WO2018131771A1 - 초음파 내벽 피닝 시스템의 피닝 위치 제어 장치 - Google Patents

초음파 내벽 피닝 시스템의 피닝 위치 제어 장치 Download PDF

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WO2018131771A1
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ultrasonic
position control
control device
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workpiece
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PCT/KR2017/010308
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정성환
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단국대학교 산학협력단
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B24B1/04—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes subjecting the grinding or polishing tools, the abrading or polishing medium or work to vibration, e.g. grinding with ultrasonic frequency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic pinning system, and more particularly to a technique for controlling the pinning position of the inner wall of the workpiece.
  • peening a method of improving the fatigue strength of mechanical parts, is a mechanical surface treatment that improves the surface strength by injecting and striking a means that can apply pressure to the metal surface.
  • shot peening or laser peening and the like are representative.
  • Shot peening is a method in which small metal particles, called shot balls, are fired on the surface of a workpiece at high speed so that the small shot ball particles strike the surface of the workpiece and impart compressive residual stress to the surface.
  • Compressive residual stress refers to the stress that remains in the material even after all external forces are removed after the material is deformed due to plastic deformation. Can be extended. Shot peening is particularly effective for prolonging the service life of a metal machined part which is bent, twisted or subjected to repeated loads, but it does not provide sufficient strength and fine treatment of the surface of the metal material and thus is limited in application to precision parts.
  • Laser pinning is a method of providing a compressive residual stress to the surface of the workpiece through the shock wave formed by the pressure of the plasma generated by forming a coating layer on the surface of the workpiece and irradiating a laser beam. This can produce a compressive residual stress up to 10 times the depth of the conventional shot peening, showing an excellent effect, but has been applied to aircraft parts, etc. due to high equipment and process costs.
  • these conventional pinning techniques have a limited incidence angle of the shot ball when pinning because the inner wall of a workpiece such as a pipe-shaped inner wall such as a borehole or the side surface of a workpiece such as a tooth side of a gear is very poor in access to the shot ball. Should be set to.
  • pinning is limited because shot balls are loaded into the hole when pinning is performed on the workpiece having a hole with one end face blocked.
  • the ultrasonic wave is supplied in the form of standing wave, and the inner wall of the workpiece is pinned, but the pinning position of the inner wall of the workpiece is controlled to selectively and uniformly pinning.
  • An attempt is made to provide a pinning position control technique to obtain the result.
  • the ultrasonic generator for generating ultrasonic waves;
  • An ultrasonic radiator disposed in contact with and continuously in contact with the ultrasonic generator, the ultrasonic radiator including an ultrasonic transfer medium therein and transmitting the ultrasonic waves through the ultrasonic transfer medium;
  • an inserting member configured to be inserted into an inner space of the object to be disposed in the ultrasonic radiating unit, wherein the inserting member is inserted into the inner space from one side of the to-be-processed object, and the ultrasonic wave generated by the ultrasonic generator is The ultrasonic wave is transmitted from the other side of the object through the ultrasonic delivery medium, and the ultrasonic wave transmitted through the ultrasonic wave delivery medium is reflected from the surface of the insertion member inserted into the interior space of the object to be standing wave.
  • the inner wall of the workpiece is pinned by the standing wave by being formed in the ultrasonic wave transmission medium, and the pinning position control device of which the pinning position of the inner wall of the workpiece is adjusted according to the insertion degree of the insertion member can be provided. have.
  • the pinning position may be a position corresponding to a pressure antinode of the standing wave.
  • the inner wall of the workpiece may be pinned by cavitation at a position corresponding to the pressure antinode.
  • the surface of the insertion member inserted into the inner space of the object may have a reflective surface reflecting the ultrasonic waves generated from the ultrasonic generator.
  • the reflective surface may include a rigid body.
  • the workpiece may include an inner wall of a nozzle.
  • the insertion member may include a rod.
  • the ultrasonic wave may be reflected by the difference in acoustic impedance between the ultrasonic wave transmitting medium and the reflective surface and amplified into the standing wave to be formed in the ultrasonic wave transmitting medium.
  • the ultrasonic generator may be inserted into at least a portion of the interior of the object from the other side of the object.
  • the pinning position of the inner wall of the workpiece is controlled to obtain a selective and uniform pinning result.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a pinning position control apparatus of an ultrasonic pinning system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the workpiece 10 and the insertion member 20 of FIG. 1.
