금형 윤활과 냉각방법을 통한 온간 단조 공정의 형수명과 생산성 향상에 관한 연구 (The)increase of tool life and productivity of warm forging process with optimization of lubricant and cooling method원문보기
단조공법은 성형제품의 단련효과에 의하여 기계적 성질이 우수하고, 대량의 제품을 생산함에 따른 가격경쟁력으로 자동차핵심부품, 우주항공용 부품 및 발전용 부품 등에 폭넓게 적용되고 있다. 그중 온간단조 공법으로 생산되는 자동차용 부품으로서는 등속죠인트, 베벨기어, OP샤프트, 허브베어링, 알터네이터용 로타폴외에 많은 부품들이 있다. 본 연구는 온간단조 공법으로 생산하고 있는 로타폴의 공법을 변경하여 생산성을 향상시키고, 공법 변경에 따른 ...
단조공법은 성형제품의 단련효과에 의하여 기계적 성질이 우수하고, 대량의 제품을 생산함에 따른 가격경쟁력으로 자동차핵심부품, 우주항공용 부품 및 발전용 부품 등에 폭넓게 적용되고 있다. 그중 온간단조 공법으로 생산되는 자동차용 부품으로서는 등속죠인트, 베벨기어, OP샤프트, 허브베어링, 알터네이터용 로타폴외에 많은 부품들이 있다. 본 연구는 온간단조 공법으로 생산하고 있는 로타폴의 공법을 변경하여 생산성을 향상시키고, 공법 변경에 따른 금형의 온도, 금형의 수명 및 금형의 변형 등을 정확하게 해석하기 위한 입력치를 제안하고, 이후 최적화된 공정 및 수명을 위한 예측이 가능토록 하는 것을 목적으로 하였다. 기존의 공법은 온간 금형 수명을 위하여 연속적인 성형이 이루어지지 않고, 한번 성형후 한번의 냉각공정을 두었다. 작업속도도 분당 38회의 성형이 이루어짐에 따라 진동, 트랜스퍼 에러가 많이 발생하고, 잘못된 소재이송과 위치보정에 따른 금형 파손 또한 잦다. 이를 냉각공정을 없애고, 연속으로 성형하면서 분당 25회의 성형이 이루어지도록 하면 생산성이 30%이상 향상되며, 소재이송 문제 또한 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 제안된 연속공정은 금형온도의 상승을 수반하게 됨에 따라 열연화에 의한 금형수명 저하 및 고열에 의한 소착 발생 등의 문제가 발생한다. 제안된 공법을 적용하기 위하여, 금형의 온도 저감과 상승된 온도에서의 금형치수 변경을 위하여 고온에서의 냉각능 및 윤활특성이 우수한 윤활제의 선정이 필요하다. 또한 변경된 조건에서의 금형수명을 결정하는 정상상태온도와 수명의 예측 등이 요구된다. 이를 위하여 실제 성형되는 금형에 열전대를 부착하여 금형의 온도 상승을 측정하였다. 또한 실제 온간용 윤활제로 사용되고 있는, 백색계윤활제, 그라파이트계를 200℃, 400℃, 600℃의 온도로 가열된 금형에 도포하여 윤활제에 의한 대류열전달 계수를 구하였다. 성형도중 윤활제의 온도상승에 대한 대류열전달 계수 변화를 확인하기 위하여 20℃, 40℃, 60℃의 백색계윤활제에 대하여 300℃로 가열된 금형을 급랭하여 대류열전달 계수를 구하였다. 윤활특성이 뛰어난 온간용 윤활제를 선정하기 위하여 백색계윤활제, 그라파이트윤활제, 보론 윤활제 및 고온용 액체윤활제에 대하여 고온 링압축실험에 의한 마찰계수 값을 측정하였다. 