KR101932185B1 - 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체 - Google Patents

심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체 Download PDF

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KR101932185B1
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홍성모
김완교
이재선
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(주)세창스틸
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Abstract

본 발명은 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체에 관한 것으로, 이를 위해 피가공물이 심리스 튜브 형태로 확관되도록 직경이 점차 확장되게 테이퍼진 맨드릴 플러그 본체;와, 상기 맨드릴 플러그 본체의 일측에 수평 연장되는 노즈부; 및 상기 노즈부의 선단에 접합되는 천공팁;을 포함하여 이루어지되, 상기 맨드릴 플러그 본체는 급격한 경사각도를 갖는 대확관 경사부와, 상대적으로 완만한 경사각도를 갖는 소확관 경사부와, 튜브의 확관 방지를 위한 역경사부로 구성되고, 상기 대확관 경사부와 소확관 경사부의 사이에는 이음부가 형성되어 대확관 경사부의 교체가 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체{A MANDREL PLUG ASSEMBLY FOR MANUFACTURING OF SEAMLESS TUBE}
본 발명은 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피가공물(강재)과의 마찰에 의해 부분 손상되는 맨드릴 플러그의 일부를 교체 가능하게 구성함은 물론, 천공팁이 결합된 노즈부에 피가공물이 소착되는 것을 방지하여 심리스 튜브의 불량 감소와 치수 정밀도를 향상시킬 수 있도록 한 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 엔진의 드라이브 샤프트나, 자동차 조향장치의 랙 바(rack bar), 피스톤 핀, 조향장치의 스풀 샤프트, 베어링 등은 가혹한 충격하중을 받는 대단히 중요한 부품으로서 몰리브덴이 함유된 특수강 튜브나 SCM류 특수강 튜브, 고강도 튜브 등으로 된 강관소재를 사용하고 있다.
이러한 튜브를 생산하는 방식으로서, 판재를 관 형태로 성형하여 용접하는 조관에 의한 접합부가 있는 튜브 생산 방식을 들 수 있다. 상기 종래의 튜브 생산 방식은 판재 등을 조관기를 통해 원형 관상으로 조관 작업(forming)을 하고, 접촉선을 따라 전기저항용접을 한 후, 별도의 장치를 이용하여 내압검사를 수행하고, 비드제거 인발 작업을 수행하여 제작된다.
그러나, 상기 종래의 튜브 생산 방식은 튜브 생산후 용접비드를 제거하여야 하는 불편함이 있고, 용접부의 강도가 다른 부분에 비하여 취약하다고 하는 문제점이 있었다.
상기 종래의 생산방식에 대한 대안으로서, 압출에 의한 심리스 튜브 생산 방식이 제안되고 있다. 그러나, 압출로 제작된 튜브는 조직의 스트림라인(Streamline)이 길이방향으로만 형성되기 때문에 내구성이 취약하다고 하는문제점이 있었다.
이에, 회전식 튜브 천공방식을 이용하여 조직의 스트림 라인(Stream Line)이 길이 및 원주 양방향으로 형성된 섬유조직을 갖는 내구성이 우수한 튜브를 제조할 수 있는 심리스 튜브 제조방법이 제안되고 있다.
통상 피가공물은 2개의 롤의 회전에 의하여, 계획된 외경과 내경의 심리스 튜브(Seamless tube)를 생산되는데, 이 때 피가공물을 확관하는 맨드릴 플러그는 천공작업시에 대략 1,300℃이상으로 상승하기 때문에 그 온도의 환경에서 견딜 수 있어야 하기 때문에 매우 고가로 제작된다.
하지만 종래의 맨드릴 플러그는 수백회 사용시 천공팁 및 천공팁이 연결되는 노즈부는 형태가 변함이 없으나 도 1과 같이, 노즈부에서 연장되는 일측부위가 뭉그러지거나 용융되는 문제점이 발생되어 고가의 맨드릴 플러그 전체를 교체해야 하는 문제점이 있다.
또다른 문제점으로 도 2와 같이, 맨드릴 플러그 본체와, 노즈부 및 천공팁 부분으로 그 형태가 변함이 없으나, 노즈부에 피가공물의 소착되어 심리스 튜브의 제품 훼손과 같은 문제점을 야기시킨다.
