Search

KR-20260061886-A - SURFACE PEENING SYSTEM AND METHOD FOR SURFACE PEENING USING THE SAME

KR20260061886AKR 20260061886 AKR20260061886 AKR 20260061886AKR-20260061886-A

Abstract

본 발명은 대상체의 피닝 타겟 영역을 밀폐된 공간으로 형성하고 밀폐된 공간으로 초음파를 발생시켜 피닝을 수행하도록 이루어지는 초음파 캐비테이션 피닝 시스템을 개시한다. 초음파 캐비테이션 피닝 시스템은 대상물의 표면에 밀착 가능하게 형성되고, 폐루프 형태로 상기 대상물의 표면의 타겟 영역을 감싸도록 형성되는 덮개와, 상기 덮개에 의해 한정되는 상기 타겟 영역으로 초음파 전달 매질을 공급하도록 이루어지는 매질 공급부, 및 상기 덮개의 내측 중공부에 상기 초음파 전달 매질이 채워진 상태에서 상기 타겟 영역에 대해 초음파 캐비테이션 피닝(ultrasonic cavitation peening)이 이루어지도록, 상기 중공부를 향하여 초음파를 발생시키도록 이루어지는 초음파 발생기를 포함한다.

Inventors

  • 정성환

Assignees

  • 단국대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (10)

  1. 대상물의 표면에 밀착 가능하게 형성되고, 폐루프 형태로 상기 대상물의 표면의 타겟 영역을 감싸도록 형성되는 덮개; 상기 덮개에 의해 한정되는 상기 타겟 영역으로 초음파 전달 매질을 공급하도록 이루어지는 매질 공급부; 및 상기 덮개의 내측 중공부에 상기 초음파 전달 매질이 채워진 상태에서 상기 타겟 영역에 대해 초음파 캐비테이션 피닝(ultrasonic cavitation peening)이 이루어지도록, 상기 중공부를 향하여 초음파를 발생시키도록 이루어지는 초음파 발생기를 포함하는 표면 피닝 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 초음파 발생기에서 초음파가 발생되는 초음파 프로브는 상기 중공부를 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 표면 피닝 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 덮개와 상기 매질 공급부에 각각 연결되어, 상기 매질 공급부에서 상기 중공부로의 상기 초음파 전달 매질의 이동 유로를 형성하는 연결부를 더 포함하는 표면 피닝 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 초음파 프로브의 적어도 일부는 상기 연결부 내로 돌출되게 배치되고, 상기 연결부에서 상기 초음파 프로브가 관통하는 부분에는 밀폐를 위한 실링부재가 설치되며, 상기 실링부재는 초음파 발생 시 진동 변위가 0이 되는 상기 초음파 프로브의 압력안티노드(pressure anti-node) 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 표면 피닝 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 초음파 발생기와 상기 연결부 사이에 개재되어, 상기 대상물의 표면에 상기 덮개를 밀착시키기 위해 상기 초음파 발생기에 가해지는 하중을 지지하도록 형성되는 지지부재를 더 포함하는 표면 피닝 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 덮개는 상기 대상물의 표면의 형상에 대응하여 변형 가능하도록 플렉시블한 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 피닝 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 덮개는, 상기 대상물의 표면에 밀착 가능한 소재로 형성되는 표면부; 및 유동성 소재로 형성되어, 상기 표면부의 내부에 충진되는 충진부를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 피닝 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 초음파 캐비테이션 피닝 시 생성되는 캐비티(cavity) 내에 상기 초음파 전달 매질의 증기가 유입되는 것을 억제하도록, 상기 매질 공급부에 설치되어 상기 초음파 전달 매질을 기설정된 온도 이하로 유지시키도록 이루어지는 냉각부를 더 포함하는 표면 피닝 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 상기 표면 피닝 시스템을 이용한 표면 피닝 방법에 있어서, 상기 타겟 영역을 감싸도록 상기 대상물의 표면에 상기 덮개를 밀착시키는 단계; 상기 매질 공급부를 제어하여 상기 타겟 영역에 상기 초음파 전달 매질을 공급하는 단계; 및 상기 타겟 영역에 상기 초음파 전달 매질이 채워진 상태에서, 상기 초음파 발생기를 작동시켜 상기 타겟 영역에 대해 초음파 캐비테이션 피닝을 수행하는 단계를 포함하는 표면 피닝 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 대상물의 표면에 상기 덮개를 밀착시키는 단계는, 상기 대상물의 표면에 상기 덮개를 밀착시키기 위해 상기 초음파 발생기를 상기 대상물의 표면을 향하여 가압하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 피닝 방법.

