재에서는 모재의 축열량이 많아져 모재의 왜곡이 현저해진다. 반면, 상기의 구성과 같이 모재의 둘레 방향으로 연장된 비드를 모재의 축 방향에 늘어놓으면 하나의 비드를 형성하고 나서 그 옆에 새로운 비드가 형성될 때까지 시간이 매우 길어진다. 따라서 모재의 축열량이 작아져 모재의 왜곡을 작게 억제할 수 있다.
상기 첫번째 층을, 상기 모재를 냉각하면서 형성하고, 상기 복수의 고상층 각각을, 상기 모재를 냉각하면서 형성하여도 좋다. 이 구성에 따르면, 모재 및 공급 금속(와이어 또는 금속 분말)의 용융부 내에서 원소의 산화를 억제할 수 있다. 특히 모재가 티타늄 합금으로 이루어질 경우, 용융부의 온도가 높으면 티타늄이 산화하여 용융부에 기공(porosity)이 발생하기 쉽기 때문에 본 구성은 특히 모재가 티타늄 합금으로 이루어질 경우에 유용하다.
상기 복수의 고상층 각각을, 상기 첫번째 층의 형성과 다른 조건에서 형성하여도 좋다. 고상층 각각을 형성할 때 직전형성층(첫번째 층 또는 이전 형성 고상층)의 상태(예를 들면, 요철 및 온도)는 그 위에 첫번째 층이 형성되는 모재의 주면과 다르기 때문에 첫번째 층과 고상층 각각을 형성할 때 조건을 다르게 하면 첫번째 층 및 고상층 모두에서 균일한 품질을 얻을 수 있다.
예를 들어, 상기 모재는 티타늄 합금으로 이루어져도 좋다.
상기 레이저 금속 육성은 금속 분말을 사용한 것이어도 좋다. LMD에서는 공급 금속으로 와이어를 사용할 수도 있다, 본 구성과 같이 금속 분말을 사용하면, 비드 생성 속도와 비드 형상을 제어하기 쉬운 등의 장점이 있다.
상기 모재는 테이퍼형 몸통부와 상기 몸통부의 대경 측 단부에서 안쪽으로 돌출된 고리형 벽을 가지며, 상기 몸통부의 중간 위치에서 상기 모재의 내주면 상에 상기 첫번째 층을 형성하여도 좋다. 이 구성에 따르면 금형을 이용한 주조에는 제조가 어려운 형상을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 축대칭 제품의 제조 방법은 상기한 제조 방법에 의해 얻은 축대칭체에 기계가공을 실시하여 상기 축대칭체에서 축대칭 제품을 깎아내는 것을 특징으로 한다. 이 구성에 따르면, 고정밀 축대칭 제품을 저렴하게 제조할 수가 있다.
본 발명에 따르면, 레이저 금속 육성을 이용하여 비교적 넓은 폭의 플랜지부를 갖는 축대칭체를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축대칭체의 제조 방법에 의해 얻은 축대칭체의 단면도이다.
도 2는 축대칭체의 제조 방법의 설명도이다.
도 3a는 모재의 둘레 방향으로 연장된 비드를 늘어놓아 첫번째 층을 형성할 때 모재를 안쪽에서 본 도면이고, 도 3b는 첫번째 층 및 고상층의 단면도이다.
도 4는 첫번째 층의 형성할 때 및 고상층을 형성할 때 비드 생성 순서의 변형예를 나타내는 첫번째 층 및 고상층의 단면도이다.
도 5a는 모재의 축 방향으로 연장된 비드를 늘어놓아 첫번째 층을 형성할 때 모재를 안쪽에서 본 도면이고, 도 5b는 첫번째 층 및 고상층의 단면도이다.
도 6은 LMD 장치의 노즐의 확대 단면도이다.
도 7은 모재의 특정 위치에서 온도의 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 축대칭체와 축대칭 제품의 관계를 나타내는 단면도이다.
도 9는 모재를 냉각하는 장치로 팬을 사용했을 때 축대칭체의 제조 방법의 설명도이다.
도 10은 모재를 냉각하는 장치로 재킷을 사용했을 때 축대칭체의 제조 방법의 설명도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 축대칭체의 제조 방법은 도 1에 나타낸 바와 같은 중심축(10) 주위에 대칭의 형상을 갖는 축대칭체(1)를 제조하기 위한 것이다. 본 실시예에서는 축대칭체(1)가 축 방향(도 1에서 아래쪽)으로 개방된 중공으로 되어 있다. 구체적으로 축대칭체(1)는 천장벽(11)과, 천장벽(11)의 주연부에서 벌어지는 테이퍼형 주벽(12)과, 주벽(12)의 중간 부분에서 반경 방향 안쪽으로 돌출된 2개의 제1 플랜지부(14)(본 발명의 플랜지부에 해당)와, 주벽(12)의 선단부에서 반경 방향 안쪽으로 돌출된 제2 플랜지부(13)를 포함한다.
