KR20160146663A - 예비 성형체 및 축대칭 부품의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

예비 성형체의 제조 방법은 아이어닝 가공 공정과 증육 가공 공정을 포함한다. 아이어닝 가공 공정에서는 판재를 회전하면서 판재의 변형 대상 부위를 유도 가열에 의해 국부적으로 가열하는 동시에 상기 변형 대상 부위에 가공 도구를 가압하여 판재의 소정의 범위를 테이퍼형으로 성형한다. 증육 가공 공정에서는 판재를 회전하면서 판재의 테이퍼형 말단부인 주연부를 국부적으로 가열하는 동시에 주연부를 상기 주연부의 두께 방향과 직교하는 방향으로 밀어넣도록 주연부에 성형 롤러를 가압하여 주연부를 안쪽으로 볼록하게 만든다.

Description

예비 성형체 및 축대칭 부품의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING PREFORM AND AXIALLY-SYMMETRIC COMPONENT}

본 발명은 축대칭 부품용 예비 성형체의 제조 방법 및 그 예비 성형체로부터의 축대칭 부품의 제조 방법에 관한 것이다.

종래부터 다양한 기계에서, 도 10에 나타낸 바와 같은, 중심축(101)을 중심으로 대칭 형상의 축대칭 부품(100)이 이용되고 있다. 축대칭 부품(100) 중에는 테이퍼부(110)와, 테이퍼부(110)의 대경부에서 안쪽으로 돌출된 플랜지부(120)를 가진 것이 있다. 이러한 축대칭 부품(100)에는 예를 들어, 항공기 부품도 있다. 일례로는 특허문헌1의 도 2 및 도 3에 개시된 항공기의 가스터빈 엔진에 사용되는, 후방 고리형 내측 유로벽(부호 72의 부품)을 들 수 있다(특허문헌2에 대해서는 후술한다).

일본특허출원공개 평07-166960호 국제공개공보 제2014/024384호

도 10에 나타낸 바와 같은 내향 플랜지부(120)를 가진 축대칭 부품(100)은 축대칭 부품(100)의 축 방향 양쪽에서 덮인 중공부가 존재하기 때문에 프레스 성형으로는 제조할 수가 없다. 따라서 축대칭 부품(100)을 제조하는 방법으로, 예를 들어 축대칭 부품(100)을 포함한 크기의 블록(150)을 단조에 의해 제작하고 그 블록(150)에서 축대칭 부품(100)을 깎아내는 것을 생각할 수 있다.

하지만, 블록(150)의 제작에는 축대칭 부품(100)의 체적보다 훨씬 많은 양의 소재가 필요하다. 따라서 제조 코스트가 높아진다. 제조 코스트를 싸게 한다는 관점에서는, 소재의 사용량을 줄이는 것이 바람직하다. 특히, 항공기 부품에서는 경량화의 관점에서 소재로 티타늄합금이 사용되는 경우가 있기 때문에 비싼 티타늄합금의 사용량을 줄이고 싶다는 요망이 강하다. 따라서 축대칭 부품(100)을 깎아낼 수 있는, 축대칭 부품(100)과 유사한 형상의 예비 성형체를 제조하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 특허문헌2에 개시되어 있는 바와 같은 스피닝 성형을 이용하면, 판재로부터 테이퍼형 예비 성형체를 제조하는 것은 가능하다. 하지만, 도 10에 나타낸 바와 같은 내향 플랜지부(120)를 가진 축대칭 부품(100)용 예비 성형체를 스피닝 성형으로 제작하려면, 예비 성형체의 테이퍼부의 두께를 축대칭 부품(100)의 테이퍼부(110)에서 플랜지부(120)의 선단부까지의 두께보다 두껍게 할 필요가 있다. 이러한 두꺼운 테이퍼부를 스피닝 성형으로 성형하는 것은 곤란하다.

따라서 본 발명은 내향 플랜지부를 가진 축대칭 부품용 예비 성형체를 판재로부터 제조할 수 있는 예비 성형체의 제조 방법을 제공하는 것, 및 그 예비 성형체로부터 축대칭 부품을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 예비 성형체의 제조 방법은 테이퍼부 및 상기 테이퍼부의 대경부에서 안쪽으로 돌출된 플랜지부를 갖는 축대칭 부품용 예비 성형체를 제조하는 방법이며, 판재를 회전하면서 상기 판재의 변형 대상 부위를 국부적으로 가열하는 동시에 상기 변형 대상 부위에 가공 도구를 가압하여 상기 판재의 소정의 범위를 테이퍼형으로 성형하는 아이어닝(ironing) 가공 공정과, 상기 판재를 회전하면서 상기 판재의 상기 테이퍼형의 말단부인 주연부를 국부적으로 가열하는 동시에 상기 주연부를 해당 주연부의 두께 방향과 직교하는 방향으로 밀어넣도록 상기 주연부에 성형 롤러를 가압하여 상기 주연부를 안쪽으로 볼록하게 만드는 증육 가공 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 따르면, 아이어닝 가공 공정에 의해 예비 성형체의 축대칭 부품의 테이퍼부를 포함한 부분을 성형할 수 있는 동시에 증육 가공 공정에 의해 예비 성형체의 축대칭 부품의 내향 플랜지부를 포함한 부분을 성형할 수 있다. 따라서 내향 플랜지부를 가진 축대칭 부품용 예비 성형체를 판재로 제조할 수 있다.