Description

표면 피닝 시스템 및 이를 이용한 표면 피닝 방법{SURFACE PEENING SYSTEM AND METHOD FOR SURFACE PEENING USING THE SAME} 본 발명은 대상물의 표면에 초음파 캐비테이션(utrasonic cavitation)을 통해 피닝(peening)을 수행하도록 이루어지는 표면 피닝 시스템 및 이를 이용한 피닝 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 대상물의 피닝 타겟 영역을 밀폐된 공간으로 형성하고 밀폐된 공간으로 초음파를 발생시켜 피닝을 수행하도록 이루어지는 표면 피닝 시스템 및 이를 이용한 표면 피닝 방법에 관한 것이다. 반복하중을 받는 금속 용기의 경우 외벽 및/또는 내벽에 일정기준 이상의 피로강도를 구현하는 것이 필요하다. 여기서 금속 용기의 피로강도를 일정 수준 이상으로 구현하기 위하여 피닝(peening)작업이 수행될 수 있다. 피닝작업은 예를 들어 원자로의 압력용기 내벽에 발생하는 인장잔류응력을 감소시키는 데 수행될 수 있다. 피닝은 재료의 표면층에 충격을 가함으로써 소성변형을 부여하여 잔류응력 및 피로강도를 개선하는 표면처리 방법으로, 흔히 활용되는 숏 피닝(shot peening)은 숏 볼(shot ball)이라 불리는 작은 크기의 강철 소재의 공을 금속 용기의 외면 및 내면에 투사하여 해머링(hammering)함에 따라 숏 피닝된 금속 용기의 외면 및 내면에 압축잔류응력을 인가하여 금속 용기의 피로강도가 증가시키는 방식을 말한다. 압축잔류응력은 소성변형으로 인해 재료가 변형된 후 외력이 모두 제거된 상태에서도 재료에 남아 있는 응력을 말하는 것으로, 피닝작업을 통해 피처리물 표면에 부여된 압축잔류응력으로 인해 피처리물의 피로 수명을 연장할 수 있다. 이와 같은 피처리물의 표면에 대한 피닝작업에는 초음파 캐비테이션 피닝(utrasonic cavitation peening)이 적용될 수 있다. 초음파 캐비테이션 피닝은 초음파 탐침부에 의해 피닝 타겟 영역에 존재하는 초음파 전달 매질에 초음파 음파장이 형성되고, 이 음파장에 의해 초음파 캐비티(cavity)가 생성 및 폭발하는 과정을 통해 피처리물의 표면에 피닝을 구현하는 방식이다. 하지만 이러한 초음파 케이비테이션 피닝작업을 수행하기 위해서는 초음파 캐비티의 생성을 위한 초음파 전달 매질을 피닝 타켓 영역에 공급해 주는 게 필요한데, 이와 같은 초음파 전달 매질 공급 환경이 제대로 마련되어 있지 않는 외부 환경에서는 사실상 피닝작업을 수행하기가 어렵다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 피닝 시스템의 구성을 보인 개념도이다. 도 2a는 도 1에 도시된 매질 공급부를 제어하여 피닝 타겟 영역에 초음파 전달 매질이 채워진 상태의 모습을 보인 개념도이다. 도 2b는 도 1에 도시된 매질 공급부를 제어하여 피닝 타겟 영역과 연결부에 초음파 전달 매질이 채워진 상태의 모습을 보인 개념도이다. 도 3은 도 1에 도시된 표면 피닝 시스템에 지지부재가 더 구비된 일 예를 보인 개념도이다. 도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 표면 피닝 시스템을 이용한 피닝 방법을 보인 흐름도이다. 