KR101338954B1 - 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 장치 및 성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 장치 및 성형 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 방법은 블랭크의 외주면을 가압시키는 메인롤과 상기 블랭크의 내주면을 가압시키는 압력롤과 상기 블랭크의 상부면과 하부면을 가압시키는 한 쌍의 축롤을 포함하는 링 압연 공정에 있어서 상기 압력롤에 돌출형성된 돌출부가 상기 블랭크의 내주면에 형성된 함몰부에 접촉되고, 상기 블랭크의 폭이 변화됨에 따라서 상기 압력롤이 수직이동되는 것을 특징으로 한다.

Description

링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 장치 및 성형 방법{a apparatus and method of ring rolling for product with asymmetrical cross section}

본 발명은 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 장치 및 성형 방법에 관한 것으로서, 비대칭 단면을 가지는 제품을 성형하기 위하여 압력롤을 수직이동시키면서 제품을 성형하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

링 압연공정은 이음매 없는 링 모양의 제품을 연속적으로 가공하여 원하는 치수의 제품, 즉 링 압연품을 제조하는 공정이다. 이러한 링 압연공정은, 풍력 타워, 발전설비, 화학 플랜트, 가스터빈 및 제트엔진용 링부품 등 다양한 분야의 링부품 제조에 적용되고 있다.

상기 링 압연공정은 압연과는 다른 제조공정인 링 단조(Ring Forging) 공정에 비해, 작업속도가 빠르고, 온도유지가 가능하며, 수율 향상 등을 꾀할 수 있다. 특히, 링 압연 공정으로 제조된 링 압연품은 그레인 플로우 라인(Grain Flow Line)이 원주방향으로 끊기지 않고 연속적으로 형성되기 때문에, 우수한 특성을 발현할 수 있는 장점이 있다.

도 1에는 링 압연공정의 전체 공정도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 링 압연공정을 통하여 링 압연품을 만드는 과정을 살펴보면, 우선 빌렛 원소재를 적당한 크기로 가스 절단하거나 기계톱으로 절단하여 예컨대, 원기둥 구조의 초기 빌렛(1)을 준비한다(S1).

다음에, 가열로(2)를 이용하여 초기 빌렛(1)을 목표온도로 가열하고,(S2) 다음에 상기 가열된 초기 빌렛(1)을 단조프레스(3)로 이송한다(S3).

상기 단조프레스(3)의 금형은 미리 예열되며, 이 예열된 금형에 의하여 상기 가열된 초기 빌렛(1)에 대하여 업세팅 단조를 수행함으로써 초기 빌렛(1)을 축방향으로 압축한다(S4).

그리고 초기 빌렛(1)을 업셋팅 단조하여 압축시킨 중간재(1a)는 펀치(4)를 이용하여 구멍을 뚫는 피어싱(Piercing) 공정을 거치게 함으로써, 중공을 가지는 블랭크(Blank, 8)로 만들어 진다(S5).

다음에, 상기 블랭크(8)의 외주를 가압하도록 회전하는 메인롤(5), 상기 블랭크(8)의 내주면을 가압하도록 회전하는 압력롤(Pressure roll,6), 상기 블랭크(8)의 상면을 가압하는 상부 축롤(Axial roll, 7-1), 상기 블랭크(8)의 하부를 가압하는 하부 축룰(7-1) 및 상기 블랭크(8)의 외주를 회전지지하는 다수의 가이드롤(10)이 구비된 링 압연기에 의하여, 상기 블랭크(8)를 링 압연한다(S6). 이 링 압연에 의하여 소정 형상의 링 압연품(11)을 제조할 수 있다(S7).

이러한 링 압연 공정을 통해서 제조되는 제품에는 풍력 타워의 골격을 형성하는 튜브(tube)와 튜브를 연결하는 플랜지가 대표적이며, 도 2는 풍력 타워용 플랜지와 같이 연결부가 형성된 최종 제품의 단면도이다.

도 2에 도시된 플랜지(10)는 용접연결하기 위한 연결부(10a)가 돌출형성되며, 도 1에서 살펴본 링 압연 공정을 통해서 직사각형의 단면을 가지는 링을 제작하고 후가공을 통해서 최종 제품으로 성형하게 된다.

