KR20230067522A - 가공 대상물의 가공 방법 및 가공 장치 - Google Patents
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Abstract
일 태양에 관한 가공 방법은, 표면에 개구하는 구멍을 가지는 금속제의 가공 대상물을 준비하는 공정과, 구멍에 가공 매체를 충전하는 공정과, 가공 매체에 외력을 가하여 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여하는 공정을 포함한다.
Description
본 개시는, 가공 대상물의 가공 방법 및 가공 장치에 관한 것이다.
금형 또는 터빈 등의 금속 부품에는, 수냉공(水冷孔) 등의 구멍이 형성된다. 수냉공의 내벽면은 냉각공을 흐르는 냉각수에 상시 노출되어 있기 때문에, 수냉공의 내벽면에는 부식이 발생하기 쉽다. 또, 금속 부품의 외면과 냉각수에 의해 냉각된 냉각공의 내벽면과의 온도차에 의해서, 금속 부품의 내벽면에는 열응력이 반복하여 발생한다. 따라서, 수냉공의 내벽면에는 응력 부식 균열 등의 손상이 발생하기 쉽다.
금속 부재의 손상을 방지하기 위해서, 수냉공의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여하여 내벽면의 피로 강도를 높이는 기술이 알려져 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1에는, 금형의 수냉공 내에 노즐을 삽입하고, 해당 노즐의 선단으로부터 투사재를 분사하여 수냉공의 내벽면에 숏 피닝을 행하는 것이 기재되어 있다. 이 방법에서는, 수냉공의 내벽면에 투사재가 충돌하는 것에 의해, 해당 내벽면에 압축 잔류 응력이 부여된다.
또, 특허 문헌 2에는, 가공 구멍의 내면에 버니싱(burnishing) 가공을 행하는 버니싱 툴에 대해 기재되어 있다. 이 버니싱 툴은, 통 모양의 리테이너와, 축선 둘레로 회전 가능하고 또한 리테이너로부터 지름 방향으로 튀어나올 수 있는 복수의 롤러와, 축선 둘레로 회전하여 복수의 롤러를 리테이너로부터 출몰시키는 맨드릴을 포함한다. 이 버니싱 툴은, 맨드릴을 가공 구멍의 내부에서 회전시킴으로써 가공 구멍의 내면을 롤러로 두드려 전압(轉壓)한다. 이것에 의해, 가공 구멍의 내면이 소성 변형하여, 가공 구멍의 내면에 압축 잔류 응력이 부여된다.
특허 문헌 1에 기재된 방법에서는, 예를 들면 깊이 방향으로 만곡하는 등, 복잡한 형상의 수냉공이 금형에 형성되어 있는 경우에는, 복잡한 형상을 가지는 수냉공의 내부까지 삽입 가능한 특수한 노즐을 사용하는 것이 요구된다. 또, 특허 문헌 2의 버니싱 툴은, 축선 방향으로 직선 모양으로 연재(延在)하고 있기 때문에 복잡한 형상을 가지는 가공 구멍에 삽입하는 것은 어렵다. 따라서, 이 버니싱 툴을 이용하여 복잡한 형상을 가지는 가공 구멍의 내벽면을 균일하게 가공하는 것은 곤란하다.
그래서 본 개시는, 구멍의 형상에 관계없이 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있는 가공 대상물의 가공 방법 및 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 태양에 관한 가공 방법은, 표면에 개구하는 구멍을 가지는 금속제의 가공 대상물을 준비하는 공정과, 구멍에 가공 매체를 충전하는 공정과, 가공 매체에 외력을 가하여 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여하는 공정을 포함한다.
본 개시에 의하면, 구멍의 형상에 관계없이 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다.
도 1은 일 실시 형태에 관한 가공 대상물의 가공 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 2는 예시적인 가공 대상물을 나타내는 단면도이다.
도 3은 일 실시 형태에 관한 가공 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 예시적인 압압 부재를 나타내는 도면이다.
도 5는 수냉공의 내벽면에 작용하는 힘을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 다른 실시 형태에 관한 가공 대상물의 가공 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 7은 압압 부재의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 8은 수냉공의 내벽면에 작용하는 힘을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 해머링 횟수와 잔류 응력과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 교반 횟수와 잔류 응력과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 예시적인 가공 대상물을 나타내는 단면도이다.
도 3은 일 실시 형태에 관한 가공 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 예시적인 압압 부재를 나타내는 도면이다.
도 5는 수냉공의 내벽면에 작용하는 힘을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 다른 실시 형태에 관한 가공 대상물의 가공 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 7은 압압 부재의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 8은 수냉공의 내벽면에 작용하는 힘을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 해머링 횟수와 잔류 응력과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 교반 횟수와 잔류 응력과의 관계를 나타내는 그래프이다.
먼저, 본 개시의 실시 형태의 개요를 설명한다.