대한민국 공개특허 제2012-0040832호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 피가공물(강재)과의 마찰에 의해 부분 손상되는 맨드릴 플러그의 일부를 이음부를 통해 교체 가능하게 구성하되, 맨드릴 플러그의 이음부에 발생되는 미세 단차를 없애 가공되는 심리스 튜브의 불량을 최소화할 수 있도록 한 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 2목적은, 천공팁이 결합된 노즈부에 피가공물이 소착되는 것을 방지하여 심리스 튜브의 불량 감소와 치수 정밀도를 향상시킬 수 있도록 한 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 특징에 따르면 제 1발명은, 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체에 관한 것으로, 이를 위해 피가공물이 심리스 튜브 형태로 확관되도록 직경이 점차 확장되게 테이퍼진 맨드릴 플러그 본체;와, 상기 맨드릴 플러그 본체의 일측에 수평 연장되는 노즈부; 및 상기 노즈부의 선단에 접합되는 천공팁;을 포함하여 이루어지되, 상기 맨드릴 플러그 본체는 급격한 경사각도를 갖는 대확관 경사부와, 상대적으로 완만한 경사각도를 갖는 소확관 경사부와, 튜브의 확관 방지를 위한 역경사부로 구성되고, 상기 대확관 경사부와 소확관 경사부의 사이에는 이음부가 형성되어 대확관 경사부의 교체가 가능하도록 구성되고, 상기 노즈부의 외주면에는 피가공물의 소착방지를 위해 다수의 돌기가 연속된 굴곡부가 더 형성되되, 상기 각 돌기의 최고점은 노즈부의 직경과 동일 수평면을 이루는 것을 특징으로 한다.
제 2발명은, 제 1발명에서, 상기 이음부는 가공되는 피가공물과의 간섭이 최소화되도록 반구 형태로 함몰된 제 1라운드부가 더 형성되고, 상기 대확관 경사부와 소확관 경사부에는 제 1라운드부와 연설되는 제 2라운드부와 제 3라운드부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체에 따르면, 피가공물(강재)과의 마찰에 의해 손상되는 대확관 경사부만을 손쉽게 교체할 수 있어 생산성이 증대되고, 또한 맨드릴 플러그 조립체의 교체 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한 대확관 경사부를 이음부를 통해 교체 가능하게 구성하되, 맨드릴 플러그의 이음부에 발생되는 미세 단차를 없애 가공되는 심리스 튜브의 불량을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한 천공팁이 결합된 노즈부에 피가공물이 소착되는 것을 방지하여 심리스 튜브의 불량 감소와 치수 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 맨드릴 플러그에서 표면 손상된 맨드릴 플러그를 나타내는 사진,
도 2는 종래의 맨드릴 플러그에서 노즈부에 피가공물인 강재가 소착된 모습을 나타내는 사진이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체의 구성도 및 단면구성도,
도 5는 본 발명에 따른 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체의 사용상태도이다.
이하의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체의 구성도 및 단면구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체의 사용상태도이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 피가공물(강재)과의 마찰에 의해 부분 손상되는 맨드릴 플러그 분체의 일부를 교체 가능하게 구성함은 물론, 천공팁이 결합된 노즈부에 피가공물이 소착되는 것을 방지하여 심리스 튜브의 불량 감소와 치수 정밀도를 향상시킬 수 있도록 한 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체(100)에 관한 것이다.
본 발명의 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체(100)는 크게 3부분으로 구성되는데, 이는 맨드릴 플러그 본체(10)와, 상기 맨드릴 플러그 본체(10)의 일측에 수평 연장되는 노즈부(20) 및 상기 노즈부(20)의 단부에 티그(TIG) 용접되는 천공팁(30)으로 구성된다.
상기 맨드릴 플러그 본체(10)는 피가공물이 심리스 튜브 형태로 확관되도록 일측에서 타측으로 갈수록 직경이 점차 확장되게 테이퍼진 형태이고, 타단에는 가압로드(200)와 연결되는 연결부(15)가 형성된다.
상술된 맨드릴 플러그 본체(10)는 직경의 크기에 따라 3부분으로 구성되는데, 이는 일측에 노즈부(20)가 연장 형성되고 급격한 경사각도를 갖는 대확관 경사부(11)와, 상대적으로 완만한 경사각도를 갖는 소확관 경사부(12)와, 심리스 튜브의 확관 방지를 위한 역경사부(13)로 구성된다.
