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문제 정의
- 본 연구는 열·냉간 복합단조 클러치 Jaw 부품을 열간 단조 후 냉간 단조 공법 기술을 적용하여 개발하고자 한다.
- 또한, 제품의 치수정밀도가 우수하며 가공경화에 의한 기계적 성질이 향상된다. 이러한 냉간 단조와 열간 단조를 융합한 냉열간 복합 단조 기술을 적용하여 농기계용 클러치 Jaw 부품을 개발하기 위하여 최적의 공정설계를 수행하였다. 단조 공정수의 결정은 단조품의 형상과 단면 변화 정도에 따라 결정되며, 형상이 복잡하고 단면 변화가 심한 경우에도 가능한 여러 공정을 넘지 않게 설계하는 것이 좋으며, 공정수가 증가하면 원가 상승과 금형 제작비용 상승, 그리고 작업자의 피로도가 높아진다.
- 본 연구는 정밀 냉열간 단조기술을 적용한 농기계용 이앙기 클러치 Jaw 부품 일체화 성형기술을 개발하기 위한 냉열간 성형 공법을 제시하였다. 클러치 Jaw 부품의 냉열간 성형 공법 적용을 위하여 소재 물성평가와 단조 성형해석, 시작금형 제작, 시제품 성능평가를 수행하였다.
제안 방법
- 복합단조 기술은 현재 포마 공정과 냉간 공정으로 적용되고 있으나, 열간 단조 공정은 제품의 치수정밀도가 떨어지므로 열간 공정 후 냉간 공정으로 성형해야 원가절감 및 정밀도가 우수한 제품을 얻을 수 있다. 클러치 Jaw 부품은 냉간 공정만으로 작업 시 금형 파손으로 인하여 원가상승과 품질 저하 문제가 빈번히 발생하며, 이러한 문제점을 해결하기 위해 냉열간 복합단조 기술을 적용하였다.
- 본 연구는 열·냉간 복합단조 클러치 Jaw 부품을 열간 단조 후 냉간 단조 공법 기술을 적용하여 개발하고자 한다. 농기계용 일체형 클러치 Jaw 부품은 기존 냉간 단조 또는 정밀 가공으로 2개의 부품을 용접하여 사용하던 것을 일체형 부품으로 제안하였다. 클러치 Jaw 부품은 열간 단조 공정과 냉간 단조 공정을 복합하여 성형하는 농기계용 부품으로 기존 2개의 클러치 Jaw 부품을 조립하여 용접하던 것을 일체형 시제품을 제작하여 생산 일정 감소와 제조원가 절감, 용접 공정 삭제가 가능함을 확인하였다.
- 클러치 Jaw 부품에 대한 성형해석을 위하여 압축시험을 수행하여 기계적 성질을 확인하였다. 시험에 사용된 소재는 SCM420이며, 시험편은 Fig.
- 1과 같이 원기둥 모양으로 지름 10 mm, 높이 15 mm로 와이어 커팅 가공하여 제작하였다. 압축시험은 60 ton 만능재료시험기(UTM)에서 시험속도 2 mm/min로 소재 압하율 60% (9 mm)까지 압축하여 수행하였다. 압축시험 결과 압축시편에 일정한 하중을 가하여 9 mm까지 압축한 후 시편의 높이를 측정한 결과 7.
- 또한 소재 가열온도를 1,200°C~1,250°C로 설계하였고, 금형 파손을 방지하기 위하여 오픈 단조형(open forging type)으로 설계하였으며, 금형 내부 온도를 300°C~400°C 사이를 유지할 수 있도록 설계하였다.
- 3공정 냉간 헤딩 공정은 열간 단조 공정에서 적용한 빼기구배(3°~5°)를 수직으로 정형하기 위하여 설계하였고, 4공정 냉간 사이징 공정은 클러치 Jaw 부품의 전체적인 최종 치수 정밀도 향상을 위하여 설계하였다.