이하, 본 발명에 관련된 표면 피닝 시스템(100) 및 이를 이용한 피닝 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 피닝 시스템(100)의 구성을 보인 개념도이다. 도 2a는 도 1에 도시된 매질 공급부(120)를 제어하여 타겟 영역(T)에 초음파 전달 매질(M)이 채워진 상태의 모습을 보인 개념도이다. 도 2b는 도 1에 도시된 매질 공급부를 제어하여 피닝 타겟 영역(T)과 연결부(125)에 초음파 전달 매질이 채워진 상태의 모습을 보인 개념도이다. 도 3은 도 1에 도시된 표면 피닝 시스템(100)에 지지부재(160)가 더 구비된 일 예를 보인 개념도이다. 참고로 도 2a를 참조하면 피닝(peening)작업 대상물(O)의 표면이 중력 방향을 기준으로 표면 피닝 시스템(100)의 하부에 위치하는 경우, 초음파 전달 매질(M)의 충진 수위를 이와 같이 설정할 수 있다. 이때 피닝작업 대상물(O)의 표면이 중력 방향을 기준으로 표면 피닝 시스템(100)의 상부 또는 측면부에 위치할 경우에는 중력에 의해 초음파 전달 매질(M)이 피닝작업 대상물(O)의 표면을 감싸지 못하게 되어 피닝작업 수행이 어려울 수 있다. 한편, 본 실시예에서는, 후술하는 실링부재(140)는 반드시 구비되어야 하는 것은 아니며 선택적으로 적용될 수 있다. 이와 달리, 도 2b를 참조하면 피닝 타겟 영역(T)과 연결부(125)에 모두 채워지게 설정되는 경우, 표면 피닝 시스템(100)을 기준으로 피닝작업 대상물(O)의 표면의 위치에 대하여 특별한 제약사항이 발생하지 않는다. 즉 표면 피닝 시스템(100)을 기준으로 피닝작업 대상물(O)의 표면이 상부, 하부 또는 측면부 중 어디에 위치하더라도 초음파 전달 매질(M)이 피닝작업 대상물(O)의 표면을 감싸는 상태를 유지하여 피닝작업 대상물(O)의 표면에 대한 피닝작업을 안정적으로 수행할 수 있다. 이때 후술하는 실링부재(140)는 초음파 전달 매질(M)의 누설을 방지하기 위하여 적용되는 것이 보다 바람직하다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 표면 피닝 시스템(100)은 대상물(O)의 표면에 피닝작업을 수행하도록 이루어질 수 있다. 피닝은 대상물(O)의 표면층에 충격을 가함으로써 소성변형을 부여하여 잔류응력 및 피로강도를 개선하는 표면처리 방법을 말한다. 표면 피닝 시스템(100)은 초음파 캐비테이션(utrasonic cavitation peening)을 이용한 피닝 방식을 갖도록 이루어진다. 초음파 캐비테이션 피닝은 초음파 발생기(130)에 의해 대상물(O)의 표면으로 초음파 음파장이 형성되고, 이 음파장에 의해 초음파 캐비티(cavity) 즉 기공이 생성 및 폭발하는 과정을 통해 대상물(O)의 표면에 피닝을 구현하는 피닝 방식을 말한다. 초음파에 의해 초음파 전달 매질(M) 내에 형성된 상기 캐비티는 대상물(O)의 표면에 접촉하면서 수십 밀리초(millisecond) 정도의 짧은 순간에 순간적으로 수백 기압 이상의 압력과 고열을 발생시켜 피처리물인 대상물(O)의 표면에 압축잔류응력을 부여하면서 대상물(O)의 표면을 피닝 처리할 수 있다. 표면 피닝 시스템(100)은 덮개(110), 매질 공급부(120) 및 초음파 발생기(130)를 포함한다. 덮개(110)는 대상물(O)의 표면에 밀착 가능하게 형성되고, 폐루프 형태로 대상물(O)의 표면의 타겟 영역(T)을 감싸도록 형성된다. 