  • 3 and 4 are cross-sectional views illustrating an example of an operation process of the pinning position control apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • 5 and 6 are cross-sectional views illustrating another example of an operation process of the pinning position control apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a case in which the ultrasonic generator is partially inserted into the object to be processed in the pinning position control apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • Embodiments of the present invention can provide an ultrasonic inner wall pinning position control device that can effectively pin the inner wall of the workpiece. Specifically, in the pressure antinode of the standing wave formed by placing the workpiece within the ultrasonic radiator and reflected by the acoustic impedance difference between the ultrasonic transfer medium and the ultrasonic reflecting surface that reflects the ultrasonic wave. The internal wall of the workpiece contacted with the ultrasonic transfer medium is pinned at the pressure antinode position through cavitation intensively generated in the ultrasonic transfer medium, but the position of the ultrasonic reflection surface is moved within the workpiece to prevent the pressure of standing waves. The position of the node can be changed so that the pinning position of the inner wall can be controlled.
  • a standing wave is a synthesized wave in which a wave appears to stand while periodically oscillating with a constant amplitude when two sinusoids having the same amplitude and wavelength but opposite direction of travel overlap in the same medium.
  • the pressure node becomes zero pressure node, and the point where pressure amplitude becomes maximum is called pressure antinode.
  • cavitation refers to cavities generated in the medium due to wave propagation of standing waves and cavities generated by such bubbles.
  • the workpiece can be peened at a pressure of hundreds of atmospheres or more, giving compressive residual stress to the side of the workpiece. More specifically, the cavity grows at negative pressure and the cavity grows maximally over time, and at positive pressure the cavity is compressed and collapses.
  • the ultrasonic wave generated by the ultrasonic generator in the form of a standing wave through such a structural feature, the pinning process through the cavitation at the pressure antinode position implemented on the surface of the workpiece by the standing wave, By changing the position of the reflection surface of the standing wave, the pinning position corresponding to the pressure antinode is changed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a pinning position control device of the ultrasonic pinning system according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic generator 100 is disposed in contact with the ultrasonic radiator 200.
  • the position of the ultrasonic generator 100 may be easily changed and disposed according to the arrangement of the object 10 to be pinned, and the ultrasonic wave generated by the ultrasonic generator 100 may be transferred to the ultrasonic radiator 200.
  • the surface that can be easily delivered may be disposed in contact with the ultrasonic radiator 200.
  • the ultrasonic wave generator 100 may include a piezoelectric element (not shown) consisting of a piezoelectric layer and two electrodes disposed on both surfaces of the piezoelectric layer.
  • the piezoelectric element is an ultrasonic transducer, and when the electric energy is supplied from a power supply device (not shown), the piezoelectric element may resonate to generate ultrasonic waves.
  • the piezoelectric material when an alternating current is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric material may be deformed, and the crystal may be subjected to a reverse piezoelectric effect of generating ultrasonic waves by repeatedly compressing and expanding the mechanical vibration.
  • the frequency output range of the ultrasonic wave generated through the ultrasonic wave generator 100 may be, for example, 20 to 40 KHz.
  • the piezoelectric layer constituting the piezoelectric element as described above is, for example, lead zirconate titanate (PZT), lead magnesium niobate-lead titanate (PMN-PT), lead zinc niobate-lead titanate (PZN-PT), or PIN-PT ( selected from lead indium niobate-lead titanate (PYN-PT), lead ytterbium niobate-lead titanate (PYN-PT), BNT (BaNiTiO3) and BZT-BCT (barium zirconate titanate-barium calcium titanate) It may be at least one material, but is not limited thereto.
  • the two electrodes disposed on both surfaces of the piezoelectric layer may use all of the usual electrode materials, for example, aluminum (Al) or silver (Ag).
  • the ultrasonic radiator 200 may include an ultrasonic wave transmission medium 210 that transmits ultrasonic waves generated by the ultrasonic generator 100 to the object 10 disposed in the ultrasonic radiator 200.
  • the ultrasonic delivery medium 210 refers to a material for transmitting ultrasonic waves generated by the ultrasonic generator 100 to the object 10, and for example, water, gel, various oils, and the like may be used.
  • the ultrasonic delivery medium 210 may be filled in the whole or part of the internal space of the ultrasonic radiator 200.
  • the ultrasonic delivery medium 210 may be used in a degassed form in which all of the dissolved gas is removed since the dissolved gas in the solution may lower the strength of the above-mentioned cavitation.
  • the external frame constituting the ultrasonic radiator 200 may use a conventional material that does not change the physical properties of the ultrasonic transfer medium 210.