그라파이트와 유사한 특성을 지닌 보론 윤활제와 고온용 액체윤활제에 대하여 실제 양산성 시험을 실시하였다. 환경적인 문제로 인하여 그라파이트계 윤활제는 제외되었다. 시험결과 보론윤활제와 고온용 액체윤활제 만으로는 기존 백색계윤활제의 작업조건을 만족할 수 없다는 결론에 도달하였고, 백색계와 보론윤활제를 10:1로 혼합한 조건에서 실제보다 좋은 결과를 나타냄을 확인 하였다. 실험결과를 토대로 반복된 유한요소해석을 실시하여 측정위치에서 온도상승이 실제 금형에서 측정된 값과 유사하게 나타나는 입력치를 구하였다. 그 결과로부터 금형의 최고 상승온도와 금형의 마모가 가장 많이 나타나는 위치에서의 온도변화를 구하였다. 구하여진 온도의 성형과 냉각으로 인한 온도의 평균을 구하여 금형의 정상상태 온도로 규정하고 그 온도를 이용하여 금형마모에 의한 수명을 예측하였다. 반복된 해석은 10회 이상 진행되어 실험과 비교된 결과인데, 이를 한번의 해석을 통하여 정상상태 온도를 구하기 위한 입력값을 유한요소 해석을 통하여 시행착오법으로 결정하였다. 유한요소 해석을 통하여 예측되는 온도와 하중 및 변형치는 제안된 공법에서 형의 수명과 소착 등의 문제해결을 위하여 적용되었다. 온도 상승에 의한 금형 열변형과 성형조건변화에 따른 탄성변형의 차이를 각각 온도에 대한 열변형해석과 성형하중을 비교하여 구하였고, 윤활유의 온도 상승차이를 고려하여 밀폐금형의 클리어런스를 결정하였다. 시험에서 구한 윤활유 온도에 따른 냉각능의 변화를 줄이기 위하여 윤활 냉각 시스템을 변화시키고, 배관에 열교환기를 설치하였다. 또한 밀폐금형의 전표면을 냉각시키기 위하여 강제 냉각시스템을 부착하였다. 생산성을 향상시키기 위하여 제안된 연속공법은 금형온도의 저감을 위한 냉각기술, 윤활유의 변경, 해석을 통한 금형 변형해석등을 통하여 수명에 크게 영향을 미치지 않고 안정화 되었다. 금형과 소재의 온도에 따라 공정의 안정성, 제품의 특성 및 결함, 금형수명등이 많은 영향을 받게 되는데, 이를 유한요소 해석을 통하여 정확하게 온도예측과 변형예측이 가능한 물성을 실험과 해석을 통하여 결정하였다.
단조공법은 성형제품의 단련효과에 의하여 기계적 성질이 우수하고, 대량의 제품을 생산함에 따른 가격경쟁력으로 자동차핵심부품, 우주항공용 부품 및 발전용 부품 등에 폭넓게 적용되고 있다. 그중 온간단조 공법으로 생산되는 자동차용 부품으로서는 등속죠인트, 베벨기어, OP 샤프트, 허브베어링, 알터네이터용 로타폴외에 많은 부품들이 있다. 본 연구는 온간단조 공법으로 생산하고 있는 로타폴의 공법을 변경하여 생산성을 향상시키고, 공법 변경에 따른 금형의 온도, 금형의 수명 및 금형의 변형 등을 정확하게 해석하기 위한 입력치를 제안하고, 이후 최적화된 공정 및 수명을 위한 예측이 가능토록 하는 것을 목적으로 하였다. 기존의 공법은 온간 금형 수명을 위하여 연속적인 성형이 이루어지지 않고, 한번 성형후 한번의 냉각공정을 두었다. 작업속도도 분당 38회의 성형이 이루어짐에 따라 진동, 트랜스퍼 에러가 많이 발생하고, 잘못된 소재이송과 위치보정에 따른 금형 파손 또한 잦다. 이를 냉각공정을 없애고, 연속으로 성형하면서 분당 25회의 성형이 이루어지도록 하면 생산성이 30%이상 향상되며, 소재이송 문제 또한 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 제안된 연속공정은 금형온도의 상승을 수반하게 됨에 따라 열연화에 의한 금형수명 저하 및 고열에 의한 소착 발생 등의 문제가 발생한다. 