프레스금형 제작 시 사용목적에 맞는 적합한 소재선택과 빠른 가공방법에 대한 연구는 금형제작시간을 줄이고 금형원가를 절감하는데 절대적으로 필요한 연구분야이다. 특히 장수명 프레스금형을 개발하기 위해선 열에 대한 고찰이 반드시 이루어져야 한다. 일반적으로 프레스금형의 주요부품 소재로는 Cr, W계 저합금 공구강, 고탄소 고크롬강, 고속도강 등 냉간 금형용 합금공구강이 많이 쓰이고 있다. 프레스금형부품을 가공하는 데는 주로 공작기계와 와이어 컷 방전가공을 사용하고 있다. 가공공정에 따라 금형부품의 가공시간 및 수명이 많은 차이가 난다. 밀링가공과 연삭가공으로 제작된 부품의 경우 제작시간과 비용은 많이 드는데 비해 금형의 수명이 길고 밀링가공과 와이어 컷 방전가공을 사용하면 제작시간과 비용은 절감되는 반면 금형수명은 줄어드는 현상이 나타난다. 따라서 본 연구에선 가공시간과 비용이 절감되는 가공방법으로 열처리를 사용하여 금형의 사용수명을 향상시키는 방법에 대해 고찰하고자 한다. 밀링가공-연삭가공, 밀링가공-와이어 컷 방전가공, 밀링가공-와이어 컷-고온템퍼링, 3가지 가공방법으로 시편을 제작하여 가공표면과 중심부를 SEM, EDS분석 및 표면조도분석으로 문제점을 고찰하였고 밀링가공-와이어 컷 방전가공-고온템퍼링의 가공방법으로 밀링가공-연삭가공과 동일한 금형의 수명을 만드는 방법을 도출하였다.
프레스금형 제작 시 사용목적에 맞는 적합한 소재선택과 빠른 가공방법에 대한 연구는 금형제작시간을 줄이고 금형원가를 절감하는데 절대적으로 필요한 연구분야이다. 특히 장수명 프레스금형을 개발하기 위해선 열에 대한 고찰이 반드시 이루어져야 한다. 일반적으로 프레스금형의 주요부품 소재로는 Cr, W계 저합금 공구강, 고탄소 고크롬강, 고속도강 등 냉간 금형용 합금공구강이 많이 쓰이고 있다. 프레스금형부품을 가공하는 데는 주로 공작기계와 와이어 컷 방전가공을 사용하고 있다. 가공공정에 따라 금형부품의 가공시간 및 수명이 많은 차이가 난다. 밀링가공과 연삭가공으로 제작된 부품의 경우 제작시간과 비용은 많이 드는데 비해 금형의 수명이 길고 밀링가공과 와이어 컷 방전가공을 사용하면 제작시간과 비용은 절감되는 반면 금형수명은 줄어드는 현상이 나타난다. 따라서 본 연구에선 가공시간과 비용이 절감되는 가공방법으로 열처리를 사용하여 금형의 사용수명을 향상시키는 방법에 대해 고찰하고자 한다. 밀링가공-연삭가공, 밀링가공-와이어 컷 방전가공, 밀링가공-와이어 컷-고온템퍼링, 3가지 가공방법으로 시편을 제작하여 가공표면과 중심부를 SEM, EDS분석 및 표면조도분석으로 문제점을 고찰하였고 밀링가공-와이어 컷 방전가공-고온템퍼링의 가공방법으로 밀링가공-연삭가공과 동일한 금형의 수명을 만드는 방법을 도출하였다.
Research into the selection of suitable materials and the development of fast processing methods for press die manufacturing is absolutely necessary to reduce the production time and cost. In particular, knowledge of its heat properties must be considered whendeveloping a long press die. Generally, ...