다만, 축대칭체(1)의 형상은 도 1에 나타낸 형상에 한정되지 않는다. 예를 들어, 축대칭체(1)의 주벽(12)은 스트레이트이어도 좋다. 또한, 제1 플랜지부(14)의 수는 1개이어도 좋고, 3개 이상이어도 좋다. 또한, 제1 플랜지부(14)는 반경 방향 바깥쪽으로 돌출되어 있어도 좋다. 제1 플랜지부(14)의 돌출 방향은 반드시 모재(2)의 반경 방향과 평행할 필요는 없으며, 모재(2)의 반경 방향에 대해 기울어져 있어도 좋다. 또한, 제2 플랜지부(13)가 설치되지 않는 대신, 제1 플랜지부(14)가 주벽(12)의 선단부에서 반경 방향 안쪽 또는 반경 방향 바깥쪽으로 돌출되어 있어도 좋다. 또한, 축대칭체(1)는 반드시 중공일 필요는 없으며, 중실이어도 좋다.
본 실시예의 제조 방법에서는 LMD에 의해 모재(2)에 대해 제1 플랜지부(14)를 나중에 성형한다. 본 실시예에서는 LMD용 공급 금속으로 금속 분말이 사용된다. 다만, 금속 분말 대신에 와이어가 사용되어도 좋다. 구체적으로는 도 2 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 모재(2)를 그 중심축(20) 주위로 회전시키면서 모재(2)의 내주면(2a)(반경 방향 안쪽을 향하는 주면)을 향해 LMD 장치의 노즐(4)에서 레이저광(41)을 방출하는 동시에 금속 분말(42)을 분사한다. 또한, 앞서 언급한 바와 같은 반경 방향 바깥쪽으로 돌출된 제1 플랜지부(14)를 형성하는 경우에는 모재(2)의 외주면(2b)(반경 방향 바깥쪽을 향하는 주면)을 향해 노즐(4)에서 레이저광(41) 방출하는 동시에 금속 분말(42)을 분사하면 된다.
모재(2)는 축대칭체(1)에서 제1 플랜지부(14)를 제거한 형상을 갖고 있다. 더욱 상세하게는, 모재(2)는 축대칭체(1)의 천장벽(11)을 규정하는 원반 벽(23)과, 축대칭체(1)의 주벽(12)을 규정하는 테이퍼형 몸통부(21)와, 축대칭체(1)의 제2 플랜지부(13)를 규정하는, 몸통부(21)의 대경 측 단부에서 안쪽으로 돌출된 고리형 벽(22)을 가진다. 모재(2)는 예를 들어, 원반형 판재를 스피닝 성형에 의해 테이퍼형으로 성형하고 그 다음에 테이퍼형 선단 부분을 반경 방향 안쪽으로 밀어넣음으로써 제조할 수 있다.
모재(2)를 구성하는 재료는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 예를 들어, 모재(2)는 티타늄 합금으로 이루어진다. 금속 분말은 모재와 동일한 조성을 갖고 있어도 좋고, 다른 조성을 갖고 있어도 좋다. 예를 들어, 모재(2)가 티타늄 합금으로 이루어질 경우, 금속 분말은 모재(2)와 다른 티타늄 합금이어도 좋고, 티타늄 합금 이외의 합금이어도 좋다.
도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 제조 방법에서는 먼저, LMD에 의해 몸통부(21)의 중간 위치에서 모재(2)의 내주면(2a) 상에, 모재(2)의 둘레 방향으로 연속된 고리형 첫번째 층(31)을 형성한다. 그 다음에, LMD에 의해 첫번째 층(31) 상에, 모재(2)의 둘레 방향으로 연속된 복수의 고리형 고상층(32)을 적층한다.
첫번째 층(31)은 복수의 비드(35)로 이루어지며, 비드(35) 폭의 2배 이상인 폭(W)(모재(2)의 축 방향 폭)을 가지고 있다. 본 실시예에서는 모재(2)의 둘레 방향으로 연장된 비드(35)를 모재(2)의 축 방향으로 늘어놓음으로써 첫번째 층(31)을 형성한다. 예를 들어, 도 3a 및 3b에 기재된 경로 순서로(즉, 몸통부(21)의 소경 측에서 대경 측을 향해) 비드(35)를 형성하여도 좋다. 또는, 안정된 형상을 얻기 위해 경험칙 등에 따라 도 4에 기재된 바와 같은 변칙적인 경로 순서를 결정하여도 좋다.