제안된 공법을 적용하기 위하여, 금형의 온도 저감과 상승된 온도에서의 금형치수 변경을 위하여 고온에서의 냉각능 및 윤활특성이 우수한 윤활제의 선정이 필요하다. 또한 변경된 조건에서의 금형수명을 결정하는 정상상태온도와 수명의 예측 등이 요구된다. 이를 위하여 실제 성형되는 금형에 열전대를 부착하여 금형의 온도 상승을 측정하였다. 또한 실제 온간용 윤활제로 사용되고 있는, 백색계윤활제, 그라파이트계를 200℃, 400℃, 600℃의 온도로 가열된 금형에 도포하여 윤활제에 의한 대류열전달 계수를 구하였다. 성형도중 윤활제의 온도상승에 대한 대류열전달 계수 변화를 확인하기 위하여 20℃, 40℃, 60℃의 백색계윤활제에 대하여 300℃로 가열된 금형을 급랭하여 대류열전달 계수를 구하였다. 윤활특성이 뛰어난 온간용 윤활제를 선정하기 위하여 백색계윤활제, 그라파이트윤활제, 보론 윤활제 및 고온용 액체윤활제에 대하여 고온 링압축실험에 의한 마찰계수 값을 측정하였다. 그라파이트와 유사한 특성을 지닌 보론 윤활제와 고온용 액체윤활제에 대하여 실제 양산성 시험을 실시하였다. 환경적인 문제로 인하여 그라파이트계 윤활제는 제외되었다. 시험결과 보론윤활제와 고온용 액체윤활제 만으로는 기존 백색계윤활제의 작업조건을 만족할 수 없다는 결론에 도달하였고, 백색계와 보론윤활제를 10:1로 혼합한 조건에서 실제보다 좋은 결과를 나타냄을 확인 하였다. 실험결과를 토대로 반복된 유한요소해석을 실시하여 측정위치에서 온도상승이 실제 금형에서 측정된 값과 유사하게 나타나는 입력치를 구하였다. 그 결과로부터 금형의 최고 상승온도와 금형의 마모가 가장 많이 나타나는 위치에서의 온도변화를 구하였다. 구하여진 온도의 성형과 냉각으로 인한 온도의 평균을 구하여 금형의 정상상태 온도로 규정하고 그 온도를 이용하여 금형마모에 의한 수명을 예측하였다. 반복된 해석은 10회 이상 진행되어 실험과 비교된 결과인데, 이를 한번의 해석을 통하여 정상상태 온도를 구하기 위한 입력값을 유한요소 해석을 통하여 시행착오법으로 결정하였다. 유한요소 해석을 통하여 예측되는 온도와 하중 및 변형치는 제안된 공법에서 형의 수명과 소착 등의 문제해결을 위하여 적용되었다. 온도 상승에 의한 금형 열변형과 성형조건변화에 따른 탄성변형의 차이를 각각 온도에 대한 열변형해석과 성형하중을 비교하여 구하였고, 윤활유의 온도 상승차이를 고려하여 밀폐금형의 클리어런스를 결정하였다. 시험에서 구한 윤활유 온도에 따른 냉각능의 변화를 줄이기 위하여 윤활 냉각 시스템을 변화시키고, 배관에 열교환기를 설치하였다. 또한 밀폐금형의 전표면을 냉각시키기 위하여 강제 냉각시스템을 부착하였다. 생산성을 향상시키기 위하여 제안된 연속공법은 금형온도의 저감을 위한 냉각기술, 윤활유의 변경, 해석을 통한 금형 변형해석등을 통하여 수명에 크게 영향을 미치지 않고 안정화 되었다. 금형과 소재의 온도에 따라 공정의 안정성, 제품의 특성 및 결함, 금형수명등이 많은 영향을 받게 되는데, 이를 유한요소 해석을 통하여 정확하게 온도예측과 변형예측이 가능한 물성을 실험과 해석을 통하여 결정하였다.