- 본 클러치 Jaw 부품의 단조 공정은 총 4공정으로 1공정 열간 단조, 2공정 트리밍(trimming), 냉간 단조 공정인 3공정 냉간 헤딩(cold heading)과 4공정 냉간 사이징(cold sizing)으로 설계하였다. Table 1은 클러치 Jaw 금형의 공정 순서를 보여준다.
- 6은 열간 단조 금형 조립도를 보여준다. 2공정 트리밍 공정은 1공정 열간 단조 공정에서 발생한 플래시(flash)를 절단하기 위하여 설계하였다. 3공정 냉간 헤딩 공정은 열간 단조 공정에서 적용한 빼기구배(3°~5°)를 수직으로 정형하기 위하여 설계하였고, 4공정 냉간 사이징 공정은 클러치 Jaw 부품의 전체적인 최종 치수 정밀도 향상을 위하여 설계하였다.
- 클러치 Jaw 부품 생산을 위해 공정 설계를 진행하여 원소재 절단 후 1공정 열간 단조, 2공정 트리밍, 3공정 냉간 헤딩, 4공정 냉간 사이징으로 제품을 완성할 수 있도록 설계하였다. 2공정 트리밍과 4공정 냉간 사이징 공정은 단순히 절단과 리스트라이킹(restriking)을 하는 공정이므로 성형해석을 수행하지 않았으나, 1공정 열간 단조와 3공정 냉간 헤딩 공정은 단조 성형해석을 수행하였다.
- 클러치 Jaw 부품 생산을 위해 공정 설계를 진행하여 원소재 절단 후 1공정 열간 단조, 2공정 트리밍, 3공정 냉간 헤딩, 4공정 냉간 사이징으로 제품을 완성할 수 있도록 설계하였다. 2공정 트리밍과 4공정 냉간 사이징 공정은 단순히 절단과 리스트라이킹(restriking)을 하는 공정이므로 성형해석을 수행하지 않았으나, 1공정 열간 단조와 3공정 냉간 헤딩 공정은 단조 성형해석을 수행하였다. 3D CAD S/W를 활용하여 클러치 Jaw 부품과 금형을 3차원으로 모델링하였고, simufact forming S/W를 활용하여 클러치 Jaw 금형의 단조 성형해석을 수행하였다.
- 2공정 트리밍과 4공정 냉간 사이징 공정은 단순히 절단과 리스트라이킹(restriking)을 하는 공정이므로 성형해석을 수행하지 않았으나, 1공정 열간 단조와 3공정 냉간 헤딩 공정은 단조 성형해석을 수행하였다. 3D CAD S/W를 활용하여 클러치 Jaw 부품과 금형을 3차원으로 모델링하였고, simufact forming S/W를 활용하여 클러치 Jaw 금형의 단조 성형해석을 수행하였다. 단조 성형해석을 위해 SCM420 소재의 압축시험 데이터를 기계적 물성으로 입력하였다.
- Table 2는 단조 성형해석 조건을 보여준다. 열간 단조 시 표면 스케일 등에 의해 공정별 마찰계수를 0.3, 0.5, 0.7로 구분하고, 냉간 단조 시 윤활유 사용으로 인해 공정별 마찰계수를 0.05, 0.1, 0.15, 0.2로 구분하여 단조 성형해석을 수행하였다. 프레스 성형 속도는 1공정 100 SPM, 3공정 45 SPM으로 적용하였고, 최초 원소재는 봉재 지름 38 mm에 길이 68.
- 또한 마찰계수에 따라 열간 단조 공정 제품의 형상 차이가 거의 없었으며, 실제 사용된 750 ton 프레스 기준으로 적용이 가능한 것으로 판단되었다. 일반적인 열간 단조 마찰 계수는 0.3을 활용하지만, 마찰이 심한 경우의 마찰계수 0.5, 0.7 등에 대해서도 성형해석을 실시하여 변형률, 온도 등을 확인하였다. 1공정 열간 단조 금형은 고온에서 작업하기 때문에 금형 파손을 방지하기 위하여 오픈 단조형으로 설계하였다.
