[논문]초소형 스크류 온간 다단 헤딩공정 연구

장연희; 정진환; 장명근; 홍재근; 김종봉

doi:10.7736/kspe.2017.34.2.83

[국내논문] 초소형 스크류 온간 다단 헤딩공정 연구
Design of a Multi-Step Warm Heading Process for Subminiature Screws 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.34 no.2, 2017년, pp.83 - 87

장연희 (서울과학기술대학교 자동차공학과) , 정진환 (서울과학기술대학교 자동차공학과) , 장명근 (서울과학기술대학교 자동차공학과) , 홍재근 (한국기계연구원 부설재료연구소 특수합금연구그룹) , 김종봉 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A multi-step warm forging process for subminiature screws is investigated. Due to the low formability of Titanium alloys, bit forming of Titanium screws is difficult by cold forging. In order to overcome this low formability of Titanium alloys, two candidate processes, i.e., multi-step forging and warm forging are introduced. First, a multi-step (two-step) forging process is investigated. The punch shape and stroke of forging during the first step is designed via various analyses. Finally, the bit formability is investigated at different forging temperatures. Analyses are carried out for two-step forging at various temperatures and the formability under these thermal conditions is compared.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

Kim 등⁸은 스테인레스 볼트의 TORX 형상 비트 단조를 위해 다단 단조 공정을 설계하였다. 본 연구에서는 Titanium 소재의 볼트에 십자 (+) 형의 비트를 성형하는 것으로 새로운 공정의 설계가 필요하다.
본 연구에서는 초소형 Titanium 나사의 머리부 성형성 개선에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 초소형 나사의 헤드부 단조 성형 과정에서 발생하는 접힘 현상 및 공정 펀치 형상에 따른 성형성과 손상도를 분석했다. 난성형재인 Titanium Gr.
본 연구에서는 최종 성형품의 손상도를 최소화하고 성형성을 증가시키기 위해 2단 성형 공정의 각 공정의 펀치 형상과 펀치 행정(스트로크)을 결정하였다. 성형성은 손상도와 접힘 결함을 고려하여 결정하였다.

가설 설정

Figs. 12(a)부터 12(e) 모든 경우에서 손상도는 1을 넘지 않는다. 엄격하게 분석하면 모든 경우에서 크랙이 발생하지 않는다는 의미이다.

제안 방법

2단 단조 공정에서 접힘 및 미충진 불량이 없이 성형 가능한 공정변수와 펀치 형상을 설계하였다. 설계된 2단 단조 공정으로 상온, 150, 200, 250도에서 단조를 해석하여 성형성을 분석하였다.
3은 1차 단조 공정에서 검토한 펀치 형상을 보여준다. 4가지 경우에 대해 해석을 진행하여 가장 성형성이 좋은 경우를 선정하였다.
소재는 Titanium Gr. 4로 응력-변형율 곡선을 인장시험을 통해서 구하여 사용하였다. Fig.
불량을 개선하기 위해 공정 개선이 필요함을 보여준다. 공정 개선을 위해 2가지 방법을 검토하였다. 첫째는 다단 성형이고, 둘째는 온간 성형이다.
보다 정확하게 절대값의 의미를 가지기 위해서는 임계손상도를 압축시험에서도 구해서 사용해야 한다. 그래서, 본 연구에서는 상대적인 의미로만 분석을 하고자 한다. Table 2에 해석으로 예측한 최대 손상도를 요약하여 기술하였다.
냉간에서 설계한 다단 단조 공정으로 온간 성형에 대해 해석을 수행하였다. 각 온도 조건에서 응력-변형율 선도를 Fig.
첫째는 다단 성형이고, 둘째는 온간 성형이다. 다단 공정은 2단으로 구성하였고, 1단에서 예비 형상을, 2단에서 최종 형상을 성형하도록 구성하였다. Kim 등⁸은 스테인레스 볼트의 TORX 형상 비트 단조를 위해 다단 단조 공정을 설계하였다.
15 mm인 경우는 2단 성형이 아니고 1단 성형이다. 본 해석에서는 1단 성형 펀치 형상이 Fig. 3에 보인 형상이 아니고, 평면 형상의 펀치를 이용하였다. Fig.
성형성은 손상도와 접힘 결함을 고려하여 결정하였다. 상온에서 결정한 펀치 형상과 행정에 대해 온간 성형 특성을 검토하였다. 온간 성형에서는 각 온도별 손상도를 예측하여 온도에 대한 성형성을 상대적으로 비교해 온간 성형시 성형성을 검토하였다.
2단 단조 공정에서 접힘 및 미충진 불량이 없이 성형 가능한 공정변수와 펀치 형상을 설계하였다. 설계된 2단 단조 공정으로 상온, 150, 200, 250도에서 단조를 해석하여 성형성을 분석하였다. 200도에서 2단 단조할 경우 손상도가 가장 작게 예측됨을 알 수 있었다.
4 에 대해 1단 단조시험 결과 성형이 불가능하였다. 성형성 개선을 위해 2단 단조 공정을 설계하였고, 온간 성형도 분석을 하였다.
단면 감소율도 열처리 후 고온 시험의 경우 더 크다. 시험에서 구한 파단 변위까지 인장시험 해석을 수행하여 결과를 분석하였다. Fig.
상온에서 결정한 펀치 형상과 행정에 대해 온간 성형 특성을 검토하였다. 온간 성형에서는 각 온도별 손상도를 예측하여 온도에 대한 성형성을 상대적으로 비교해 온간 성형시 성형성을 검토하였다.
인장시험 해석을 통해서 임계손상도를 결정하였다. 해석은 AFDEX 3D에서 인장시험 해석 방법을 이용하였다.
는 임계 손상도이다. 임계 손상도는 인장시험 결과를 이용하여 결정하였다. 식(1)에서 손상도가 1.
4에서 CW는 냉간가공을 HT는 열처리를 의미한다. 측정한 물성을 이용하여 단조 해석을 수행하였다.

