WO2020091124A1

WO2020091124A1 - 초음파 피닝 장치

Info

Publication number: WO2020091124A1
Application number: PCT/KR2018/013293
Authority: WO
Inventors: 정성환
Original assignee: 단국대학교 산학협력단
Priority date: 2018-11-02
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2020-05-07

Abstract

본 발명의 일실시예는 음향 유동(Acoustic Streaming)을 제한하여 캐비티(cavity)에 의한 피닝 효과를 높일 수 있는 초음파 피닝 장치를 제공한다. 여기서, 초음파 피닝 장치는 유체에 접촉되는 대상 표면을 초음파 피닝하는 초음파 피닝 장치로서, 프로브 본체부, 프로브 팁부 그리고 덮개부를 포함한다. 프로브 팁부는 프로브 본체부의 일단부에 연장 형성되고, 초음파를 방사하여 유체에 캐비티(cavity)와 음향 유동을 발생시킨다. 덮개부는 프로브 팁부가 삽입되도록 축방향으로 관통 형성되어 양단부가 개방되는 중공부를 가지고, 일단부는 대상 표면에 접촉되어 중공부에 수용되는 유체에 발생하는 음향 유동을 제한하여 캐비티가 중공부 외부로 유출되는 것이 방지되도록 한다.

Description

초음파 피닝 장치

본 발명은 초음파 피닝 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 음향 유동(Acoustic Streaming)을 제한하여 캐비티(cavity)에 의한 피닝 효과를 높일 수 있는 초음파 피닝 장치에 관한 것이다.

피닝(Peening)은 금속 부품의 소형화나 경량화에 따라 기계 부품의 피로 강도 개선방법 중 하나이다. 피닝은 일반적으로 금속 표면에 압력을 가할 수 있는 수단을 분사시켜 타격하는 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 피처리물의 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.

한편, 레이저 피닝은 피처리물의 표면에 도막층을 형성한 뒤 레이저 빔을 조사하여 생성된 플라즈마의 압력에 의해 형성된 충격파를 통해 피처리물 표면에 압축잔류응력을 부여하는 방법이다.

레이저 피닝은 샷 피닝보다 최대 10배 깊이까지 압축잔류응력을 생성시킬 수 있어 우수한 효과를 나타내고 있으나, 장치 및 공정 비용이 높아서 항공기 부품 등에 제한적으로 적용되고 있다.

초음파 피닝은 유체에 초음파를 가진시켰을 때 발생하는 캐비테이션(Cavitation)을 이용하는 방법이다. 초음파를 유체에 가진시키면 캐비티(Cavity)가 발생하고 이러한 캐비티가 붕괴될 때 충격파(Shock Wave)가 발생하여 근접된 금속표면에 충격을 주어 압축잔류응력을 부여한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 음향 유동(Acoustic Streaming)을 제한하여 캐비티(cavity)에 의한 피닝 효과를 높일 수 있는 초음파 피닝 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 유체에 접촉되는 대상 표면을 초음파 피닝하는 초음파 피닝 장치로서, 프로브 본체부; 상기 프로브 본체부의 일단부에 연장 형성되고, 초음파를 방사하여 상기 유체에 캐비티(cavity)와 음향 유동을 발생시키는 프로브 팁부; 그리고 상기 프로브 팁부가 삽입되도록 축방향으로 관통 형성되어 양단부가 개방되는 중공부를 가지고, 일단부는 상기 대상 표면에 접촉되어 상기 중공부에 수용되는 상기 유체에 발생하는 상기 음향 유동을 제한하여 상기 캐비티가 상기 중공부 외부로 유출되는 것이 방지되도록 하는 덮개부를 포함하는 초음파 피닝 장치를 제공한다.

