KR20190007886A - 열수축링 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열수축링 제조 장치에 관한 것으로, 특정 온도 이상의 작동 온도 범위를 갖는 형상 기억 와이어를 이용하여 열수축링을 제조할 수 있는 열수축링 제조 장치를 제공할 수 있다.

Description

열수축링 제조 장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING THERMAL CONTRACTION RING}

본 발명은 특정 온도 이상의 작동 온도 범위를 갖는 형상 기억 와이어를 이용하여 열수축링을 제조할 수 있는 열수축링 제조 장치에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 형상기억합금을 이용한 부품을 제조하는 상용화 제품 제조는 도 1에 도시한 바와 같이 일차적으로 형상기억 와이어를 이용해서 토치로 수동가열 후, 스프링 코일 형태로 제작하고, 외부 고정 후 1차 형상기억 열처리를 수행하며, 고속 절단기 또는 와이어 컷팅기를 이용하여 절단한 후, 2차 형상기억 열처리하여 링 형태로 기억시키고, 표면처리한 후 절단부에 대한 표면 가공을 수행하며, 아르곤 용접을 수행한 후 확관하며, 검수 및 포장 등과 같은 10가지 이상의 공정이 수행됨으로써, 형상기억합금을 이용한 부품을 제조할 수 있다.

상술한 바와 같은 종래의 제조 과정에 따라 제조되는 경우 인위적이고 수동적으로 제작되기 때문에, 높은 치수 불량률, 생산성 저하, 수익성 저하, 고가의 폐자재 증가, 원가 상승 등과 같은 문제점이 있다.

1. 등록특허 제10-0622510호(2006.09.04.등록) : 공동주택내의 지중케이블 설치용 형상기억합금 풀링그립 2. 공개특허 제10-2010-0028304호(2010.03.12.공개) : 케이블 타이

본 발명은 특정 온도 이상의 작동 온도 범위를 갖는 형상 기억 와이어를 이용하여 열수축링을 제조할 수 있는 열수축링 제조 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 특정 온도 이상의 작동 온도 범위를 갖는 형상 기억 와이어를 이용하여 열수축링을 제조할 수 있는 열수축링 제조 장치가 제공될 수 있다.

본 발명에서는, 특정 온도 이상의 작동 온도 범위를 갖는 형상 기억 와이어를 이용하여 열수축링을 제조할 수 있는 열수축링 제조 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 종래에 형상기억합금을 이용하여 부품을 제조하는 것을 설명하기 위한 도면이고,
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 실시예에 따른 열수축링 제조 장치를 예시한 도면이며,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 열수축링 제조 장치를 통해 제조된 열수축링을 예시한 도면이고,
도 4a 내지 도 4l은 본 발명의 실시예에 따른 열수축링 제조 장치를 통해 제조된 열수축링의 특성을 설명하기 위한 도면이며,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 열수축링 제조 장치를 통해 제조된 열수축링과 종래의 열수축링의 특성과 비교하기 위한 도면이다.

본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 실시예에 따른 열수축링 제조 장치를 예시한 도면이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 열수축링 제조 장치를 통해 제조된 열수축링을 예시한 도면이고, 도 4a 내지 도 4l은 본 발명의 실시예에 따른 열수축링 제조 장치를 통해 제조된 열수축링의 특성을 설명하기 위한 도면이며, 도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 열수축링 제조 장치를 통해 제조된 열수축링과 종래의 열수축링의 특성과 비교하기 위한 도면이다.

도 2a 내지 도 2h, 도 3a 및 도 3b, 도 4a 내지 도 4l, 도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 본 발명에서는 TiNiNb 형상기억합금 와이어를 이용하는 10공정의 수동적인 제조 과정을 4공정의 순서로 획기적으로 단축하고자 하였다. 이러한 기술을 자동화 방법으로 열기계적 소성가공으로 제조하여, 치수의 일관성을 지닌 시제품 제작하고자 하였다. 즉, 가공열처리 공정 자동화를 통한 시제품 제작 및 생산 애로 해결을 통하여, 불량률 감소, 생산량 증대, 원가절감을 위한 와이어가공 생산 기술을 최종적으로 확보하고자 하였다. 이를 위해 자동화 장치의 용접공정 스펙과 생산성을 검토하였으며, 도면으로 제작하였다. 도 2a 내지 도 2g에서 나타낸 바와 같이, 개발하고자 하는 자동화 장치의 용접 공정의 assembly의 구조도 및 개략도 검토를 완료하였다. 와이어 컷팅 및 용접 공정을 one-stop으로 제조 가능한 생산용 장치, 합불 판정을 위한 검.선별기 기능 부착 등 추가적으로 고려되었다.

