KR100684590B1

KR100684590B1 - 롤러의 열처리 가공 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100684590B1
Application number: KR1020040069386A
Authority: KR
Inventors: 윤우석
Original assignee: 주식회사 진성티이씨
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2007-02-20
Also published as: KR20060020535A; CN1743470A; CN100366763C

Abstract

본 발명에 따른 롤러의 열처리 가공 장치 및 방법은, 가열 통로를 따라 롤러를 순차적으로 이동시키면서 가열하고, 가열된 롤러의 내주면과 외주면에 냉각수 및 공기를 분사하여 냉각시키며, 냉각된 암수 한 쌍의 롤러를 양측에서 가압하여 하나로 압입하고, 롤러의 압입 부분의 둘레를 냉각하면서 남아 있는 잔열을 이용하는 셀프 템퍼링(Self Tempering) 방식으로 용접하여 취출하도록 구성됨으로써, 롤러를 원하는 온도로 균일하게 가열한 후 균일 냉각을 실시하므로 균일한 경도의 롤러를 얻을 수 있고, 또한 강의 잔류 응력을 제거하여 조직을 안정화시킬 수 있으며, 전체적으로는 공정이 단축되고 생산성 및 품질 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

롤러의 열처리 가공 장치 및 방법{Heat treatment manufacturing apparatus and its method}

도 1은 일반적인 롤러가 도시된 단면 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 롤러의 열처리 가공 장치가 도시된 개략적인 전체 구성도,

도 3은 본 발명의 롤러의 열처리 가공 장치에서 냉각부가 도시된 주요부 상세도,

도 4는 본 발명에 따른 롤러의 열처리 가공 방법이 도시된 순서도,

도 5는 본 발명에 따른 롤러의 열처리 가공 방법에서 가열부의 온도 조절 상태 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 장입부 11 : 컨베이어

13 : 푸시 기구 20 : 가열부

21 : 가열 통로 22 : 구획판

23 : 모터 24 : 컨베이어

25 : 전기 히터 26 : 온도 센서

30 : 롤러 이송부 31 : 모터

33 : 체인 35 : 이송 핑거

37 : 컨베이어 40 : 냉각부

41 : 모터 42 : 공압 실린더

43 : 회전체 46 : 내경 노즐

47 : 외경 노즐 48 : 에어 노즐

50 : 압입부 51 : 핑거 클램프

53 : 압입판 55 : 유압 실린더

60 : 용접부 70 : 취출부

71 : 유압 실린더 73 : 받침대

본 발명은 중장비 하부 주행체 구성부품인 롤러의 열처리 가공 장치 및 방법 관한 것으로서, 특히 가열, 냉각, 압입, 셀프 템퍼링(Self Tempering) 기법을 이용한 용접 및 취출이 자동으로 순차적으로 이루어지도록 하여 공정단축, 생산성 향상 및 품질 특성 향상에 기여하는 롤러의 열처리 가공 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 무한궤도 주행체는 포크레인이나 불도저와 같이 농업용, 토목용 차량 등에 사용되며, 군사적으로는 전차, 장갑차 등에 사용되고 있다.

무한궤도차량의 하부 주행체에는 주요 구성품으로 롤러가 구비되는데, 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 롤러 바디(1)가 상호 용접되어 부착되고, 그 사이에 샤프트(3)가 관통되며, 이 샤프트(3)와 롤러 바디(1) 사이에는 부싱(5)이 삽입된다.

그리고, 상기 샤프트(3)의 양 끝단에는 칼라(7)가 각각 결합되며, 이 칼라(7)와 롤러 바디(1) 사이에 한 쌍의 플로팅 실(9)이 장착된다.

여기서, 상기 롤러 바디(1)는 큰 하중을 지지하면서 회전해야 하므로 경도 및 강도가 높아야 하며, 내마모성 및 인성이 커야 한다. 또한, 회전을 원활하게 하기 위해 내부의 치수의 변화가 적어야 하므로 열처리 공정을 통해 강도를 보강하게 된다.

통상 열처리란 가열/냉각 등의 적당한 속도로 조작하여 그 재료의 특성을 개 량하는 조작을 가리킨다. 이러한 열처리에는 담금질, 뜨임 및 풀림 등이 있다.