또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 유체에 접촉되는 대상 표면을 초음파 피닝하는 초음파 피닝 장치로서, 프로브 본체부; 그리고 상기 프로브 본체부의 일단부에 연장 형성되고, 초음파를 방사하여 상기 유체에 캐비티(cavity)와 음향 유동을 발생시키는 프로브 팁부를 포함하고, 상기 프로브 팁부의 일단부는 상기 프로브 팁부의 일단부의 중앙부에서 상기 대상 표면과의 제1이격거리가 상기 프로브 팁부의 일단부의 가장자리부에서 상기 대상 표면과의 제2이격거리보다 길게 형성되어 상기 프로브 팁부의 일단부에서 상기 음향 유동을 제한하여 상기 캐비티의 체류시간이 늘어나도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 프로브 팁부의 일단부는 상기 가장자리부에서 상기 중앙부 방향으로 연속적으로 오목하게 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 프로브 팁부의 일단부는 상기 가장자리부에서 상기 중앙부 방향으로 단차지게 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 프로브 팁부가 삽입되도록 축방향으로 관통 형성되어 양단부가 개방되는 중공부를 가지고, 일단부는 상기 대상 표면에 접촉되어 상기 중공부에 수용되는 상기 유체에 발생하는 상기 음향 유동을 제한하여 상기 캐비티가 상기 중공부 외부로 유출되는 것이 방지되도록 하는 덮개부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 중공부와 상기 프로브 팁부의 외주면 중에서 적어도 어느 하나에 제공되어 외력에 의하여 탄성 변형되면서 상기 프로브 팁부와 상기 중공부 사이에 간격이 유지되도록 하는 탄성부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 덮개부는 상기 덮개부의 외측에서 상기 중공부의 내부로 유체가 공급되도록 상기 덮개부를 관통하여 형성되는 유체 공급유로를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 덮개부의 일단부는 상기 대상 표면에 밀착되도록 상기 대상 표면의 곡률과 동일한 곡률로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 덮개부는 상기 대상 표면에 밀착되도록 곡률이 변동될 수 있는 탄성소재로 형성되는 접촉부와, 상기 접촉부의 상부에 구비되는 바디부를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 덮개부는 상기 대상 표면의 곡률의 영향을 받지 않게 상기 덮개부의 타단부에서 상기 덮개부의 일단부 방향으로 갈수록 단면적이 감소하도록 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 일단부는 상기 프로브 본체부에 결합되고 타단부는 상기 덮개부에 결합되어 상기 덮개부가 상기 프로브 본체부에 착탈 가능하게 고정되도록 하는 고정부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고정부는 상기 프로브 팁부의 길이 방향으로 배치되는 연결부와, 상기 연결부에서 상기 프로브 본체부 쪽으로 절곡 연장되어 상기 프로브 본체부에 결합되는 제1결합부와, 상기 연결부에서 상기 덮개부 쪽으로 절곡 연장되어 상기 덮개부에 결합되는 제2결합부를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고정부는 상기 제1결합부의 일단부에 구비되는 제1자석과, 상기 제2결합부의 일단부에 구비되는 제2자석을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 프로브 본체부는 상기 프로브 본체부의 외주면에 돌출 형성되고 상기 덮개부의 상부에 밀착되어 상기 덮개부를 상기 대상 표면으로 가압함과 동시에 상기 프로브 팁부의 일단부와 상기 대상 표면 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 하는 걸림턱을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 덮개부의 상부와 상기 걸림턱의 사이에 구비되고, 상기 프로브 팁부의 진동을 흡수하여 상기 진동이 상기 덮개부로 전달되지 않도록 하는 댐핑부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 댐핑부는 상기 덮개부의 타단부에 링 형상으로 결합되는 고정 플랜지와, 상기 고정 플랜지로부터 높이 방향으로 이격되는 유동 플랜지와, 상기 고정 플랜지와 상기 유동 플랜지 사이에 구비되는 탄성부재와, 상기 탄성부재를 감싸도록 상기 고정 플랜지와 상기 유동 플랜지 사이에 설치되고, 길이 방향으로 신축되는 신축커버를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 초음파를 방사하는 프로브 팁부를 덮개부로 감싸서 음향 유동(Acoustic Streaming)을 제한함으로써 초음파 방사에 의해 발생하는 캐비티(cavity)가 주변으로 분산되지 않고 덮개부의 내부에 국한되도록 하여 초음파 피닝 효과를 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 초음파를 방사하는 프로브 팁부를 일단부가 오목하게 형성되어 음향 유동(Acoustic Streaming)을 제한함으로써 초음파 방사에 의해 발생하는 캐비티(cavity)가 프로브 팁부의 일단부의 내부에서 체류되는 시간이 늘어나도록 하여 초음파 피닝 효과를 높일 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치가 대상물의 대상 표면을 초음파 피닝하기 위하여 설치된 상태를 나타낸 예시도이다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치에서 덮개부가 생략된 경우의 음향 유동을 나타낸 예시도이다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치의 변형예를 나타낸 예시도이다.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치에서 덮개부의 변형예를 나타낸 예시도이다.

