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제안 방법
- (1) 업셋, 블록커, 피니셔과정을 유한요소해석하여 예비성형체를 결정하였다. 이때 설계 변수로는 소재의 완충, 성형하중, 기하학적 변수가 유용하였다.
- 3과 같이 플래시가 생성되지 않는 범위에서 설계 변수를 결정하였다. 갤러리의 깊이 dg는 0, 7, 14mm이고, 핀 보스의 깊이 db는 16, 20, 24mm로 설정하여 각 변수에 대하여 해석을 수행하였다.
- 코너 반경과 필렛 반경이 크면 마찰부위에서 상대적으로 응력이 낮아지고 금형 수명이 길어지며, 너무 작으면 금속 유동이 원활하지 않아 미 충진이 발생하거나, 응력 집중에 의하여 금형 마모가 촉진되며 균열이 발생할 수 있다. 그러나, 최종 제품의 치수에 의해 반경을 크게 하는 데는 제한 사항이 따르므로, 최종 제품의 치수에 한정된 반경을 채택하였다.
- 본 연구에 사용된 단조강은 국내에 기 개발된 인장강도 100kg/㎟의 열처리된 크롬몰리브덴강 SCM440을 사용하였다. 또한, 단조품의 깊이가 깊기 때문에 성형성을 향상시키기 위해서 열간 공정을 선택하였으며, 열간 가공의 경우 소재 온도가 내려가면 변형 저항이 증가하고 피스톤 단조의 경우 성형과정에서 주 변형방향을 한쪽 방향으로 고려할 수 있기 때문에 이에 상대적으로 유리한 고속해머를 단조기계로 선정하였다. 또한, 성형 에너지를 계산하고 유한요소 상용프로그램인 DEF0RM-3D(1)을 이용 확인하여 개방형 파워 드롭 해머 250ton을 선정하였다.
- 따라서 보스의 깊이는 크게 하지 않는 것이 좋다는 결론과 성형하중 은 먼저 충진되는 갤러리의 깊이에 보다 더 영향을 받는 것을 알 수 있다. 또한, 본 연구를 통하여 개발된 분절 피스톤의 경우 Fig. 5와 6의 결과로부터 최소의 성형 하중을 갖는 갤러리 깊이(dg) 7mm, 핀 보스의 깊이 (db) 20mm 를 본 개발품의 예비성형체 치수로 결정하였다.
- 또한, 단조품의 깊이가 깊기 때문에 성형성을 향상시키기 위해서 열간 공정을 선택하였으며, 열간 가공의 경우 소재 온도가 내려가면 변형 저항이 증가하고 피스톤 단조의 경우 성형과정에서 주 변형방향을 한쪽 방향으로 고려할 수 있기 때문에 이에 상대적으로 유리한 고속해머를 단조기계로 선정하였다. 또한, 성형 에너지를 계산하고 유한요소 상용프로그램인 DEF0RM-3D(1)을 이용 확인하여 개방형 파워 드롭 해머 250ton을 선정하였다. 일반적으로, 성형온도는 고속해머에 의한 단조 성형의 경우, 성형이 끝나는 시점에서 단조품의 온도가 A3변태점보다 조금 높도록 설정하므로, 단조재료SCM440의 성형온도를 1200℃로 결정하였다.
- 본 연구에서는 예비성형체의 제작을 위해 단조공정 변수를 우선, 경험적 자료를 기반으로 설정한 후 이를 유한요소 해석과 설정된 예비성형체의 재료 유동의 검토를 위해 플라시티씬(Plasticine) 실험을 병행하였다. 본 연구의 성과로 분절 피스톤 개발의 핵심 기술인 예비성형체 단조공정에 대한 기술 정보를 확보할 수 있었다.
- 파워 해머의 피니셔 공정에서 예비성형체가 정확하지 않으면 단조 과다 하중이 발생하고 미 충진 및 겹침(lap) 결함이 발생할 수 있다. 본 연구에서는 최적 예비성형체를 구하기 위해 예비성형체의 형상을 변화 시키면서 최종 금형에서 유한 요소 해석을 진행하여 소재가 충만 되었을 때 성형 하중을 구하였다. 즉, 예비성형체의 최적설계의 기준으로 재료의 완충, 성형하중, 기하학적 변수를 사용하였다.
- 5mm로 높이 대 두께의 비가 4:1로 허용 범위 내에 있도록 설계하였다. 소재의 다른 부분들을 이어주는 역할과 금형 공동부에서 소재 유동 통로 역할을 하는 웨브는 금형 분리선의 위치, 드래프트 각, 코너 및 필렛 반경, 리브의 치수, 상단 랜드부와 피스톤링 벨트부 등을 고려하여 30.1 mm로 결정하였다.