The objective of this research is productivity increase of warm forging process with newly suggested forging conditions. Conventional warm forging process is composed of 4 stages. 2 stages are being forged and 2 stages are under cooling operation. The reason of cooling operation is that tools has lo...
The objective of this research is productivity increase of warm forging process with newly suggested forging conditions. Conventional warm forging process is composed of 4 stages. 2 stages are being forged and 2 stages are under cooling operation. The reason of cooling operation is that tools has low service life coming from excessive heat transfer by heat generation of material deformation. In this research, increase of productivity is tried to be achieved with modification of forging process conditions. That is the elimination of cooling operation and reduction of forging speed(SPM). The conventional method is nominated to '2 Stroke 1 Piece(1S1P)' and newly suggested one called '1 Stroke 1 Piece(1S1P)'. SPM of 2S1P is 38 and 19 pieces is produced in a minute because of 2 stages of idle process for cooling operation. Suggested 1S1P process can produce 25 pieces a minute with 25 SPM because of elimination of cooling operation. But application of mass production in suggested 1S1P process has limitation of low tool life and high temperature of active tool comparing to 2S1P process. To overcome these problems, the temperature prediction of active tool, increase of cooling capacity of lubricant, alternative lubricant with better friction characteristics and modification of tool dimension are unavoidable. This thesis is composed of 4 categories of research. The first is investigation of temperature of active tools under forging process with thermocouple. The second is cooling capacity and quantification of convective coefficient of commercialized lubricants. The third is development of lubricants, high temperature ring test for friction coefficient and mass production test. The last is process conditions optimization with FE analysis and application. With mentioned research, suggested process '1S1P' is successively applied to rotor pole manufacturing. In the elevated temperature forging process, Steady-State tool temperature is important. S.S temperature has deep relations of tool life, mechanical properties of forged parts and forging defects. But It is hard to know S.S temperature of tools because prediction of F.E analysis has limitation of input values in elevated temperature. To predict this temperature, thermocouple attached tool is applied to forging operations and tool temperature is disclosed. S.S temperature of active tool is far from assumption. The temperature of investigated point with 2mm depth from surface is 140.5℃ for 1S1P and 100℃ for 2S1P respectively. This temperature discrepancy comes from difference of strain rate, cooling time and contact time between material and tool. During 1S1P forging test with the same conditions with 1S1P process, adhesion of material and active tool happened. Temperature of investigated point uprised to 250℃ and tool was melt to adhesion with material. It means that 1S1P process is hard to be applied to mass production in the same conditions with 2S1P. Increase of cooling capacity and alternative coolant is meant to be required. To get quantitative values of convection coefficient for emlusion types of lubricant 'Berulit 625' by the Becham and FB400 by the Acheson, cooling experiment was performed with one surface of forced cooling simulating real cooling mechanism. Inverse method reveals convective coefficient values for different tool temperature of 200℃, 400℃, 600℃. In addition, cooling experiment was performed in 20℃, 40℃, 60℃ lubricants and 300℃ tool temperature because lubricant temperature affects cooling capacity in convective heat transfer mechanism. Conclusion of cooling test was that cooling capacity increased with low lubricant temperature and with application of water based lubricant like FB400 because of more water fraction comparing to emulsion type. Alternative lubrication development substituting Berulit625 was preceeded. SF200, SF300 were synthetic and Pigment type of lubricant respectively. Through mass production test, SF200 and SF300 were proved that it is impossible to applied to rotor pole forging process stand alone. But mixture of SF300 and Berulit625 showed good results. FB400 was excluded because of environmental problems. For heavy deformation