(조항 1) 표면에 개구하는 구멍을 가지는 금속제의 가공 대상물을 준비하는 공정과, 상기 구멍에 가공 매체를 충전하는 공정과, 상기 가공 매체에 외력을 가하여 상기 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여하는 공정을 포함하는, 가공 방법.
상기 태양에서는, 구멍에 충전된 가공 매체에 외력이 가해지는 것에 의해, 구멍의 내벽면에 가공 매체를 통해서 외력이 전달된다. 이 때, 구멍의 내벽면에 대략 균일하게 외력이 작용하여 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력이 부여된다. 따라서, 이 가공 방법에서는, 구멍의 내벽면에 가공 매체를 통해서 외력을 부여하는 것에 의해, 구멍의 형상에 관계없이 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다.
(조항 2) 상기 구멍에 압압 부재를 삽입하는 공정과, 상기 가공 매체에 외력을 가하기 위해서 상기 구멍에 삽입된 상기 압압 부재에 하중을 가하는 공정을 더 포함하는, 조항 1에 기재된 가공 방법.
상기 태양에서는, 압압 부재에 하중이 가해져, 가공 매체를 통해서 구멍의 내벽면에 외력이 전달된다. 이 외력에 의해서, 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다.
(조항 3) 상기 압압 부재에 상기 하중을 가하기 위해서, 상기 압압 부재에 대해서 해머를 낙하시키는 공정을 더 포함하는, 조항 2에 기재된 가공 방법.
상기 태양에서는, 해머로부터 압압 부재에 하중이 가해져, 가공 매체를 통해서 구멍의 내벽면에 외력이 작용하므로, 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다.
(조항 4) 상기 가공 매체를 상기 구멍의 내부에서 교반하는 공정을 포함하는, 조항 1~조항 3 중 어느 하나의 조항에 기재된 가공 방법.
상기 태양에서는, 구멍의 내부에서 가공 매체를 교반하는 것에 의해, 구멍의 내벽면에 부여되는 압축 잔류 응력을 크게 할 수 있다.
(조항 5) 상기 가공 매체에 외력을 가하기 전에, 상기 내벽면에 부착시켜야 할 금속 재료를 포함하는 분체(粉體)를 상기 구멍에 충전하는 공정을 더 포함하는, 조항 1~ 조항 4 중 어느 하나의 조항에 기재된 가공 방법.
상기 태양에서는, 금속 재료를 포함하는 분체를 충전한 후에 가공 매체에 외력을 부여하는 것에 의해, 분체가 구멍의 내벽면에 대해서 압압되어, 금속 재료를 포함하는 피막을 구멍의 내벽면에 형성할 수 있다.
(조항 6) 금속제의 가공 대상물에 형성된 구멍의 내벽면을 가공하는 가공 장치로서, 가공 매체가 충전된 상기 구멍에 대해서 삽입되는 압압 부재와, 상기 압압 부재를 통해서 상기 가공 매체에 외력을 가하는 외력 부여 장치를 포함하는, 가공 장치.
상기 태양에서는, 압압 부재에 외력이 부가되는 것에 의해, 가공 매체로부터 구멍의 내벽면에 외력이 부여된다. 이 때, 구멍의 내벽면에 대략 균일하게 외력이 작용하여 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력이 부여된다. 따라서, 이 가공 장치에 의하면, 구멍의 형상에 관계없이 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다.
(조항 7) 상기 외력 부여 장치는, 상기 압압 부재의 상방에 배치된 해머와, 상기 해머를 상하 방향으로 이동시키는 승강 유닛을 포함하고, 상기 해머가 하강했을 때에, 상기 해머는, 상기 압압 부재에 충돌하여 상기 압압 부재에 상기 구멍의 깊이 방향으로 향하는 하중을 가하는, 조항 6에 기재된 가공 장치.
상기 태양에서는, 해머로부터 압압 부재에 하중이 가해지므로, 가공 매체를 통해서 구멍의 내벽면에 외력이 부여된다. 따라서, 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다.
(조항 8) 상기 압압 부재는, 원기둥 모양의 본체부와, 상기 본체부로부터 이 본체부의 중심 축선에 대해서 평행하게 연장되는 교반핀을 포함하고, 상기 교반핀은, 상기 중심 축선으로부터 어긋난 위치에서 상기 본체부에 결합되는, 조항 6 또는 7에 기재된 가공 장치.
상기 태양에서는, 교반핀은, 본체부의 중심 축선으로부터 어긋난 위치에서 본체부에 결합되어 있으므로, 본체부가 중심 축선 둘레로 회전했을 때에, 교반핀은 해당 중심 축선을 중심으로 하는 원주를 따라서 구멍의 내부에서 주회(周回)한다. 그 결과, 구멍에 충전된 가공 매체가 교반핀에 의해서 휘저어져 교반된다. 가공 매체가 교반되는 것에 의해, 구멍의 내벽면에 부여되는 압축 잔류 응력을 크게 할 수 있다.