1) 고주파가열장치 : 형상기억소재 와이어를 링 형태로 성형하기 위한 가열장치

2) Straightener : 형상기억합금 와이어를 곧게 펴주기 위한 장치, X-Y와 좌우 교정을 위한 기구

3) Forming & Cutting : 형상기억합금 와이어 cutting 및 forming용 unit, 간단한 치구교체로 다양한 제품 생산 가능 장치

4) Ring Welding : 절단된 형상기억합금 링 양쪽 끝을 용접하는 장치

5) Diameter 검사기 : 와이어 링의 합ㅇ불 판정 장비, 프로그램 조작으로 다양한 크기의 제품들을 판정 할 수 있는 장치

그리고, 열수축링 24종 완제품 제조에 대해 설명하면, TIG 용접으로 제조된 열수축 링 24종 완제품의 형태를 도 3a 및 도 3b에 나타내었다. 또한 매출 실적 달성을 위한 실제 상용화가 필요한 군수규격의 제품 크기이자, 당 과제에서 목표로 했던 제품의 크기를 도 4a 내지 도 4b에 나타내었다. 이 규격은 국가 군수표준규격으로 링이 사용되는 connector code 및 adapter 별 규격에 의한다.

또한, 열수축링 24종 완제품 불량 검사에 대해 설명하면, 현재 기존 접합 공정으로 제조된 열수축 링은 확관 공정 중 약 10% ~ 40%의 불량률을 가진다. 본 연구에서 TIG 용접을 통해 제조된 링이 확관 공정 중 파괴가 일어나는지 대해 검사하였다. 또한 열수축 링의 04AI 부터 24AI까지 총 13종의 링을 각 1,000개씩 제조하였다. 검사 결과는 도 4c에 나타난 바와 같이, 총 열수축 링의 평균 1%의 불량만이 발생하였다. 크기가 작은 04, 05, 06, 07AI는 1%를 넘는 불량률을 나타냈으며, 이는 이전에 조사한 조직학적 및 기계적 물성에 대한 결과와 일치하였다.

다음에, 열수축링 24종 완제품의 복원률 검사에 대해 설명하면, TIG 용접으로 접합된 열 수축링의 형상회복 정도를 측정하기 위해, 복원률 시험을 진행하였다. 시험방법은 도 4d과 같이, 용접 직후 제품을 확관 공정을 거친 후, 내경을 측정하였다. 열처리를(150℃이상) 통한 형상 회복된 열수축 링의 내경을 측정한 후, 두 내경의 비를 아래와 같은 식으로 계산하였다.

복원률(%) = [ (열처리 후 내경 - 확관 후 내경) / 확관 후 내경 ] × 100

이와 같이 측정한 열수축 링의 내경과 복원률 결과를 도 4e에 나타내었다. 본 연구의 정량적 목표인 4%를 모두 달성하였으며, 인장강도 결과와 함께 생각하였을 때 조임력 시험도 정량적 목표를 달성할 것으로 판단된다.

그리고, 열수축링 24종 완제품의 인장 시험에 대해 설명하면, TiNiNb 형상기억 링 패스너는 군수용 항공기, 탱크, 선박 등 전자장치에 연결되는 전선케이블의 전자파차폐용 덮개 고정을 위한 부품으로 사용된다. 즉, 링 제품은 군수 규격상 명시되어 있는 135kgf의 하중(덮개가 버틸 수 있는 하중)에서 버틸 수 있어야 된다. 또한 열수축 링의 접합 강도가 낮다면, 확관하는 과정에서 문제가 생길 수 있다. 용접 제품의 기계적 특성을 확인하기 위해, 열수축 링 04AI, 12AI, 20AI, 16BI, 18BI에 대한 인장 시험을 진행 하였다. 시험의 신뢰도를 높이기 위해, 각 샘플당 9~10회 인장 시험을 실시하였다. 도 4f에 AI형와 BI형 열수축링의 크기별 인장시험 결과를 나타내었다. AI형 열수축링의 크기별 04AI, 12AI, 20AI의 인장 시험 결과는 각각 496MPa, 660MPa, 778MPa이다. BI형 열수축링의 크기별 16BI, 18BI의 인장 시험 결과는 각각 861MPa, 822MPa이다. 또한 가장 작은 접합강도는 164.6kgf로 나타났으며, 이는 군수 규격상 명시되어 있는 135kgf의 하중보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 도 4g에 AI형, BI형의 인장 시험 결과를 비교하여 그래프로 나타내었다. 열수축 링의 크기가 커질수록 높은 인장 강도를 나타내는 경향을 보였다. 이는 제품이 커질수록 접촉저항에 의한 발열이 크고, 접촉면이 받는 업세트량도 높기 때문이라고 판단된다.