이러한 종래 기술에는 대한민국 특허청에 출원된 출원번호 제10-2009-0131482호(2009.12.28 출원:반가공형상링 성형장치 및 이를 이용한 반가공형상링 제조방법), 출원번호 제10-2010-0007954호(2010.01.28 출원:비대칭형 대형링 제조장치 및 제조방법) 등이 있다.

그러나, 비대칭 단면을 가지는 풍력 타워용 플랜지와 같은 경우 원소재수율(Material Utilization ratio)이 감소하고, 후가공 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.

또한, 블랭크에 비대칭 단면을 형성시키기 위해서 돌출부가 형성된 압력롤로 교체하는 경우 가공 시간이 길어지는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 장치 및 성형 방법는 압력롤의 교체 없이 연속적으로 비대칭 단면을 가지는 제품을 링 압연 공정을 이용하여 성형하는 방법과 성형 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 방법은 블랭크의 외주면을 가압시키는 메인롤과 상기 블랭크의 내주면을 가압시키는 압력롤과 상기 블랭크의 상부면과 하부면을 가압시키는 한 쌍의 축롤을 포함하는 링 압연 공정에 있어서 상기 압력롤에 돌출형성된 돌출부가 상기 블랭크의 내주면에 형성된 함몰부에 접촉되고, 상기 블랭크의 폭이 변화됨에 따라서 상기 압력롤이 수직이동되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 압력롤의 수직이동 위치 변화량(X)는 수학식3에 의한 것임을 특징으로 한다.

수학식3는

이고,

여기서, H는 블랭크와 최종 제품의 높이 차이이고, dT1는 블랭크 함몰부의 높이이고, w1은 함몰부를 제외한 블랭크의 폭이고, w2는 함몰부를 제외한 최종 제품의 폭이고, d1는 블랭크 내경이고, d2는 최종 제품의 내경이고, R는 블랭크와 최종 제품의 함몰부 폭이다.

본 발명에 따른 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 장치 및 성형 방법은 블랭크의 폭이 변화됨에 따라서 압력롤에 돌출형성된 돌출부가 수직이동되면서 성형되므로 원소재수율을 높이고, 후가공 시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 링 압연 공정의 전체 공정도.
도 2는 연결부가 형성된 최종 제품의 단면도.
도 3은 종래 기술에 의한 링 압연 공정에 의한 제품의 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 성형 방법에 의한 제품의 단면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 방법을 예시하는 개념도.
도 6은 압력롤의 이송 방향을 도시하는 개념도.
도 7은 중립선을 예측하기 위한 성형 도식도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 3은 종래 기술에 의한 링 압연 공정에 의한 제품의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 성형 방법에 의한 제품의 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 종래 기술에 의한 경우 최종 제품(10)의 상부면에 연결부(10a)가 형성되는 경우 사각 형태의 단면을 가지는 링 형태의 제품을 성형하는 경우 필연적으로 과다성형부(S)가 발생된다.

따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 성형 방법 및 성형 장치에 따르는 경우 내주면에 함몰부(9a)가 형성된다.

즉, 블랭크의 내주면에 함몰부를 형성시킨 상태에서 링 압연 공정을 이용하여 성형하게 된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 방법을 예시하는 개념도이다.

먼저, 본 발명에 따른 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 방법은 블랭크의 외주면을 가압시키는 메인롤과 상기 블랭크의 내주면을 가압시키는 압력롤과 상기 블랭크의 상부면과 하부면을 가압시키는 한 쌍의 축롤을 포함하는 링 압연기를 이용하는 것은 도 1에서 살펴본 바와 기본적으로 동일하다.

다만, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 방법은 압력롤(6)에 돌출형성된 돌출부(6a)가 상기 블랭크(8)의 내주면에 형성된 함몰부(8a)에 접촉되고, 상기 블랭크(8)의 폭이 변화됨에 따라서 상기 압력롤(6)이 수직이동되는 것을 특징으로 한다.

즉, 일반적인 링 압연 공정에서는 압력롤(6)이 블랭크(8)의 폭이 감소하도록 블랭크의 내주면을 가압하면서 회전하게 되지만, 본 발명에서는 수직이동도 동시에 진행된다.

따라서, 본 발명에 따른 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 장치는 가성형된 블랭크의 내부의 중공 중심선에 대하여 직교하는 방향으로 외주면을 가압시키는 메인롤과, 상기 블랭크의 내주면을 가압시키는 압력롤과, 상기 블랭크의 상부면과 하부면을 가압하여 블랭크의 두께 범위를 제한하는 한 쌍의 축롤을 포함하는 것을 종래의 성형장치와 기본적으로 동일하되, 상기 압력롤은 외주면에 돌출된 돌출부가 형성되고, 수직이동가능하도록 제작된다.