[본 개시의 실시 형태의 예시]
이하에서는, 도면을 참조하여, 본 개시의 실시 형태에 대해 설명한다. 또한, 도면에 기초하여 설명함에 있어서, 동일한 요소 또는 동일한 기능을 가지는 요소에는, 동일한 부호를 붙여 중복하는 설명을 생략한다. 도면은, 이해의 용이화를 위해서, 일부를 간략화 또는 과장하여 그리는 경우가 있고, 치수 비율 및 각도 등은 도면에 기재된 것으로 한정되지 않는다.
본 개시에 관한 가공 대상물의 가공 방법은, 가공 대상물에 형성된 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여한다. 가공 대상물로서는, 금형 또는 터빈 등 높은 피로 강도 및 내마모성이 요구되는 금속 부품을 들 수 있다. 한정되는 것은 아니지만, 금속 부품은, 철을 주성분으로 하는 철계 합금, 또는, 알루미늄 합금 등에 의해서 구성된다. 철계 합금은, 예를 들면 강재이다. 전형적으로는, 강제의 금속 부재로는 담금질(quenching) 템퍼링(tempering) 후의 마르텐사이트강이 이용되는데, 열처리 전의 생재(生材)가 이용되어도 괜찮다.
또한, 가공 대상물은, 블록 모양의 금속 부품이라도 괜찮고, 복수의 금속층을 적층하여 삼차원적으로 조형된 복층 조형품이라도 괜찮다. 가공 대상물에는, 냉각공 등의 구멍이 형성되어 있다. 또한, 가공 대상물에 형성되는 구멍은, 냉각공으로 한정되지 않는다. 이하의 설명에서는, 가공 대상물로서 냉각공을 가지는 금형을 채용한 예에 대해서 설명한다.
도 1은, 일 실시 형태에 관한 가공 대상물의 가공 방법(MT1)를 나타내는 플로우 차트이다. 도 1에 나타내는 가공 방법(MT1)에서는, 먼저 가공 대상물인 금형(10)이 준비된다(공정 ST1).
도 2는, 공정 ST1에서 준비되는 금형(10)의 일례를 나타내는 단면도이다. 금형(10)은 예를 들면 다이캐스트용의 강제 금형이다. 다이캐스트는, 용융된 금속을 압입하여, 고정밀도의 주물을 대량으로 생산하는 금형 주조법의 일종이다. 금형(10)의 표면에는 질화 처리가 실시되어 있어도 괜찮다. 질화 처리는, 예를 들면 암모니아 가스 등의 질화 가스 중에서 금형(10)을 가열함으로써 금형(10)의 표면에 질화층을 형성하는 수법이다. 금형(10)에 질화 처리를 실시하는 것에 의해, 금형(10)의 열에 의한 변형이 억제된다.
도 2에 나타내는 것과 같이, 금형(10)은, 제1 면(11) 및 제2 면(표면)(12)을 가지는 블록 모양의 강재이다. 금형(10)의 제1 면(11)에는, 제품 형상에 대응하는 공간인 캐비티가 형성된다. 금형(10)에는, 제2 면(12)에 개구하는 복수의 수냉공(13)이 형성되어 있다. 복수의 수냉공(13)은, 유저(有底, 바닥을 가짐)의 구멍이고, 금형(10)을 이용한 주조시에 냉각수가 수냉공(13)을 흐르는 것에 의해, 금형(10)이 냉각된다. 복수의 수냉공(13) 각각은, 측면(14) 및 저면(15)을 가진다. 측면(14) 및 저면(15)은, 수냉공(13)을 형성하는 내벽면(16)을 구성한다. 수냉공(13)의 내벽면(16)에는, 금형(10)의 제1 면(11)과 수냉공(13)의 내벽면(16)과의 온도차에 의해서 열응력이 반복하여 발생하므로, 수냉공(13)의 내벽면(16)은 특히 응력 부식 균열이 발생하기 쉽다.
도 2에 나타내는 것과 같이, 복수의 수냉공(13)은, 금형(10)의 제2 면(12)으로부터 제1 면(11)의 직전까지 연장되어 있다. 수냉공(13)은, 원형의 단면 형상을 가지고, 깊이 방향의 전역에 있어서 대략 일정한 지름을 가지고 있다. 또한, 수냉공(13)은, 타원 형상 또는 다각 형상 등, 임의의 단면 형상을 가지고 있어도 괜찮고, 수냉공(13)의 단면적은 깊이 방향에 대해 연속적 또는 단계적으로 변화하고 있어도 괜찮다. 또, 도 2에 나타내는 실시 형태에서는, 수냉공(13)은 금형(10)의 두께 방향으로 직선적으로 연장하고 있지만, 수냉공(13)은 금형(10)의 내부에서 만곡하고 있어도 괜찮다.