  • the workpiece 10 may be disposed in the ultrasonic radiator 200, and may be configured to transmit ultrasonic waves generated by the ultrasonic generator 100 from one side thereof through the ultrasonic transfer medium 210.
  • a workpiece may have a structure in which the other side is open, and may include, for example, a nozzle.
  • the insertion member 20 may be inserted into the object 10 from the other side of the object 10.
  • the insertion member 20 is reflected by the ultrasonic wave transmitted through the ultrasonic transmission medium 210 on one surface of the insertion member 20, for example, the surface inserted into the object 10 of the insertion member 20, and is a standing wave.
  • the inner wall of the workpiece 10 may be intensively pinned at the pressure antinode of the standing wave by being formed in the ultrasonic transfer medium 210.
  • the pinning position at this time may be a position corresponding to the pressure antinode of the standing wave.
  • the insertion member 20 inserted into the object 10 may include, for example, a rod.
  • the ultrasonic wave for reflecting the ultrasonic wave generated from the ultrasonic generator 100 to transmit the ultrasonic wave to the object 10 in the form of a standing wave Reflecting surface 22 may be provided. That is, in the embodiment of the present invention may be implemented so that the ultrasonic wave is reflected from one surface of the insertion member 20 (the surface inserted into the object 10 of the insertion member 20), to increase the reflection efficiency of the ultrasonic wave It may be further provided with an ultrasonic reflecting surface 22 disposed on one surface of the separate insertion member 20.
  • the ultrasonic reflecting surface 22 may include a rigid body that does not change shape or size even when an external force is applied, for example, a material having a different acoustic impedance and acoustic impedance value of the ultrasonic transmission medium 210.
  • FIG. 2 is a plan view of the workpiece 10 and the insertion member 20 of FIG. 1.
  • the workpiece 10 may be a cylindrical nozzle, and the insertion member 20 may be a rod inserted into the workpiece 10.
  • 3 and 4 are cross-sectional views illustrating an example of an operation process of the pinning position control apparatus according to the embodiment of the present invention. 3 and 4 illustrate the case where the insertion member 20 is inserted from the upper surface of the workpiece 10.
  • FIG. 3 illustrates that the ultrasonic wave generated from the ultrasonic wave generator 100 is reflected by the ultrasonic reflecting surface 22 formed on the surface to be inserted into the object 10 of the insertion member 20 to form a standing wave.
  • the centrally pinned position on the inner wall of the workpiece 10 may be a position corresponding to the pressure antinode of the standing wave, as shown by reference numeral A of FIG. 3.
  • FIG. 4 illustrates a case in which a predetermined section insertion member 20 is moved while the insertion member 20 is inserted into the object 10 as shown in FIG. 3.
  • FIG. 4 illustrates the position of the modified pressure antinode.
  • the position of the pressure node and the pressure antinode on the reflection surface 22 of the standing wave is changed by the movement of the insertion member 20, and the pinning can be processed at the position corresponding to the changed pressure antinode.
  • FIGS. 5 and 6 are cross-sectional views illustrating another example of an operation process of the pinning position control apparatus according to the embodiment of the present invention. Unlike the embodiment of FIGS. 3 and 4, FIGS. 5 and 6 illustrate a case in which the insertion member 20 is inserted from the lower surface of the object 10 by reversing the insertion direction of the insertion member 20. will be.
  • the insertion direction of the insertion member 20 with respect to the workpiece 10 may be selectively applied according to a peening working environment (for example, a work environment for pinning the inner wall of the reactor nozzle). There is no need to limit the insertion direction of 20).
  • a peening working environment for example, a work environment for pinning the inner wall of the reactor nozzle.
  • Figure 7 is a cross-sectional view illustrating a case where a part of the ultrasonic wave generator 100 is inserted into the object 10 in the pinning position control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic wave generator 100 may be inserted into a surface opposite to a surface inserted into the inner space of the object 10 of the insertion member 20.
  • ultrasonic energy generated from the ultrasonic wave generator 100 may be included in the target object ( 10) can be advantageous in terms of pinning efficiency since it can be concentrated inside.
  • FIG. 7 illustrates a case in which at least a part of the ultrasonic wave generator 100 is inserted from the upper surface of the object 10 and the insertion member 20 on the opposite side is inserted from the lower surface of the object 10. Although illustrated, the reverse may also be understood. That is, even when at least a part of the ultrasonic wave generator 100 is implemented to be inserted into the object 10, the insertion direction of the insertion member 20 with respect to the object 10 may be selectively applied. .