도 3a 및 도 3b로 돌아와서, 각 고상층(32)도 복수의 비드(36)로 이루어진다. 본 실시예에서는 모재(2)의 둘레 방향으로 연장된 비드(36)를 모재(2)의 축 방향으로 늘어놓음으로써 각 고상층(32)을 형성한다. 예를 들어, 도 3a 및 3b에 기재된 경로 순서로(즉, 몸통부(21)의 소경 측에서 대경 측을 향해) 비드(36)를 형성하여도 좋다. 또는, 안정된 형상을 얻기 위해 경험칙 등에 따라 도 4에 기재된 바와 같은 변칙적인 경로 순서를 결정하여도 좋다.
다만, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 노즐(4)을 모재(2)의 내주면(2a)에 대해 지그재그로 이동시켜 모재(2)의 축 방향으로 연장된 비드(35)를 모재(2)의 둘레 방향으로 늘어놓음으로써 첫번째 층(31)을 형성하여도 좋다. 마찬가지로, 모재(2)의 축 방향으로 연장된 비드(36)를 모재(2)의 둘레 방향으로 늘어놓음으로써 각 고상층(32)을 형성하여도 좋다.
첫번째 층(31)의 형성 및 각 고상층(32)의 형성은 모재(2)를 냉각하면서 실시하는 것이 바람직하다. 도 7에 나타낸 바와 같이 모재(2)의 온도를 일정 범위(R) 내에 유지하기 위함이다. 모재(2)를 냉각하는 장치로는 도 9에 나타낸 바와 같이 팬(6)을 사용해도 좋고, 도 10에 나타낸 바와 같이 모재(2)에 장착된 재킷(7)을 사용해도 좋다.
예를 들어, 도 9에 나타낸 바와 같이 팬(6)을 사용했을 경우 모재(2)의 임의의 위치의 온도를 모니터링하고 그 온도가 일정 범위(R) 내에 유지되도록 팬(6)의 풍량을 제어하면 된다. 또는, 도 10에 나타낸 바와 같이 재킷(7)을 사용했을 경우 모재(2)의 임의의 위치의 온도를 모니터링하고 그 온도가 일정 범위(R) 내에 유지되도록 재킷(7) 안을 흐르는 냉각액의 유량을 제어하면 된다.
첫번째 층(31)의 형성 및 각 고상층(32)의 형성을 모재(2)를 냉각하면서 실시하면 모재(2) 및 금속 분말의 용융부 내에서 원소의 산화를 억제할 수 있다. 특히 모재(2)가 티타늄 합금으로 이루어질 경우, 용융부의 온도가 높으면 티타늄이 산화하여 용융부에 기공(porosity)이 발생하기 쉽기 때문에 모재(2)의 냉각은 특히 모재(2)가 티타늄 합금으로 이루어질 경우에 유용하다.
또한, 각 고상층(32)의 형성은 첫번째 층(31)의 형성과 다른 조건에서 실시하는 것이 바람직하다. 각 고상층(32)을 형성할 때 직전형성층(첫번째 층(31) 또는 이전형성 고상층(32))의 상태(예를 들면, 요철 및 온도)는 그 위에 첫번째 층(31)이 형성되는 모재(2)의 내주면(2a)과 다르기 때문에 첫번째 층(31)과 각 고상층(32)을 형성할 때 조건을 다르게 하면 첫번째 층(31) 및 고상층(32) 모두에서 균일한 품질을 얻을 수 있다.
예를 들어, 첫번째 층(31)의 요철이 큰 경우에는 각 고상층(32)의 형성에서는 직전형성층의 에너지 입열을 증가시켜(예를 들면, 레이저광의 출력을 높인다) 용해량을 증가시킨다. 또한, 예를 들어 모재(2)의 축열량이 큰 경우에는 각 고상층(32)의 형성에서는 직전형성층의 에너지 입열을 줄여(예를 들면, 레이저광의 출력을 낮춘다) 용해량을 줄인다.
고상층(32)을 적층할 때에는 성형 중인 제1 플랜지부(14)의 형상을 카메라 등으로 모니터링하고 제1 플랜지부(14)의 형상이 이상적인 형상을 벗어났을 경우 노즐(4)의 위치를 수정하는 것이 바람직하다.