다음으로, 도 3 및 도 4를 참조하여, 가공 대상물의 가공 방법(MT1)에 사용되는 가공 장치에 대해서 설명한다. 도 3은, 일 실시 형태에 관한 가공 장치(1)를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 4는, 가공 장치(1)의 일부인 압압 부재(30)를 나타내는 도면이다. 가공 장치(1)는, 베이스 플레이트(21), 외력 부여 장치(28) 및 압압 부재(30)를 구비하고 있다.
베이스 플레이트(21)는, 금형(10)을 재치하는 지지면을 제공한다. 베이스 플레이트(21) 상에는, 복수의 수냉공(13)의 개구부를 상방을 향하게 한 상태에서 금형(10)이 재치되어 고정된다. 외력 부여 장치(28)는, 압압 부재(30)를 통해서 가공 매체(25)에 외력을 가하는 장치이고, 승강 유닛(22) 및 해머(23)를 포함하고 있다. 승강 유닛(22)은, 해머(23)를 상하 방향으로 이동시키는 직동 기구이다. 승강 유닛(22)은, 스플라인축(24) 및 볼스플라인(26)을 가진다. 스플라인축(24)은, 베이스 플레이트(21) 상에 세워 마련되고, 상하 방향으로 연재하고 있다. 볼스플라인(26)은, 스플라인축(24)을 둘러싸는 원환(圓環) 형상을 가지고 있다. 볼스플라인(26)은, 회전 가능한 복수의 전동체를 가지고, 이들 복수의 전동체가 구르는 것에 의해서 스플라인축(24)을 따라서 이동 가능하다. 또한, 승강 유닛(22)은, 상하 방향에 있어서 볼스플라인(26)의 위치를 고정하는 스토퍼를 더 포함하고 있어도 괜찮다. 승강 유닛(22)은, 초기 상태에서 해머(23)를 금형(10)의 상방에 유지한다.
해머(23)는, 예를 들면 금속제의 플레이트이고, 압압 부재(30)에 수냉공(13)의 깊이 방향으로의 하중을 가하는 추로서 기능한다. 해머(23)의 일부분은, 금형(10)의 복수의 수냉공(13)의 상방에 위치하고 있다. 해머(23)는, 금형(10)의 상방에서 상하 방향으로 이동 가능하도록 볼스플라인(26)에 연결되어 있다. 볼스플라인(26)의 고정이 해제되면, 해머(23)는 볼스플라인(26)과 함께 금형(10)을 향해서 낙하(하강)한다.
도 4의 (a)는 예시적인 압압 부재(30)의 측면도이고, 도 4의 (b)는 압압 부재(30)의 하면도이다. 압압 부재(30)는, 대략 원기둥 형상을 가지는 금속제의 부재이고, 일단(31)과 타단(32)과의 사이에서 중심 축선(AX)을 따라서 연재하고 있다. 압압 부재(30)의 길이는, 수냉공(13)의 깊이(금형(10)의 두께 방향에서의 금형(10)의 제2 면(12)과 수냉공(13)의 저면(15)과의 사이의 거리)보다도 길게 형성되어 있다. 압압 부재(30)의 직경은, 수냉공(13)의 직경보다도 작게 형성되어 있다. 가공 매체(25)에 효율적으로 힘을 가하기 위해서, 압압 부재(30)의 직경은, 수냉공(13)의 직경의 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 또는, 90% 이상이라도 된다. 따라서, 압압 부재(30)는, 수냉공(13)에 삽입 가능하다.
도 1을 다시 참조한다. 공정 ST1에서 준비된 금형(10)은, 복수의 수냉공(13)의 개구부를 상방으로 향하게 한 상태에서 베이스 플레이트(21) 상에 고정된다. 그 다음에, 금형(10)의 복수의 수냉공(13)에 가공 매체(25)가 충전된다(공정 ST2). 가공 매체(25)는, 금형(10)에 잔류 응력을 부여하는 연마재 등의 연마 입자이다. 가공 매체(25)의 재질은, 금속(예를 들면, 철, 아연, 스테인리스), 세라믹(예를 들면, 알루미나, 탄화 규소, 지르콘), 글래스, 수지(예를 들면, 나일론 수지, 멜라민 수지, 요소 수지) 등, 여러 가지의 재질로부터 가공 대상물에 따라 선택된다. 연마재의 형상은, 구 모양, 다각형 모양 및 원기둥 모양 등, 여러 가지의 형상으로부터 선택된다. 전형적으로는, 직경 0.2mm~1.2mm 정도의 강구(鋼球)가 가공 매체(25)로서 사용된다.
일 실시 형태에서는, 금형(10)의 복수의 수냉공(13)에 가공 매체(25)와 함께 수냉공(13)의 내벽면에 부착시켜야 할 금속 재료를 포함하는 분체(粉體)가 충전되어도 괜찮다(공정 ST3). 예를 들면, 복수의 수냉공(13)의 내벽면(16)에 아연의 피막을 형성하는 경우에는, 금형(10)의 복수의 수냉공(13)에 분말 상태의 아연이 충전된다.