이러한 압력롤의 수직이동 구조는 유압 장치, 기어 장치 등을 통해서 구현될 수 있으며, 이러한 유압 장치와 기어 장치는 제어부를 통해서 압력롤의 수직 높이를 제어할 수 있어야 한다.

도 6은 압력롤의 이송 방향을 도시하는 개념도이다.

즉, 도 6에 도시된 바와 같이 비대칭 단면을 가지는 제품을 성형하는 경우에 블랭크의 형상과 최종제품의 형상 차이로 인하여 중립선의 변화가 없을 경우 각 단면의 체적불균형이 발생하게 되며 그로 인한 결육(underfilling) 및 접힙(folding) 등이 발생하게 된다.

따라서, dH 높이 만큼 압력롤(6)을 수직이동시켜야 하는 것이다.

도 7은 중립선을 예측하기 위한 성형 도식도이다.

도 7에 도시된 도식도에서 블랭크(8)에서 최종 제품(9)으로 성형되는 과정에서 압력롤의 위치 제어가 이루어져야만 블랭크의 상하의 체적균형을 제어할 수 있다.

일반적인 링밀 공정에서 자주 발생되는 물고기꼬리 형상끝단(fishtail), 접힘(folding) 등의 표면결함을 최소화하기 위한 조건으로 링의 두께와 높이 사이의 관계를 정하면 수학식1과 같다.

여기서, T는 높이 S는 두께를 의미하고, 첨자1,2는 블랭크와 최종 제품의 치수를 의미한다.

일반적으로, d1,d2는 피어싱을 위한 펀치의 치수와 최종 제품의 치수에 의하여 결정되므로 금속 소재의 비압축성 조건을 이용한 수학식2를 이용하여 T₁ 을 구할 수 있다.

여기서, 압력롤을 수직이동시키지 않고 성형하는 경우에는 H=0, X=0일 경우는 V1 > V2, V1 < V2가 되고, 두께 방향의 체적변화에 따라 하측 외경면에 결육(underfilling)이 발생하게 된다.

상기 수학식1에서 H값을 구하고, 블랭크와 최종 제품의 체적 일정량 V1=V2조건에서 압력롤의 수직이동 위치 변화량(X)는 수학식3에 의해서 곡선형 이동경로를 얻을 수 있다.

여기서, H는 블랭크와 최종 제품의 높이 차이이고, dT1는 블랭크 함몰부의 높이이고, w1는 함몰부를 제외한 블랭크의 폭이고, w2는 함몰부를 제외한 최종 제품의 폭이고, d1는 블랭크 내경이고, d2는 최종 제품의 내경이고, R는 함몰부의 폭이다.

이상과 같이 본 발명은 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 방법 및 성형 장치를 제공하는 것을 주요한 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시예는 단지 하나의 실시 예에 불과하므로 본 발명의 진정한 범위는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

6: 압력롤
6a: 돌출부
8: 블랭크
8a, 9a: 함몰부

Claims (3)

1. 블랭크의 외주면을 가압시키는 메인롤과 상기 블랭크의 내주면을 가압시키는 압력롤과 상기 블랭크의 상부면과 하부면을 가압시키는 한 쌍의 축롤을 포함하는 링 압연 공정에 있어서,
   상기 압력롤에 돌출형성된 돌출부가 상기 블랭크의 내주면에 형성된 함몰부에 접촉되고, 상기 블랭크의 폭이 변화됨에 따라서 상기 압력롤이 수직이동되고,
   상기 압력롤의 수직이동 위치 변화량(X)는,
   수학식3에 의한 것임을 특징으로 하는 링 압연 공정을 이용한 비대칭 단면을 가지는 제품의 성형 방법.
   수학식3는,
   

   

   
   여기서, H는 블랭크와 최종 제품의 높이 차이이고, dT1는 블랭크 함몰부의 높이이고, w1은 함몰부를 제외한 블랭크의 폭이고, w2는 함몰부를 제외한 최종 제품의 폭이고, d1는 블랭크 내경이고, d2는 최종 제품의 내경이고, R는 블랭크와 최종 제품의 함몰부 폭이다.
   
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