  • the ultrasonic wave is supplied in the standing wave form to pinning the inner wall of the workpiece, the pinning of the inner wall of the workpiece by changing the ultrasonic reflection point so that the position of the pressure antinode of the standing wave is changed.
  • a selective and uniform pinning result can be obtained.

Abstract

본 발명은 초음파 피닝 시스템의 피닝 위치 제어 기술에 관한 것으로, 초음파를 발생시키는 초음파 발생부; 상기 초음파 발생부와 접촉 및 연속하도록 배치되며, 내부에 초음파 전달 매질을 포함하고 상기 초음파 전달 매질을 통해 상기 초음파를 방사시키는 초음파 방사부; 상기 초음파 방사부 내에 배치되는 피처리물의 내부 공간에 삽입되도록 구성되는 삽입부재를 포함하며, 상기 삽입 부재는 상기 피처리물의 일측으로부터 상기 내부 공간에 삽입되고, 상기 초음파 발생부에서 발생된 초음파가 상기 초음파 전달 매질을 통해 상기 피처리물의 타측으로부터 전달되며, 상기 초음파 전달 매질을 통해 전달되는 초음파가 상기 피처리물의 내부 공간에 삽입되어 있는 상기 삽입부재의 면에서 반사되어 정상파(standing wave)로 상기 초음파 전달 매질 내에 형성됨으로써 상기 정상파에 의해 상기 피처리물의 내벽이 피닝(peening)되며, 상기 삽입부재의 삽입 정도에 따라 상기 피처리물의 상기 내벽의 피닝 위치가 조절될 수 있다.

Description

초음파 내벽 피닝 시스템의 피닝 위치 제어 장치
본 발명은 초음파 피닝 시스템에 관한 것으로, 특히 피처리물 내벽의 피닝 위치를 제어하는 기술에 관한 것이다.
금속 부품의 소형화나 경량화에 따라 기계 부품의 피로 강도 개선방법 중 하나인 피닝(peening)은, 일반적으로 금속 표면에 압력을 가할 수 있는 수단을 분사시켜 때리는 방식으로 표면 강도를 개선하는 기계적인 표면 처리기술로, 샷 피닝(shot peening) 또는 레이저 피닝(laser peening) 등이 대표적이다.
샷 피닝은 샷볼(shot ball)이라고 불리는 작은 금속 입자를 고속으로 피처리물 표면에 발사하여 작은 샷볼 입자가 피처리물 표면을 강타하면서 그 표면에 압축잔류응력을 부여하는 방법이다. 압축잔류응력은 소성변형으로 인해 소재가 변형된 후 외력이 모두 제거된 상태에서도 소재에 남아 있는 응력을 말하는 것으로, 피닝을 통해 피처리물 표면에 부여된 압축잔류응력으로 인해 피처리물의 피로 수명을 연장할 수 있다. 샷 피닝은 특히 굽힘이나 뒤틀림을 받거나 반복하중을 받는 금속 기계부품의 내구 수명 연장에 효과적이나, 금속재료 표면의 충분한 강도와 세밀한 처리를 제공하지 못하여 정밀 부품에 적용하기에는 한계가 있다.
레이저 피닝은 피처리물 표면에 도막층을 형성한 뒤 레이저 빔을 조사하여 생성된 플라즈마의 압력에 의해 형성된 충격파를 통해 피처리물 표면에 압축잔류응력을 부여하는 방법이다. 이는, 종래의 샷 피닝보다 최대 10배 깊이까지 압축잔류응력을 생성시킬 수 있어 우수한 효과를 나타내고 있으나, 높은 장치 및 공정 비용으로 인해 항공기 부품 등에 제한적으로 적용되고 있다.
또한, 이러한 종래의 피닝 기술들은 보어홀(borehole)과 같은 파이프 형태의 내벽이나 기어(gear)의 톱니 옆면 등과 같은 소재의 피처리물의 내벽은 샷볼의 접근성이 매우 떨어져 피닝시 샷볼의 입사각이 매우 제한적으로 설정되어야 한다. 또한, 한 끝면이 막힌 홀을 가진 피처리물에 피닝 수행시 샷볼들이 홀 안에 적재됨으로써 피닝 구현이 제한적이다.
