KR20210045650A - 파이프를 축관 성형하기 위한 스피닝 가공 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

파이프의 적어도 일부를 테이퍼진 형상으로 축관 성형하기 위한 스피닝 가공 장치는, 상기 파이프의 일측 단부를 잡고 회전시킬 수 있도록 구성되는 회전 척(chuck), 상기 파이프의 타측 단부를 회전 가능하게 지지하는 지지 유닛, 그리고 상기 파이프의 양측 단부 사이의 가공 영역을 가압하여 스피닝 가공을 수행할 수 있도록 구성되는 가공 롤러를 포함한다.

Description

파이프를 축관 성형하기 위한 스피닝 가공 장치 및 방법{Spinning apparatus and method for reducing diameter of pipe}

본 발명은 파이프를 축관 성형하기 위한 스피닝 가공 장치 및 방법에 관한 것이다.

스피닝 가공은 판 또는 파이프 등의 형상을 갖는 금속 소재를 성형하는 가공 방법이며, 회전하는 금속 소재에 롤러를 가압하여 성형을 실시하는 회전 소성 가공의 일종이다.

스피닝 가공은 공정수 절감과 동시에 부품 생산에 소용되는 소재의 양을 줄이기 위해 사용되는 공법으로 롤러의 가압에 의해 금속 소재를 다지는 과정을 통해 파이프의 성형을 수행한다.

자동차의 배기가스를 정화하는 장치인 촉매변환기는 촉매가 내장된 캔 파이프를 포함하며, 캔 파이프는 중공 파이프 형상을 갖되 양측 단부가 축관되어 테이퍼 형상을 갖도록 형성된다. 이러한 캔 파이프의 테이퍼 형상의 단부는 스피닝 공법에 의해 성형될 수 있는데, 스피닝 공법은 소재의 절감 및 정밀한 제품 성형을 가능하게 하기 때문에 캔 파이프의 제조 공법으로 각광받고 있다.

촉매변환기의 캔 파이프와 같은 파이프 부재를 축관하는 스피닝 가공하는 방법은 크게 파이프 회전 방식과 파이프 고정 방식으로 나뉠 수 있다. 파이프 회전 방식은 성형 대상물인 파이프를 회전시키면서 성형이 이루어지는 방법이며 파이프 고정 방식은 파이프가 고정된 상태에서 롤러가 회전하면서 성형이 이루어지는 방법이다. 파이프 회전 방식은 파이프가 회전하면 공구, 즉 롤러가 파이프에 반복된 사이클로 조금씩 축관하는 방식을 취하며, 파이프 고정 방식은 공구가 회전하면서 반복된 사이클로 파이프를 축관하는 방식을 취한다. 두 가지 방법 모두 파이프 또는 롤러가 자유로운 상태에서 가공이 이루어지는 방식이고, 이때 파이프가 박판 구조이기 때문에 가공 부위 이외의 파이프의 대부분을 클램핑하여 넓은 면적으로 고정함으로써 가공 중 파이프의 변형이 방지되도록 한다.

이러한 종래의 스피닝 가공 방법에서는 파이프의 한 쪽이 고정되지 않고 자유로운 상태에서 한 번의 가공 작업으로 한 개의 제품이 생산되기 때문에, 생산성이 낮으며 한 번의 가공 작업으로 두 개의 제품을 가공하기 위해서는 파이프의 길이가 두 배 이상 길어져야 하기 때문에 파이프의 진동으로 인하여 휨, 부러짐, 변형, 치수 불균일 등의 문제가 발생한다.

등록특허공보 제10-0999297호 (등록일자: 2010년12월01일)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 향상된 생산성을 가지면서도 가공 중 대상인 파이프의 진동을 차단하여 휨, 부러짐, 치수 불균일 등의 문제를 해결할 수 있는 파이프 축관 성형을 위한 스피닝 가공 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 파이프의 적어도 일부를 테이퍼진 형상으로 축관 성형하기 위한 스피닝 가공 장치는, 상기 파이프의 일측 단부를 잡고 회전시킬 수 있도록 구성되는 회전 척(chuck), 상기 파이프의 타측 단부를 회전 가능하게 지지하는 지지 유닛, 그리고 상기 파이프의 양측 단부 사이의 가공 영역을 가압하여 스피닝 가공을 수행할 수 있도록 구성되는 가공 롤러를 포함한다.