Research into the selection of suitable materials and the development of fast processing methods for press die manufacturing is absolutely necessary to reduce the production time and cost. In particular, knowledge of its heat properties must be considered whendeveloping a long press die. Generally, as the main component materials of press dies, Cr, W low alloy tool steel, high carbon-high chrome steel, high speed steel, etc., are used as thetooling steel for the cold die. Machine tools and wire-cut electric discharge machining are mainly used for processing the press die parts. There are many differences in the machining time and life cycle of die parts depending on the machining process. The parts produced by milling and grinding have a high manufacturing time and cost with a long life cycle, while thosemade by milling and wire-cut discharge machining have areduced manufacturing time and cost,whereastheir die life cycle is reduced. Therefore, in this study, we will discuss amethod of improving the life cycle of the die parts by using heat treatment as a processing method that reduces the manufacturing time and cost. SEM, EDS analysis and the surface roughness analysis of the surface and center of the workpiece are used for analyzing the specimens produced by three machining methods, viz. milling - grinding, milling - wire cut discharge, and milling - wire cut discharge - heat treatment. A method of making die parts having the same life cycle as those produced by milling - grinding is developed with the milling - wire cut discharge - high temperature tempering method.
Research into the selection of suitable materials and the development of fast processing methods for press die manufacturing is absolutely necessary to reduce the production time and cost. In particular, knowledge of its heat properties must be considered whendeveloping a long press die. Generally, as the main component materials of press dies, Cr, W low alloy tool steel, high carbon-high chrome steel, high speed steel, etc., are used as thetooling steel for the cold die. Machine tools and wire-cut electric discharge machining are mainly used for processing the press die parts. There are many differences in the machining time and life cycle of die parts depending on the machining process. The parts produced by milling and grinding have a high manufacturing time and cost with a long life cycle, while thosemade by milling and wire-cut discharge machining have areduced manufacturing time and cost,whereastheir die life cycle is reduced. Therefore, in this study, we will discuss amethod of improving the life cycle of the die parts by using heat treatment as a processing method that reduces the manufacturing time and cost. SEM, EDS analysis and the surface roughness analysis of the surface and center of the workpiece are used for analyzing the specimens produced by three machining methods, viz. milling - grinding, milling - wire cut discharge, and milling - wire cut discharge - heat treatment. A method of making die parts having the same life cycle as those produced by milling - grinding is developed with the milling - wire cut discharge - high temperature tempering method.
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문제 정의
담금질처리에 의하여 발생된 잔류응력은 일반적으로 템퍼링처리에 의하여 제거하는데 템퍼링온도가 높을수록 잔류응력이 잘 해소 되지만 너무 고온 일 때는 경도가 떨어져 금형강으로서의 기능을 상실한다는 보고도 있었다. 따라서 소재를 열처리 한 후 와이어 컷 방전가공을 하면 열에 의한 가공변질층이 생성되는데 이의 해소방법을 고찰하는 것을 연구내용으로 하였다.
와이어 컷 방전가공에서 금형재질에 미치는 영향에 대한 문제점을 도출시키기 위하여, 금형용 재료로 많이 사용되는 STD11의 기계적 성질이 와이어 컷 방전가공할 때 나타나는 현상에 대하여 고찰하였다. 방전가공시의 용융전이 부위에 용접부위에서와 같이 용융 잔류부나 백선조직 등 용융잔류층 및 열변질층이 존재 하므로 이의 제거방법에 대하여 연구 개발 하였다.
와이어 컷 방전가공에서 금형재질에 미치는 영향에 대한 문제점을 도출시키기 위하여, 금형용 재료로 많이 사용되는 STD11의 기계적 성질이 와이어 컷 방전가공할 때 나타나는 현상에 대하여 고찰하였다. 방전가공시의 용융전이 부위에 용접부위에서와 같이 용융 잔류부나 백선조직 등 용융잔류층 및 열변질층이 존재 하므로 이의 제거방법에 대하여 연구 개발 하였다.
제안 방법
a타입은 열처리된 시편의 높이 12㎜를 10㎜로 평면 연삭을 해서 가공하였고 b타입은 열처리된 시편의 높이 12㎜를 10㎜로 와이어 컷 방전가공으로 가공하였으며 c 타입은 b 타입 시편을 510℃에서 고온 템퍼링을 2시간씩 3회 실시하여 가공하였다.