도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치에서 덮개부의 다른 변형예를 나타낸 예시도이다.

도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치에서 덮개부의 또 다른 변형예를 나타낸 예시도이다.

도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치에서 고정부가 설치되는 예를 나타낸 예시도이다.

도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치의 프로브 본체부와 덮개부의 결합예를 나타낸 예시도이다.

도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 초음파 피닝 장치에서 댐핑부가 구비되는 예를 나타낸 예시도이다.

도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 초음파 피닝 장치가 대상물의 대상 표면을 초음파 피닝하기 위하여 설치된 상태를 나타낸 예시도이다.

도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 초음파 피닝 장치의 프로브 팁부의 형태를 나타낸 예시도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치가 대상물의 대상 표면을 초음파 피닝하기 위하여 설치된 상태를 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치에서 덮개부가 생략된 경우의 음향 유동을 나타낸 예시도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 초음파 피닝 장치(10)는 프로브 본체부(100), 프로브 팁부(200) 및 덮개부(300)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예가 위에서 나열된 구성들을 포함한다는 의미는 이들 구성으로만 이루어진다는 뜻이 아니라 이들 구성을 기본적으로 포함한다는 뜻으로, 이외에도 다른 구성(예컨대, 초음파 피닝 장치에서 널리 알려진 공지기술)을 포함할 수 있다는 의미이지만, 공지기술에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 유체(1)에 접촉되고 금속으로 이루어지는 대상 표면(21)을 초음파를 이용하여 캐비테이션 피닝하기 위한 장치로서, 이 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 대상물(20)에서 피닝 처리가 필요한 표면(이하, “대상 표면(21)”이라 한다)에 초음파를 방사하여 유체(1)에 캐비티(cavity)(C)를 발생시켜 대상 표면(21)을 캐비테이션 피닝할 수 있다. 여기서, 대상물(20)은 유체(1)가 저장 또는 충전될 수 있는 형태일 수 있고, 원자로를 예로 들 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

캐비테이션 피닝은 액체 환경을 갖는 대상 표면(21)에 기포를 제공하는 과정을 수반하는데, 초음파에 의해 생성된 기포가 붕괴되면서 대상 표면(21)에 충격력을 작용시켜 대상 표면(21)을 캐비테이션 피닝할 수 있다.

프로브 팁부(200)는 프로브 본체부(100)의 일단부에서 대상 표면(21) 쪽을 향해 소정 길이로 연장 형성되는 구성으로서, 프로브 팁부(200)와 프로브 본체부(100)는 일체로 형성될 수 있다.

프로브 팁부(200)는 대상 표면(21)을 향해 초음파를 방사할 수 있다. 프로브 팁부(200)가 초음파를 방사하면 프로브 팁부(200)는 미세하게 가진될 수 있으며, 프로브 팁부(200)에서 방사된 초음파는 프로브 팁부(200) 주변에 채워진 유체(1)를 진동시켜 캐비티와 음향 유동(Acoustic Streaming)(AS)을 발생시킬 수 있다. 즉, 초음파 가진 시에는 캐비티 생성뿐만 아니라 음향 유동도 동시에 발생하게 되며, 음향 유동은 프로브 팁부(200) 단면으로부터 외부로 분산하는 방향으로 발생한다.

여기서, 유체(1)는 일반적으로 원자로의 냉각수로 쓰이는 물이 사용될 수 있으나, 물 이외의 다른 액체도 필요에 따라 사용할 수 있다.