상기 회전 척은 척 바디, 상기 척 바디에 설치되며 상기 파이프의 단부의 외면을 반경방향 내측으로 가압하여 지지할 수 있도록 구성되는 하나 이상의 죠(jaw), 그리고 상기 척 바디에 설치되며 상기 파이프의 단부의 내면을 반경방향 외측으로 지지할 수 있도록 구성되는 내부 지지대를 포함할 수 있다.

상기 지지 유닛은 상기 가공 영역의 가공 진행 중 상기 파이프의 길이방향의 확장에 저항하는 압력을 제공하도록 구성될 수 있다.

상기 지지 유닛은 상기 파이프를 회전 가능하게 지지하는 베어링, 그리고 상기 베어링이 상기 파이프의 길이방향의 확장에 저항하는 압력을 제공하도록 상기 베어링을 지지하는 압력 제공부를 포함한다.

상기 압력 제공부는 상기 파이프의 가공 진행에 의한 길이방향 확장에 따라 상기 베어링을 지지하는 압력이 미리 설정된 값에 도달하는 경우 상기 베어링이 뒤로 밀리도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 스피닝 가공 장치는 상기 스피닝 가공에 의해 가공된 가공 영역을 절단할 수 있도록 구성되는 커터를 더 포함할 수 있다.

상기 회전 척은 CNC 머신의 주축대에 체결될 수 있도록 구성되고 상기 지지 유닛은 상기 CNC 머신의 심압대로 구현될 수 있으며, 상기 가공 롤러는 상기 CNC 머신의 터렛 공구대에 설치될 수 있다.

상기한 스피닝 가공 장치를 이용하여 스피닝 가공을 통해 파이프를 축관부를 가지는 파이프 부재로 성형하는 스피닝 가공 방법은 상기 회전 척과 상기 지지 유닛에 의해 상기 파이프의 양측 단부를 각각 지지하는 단계, 상기 회전 척을 회전시켜 상기 지지된 파이프를 회전시키는 단계, 그리고 상기 회전하는 파이프의 가공 영역을 상기 가공 롤러를 가압시켜 스피닝 가공을 수행하는 단계를 포함한다.

상기 스피닝 가공을 수행하는 단계에서 두 개의 파이프 부재가 성형할 수 있도록 상기 가공 영역을 상기 파이프의 길이방향을 따라 좌우 대칭을 이루는 두 부분으로 성형할 수 있고, 스피닝 가공 방법은 상기 좌우 대칭을 이루는 두 부분을 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 파이프의 양측 단부를 지지한 상태에서 파이프의 가공 영역에 스피닝 가공을 수행함으로써 파이프의 휨, 부러짐, 변형, 치수불균일 등의 문제를 방지하면서 안정적인 스피닝 가공이 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스피닝 가공 장치의 개략적 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스피닝 가공 장치의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스피닝 가공 장치에 의해 파이프의 스피닝 가공이 이루어지는 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스피닝 가공 장치를 이용하여 수행되는 스피닝 가공 방법의 각 공정을 차례로 보여주는 도면이다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 스피닝 가공 장치는 원통형 파이프의 적어도 일부를 테이퍼진 형상으로 축관 성형할 수 있는 장치이며, 예를 들어 자동차의 촉매변환기의 캔 파이프의 가공에 사용될 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 회전 척(rotating chuck)(10)은 파이프(100)의 일측 단부를 잡고 회전시킬 수 있도록 구성된다. 도면에 도시되지 않았으나, 회전 척(10)은 회전 구동력을 제공하는 장치에 연결될 수 있으며, 예를 들어 CNC 머신의 주축대의 스핀들에 체결되도록 구성될 수 있다.

지지 유닛(20)은 파이프(100)의 타측 단부를 회전 가능하게 지지한다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 지지 유닛(20)은 CNC 머신의 심압대(21) 및 이에 체결되는 베어링(22)으로 이루어질 수 있다.