그 다음에, 가공 매체(25)가 충전된 각 수냉공(13)에 압압 부재(30)가 삽입된다(공정 ST4). 이 때, 압압 부재(30)는, 타단(32)을 수냉공(13)의 저면(15)측을 향하게 한 상태에서 수냉공(13)에 삽입된다. 따라서, 압압 부재(30)의 일단(31)은, 금형(10)으로부터 노출된 상태에서 제2 면(12)의 상방에 배치되고, 압압 부재(30)의 타단(32)은, 가공 매체(25)에 접촉한 상태에서 수냉공(13)의 내부에 배치된다.
그 다음에, 볼스플라인(26)의 고정이 해제되고, 금형(10)의 상방에 배치된 해머(23)를 압압 부재(30)를 향해서 낙하시킨다(공정 ST5). 도 5에 나타내는 것과 같이, 낙하한 해머(23)는, 압압 부재(30)의 일단(31)에 충돌하고, 수냉공(13)의 저면(15)을 향하는 하중(F)을 압압 부재(30)에 가한다. 압압 부재(30)에 가해진 하중(F)은, 가공 매체(25)에 전달되고, 수냉공(13)의 내부에서 가공 매체(25)가 가압된다. 그 결과, 수냉공(13)의 내벽면(16)이 가공 매체(25)에 의해서 압압된다. 가공 매체(25)로부터 외력이 작용하는 것에 의해서, 수냉공(13)의 내벽면(16)은 소성 변형하고, 해당 내벽면(16)에 압축 잔류 응력이 부여된다. 이 때, 가공 매체(25)로부터 전달되는 힘은, 수냉공(13)의 내벽면(16)에 실질적으로 균등하게 작용하므로, 내벽면(16)에는 높은 균일성으로 압축 잔류 응력이 부여된다.
또, 가공 매체(25)와 함께, 금형(10)의 복수의 수냉공(13)에 아연을 포함하는 분체가 충전되어 있는 경우에는, 가공 매체(25)로부터 수냉공(13)의 내벽면(16)에 힘이 작용할 경우에 분체가 내벽면(16)에 대해서 압압되어, 분말 상태의 아연이 내벽면(16)에 부착된다. 그 결과, 내벽면(16)에 아연의 피막이 형성된다. 수냉공(13)의 내벽면(16)에 아연의 피막을 형성하는 것에 의해, 수냉공(13)을 순환하는 냉각수에 의한 내벽면(16)의 부식을 억제할 수 있다. 그 결과, 내벽면(16)의 침식에 의해서 내벽면(16)으로부터 압축 잔류 응력층이 소실되는 것을 억제할 수 있다.
그 다음에, 승강 유닛(22)에 의해서 해머(23)가 상승된다(공정 ST6). 상승 후의 해머(23)의 위치는, 수냉공(13)의 내벽면(16)에 부여되어야 할 압축 잔류 응력에 따라서 결정된다. 그 다음에, 해머(23)의 낙하가 규정 횟수 반복되었는지 여부가 판정된다(공정 ST7). 해머(23)의 낙하 횟수가 규정 횟수보다도 적은 경우에는, 규정 횟수에 이를 때까지 공정 ST5 및 공정 ST6를 반복하여, 압압 부재(30)에 하중(F)을 가한다. 해머(23)의 낙하 횟수가 규정 횟수에 이르면, 일 실시 형태에 관한 가공 대상물의 가공 방법(MT1)이 종료된다.
이상 설명한 것과 같이, 가공 대상물의 가공 방법(MT1)에서는, 금형(10)의 수냉공(13)에 충전된 가공 매체(25)에 압압 부재(30)를 통해서 외력이 부여된다. 가공 매체(25)에 부여된 외력은, 수냉공(13)의 내벽면(16)에 대략 균일하게 작용하고, 수냉공(13)의 내벽면(16)에 높은 균일성으로 압축 잔류 응력을 부여한다. 따라서, 이 가공 방법(MT1)에 의하면, 수냉공(13)의 형상에 관계없이, 수냉공(13)의 내벽면(16)에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다.
또, 일반적인 숏 피닝에서는, 가공 대상물에 투사재가 충돌했을 때에 툴 마크라고 불리는 타흔(打痕) 등의 손상이 생기는 경우가 있다. 수냉공(13)의 내벽면(16)에 툴 마크가 존재하면, 툴 마크가 형성된 부분에 응력이 집중하고, 금형(10)의 깨짐의 기점(起點)이 되는 경우가 있다. 가공 방법(MT1)에서는, 압압 부재(30)에 반복하여 하중(F)을 가하는 것에 의해, 수냉공(13)의 내벽면(16)에 큰 면압을 가할 수 있다. 따라서, 수냉공(13)의 내벽면(16)의 요철을 고르게 하여, 금형(10)의 손상의 원인이 되는 툴 마크를 제거할 수 있다.