한편, 덮개부(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 프로브 팁부(200)를 감싸도록 내부에 소정의 직경을 갖는 중공부(310)가 축방향으로 관통 형성될 수 있고 그 양단부는 개방될 수 있다.

중공부(310)는 프로브 팁부(200)의 직경에 대응하도록 형성될 수 있으며, 프로브 팁부(200)의 외주면과 일정한 유격을 유지하도록 이격될 수 있다.

또한 중공부(310)는 도 3에 도시된 바와 같이 프로브 팁부(200)의 형상에 맞추어 프로브 팁부(200)의 외주면의 경사도에 대응하도록 그 내부에 경사면이 형성될 수도 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 평면으로 형성될 수도 있는바, 이는 필요에 따라 적절하게 선택할 수 있다.

또한, 프로브 팁부(200)가 중공부(310)를 통해 덮개부(300)에 삽입된 후 초음파를 이용한 캐비테이션 피닝을 위하여 덮개부(300)의 일단부(320)는 대상 표면(21)에 접촉될 수 있다.

도 2에서 보는 바와 같이, 만일, 덮개부(300)의 구성이 생략된 경우, 초음파에 의해 발생하는 캐비티(C)들은 음향 유동(AS)과 함께 외부로 분산되기 때문에, 피닝 대상 표면(21) 부위에 형성된 캐비티들의 밀도를 감소시켜 캐비티에 의한 피닝 효과를 제한시키는 문제점이 있다.

그러나, 본 발명에서는 덮개부(300)의 일단부(320)가 대상 표면(21)에 접촉됨에 따라 초음파에 의해 발생한 캐비티 및 음향 유동이 중공부(310)의 외부로 빠져 나가지 않고 덮개부(300)의 내부에 가두어질 수 있다. 이처럼, 덮개부(300)에 의해 대상 표면(21)과의 틈새가 차폐될 수 있기 때문에 음향 유동이 제한되어 중공부 내부에 발생한 모든 캐비티들이 중공부(310) 내부에 있는 대상 표면(21)에 집중적으로 전달될 수 있어 캐비테이션 피닝 효과는 극대화될 수 있다. 더하여, 음향 유동에 의해 발생하는 수퍼캐비티(supercavity)의 발생을 억제하여 초음파 피닝 효과를 높일 수도 있다.

한편, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치의 변형예를 나타낸 예시도인데, 도 4에서 보는 바와 같이 본 발명의 일실시예는 프로브 팁부(200)와 덮개부(300) 사이에 제공되는 탄성부(400)를 더 포함할 수 있다.

탄성부(400)는 덮개부(300)의 중공부(310)와 프로브 팁부(200)의 외주면 중에서 적어도 어느 하나에 제공될 수 있다. 즉, 탄성부(400)는 중공부(310)에만 돌출되도록 제공될 수도 있고, 프로브 팁부(200)의 외주면에만 돌출되도록 제공될 수도 있으며, 양측에 모두 제공될 수도 있다.

탄성부(400)는 프로브 팁부(200)와 덮개부(300)의 중공부(310) 사이에 간격이 유지되도록 할 수 있다.

그리고, 탄성부(400)는 덮개부(300)의 일단부가 대상 표면(21)에 접촉될 때 대상 표면(21)으로부터 받는 반력에 의해 덮개부(300)가 프로브 팁부(200)에 가할 수 있는 충격력을 완충시킬 수 있다.

또한, 탄성부(400)는 프로브 팁부(200)가 덮개부(300)의 중공부(310)에 삽입될 때 프로브 팁부(200)의 외주면이 중공부(310)의 내면과 충돌하는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 덮개부(300)의 일단부(320)가 대상 표면(21)에 밀착된 상태에서 프로브 팁부(200)가 대상 표면(21) 쪽으로 더 가압되더라도 탄성부(400)는 탄성 수축하면서 프로브 팁부(200)에 의한 가압력을 완충시키고, 프로브 팁부(200)가 덮개부(300)의 중공부(310)에 부딛히지 않도록 함으로써 프로브 팁부(200) 및 덮개부(300)의 중공부(310)가 손상되지 않도록 할 수 있다.