담금질(Quenching)은 고온에서 급랭하여 마르텐사이트(Martensite) 조직을 얻고자 하는 것으로, 마르텐사이트 조직은 침상조직(針狀組織)으로서 탄소(C)를 과포화로 고용한 페라이트(Ferrite)의 일종으로 내부식성, 경도 및 강도가 대단히 큰 것이 특징이다. 저온 뜨임(Tempering)은 담금질한 후 공석온도 이하로 가열하여 연성과 인성을 향상시키고 잔류 응력을 제거하여 조직을 안정화시킬 목적으로 시행하는 처리이다.

열처리는 제품의 재료나 얻고자 하는 특성이 가열온도, 유지시간, 냉각속도 등에 따라 달라진다. 냉각하는 방법으로는 주로 물 속에 담그는 수냉법, 기름으로 냉각하는 유냉법, 찬 공기 및 가스를 뿜어 공랭시키는 방법 등이 있다.

상기와 같은 열처리 기술은 각종 기계류 성능에 결정적으로 작용하는 부품의 성능, 품질, 내구성 등을 결정하는 핵심기술로서 완성된 기계류의 경쟁력을 높이는데 크게 기여하게 된다.

여기서, 상기한 롤러 바디(1)의 품질은 상기와 같은 열처리에 의해 결정되어진다. 열처리에 의한 변형(distortion)이나 크랙(crack)의 위험이 상존하므로 대부분은 물에 담그는 수냉, 기름을 이용한 유냉, 그리고 냉각공기를 이용한 공냉에 의한 냉각 처리를 하고 있다. 담금질(Quenching) 후, 뜨임(Tempering) 처리시 대부분은 로(爐) 뜨임(Furnace tempering)을 하는데 이는 200~300℃ 로 가열 후 2시간 정도 노(爐) 안에서 냉각하여 잔류 응력을 제거하여 조직을 안정시키기 위함이다.

그러나, 상기 롤러 바디(1)를 물에 담그는 수냉 열처리 방법으로 냉각할 경 우에는 유량 제어가 불가능해 냉각 속도 조절이 어렵고 냉각 후, 뜨임 작업시 설비 추가 및 생산 시간 증가로 인해 작업효율이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 자동 온도 조절이 가능한 가열부, 냉각속도 조절이 가능한 냉각부, 셀프 템퍼링 방법을 이용한 용접부가 연속하여 구성됨으로써 롤러의 열처리 특성을 향상시킴과 아울러 자동 연속 생산에 따른 생산성을 향상 및 작업 환경을 개선할 수 있는 롤러의 열처리 가공 장치 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 롤러의 열처리 가공 장치, 가열 통로가 길게 형성되어 복수개의 롤러가 순차적으로 이동하면서 가열되도록 하는 가열부와; 상기 가열부의 출구 쪽에 위치되어 상기 가열부에서 가열된 롤러의 내주면과 외주면에 냉각수 및 공기를 분사하여 냉각시키는 냉각부와; 상기 냉각부를 거친 암수 한 쌍의 롤러를 압입 실린더를 이용하여 양측에서 가압하여 하나로 조립하는 압입부와; 상기 조립된 롤러의 압입부분의 둘레를 용접하여 부착하는 용접부를 포함한 것을 특징으로 한다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 롤러의 열처리 가공 방법은, 가열 통로를 따라 롤러를 순차적으로 이동시키면서 가열하는 가열 단계와; 상기 가 열 단계에서 가열된 롤러의 내주면과 외주면에 냉각수 및 공기를 분사하여 냉각시키는 냉각 단계와; 상기 냉각 단계를 거친 암수 한 쌍의 롤러를 양측에서 가압하여 하나로 조립하는 압입 단계와; 상기 압입 단계에서 조립된 롤러의 압입 부분의 둘레를 용접하여 부착하는 용접 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

상기 용접 단계는 별도의 가열 공정 없이 상기 냉각 단계를 거치면서 남아 있는 잔열을 이용하는 셀프 템퍼링(Self Tempering) 방식으로 용접하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 롤러의 열처리 가공 장치가 도시된 개략적인 전체 구성도이고, 도 3은 본 발명의 냉각부가 도시된 상세도이다.