본 발명의 실시예는 상술한 바와 같은 상황을 감안한 것으로, 초음파를 정상파(standing wave) 형태로 공급하여 피처리물의 내벽을 피닝 처리하되, 피처리물 내벽의 피닝 위치를 제어하여 선별적이고 균일한 피닝 결과를 얻을 수 있는 피닝 위치 제어 기술을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 초음파를 발생시키는 초음파 발생부; 상기 초음파 발생부와 접촉 및 연속하도록 배치되며, 내부에 초음파 전달 매질을 포함하고 상기 초음파 전달 매질을 통해 상기 초음파를 전달하는 초음파 방사부; 및 상기 초음파 방사부 내에 배치되는 피처리물의 내부 공간에 삽입되도록 구성되는 삽입부재를 포함하며, 상기 삽입 부재는 상기 피처리물의 일측으로부터 상기 내부 공간에 삽입되고, 상기 초음파 발생부에서 발생된 초음파가 상기 초음파 전달 매질을 통해 상기 피처리물의 타측으로부터 전달되며, 상기 초음파 전달 매질을 통해 전달되는 초음파가 상기 피처리물의 내부 공간에 삽입되어 있는 상기 삽입부재의 면에서 반사되어 정상파(standing wave)로 상기 초음파 전달 매질 내에 형성됨으로써 상기 정상파에 의해 상기 피처리물의 내벽이 피닝(peening)되며, 상기 삽입부재의 삽입 정도에 따라 상기 피처리물의 상기 내벽의 피닝 위치가 조절되는 피닝 위치 제어 장치를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 피닝 위치는, 상기 정상파의 압력 안티노드(pressure antinode)에 대응하는 위치일 수 있다.
또한, 상기 피처리물의 내벽은, 상기 압력 안티노드에 대응하는 위치에서 캐비테이션(cavitation)에 의해 피닝 처리될 수 있다.
또한, 상기 피처리물의 상기 내부 공간에 삽입되어 있는 상기 삽입부재의 상기 면은 상기 초음파 발생부로부터 발생된 초음파를 반사시키는 반사면을 가질 수 있다.
또한, 상기 반사면은 강체(rigid body)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 피처리물은 노즐(nozzle)의 내벽을 포함할 수 있다.
또한, 상기 삽입부재는 봉(rod)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 초음파는, 상기 초음파 전달 매질과 상기 반사면과의 음향 임피던스 차이에 의해 반사되어 상기 정상파로 증폭되어 상기 초음파 전달 매질 내에 형성될 수 있다.
또한, 상기 초음파 발생부는, 상기 피처리물의 상기 타측으로부터 상기 피처리물의 상기 내부 공간에 적어도 일부가 삽입될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 초음파를 정상파 형태로 공급하여 피처리물의 내벽을 피닝 처리하되, 피처리물 내벽의 피닝 위치를 제어하여 선별적이고 균일한 피닝 결과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 피닝 시스템의 피닝 위치 제어 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 피처리물(10)과 삽입부재(20)의 평면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 피닝 위치 제어 장치의 동작 과정의 일 예를 설명하는 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 피닝 위치 제어 장치의 동작 과정의 다른 예를 설명하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 피닝 위치 제어 장치에서 초음파 발생부가 피처리물의 내부에 부분 삽입된 경우를 예시한 단면도이다.
본 발명의 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 도면부호는 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.
본 발명의 실시예는 피처리물의 내벽을 효과적으로 피닝 처리할 수 있는 초음파 내벽 피닝 위치 제어 장치를 제공할 수 있다. 구체적으로, 초음파 방사부 내에 피처리물을 배치하고, 초음파 전달 매질과 초음파를 반사하는 초음파 반사면과의 음향 임피던스 차이에 의해 반사되어 형성되는 정상파(standing wave)의 압력 안티노드(pressure antinode)에서 초음파 전달 매질 내에 집중적으로 발생하는 캐비테이션(cavitation)을 통해 압력 안티노드 위치에서 초음파 전달 매질과 접한 피처리물의 내벽을 피닝 처리하되, 초음파 반사면의 위치를 피처리물 내에서 이동시켜 정상파의 압력 안티노드의 위치가 변경되도록 구현할 수 있어 내벽의 피닝 위치를 제어할 수 있다.
일반적으로, 정상파는 동일한 매질 내에서 진폭과 파장이 같으나 진행방향이 반대인 두 개의 정현파가 중첩할 때, 일정한 진폭을 가지고 주기적으로 진동하면서 파동이 서있는 것처럼 보이는 합성파를 의미한다. 이러한 정상파에서 압력진폭(pressure amplitude)이 0이 되는 점을 압력 노드(pressure node, 마디), 압력진폭이 최대가 되는 점을 압력 안티노드라 명명한다.