이상으로 설명한 본 실시예의 제조 방법에 따르면, 모재(2) 중의 열영향부를 매우 작게 억제하면서 비교적 넓은 폭의 제1 플랜지부(14)를 갖는 축대칭체(1)를 제조할 수 있다.
그런데, 도 5a 및 5b를 참조하여 설명한 바와 같이, 첫번째 층(31) 및 각 고상층(32)은 모재(2)의 축 방향으로 연장된 짧은 비드(35 또는 36)를 모재(2)의 둘레 방향으로 늘어놓음으로써도 형성할 수 있다. 하지만, 이 경우에는 하나의 비드를 형성하고 나서 그 옆에 새로운 비드가 형성될 때까지 시간이 매우 짧기 때문에 모재(2)의 축열량이 많아져 모재(2)의 왜곡이 커질 우려가 있다. 또한, 축대칭체(1)의 베이스가 되는 둘레 방향으로 연속된 모재(2)에서는 모재(2)의 축열량이 많아져 모재(2)의 왜곡이 현저해진다. 반면, 본 실시예와 같이 모재(2)의 둘레 방향으로 연장된 비드를 모재(2)의 축 방향으로 늘어놓으면 하나의 비드를 형성하고 나서 그 옆에 새로운 비드가 형성될 때까지 시간이 매우 길어진다. 따라서 모재(2)의 축열량이 작아져 모재(2)의 왜곡을 작게 억제할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 LMD용 공급 금속으로 금속 분말이 사용되고 있기 때문에 와이어를 사용했을 경우에 비해 비드(35,36)의 생성 속도와 비드 형상을 제어하기 쉬운 등의 장점이 있다.
또한, 몸통부(21) 및 고리형 벽(22)에 의해 축 방향 양쪽이 덮인 반경 방향 후퇴부를 갖는 모재(2)를 사용하면, 금형을 이용한 주조에서는 제조가 어려운 형상을 실현할 수 있다.
본 실시예의 제조 방법에 의해 얻은 축대칭체(1)는 그대로 제품으로 사용하여도 좋다. 다만, 도 8에 나타낸 바와 같이, 그 축대칭체(1)에 기계가공을 실시하여 축대칭체(1)에서 축대칭 제품(5)을 깎아내면 고정밀 축대칭 제품(5)을 저렴하게 제조할 수 있다.
본 발명은 앞서 언급한 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능하다.
본 발명은 다양한 용도로 사용되는 축대칭체의 제조에 널리 적용 가능하다
1: 축대칭체 14: 제1 플랜지부
2: 모재 2a: 내주면
2b: 외주면 21: 몸통부
22: 고리형 벽 31: 첫번째 층
32: 고상층 35,36: 비드
42: 금속 분말 5: 축대칭 제품

Claims (8)

  1. 플랜지부를 갖는 축대칭체를 제조하는 방법이며,
    레이저 금속 육성에 의해 모재의 반경 방향 바깥쪽 또는 반경 방향 안쪽을 향하는 주면 상에 복수의 비드로 이루어진 고리형 첫번째 층으로서 상기 비드의 폭의 2배 이상인 폭의 첫번째 층을 형성하는 공정과,
    레이저 금속 육성에 의해 상기 첫번째 층 상에 각각이 복수의 비드로 이루어진 복수의 고리형 고상층을 적층하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 축대칭체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 첫번째 층은, 상기 모재의 둘레 방향으로 연장된 비드를 상기 모재의 축 방향으로 늘어놓음으로써 형성하고,
    상기 복수의 고상층 각각은, 상기 모재의 둘레 방향으로 연장된 비드를 상기 모재의 축 방향으로 늘어놓음으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 축대칭체의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 첫번째 층은, 상기 모재를 냉각하면서 형성하고,
    상기 복수의 고상층 각각은, 상기 모재를 냉각하면서 형성하는 것을 특징으로 하는 축대칭체의 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 고상층 각각은, 상기 첫번째 층의 형성과 다른 조건에서 형성하는 것을 특징으로 하는 축대칭체의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모재는 티타늄 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 축대칭체의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 금속 육성은 금속 분말을 이용하는 것을 특징으로 하는 축대칭체의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모재는 테이퍼형 몸통부와 상기 몸통부의 대경 측 단부에서 안쪽으로 돌출되는 고리형 벽을 가지며, 상기 몸통부의 중간 위치에서 상기 모재의 내주면 상에 상기 첫번째 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 축대칭체의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 얻은 축대칭체에 기계가공을 실시하여, 상기 축대칭체에서 축대칭 제품을 깎아내는 것을 특징으로 하는 축대칭 제품의 제조 방법.
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