그리고, 도 4에서 보는 바와 같이, 덮개부(300)에는 별도의 유체 공급유로(330)가 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 초음파 피닝 장치는 원자로와 같이 유체가 충전되어 있는 대상 표면(21)을 캐비테이션 피닝하게 되지만, 유체가 없거나, 유체의 양이 부족한 경우 외부에서 유체를 덮개부(300) 내부에 공급할 필요가 있다.

유체 공급유로(330)는 덮개부(300)의 외측에서 중공부(310)의 내부에 유체가 공급되도록 덮개부(300)를 관통하여 형성될 수 있다.

일 예로, 유체 공급유로(330)는 덮개부(300)의 타단부(321)로부터 덮개부(300)의 내부를 통해 중공부(310)의 일단부(320)로 길게 형성될 수 있으며, 유체를 공급하는 유체 공급기(미도시)와 연결되어 외부의 유체를 제공받을 수 있다. 유체 공급유로(330)를 통해 중공부(310)로 공급되는 유체는 중공부(310)에 저장될 수 있다.

이와 같이 유체 공급유로(330)는 유체가 없는 대상물(20)에서도 덮개부(300) 내부의 중공부(310)로 유체를 공급하여 초음파를 이용한 캐비테이션 피닝을 수행할 수 있도록 해준다.

도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 덮개부(300)의 일단부(320)가 대상 표면(21)에 밀착되도록, 덮개부(300)의 일단부(320)는 대상 표면(21)의 곡률과 동일한 곡률로 형성될 수 있다. 이를 통해, 덮개부(300)와 대상 표면(21)과의 접촉 면적이 최대화되어 차폐효과가 증가될 수 있으며, 중공부(310)의 캐비티 및 음향 유동은 중공부(310)의 외부로 빠져 나가지 못하고 중공부(310)의 내부에 국한될 수 있다.

대상 표면(21)은 평면으로 이루어질 수도 있지만, 경우에 따라 소정의 곡률을 갖는 곡면으로 이루어지기도 하므로, 이 경우에도 덮개부(300)의 일단부(320)와 대상 표면(21) 사이의 밀착력이 우수하도록 덮개부(300)의 일단부(320)는 대상 표면(21)의 곡률과 동일한 곡률을 갖도록 형성될 수 있다.

도 6에서 보는 바와 같이, 덮개부(300)는 대상 표면(21)에 밀착되도록 곡률이 변동될 수 있는 탄성소재로 형성되는 접촉부(350)와, 접촉부(350)의 상부에 구비되는 바디부(360)를 가질 수 있다. 접촉부(350)가 탄성소재로 이루어짐에 따라, 덮개부(300)와 대상 표면(21) 간의 차폐 효과는 더욱 높아질 수 있다.

도 7에서 보는 바와 같이, 덮개부(300)는 대상 표면(21)의 곡률에 영향을 받지 않도록 덮개부(300)의 타단부(321)에서 덮개부(300)의 일단부(320) 방향으로 갈수록 단면적이 감소하도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 덮개부(300)는 원뿔형 구조로 형성될 수 있다.

본 실시예에 따르면 덮개부(300)의 일단부(320)의 면적이 크게 줄어들기 때문에 대상 표면(21)의 곡률에 영향을 덜 받을 수 있고 이에 따라 덮개부(300)의 일단부(320)와 대상 표면(21) 간의 밀착력이 증대될 수 있다.

더하여, 덮개부(300)의 일단부에 국부적으로 원형의 구조 및 변형구조물을 제공하여 밀착력을 증대시킬 수도 있다.

도 8에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 피닝 장치(10)는 고정부(500)를 더 포함할 수 있다.

고정부(500)는 덮개부(300)가 움직이지 않고 프로브 본체부(100)에 고정되도록 할 수 있다.

프로브 팁부(200)는 초음파를 방사할 때 가진되어 미세하게 진동되므로 덮개부(300)가 고정되지 않는 경우 덮개부(300) 역시 진동에 의해 움직일 수 있다. 따라서, 덮개부(300)는 움직이지 않는 프로브 본체부(100)에 착탈 가능하게 고정되는 것이 좋다.