데이터처리

해석은 AFDEX 3D를 이용하여 수행하였고, 단조의 윤활조건을 고려하여 마찰계수는 0.05로 하여 해석을 진행하였다.¹⁰ 해석은 격자 재구성을 통해서 변형율 및 형상 변화가 큰 부위에 충분히 작은 요소를 사용하여 수행하였다.

이론/모형

성형성은 접힘, 미충진, 그리고 손상도로 판단하였다. 접힘과 미충진 결함은 변형 형상으로 정성적으로 판단하였고, 손상도는 Cockcroft-Latham¹¹ 이론을 이용하였다. Cockcroft-Latham¹¹ 손상도는 다음과 같이 정의된다.
인장시험 해석을 통해서 임계손상도를 결정하였다. 해석은 AFDEX 3D에서 인장시험 해석 방법을 이용하였다. Fig.

성능/효과

이것은 단면 수축율이 150, 200, 250^oC에서 30 - 35%로 증가했기 때문으로 사료된다. 결과적으로 최대 손상도는 연신율보다는 단면 수축율에 의해 결정이 되고, 온간 성형에서는 단면 수축율이 크기 때문에 손상도가 낮게 예측이 됨을 알 수 있다. 이것은 파손 시점에 파손 부위의 국부 변형율이 파손에 관계되기 때문으로 사료된다.
또한, 열처리 후 해석에서 예측된 단면 감소율은 Table 1에 기술된 4가지 경우에 대해 각각 27, 25.2, 30, 31, 35%로 시험결과와 거의 일치한 결과를 보였으며, 이를 토대로 해석의 본 논문에서 적용한 임계손상도 결정 방법의 신뢰성을 확인할 수 있다.
4는 시험한 인장시험 결과를 보여준다. 원소재를 냉간가공을 통해서 강도를 개선한 재료를 25도에서 시험한 결과 (CW_T25^oC), 냉간가공 후 400^oC에서 30분간 열처리한 소재를 25, 150, 200, 250도에서 시험한 결과 (각각 CW+HT_25^oC, CW+HT_150^oC, CW+HT_200^oC, CW+HT_250^oC) 이다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단조란 무엇인가?	단조는 원하는 형상의 다이 및 펀치로 소재에 압축하중을 가해 소성 변형을 일으켜 성형하는 공정으로 상온에서 이루어지는 냉간 단조, 고온에서의 온간 및 열간 단조법 등이 있다. 최근 단조 공정 시 발생되는 불량 및 헤드부의 단조 공정에 대한 연구들이 활발히 수행되었다.
	소형나사의 헤드부의 단조 성형 공정에 있어서 가장 큰 문제가 되는 부분은 무엇인가?	최근 단조 공정 시 발생되는 불량 및 헤드부의 단조 공정에 대한 연구들이 활발히 수행되었다.8-10 소형나사의 헤드부의 단조 성형 공정에 있어 가장 큰 문제가 되는 부분은 접힘 (Folding), 소재의 비충전으로 인한 형상 불량, 그리고 크랙 발생이다. 따라서 나사의 헤드부의 불량 개선을 위한 공정 설계가 필요하다.
	파손 시점에 파손 부위의 국부 변형율이 파손에 관계되기 때문에 생기는 결과는 무엇이라고 할 수 있는가?	이것은 단면 수축율이 150, 200, 250oC에서 30 - 35%로 증가했기 때문으로 사료된다. 결과적으로 최대 손상도는 연신율보다는 단면 수축율에 의해 결정이 되고, 온간 성형에서는 단면 수축율이 크기 때문에 손상도가 낮게 예측이 됨을 알 수 있다. 이것은 파손 시점에 파손 부위의 국부 변형율이 파손에 관계되기 때문으로 사료된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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