상기 소정의 범위는 상기 판재의 특정 위치에서 주연부까지이어도 좋다. 이 구성에 따르면, 소재의 사용량을 최소한으로 억제할 수 있다.

또는, 상기 소정의 범위는 상기 판재의 특정 위치에서 주연부 근처까지이어도 좋다. 이 경우, 상기한 예비 성형체의 제조 방법은 상기 아이어닝 가공 공정과 상기 증육 가공 공정 사이에, 상기 판재의 상기 소정의 범위의 외측 부분을 절단하는 절단 공정을 포함하여도 좋다. 이 구성에 따르면, 아이어닝 가공 공정에서 판재의 주연부가 남아 있기 때문에 아이어닝 가공(가공 도구의 가압에 의한 테이퍼형 성형)을 용이하게 할 수 있다.

예를 들면, 상기 아이어닝 가공 공정에서는 상기 판재의 변형 대상 부위를 유도 가열에 의해 가열하고, 상기 증육 가공 공정에서는 상기 판재의 주연부를 유도 가열에 의해 가열하여도 좋다.

상기 아이어닝 가공 공정에서는 상기 판재를 사이에 두고 상기 가공 도구와 반대쪽에 배치된 뒷면측 가열기와, 상기 판재에 대해 상기 가공 도구와 같은 쪽에 배치된 앞면측 가열기를 이용하여 상기 변형 대상 부위를 가열하여도 좋다. 이 구성에 따르면, 예를 들어 판재가 두꺼운 경우에도 아이어닝 가공 공정에 있어서 판재를 양호하게 가공할 수 있다.

상기 앞면측 가열기 및 상기 뒷면측 가열기 각각은 상기 판재의 회전 방향으로 연장되는, 상기 판재를 따른 이중 원호형 코일부를 포함하여도 좋다. 이 구성에 따르면, 판재의 변형 대상 부위의 국부적인 가열을 판재의 회전 방향으로 연속으로 할 수 있다. 이에 따라 양호한 성형성을 얻을 수 있다.

상기 증육 가공 공정에서는 상기 뒷면측 가열기 또는 상기 앞면측 가열기를 이용하여 상기 판재의 주연부를 가열하여도 좋다. 이 구성에 따르면, 증육 가공 공정에서 별도로 가열기를 준비할 필요가 없다.

상기 성형 롤러는 해당 성형 롤러의 회전축 방향으로 연장되는 원통형 가압면과, 상기 가압면의 한쪽 단부에서 반경 방향 바깥쪽으로 확장되는 링형 가이드면을 갖고 있어도 좋다. 이 구성에 따르면, 가압면으로 판재의 주연부를 밀어넣으면서 가이드면에 의해 밀어넣음에 의한 주연부의 볼록해짐을 한 방향으로만 규제할 수 있다.

상기 판재는 티타늄합금으로 이루어져도 좋다. 강철이나 알루미늄합금 등은 온도가 상승함에 따라 내력(소성 변형을 시작하는 응력)이 점차 감소하지만, 티타늄합금은 어떤 온도 영역에서 내력이 크게 떨어진다. 따라서 그 온도 영역보다 높은 온도에서 판재를 가열하면 아이어닝 가공 공정 및 증육 가공 공정 각각에 있어서, 가열된 부분을 포함한 좁은 범위만을 변형시킬 수 있다.

예를 들면, 상기 축대칭 부품은 항공기 부품이어도 좋다.

상기 예비 성형체의 제조 방법은 상기 아이어닝 가공 공정과 상기 증육 가공 공정 사이에, 상기 판재를 열처리하여 잔류 응력을 제거하는 공정을 포함하여도 좋다. 이 구성에 따르면, 증육 가공 공정에 있어서 판재의 변형이나 균열의 리스크를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 축대칭 부품의 제조 방법은 상기한 예비 성형체의 제조 방법에 의해 얻은 예비 성형체를 열처리하여 잔류 응력을 제거한 후, 기계 가공에 의해 상기 예비 성형체에서 축대칭 부품을 깍아내는 것을 특징으로 한다. 이 구성에 따르면, 축대칭 부품을 저렴하게 제조할 수 있다.

본 발명에 따르면, 내향 플랜지부를 가진 축대칭 부품용 예비 성형체를 판재로부터 제조할 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 예비 성형체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 아이어닝 가공 공정에 사용되는 예비 성형체 제조 장치의 개략 구성도이다.
도 3은 뒷면측 가열기 및 앞면측 가열기의 단면도이다.
도 4a는 뒷면측 가열기의 평면도이고, 도 4b는 앞면측 가열기의 저면도이다.
도 5는 증육 가공 공정에 사용되는 예비 성형체 제조 장치의 개략 구성도이다.
도 6a 및 도 6b는 성형 롤러의 부분 단면도로, 도 6a는 증육 가공 전의 상태를 나타내고, 도 6b는 증육 가공 후의 상태를 나타낸다.
도 7은 티타늄합금인 Ti-6Al-4V의 온도와 내력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 예비 성형체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 다른 실시예에 따른 예비 성형체의 제조 방법을 설명하기위한 도면이다.
도 10은 내향 플랜지부를 가진 축대칭 부품의 단면도이다.