다음으로, 다른 실시 형태에 관한 가공 대상물의 가공 방법에 대해 설명한다. 이하에서는, 앞서 설명한 가공 방법(MT1)과의 차이점에 대해 주로 설명하고, 중복하는 설명은 생략한다. 도 6은, 다른 실시 형태에 관한 가공 대상물의 가공 방법(MT2)를 나타내는 플로우 차트이다. 도 6에 나타내는 것과 같이, 이 가공 방법(MT2)은, 가공 매체(25)를 교반하는 공정을 더 포함하는 점에서 도 2에 나타내는 가공 방법(MT1)과 다르다.
가공 방법(MT2)에서는, 압압 부재(40)를 사용하여 가공 매체(25)에 외력이 부여된다. 도 7의 (a)는 압압 부재(40)의 측면도이고, 도 7의 (b)는 압압 부재(40)의 하면도이다. 도 7의 (a), (b)에 나타내는 것과 같이, 압압 부재(40)는, 본체부(41) 및 교반핀(42)을 가진다. 본체부(41)는, 대략 원기둥 형상을 가지는 금속성의 부재이고, 일단(43)과 타단(44)과의 사이에서 중심 축선(AX)을 따라서 연재하고 있다. 압압 부재(40)의 중심 축선(AX) 방향의 길이는, 수냉공(13)의 깊이보다도 길게 형성되어 있다. 압압 부재(40)의 직경은, 수냉공(13)의 직경보다도 작게 형성되어 있다. 따라서, 압압 부재(40)는, 수냉공(13)에 삽입 가능하다.
교반핀(42)은, 대략 원기둥 형상을 가지고, 본체부(41)의 직경보다도 작은 직경을 가지고 있다. 교반핀(42)은, 본체부(41)의 타단(44)으로부터 중심 축선(AX)에 평행한 방향으로 연장하고 있고, 지름 방향에서 중심 축선(AX)에 대해서 어긋난 위치에서 본체부(41)에 결합되어 있다. 따라서, 본체부(41)가 중심 축선(AX) 둘레로 회전했을 때에, 교반핀(42)은, 중심 축선(AX)을 중심으로 하는 원주를 따라서 주회(周回)한다.
도 6에 나타내는 것과 같이, 가공 방법(MT2)은, 복수의 수냉공(13) 내에 충전된 가공 매체(25)를 교반하는 공정을 포함한다(공정 ST8). 가공 매체(25)의 교반은, 예를 들면 해머(23)를 상승시킨 후에, 압압 부재(40)의 본체부(41)를 중심 축선(AX) 둘레로 회전시키는 것에 의해 행하여진다. 공정 ST8에서는, 작업자가 인력으로 압압 부재(40)를 회전시켜도 되고, 모터 등의 동력원을 이용하여 압압 부재(40)를 회전시켜도 된다. 본체부(41)가 중심 축선(AX) 둘레로 회전하면, 교반핀(42)이 중심 축선(AX)를 중심으로 하는 원주를 따라서 주회한다. 그 결과, 수냉공(13)에서 가공 매체(25)를 뒤섞여 교반된다.
또한, 일 실시 형태에서는, 도 8에 나타내는 것과 같이, 해머(23) 등에 의해서 압압 부재(40)에 하중(F)가 가해진 상태에서 압압 부재(40)를 중심 축선(AX) 둘레로 회전시켜도 괜찮다. 압압 부재(40)를 회전시켜 수냉공(13) 내의 가공 매체(25)를 교반하는 것에 의해, 가공 매체(25)를 수냉공(13)의 내벽면(16)에 빠짐없이 접촉시킬 수 있으므로, 내벽면(16)에 부여되는 압축 잔류 응력의 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 가공 매체(25)를 교반하면서 내벽면(16)에 외력을 작용시키는 것에 의해, 수냉공(13)의 내벽면(16)의 요철이 고르게 되고, 내벽면(16)으로부터 툴 마크를 제거할 수 있다.
가공 방법(MT2)에서는, 가공 매체(25)의 교반 후에, 해머(23)의 낙하가 규정 횟수 반복되었는지 여부가 판정된다(공정 ST7). 해머(23)의 낙하 횟수가 규정 횟수보다도 적은 경우에는, 공정 ST5, 공정 ST6 및 공정 ST8가 규정 횟수에 이를 때까지 반복된다. 해머(23)의 낙하 횟수가 규정 횟수에 이르면, 가공 대상물의 가공 방법(MT2)이 종료된다.