여기서 상기 대확관 경사부(11)는 회전하는 피가공물을 초기에 심리스 튜브(300) 형태로 크게 확관시키는 것으로, 이러한 대확관 경사부(11)는 상대적으로 급격한 경사도를 갖기 때문에 마찰 저항이 상승하는 부위이다.
그리고 상기 소확관 경사부(12)는 일정 크기로 확장된 심리스 튜브(300)의 내경을 소망하는 치수로 정밀하게 확관하는 기능을 하기 때문에 상대적으로 완만한 경사각도를 갖고, 이에 따라 마찰 저항이 상기 대확관 경사부(11) 보다는 상대적으로 작게 작용하는 부위이다.
아울러 상기 역경사부(13)는 소확관 경사부(12)에서 계획된 외경과 내경의 치수로 확관된 심리스 튜브(300)가 그 이상으로 확관되는 것을 방지하는 기능을 하기 때문에 대확관 경사부(11)와 소확관 경사부(12)의 경사방향과 달리 직경이 점차 줄어드는 역경사부(13)가 형성된다.
이 때 상기 역경사부(13)의 타측에는 연결부(15)와 단차가 형성되는데, 이러한 단차 모서리에는 면취가공부(16)가 형성되어, 이러한 면취가공부(16)는 천공 가공이 끝난 심리스 튜브의 내부로 맨드릴 플러그 본체(10)가 후진할 때 심리스 튜브 내면에 스크레치가 발생되는 것을 방지할 수 있는 구조이다.
또한 도 1과 같이, 상기 맨드릴 플러그 본체(10)의 대확관 경사부(11)는 마찰 저항이 크게 발생하기 때문에 소확관 경사부(12) 보다 상대적으로 큰 물리적 손상이 발생한다. 이러한 물리적 손상은 피가공물과의 마찰 저항에 의해 표면이 뭉그러지거는 현상과, 표면이 용융되어 직경의 감소 현상으로 나눌 수 있다.
이러한 2가지의 현상 중 표면에 뭉그러지는 현상은 심리스 튜브 가공장치의 고장을 초래하면서 내경이 불규칙한 심리스 튜브로 인해 불량 생산이 확대되는 문제점이 있었다.
또한 직경이 감소되는 현상 역시, 심리스 튜브의 내경 확장이 어려워 가공장치의 부하가 증대되고, 소확관 경사부(12)까지 물리적 손상을 초래하게 된다.
이에 따라 대확관 경사부(11)와 소확관 경사부(12)의 사이에는 손상된 대확관 경사부(11)의 나사 체결로 교체가 가능하도록 이음부(14)가 형성된다.
여기서 상기 이음부(14)는 미세 단차로 교체 시 심리스 튜브(300)의 내부에 미세 스크레치를 발생시키고, 이는 제품의 불량을 초래하게 되는데, 이를 방지하기 위해 상기 이음부(14)는 확관되는 심리스 튜브와 간섭이 없도록 Ø3mm ~ Ø6mm 정도의 반구 형태로 함몰된 제 1라운드부(141)가 더 형성되는 구조이다.
이 때 상기 대확관 경사부(11)의 이음부위와와, 소확관 경사부(12)의 이음부위에는 제 1라운드부(141)와 물결무의 "파형"의 형태로 연설되게 제 1라운드부(141)의 역방향으로 제 2라운드부(111)와 제 3라운드부(121)가 형성되어 확관되는 심리스 튜브와 간섭이 없도록 구성된다.
이에 따라 맨드릴 플러그 본체(10) 중 손쉽게 손상되는 대확관 경사부(11)만을 교체하여 맨드릴 플러그 조립체(100)의 전체 수명을 늘리고, 소모되는 맨드릴 플러그 조립체(100)의 단가를 낮출 수 있는 구조가 마련된다.
한편 상기 노즈부(20)의 단부에는 티그 용접되는 천공팁(30)과 노즈부(20)의 길이가 4 : 6 비율로 형성된다.
여기서 천공팁(30)의 길이가 4 비율 이하일 경우에는 상대적으로 노즈부(20)의 길이가 길어져 마찰열에 의해 노즈부(20)의 표면이 뭉그러지거나 용융되기 때문에 바람직하지 않고, 천공팁의 길이가 4 비율 이상일 경우에는 생산 단가가 높아지고 맨드릴 플러그 본체(10)의 가공이 어렵기 때문에 바람직하지 않다.