(제1 실시예)

제1 실시예에서는, 도 1a에 나타낸 판재(9)로부터, 도 1c에 나타낸 예비 성형체(98)를 제조한다. 예비 성형체(98)는 축대칭 부품(8)용의 것이고, 축대칭 부품(8)을 깎아낼 수 있는, 축대칭 부품(8)과 유사한 형상을 하고 있다.

구체적으로, 제1 실시예에 따른 예비 성형체(98)의 제조 방법은 도 1b에 나타낸 아이어닝 가공 공정과, 도 1c에 나타낸 증육 가공 공정을 포함한다. 이하, 축대칭 부품(8)에 대해 설명을 한 후에 각 공정을 상세하게 설명한다.

(1) 축대칭 부품

축대칭 부품(8)은 중심축(80)을 중심으로 대칭 형상을 하고 있다. 더욱 상세하게는, 축대칭 부품(8)은 테이퍼부(81)와, 테이퍼부(81)의 대경부에서 안쪽으로 돌출된 플랜지부(82)를 가진다. 축대칭 부품(8)은 예를 들어, 항공기 부품이다. 이러한 항공기 부품으로는 예를 들어 항공기 가스터빈 엔진에 사용되는 유로벽을 들 수가 있다.

테이퍼부(81)의 각도는 특별히 한정되는 것이 아니다. 또한, 테이퍼부(81)의 단면 형상은 반드시 직선형일 필요는 없으며, 곡선형이어도 좋고 계단형이어도 좋다. 플랜지부(82)와 테이퍼부(81) 사이의 각도는 특별히 한정되는 것이 아니며, 예각, 직각, 둔각 중 어느 것이라도 좋다. 또한, 플랜지부(82)의 단면 형상도 반드시 직선형일 필요는 없으며, 곡선형이어도 좋고 계단형이어도 좋다.

(2) 아이어닝 가공 공정

아이어닝 가공 공정은 도 2에 나타낸 바와 같은 예비 성형체 제조 장치(1A)를 이용하여 판재(9)를 회전하면서 판재(9)의 소정의 범위(A)(도 1b 참조)를 테이퍼형(95)으로 성형한다. 소정의 범위(A)를 테이퍼형(95)으로 성형함은 도 2에 나타낸 바와 같이, 판재(9)의 변형 대상 부위(92)를 국부적으로 가열하는 동시에 변형 대상 부위(92)에 가공 도구(10)를 가압함으로써 이루어진다.

본 실시예에서는 변형 대상 부위(92)의 국부적인 가열은 뒷면측 가열기(4) 및 앞면측 가열기(5)를 이용한 유도 가열에 의해 이루어진다. 뒷면측 가열기(4)는 판재(9)를 사이에 두고 가공 도구(10)와 반대 측에 배치되어 있고, 앞면측 가열기(5)는 판재(9)에 대해 가공 도구(10)와 같은 측에 배치되어 있다. 다만, 변형 대상 부위(92)의 국부적인 가열은 뒷면측 가열기(4)와 앞면측 가열기(5) 중 어느 하나에만 의해서 이루어져도 좋다. 즉, 예비 성형체 제조 장치(1A)는 뒷면측 가열기(4)와 앞면측 가열기(5) 중 어느 하나만을 갖고 있어도 좋다. 또한, 변형 대상 부위(92)의 국부적인 가열은, 예를 들어 가스버너 등을 이용하여 이루어져도 좋다.

예비 성형체 제조 장치(1A)는 판재(9)를 회전시키는 회전 샤프트(21)와, 회전 샤프트(21)에 설치되어 판재(9)의 중심부(91)를 지지하는 받침 지그(22)와, 받침 지그(22)와 함께 판재(9)를 협지하는 고정 지그(31)를 포함한다. 앞서 언급한 변형 대상 부위(92)란, 회전 샤프트(21)의 축심(20)에서 소정 거리(R)만큼 떨어진 소정 폭의 링형 부위이다(도 3 참조). 또한, 도 1a 내지 도 1c에 나타낸 바와 같이, 회전 샤프트(21)의 축심(20)은 판재(9)의 중심축(90) 및 축대칭 부품(8)의 중심축(80)과 일치한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 회전 샤프트(21)의 축 방향(축심(20)이 연장되는 방향)은 본 실시예에서는 연직 방향이다. 다만, 회전 샤프트(21)의 축 방향은 수평 방향이나 사선 방향이어도 좋다. 회전 샤프트(21)의 하부는 베이스(11)에 지지되어 있고, 회전 샤프트(21)는 미도시된 모터에 의해 회전하게 된다.

