[논문]냉간단조 생산성 향상 사례

최석탁; 이일환; 권용철; 이정환; 이영선

냉간단조 생산성 향상 사례
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최석탁 ((주)티에이케이) , 이일환 ((주)티에이케이) , 권용철 (한국기계연구원 신기능재료연구본부 소재성형연구센터) , 이정환 (한국기계연구원 신기능재료연구본부 소재성형연구센터) , 이영선 (한국기계연구원 신기능재료연구본부 소재성형연구센터)

The characteristics of the tool system give many effects into the costs and qualities for the finished components. Therefore, a tool life is one of the important issues on cold forging industry. However, since variables related with tool life are many complicated, the studies for solution should be investigated by the systematic research approach. The shape and process changes of die, the hardness changes of material and the tolerance of dies to decrease the die stress are analyzed by the FEM software. The heat-treatment of tool material is investigated to improve the tool life. Deep cryogenic treatment of tool steel is very efficient to improve the wear resistance due to the fine carbide. And, it is investigated that the shape and dimension of tool give effect into both tool life and quality of forged product..

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문제 정의

본 연구에서는 냉간단조용 공구강으로 널리 사용되고 있는 KS-STD11 강종의 미세조직 및 내 마모 특성 에 미치는 초 심 냉 처리의 영향을 분석 하였다. 열처리 조건은 1005℃에서 1.
필요하다. 본고에서는 금형 소재 특성에 대한 것 외에 중요한 사항인 금형 형상과 치수 등 설계적 차원에서 수명을 향상시킬 수 있는 기술을 유한요소해석을 이용하여 분석한 결과를 나타내었다.
2와 같은 기술 개발 목표를 제시하고 있다. 이상의 목표들 가운데 본 연구에서는 금형 수명향상을 통한 생산성 향상을 위해 CAE 기술과 열처리 공정개선에 대한 개발결과를 정리하였다.

제안 방법

Table 1 에서 알 수 있듯이 초심냉 처리는 금형의 강도를 향상시켜주고 있으므로 금형의 수명을향상시킬 수 있음을 예측할 수 있었으며 직선형 베벨기어 냉간단조용 금형에 적용함으로써 실 금형에서 수명을 확인하였다.
또한, 대표적인 냉간단조용 금형강 중의 하나인 SKH₅₁ 또한 동일한 양상을 나타내었으며, 강도 분석을 위해 2 가지 소재에 대한 굽힘강도 시험을 수행하였다. 시험 소재는 상대 비교를 위해 일반 열처리된 소재와 함께 비교하였으며, 시험 결과는 Table 1과 같이 2 가지 소재 모두 20%에 달하는 강도 향상 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
향상시킬 수 있었다. 제품 형상이 변경됨에 따라 발생될 수 있는 결함발생을 억제할 수 있는 방안을 유한요소해석을 이용하여 공정 최적화를 얻을 수 있었다.
분석 결과 경도는 HRB80수준을 유지하고 있고 구상화율 또한 90%수준을 나타내고 있어 소재의 전처리에 대한 문제점은 발견되지 않았다. 추가 적으로 분석이 필요한 금형 형상과 단조 소재의 크기에 따른 영향은 유한요소해석을 통해 분석을 수행하였다.
6에서 볼 수 있듯이 1차 시제품에서는 하단부 플랜지에서 크랙이 발생되는 문제점을 나타내었다. 크랙 발생의 원인으로는 금형의 형상과 소재의 경도 및 구상화율, 또한 단조용 소재의 형상 및 크기에 문제의 원인이 있을 수 있기 때문에 우선 단조용 소재의 조직을 분석하였다. 분석 결과 경도는 HRB80수준을 유지하고 있고 구상화율 또한 90%수준을 나타내고 있어 소재의 전처리에 대한 문제점은 발견되지 않았다.

성능/효과

1) 베벨기어의 제품 형상을 변경함으로써 금형에 가해지는 응력을 저감함으로써 금형 수명을 향상시킬 수 있었다. 제품 형상이 변경됨에 따라 발생될 수 있는 결함발생을 억제할 수 있는 방안을 유한요소해석을 이용하여 공정 최적화를 얻을 수 있었다.
2) 금형 공차를 적절히 조절함으로써 금형에 가해지는 응력을 저감할 수 있게 되고, 금형의 수명을 향상시킬 수 있었다.
3) 공구강의 열처리에 적용될 수 있는 초 심냉처리는 미세한 탄화물의 형성을 유도하기 때문에 내마모성을 20%이상 향상시켜 주는 장점이 있음을 미세조직 사진과 마모시험을 통해 입증하였다.
4) 티타늄 나노열처리에 의해 증가된 표면 경도는 우수한 내마모 특성을 나타내었다.
그 공차는 기존에 50 m 이상이었으나 변경 후 10 m수준까지 감소시켰다. 그 결과 금형 수명은 50, 000회에서 70, 000회로 40%이상 향상되는 좋은 결과를 나타내었다. 그 원인 Fig.
초 심냉 처리 시편은 경도는 미소하게 감소하고 내 충격성은 증가하여 조직이 연화된 것으로 나타났으나 내 마모 특성은 오히려 향상되고 있다. 또한 잔류오스테나이트의 저감을 위해 행해지는 기존의 서브제로처리와의 비교를 위해 -84℃에서 2 시간 동안 저온처리를 실시한 시편에 비해서도 내마모 특성이 우수한 결과를 나타내었다. 이와 같이 내마모 특성이 향상되는 이유는 Fig.
6-(b))의 TEM 사진으로 탄화물의 크기 빛 분포 등을 보여주고 있다. 뜨임 처리 온도를 변화 시켜 미세조직을 관찰한 결과 뜨임 처리 온도가 증가할수록 탄화물량이 증가하고 조 대화 되었으며 초 심냉 처리를 실시한 경우, 탄화물이 상대적으로 미세화되고 그 수가 증가하였다. 이러한 경향은 Fig.
크랙 발생의 원인으로는 금형의 형상과 소재의 경도 및 구상화율, 또한 단조용 소재의 형상 및 크기에 문제의 원인이 있을 수 있기 때문에 우선 단조용 소재의 조직을 분석하였다. 분석 결과 경도는 HRB80수준을 유지하고 있고 구상화율 또한 90%수준을 나타내고 있어 소재의 전처리에 대한 문제점은 발견되지 않았다. 추가 적으로 분석이 필요한 금형 형상과 단조 소재의 크기에 따른 영향은 유한요소해석을 통해 분석을 수행하였다.
시험 소재는 상대 비교를 위해 일반 열처리된 소재와 함께 비교하였으며, 시험 결과는 Table 1과 같이 2 가지 소재 모두 20%에 달하는 강도 향상 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상의 결과를 냉간단조용 금형 수명 및 공정 최적화, 금형의 열처리와 코팅기술을 통한 금형 수명 향상을 도모할 수 있음을 확인하였다.
형상 변화에 따라 치형성형 공정인 1공정의 금형 응력은 최대 주응력 기준으로 ll, 300MPa 에서 6, 650MPa로 감소하였으며 사이징 공정인 2공정의 응력은 9, 160MPa에서 313OMPa로 감소하였다’ 금형의 부가응력이 50% 수준으로 감소하고 있어 금형 수명이 크게 향상되는 결과를 나타내었다.

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