시편을 꺼내어 전기로에 넣고 510℃로 2시간, 490℃로 2시간 고온템퍼링을 하여 열처리를 완료하였다. 가공변질층 생성여부를 확인하기 위하여 합금공구강(STD11)으로 열처리된 시편을 평면연삭, 와이어 컷 방전가공을 이용하여 다음과 같이 a, b, c의 세 가지 타입으로 제작하였다.
그래서 시편 b와 시편 c의 가공변질층에 대한 관찰을 위하여 전자현미경(SEM)을 이용하여 1000배로 촬영하였다. 그리고 시편 a, b, c에 대한 화학성분도 비교분석하기로 하였다.
그래서 시편 b와 시편 c의 가공변질층에 대한 관찰을 위하여 전자현미경(SEM)을 이용하여 1000배로 촬영하였다. 그리고 시편 a, b, c에 대한 화학성분도 비교분석하기로 하였다.
시편의 표면은 썸텍㈜의 산업용 카메라로 100배 확대하여 조사하였다. 금형의 표면조직은 JEOL사의 모델 JSM 5410 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 1000배로 확대하여 관찰하였고 운전 전압은 20kV로 하였다.
이 부분을 측정하는 경우 Cr함량이 높게 관찰된다. 두 번째는 a타입과 b타입을 EDS 면 분석시에 Fe, Cr, Cu의 3 원소 구성이 100% 되는 조건하에서 측정하였다. 따라서 a타입에는 Cu가 없기 때문에, 탄화물 자체의 Cr함량은 변화가 없으나 상대적으로 Cr의 함량이 높게 관찰되었다.
본 논문에서는 와이어 컷 방전 가공한 STD11의 가공 변질층을 확인하기 위하여 기계가공, 와이어 컷 방전가공, 와이어 컷 방전가공후 고온 템퍼링등 3개 조건으로 열처리한 시편을 전자주사현미경으로 고찰한 결과를 바탕으로 펀치와 다이를 설계한 후 제작하여 실제 제품 생산을 통해서 다음과 같은 결론을 얻었다.
측정방법은 traverse unit에 부착되어 있는 pick-up으로 가공된 시편의 정보를 읽어 들여 컴퓨터에서 표면형상을 보여준다. 시편의 측정은 축 방향과 이송방향 양끝 단을 각각 2㎜씩 제외하고 이송방향으로 100㎛간격으로 총 41단계로 축방향을 측정하였다.
시편의 크기는 8㎜× 8㎜×12㎜로 밀링가공하고 평면 연삭하여 제작하였다.
25mm 황동선 2종이다. 시편의 표면은 썸텍㈜의 산업용 카메라로 100배 확대하여 조사하였다. 금형의 표면조직은 JEOL사의 모델 JSM 5410 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 1000배로 확대하여 관찰하였고 운전 전압은 20kV로 하였다.
와이어 컷 방전가공과 열처리의 관계를 연계시켜 조사 분석하기 위하여, 금형수명의 연장과 단축에 가장 큰 영향을 주는 인자가 열처리 작업이다. 열처리 작업에서 담금질과 템퍼링 작업 사이클의 적합한 방법을 연구하여 열처리 작업 사이클을 개발 하였다. 특히, 열처리작업 중 템퍼링은 금형재의 인성을 부여하는 역할을 하므로 시편별 와이어 컷 방전가공 전에 실시하는 담금질에 이은 저온템퍼링 또는 고온템퍼링의 영향에 대한 비교 검토와 우수한 템퍼링 작업사이클을 연구 개발하였다.
와이어 컷 방전가공면의 표면부와 내부의 중심부의 조직을 SEM으로 고찰하여 문제점을 도출시키기 위하여, 시험편을 제작하여 방전가공을 수행하고, 가공단면(加工斷面)을 전자현미경(SEM)으로 1000배 확대하여 방전가공후의 잔류응력 발생 유무를 가공품의 시험편별로 고찰하여 확인하고 문제점으로 도출시켜 해결방법을 연구 개발 하였다. 와이어 컷 방전가공은 열적 가공법이고 가공 후에 발생하는 재질적 변화는 열적요인에 의한 것으로 판단되므로 가공면의 상면(上面) 부위를 고찰하여 가공변질층을 고찰하고 문제점으로 도출시켜 해결 방법을 연구 개발 하였다.