또한, 캐비테이션은 정상파의 파동 전파에 따라 매질 내에 기포가 생성되고 이러한 기포로 인해 발생하는 공동(cavity)을 의미하는 것으로, 이러한 정상파에 의해 매질 내에 형성된 캐비테이션은 피처리물의 측면 영역에 접촉하면서 수십 밀리초(millisecond) 정도의 짧은 순간에 순간적으로 수백 기압 이상의 압력과 고열을 발생시켜 피처리물의 측면에 압축잔류응력을 부여하면서 피처리물을 피닝 처리할 수 있다. 더욱 상세하게는, (-)압력에서는 공동(cavity)이 성장하고 시간이 흐르면서 공동이 최대로 성장하다가 (+)압력에서는 공동이 압축되며 붕괴된다.
본 발명의 실시예에서는 이와 같은 구조적 특징을 통해 초음파 발생부에서 발생된 초음파를 정상파 형태로 이용함으로써, 정상파에 의해 피처리물의 표면에 구현된 압력 안티노드 위치에서 캐비테이션을 통한 피닝 처리를 수행하되, 정상파의 반사면 위치를 변경하여 압력 안티노드에 대응하는 피닝 위치가 변경되도록 구현하였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 피닝 시스템의 피닝 위치 제어 장치에 대한 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 초음파 발생부(100)는 초음파 방사부(200)와 접촉되어 배치되어 있다. 이러한 초음파 발생부(100)의 위치는 피닝 처리 대상인 피처리물(10)의 배치에 따라 용이하게 변경하여 배치될 수 있으며, 초음파 발생부(100)에서 발생된 초음파가 초음파 방사부(200)로 용이하게 전달될 수 있는 면이 초음파 방사부(200)와 접촉되어 배치된 것일 수 있다.
구체적으로, 초음파 발생부(100)는 압전층 및 압전층의 양면에 배치된 두 개의 전극으로 이루어진 압전소자(미도시)를 포함하는 것일 수 있다. 압전소자는 초음파 변환기(ultrasonic transducer)로서, 도시 생략된 전원 공급 장치로부터 전기에너지를 공급받으면 공진하여 초음파를 생성할 수 있다. 더욱 상세하게는, 압전소자에 교류 전류를 인가하면, 압전재가 변형되고 결정이 압축과 팽창을 반복하여 기계적 진동이 일어나면서 초음파를 발생시키는 역압전효과(reverse piezoelectric effect)를 이용하는 것일 수 있다. 이러한 초음파 발생부(100)를 통해 발생되는 초음파의 주파수 출력 범위는, 예를 들어 20 내지 40 KHz일 수 있다.
이와 같이 압전소자를 구성하는 압전층은, 예를 들어, PZT(lead zirconate titanate), PMN-PT(lead magnesium niobate-lead titanate), PZN-PT(lead zinc Niobate-lead titanate), PIN-PT(lead indium niobate-lead titanate), PYN-PT(lead ytterbium niobate-lead titanate), BNT(BaNiTiO3) 및 BZT-BCT(barium zirconate titanate-barium calcium titanate), 세라믹, 고분자 재료가 복합된 압전소재 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 또한, 압전층의 양면에 배치된 두 개의 전극은 통상의 전극물질을 모두 사용할 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄(Al)이나 은(Ag)을 사용할 수 있다.
초음파 방사부(200)는 초음파 발생부(100)에서 발생된 초음파를 초음파 방사부(200) 내에 배치되는 피처리물(10)로 전달하는 초음파 전달 매질(210)을 포함할 수 있다. 초음파 전달 매질(210)은 초음파 발생부(100)에서 발생되는 초음파를 피처리물(10)로 전달하기 위한 물질을 말하며, 예를 들어, 물, 젤, 다양한 기름 등을 사용할 수 있다. 초음파 전달 매질(210)은 초음파 방사부(200) 내부공간 전체 또는 일부 영역에 충진되는 것일 수 있다. 초음파 전달 매질(210)은 용액 속의 용존가스가 상술한 캐비테이션의 강도를 저하시킬 수 있기 때문에, 용존가스를 모두 제거시킨, 탈기처리된 형태로 사용하는 것일 수 있다. 초음파 방사부(200)를 구성하는 외부프레임은 초음파 전달 매질(210)의 물성에 변화를 주지 않는 통상의 재질을 사용할 수 있다.
피처리물(10)은 초음파 방사부(200) 내에 배치될 수 있으며, 초음파 발생부(100)에서 발생된 초음파가 초음파 전달 매질(210)을 통해 그 일측으로부터 전달되도록 구성될 수 있다. 이러한 피처리물은 타측이 개방된 구조일 수 있으며, 예를 들어 노즐(nozzle)을 포함할 수 있다.
