[논문]Rotary Swaging 공법을 적용한 탄체 소성가공에 관한 연구

손병철; 이호진

doi:10.5762/kais.2020.21.6.672

초록
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국내에서 생산중인 대구경 탄약은 대부분 Ogive 부를 제조하는 방법으로 Press Nosing 공법을 적용하고 있다. Press Nosing 공법은 프레스 공정 전 후 윤활처리 등의 추가적인 공정이 필요한 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 단점을 개선할 수 있는 점진성형 공법 중 하나인 Swaging 공법의 대구경 탄약 적용 가능성을 제시하고자 하였다. 대구경 탄약인 155MM K307 탄체는 Press Nosing 공정을 적용하는 대표적인 제품으로, 본 연구에서는 K307 탄체의 Sub-scale 시험품을 제작하여 Swaging 공정을 적용한 소성가공 실험을 실시하였다. 최종 성형 치수를 만족하는 단면감소율 75 % 까지 소성가공이 가능한지 여부 및 Swaging 성형으로 제작된 제품의 치수만족 여부, 제품 결함 발생 여부, 단면감소율에 따른 경도 변화, 두께의 증가 등을 고찰하였다. 시험을 통해 단면적 감소율에 따라 비례적으로 경도가 증가하여 단면적 감소율 75 %에서 경도는 HV 335 이상 증가하는 것을 확인하였다. 소재두께 변화량은 이론적 계산값과 유사한 경향을 보였으며 단면 감소율 75 %에서 두께 증가율은 65.4 %로 비례함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ogive parts of large-caliber ammunition in Korea are manufactured by the Press Nosing method, but this method has the disadvantage of requiring additional processes such as lubrication before and after the press process. This study proposes the possibility of applying the Swaging method to improve t...

Ogive parts of large-caliber ammunition in Korea are manufactured by the Press Nosing method, but this method has the disadvantage of requiring additional processes such as lubrication before and after the press process. This study proposes the possibility of applying the Swaging method to improve these shortcomings. A large-diameter shell body was manufactured in sub-scale and plastic working experiments using a swaging process were performed. We investigated whether plastic processing is possible up to 75 % of the diameter reduction rate that satisfies the final molding dimension, and whether the dimensions of the product produced by swaging molding are satisfactory as the hardness changes according to the diameter reduction rate and the increase in thickness. The test using the prototype confirmed that the hardness increased proportionally with the diameter reduction rate and by more than HV 335 at the reduction rate of 75 %. The material thickness variation tended to be similar to the theoretical calculated value, and the thickness increase rate was proportional to 65.4 % at the reduction rate of 75 %.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Pres-nosing process of K307 shell
그림 Fig. 2. Swaging process of K307 shell
그림 Fig. 3. Change of tube thickness during swaging molding
그림 Fig. 4. Swaging formability of carbon steel accoridng to texture, hardness and C content[7]
그림 Fig. 5. Shape of molded product according to the reduction rate
표 Table 1. Chemical composition of test material
표 Table 2. Properties of test material
표 Table 3. Shape of test material made in sub-sclae(1/4)
그림 Fig. 6. Organization comparison before and after swaging
그림 Fig. 7. Hardness change according to the reduction ratio of the molded product
그림 Fig. 8. Material thickness increase rate according to the reduction rate

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 현재 국내에서 양산중인 155MM 탄약중 가장 단면감소율이 높은 K307 탄체를 1/4 수준의 Sub-scale로 제작, Swaging 성형하여 Press Nosing 공법을 대치할 수 있는 가능성을 검토하고자 하였다.

제안 방법

155MM K307 탄체의 경우 요구되는 단면감소율이 매우 큼에 따라, 중간에 공정소둔 과정이 필요 없이 양호한(Crack 발생이 없는) 제품의 성형이 가능한지에 대해 확인이 이루어 졌으며, 소성 가공을 인위적으로 계속 진행시켜, Crack이 발생되는 단면감소율, 즉 소성가공 한계에 대하여 확인하였다.시험결과 중간에 공정소둔 없이도 한 번의 소성가공으로 요구되는 치수까지 소성가공이 가능함을 확인하였다.
시험 후 성형품의 최종 요구치수 만족여부, 각 성형품의 Crack 발생여부, 단면 감소율 별 경도 분포, 표면에서 내부로의 경도 변화 및 조직 분석, 치수 변화(두께 및 전장) 검토 등을 실시하였다.
Feeding 속도는 Fritzwermer Swaging M/C의 경우 430mm/min, Felss Swaign M/C는 650mm/min 으로 설정하였으며, 회전수는 200rpm 으로 설정 후 적용하였다. 앞에서 언급한 바와 같이 Feeding 속도와 회전수는 Swaging 성형성에 영향을 주는 인자이나, 본 시험에서 고찰하는 성형에 따른 물성변화 및 두께 변화에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 보고되고 있으므로[3], Feeding 속도와 회전수는 일정 값으로 고정 후, 단면 감소율에 따른 변화를 검토하여 소성가공성에 대한 검토를 실시하였다. 또한 Swaging 치수는 최종 Nose 부 내경 (나사 가공부)을 기준으로 하여 설정하였다.