판재(9)는 예를 들어, 플랫한 원 형상의 판이다. 본 실시예에서는 도 1a에 나타낸 바와 같이, 판재(9)의 중심에 원 형상의 개구(94)가 형성되어 있다. 개구(94)는 예를 들어, 받침 지그(22)에 대한 위치 결정에 사용된다. 다만, 판재(9)에는 반드시 개구(94)가 형성되어 있을 필요는 없다.

또한, 본 실시예에서는 판재(9)가 티타늄합금으로 구성된다. 티타늄합금에는 내식성 합금(예를 들어, Ti-0.15Pd), α합금(예를 들어, Ti-5Al-2.5Sn), α+β합금(예를 들어, Ti-6Al-4V), β합금(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al) 등이 있다. 다만, 판재(9)의 소재는 티타늄합금에 한정되는 것이 아니며, 예를 들어 스테인리스, 강철, 알루미늄합금 등이어도 좋다.

받침 지그(22)는 판재(9)의 성형 시작 위치에 의해 규정되는 원에 들어가는 사이즈를 가지고 있다. 즉, 판재(9)는 받침 지그(22)의 반경 방향 바깥쪽 측면에 눌려서 변형되는 경우는 없다. 다만, 예비 성형체 제조 장치(1A)가 앞면측 가열기(5)만을 갖고 있을 경우에는 받침 지그(22) 대신 측면이 판재에 대한 성형면인 맨드릴이 사용되어도 좋다.

그런데 판재(9)가 후판인 경우(예를 들어, 판재(9)의 두께가 20㎜ 이상인 경우)에는, 판재(9)의 상면 측 또는 뒷면측에서만의 가열에서는 아이어닝 가공(가공 도구(10)의 가압에 의한 테이퍼형(95)의 성형)이 가능해질 정도로 판재(9)의 변형 대상 부위(92)를 가열하는 것이 곤란한 경우가 있다. 이러한 관점에서는, 판재(9)가 두꺼운 경우에는, 예비 성형체 제조 장치(1A)는 뒷면측 가열기(4)와 앞면측 가열기(5) 모두를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 뒷면측 가열기(4)의 배치를 가능하게 하기 위해, 예비 성형체 제조 장치(1A)는 맨드릴이 아니라 받침 지그(22)를 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라 두꺼운 판재(9)를 양호하게 가공할 수 있다.

앞서 언급한 고정 지그(31)는 가압 로드(32)에 설치되어 있으며, 가압 로드(32)는 지지부(33)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 지지부(33)는 구동부(34)에 의해 상하 방향으로 구동된다. 구동부(34)는 회전 샤프트(21)의 위쪽에 배치된 프레임(12)에 설치되어 있다. 다만, 고정 지그(31)를 생략하고 예를 들어 볼트에 의해 판재(9)를 받침 지그(22)에 직접 고정하여도 좋다.

판재(9)의 변형 대상 부위(92)를 가압하는 가공 도구(10)는 판재(9)의 위쪽에 배치되어 있으며, 판재(9)는 받침 지그(22)를 수용하도록 하향 개구된 형상으로 성형된다. 다만, 가공 도구(10)가 판재(9)의 아래쪽에 배치되고 판재(9)가 고정 지그(31)를 수용하도록 상향 개구된 형상으로 성형되어도 좋다.

가공 도구(10)는 반경 방향 이동 기구(14)에 의해 회전 샤프트(21)의 반경 방향으로 이동하게 되는 동시에 축 방향 이동 기구(13)에 의해 반경 방향 이동 기구(14)를 통해 회전 샤프트(21)의 축 방향으로 이동하게 된다. 축 방향 이동 기구(13)는 앞서 언급한 베이스(11)와 프레임(12)을 가교하도록 연장되어 있다. 본 실시예에서는 가공 도구(10)로서, 판재(9)의 회전에 따라 회전하는 롤러가 이용되고 있다. 다만, 가공 도구(10)는 롤러에 한정되지 않고, 예를 들어 주걱이어도 좋다. 또한, 복수의 가공 도구(10)를 이용하는 것도 가능하다.

본 실시예에서는 가공 도구(10)가 축 방향 이동 기구(13)에 의해 판재(9)에 대해 하향 가압되면서 반경 방향 이동 기구(14)에 의해 판재(9)의 특정 위치에서 주연부(93)까지 이동하게 된다. 즉, 테이퍼형(95)으로 성형되는 소정의 범위(A)는 판재(9)의 특정 위치에서 주연부(93)까지이다.

소정의 범위(A)의 안쪽 단부인 상기 "특정 위치"는 해당 특정 위치의 바로 아래에 뒷면측 가열기(4)를 배치할 수 있도록, 받침 지그(22)의 주연부에서 반경 방향 바깥쪽으로 이격되는 위치인 것이 바람직하다. 다만, 뒷면측 가열기(4)를 특정 위치의 바로 아래에서 반경 방향 바깥쪽으로 어긋난 위치에 배치해도 특정 위치에서의 가열을 충분히 할 수 있는 경우에는, 특정 위치는 받침 지그(22)의 주연부와 일치하고 있어도 좋다. 또한, 맨드릴을 이용하는 경우에는, 특정 위치는 맨드릴의 측면인 성형면과 판재(9)를 받치는 지지면 사이의 코너부와 일치한다.