process without preheating of tools, mixture of Berulit 625 and SF300 or F400B are recommendable. Without consideration of environmental issues, Combination of emulsion lubricant and precoating with F400B is seemed to be best for productivity. With mentioned experiment and pre-researched results, repeated F.E analysis of forging, dwelling and cooling was performed. For each conditions 1S1P, 2S1P, over 15 cycles of analysis were completed and comparison between achieved data from experiment and analyzed data was conducted. With repeated F.E simulation, appropriate input value was found and verified. Thermal conductivity of contact boundary between tool and materials is near 3[]. Cooling Coefficient by lubricant is between 0.3 and 0.6[]. But this parameter should be changed with different coolant and lubricant. F.E analysis results showed that tools temperature don't exceed 370℃ at most. To avoid adhesion of tools, center punch temperature and forging load difference was investigated. Slightest difference exists for forging load between 1S1P and 2S1P processes. Considering thermal expansion coming from center punch temperature, 0.03mm reduction of diameter is required for stable 1S1P forging process. Wear analysis was accompanied with traced S.S temperature. Analysis results indicate 7,854 blows but real tool life is below 6,000 blows. Prediction of tool life is within 70% accuracy. Repeated analysis is barely impossible in the industry. Therefore contact heat transfer coefficient is required to get reliable F.E. analysis results. Comparing one time and repeated analysis, contact heat transfer coefficientis achieved. Application of newly suggested 1S1P forging process for Rotor pole was completed with modification of cooling method, controling lubricants temperature, active tool dimension. Forced cooling system was applied for cooling method, lubricant temperature control system was attached to approve cooling capacity and 0.05mm ~ 0.1mm diameter reduction of center punch was accompanied to avoid adhesion. With this results, nearly 30% productivity was increased with change of forging process conditions and low forging speed relieved transferring troubles, noise and vibrations.
The objective of this research is productivity increase of warm forging process with newly suggested forging conditions. Conventional warm forging process is composed of 4 stages. 2 stages are being forged and 2 stages are under cooling operation. The reason of cooling operation is that tools has low service life coming from excessive heat transfer by heat generation of material deformation. In this research, increase of productivity is tried to be achieved with modification of forging process conditions. That is the elimination of cooling operation and reduction of forging speed(SPM). The conventional method is nominated to '2 Stroke 1 Piece(1S1P)' and newly suggested one called '1 Stroke 1 Piece(1S1P)'. SPM of 2S1P is 38 and 19 pieces is produced in a minute because of 2 stages of idle process for cooling operation. Suggested 1S1P process can produce 25 pieces a minute with 25 SPM because of elimination of cooling operation. But application of mass production in suggested 1S1P process has limitation of low tool life and high temperature of active tool comparing to 2S1P process. To overcome these problems, the temperature prediction of active tool, increase of cooling capacity of lubricant, alternative lubricant with better friction characteristics and modification of tool dimension are unavoidable. This thesis is composed of 4 categories of research. The first is investigation of temperature of active tools under forging process with thermocouple. The second is cooling capacity and quantification of convective coefficient of commercialized lubricants. The third is development of lubricants, high temperature ring test for friction coefficient and mass production test. The last is process conditions optimization with FE analysis and application. With mentioned research, suggested process '1S1P' is successively applied to rotor pole manufacturing. In the elevated temperature forging process, Steady-State tool temperature is important. S.S temperature has deep relations of tool life, mechanical properties of forged parts and forging defects. But It is hard to know S.S temperature of tools because prediction of F.E analysis has limitation of input values in elevated temperature. To predict this temperature, thermocouple attached tool is applied