앞서 설명한 것과 같이, 가공 대상물의 가공 방법(MT2)에 의하면, 수냉공(13)의 형상에 관계없이 수냉공(13)의 내벽면(16)에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다. 또한, 가공 매체(25)의 교반 방법은, 앞서 설명한 예로 한정되지 않고, 예를 들면 진동을 가함으로써 가공 매체(25)를 수냉공(13) 내에서 교반해도 된다. 진동에 의해서 가공 매체(25)를 교반했을 경우라도 내벽면(16)에 부여되는 압축 잔류 응력의 균일성을 향상시키는 것이 가능하다.
다음으로, 앞서 설명한 가공 대상물의 가공 방법의 효과에 대해서, 실시예에 근거하여 설명하는데, 본 개시의 가공 방법은 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
먼저, 실시예 1에서는, JIS(일본 공업 규격 : Japanese Industrial Standards) SKD61에서 규정되는 합금강제의 시험편을 준비하고, 이 시험편에 직경 6mm, 깊이 25mm의 단면 원형상의 복수의 구멍을 형성하였다. 그리고, 시험편에 담금질 및 템퍼링을 행하였다.
또, 실시예 1에서는, 시험편의 복수의 구멍에 가공 매체로서 JIS SUJ2제의 강구를 충전하였다. 강구의 직경은 1.0mm이고, 비커스 경도는 62였다. 그리고, 강구가 충전된 복수의 구멍에 도 4의 (a), (b)에 나타내는 압압 부재(30)를 삽입하고, 도 3에 나타내는 가공 장치(1)를 이용하여 해머(23)를 압압 부재(30)를 향해서 낙하시켰다. 해머(23)의 낙하 높이는 100mm로 하였다. 해머(23) 및 볼스플라인(26)의 질량의 합계는 1.34kg이었다.
실시예 1에서는, 해머(23)의 낙하 횟수(즉, 해머링 횟수)를 변화시켜 금형(10)을 가공하고, 복수의 구멍의 내벽면에 부여된 잔류 응력을 X선 회절법에 의해 측정하였다. 잔류 응력은, 구멍의 저면으로부터 12.5mm만큼 떨어진 측면 상의 위치에서 측정하였다.
X선 회절법에 의한 잔류 응력의 측정 조건은, 이하와 같이 하였다.
·잔류 응력 해석 방법 : cosα법
·특성 X선 : Cr-Kα
·회절면 : Fe, 211
·회절각 : 156.396[deg]
·전압 : 30kV
·전류 : 1[mA]
·X선적 탄성 정수(定數) : 224[GPa]
·포아송비 : 0.28
·X선 입사각 : 35[deg]
·X선 조사 지름 : 3[mm]
·X선 조사 시간 : 30[s]
도 9는, 해머링 횟수와 시험편의 구멍의 내벽면에 부여된 잔류 응력과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 9에서는, 인장 잔류 응력을 정(正)의 값으로 하여 나타내고, 압축 잔류 응력을 부(負)의 값으로 하여 나타내고 있다. 도 9에 나타내는 것과 같이, 실시예 1에서는, 해머링 횟수에 관계없이, 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력이 부여되는 것이 확인되었다. 또, 구멍의 내벽면에 부여되는 압축 잔류 응력은, 해머링 횟수가 증가함에 따라 커지는 것이 확인되었다.
(실시예 2)
실시예 2에서는, 실시예 1과 동일한 강구가 충전된 복수의 구멍에 도 7의 (a), (b)에 나타내는 압압 부재(40)를 삽입하고, 도 3에 나타내는 가공 장치(1)를 이용하여 해머(23)를 압압 부재(40)에 규정 횟수 충돌시켰다. 또, 실시예 2에서는, 해머(23)를 압압 부재(40)에 규정 횟수 충돌시키는 동안에 압압 부재(40)를 1회 또는 복수회 회전시켜, 구멍의 내부에서 강구를 교반하였다. 그 이외의 점에 대해서는, 실시예 1과 동일한 조건으로 시험편을 가공하고, 복수의 구멍의 내벽면에 부여된 잔류 응력을 X선 회절법에 의해 측정하였다.
도 10은, 강구의 교반 횟수와 구멍의 내벽면에 부여된 잔류 응력과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 10에 나타내는 것과 같이, 강구를 교반하면서 해머(23)를 압압 부재(40)에 충돌시키는 것에 의해, 강구를 교반하지 않는 경우와 비교하여, 보다 큰 압축 잔류 응력을 부여할 수 있는 것이 확인되었다.
이상, 여러 가지의 실시 형태에 관한 가공 대상물의 가공 방법에 대해서 설명하여 왔는데, 앞서 설명한 실시 형태로 한정되지 않고 발명의 요지를 변경하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형 태양을 구성할 수 있다.
예를 들면, 앞서 설명한 실시 형태에서는, 금형(10)에 형성된 수냉공(13)의 내벽면(16)에 압축 잔류 응력을 부여하고 있지만, 수냉공 이외의 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여해도 된다. 또, 앞서 설명한 수냉공(13)은 유저(有底)의 구멍이지만, 수냉공(13)은 관통공이라도 된다. 예를 들면, 베이스 플레이트(21) 상에 재치되어 저부 개구가 닫혀진 관통공의 내부에 가공 매체(25)를 충전하고, 해당 가공 매체(25)에 외력을 부여해도 된다.