- 클러치 Jaw 부품을 생산하기 위하여 150 ton 기계프레스에서 SCM420 환봉 소재를 절단하였으며, 절단된 소재를 가열하기 위하여 연속 가열로를 활용하여 소재 온도를 1,200°C~1,250°C까지 가열하였다.
- 절단 가열된 소재를 300°C~400°C 온도로 예열된 금형 내부에 삽입하여 750 ton 프레스에서 열간 단조 시제품을 생산하였다.
- 16은 냉각 후의 열간 단조 성형 제품을 보여준다. 열간 단조 성형 후 클러치 Jaw 부품을 측정하기 위하여 Fig. 17과 같이 열간 단조 후 클러치 Jaw 부품의 이각부 높이와 내경을 측정하였다. 여기서 ①은 클러치 Jaw 이각부 높이로 설계치수 6 mm±0.
- 1공정 열간 단조 공정에서 생산된 클러치 Jaw 부품을 트리밍하기 위하여 2공정 트리밍 금형에서 트리밍 공정 제품을 확보하였다. 즉, 프레스에 설치된 트리밍 금형에 1공정 제품을 삽입하여 외곽에 발생된 플래시를 제거하였다.
- 21은 농기계용 클러치 Jaw 부품의 평행도 측정 위치를 보여준다. 농기계용 클러치 Jaw 최종 제품에 대한 평행도를 3차원 측정기를 사용하여 1번 평면을 측정한 후 2번 평면에 대한 평행도를 측정하였다. 평행도는 시료 5개에 대한 측정결과 0.
- 본 연구는 정밀 냉열간 단조기술을 적용한 농기계용 이앙기 클러치 Jaw 부품 일체화 성형기술을 개발하기 위한 냉열간 성형 공법을 제시하였다. 클러치 Jaw 부품의 냉열간 성형 공법 적용을 위하여 소재 물성평가와 단조 성형해석, 시작금형 제작, 시제품 성능평가를 수행하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 7 등에 대해서도 성형해석을 실시하여 변형률, 온도 등을 확인하였다. 1공정 열간 단조 금형은 고온에서 작업하기 때문에 금형 파손을 방지하기 위하여 오픈 단조형으로 설계하였다. Fig.
대상 데이터
- 클러치 Jaw 부품에 대한 성형해석을 위하여 압축시험을 수행하여 기계적 성질을 확인하였다. 시험에 사용된 소재는 SCM420이며, 시험편은 Fig. 1과 같이 원기둥 모양으로 지름 10 mm, 높이 15 mm로 와이어 커팅 가공하여 제작하였다. 압축시험은 60 ton 만능재료시험기(UTM)에서 시험속도 2 mm/min로 소재 압하율 60% (9 mm)까지 압축하여 수행하였다.
- 3은 압축시험 전후의 시편을 보여준다. Fig. 4는 SCM420 소재 압축 과정을 공칭 응력과 공칭 변형률 선도, 진력과 진변형률 선도로 나타내었으며, 확보된 데이터는 성형해석의 소재 물성으로 적용하였다.
- 8은 냉간 사이징 금형 조립도를 보여준다. 1공정 열간 단조금형의 펀치와 다이재료는 STD61 합금 공구강을 사용하였고, 2공정에서 4공정까지 냉간용 펀치와 다이는 STD11 합금 공구강을 사용하였다.
- 3D CAD S/W를 활용하여 클러치 Jaw 부품과 금형을 3차원으로 모델링하였고, simufact forming S/W를 활용하여 클러치 Jaw 금형의 단조 성형해석을 수행하였다. 단조 성형해석을 위해 SCM420 소재의 압축시험 데이터를 기계적 물성으로 입력하였다. Table 2는 단조 성형해석 조건을 보여준다.