와이어 컷 방전가공면의 표면부와 내부의 중심부의 조직을 SEM으로 고찰하여 문제점을 도출시키기 위하여, 시험편을 제작하여 방전가공을 수행하고, 가공단면(加工斷面)을 전자현미경(SEM)으로 1000배 확대하여 방전가공후의 잔류응력 발생 유무를 가공품의 시험편별로 고찰하여 확인하고 문제점으로 도출시켜 해결방법을 연구 개발 하였다. 와이어 컷 방전가공은 열적 가공법이고 가공 후에 발생하는 재질적 변화는 열적요인에 의한 것으로 판단되므로 가공면의 상면(上面) 부위를 고찰하여 가공변질층을 고찰하고 문제점으로 도출시켜 해결 방법을 연구 개발 하였다.
시편의 크기는 8㎜× 8㎜×12㎜로 밀링가공하고 평면 연삭하여 제작하였다. 위와같이 제작된 시편을 STD11의 열처리조건에 따라서 650℃로 1시간, 850℃로 2시간, 1030℃로 2시간 30분간 퀜칭을 하였다. 이후에 -160℃로 3시간씩 2회 심냉(sub-zero)처리를 하였다.
열처리 작업에서 담금질과 템퍼링 작업 사이클의 적합한 방법을 연구하여 열처리 작업 사이클을 개발 하였다. 특히, 열처리작업 중 템퍼링은 금형재의 인성을 부여하는 역할을 하므로 시편별 와이어 컷 방전가공 전에 실시하는 담금질에 이은 저온템퍼링 또는 고온템퍼링의 영향에 대한 비교 검토와 우수한 템퍼링 작업사이클을 연구 개발하였다.
대상 데이터
시편의 평면연삭은 유일연삭기의 평면연삭기 YGS-52A를 사용하였으며, 연삭 숫돌은 제일연마공업(주)의 WA36H를 사용하였다. 시편의 크기는 8㎜× 8㎜×12㎜로 밀링가공하고 평면 연삭하여 제작하였다.
단면중심부의 금속조직도 치밀하지 않아 조질이 나쁘게 나타났다. EDS 검사결과 Fe는 81.11%, Cr은 12.88%로 측정되었고 a타입과 다른 점은 Cu성분이 4.60% 검출 되었다는 것이다. 이것은 와이어 컷 방전 가공을 하면서 공구인 구리선이 용융되면서 원소재 표면에 불규칙적으로 용착된 결과로서 나타난 것이다.
2)에 생성된 열변질층이 해소되어 있음을 확인 할 수 있었으며 표면의 급열 급랭된 조직을 고온 템퍼링을 실시함으로써 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 안정화 되었다. EDS검사결과 Fe는 79.82%, Cr은 13.82%로 측정되었고 b타입과 마찬가지로 Cu성분이 4.22%정도 검출되었다. Cr의 함량이 a타입과 c타입은 13.
W-EDM후 530℃ - 560℃ 고온 템퍼링 3회 실시 추가로 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 안정화 되어 급열급냉된 표면의 가공변질층을 해소 할 수 있으므로 조질 향상, 인성향상, 피로강도 증대, 응력해소, 경년변형감소의 효과로 시편 c와 같은 조건으로 제작한 금형에서는 금형 수명이 200만 ~ 220만개, 시편 b와 같은 조건으로 제작한 금형에서는 생산수량이 90만 ~ 100만개를 생산하고금형수명이 다하였다.
3)에서와 같이 W-EDM후고온 템퍼링(550℃) 3회 실시로 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite)기지[4]에 조대한 합금탄화물과 구형의 탄화물입자로 구성되어 잔류응력해소, 인성향상, 조직균등화, 피로강도증대가 이루어진 것으로 확신을 얻게 되었다. 따라서 W-EDM 가공면에는 가공변질층이 존재하며 이것은 용융응고, 고온 담금질 층이며 이들 가공변질층의 해소방법으로는 고온 템퍼링실시가 필수적임을 알게 되었다. 일본에서 프레스 금형재료로 각광을받고 있는 미크로 파인강(Microfine Steel) KD11과 STD 11의 화학조성도 동등하게 나타났다.
