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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 Feed-in 스웨이 징 성형과 Rece -ssing 스웨이징 성형이 가능하도록 국내 기술진에 의하여 개발된⑸ Rotary swaging 장치(Fig. 3)를 이용하여 현재 자동차에 사용되고 있는 SDS를 일체형(Monobloc) TDS로 개발하기 위한 Rotary swaging 성형공정 연구를 통한 TDS 설계제작 및 성형공정 기술을 제시하고자한다.
제안 방법
- TDS의 성형실험에 사용된 재질은 현재 스위스 Rothr -ist사의 xMny 계열의 합금으로 성형성과 강도면 에서 우수한 소재로 알려진 34Mn5와 국내 소재인 S45C 두 소재에 관하여 성형실험을 수행하여 성형 전후 기계적 특성변화를 고찰하였다.
- 기존의 자동차에 사용되고 있는 중실드라이브샤프트 (SDS)를 중공드라이브 샤프트(TDS)로 개발하기 위하여 로터리 스웨이징 공정을 통한 자동차용 드라이브 샤프트의 성형기술의 최적화를 위한 성형실험을 수행하였으며, 실험 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 성형소재들은 실험에서 발생될 수 있는 실험 오차를 최대한 감소시키기 위하여 모든 시편의 양쪽 끝단을 기계 가공을 하였다 그리고 성형 중에 발생되는 소음 및 마찰을 방지하고 성형 중 발생하는 열의 상승으로 인한 성형품의 조직 변화 및 표면이 검게 타는 것을 방지하기 위하여 비수용성절삭유를 성형 부위에 계속적으로 분사 공급하였다.
- 5mm/sec조건으로 성형하였다. 소재의 투입은 소재 공급장치를 이용한 자동공급을 하였다.
- 실험 결과로 Rotary swaging 성형 전후의 경도변화 (Surface hardness), 표면조도(Surface roughness), 치수정밀도(Precision), 튜브의 두께(Thickness) 변화량, 금속학적 성형조직 등이 어떠한 경향으로 나타나는지 관찰하였다.
- 튜브 재 34Mn5, S45C의 성형 전후 내외부 및 튜브의 성형 깊이에 관한 경도 분포를 고찰하였다.
성능/효과
- (1) 중공구동축의 로터리스웨이징 성형 후 제품의표면 경도가 전반적으로 증가하였으며, Recess 스웨이징성형의 경우가 Feed-in 스웨이 징성형 보다 약간 높은경향을 보였다.
- (2)로터리 스웨이징 공정으로 TDS를 성형 시 Recess 스웨이징 성형과 Feed-in 스웨이 징 성형에 따른 성형품의 두께 증가 폭에 약간의 차이를 나타내기는 하였으나 대체적으로 성형 전보다 두께가 모두 증가하여 강성 면에서도 유리함을 예상할 수 있었다.
- (3) 성형된 제품의 치수 편차가 Feed-in 스웨이징 시 성형 소재 34Mn5이 고 성형치수 026mm인 경우 0.048~ 0.060mm, 성형치수024mm인 경우 -0.0410.046mm 의 치수 편차로 요구되는 정형형상 및 기준 성형치수에 매우 근접하고 정밀하게 성형되었음을 확인할 수 있었으며 스웨이징 공정의 우수성을 입증하였다.
- (4) 스웨이징 공정으로 성형된 제품의 표면 거칠기는 재료마다 약간의 차이는 있었으나 Recess 스웨이징의 경우가 Ra 0.31 ~Ra 0.58이었으며 Feed-in 스웨이징의 경우는 Ra 0.76~Ra 0.95 수준으로 두 성형방법 모두 매우 우수한 표면 거칠기를 나타냄을 알 수 있었으며 따라서 스웨이징 성형 시 반드시 윤활유를 공급하고 금형 표면 광택을 유지하는 조건에서 표면조도가 향상된 양질의 제품 생산이 가능함을 확인하였다.
- 67%의 두께 변화량을 보였으며 Recess 스웨이징 성형의 경우는 Fig. 9(b)와 같이 S45C의 두께증가량은 약 17%, 그리고 34Mn5의 경우는 약 24.3%의 두께 증가량을 나타냄으로서 단면 감소율이 증가함에 따라크게 나타남을 확인하였다. Fig.
- Fig. 7(c) 그래프에서 보는 바와 같이 34Mn5 소재의변형 후 경도 증가량은 약 HRB 9.81이고, S45C 소재는약 HRB 464의 증가량을 나타냄을 알 수 있다. 34Mn5 강의 경우는 S45C강 보다 원소재경도가 낮음에도 불구하고 성형 후 표면 경도의 증가량이 약간 크게 나타남을 확인하였다.