뒷면측 가열기(4) 및 앞면측 가열기(5)는 반경 방향 이동 기구(16)에 의해 회전 샤프트(21)의 반경 방향으로 이동하게 되는 동시에 축 방향 이동 기구(15)에 의해 반경 방향 이동 기구(16)를 통해 회전 샤프트(21)의 축 방향으로 이동하게 된다. 축 방향 이동 기구(15)는 앞서 언급한 베이스(11)와 프레임(12)을 가교하도록 연장되어 있다.

예를 들어, 뒷면측 가열기(4) 및 앞면측 가열기(5) 중 적어도 하나에는 판재(9)의 변형 대상 부위(92)까지의 거리를 측정하는 변위계(미도시)가 설치된다. 뒷면측 가열기(4) 및 앞면측 가열기(5)는 그 변위계의 측정값이 일정해지도록 회전 샤프트(21)의 축 방향 및 반경 방향으로 이동하게 된다.

뒷면측 가열기(4) 및 앞면측 가열기(5)와 가공 도구(10)의 상대 위치는 이것들이 회전 샤프트(21)의 축심(20)을 중심으로 하는 거의 동일한 원주 상에 위치하고 있는 한 특별히 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 뒷면측 가열기(4) 및 앞면측 가열기(5)는 회전 샤프트(21)의 원주 방향으로 가공 도구(10)에서 180도 떨어져 있어도 좋다.

도 3 및 도 4a에 나타낸 바와 같이, 뒷면측 가열기(4)는 코일부(42)를 가진 전통관(41)과, 코일부(42)의 주위에 발생하는 자속을 집약하기 위한 코어(45)를 포함한다. 전통관(41) 안에는 냉각액이 흐른다. 코일부(42)는 판재(9)의 회전 방향으로 연장되는, 판재(9)를 따른 이중 원호형을 이루고 있다. 코일부(42)의 개방 각도(양단부 사이의 각도)는 예를 들면 60 ~ 120도이다. 코어(45)는 코일부(42)의 내측 원호부(43)를 판재(9)와 반대쪽에서 덮는 1개의 내주 측 피스(46)와, 코일부(42)의 외측 원호부(44)를 판재(9)와 반대쪽에서 덮는 2개의 외주 측 피스(47)로 구성되어 있다.

마찬가지로, 도 3 및 도 4b에 나타낸 바와 같이, 앞면측 가열기(5)는 코일부(52)를 갖는 전통관(51)과, 코일부(52)의 주위에 발생하는 자속을 집약하기 위한 코어(55)를 포함한다. 전통관(51) 안에는 냉각액이 흐른다. 코일부(52)는 판재(9)의 회전 방향으로 연장되는, 판재(9)를 따른 이중 원호형을 이루고 있다. 코일부(52)의 개방 각도(양단부 사이의 각도)는 예를 들면 60 ~ 120도이다. 코어(55)는 코일부(52)의 내측 원호부(53)를 판재(9)와 반대쪽에서 덮는 1개의 내주 측 피스(56)와, 코일부(52)의 외측 원호부(54)를 판재(9)와 반대쪽에서 덮는 2개의 외주 측 피스(57)로 구성되어 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 뒷면측 가열기(4) 및 앞면측 가열기(5) 각각은 판재(9)의 회전 방향으로 연장되는 코일부(42 또는 52)를 포함하기 때문에, 판재(9)의 변형 대상 부위(92)의 국부적인 가열을 판재(9)의 회전 방향으로 연속으로 할 수 있다. 이에 따라 양호한 성형성을 얻을 수 있다.

뒷면측 가열기(4) 및 앞면측 가열기(5)의 전통관(41,51)에는 교류 전압이 인가된다. 교류 전압의 주파수는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 5k ~ 400㎑의 고주파수인 것이 바람직하다. 즉, 뒷면측 가열기(4) 및 앞면측 가열기(5)에 의한 유도 가열은 고주파 유도 가열인 것이 바람직하다.

(3) 증육 가공 공정

증육 가공 공정에서는 도 5에 나타낸 바와 같은 예비 성형체 제조 장치(1B)를 이용하여 판재(9)를 회전하면서 판재(9)의 테이퍼형(95)의 말단부인 주연부(93)를 안쪽으로 볼록하게 만든다(도 1c 참조). 주연부(93)를 안쪽으로 불록하게 만듦은, 도 5에 나타낸 바와 같이 판재(9)의 주연부(93)를 국부적으로 가열하는 동시에 주연부(93)를 해당 주연부(93)의 두께 방향과 직교하는 방향으로 밀어넣도록 주연부(93)에 성형 롤러(6)를 가압함으로써 이루어진다. 또한, 복수의 성형 롤러(6)를 이용하는 것도 가능하다.

