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문제 정의
- 이 연구에서는 실험적 방법을 이용하여 일체형 중공 드라이브 샤프트 제작을 위한 점진적 열간로터리 단조 공정의 적정 공정 조건을 예측하고자 한다. 유도 가열 실험을 통하여 열간 로터리 단조 공정에 투입되는 소재의 적정 가열 시간을 도출하였다.
제안 방법
- 14 유도 가열 실험에서는 Fig. 3과 같이 다단 인발 공정으로 제작된 튜브형 강에 대한 유도 가열 실험을 수행하였다. 점진적 열간 로터리 단조 공정에 적용되는 튜브형 소재의 길이, 외경 및 성형부 두께는 각각 700 mm, 38.
- 소재 공급 장치의 총 이동거리는 200 mm 이다. 각 실험 조건에 대하여 3개의 시편을 제작하여, 성형 조건에 따른 성형부의 표면 품질과 끝단면 형상 변화를 분석하였다.
- 둘째, 점진적 열간 로터리 단조 실험을 수행하여 공정 변수인 스텝 거리와 스텝 회전 각도에 따른 단조부의 품질 변화를 분석하였다. 이 분석 결과를 이용하여 점진적 열간 로터리 성형 공정의 품질 평가 척도들에 대한 성형 특성 지도 (Forming Map)들을 생성할 수 있었다.
- 점진적 열간 로터리 단조 실험을 수행하여 공정 변수에 따른 단조부의 품질 변화를 고찰하였다. 또한, 점진적 열간 로터리 성형 공정의 성형 특성 지도 (Forming Map) 생성하였다. 최종적으로 성형 특성 지도를 이용하여 적정 성형 공정을 도출하였다.
- 이 연구에서는 실험적 방법을 이용하여 일체형 중공 드라이브 샤프트 제작을 위한 점진적 열간로터리 단조 공정의 적정 공정 조건을 예측하고자 한다. 유도 가열 실험을 통하여 열간 로터리 단조 공정에 투입되는 소재의 적정 가열 시간을 도출하였다. 점진적 열간 로터리 단조 실험을 수행하여 공정 변수에 따른 단조부의 품질 변화를 고찰하였다.
- 이 결과들로부터 점진적 열간 로터리 단조 공정이 시작되는 시점에서 온도를 약 1,200°C 부근을 유지시키기 위하여 다단 인발 공정으로 제작된 튜브형 강의 고주파 유도 가열을 시간을 55초로 선정하였다.
- 측정에 사용된 5개의 시편에서 측정된 각 가열 시간별 온도에서 최소, 최대 및 평균 온도를 도출 하였다. 이 데이터를 이용하여 가열 시간에 따른 최소 온도, 최대 온도 및 평균 온도 변화 곡선을 생성하였다. Fig.
- 3과 같이 튜브형 강의 끝단으로부터 깊이 방향으로 60 mm 지점의 내경부에서 측정하였다. 적외선 온도 측정기와 데이터 취득 장치를 사용하여 소재 온도를 측정이다. 이 연구에서 사용된 적외선 온도 측정기의 최하 측정 가능 온도 400°C 이다.
- 5와 같은 점진적 열간 로터리 단조 시스템을 사용하여 가열된 시편에 대한 성형 실험을 수행하였다. 점진적 열간 로터리 단조 시스템은 Fig. 5와 같이 소재 공급 장치 (Feeding System), 점진적 열간 로터리 단조 금형 조립체, 기계식 프레스 및 시스템 제어부 (Control System)로 구성되었다. 가열된 초기 시편과 성형된 시편은 로봇 이송 시스템에 의하여 소재 공급 장치와 성형품 저장부로 이동시켰다.
- 점진적 열간 로터리 단조 실험에 사용된 공정 변수는 사전 실험 결과 제품 품질에 가장 큰 영향을 미치는 스텝 거리 (Step Distance)와 스텝 회전 회전 각도 (Step Angle)를 선정하였다. 스텝 거리와 스텝 각도는 각각 이송 시스템의 1회 작동시 소재의 이동 거리와 회전 각도이다.
- 유도 가열 실험을 통하여 열간 로터리 단조 공정에 투입되는 소재의 적정 가열 시간을 도출하였다. 점진적 열간 로터리 단조 실험을 수행하여 공정 변수에 따른 단조부의 품질 변화를 고찰하였다. 또한, 점진적 열간 로터리 성형 공정의 성형 특성 지도 (Forming Map) 생성하였다.
- 1과 같이 비성형부인 중간 영역과 성형부인 양쪽 끝단 영역으로 구분된다. 좌/우 끝단 영역의 CV (Constant Velocity) 조인트부와 TP (Tripod) 조인트부는 점진적 열간 로터리 단조 공정으로 성형되도록 설계하였다.
- 또한, 점진적 열간 로터리 성형 공정의 성형 특성 지도 (Forming Map) 생성하였다. 최종적으로 성형 특성 지도를 이용하여 적정 성형 공정을 도출하였다.
- 측정에 사용된 5개의 시편에서 측정된 각 가열 시간별 온도에서 최소, 최대 및 평균 온도를 도출 하였다. 이 데이터를 이용하여 가열 시간에 따른 최소 온도, 최대 온도 및 평균 온도 변화 곡선을 생성하였다.