아울러 상기 노즈부(20)의 외주면에는 피가공물의 소착방지를 위해 다수의 돌기(211)가 연속된 굴곡부(21)가 더 형성되는 구조이다.
이러한 굴곡부(21)는 심리스 튜브의 내경과 점 접촉시킴으로써, 접촉면적을 최소화시켜 확관되는 피가공물과의 마찰력을 최소화하여 노즈부(20)가 뭉그러지거나 용융되는 것을 방지할 수 있어 결과적으로 맨드릴 플러그 조립체(100)의 수명을 늘일 수 있는 구조가 마련된다.
또한 상기 굴곡부(21)에 형성된 상기 각 돌기(211)의 최고점은 천공팁의 직경과 수평을 이루게 가공하는 것이 선행되어야 한다.
아울러 상기 맨드릴 플러그 조립체(100)는 심리스 튜브 가공시 마찰열을 냉각하기 위한 냉각수로(50)가 형성된다. 이러한 냉각수로(50)는 노즈부(20)까지 연장 형성되어 구성된다.
그리고 도 4와 같이, 상기 노즈부(20)의 외주면에는 적어도 2개 이상의 분출구(22)가 상기 냉각수로(50)와 연통되는데, 이러한 상기 분출구(22)는 선단 방향으로 약 30° ~ 50° 정도의 경사각을 갖게 형성된다.
이러한 구조는 도 5와 같이, 냉각수를 마찰열이 가장 높은 천공팁(30) 방향으로 분사시킴으로써, 천공팁(30)의 수명을 연장할 수 있으며, 또한 노즈부(20)가 용융되는 것을 방지할 수 있다.
또한 상기 맨드릴 플러그 조립체(100)는 표면에 100㎛ 내지 150㎛ 두께의 산화스케일층(40)이 형성된다.
이러한 산화스케일층(Fe2O3 oxidized layer)(40)은 약 800℃ ~ 1000℃에서 약 1시30 ~ 2시30분 열처리 후, 600℃까지 노냉 후 공냉하여 형성될 수 있다.
상술된 산화스케일층(40)은 표면에 피가공물의 용착 및 소착을 방지하고, 더불어 맨드릴 플러그 조립체(100)의 표면이 열화되는 것을 방지하기 위함이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
10: 본체 11: 대확관 경사부 111: 제 2라운드부
12: 소확관 경사부 121: 제 3라운드부
13: 역경사부 14: 이음부
141: 제 1라운드부
15: 연결부 16: 면취가공부
20: 노즈부 21: 굴곡부 211: 돌기
22: 분출구
30: 천공팁
40: 산화스케일층
50: 냉각수로
100: 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체
200: 가압로드 300: 심리스 튜브

Claims (5)

  1. 피가공물이 심리스 튜브 형태로 확관되도록 직경이 점차 확장되게 테이퍼진 맨드릴 플러그 본체(10);
    상기 맨드릴 플러그 본체(10)의 일측에 수평 연장되는 노즈부(20); 및
    상기 노즈부(20)의 선단에 접합되는 천공팁(30);을 포함하여 이루어지되,
    상기 맨드릴 플러그 본체(10)는 급격한 경사각도를 갖는 대확관 경사부(11)와, 상대적으로 완만한 경사각도를 갖는 소확관 경사부(12)와, 심리스 튜브의 확관 방지를 위한 역경사부(13)로 구성되고,
    상기 대확관 경사부(11)와 소확관 경사부(12)의 사이에는 이음부(14)가 형성되어 대확관 경사부(11)의 교체가 가능하도록 구성되고,
    상기 노즈부(20)의 외주면에는 피가공물의 소착방지를 위해 다수의 돌기(211)가 연속된 굴곡부(21)가 더 형성되되, 상기 각 돌기(211)의 최고점은 노즈부(20)의 직경과 동일 수평면을 이루는 것을 특징으로 하는 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이음부(14)는 가공되는 피가공물과의 간섭이 최소화되도록 반구 형태로 함몰된 제 1라운드부(141)가 더 형성되고,
    상기 대확관 경사부(11)와 소확관 경사부에는 제 1라운드부(141)와 연설되는 제 2라운드부(111)와 제 3라운드부(121)가 형성되는 것을 특징으로 하는 심리스 튜브 제조용 맨드릴 플러그 조립체.
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