삽입부재(20)는 피처리물(10)의 타측으로부터 피처리물(10)의 내부에 삽입될 수 있다. 이러한 삽입부재(20)는 초음파 전달 매질(210)을 통해 전달되는 초음파가 삽입부재(20)의 일면, 예컨대 삽입부재(20)의 피처리물(10) 내에 삽입되어 있는 면에서 반사되어 정상파로 초음파 전달 매질(210) 내에 형성됨으로써 정상파의 압력 안티노드에서 피처리물(10)의 내벽이 집중적으로 피닝 처리될 수 있게 한다. 이때의 피닝 위치는 정상파의 압력 안티노드에 대응하는 위치일 수 있다. 따라서, 피처리물(10)의 내벽은 이러한 압력 안티노드에 대응하는 위치에서 캐비테이션에 의해 피닝 처리될 수 있다. 피처리물(10)의 내부에 삽입되는 삽입부재(20)는, 예를 들어 봉(rod)을 포함할 수 있다.
한편, 삽입부재(20)의 피처리물(10) 내에 삽입되어 있는 면에는, 초음파 발생부(100)로부터 발생된 초음파를 반사시켜 초음파를 정상파 형태로 피처리물(10)에 전달하기 위한 초음파 반사면(22)을 구비할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 삽입부재(20)의 일면(삽입부재(20)의 피처리물(10) 내에 삽입되어 있는 면)에서 초음파가 반사되도록 구현할 수도 있고, 초음파의 반사 효율을 높이기 위해 별도의 삽입부재(20)의 일면에 배치되는 초음파 반사면(22)을 더 구비할 수도 있다. 이러한 초음파 반사면(22)은 초음파 전달 매질(210)의 음향 임피던스와 음향 임피던스 값이 다른 물질, 예를 들어 외력이 가해지더라도 형태나 크기가 변하지 않는 강체(rigid body)를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 피처리물(10)과 삽입부재(20)의 평면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 피처리물(10)은 원통형의 노즐일 수 있으며, 삽입부재(20)는 이러한 피처리물(10)의 내부에 삽입되는 봉일 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 피닝 위치 제어 장치의 동작 과정의 일 예를 설명하는 단면도이다. 도 3 및 도 4의 실시예는 삽입부재(20)를 피처리물(10)의 상부면에서 삽입하는 경우를 예시한 것이다.
먼저, 도 3은 초음파 발생부(100)로부터 발생된 초음파가 삽입부재(20)의 피처리물(10) 내에 삽입되는 면에 형성된 초음파 반사면(22)에서 반사되어 정상파로 형성됨으로써, 이 정상파에 의해 피처리물(10)의 내벽이 피닝되는 것을 예시한 것이다. 피처리물(10)의 내벽에서 집중적으로 피닝되는 위치는, 도 3의 부호 A와 같이 정상파의 압력 안티노드에 대응하는 위치일 수 있다.
도 4는 도 3과 같이 삽입부재(20)가 피처리물(10) 내에 삽입된 상태에서, 일정 구간 삽입부재(20)가 이동된 경우를 예시한 것이다.
삽입부재(20)가 피처리물(10) 내에서 일정 구간 이동하게 되면, 삽입부재(20)의 반사면(22)에 위치하는 정상파의 압력 노드를 기준으로 전체 압력 노드의 위치가 변하게 되고, 따라서, 정상파의 압력 안티노드의 위치도 변하게 된다. 도 4에서 부호 A´는 변경된 압력 안티노드의 위치를 예시한 것이다.
결과적으로, 삽입부재(20)의 이동에 의해 정상파의 반사면(22)에서의 압력 노드 및 압력 안티노드의 위치가 변경되고, 변경된 압력 안티노드에 대응하는 위치에서 피닝이 처리될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 피닝 위치 제어 장치의 동작 과정의 다른 예를 설명하는 단면도이다. 도 3 및 도 4의 실시예와 달리, 도 5 및 도 6은 삽입부재(20)의 삽입 방향을 반대로 하여 삽입부재(20)를 피처리물(10)의 하부면에서 삽입하는 경우를 예시한 것이다.