- 예비성형체 설계의 범위는 최종형상에 들어가기 전 단계에서 플래시가 생성될 경우 절삭가공 과정을 한번 더 거쳐야 하기 때문에 Fig. 3과 같이 플래시가 생성되지 않는 범위에서 설계 변수를 결정하였다. 갤러리의 깊이 dg는 0, 7, 14mm이고, 핀 보스의 깊이 db는 16, 20, 24mm로 설정하여 각 변수에 대하여 해석을 수행하였다.
- . 이에 본 개발품에서는 최종 단조 제품에 근거하여 높이 46.2mm, 두께 17.5mm로 높이 대 두께의 비가 4:1로 허용 범위 내에 있도록 설계하였다. 소재의 다른 부분들을 이어주는 역할과 금형 공동부에서 소재 유동 통로 역할을 하는 웨브는 금형 분리선의 위치, 드래프트 각, 코너 및 필렛 반경, 리브의 치수, 상단 랜드부와 피스톤링 벨트부 등을 고려하여 30.
- 본 연구에서는 최적 예비성형체를 구하기 위해 예비성형체의 형상을 변화 시키면서 최종 금형에서 유한 요소 해석을 진행하여 소재가 충만 되었을 때 성형 하중을 구하였다. 즉, 예비성형체의 최적설계의 기준으로 재료의 완충, 성형하중, 기하학적 변수를 사용하였다.
- 제품을 금형으로부터 쉽게 추출하기 위하여 필요한 드래프트 각은 과도할 경우 금형의 가공비용과 재료손실을 증가시키므로 단조품의 수축방 향과 단조기계의 특성을 살려 적정한 드래프트 각의 결정이 이루어져야 한다. 파워 해머 열간 단조의 경우 단조 후 냉각함에 따라 반경 및 길이 방향으로 수축하기 때문에 안쪽의 드래프트 각이 바깥쪽 드래프트 각보다 상대적으로 크고, 단조품의 깊이가 깊도록 안쪽 12.5°, 바깥쪽 3°로 결정하였다.
- 피니셔 금형을 위하여 실무자의 경험과 문헌 자료2)을 고찰 분석하여 Fig. 2에 나타내어진 바와 같이 필요한 변수들을 설정하여 설계하였다.
- 재료 유동에 대한 보다 유용한 정보를 얻기 위하여 실험의 결과와 비교 해석을 실시하였다. 해석은 단조전용해석 프로그램인 SuperForge 을 사용하였으며, 금형 및 소재 치수, 펀치 속도는 위에서 실시한 플라시티씬 예비성형체 실험과 동일한 조건으로 설정하고, 재료은 실제 제품의 소재인 SCM440, 성형온도는 1200℃로 하여 해석을 수행하였다. 해석과 실험의 재료 유동을 Fig.
대상 데이터
- 는 예비성형체의 외경, h 는 예비성형체의 높이이다. 본 개발품에서 결정된 치수는 S=1.6mm, b=2.7mm, do=89mm, h=80mm 이다.
- 본 연구에 사용된 단조강은 국내에 기 개발된 인장강도 100kg/㎟의 열처리된 크롬몰리브덴강 SCM440을 사용하였다. 또한, 단조품의 깊이가 깊기 때문에 성형성을 향상시키기 위해서 열간 공정을 선택하였으며, 열간 가공의 경우 소재 온도가 내려가면 변형 저항이 증가하고 피스톤 단조의 경우 성형과정에서 주 변형방향을 한쪽 방향으로 고려할 수 있기 때문에 이에 상대적으로 유리한 고속해머를 단조기계로 선정하였다.
- 본 연구에서는 기존에 제작되어 있던 장치가 있어 이를 재활용하는 차원에서 실험 금형의 주요 치수는 81% 축소 모델로 제작하였으며, 예비성형체 금형의 실험모델과 실험조건은 Table 2와 같다.
- 예비성형체로 성형되는 동안 재료유동을 살피기 위해서 실험은 소재가 충만되는 거리 29.7mm에서 실시되었고, 그 중간 과정을 살피기 위해서 펀치 이동거리 14.5mm, 23mm에서 별도의 실험을 실시하였다.
- 해석에 사용된 조건은 다음의 Table 1과 같으며, 유한 요소 해석은 DEF0RM3D 로 수행하였다.
데이터처리
- 재료 유동에 대한 보다 유용한 정보를 얻기 위하여 실험의 결과와 비교 해석을 실시하였다. 해석은 단조전용해석 프로그램인 SuperForge 을 사용하였으며, 금형 및 소재 치수, 펀치 속도는 위에서 실시한 플라시티씬 예비성형체 실험과 동일한 조건으로 설정하고, 재료은 실제 제품의 소재인 SCM440, 성형온도는 1200℃로 하여 해석을 수행하였다.
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