고정부(500)는 일단부가 프로브 본체부(100)에 결합되고 타단부는 덮개부(300)에 결합될 수 있으며, 구체적으로 고정부(500)는 연결부(510), 제1결합부(520) 및 제2결합부(530)를 가질 수 있다.

연결부(510)는 프로브 팁부(200)의 길이 방향으로 배치될 수 있다.

제1결합부(520)는 연결부(510)의 일단부에서 프로브 본체부(100) 쪽으로 절곡 연장되어 프로브 본체부(100)에 결합될 수 있다.

그리고, 제2결합부(530)는 연결부(510)의 타단부에서 덮개부(300) 쪽으로 절곡 연장되어 덮개부(300)에 결합될 수 있다.

또한, 고정부(500)는 제1결합부(520)의 일단부에 구비되는 제1자석(521)과, 제2결합부(530)의 일단부에 구비되는 제2자석(531)을 가질 수 있다. 제1결합부(520)에 제1자석(521)이 구비됨으로써, 제1결합부(520)는 프로브 본체부(100)에 쉽고 간편하게 착탈될 수 있다. 그리고, 제2결합부(530)에 제2자석(531)이 구비됨으로써, 제2결합부(530)는 덮개부(300)에 쉽고 간편하게 착탈될 수 있으며, 이를 통해, 고정부(500)는 덮개부(300)가 프로브 본체부(100)에 착탈 가능하게 고정되도록 할 수 있다.

한편, 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 초음파 피닝 장치의 프로브 본체부와 덮개부의 결합예를 나타낸 예시도이다.

도 9에서 보는 바와 같이, 프로브 본체부(100)는 걸림턱(110)을 가질 수 있다. 걸림턱(110)은 프로브 본체부(100)의 외주면에 돌출 형성될 수 있으며, 덮개부(300)의 상부에 밀착되어 덮개부(300)를 대상 표면(21)으로 가압함과 동시에 프로브 팁부(200)의 일단부(210)와 대상 표면(21) 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.

여기서, 걸림턱(110)의 하부에는 얼라인 돌기(111)가 원주방향으로 더 돌출 형성될 수 있으며, 덮개부(300)의 상부에는 얼라인 돌기(111)에 대응되도록 원주방향으로 얼라인 홈(301)이 더 형성될 수 있다. 얼라인 돌기(111)가 얼라인 홈(301)에 결합되면, 프로브 본체부(100), 프로브 팁부(200) 및 덮개부(300)는 동일한 중심을 가지도록 배치될 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 초음파 피닝 장치는 댐핑부(600)를 포함할 수 있다.

댐핑부(600)는 덮개부(300)의 상부와 걸림턱(110)의 사이에 구비될 수 있다. 댐핑부(600)는 프로브 팁부(200)의 진동을 흡수하여 진동이 덮개부(300)로 전달되지 않도록 할 수 있다.

댐핑부(600)는 전체적인 형상이 링 형상을 가지며 덮개부(300)의 상면에 고정 설치될 수 있다. 구체적으로, 댐핑부(600)는 고정 플랜지(610), 유동 플랜지(620), 탄성부재(630) 및 신축커버(640)를 가질 수 있다.

고정 플랜지(610)는 링 형상을 가지며, 덮개부(300)의 타단부의 상면에 고정 결합될 수 있다.

유동 플랜지(620)는 고정 플랜지(610)로부터 높이 방향으로 소정 높이만큼 이격되게 배치될 수 있으며, 걸림턱(110)의 하부에 밀착될 수 있다.

탄성부재(630)는 고정 플랜지(610)와 유동 플랜지(620) 사이에 구비될 수 있으며, 유동 플랜지(620)를 상측으로 탄발 지지할 수 있다.

신축커버(640)는 탄성부재(630)가 외부로 노출되지 않도록 탄성부재(630)를 감싸도록 고정 플랜지(610)와 유동 플랜지(620) 사이에 설치될 수 있다. 신축커버(640)는 덮개부(300)의 길이방향으로 신축될 수 있는데, 예를 들면, 주름이 형성되는 벨로우즈 형태로 형성될 수 있다.