- 2로 구분하여 단조 성형해석을 수행하였다. 프레스 성형 속도는 1공정 100 SPM, 3공정 45 SPM으로 적용하였고, 최초 원소재는 봉재 지름 38 mm에 길이 68.6 mm로 150 ton 프레스에서 금형으로 절단하여 사용하였다.
- 14는 마찰계수에 따른 최대하중을 보여준다. 냉간 헤딩 공정의 마찰 계수는 0.05, 0.1, 0.15, 0.2 등 4가지를 선정하였으며, 마찰계수별 최대하중은 385 ton, 389 ton, 393 ton, 396 ton으로 나타났다. 또한 마찰계수에 따라 냉간 단조 공정 제품의 형상 차이가 거의 없었으며, 실제 사용된 400 ton 프레스 기준으로 다소 높은 하중이 나타나 윤활을 통해 마찰력을 줄이는 것이 필요할 것으로 확인되었다.
성능/효과
- 농기계용 일체형 클러치 Jaw 부품은 기존 냉간 단조 또는 정밀 가공으로 2개의 부품을 용접하여 사용하던 것을 일체형 부품으로 제안하였다. 클러치 Jaw 부품은 열간 단조 공정과 냉간 단조 공정을 복합하여 성형하는 농기계용 부품으로 기존 2개의 클러치 Jaw 부품을 조립하여 용접하던 것을 일체형 시제품을 제작하여 생산 일정 감소와 제조원가 절감, 용접 공정 삭제가 가능함을 확인하였다.
- 압축시험은 60 ton 만능재료시험기(UTM)에서 시험속도 2 mm/min로 소재 압하율 60% (9 mm)까지 압축하여 수행하였다. 압축시험 결과 압축시편에 일정한 하중을 가하여 9 mm까지 압축한 후 시편의 높이를 측정한 결과 7.4 mm로 확인되었고, 예상 시편 높이인 6 mm에서 1.4 mm 복원되는 현상이 발생됨을 확인하였다. Fig.
- 12는 열간 단조 성형해석 결과로 마찰계수에 따른 최대하중을 보여준다. 마찰계수 변화에 따라 최대하중 변화를 확인한 결과 마찰계수 0.3일 때 671 ton, 0.5일 때 694 ton, 0.7일 때 702 ton으로 나타나 마찰계수 증가에 따라 최대하중도 증가함을 알 수 있다. 또한 마찰계수에 따라 열간 단조 공정 제품의 형상 차이가 거의 없었으며, 실제 사용된 750 ton 프레스 기준으로 적용이 가능한 것으로 판단되었다.
- 7일 때 702 ton으로 나타나 마찰계수 증가에 따라 최대하중도 증가함을 알 수 있다. 또한 마찰계수에 따라 열간 단조 공정 제품의 형상 차이가 거의 없었으며, 실제 사용된 750 ton 프레스 기준으로 적용이 가능한 것으로 판단되었다. 일반적인 열간 단조 마찰 계수는 0.
- 2 등 4가지를 선정하였으며, 마찰계수별 최대하중은 385 ton, 389 ton, 393 ton, 396 ton으로 나타났다. 또한 마찰계수에 따라 냉간 단조 공정 제품의 형상 차이가 거의 없었으며, 실제 사용된 400 ton 프레스 기준으로 다소 높은 하중이 나타나 윤활을 통해 마찰력을 줄이는 것이 필요할 것으로 확인되었다.
- 5로 측정되어 성형 정밀도가 양호함을 확인하였다. 열간 단조 성형해석 결과에서 마찰계수 증가에 따라 최대하중이 증가하고 마찰 별 형상 차이가 거의 없이 열간 단조 성형이 가능한 것으로 판단되었다. 실제 성형 실험에서도 무윤활 상태에서 클러치 Jaw 열간 단조 성형이 가능하였다.
- 이는 열간 단조 성형에서 빼기구배를 적용하고 이형제를 뿌려 금형 내에 공정 부품의 달라붙음을 방지하였기 때문이라 판단된다. 즉, 열간 단조 성형 시에 이형제를 도포하므로 마찰계수가 낮아지는 효과가 있으며 이는 성형해석 결과보다 양호한 제품을 얻은 것으로 판단된다.