본 발명에 따른 롤러의 열처리 가공 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 열처리 가열할 롤러 바디(이하 '롤러'라 함)(1')를 순차적으로 투입하는 장입부(10)와, 상기 장입부(10)에 연결되고 가열 통로(21)가 길게 형성되어 복수개의 롤러(1')가 순차적으로 이동하면서 가열되는 가열부(20)와, 상기 가열부(20)의 출구 쪽에 위치되어 상기 가열부(20)에서 가열된 롤러(1')의 내주면과 외주면에 냉각수 및 공기를 분사하여 냉각시키는 냉각부(40)와, 상기 가열부(20)와 냉각부(40) 사이에 위치되어 롤러를 이송하는 롤러 이송부(30)와, 상기 냉각부(40)를 거친 암수 한 쌍의 롤러(1')를 압입 실린더(55)를 이용하여 양측에서 가압하여 하나로 조립하는 압입부(50)와, 상기 조립된 롤러(1')의 압입 부분의 둘레를 셀프 템퍼링(Self Tempering) 조건에서 도 1에서와 같이 용접(W)하여 부착하는 용접부(60)와, 상기 용접부(60)에서 용접된 롤러를 배출하는 취출부(70)를 포함하여 구성된다.

상기 장입부(10)는 롤러(1')를 이송하는 컨베이어(11)와, 상기 가열부(20)의 입구 쪽에 위치되어 롤러(1')를 가열통로(21) 내로 밀어 넣는 푸시 기구(13)가 구성된다.

상기 가열부(20)는, 전기 히터(25)를 이용하여 자동 온도 조절이 가능하고, 연속적으로 가열하는 전기 가열식 연속로로서, 모터(23)에 의해 구동되는 컨베이어(24)를 통해 이동시키면서 롤러(1')를 원하는 온도로 균일하게 가열할 수 있도록 구성된다.

이와 같은 가열부(20)는 길이 방향으로 복수의 구역으로 구획되고, 각 구획에는 별도의 온도 조절이 가능하도록 각각의 온도 콘트롤러(미도시)와 온도 센서(26)가 구비된다. 도 2에서는 구획판(22)에 의해 하나의 예열 구역(Z₁)과 7개의 가열 구역(Z₂- Z₈)으로 나누어진 구성을 도시하고 있다.

상기 롤러 이송부(30)는 모터(31)의 구동력에 의해 회전하는 벨트 또는 체인(33)에 연결되어 직선 이동하면서 가열부(20)의 가열 통로(21) 내의 롤러(1')를 밖으로 이송하는 이송 핑거(35)가 구비되고, 상기 냉각부(40)로는 컨베이어(37)를 통해 롤러(1')를 이송하도록 구성된다.

상기 냉각부(40)는, 균일한 경도를 얻을 수 있도록 상기 가열부(20)를 통과한 롤러(1')를 회전시키는 동시에 냉각수와 공기의 분사량을 조절하면서 냉각할 수 있도록 구성된다.

이와 같은 냉각부(40)는, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 공압 실린더(42)에 의해 상승하고 모터(41)에 의해 롤러(1')를 회전시키는 회전체(43)와, 상하 이동 가능하게 설치되고 롤러(1')의 내경부와 외경부에 각각 위치되어 냉각수를 분사하는 내경 노즐(46) 및 외경 노즐(47)과, 고압 공기를 분사하여 롤러(1')에 붙은 스케일 등을 제거하는 에어 노즐(48)이 구성된다.

상기 압입부(50)는 상기 냉각부(40)로부터 롤러(1')를 이송하는 핑거 클램프(51)와, 한 쌍의 롤러를 상호 압입하도록 구비된 압입판(53) 및 이 압입판(53)에 압입력을 제공하는 유압 실린더(55)가 구성된다.

상기 용접부(60)는 CO₂ 가스 등을 이용하여 용접할 수 있는데, 이때 상기 냉각부(40)를 거치면서 유지되고 있는 잔열(殘熱)을 이용해 용접함으로서 별도의 예열 장치 등은 설치되지 않는다.

상기 취출부(70)는 유압 실린더(71)와 받침대(73)가 구비되어 상기 용접부(60)를 거친 롤러(1)를 밖으로 배출하도록 구성된다.

도 4는 상기와 같이 구성된 열처리 가공 장치를 이용한 본 발명의 롤러의 열처리 가공 방법이 도시된 순서도이다.