대상 데이터

시험 소재는 현재 Nosing 공정 적용하여 양산중인 155MM K307 탄체와 동일한 소재를 사용하였고, 시편의 크기는 보유하고 있는 Swaging 시험 장비의 허용치를 고려하여 155MM K307 탄체의 1/4 수준으로 제작 하여 평가하였다.

이론/모형

Swaging 시험 장비는 130Ton Rotary Swaging M/C (Fritzwermer社)와 56Ton Rotary Swaging M/C(Felss社)를 적용하여 시험하였다.

성능/효과

1) Swaging 후 경도값은 단면감소율 20 %까지 급격히 증가 후, 단면감소율 75 %까지는 완만히 증가 되는 경향을 보였으며, 최대 경도값 HV 320 ～ 325로 초기값 대비 약 60 % 증가됨을 보였다.
2) K307탄체의 최종 요구 치수를 만족하는 단면감소율 75 %까지는 Crack 발생이 없이 양호한 품질의 제품을 얻을 수 있었으나, 76 % 이상일 경우 Crack이 발생되었으며 이로 미루어 보아 소성가공 임계치는 76 % 수준으로 예상된다.
3) Swaging에 따른 소재두께 변화량은 이론적 계산 값과 유사한 경향을 보였으며, 단면감소율 75 %에서 두께증가율 65.4 %로 단면감소율과 비례함을 보였다.
155MM K307 탄체의 경우 요구되는 단면감소율이 매우 큼에 따라, 중간에 공정소둔 과정이 필요 없이 양호한(Crack 발생이 없는) 제품의 성형이 가능한지에 대해 확인이 이루어 졌으며, 소성 가공을 인위적으로 계속 진행시켜, Crack이 발생되는 단면감소율, 즉 소성가공 한계에 대하여 확인하였다.시험결과 중간에 공정소둔 없이도 한 번의 소성가공으로 요구되는 치수까지 소성가공이 가능함을 확인하였다.

후속연구

본 연구는 향후 Scale-up을 통한 실제 제품의 성형시 기초자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Swaging 공정이란 무엇인가?	Swaging 공정은 Fig. 2에서와 같이 성형체를 회전시 키며 점진적으로 등압 압축 성형하는 방법으로써 성형하 중은 단면감소 방향과 동일한 압축하중이 작용하며 Metal Flow는 한 방향으로 제한되지 않음으로 가공성이 매우 높은 이점이 있다. 특히, 단면 변화율의 경우 적용 소재의 물성 및 Swaging 금형 형상에 따라 약간의 차이는 있지만 최대 80 %이상으로 가공성이 매우 유리하다.
	Press Nosing 공법의 장점은 무엇인가?	1에서 보는바와 같이 Press로 하중을 가해 앞부분의 형상을 변형시켜 원하는 형상을 제작할 수 있다[1]. Press Nosing 적용 제품은 후가공이 소요되지 않기 때문에 가공비 절감이 가능하며, 소재 손실을 최소화 할 수 있는 장점이 있으나 소성가공 한계가 낮아 1회 Nosing으로 외경이 50 %이상 수축시 키는 경우 미성형 또는 파열, 표면 뜯김과 같은 불량이 높게 발생되는 단점이 있다[2].
	Swaging 공정의 환경적 이점은 무엇인가?	점진성형 공정 중에서 Swaging 공정은 봉재(Bar), 튜브(Tube), 와이어(Wire)등의 단면 형상을 변화시켜서 여러 가지 형태의 제품을 생산하는 비절삭 금속성형 (Chipless metal forming process) 공정으로 원형, 사각형, 테이퍼 등의 형상을 대량생산하는데 유리하며 설비 비가 저렴하고 구조가 간단하기 때문에 비숙련자의 작업이 용이하다[3-4]. 원소재의 칩 발생이 거의 없기 때문에 소재의 절감 효과가 크고, 윤활이 필요 없으므로 윤활제 미사용에 따른 친환경적인 이점이 있다.

참고문헌 (7)

Taylan Altan, Gracius Ngaile, Gangshu Shen, "Cold and Hot Forging Fundamentals and Applications", pp. 7-15, ASM Intl., 2005, p.14
C. Y. Cho, Z. S. Park, J. O. Lee, D. J. Jeong, "Study on Nosing Method for Large Size Tube Formed Body", The Korean Society for Technology of Plasticity Proceedings of 2nd Conference, Gangneung-Wonju National University, Wonju, Korea, pp. 408-411, 2009
S. J. Lim, D. J. Yoon, K. H. Na, "The forming characteristic of rotary swaging process" J. of the Korean Society for Technology of Plasticity Vol. 7, No. 5, 1998
Charles Wick, John T. Benedict, Raymond F. Veillenx, "Tool and Manufacturing Engineers Handbook", Vol. 2(Forming), Chap.14 Swaging, SME, , pp. 14.1-14.21., 18
S. J. Lim, "Formability of Rotary Swanging Process for Fabricating Hollow Shaft Parts", Ph.D dissertation, Inha University, Incheon, Korea, pp. 11-16, 37-39
ReRichard L. Kegg, Trans., "Mechanics of the Rotary Swaging Process", Vol. 84-86, No. 4, pp.317-324), ASME, 1964 DOI : https://doi.org/10.1115/1.3670548
Joseph R. Davis, "Metals Handbook, Forming Vol.14 Rotary Swaging of Bar and Tubes", pp.128-144, ASM, 1988

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