따라서, 프로브 팁부(200)가 덮개부(300)의 중공부(310)에 삽입될 때 걸림턱(110)에 의해 유동 플랜지(620)가 가압되면 탄성부재(630)가 탄성 압축되기 때문에 프로브 팁부(200)가 덮개부(300)에 충돌하는 것이 방지될 수 있다.

또한, 댐핑부(600)는 프로브 팁부(200)가 삽입 후에는 프로브 팁부(200)의 진동이 덮개부(300)에 전달되지 않도록 할 수 있다.

도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 초음파 피닝 장치가 대상물의 대상 표면을 초음파 피닝하기 위하여 설치된 상태를 나타낸 예시도이고, 도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 초음파 피닝 장치의 프로브 팁부의 형태를 나타낸 예시도이다.

도 11 및 도 12에서 보는 바와 같이, 초음파 피닝 장치(10)는 프로브 본체부(100) 및 프로브 팁부(200)를 포함할 수 있다.

도 2에서 보는 바와 같이, 만일, 프로브 팁부(200)의 일단부가 편평하게 형성된 경우, 초음파에 의해 발생하는 캐비티(C)들은 음향 유동(AS)과 함께 외부로 분산되기 때문에, 피닝 대상 표면(21) 부위에 형성된 캐비티들의 밀도를 감소시켜 캐비티에 의한 피닝 효과를 제한시키는 문제점이 있다.

그러나, 본 실시예에서는, 프로브 팁부(200)의 일단부는 프로브 팁부(200)의 일단부의 중앙부(201)에서 대상 표면(21)과의 제1이격거리(G1)가 프로브 팁부(200)의 일단부의 가장자리부(202)에서 대상 표면(21)과의 제2이격거리(G2)보다 길게 형성될 수 있다.

이와 같이, 프로브 팁부(200)의 일단부가 중앙이 오목하게 형성됨에 따라, 프로브 팁부(200)의 일단부에서 음향 유동(AS)을 제한할 수 있고, 이를 통해 캐비티(C)의 체류시간이 늘어나도록 하여, 초음파 피닝 효과를 높일 수 있다.

프로브 팁부(200)의 일단부는 가장자리부(202)에서 중앙부(201) 방향으로 연속적으로 오목하게 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 도 12에서 보는 바와 같이, 프로브 팁부(200)의 일단부는 가장자리부(202a)에서 중앙부(201a) 방향으로 단차지게 형성될 수도 있다.

본 실시예에 따른 초음파 피닝 장치(10)는 제1실시예에서 설명한 바와 같은 캐비티와 음향 유동의 체류시간 증가를 위해 덮개부(300)의 구성을 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 초음파 피닝 장치(10)는, 도 1 내지 도 10을 참조하면서 앞서 설명한 다양한 구성을 포함할 수 있는데, 이와 같은 구성 및 효과와 관련된 설명은 중복되므로 상세한 설명은 생략한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 음향 유동(Acoustic Streaming)을 제한하여 캐비티(cavity)에 의한 피닝 효과를 높일 수 있는 기술 분야에 산업상 이용가능하다.

Claims

유체에 접촉되는 대상 표면을 초음파 피닝하는 초음파 피닝 장치로서,

프로브 본체부;

상기 프로브 본체부의 일단부에 연장 형성되고, 초음파를 방사하여 상기 유체에 캐비티(cavity)와 음향 유동을 발생시키는 프로브 팁부; 그리고

상기 프로브 팁부가 삽입되도록 축방향으로 관통 형성되어 양단부가 개방되는 중공부를 가지고, 일단부는 상기 대상 표면에 접촉되어 상기 중공부에 수용되는 상기 유체에 발생하는 상기 음향 유동을 제한하여 상기 캐비티가 상기 중공부 외부로 유출되는 것이 방지되도록 하는 덮개부를 포함하는 초음파 피닝 장치.
유체에 접촉되는 대상 표면을 초음파 피닝하는 초음파 피닝 장치로서,

프로브 본체부; 그리고

상기 프로브 본체부의 일단부에 연장 형성되고, 초음파를 방사하여 상기 유체에 캐비티(cavity)와 음향 유동을 발생시키는 프로브 팁부를 포함하고,