또, 앞서 설명한 가공 방법(MT1, MT2)에서는, 복수의 수냉공(13)에 분체를 충전하고 있지만, 반드시 분체를 충전하지 않아도 된다. 적어도, 가공 매체(25)가 충전된 상태에서 압압 부재(30, 40)에 하중을 가하면, 수냉공(13)의 내벽면(16)에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다. 또한, 가공 매체(25)에 외력을 부여할 수 있으면, 압압 부재(30, 40)의 형상은, 도 4의 (a), (b) 또는 도 7의 (a), (b)에 나타내는 형상으로 한정되지 않고, 임의의 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 압압 부재는, 저면(15)측에 가까워짐에 따라 지름이 축소되는 원추 형상을 가지고 있어도 된다.
또, 앞서 설명한 실시 형태에서는, 외력 부여 장치(28)는, 해머(23)를 낙하시켜 압압 부재(30)에 하중을 가하고 있지만, 외력 부여 장치(28)는, 해머(23)를 이용하지 않고 가공 매체(25)에 외력을 가해도 괜찮다. 예를 들면, 외력 부여 장치(28)는, 유압 실린더 등의 유압 액츄에이터를 이용하여 압압 부재(30)를 수냉공(13)의 저면(15)을 향해서 압압해도 괜찮다. 또한, 가공 방법(MT1, MT2)에서는, 압압 부재(30, 40)를 통해서 가공 매체(25)에 외력을 가하고 있지만, 반드시 압압 부재(30, 40)을 이용하지 않아도 괜찮다. 예를 들면, 수냉공(13)에 충전된 가공 매체(25)에 진동 등을 가하여, 수냉공(13)의 내부에서 가공 매체(25)를 유동시키는 것에 의해 수냉공(13)의 내벽면(16)에 외력이 가해져도 괜찮다. 이 경우라도, 수냉공(13)의 내벽면(16)에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다.
1 : 가공 장치
12 : 제2 면(표면)
13 : 수냉공(구멍) 16 : 내벽면
22 : 승강 유닛 23 : 해머
25 : 가공 매체 28 : 외력 부여 장치
30, 40 : 압압 부재 41 : 본체부
42 : 교반핀 AX : 중심 축선
F : 하중.
13 : 수냉공(구멍) 16 : 내벽면
22 : 승강 유닛 23 : 해머
25 : 가공 매체 28 : 외력 부여 장치
30, 40 : 압압 부재 41 : 본체부
42 : 교반핀 AX : 중심 축선
F : 하중.
Claims (8)
- 표면에 개구하는 구멍을 가지는 금속제의 가공 대상물을 준비하는 공정과,
상기 구멍에 가공 매체를 충전하는 공정과,
상기 가공 매체에 외력을 가하여 상기 구멍의 내벽면에 압축 잔류 응력을 부여하는 공정을 포함하는, 가공 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 구멍에 압압 부재를 삽입하는 공정과,
상기 가공 매체에 외력을 가하기 위해서 상기 구멍에 삽입된 상기 압압 부재에 하중을 가하는 공정을 더 포함하는, 가공 방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 압압 부재에 상기 하중을 가하기 위해서, 상기 압압 부재에 대해서 해머를 낙하시키는 공정을 더 포함하는, 가공 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 가공 매체를 상기 구멍의 내부에서 교반하는 공정을 포함하는, 가공 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 가공 매체에 외력을 가하기 전에, 상기 내벽면에 부착시켜야 할 금속 재료를 포함하는 분체를 상기 구멍에 충전하는 공정을 더 포함하는, 가공 방법. - 금속제의 가공 대상물에 형성된 구멍의 내벽면을 가공하는 가공 장치로서,
가공 매체가 충전된 상기 구멍에 대해서 삽입되는 압압 부재와,
상기 압압 부재를 통해서 상기 가공 매체에 외력을 가하는 외력 부여 장치를 포함하는, 가공 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 외력 부여 장치는,
상기 압압 부재의 상방에 배치된 해머와,
상기 해머를 상하 방향으로 이동시키는 승강 유닛을 포함하고,
상기 해머가 하강하였을 때에, 상기 해머는, 상기 압압 부재에 충돌하여 상기 압압 부재에 상기 구멍의 깊이 방향으로 향하는 하중을 가하는, 가공 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 압압 부재는, 원기둥 모양의 본체부와, 상기 본체부로부터 상기 본체부의 중심 축선에 대해서 평행하게 연장하는 교반핀을 포함하고, 상기 교반핀은, 상기 중심 축선으로부터 어긋난 위치에서 상기 본체부에 결합되어 있는, 가공 장치.
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