- 81이고, S45C 소재는약 HRB 464의 증가량을 나타냄을 알 수 있다. 34Mn5 강의 경우는 S45C강 보다 원소재경도가 낮음에도 불구하고 성형 후 표면 경도의 증가량이 약간 크게 나타남을 확인하였다. 또한 튜브재의 두께 방향의 성형 깊이에 따른성형 후 경도 분포를 살펴본 결과 성형력을 직접적으로 받은 외표면(Surface)에서 제일 큰 경도값을 나타냈으며 성형 품의 내부 단면 깊이 방향의 경도 분포는 Fig.
- 10은 성형된 TDS의 Feed-in 스웨이징 성형부와 Recess 스웨이징 성형부의 표면 거칠기를 나타낸 것이다. 34Mn5와 S45C 소재 모두 SDS와 같이 기계가공에의한 것보다 스웨이징 성형 후에 한층 더 우수한 표면거칠기를 얻을 수 있었다. 그러나 성형성이 좋은 34Mn5 소재로 성형된 제품의 표면 거칠기가 S45C보다 더 우수한 것으로 나타났다.
- Fig. 6은 TDS의 성형품으로 성형후 표면조도가 한층 더 우수해진 것을 확인할 수 있었으며 성형 후 경도 값이 대체적으로 상승된 것을 알 수 있었다. 그리고 성형품의 금속학적 미세조직 또한 치밀해진 것을 확인할 수 있었다.
- 34Mn5와 S45C 소재 모두 SDS와 같이 기계가공에의한 것보다 스웨이징 성형 후에 한층 더 우수한 표면거칠기를 얻을 수 있었다. 그러나 성형성이 좋은 34Mn5 소재로 성형된 제품의 표면 거칠기가 S45C보다 더 우수한 것으로 나타났다. 또한 Recess 스웨이징 성형 방법이 Feed-in 스웨이징 성형 방법보다 표면 거칠기가 우수한 것으로 나타남을 알 수 있었다.
- 046mm의 치수 편차를 나타냄을 볼 수 있다. 그러나 치수 편차는 요구되는 치수공차 범위내의 값으로 두 튜브 재 모두 기준 성형치수에 근접한 치수로매우 정밀하게 성형되었음을 실험을 통 하여 확인할 수 있었으며 스웨이징 공정의 우수성을 입증할 수 있었다.
- 그리고 성형 후 성형 부위의 열 발생률도 윤활유를 사용하는 경우에 상당히 감소되었음을 확인할 수 있었다. 따라서 스웨이 징 성형 시 반드시 윤활유를 공급하고 금형 표면의 광택을 유지하는 경우에만 표면조도가 향상된 양질의 제품을 생산할 수 있다는 것을 본 실험을 통하여 확인하였다.
- 6은 TDS의 성형품으로 성형후 표면조도가 한층 더 우수해진 것을 확인할 수 있었으며 성형 후 경도 값이 대체적으로 상승된 것을 알 수 있었다. 그리고 성형품의 금속학적 미세조직 또한 치밀해진 것을 확인할 수 있었다.
- 따라서 본 실험에서는 광물성 비수용성 윤활유를 성형이 진행되는 동안 계속적으로 강제분사 공급한결과 소음도 줄어들었으며, 매끄러운 광택면을 갖는 성형품의 생산이 가능하였다.
- 있었다. 따라서 스웨이 징 성형 시 반드시 윤활유를 공급하고 금형 표면의 광택을 유지하는 경우에만 표면조도가 향상된 양질의 제품을 생산할 수 있다는 것을 본 실험을 통하여 확인하였다.
- 따라서 스웨이징 성형을 하는 경우 기존의 단조 공정이나 기타 다른 성형 공정에 비하여 외표면이 매우 매끄러운 정형품의 생산이 가능함을 본 실험을 통하여 확인할 수 있었다.
- 그러나 성형성이 좋은 34Mn5 소재로 성형된 제품의 표면 거칠기가 S45C보다 더 우수한 것으로 나타났다. 또한 Recess 스웨이징 성형 방법이 Feed-in 스웨이징 성형 방법보다 표면 거칠기가 우수한 것으로 나타남을 알 수 있었다.
- 또한 실험을 통하여 살펴본 결과 스웨이징 작업에서 윤활유의 사용 유무와 금형 간의 다듬질 정도가 제품의 표면 조도와 밀접한 관계가 있음을 확인하였다.
- 본 실험에서는 34Mn5와 S45C 튜브 소재에 대하여 Rotary swaging 성형공정 5공정, 절삭공정 2공정, 압출 (Serration) 2공정 등 모두 9공정으로 완성하였으며 제품의 표면조도 및 치수정밀도가 우수한 제품을 얻을 수 있었다.
- 즉 성형 후 두께 증가량은 각 부위에 따라 다소 차이는 있지만 전반적으로 두께가 증가되었으며 두 소재 중 34Mn5 소재의 경우가 S45C보다 다소 높은 것으로 나타났으나 대체적으로 성형 전보다 약 0.5mm~1.5mm 정도 두께가 증가되었음을 알 수 있었다.
후속연구
- 따라서 향후에는 이러한 장점으로 인하여 TDS가 국내외 자동차 업계에서 대부분 사용될 것으로 전망된다.
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