도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 파이프(100)는 그 양측 단부가 회전 척(10)과 지지 유닛(20)에 각각 지지된 상태에서 스피닝 가공이 이루어진다. 이때, 도 1 및 도 3에서 파이프(100)의 좌측 단부는 회전 척(10)에 의해 잡힌 상태로 회전 척(10)과 함께 회전하며 파이프(100)의 우측 단부는 지지 유닛(20)의 베어링(22)에 의해 회전 가능하게 지지된 상태로 스피닝 가공이 이루어진다. 이때 도 1 및 도 3에는 원통형 파이프(100)의 가공 영역(101)이 스피닝 가공이 이루어져 테이퍼진 축관부가 생성된 상태가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 회전 척(10)은 척 바디(11), 하나 이상의 죠(jaw)(12) 그리고 내부 지지대(13)를 포함한다. 척 바디(11)는 외부 구동기에 연결되어 그 길이방향 중심축을 중심으로 회전될 수 있도록 구성된다. 죠(12)는 작업 대상물인 파이프(100)를 잡기 위한 것이며, 척 바디(11)에 반경방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다. 원통 형상을 가진 파이프(100)의 단부의 외면을 반경방향 내측으로 가압하여 지지할 수 있도록 복수의 죠(12)가 원주 방향을 따라 배열될 수 있다. 내부 지지대(13)는 척 바디(11)에 설치될 수 있으며, 파이프(100)의 단부의 내면을 반경방향 외측으로 지지할 수 있도록 구성된다. 내부 지지대(13)는 파이프(100)의 관통홀의 형상에 맞게 실린더 형상을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 파이프(100)의 외면을 죠(12)로 가압할 때 파이프(100)의 내면을 내부 지지대(13)를 통해 지지함으로써, 파이프(100)를 고정할 때 파이프가 찌그러지는 것을 방지할 수 있다.

가공 롤러(30)는 스피닝 가공을 위해 파이프(100)의 가공 영역을 가압하는 요소이며, 예를 들어 CNC 터렛 공구대(40)의 툴 홀더(41)에 체결될 수 있다. 가공 롤러(30)는 CNC 터렛 공구대(40)에 회전 가능하게 연결됨으로써 스피닝 가공을 위해 파이프(100)에 밀착되는 경우 마찰력에 의해 회전할 수 있게 된다. CNC 터렛 공구대(40)는 스피닝 가공을 위해 파이프(100)의 길이방향(도 3에서 좌우 방향) 및 반경방향(도 3에서 상하 방향)으로 이동할 수 있도록 구성될 수 있다.

가공 롤러(30)는 테이퍼진 축관부를 각각 가지는 두 개의 파이프 부재를 함께 가공할 수 있도록 구성되며, 가공된 파이프를 두 개의 파이프 부재로 절단하기 위한 커터(cutter)(50)가 구비될 수 있다. 도 1 및 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 커터(50)는 가공 롤러(30)와 마찬가지로 CNC 터렛 공구대(40)의 툴 홀더(41)에 설치될 수 있다. CNC 터렛 공구대(40)의 회전에 의해 가공 롤러(30)와 커터(50)가 선택적으로 파이프(100)에 작용하여 가압 및 절단이 이루어지도록 할 수 있다.

위에서 설명한 회전 척(10), 지지 유닛(20), 및 가공 롤러(30)과 커터(50)를 작용을 제어하는 CNC 터렛 공구대(40)는 CNC 머신의 일부로 구현될 수 있으며, CNC 머신을 이들을 작동을 제어하기 위한 컨트롤러 및 관련 하드웨어와 소프트웨어를 포함할 수 있다.

지지 유닛(20)은 가공 롤러(30)에 의해 파이프(100)의 가공 영역의 가공이 진행되는 중에 파이프(100)의 길이방향 확장에 저항하는 압력을 제공하도록 구성된다. 파이프(100)는 스피닝 가공 진행 중 소성 변형을 겪게 되고 그에 의해 길이가 늘어나게 되는데, 이때 지지 유닛(20)이 파이프(100)의 길이방향의 확장에 저항하는 압력을 제공한다. 파이프(100) 별로 연신율, 경도 등의 물리적 성질이 달라 스피닝 가공 중 늘어나는 양이 달라지는데, 지지 유닛(20)이 가공 중 파이프(100)의 길이방향 확장에 저항하는 압력을 제공함으로써 가공 중 파이프(100)가 일정한 길이를 유지할 수 있게 되며 이에 의해 추후 절단될 양 파이프 부재의 길이를 동일하게 유지할 수 있다.

구체적으로, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 지지 유닛(20)은 베어링(22)과 압력 제공부(21)를 포함할 수 있다. 베어링(22)은 파이프(100)를 회전 가능하게 지지하고, 압력 제공부(21)는 베어링(22)이 파이프(100)의 길이방향의 확장에 저항하는 압력을 제공하도록 베어링(22)을 지지한다.