W-EDM후 고온 템퍼링(550℃) 3회 실시로 템퍼드 마르텐사이트 (Tempered Martensite) 기지에 조대한 합금탄화물과 구형의 탄화물입자로 구성되어 잔류응력해소, 인성향상, 조직균등화, 피로강도증대가 이루어진 것으로 확신을 얻게 되었다. 또한 550℃로 고온 템퍼링 후에 표면조도는 Cu의 탈락으로 Rt는 21.39㎛, Rp는 10.82㎛로 줄어드는 것이 관찰되었다.
이것은 와이어 컷 방전 가공을 하면서 공구인 구리선이 용융되면서 원소재 표면에 불규칙적으로 용착된 결과로서 나타난 것이다. 시편 c의 SEM사진 (Fig. 3)의 표면단면부에는 시편 b (Fig. 2)에 생성된 열변질층이 해소되어 있음을 확인 할 수 있었으며 표면의 급열 급랭된 조직을 고온 템퍼링을 실시함으로써 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 안정화 되었다. EDS검사결과 Fe는 79.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
냉간 금형용 합금공구강은 주로 어디에 사용되는가?
냉간 금형용 합금공구강은 주로 각종 다이스, 펀치, 롤 제작용으로 사용된다. 세부적으로는 Cr, W계 저합금공구강으로는 STS2, STS3이고, 고탄소 고크롬강으로는 STD1, STD11, STD12, 고속도강으로는 SKH2, SKH51 등이 많이 사용된다.
와이어 컷 방전가공은 무엇인가?
와이어 컷 방전(W-EDM)가공은 지름이 Φ0.02~0.3㎜의 가는 금속선 전극을 사용하여 NC로 필요한 형상을 가공하는 장치이다. 가공액은 물을 사용하며 취급이 쉽고 화재 위험이 적으며 와이어의 냉각성이 좋고 가공 칩의 배출이 용이하다.
와이어 컷 방전 가공의 장점은 무엇인가?
3㎜의 가는 금속선 전극을 사용하여 NC로 필요한 형상을 가공하는 장치이다. 가공액은 물을 사용하며 취급이 쉽고 화재 위험이 적으며 와이어의 냉각성이 좋고 가공 칩의 배출이 용이하다. 전극용 와이어의 재질은 Cu, Bs, W 등이 사용되고, 새로운 와이어 전극이 계속적으로 공급되기 때문에 공작물의 가공면이 깨끗하다. 와이어 컷 방전가공기의 용도는 프레스금형 부품제작, 시작 부품의 제작, 방전가공용 전극의 가공에 주로 사용된다.
참고문헌 (7)
C-K Kim, Latest mold materials, Gi jeon Researcher, 2005.
Gap Phenomena, "Study on EDM with Wire Electrode", Annals of the CIRP, vol. 25/1, 1976.
S. M. Pandit, "Verification of On-Line Computer Control of EDM by Data Dependent System", Journal of Engineering for Industry, vol. 109, 1987.
C. A. Huang, C. C. Hsu, H. H. Kuo, "The urface characteristics of P/M high-speed steel(ASP23) multi-cut with wire electrical discharge machine(WEDM)," Journal of Materials Processing Technology, vol. 140, pp. 298-302, 2003. DOI: https://doi.org/10.1016/S0924-0136(03)00765-9
Y. F. Luo, "Rupture failure and mechanical strength of the electrode wire used in wire EDM," Journal of Materials Processing Technology, vol. 94, pp. 208-215, 1999. DOI: https://doi.org/10.1016/S0924-0136(99)00107-7
L. C. Lee, and L. C. Lim, V. Narayanan, V. C. Venkatesh, "Quantification of surface damage of tool steels after EDM," International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 28, pp. 359-372, 1988. DOI: https://doi.org/10.1016/0890-6955(88)90050-8
H. T. Lee, T. Y. Tai, "Relationship EDM parameters and surface crack formation," Journal of Materials Processing Technology, vol. 142, pp. 676-683, 2003. DOI: https://doi.org/10.1016/S0924-0136(03)00688-5
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