[논문]피스톤 링 제조용 선재의 다단 형상 압연공정 설계

김남진; 이경훈; 임상혁; 이제문; 김병민

doi:10.5228/kstp.2017.26.1.28

피스톤 링 제조용 선재의 다단 형상 압연공정 설계
Process Design of Multi-Pass Shape Rolling for Manufacturing Piston Ring Wire 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.26 no.1, 2017년, pp.28 - 34

김남진 (부산대학교 기계공학부 정밀가공시스템전공) , 이경훈 (한국해양대학교 기관공학부) , 임상혁 (고려특수선재 이형선부서) , 이제문 (고려특수선재 이형선부서) , 김병민

Abstract ▼ AI-Helper

Multi-pass shape rolling is performed to produce long products of arbitrary cross-sectional shapes. In the past, the multi-pass shape rolling process has been designed by the trial and error method or the experience of experts based on the empirical approach. Particularly, the design of roll caliber in shape rolling is important to improve product quality and dimensional accuracy. In this paper, the caliber design and pass schedule of multi-pass shape rolling were proposed for manufacturing piston ring wire. In order to design roll caliber, major shape parameter and dimension was determined by analysis of various caliber design. FE-simulation was conducted to verify effectiveness of proposed process design. At first, forming simulation was performed to predict shape of the product. Then, fracture of the wire was evaluated by critical damage value using normalized Cockcroft-Latham criteria. The experiment was carried out and the results are within the allowable tolerance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 피스톤 링용 선재 제조를 위한 다단 형상 압연공정의 설계 방법을 제안하였다. 유사한 단면 형상의 선재 제조용 공형의 치수로부터 주요 설계변수를 도출하고, 도출된 설계 변수를 점진적으로 변화시켜 공형을 설계하였다.

제안 방법

본 연구에서는 피스톤 링용 선재 제조를 위한 다단 형상 압연공정의 설계 방법을 제안하였다. 유사한 단면 형상의 선재 제조용 공형의 치수로부터 주요 설계변수를 도출하고, 도출된 설계 변수를 점진적으로 변화시켜 공형을 설계하였다. 제안된 다단 형상 압연공정 설계안을 검증하기 위하여 해석 및 실험을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 소재는 SUS440B이며, 유한요소 해석을 수행하기에 앞서 인장시험을 실시하여 초기 소재의 기계적 물성을 도출하였다. 시험편은 KS B0802 A9를 참고하여 제작하였고 표점 거리는 100mm이다.

데이터처리

본 연구에서 제시한 형상압연 공정 설계안과 유한요소해석 결과의 타당성을 검증하기 위하여 형상압연 실험을 수행하였다. Fig.

이론/모형

유한요소해석은 상용 소프트웨어인 DEFORM-3D의 형상압연 템플릿을 이용하여 수행하였다. 유한요소해석 모델을 Fig.

성능/효과

(3) 본 연구에서 제시한 다단 형상압연 공정 설계안의 유효성을 검증하기 위해서 압연 실험을 수행하였다. 압연 실험 결과 최종 제품의 미충진율은 0.13%로 계산되었으며 형상 및 치수를 만족하였다.