본 발명에 따른 열처리 가공 방법은 도 2 및 도 4를 참조하면, 장입부(10)를 통해 투입된 롤러(1')를 가열 통로(21)를 따라 순차적으로 이동시키면서 가열하는 가열 단계와; 상기 가열 단계에서 가열된 롤러(1')의 내주면과 외주면에 냉각수 및 공기를 분사하여 냉각시키는 냉각 단계와; 상기 냉각 단계를 거친 암수 한 쌍의 롤러를 양측에서 가압하여 하나로 조립하는 압입 단계와; 상기 압입 단계에서 조립된 롤러의 압입 부분의 둘레를 용접하여 부착하는 용접 단계를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 롤러의 열처리 가공 장치 및 방법의 작용을 설명하면 다음과 같다.

장입부(10)를 통해 가열부(20)의 가열 통로(21)로 투입된 롤러(1')는 예열 구역(Z₁)을 거치면서 예열 된 후 7개의 가열 구역(Z₂- Z₈)을 거치면서 본격적으로 가열된다. 이때, 각 구역마다 온도 센서(26)와 온도 콘트롤러가 구비되어 있으므로 도 5에 도시된 바와 같이 구역 조건에 맞는 온도 조절로 변태점 이상의 온도를 적절하게 설정할 수 있으며, 급격한 온도변화에 의한 열 충격을 방지할 수 있게 된다. 또한 각각의 롤러(1')의 중량 및 형상에 따른 체류시간 조정은 가열 통로(21)에서 롤러를 이동시키는 컨베이어(24)와 이 컨베이어를 구동하는 모터(23)를 이용하여 적절하게 조절한다.

상기 가열부(20)에서 가열이 완료된 롤러(1')는 가열 통로(21) 끝단의 감지센서(미도시)에 의해 감지되고 롤러 이송부(30)의 이송 핑거(35)에 의해 로(爐) 밖으로 나온 뒤, 컨베이어(37)에 의해 롤러의 담금질이 이루어지는 냉각부(40)로 이동된다.

냉각부(40)로 이동된 롤러(1')는 회전체(43)에 의해 회전하고 있는 상태에서 에어 노즐(48)을 통해 공기가 분사되어 스케일 등이 제거되고, 내,외경 노즐(46)(47)에서 분사되는 냉각수에 의해 전체적으로 균일하게 냉각된다. 이때, 냉각속도 제어 방식에 의해 강도 및 경도가 우수한 마르텐사이트(Martensite) 조직을 얻을 수 있고 균일한 품질을 얻을 수 있는 바, 상기 내외경 노즐(46)(47)과 에어 노즐(48)의 분사 속도 및 롤러의 회전 속도를 적절하게 조절하면서 냉각시킨다.

롤러(1')의 냉각이 완료되면 컨베이어(37)를 통해 이동된 후, 핑거 클램프(51)에 의해 압입부(50)로 이동된다. 각 압입판(53)이 암,수 한 쌍의 롤러를 각각 클램핑한 상태에서 하측으로 90도 회전한 상태에서 양쪽 유압실린더(55)가 상기 양쪽 압입판(53)을 가압하여 한 쌍의 롤러를 하나로 붙여서 조립하게 된다.

이와 같이 암수 롤러의 압입이 완료되면 리니어 가이드(57)를 따라 용접부(60)로 이동하게 된다.

용접부(60)에는 롤러의 내경을 잡고 회전시키는 원뿔 형태(Cone Type)의 클램프와 용접 장치로 구성된다. 특히, 용접 부위 고온균열을 피하기 위해 작업 전 예열이 필요하나, 본 발명에 따른 용접부(60)에서는 상기 담금질이 이루어지는 냉각부(40)를 거친 후 남아있는 150 ~ 200℃ 의 잔열(殘熱)을 이용하여 용접하게 된다.