도 5에 나타낸 예비 성형체 제조 장치(1B)는 도 2에 나타낸 예비 성형체 제조 장치(1A)의 가공 도구(10)를 성형 롤러(6)로 바꾸는 동시에 앞면측 가열기(5)를 떼어낸 것이다. 즉, 주연부(93)의 국부적인 가열은 뒷면측 가열기(4)를 이용한 유도 가열에 의해 이루어진다. 그러므로 증육 가공 공정에서 별도로 가열기를 준비할 필요가 없다. 예를 들어 판재(9)의 주연부(93)의 온도가 측정되고, 이 측정 온도가 목표 온도가 되도록 뒷면측 가열기(4)의 전통관(41)에 인가되는 교류 전압이 제어된다. 다만, 주연부(93)의 국부적인 가열은 앞면측 가열기(5)를 이용한 유도 가열에 의해 이루어져도 좋다. 또는, 주연부(93)의 국부적인 가열은, 예를 들어 가스버너 등을 이용하여 이루어져도 좋다.

성형 롤러(6)는 브래킷(7)을 통해 반경 방향 이동 기구(14)에 설치되어 있다. 구체적으로, 성형 롤러(6)는 도 6a에 나타낸 바와 같이, 중심에 관통 구멍이 있고 그 관통 구멍에 샤프트(65)가 삽입 통과되어 있다. 샤프트(65)와 관통 구멍 사이에는 성형 롤러(6)를 회전 가능하게 지지하는 한 쌍의 베어링이 배치된다. 또한, 도 6a에서는 도면의 단순화를 위해 성형 롤러(6)를 샤프트(65)에 감합하도록 그리며, 베어링의 도시를 생략하고 있다. 샤프트(65)의 양단부는 앞서 언급한 브래킷(7)에 지지되어 있다.

더욱 상세하게는, 성형 롤러(6)는 해당 성형 롤러(6)의 회전축 방향(X)으로 연장되는 원통형 가압면(61)과, 가압면(61)의 한쪽 단부에서 반경 방향 바깥쪽으로 확장되는 가이드면(62)을 갖고 있다. 본 실시예에서는 가이드면(62)이 가압면(61)과 둔각을 이루고 있지만, 가이드면(62)은 가압면(61)과 수직이어도 좋고, 가압면(61)과 예각을 이루고 있어도 좋다.

예를 들어, 성형 롤러(6)는 가이드면(62)이 비스듬히 아래쪽을 향하도록 회전축 방향(X)이 판재(9)의 주연부(93)의 두께 방향과 평행하게 된 상태에서 주연부(93)에 가압된다. 이때, 성형 롤러(6)는 반경 방향 이동 기구(14) 및 축 방향 이동 기구(13)에 의해 예를 들어, 주연부(93)의 두께 방향과 직교하는 방향에 대해 약간 수평에 가까운 방향을 따라 이동하게 된다. 이에 따라 도 6b에 나타낸 바와 같이, 주연부(93)를 안쪽으로 볼록하게 만들 수 있다. 즉, 성형 롤러(6)의 가압면(61)으로 판재(9)의 주연부(93)를 밀어넣으면서 가이드면(62)에 의해, 밀어넣음에 의한 주연부(93)의 볼록해짐을 한 방향으로만 규제할 수 있다.

이상으로 설명한 아이어닝 가공 공정 및 증육 가공 공정에 의해, 도 1c에 나타낸 바와 같은 예비 성형체(98)를 얻을 수 있다. 이 예비 성형체(98)로부터 축대칭 부품(8)을 제조하려면 예비 성형체(98)를 열처리하여 잔류 응력을 제거한 후에 기계 가공에 의해 예비 성형체(98)에서 축대칭 부품(8)을 깎아내면 된다. 이에 따라 축대칭 부품(8)을 저렴하게 제조할 수가 있다.

또한, 아이어닝 가공 공정과 증육 가공 공정 사이에도 판재(9)를 열처리하여 잔류 응력을 제거하는 공정이 있어도 좋다. 이 구성에 따르면, 증육 가공 공정에 있어서 판재(9)의 변형이나 균열의 리스크를 감소시킬 수 있다.

이상으로 설명한 바와 같이, 본 실시예의 예비 성형체의 제조 방법은 아이어닝 가공 공정에 의해 예비 성형체(98)의 축대칭 부품(8)의 테이퍼부(81)를 포함한 부분을 성형할 수 있는 동시에 증육 가공 공정에 의해 예비 성형체(98)의 축대칭 부품(8)의 내향 플랜지부(82)를 포함한 부분을 성형할 수 있다. 따라서 내향 플랜지부(82)를 가진 축대칭 부품(8)용 예비 성형체(98)를 판재(9)로부터 제조할 수 있다.

그런데 강철이나 알루미늄합금 등은 온도가 상승함에 따라 내력(소성 변형을 시작하는 응력)이 점차 감소하지만, 티타늄합금에서는 예를 들어 도 7에 나타낸 바와 같이, 어떤 온도 영역(약 320℃ ~ 400℃)에서 내력이 크게 떨어진다. 따라서 그 온도 영역보다 높은 온도에서 판재(9)를 가열하면, 아이어닝 가공 공정 및 증육 가공 공정 각각에 있어서, 가열된 부분을 포함한 좁은 범위만을 변형시킬 수 있다.