후속연구

(4) 본 연구에서 제안한 설계 방법을 통해 I, H형 단면을 가지는 소형 정밀 이형선 제조 시 냉간 다단 형상 압연공정의 체계적인 설계가 가능할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	체계적인 형상압연 공정 설계를 위한 연구가 필요한 이유는 무엇인가?	열간 형상 압연을 통해 제조되는 각종 봉재, 채널강, I-빔, H-빔, 앵글, 레일 등의 제품에 대한 공형 설계는 오랜 경험에 의해 설계 법칙이 많이 제시되어 있으며 관련 연구도 활발이 진행되었다[1~5]. 하지만 피스톤 링용 선재와 같이 주로 냉간 형상 압연을 통해 제조되는 소형 정밀 이형선의 경우 용도 및 목적에 따라 형상이 매우 다양하고 복잡하여 주로 현장 작업자의 경험에 의존해 공형 설계가 이루어지고 있다. 이는 공정설계 기간을 연장시키고 제품 개발 비용을 증가시킨다. 따라서 체계적인 형상압연 공정 설계를 위해 관련 연구가 필요하다.
	피스톤 링이란 무엇인가?	피스톤 링은 엔진에서 피스톤의 왕복운동에 사용되는 중요한 부품으로 피스톤과 실린더 사이의 기밀을 유지하는 기밀작용, 링과 실린더 사이의 접촉 운동을 원활하게 하고 오일 소비량을 억제시키는 오일 제어 작용, 피스톤의 열을 실린더에 전달하는 열 전달 작용의 역할을 수행한다. 최근 자동차 엔진의 연비향상을 위해 피스톤 링의 고강도화 및 경량화가 요구되고 있으며 이에 대응하기 위해 기존의 피스톤 링보다 형상이 복잡하고 소형화된 제품이 개발되고 있다.
	다단 형상 압연공정에서 적절한 공형을 설계하는 것이 매우 중요한 이유는 무엇인가?	높은 치수정밀도가 요구되는 피스톤 링용 선재는 다단 형상 압연공정을 통해 생산되며 이 때 초기 형상으로부터 단면의 변화를 점진적으로 유도하여야 원하는 최종 제품이 결함없이 제조된다. 다단 형상 압연공정에서 부적절한 공형은 미충만 또는 과충만 결함을 발생시키고 이로 인해 압연 롤 및 장비의 파손을 가져올 수도 있기 때문에 적절한 공형을 설계하는 것이 매우 중요하다.

참고문헌 (10)

R. Shivpuri, W. Shin, 1991, A Methodology for Roll Pass Optimization for Multi-pass Shape Rolling, Int. J. Mach. Tools Manuf., Vol. 32, No. 5, pp. 671-683.
H. C. Kwon, Y. T. Im, 2002, Interactive Computer-aided-design System for Roll Pass and Profile Design in Bar Rolling, J. Mater. Process. Technol., Vol. 123, pp. 399-405.

상세보기
S. H. Kim, Y. T. Im, 1999, A Knowledge-based Expert System for Roll Pass and Profile Design for Shape Rolling of Round and Square Bars, J. Mater. Process. Technol., Vol. 89-90, pp. 145-151.

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S. J. Lee, K. H. Lee, D. C. Ko, S. K. Lee, B. M. Kim, 2015, Design of Roll Profile in Shape Rolling by 3D-EFA, Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 16, No. 4, pp. 701-706.

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S. J. Lee, K. H. Lee, B. M. Kim, 2015, Design of Roll Profile for Complex Shape in Shape Rolling by Combined 3D-EFA and BWT, Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 15, No. 2, pp. 281-286.
S. J. Lee, K. H. Lee, B. M. Kim, 2015, Design of Roll Profile for LM-Guide Block in Horizontal-Vertical Shape Rolling by 3D-EFA, Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 16, No. 4, pp. 767-773.

상세보기
J. M. Kim, K. W. Kim, B. M. Kim, 2016, BDM Rolling of Middle Sized H-beams from a Bloom, Trans. Mater. Process. Vo1. 25, No. 1, pp. 43-48.

원문보기 상세보기
Z. Wusatowski, 1969, Fundamentals of Rolling, Pergamon Press, pp. 501-530.
M. G. Cockcroft, D. J. Latham, 1968, Ductility and the Workability of Metals, J. Inst. Metals. Vol. 96, No. 1, pp. 33-39.
H. K. Kim, M. Yamanaka, T. Altan, 1995, Prediction and Elimination of Ductile Fracture in Cold Forgings using FEM Simulations, Transaction-North American Manufacturing Research Institution of SME, pp. 63-70.

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