- 냉간 헤딩 성형해석 결과에서 하중은 마찰계수 증가에 따라 최대 하중이 증가하고 마찰 별 형상 차이가 거의 없이 냉간 헤딩 성형이 가능한 것으로 판단되었으며, 실제 성형 실험에서도 윤활제를 사용하여 클러치 Jaw 냉간 헤딩 성형이 가능하였다.
- 냉간 헤딩 금형으로 확보된 클러치 Jaw 공정 부품을 냉간 사이징 금형에서 최종 치수 정밀도를 만족하는 성형제품을 얻을 수 있었다. 즉, 냉간 사이징 금형은 400 ton 프레스에 금형을 설치한 후 냉간 헤딩 공정 제품을 삽입하여 최종 제품을 얻을 수 있었다.
- 냉간 헤딩 금형으로 확보된 클러치 Jaw 공정 부품을 냉간 사이징 금형에서 최종 치수 정밀도를 만족하는 성형제품을 얻을 수 있었다. 즉, 냉간 사이징 금형은 400 ton 프레스에 금형을 설치한 후 냉간 헤딩 공정 제품을 삽입하여 최종 제품을 얻을 수 있었다. Fig.
- (2) 열간 단조 공정의 성형해석에서 소재 온도는 1,200°C, 금형 온도는 350°C로 적용하였고, 마찰계수 0.3, 0.5, 0.7로 적용한 결과 마찰 별 형상 차이가 거의 없이 무윤활 상태에서 클러치 Jaw 열간 단조 성형이 가능함을 확인하였다.
- (1) 클러치 Jaw 부품의 원소재인 SCM420에 대한 기계적 성질을 파악하기 위하여 압축 시험을 통해 응력-변형률 선도를 얻을 수 있었으며, 단조 성형해석 시에 적용하여 보다 정확한 해석 결과를 얻을 수 있었다.
- (3) 냉간 헤딩 성형해석 결과에서 하중은 마찰계수 증가에 따라 최대하중이 증가하고 마찰 별 형상 차이가 거의 없이 냉간 헤딩 성형이 가능함을 확인하였고, 실제 성형 실험에서도 윤활제를 사용하여 클러치 Jaw 냉간 헤딩 성형이 가능하였다.
- (4) 클러치 Jaw 부품 생산을 위해 열간 단조, 트리밍, 냉간 헤딩, 냉간 사이징 공정 순으로 설계되었으며, 냉간 사이징 공정에서 치수 정밀도가 우수한 최종 시제품을 확보할 수 있었다.
- 여기서 ①은 클러치 Jaw 이각부 높이로 설계치수 6 mm±0.2이며 6 mm~6.15 mm로 측정되었고, ②는 클러치 Jaw 내경으로 설계치수 ∅26±0.5이며 ∅26.2~∅26.5로 측정되어 성형 정밀도가 양호함을 확인하였다.
후속연구
- 즉, 농기계용 일체형 클러치 Jaw 부품은 기존 냉간 단조 또는 정밀 가공으로 2개의 부품을 용접하여 사용하던 것을 일체형으로 변경하여 용접 공정과 재료 손실을 없애고 열간 단조 공정과 냉간 단조 공정을 복합한 냉열간 복합 단조기술 적용이 가능하다. 또한, 열간 단조 공법으로 제작 시 발생하는 산화, 탈탄 및 가공량 과다와 냉간 단조 공법으로 제작 시 발생하는 플랜지 부위의 크랙 등의 취약점을 보완하여 열간 단조 후 냉간 단조 공법을 적용하여 일체형 부품 개발이 가능하다.
- (5) 농기계용 이앙기 클러치 Jaw 부품에 대한 냉열간 단조 기술을 확보함으로써 생산성 향상과 원가 절감이 가능할 것으로 예상된다.
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