덮개(110)는 대상물(O)의 표면의 형상에 대응하여 변형 가능하도록 플렉시블한 소재로 이루어질 수 있다. 덮개(110)는 표면부(111) 및 충진부(112)를 포함할 수 있다. 표면부(111)는 대상물(O)의 표면에 밀착 가능한 소재로 형성될 수 있다. 표면부(111)는 덮개(110)의 외관을 형성한다. 표면부(111)는 변형이 용이한 소재로 형성될 수 있다. 표면부(111)는 예를 들어 탄성 변형 가능하게 형성되는 고무 소재로 이루어질 수 있다. 표면부(111)의 내부에는 유체가 충진 가능한 공간이 형성될 수 있다. 충진부(112)는 유동성 소재로 형성되어, 상기 표면부(111)의 내부에 충진되도록 이루어질 수 있다. 충진부(112)는 액체 또는 졸(sol), 겔(gel) 타입의 물질로 이루어질 수 있다. 표면부(111) 및 충진부(112)로 이루어지는 덮개(110)의 구조에 의하면, 외부와 내부가 이종소재로 구성되어, 외측에 형성되는 표면부(111)는 손상이나 오염에 강한 소재를 구성하고, 내측에 형성되는 충진부(112)는 변형성이 우수한 소재로 구성할 수 있다. 이에 따라 덮개(110)의 기능성 및 내구성을 보다 향상시킬 수 있다. 매질 공급부(120)는 덮개(110)에 의해 한정되는 상기 타겟 영역(T)으로 초음파 전달 매질(M)을 공급하도록 이루어진다. 초음파 전달 매질(M)은 예를 들어, 물, 젤, 다양한 기름 등으로 이루어질 수 있다. 또한 초음파 전달 매질(M)은 용액 속의 용존가스가 캐비테이션의 강도를 저하시킬 수 있어, 용존가스를 모두 제거시킨 탈기 처리된 형태로 이루어질 수 있다. 또한 표면 피닝 시스템(100)은 덮개(110)와 매질 공급부(120)에 각각 연결되어, 매질 공급부(120)에서 덮개(110)의 내측 중공부(S)로의 초음파 전달 매질(M)의 이동 유로를 형성하는 연결부(125)를 더 포함할 수 있다. 초음파 발생기(130)는 덮개(110)의 내측 중공부(S)에 초음파 전달 매질(M)이 채워진 상태에서 상기 타겟 영역(T)에 대해 초음파 캐비테이션 피닝(ultrasonic cavitation peening)이 이루어지도록, 중공부(S)를 향하여 초음파를 발생시키도록 이루어진다. 초음파 발생기(130)는 초음파가 발생되는 초음파 프로브(131)를 구비할 수 있다. 초음파 프로브(131)는 티타늄 또는 알루미늄 소재로 이루어질 수 있다. 초음파 프로브(131)는 상기 덮개의 내측 중공부(S)를 향하도록 배치될 수 있다. 이와 같은 초음파 프로브(141) 구조에 의하면 발생되는 초음파가 상기 타겟 영역(T)으로 이동하기까지 초음파 전파를 간섭하는 구조가 없게 된다. 이에 따라 초음파 프로브(131)에서 발생하는 초음파의 이동 시에 간섭으로 인한 에너지 손실을 줄임으로써, 초음파 프로브(131)에서 발생되는 초음파가 대상물(O)의 표면에 보다 작은 에너지 손실 상태에서 전달되어 초음파 캐비테이션 효과 즉, 피닝의 품질을 보다 향상시킬 수 있다. 초음파 발생기(130)의 초음파 프로브(131)는 초음파 프로브(131)의 축방향으로의 공진을 하면서 초음파 프로브(131)의 일단부(131a)에 접촉된 초음파 전달 매질(M)을 가진하여 초음파 전달 매질(M)에 초음파를 발생시키도록 이루어질 수 있다. 다만, 초음파 프로브(131)는 공진에 의한 가진 방식뿐만 아니라, 공진이 아닌 상태로 초음파 전달 매질(M)을 가진하여