to forging operations and tool temperature is disclosed. S.S temperature of active tool is far from assumption. The temperature of investigated point with 2mm depth from surface is 140.5℃ for 1S1P and 100℃ for 2S1P respectively. This temperature discrepancy comes from difference of strain rate, cooling time and contact time between material and tool. During 1S1P forging test with the same conditions with 1S1P process, adhesion of material and active tool happened. Temperature of investigated point uprised to 250℃ and tool was melt to adhesion with material. It means that 1S1P process is hard to be applied to mass production in the same conditions with 2S1P. Increase of cooling capacity and alternative coolant is meant to be required. To get quantitative values of convection coefficient for emlusion types of lubricant 'Berulit 625' by the Becham and FB400 by the Acheson, cooling experiment was performed with one surface of forced cooling simulating real cooling mechanism. Inverse method reveals convective coefficient values for different tool temperature of 200℃, 400℃, 600℃. In addition, cooling experiment was performed in 20℃, 40℃, 60℃ lubricants and 300℃ tool temperature because lubricant temperature affects cooling capacity in convective heat transfer mechanism. Conclusion of cooling test was that cooling capacity increased with low lubricant temperature and with application of water based lubricant like FB400 because of more water fraction comparing to emulsion type. Alternative lubrication development substituting Berulit625 was preceeded. SF200, SF300 were synthetic and Pigment type of lubricant respectively. Through mass production test, SF200 and SF300 were proved that it is impossible to applied to rotor pole forging process stand alone. But mixture of SF300 and Berulit625 showed good results. FB400 was excluded because of environmental problems. For heavy deformation process without preheating of tools, mixture of Berulit 625 and SF300 or F400B are recommendable. Without consideration of environmental issues, Combination of emulsion lubricant and precoating with F400B is seemed to be best for productivity. With mentioned experiment and pre-researched results, repeated F.E analysis of forging, dwelling and cooling was performed. For each conditions 1S1P, 2S1P, over 15 cycles of analysis were completed and comparison between achieved data from experiment and analyzed data was conducted. With repeated F.E simulation, appropriate input value was found and verified. Thermal conductivity of contact boundary between tool and materials is near 3[]. Cooling Coefficient by lubricant is between 0.3 and 0.6[]. But this parameter should be changed with different coolant and lubricant. F.E analysis results showed that tools temperature don't exceed 370℃ at most. To avoid adhesion of tools, center punch temperature and forging load difference was investigated. Slightest difference exists for forging load between 1S1P and 2S1P processes. Considering thermal expansion coming from center punch temperature, 0.03mm reduction of diameter is required for stable 1S1P forging process. Wear analysis was accompanied with traced S.S temperature. Analysis results indicate 7,854 blows but real tool life is below 6,000 blows. Prediction of tool life is within 70% accuracy. Repeated analysis is barely impossible in the industry. Therefore contact heat transfer coefficient is required to get reliable F.E. analysis results. Comparing one time and repeated analysis, contact heat transfer coefficientis achieved. Application of newly suggested 1S1P forging process for Rotor pole was completed with modification of cooling method, controling lubricants temperature, active tool dimension. Forced cooling system was applied for cooling method, lubricant temperature control system was attached to approve cooling capacity and 0.05mm ~ 0.1mm diameter reduction of center punch was accompanied to avoid adhesion. With this results, nearly 30% productivity was increased with change of forging process conditions and low forging speed relieved transferring troubles, noise and vibrations.
주제어
#소성 가공[塑性加工] 금형 윤활 냉각방법 온간 단조 공정 생산성 INCREASE LIFE PRODUCTIVITY WARM FORGING PROCESS LUBRICANT COOLING METHOD 정밀기계공학
학위논문 정보
저자
강종훈
학위수여기관
부산대학교
학위구분
국내박사
학과
정밀기계공학과
발행연도
2005
총페이지
ix, 151장
키워드
소성 가공[塑性加工] 금형 윤활 냉각방법 온간 단조 공정 생산성 INCREASE LIFE PRODUCTIVITY WARM FORGING PROCESS LUBRICANT COOLING METHOD 정밀기계공학
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