상기 프로브 팁부의 일단부는

상기 프로브 팁부의 일단부의 중앙부에서 상기 대상 표면과의 제1이격거리가 상기 프로브 팁부의 일단부의 가장자리부에서 상기 대상 표면과의 제2이격거리보다 길게 형성되어 상기 프로브 팁부의 일단부에서 상기 음향 유동을 제한하여 상기 캐비티의 체류시간이 늘어나도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제2항에 있어서,

상기 프로브 팁부의 일단부는 상기 가장자리부에서 상기 중앙부 방향으로 연속적으로 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제2항에 있어서,

상기 프로브 팁부의 일단부는 상기 가장자리부에서 상기 중앙부 방향으로 단차지게 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제2항에 있어서,

상기 프로브 팁부가 삽입되도록 축방향으로 관통 형성되어 양단부가 개방되는 중공부를 가지고, 일단부는 상기 대상 표면에 접촉되어 상기 중공부에 수용되는 상기 유체에 발생하는 상기 음향 유동을 제한하여 상기 캐비티가 상기 중공부 외부로 유출되는 것이 방지되도록 하는 덮개부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 중공부와 상기 프로브 팁부의 외주면 중에서 적어도 어느 하나에 제공되어 외력에 의하여 탄성 변형되면서 상기 프로브 팁부와 상기 중공부 사이에 간격이 유지되도록 하는 탄성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 덮개부는 상기 덮개부의 외측에서 상기 중공부의 내부로 유체가 공급되도록 상기 덮개부를 관통하여 형성되는 유체 공급유로를 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 덮개부의 일단부는 상기 대상 표면에 밀착되도록 상기 대상 표면의 곡률과 동일한 곡률로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 덮개부는

상기 대상 표면에 밀착되도록 곡률이 변동될 수 있는 탄성소재로 형성되는 접촉부와, 상기 접촉부의 상부에 구비되는 바디부를 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 덮개부는 상기 대상 표면의 곡률의 영향을 받지 않게 상기 덮개부의 타단부에서 상기 덮개부의 일단부 방향으로 갈수록 단면적이 감소하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제1항 또는 제5항에 있어서,

일단부는 상기 프로브 본체부에 결합되고 타단부는 상기 덮개부에 결합되어 상기 덮개부가 상기 프로브 본체부에 착탈 가능하게 고정되도록 하는 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제11항에 있어서,

상기 고정부는

상기 프로브 팁부의 길이 방향으로 배치되는 연결부와,

상기 연결부에서 상기 프로브 본체부 쪽으로 절곡 연장되어 상기 프로브 본체부에 결합되는 제1결합부와,

상기 연결부에서 상기 덮개부 쪽으로 절곡 연장되어 상기 덮개부에 결합되는 제2결합부를 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제12항에 있어서,

상기 고정부는

상기 제1결합부의 일단부에 구비되는 제1자석과,

상기 제2결합부의 일단부에 구비되는 제2자석을 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 프로브 본체부는

상기 프로브 본체부의 외주면에 돌출 형성되고 상기 덮개부의 상부에 밀착되어 상기 덮개부를 상기 대상 표면으로 가압함과 동시에 상기 프로브 팁부의 일단부와 상기 대상 표면 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 하는 걸림턱을 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제14항에 있어서,

상기 덮개부의 상부와 상기 걸림턱의 사이에 구비되고, 상기 프로브 팁부의 진동을 흡수하여 상기 진동이 상기 덮개부로 전달되지 않도록 하는 댐핑부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.
제15항에 있어서,

상기 댐핑부는

상기 덮개부의 타단부에 링 형상으로 결합되는 고정 플랜지와,

상기 고정 플랜지로부터 높이 방향으로 이격되는 유동 플랜지와,

상기 고정 플랜지와 상기 유동 플랜지 사이에 구비되는 탄성부재와,

상기 탄성부재를 감싸도록 상기 고정 플랜지와 상기 유동 플랜지 사이에 설치되고, 길이 방향으로 신축되는 신축커버를 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 피닝 장치.