또한, 용접시 발생하는 열에 의해 롤러의 온도가 200 ~ 300℃가 되어 저온 템퍼링 조건이 되어 급냉시 발생한 잔류 응력을 제거하여 인성과 연성을 향상시키고 불안정한 마르텐사이트(Martensite) 조직을 안정화시킬 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 용접부(60)는 용접 공정과 동시에 뜨임 처리가 이루어지 는 셀프 템퍼링 공정(Self Tempering Process)이 이루어지는 데, 이는 정상적인 노 뜨임(Furnace tempering)을 한 조직과, 셀프 템퍼링을 한 조직을 투과전자현미경(TEM, Transmission electron microscope)으로 미세 조직을 관찰한 결과 동일 조직임을 확인할 수 있었다. 결국, 담금질한 강의 잔류 응력을 제거하여 조직을 안정화시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 따른 롤러의 열처리 가공 장치 및 방법은, 롤러가 가열되는 자동 온도 조절이 가능한 가열부, 담금질을 위한 냉각부, 롤러를 상호 조립하는 압입부 및 용접부가 연속하여 구성됨으로써, 롤러를 원하는 온도로 균일하게 가열한 후 균일 냉각을 실시하여 균일한 경도를 얻을 수 있고, 전체적으로는 공정이 단축되고 생산성 및 품질 특성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

특히 본 발명에서는 롤러를 냉각한 다음, 잔열을 이용하여 롤러를 상호 용접하기 때문에 별도의 예열 공정이 필요 없는 상태에서 바로 용접이 이루어질 수 있고, 이에 따라 담금질한 강의 잔류 응력을 제거하여 인성과 연성을 향상시키고 불안정한 마르텐사이트 조직을 안정화시켜 롤러의 품질을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims

가열 통로가 길게 형성되어 복수개의 롤러가 컨베이어에 의하여 이동하면서 가열되도록 하는 가열부와; 상기 가열부의 출구 쪽에 위치되어 상기 가열부에서 가열된 롤러에 냉각수를 분사하여 냉각시키는 냉각부와; 상기 냉각부를 거친 암수 한 쌍의 롤러를 압입 실린더를 이용하여 양측에서 가압하여 하나로 조립하는 압입부와; 상기 조립된 롤러의 압입부분의 둘레를 용접하여 부착하는 용접부를 포함하여 구성되고,

상기 가열부는 온도조절이 가능하도록 온도콘트롤러와 온도센서가 각각 구비된 복수개의 구역으로 구획판에 의하여 구획되어 상기롤러가 상기 복수개의 구역을 순차적으로 통과하면서 연속적으로 가열되고, 상기 냉각부는 공압실린더에 의해 상승하고 모터에 의해 롤러를 회전시키도록 구성된 회전체와, 상기 롤러의 내경부와 외경부로 각각 냉각수를 분사하는 내경노즐 및 외경노즐을 포함한 것을 특징으로 하는 롤러의 열처리 가공장치.
제 1 항에 있어서,

상기 가열부는 전기 히터를 이용하여 연속하여 가열하는 전기 가열식 연속로이고, 상기 냉각부는 상기 롤러에 고압공기를 분사하여 롤러에 뭍은 스케일을 제거하는 에어노즐이 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 롤러의 열처리 가공 장치.
온도조절이 각각 가능하도록 구획판에 의하여 복수개의 구역으로 구획된 가열 통로를 따라 롤러를 콘베이어를 이용하여 순차적으로 이동시키면서 연속적으로 가열하는 가열 단계와;

상기 가열 단계에서 가열된 롤러를 회전체에 의하여 회전시키면서 롤러의 내주면과 외주면에 냉각수를 분사하여 냉각시키는 냉각 단계와;

상기 냉각 단계를 거친 암수 한 쌍의 롤러를 양측에서 가압하여 하나로 조립하는 압입 단계와;

상기 압입 단계에서 조립된 롤러의 압입 부분의 둘레를 상기 냉각단계에서 유지되고 있는 잔열을 이용하여 용접하고, 용접시 발생하는 열을 이용하여 롤러내부의 잔류응력을 제거하는 용접 및 셀프템퍼링 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 롤러의 열처리 가공 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 가열 단계는 상대적으로 온도가 낮은 초기 예열 과정을 거친 후, 상대적으로 온도가 높은 가열 과정을 거치면서 롤러가 가열되도록 하는 것을 특징으로 하는 롤러의 열처리 가공 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 냉각 단계는 공기를 분사하면서 냉각시키는 단계가 포함된 것을 특징으로 하는 롤러의 열처리 가공 방법.
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