대상 데이터
- Fig. 1은 이 연구의 제작 대상인 일체형 중공 드라이브 샤프트 설계이다. 설계된 일체형 중공 드라이브 샤프트의 길이와 직경은 각각 738.
- Fig. 4와 같이 D사에서 제작한 고주파 유도 가열 실험 장치를 사용하여 실험을 수행하였다. 유도 가열 실험에서의 소재 온도는 Fig.
- 7 mm 이다. 또한, 튜브형 소재의 재질은 15B36M 보론강 (Boron Steel)이다.4
- 1은 이 연구의 제작 대상인 일체형 중공 드라이브 샤프트 설계이다. 설계된 일체형 중공 드라이브 샤프트의 길이와 직경은 각각 738.6 mm와 38.0 mm 이며, 주요 치수는 Fig. 1과 같다. 드라이브 샤프트는 Fig.
- 고주파 유도 가열 실험에 사용된 조건은 Table 1과 같다. 유도 가열 실험에 사용된 시편 개수는 5개이다.
- 이 연구에서 사용된 적외선 온도 측정기의 최하 측정 가능 온도 400°C 이다.
- 3과 같이 다단 인발 공정으로 제작된 튜브형 강에 대한 유도 가열 실험을 수행하였다. 점진적 열간 로터리 단조 공정에 적용되는 튜브형 소재의 길이, 외경 및 성형부 두께는 각각 700 mm, 38.0 mm 및 7.7 mm 이다. 또한, 튜브형 소재의 재질은 15B36M 보론강 (Boron Steel)이다.
성능/효과
- 또한, 스텝 회전 각도가 35.0° 이상일 때에는 모든 스텝 거리에서 성형부 표면에 길이 방향 성형선이 발생하는 것을 알 수 있었다.
- 셋째, 공정변수들에 따른 단조부 품질 변화 분석 결과와 품질 평가 척도들에 대한 성형 특성 지도들의 비교/분석을 통하여 일체형 중공 드라이브 샤프트 조인트부 성형을 위한 적정 점진적 열간 로터리 단조 공정 조건을 예측할 수 있었다. 또한, 예측된 성형 조건으로 양호한 품질을 가지는 일체형 중공 드라이브 샤프트 반제품을 성형할 수 있었다.
- 14는 예측된 적정 점진적 열간 로터리 단조 조건으로 일체형 중공 드라이브 샤프트 반제품을 성형한 결과이다. 성형부 품질을 고찰한 결과, 예측된 성형 조건으로 양쪽 조인트 연결부를 성형할 경우 양호한 품질을 가지는 일체형 중공 드라이브 샤프트 반제품을 성형할 수 있음을 알 수 있었다.
- 셋째, 공정변수들에 따른 단조부 품질 변화 분석 결과와 품질 평가 척도들에 대한 성형 특성 지도들의 비교/분석을 통하여 일체형 중공 드라이브 샤프트 조인트부 성형을 위한 적정 점진적 열간 로터리 단조 공정 조건을 예측할 수 있었다. 또한, 예측된 성형 조건으로 양호한 품질을 가지는 일체형 중공 드라이브 샤프트 반제품을 성형할 수 있었다.
- 스텝 회전 각도가 30.0°와 33.5°이고 스텝 거리가 2.5 mm와 5.0 mm 인 경우에는 스텝 회전 각도와 스텝 거리의 조합에 관계없이 성형부 표면에 길이 방향 성형선이 거의 발생하지 않는 양호한 표면 품질의 성형부가 생성되는 것을 알 수 있었다.
- 이 결과들로부터 점진적 열간 로터리 단조 공정으로 양호한 표면 품질을 가지는 성형부를 생성하기 위해서는 스텝 회전 각도와 스텝 거리의 범위를 각각 30.0°-33.5° 및 2.5-5.0 mm 로 설정하여야 함을 알 수 있었다.
- 이 결과들로부터 제안된 성형 공정으로 양호한 끝단면 형상을 가지는 성형부를 생성하기 위해서는 스텝 거리가 2.5 mm와 5.0 mm 인 경우에는 스텝 회전 각도의 범위를 각각 30.0-35.0°와 30.0-33.5° 로 설정하여야 함을 알 수 있었다.
- 둘째, 점진적 열간 로터리 단조 실험을 수행하여 공정 변수인 스텝 거리와 스텝 회전 각도에 따른 단조부의 품질 변화를 분석하였다. 이 분석 결과를 이용하여 점진적 열간 로터리 성형 공정의 품질 평가 척도들에 대한 성형 특성 지도 (Forming Map)들을 생성할 수 있었다.
- 첫째, 고주파 유도 가열 실험을 통하여 가열 시간에 따른 다단 인발 공정으로 제작된 튜브형 강 내부의 온도 변화를 고찰 할 수 있었다. 이 고찰 결과를 이용하여 점진적 열간 로터리 단조 공정에 투입되는 소재의 적정 가열 시간을 55 초로 선정하였다.
후속연구
- 추후, 추가적인 성형 실험과 유한요소해석을 수행하여 일체형 중공 드라이브 샤프트 반제품의 품질 및 생산성 향상을 도모할 수 있는 최적 점진적 열간 로터리 단조 조건을 도출할 예정이다.
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