도 5 및 도 6의 실시예는, 삽입부재(20)의 삽입 방향을 제외하고, 초음파 반사면(22)에서 반사되어 형성된 정상파에 의해 피처리물(10)의 내벽이 피닝되는 도 3 및 도 4의 실시예와 동일하기 때문에, 구체적인 동작 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이, 피처리물(10)에 대한 삽입부재(20)의 삽입 방향은 피닝 작업 환경(예를 들어, 원자로 노즐의 내벽을 피닝하는 작업 환경)에 따라 선택적으로 적용될 수 있는 것으로, 삽입부재(20)의 삽입 방향에 제한을 둘 필요는 없다. 다만, 이러한 기술적 사상은 본 발명의 특허청구범위로부터 명확해 질 것이다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 피닝 위치 제어 장치에서 초음파 발생부(100)의 일부가 피처리물(10)의 내부에 삽입된 경우를 예시한 단면도이다.
구체적으로, 초음파 발생부(100)는, 삽입부재(20)의 피처리물(10)의 내부 공간에 삽입되어 있는 면의 반대면에서 적어도 일부가 삽입될 수 있다.
도 7의 실시예와 같이, 초음파 발생부(100)의 적어도 일부가 피처리물(10)의 내부에 삽입되도록 구현한 경우에는, 초음파 발생부(100)로부터 발생된 초음파 에너지를 피처리물(10)의 내부로 집중시킬 수 있기 때문에 피닝 효율성 측면에서 유리해질 수 있다.
도 7은 초음파 발생부(100)의 적어도 일부가 피처리물(10)의 상부면으로부터 삽입되고, 그 반대면의 삽입부재(20)가 피처리물(10)의 하부면으로부터 삽입되는 경우를 예시하였으나, 그 반대의 경우도 구현이 가능함을 이해해야 할 것이다. 즉, 초음파 발생부(100)의 적어도 일부가 피처리물(10)의 내부에 삽입되도록 구현한 경우에도, 피처리물(10)에 대한 삽입부재(20)의 삽입 방향은 선택적으로 적용될 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 초음파를 정상파 형태로 공급하여 피처리물의 내벽을 피닝 처리하되, 정상파의 압력 안티노드의 위치가 변경되도록 초음파 반사 지점을 변경하여 피처리물 내벽의 피닝 위치를 제어함으로써, 선별적이고 균일한 피닝 결과를 얻을 수 있게 구현한 것이다.

Claims (9)

  1. 초음파를 발생시키는 초음파 발생부;
    상기 초음파 발생부와 접촉 및 연속하도록 배치되며, 내부에 초음파 전달 매질을 포함하고 상기 초음파 전달 매질을 통해 상기 초음파를 전달하는 초음파 방사부; 및
    상기 초음파 방사부 내에 배치되는 피처리물의 내부 공간에 삽입되도록 구성되는 삽입부재를 포함하며,
    상기 삽입 부재는 상기 피처리물의 일측으로부터 상기 내부 공간에 삽입되고, 상기 초음파 발생부에서 발생된 초음파가 상기 초음파 전달 매질을 통해 상기 피처리물의 타측으로부터 전달되며, 상기 초음파 전달 매질을 통해 전달되는 초음파가 상기 피처리물의 내부 공간에 삽입되어 있는 상기 삽입부재의 면에서 반사되어 정상파(standing wave)로 상기 초음파 전달 매질 내에 형성됨으로써 상기 정상파에 의해 상기 피처리물의 내벽이 피닝(peening)되며, 상기 삽입부재의 삽입 정도에 따라 상기 피처리물의 상기 내벽의 피닝 위치가 조절되는
    피닝 위치 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피닝 위치는, 상기 정상파의 압력 안티노드(pressure antinode)에 대응하는 위치인
    피닝 위치 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 피처리물의 내벽은, 상기 압력 안티노드에 대응하는 위치에서 캐비테이션(cavitation)에 의해 피닝 처리되는
    피닝 위치 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 피처리물의 상기 내부 공간 내에 삽입되어 있는 상기 삽입부재의 상기 면은 상기 초음파 발생부로부터 발생된 초음파를 반사시키는 반사면을 갖는
    피닝 위치 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 반사면은 강체(rigid body)를 포함하는
    피닝 위치 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 피처리물은 노즐(nozzle)의 내벽을 포함하는
    피닝 위치 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 삽입부재는 봉(rod)을 포함하는
    피닝 위치 제어 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 초음파는, 상기 초음파 전달 매질과 상기 반사면과의 음향 임피던스 차이에 의해 반사되어 상기 정상파로 증폭되어 상기 초음파 전달 매질 내에 형성되는
    피닝 위치 제어 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 발생부는, 상기 피처리물의 상기 타측으로부터 상기 피처리물의 상기 내부 공간에 적어도 일부가 삽입되는
    피닝 위치 제어 장치.
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