<변형예>

아이어닝 가공 공정에서는 판재(9)의 변형 대상 부위(92)보다 외측 부분을 지지하는 보조 도구를 이용해도 사용해도 좋다. 보조 도구는 판재(9)의 변형 대상 부위(92)보다 외측 부분이 아래쪽으로 변형하는 것을 방지하도록 판재(9)의 뒷면측에 배치되어 있어도 좋고, 판재(9)의 변형 대상 부위보다 외측 부분이 위쪽으로 변형하는 것을 방지하도록 판재(9)의 앞면측에 배치되어 있어도 좋다. 또는, 보조 도구는 판재(9)의 변형 대상 부위(92)보다 외측 부분을 사이에 두도록 판재(9)의 뒤면 측 및 앞면측 모두에 배치되어 있어도 좋다. 보조 도구로는, 예를 들어 롤러를 사용할 수 있다.

증육 가공 공정에서는 성형 롤러(6)의 가압에 의해 판재(9)의 주연부(93)가 바깥쪽으로 볼록해지는 것이 억제되도록 보조 롤러를 판재(9)의 앞면측에서 주연부(93) 쪽으로 보조 가압하여도 좋다. 예를 들어, 보조 롤러의 회전축 방향은 보조 롤러의 외주면이 주연부(93)에 접촉하도록 주연부(93)의 두께 방향과 직교하고 있어도 좋고, 보조 롤러의 양 단면 중 하나가 주연부(93)에 접촉하도록 주연부(93)의 두께 방향과 평행하여도 좋다.

(제2 실시예)

제2 실시예에서는, 도 8a에 나타낸 판재(9)로부터, 도 1c에 나타낸 예비 성형체(98)를 제조한다. 구체적으로, 제2 실시예에 따른 예비 성형체(98)의 제조 방법은 도 8b에 나타낸 아이어닝 가공 공정과 도 1c에 나타낸 증육 가공 공정 사이에, 도 8c에 나타낸 절단 공정을 포함한다.

본 실시예에서는 절단 공정이 있기 때문에, 판재(9)의 형상은 원 형상에 제한되지 않는다. 예를 들어, 판재(9)의 형상은 삼각형이나 사다리꼴 등을 포함한 다각형이어도 좋고, 직사각형이나 타원형 등 긴 모양이어도 좋다.

본 실시예의 아이어닝 가공 공정은 제1 실시예의 아이어닝 가공 공정과, 판재(9)에 있어서 테이퍼형(95)으로 성형되는 소정의 범위(A)가 다를 뿐이다. 구체적으로, 본 실시예에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 가공 도구(10)가 축 방향 이동 기구(13)에 의해 판재(9)에 대해 하향 가압되면서 반경 방향 이동 기구(14)에 의해 판재(9)의 특정 위치에서 주연부(93) 근처까지 이동하게 된다. 즉, 테이퍼형(95)으로 성형되는 소정의 범위(A)는 판재(9)의 특정 위치에서 주연부(93) 근처까지이다. 여기서, "주연부(93) 근처"란, 예를 들어 판재(9)의 단부면에서 판재(9)의 반경의 1/20 ~ 1/4 안쪽이 되는 위치이다.

절단 공정에서는 판재(9)의 소정의 범위(A)의 외측 부분을 절단한다. 이 절단의 방향은 도 8c에 나타낸 바와 같이 수평 방향이어도 좋고, 연직 방향이어도 좋다. 또는, 절단 방향은 사선 방향(예를 들면, 테이퍼형(95)의 두께 방향)이어도 좋다. 절단 공정에 의해 테이퍼형(95)의 말단부(95a)가 판재(9)의 주연부가 된다. 또한, 판재(9)의 소정의 범위(A)의 외측 부분을 절단한 후에 판재(9)의 주연부에 모따기 가공이나 모서리 라운딩 가공을 하여도 좋다.

본 실시예의 증육 가공 공정은 제1 실시예의 증육 가공 공정과 동일하며, 도 5 및 도 6a 및 6b의 판재(9)의 주연부의 부호가 93에서 95a로 변경될 뿐이다.

본 실시예에서도 제1 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 실시예의 예비 성형체(98)의 제조 방법에서는 아이어닝 가공 공정에서 판재(9)의 주연부(93)가 남아 있기 때문에 아이어닝 가공을 용이하게 할 수 있다. 다만, 제1 실시예와 같이, 소정의 범위(A)가 판재(9)의 특정 위치에서 주연부(93)까지이면 판재(9)의 직경을 줄일 수 있다. 그 결과, 소재의 사용량을 최소화할 수 있다.

(다른 실시예)

본 발명은 앞서 언급한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능하다.

예를 들어, 도 9a에 나타낸 바와 같이, 축대칭 부품(8)이 테이퍼부(81)의 소경부 측에 테이퍼부(81)와 대향하는 고리형 돌기(83)가 있는 경우에는 이하와 같은 방법으로 예비 성형체(98)를 제조하여도 좋다. 먼저, 판재(9)를 뒷면이 위쪽을 향하도록 뒤집은 상태에서 판재(9)의 뒷면에 가공 도구(10)를 가압하면서 아이어닝 가공을 함으로써 고리형 돌기(83)에 해당하는 위치에 단차(96)를 형성한다. 그 후, 판재(9)의 뒷면이 아래쪽을 향하는 정규 상태(도 9a에 나타낸 상태)로 되돌리고 도 9b에 나타낸 바와 같이 판재(9)의 앞면에 가공 도구(10)를 가압하면서 아이어닝 가공을 한다.