도 2를 참조하면, 베어링(22)은 파이프(100)의 단부에 삽입되는 삽입부(221), 파이프(100)의 끝단을 지지하는 지지턱(222), 그리고 압력 제공부(21)에 체결되는 연결부(223)를 구비할 수 있다. 이때, 삽입부(221)와 지지턱(222)은 연결부(223)에 대해 일체로 상대 회전할 수 있도록 구성될 수 있다.

삽입부(221)는 파이프(100)의 단부에 삽입됨으로써 가공 중 파이프(100)의 타측 단부의 처짐을 방지할 수 있다. 지지턱(222)은 삽입부(221)의 끝단에서 반경방향 외측으로 돌출되어 형성될 수 있으며 파이프(100)의 단부를 길이방향으로 지지할 수 있다. 연결부(223)는 압력 제공부(21)에 체결되어 길이방향으로 저항 압력을 제공할 수 있도록 지지될 수 있다.

압력 제공부(21)는 베어링(22)을 지지하는 지지대(211), 그리고 지지대(211)가 이동 가능하게 체결되는 몸체(212)를 포함할 수 있다. 지지대(211)는 베어링(22)의 연결부(223)가 삽입될 수 있도록 중공 실린더 형태를 가질 수 있으며, 베어링(22)에 지지 압력을 제공할 수 있도록 몸체(212)에 체결될 수 있다. 이때 압력 제공부(21)는 파이프(100)의 가공 진행에 의한 길이방향 확장에 따라 베어링(22)을 지지하는 압력이 미리 설정된 값에 도달하는 경우 베어링(22)이 뒤로 밀리도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 지지대(211)는 베어링(22)을 통해 전달되는 압력이 미리 설정된 값에 도달할 때까지는 정해진 자리를 유지하고 압력이 미리 설정된 값에 도달하면 후방(도 3에서 우측 방향)으로 밀리도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 압력 제공부(21)는 CNC 머신의 심압대로 구현될 수 있다.

이하에서 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스피닝 가공 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 스피닝 가공 방법은 위에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 스피닝 가공 장치를 이용하여 수행될 수 있으며 도 4의 (a)에 도시된 파이프를 성형하여 도 4의 (f)에 도시된 두 개의 파이프 부재(101, 102)를 생성한다.

먼저 회전 척(10)와 지지 유닛(20)을 이용하여 가공될 파이프(100)의 양측 단부가 각각 지지된다. 구체적으로, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 회전 척(10)의 내부 지지대(13)가 파이프(100)의 단부에 삽입된 상태로 죠(12)를 이용하여 파이프(100)의 외면을 가압함으로써 파이프(100)의 일측 단부가 지지되고, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이 베어링(22)의 삽입부(221)를 파이프(100)에 타측 단부에 삽입시켜 파이프(100)의 타측 단부가 지지될 수 있다. 이때 베어링(22)을 지지하는 지지대(211)가 파이프(100)의 길이방향을 따라 선형 이동함으로써 베어링(22)의 삽입부(221)가 파이프(100)에 삽입될 수 있다.

그리고 나서 도 4의 (d)에 도시된 바와 같이 회전 척(10)이 회전하면서 파이프(100)가 길이방향 축을 중심으로 회전하며 가공 롤러(30)가 회전하는 파이프(100)의 외면을 가압하여 파이프(100)의 가공 영역을 원하는 형상, 즉 생성된 두 개의 파이프 부재(101, 102)의 테이퍼진 축관부의 형상으로 가공한다. 이에 의해 가공 영역은 두 개의 파이프 부재의 축관부를 각각 이루는 두 개의 축관부를 마주하고 배치되는 좌우 대칭 구조로 가공될 수 있다. 이때, CNC 터렛 공구대(40)은 파이프(100)의 길이방향 및 반경방향으로 이동하면서 원하는 형상이 가공된다. 이 과정에서 지지 유닛(20)은 파이프(100)의 길이방향 축을 따른 확장에 저항하는 압력을 제공하도록 베어링(22)을 지지한다.