또한, 열수축링 24종 완제품의 내구성 시험에 대해 설명하면, 링 제품의 내구성 테스트를 위하여 인장하중(135kgf) 부가 후, 시험편에 대해 환경 조건 시험 평가를 실시하였다. 인장하중 부가를 위해 도 4h에 나타난 것과 같이 인장지그와 Proof Ring Type의 별도의 지그를 이용하였다. 이는 부여 하중 값에 따른 변위량을 계산하여 제작하였다. 시험에 사용된 시료는 확관 공정을 거친 04AI, 08AI, 20AI의 열수축 링의 완제품 형태로 진행하였다. 이를 통해 시험편 시료의 고정력 이상 유무 평가하였다. 시험방법은 온습도 챔버(Weiss Umwelttechnik, C340)를 이용하여, -40℃에서 150℃까지 승온과 감온을 총 100회 반복 시험하였다. 원래 -50℃에서 200℃까지 승온과 감온을 진행하려고 하였으나, 장비의 문제로 -40℃에서 150℃로 온조 범위를 설정하게 되었다. 도 4i는 환경시험 조건 모식도를 나타낸 것이며, 도 4j 내지 도 4l은 시험 후 시료의 모습이다. 인장 시험과 인장 후 환경 조건 시험 후 열수축 링의 변형량을 비교한 결과에 따르면, 온도 변화에 따른 04AI, 08AI, 20AI의 응력 변화는 각각 2.40MPa/℃, 2.68MPa/℃, 2.48MPa/℃을 나타내었다. 또한 그림에 보듯이 시료는 135kgf에 대한 하중과 -40℃ ~ 150℃까지의 온도변화에 대한 가혹한 환경에서 시험편의 균열 또는 파단 현상 또한 관찰되지 않아 확고한 고정력을 가지고 있는 것으로 확인하였다. 이를 통해 링 패스너를 군수용으로 사용되는 환경에서 충분히 사용할 수 있다고 판단된다. 그러나 04AI, 12AI의 경우, 20AI와는 달리 링 패스너의 색이 온도변화에 따라 변질 된 것을 확인하였다. 이러한 색의 변질에 따른 조직학적 분석과 기계적 물성 시험을 계속해서 연구해야 할 것이다. 또한 추후에 ??50℃에서 200℃까지 시험 가능하도록 대응책을 마련하여, 연구를 진행야 할 것으로 판단된다.

한편, 해외 수입제품과의 특성을 비교하면, 당 개발 제품의 신뢰성, 그리고 객관성 확보를 위해 기존 수입제품(중국)과의 특성을 정량적 특성 평가 항목에 맞추어 비교해 보고자 하였다. 이를 위해, 중국산 링 패스너의 06AI에 대한 치수 및 인장시험을 진행하였다. 치수시험 결과, 도 5a와 같이 외경 17.51mm, 내경 13.62mm, 선경 1.89mm로 측정되었다. 이는 당사 제품의 06AI 제품과 비교하였을 때, 중국산 제품의 경우 선경은 0.04mm 굵었으며, 내경은 약 0.34mm 큰 것을 확인하였다. 도 5b 내지 도 5d와 같이 자체제작 지그를 사용하여 ASTM E8규격을 적용하여, 실험을 진행하였다. 그 결과, 중국산 인장강도는 380kgf로 측정되었다. 이를 통해, 중국제품의 인장강도는 약 664 MPa인 것을 확인할 수 있었다. 당자 제품의 경우, 전술한 바와 같이 AI형 열수축 링의 크기별 04AI, 12AI, 20AI의 인장 시험 결과는 각각 496MPa, 660MPa, 778MPa이다. 또한 BI형 열수축 링의 크기별 16BI, 18BI의 인장 시험 결과는 각각 861MPa, 822MPa이다. 규격이 달라 정확한 비교는 어렵지만, 규격이 커짐에 따라 강도가 증가하는 것을 비교하였을 때, 중국제품의 강도가 조금 더 높은 것을 확인하였다. 그러나 좀 더 정확한 비교 분석을 위해, 중국제품의 규격에 따른 인장시험이 필요할 것이다. 또한 이러한 데이터는 향후, 수요처에 곧바로 제시가 가능한 마케팅 자료로 사용 될 것으로 판단되며, 국산화 대체 및 사업화 확대에도 용이 할 것이다.

이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (1)

1. 형상기억합금 와이어를 링 형태로 성형하는 고주파가열부와,
   상기 형상기억합금 와이어를 곧게 펴주고, X-Y와 좌우 교정을 위한 스트레이트너부(Straightener)와,
   상기 형상기억합금 와이어를 커팅(cutting) 및 포밍(forming)하는 포밍 및 커팅부와,
   절단된 형상기억합금 링의 양쪽 끝을 용접하는 링 용접부와,
   상기 형상기억합금 링의 합격 또는 불합격 여부를 검사하는 다이어미터 검사부
   를 포함하는 열수축링 제조 장치.

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