또한, 증육 가공 공정에 있어서 성형 롤러(6)를 회전 샤프트(21)의 축심(20)을 통과하는 연직면 상에서 스윙시키면서 테이퍼형 말단부인 주연부(93 또는 95a)에 가압하면, 주연부를 도 1c에 나타낸 바와 같은 주연부의 두께 방향뿐만 아니라 임의의 방향으로 볼록하게 만드는 것이 가능하다.

또한, 뒷면측 가열기(4) 및 앞면측 가열기(5) 각각은 반드시 이중 원호형 코일부(42 또는 52)를 가질 필요는 없다. 예를 들어, 뒷면측 가열기(4) 및/또는 앞면측 가열기(5)는 원호형으로 늘어놓은 복수의 원형 코일부를 가지고 있어도 좋고, 1 개의 원형 코일부만을 가지고 있어도 좋다.

본 발명은 다양한 기계에 사용되는 축대칭 부품용 예비 성형체를 제조할 때 유용하지만, 특히 축대칭 부품이 항공기 부품인 경우에 매우 유용하다.

10: 가공 도구 4: 뒷면측 가열기
42: 코일부 5: 앞면측 가열기
52: 코일부 6: 성형 롤러
61: 가압면 62: 가이드면
8: 축대칭 부품 81: 테이퍼부
82: 플랜지부 9: 판재
92: 변형 대상 부위 93: 주연부
95: 테이퍼형 95a: 주연부

Claims (12)

1. 테이퍼부 및 상기 테이퍼부의 대경부로부터 안쪽으로 돌출되는 플랜지부를 갖는 축대칭 부품용 예비 성형체를 제조하는 방법으로서,
   판재를 회전하면서, 상기 판재의 변형 대상 부위를 국부적으로 가열하는 동시에 상기 변형 대상 부위에 가공 도구를 가압하여 상기 판재의 소정의 범위를 테이퍼형으로 성형하는 아이어닝 가공 공정과,
   상기 판재를 회전하면서, 상기 판재의 상기 테이퍼형의 말단부인 주연부를 국부적으로 가열하는 동시에 상기 주연부를 상기 주연부의 두께 방향과 직교하는 방향으로 밀어넣도록 상기 주연부에 성형 롤러를 가압하여, 상기 주연부를 안쪽으로 볼록하게 만드는 증육 가공 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 예비 성형체의 제조 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 소정의 범위는 상기 판재의 특정 위치로부터 주연부까지인 것을 특징으로 하는 예비 성형체의 제조 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 소정의 범위는 상기 판재의 특정 위치로부터 주연부 근처까지이며,
   상기 아이어닝 가공 공정과 상기 증육 가공 공정 사이에, 상기 판재의 상기 소정의 범위의 외측 부분을 절단하는 절단 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 예비 성형체의 제조 방법.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 아이어닝 가공 공정에서는, 상기 판재의 변형 대상 부위를 유도 가열에 의해 가열하고,
   상기 증육 가공 공정에서는, 상기 판재의 주연부를 유도 가열에 의해 가열하는 것을 특징으로 하는 예비 성형체의 제조 방법.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 아이어닝 가공 공정에서는 상기 판재를 사이에 두고 상기 가공 도구와 반대 측에 배치된 뒷면측 가열기와, 상기 판재에 대해 상기 가공 도구와 동일한 측에 배치된 앞면측 가열기를 이용하여, 상기 변형 대상 부위를 가열하는 것을 특징으로 하는 예비 성형체의 제조 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서, 상기 앞면측 가열기 및 상기 뒷면측 가열기 각각은 상기 판재의 회전 방향으로 연장되는, 상기 판재를 따른 이중 원호형 코일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 예비 성형체의 제조 방법.
   
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 증육 가공 공정에서는 상기 뒷면측 가열기 또는 상기 앞면측 가열기를 이용하여 상기 판재의 주연부를 가열하는 것을 특징으로 하는 예비 성형체의 제조 방법.
   
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 성형 롤러는, 상기 성형 롤러의 회전축 방향으로 연장되는 원통형 가압면과, 상기 가압면의 한쪽 단부로부터 반경 방향 바깥쪽으로 확장되는 링형 가이드면을 갖는 것을 특징으로 하는 예비 성형체의 제조 방법.
   
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 판재는 티타늄합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 예비 성형체의 제조 방법.
   
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축대칭 부품은 항공기 부품인 것을 특징으로 하는 예비 성형체의 제조 방법.
    
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아이어닝 가공 공정과 상기 증육 가공 공정 사이에, 상기 판재를 열처리하여 잔류 응력을 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 예비 성형체의 제조 방법.
    
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 예비 성형체의 제조 방법에 의해 얻은 예비 성형체를 열처리하여 잔류 응력을 제거한 후, 기계 가공에 의해 상기 예비 성형체로부터 축대칭 부품을 깍아내는 것을 특징으로 하는 축대칭 부품의 제조 방법.

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