가공 영역의 가공이 완료된 후, 도 4의 (e)에 도시된 바와 같이 커터(50)를 이용하여 가공 영역의 중심선을 절단한다. CNC 터렛 공구대(40)가 회전하고 이동하여 커터(50)가 가공 영역의 원하는 지점에 밀착되도록 한 상태에서 회전 척(10)이 회전함으로써 절단이 이루어질 수 있다. 이때 도 4의 (e)에 도시된 바와 같이 절단 공정은 베어링(22)이 파이프(100)에서 분리된 상태에서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 4의 (e)에 도시된 바와 같은 일측에 축관부가 구비된 두 개의 파이프 부재를 접합하여 양측 단부에 축관부가 구비되는 촉매변환기용 캔 파이프를 제조할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.

100: 파이프
10: 회전 척
20: 지지 유닛
11: 척 바디
12: 죠
13: 내부 지지대
30: 가공 롤러
40: CNC 터렛 공구대
41: 툴 홀더
50: 커터
21: 압력 제공부
22: 베어링
221: 삽입부
222: 지지턱
223: 연결부
101, 102: 파이프 부재

Claims (9)

1. 파이프의 적어도 일부를 테이퍼진 형상으로 축관 성형하기 위한 스피닝 가공 장치로서,
   상기 파이프의 일측 단부를 잡고 회전시킬 수 있도록 구성되는 회전 척(chuck),
   상기 파이프의 타측 단부를 회전 가능하게 지지하는 지지 유닛, 그리고
   상기 파이프의 양측 단부 사이의 가공 영역을 가압하여 스피닝 가공을 수행할 수 있도록 구성되는 가공 롤러
   를 포함하는 스피닝 가공 장치.
2. 제1항에서,
   상기 회전 척은
   척 바디,
   상기 척 바디에 설치되며 상기 파이프의 단부의 외면을 반경방향 내측으로 가압하여 지지할 수 있도록 구성되는 하나 이상의 죠(jaw), 그리고
   상기 척 바디에 설치되며 상기 파이프의 단부의 내면을 반경방향 외측으로 지지할 수 있도록 구성되는 내부 지지대
   를 포함하는 스피닝 가공 장치.
3. 제1항에서,
   상기 지지 유닛은 상기 가공 영역의 가공 진행 중 상기 파이프의 길이방향의 확장에 저항하는 압력을 제공하도록 구성되는 스피닝 가공 장치.
4. 제3항에서,
   상기 지지 유닛은
   상기 파이프를 회전 가능하게 지지하는 베어링, 그리고
   상기 베어링이 상기 파이프의 길이방향의 확장에 저항하는 압력을 제공하도록 상기 베어링을 지지하는 압력 제공부
   를 포함하는 스피닝 가공 장치.
5. 제4항에서,
   상기 압력 제공부는 상기 파이프의 가공 진행에 의한 길이방향 확장에 따라 상기 베어링을 지지하는 압력이 미리 설정된 값에 도달하는 경우 상기 베어링이 뒤로 밀리도록 구성되는 스피닝 가공 장치.
6. 제1항에서,
   상기 스피닝 가공에 의해 가공된 가공 영역을 절단할 수 있도록 구성되는 커터를 더 포함하는 스피닝 가공 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
   상기 회전 척은 CNC 머신의 주축대에 체결될 수 있도록 구성되고 상기 지지 유닛은 상기 CNC 머신의 심압대로 구현되며,
   상기 가공 롤러는 상기 CNC 머신의 터렛 공구대에 설치되는
   스피닝 가공 장치.
8. 제1항에 따른 스피닝 가공 장치를 이용하여 스피닝 가공을 통해 파이프를 축관부를 가지는 파이프 부재로 성형하는 스피닝 가공 방법으로서,
   상기 회전 척과 상기 지지 유닛에 의해 상기 파이프의 양측 단부를 각각 지지하는 단계,
   상기 회전 척을 회전시켜 상기 지지된 파이프를 회전시키는 단계, 그리고
   상기 회전하는 파이프의 가공 영역을 상기 가공 롤러를 가압시켜 스피닝 가공을 수행하는 단계
   를 포함하는 스피닝 가공 방법.
9. 제8항에서,
   상기 스피닝 가공을 수행하는 단계에서 두 개의 파이프 부재가 성형할 수 있도록 상기 가공 영역을 상기 파이프의 길이방향을 따라 좌우 대칭을 이루는 두 부분으로 성형하고,
   상기 좌우 대칭을 이루는 두 부분을 절단하는 단계를 더 포함하는
   스피닝 가공 방법.

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