[논문]후방 가압식 피어싱 및 중공축 압축 공법에 의한 난성형 재료 중공장축의 단조

전병윤; 이진혁; 엄재근; 박정휘; 전만수

후방 가압식 피어싱 및 중공축 압축 공법에 의한 난성형 재료 중공장축의 단조
Forging of Long Hollow Shafts of Hard-to-Form Material by Hollow Shaft Extrusion after Piercing with Back Pressing 원문보기

전병윤 (진 엔지니어링) , 이진혁 ((사)경상대 수송기계부품기술혁신센터) , 엄재근 ((사)경상대 수송기계부품기술혁신센터) , 박정휘 (경상대학교 대학원 기계공학과) , 전만수 (경상대학교 기계항공공학부)

We presented a special method of forging hollow shafts of hard-to-form material, which is composed of piercing with back pressing and hollow shaft extrusion. The presented method was applied to cold forging a bushing of an excavator. The finite element simulation technology was employed for developing the optimized process and the predictions were compared with the experiments. The method was also applied to an automotive part and was verified to be powerful for manufacturing the cold forged hollow shafts of the hard-to-form materials.

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문제 정의

본 연구에서는 난성형 재료로 분류되는 SCr440B 의 중공축, 즉 중소형 중장비의 트랙체인용 부싱을 냉간단조공법으로 생산하기 위한 새로운 제조공법을 제시하고 적용사례로 자동변속기용 자동차 부품의 제조 공법을 제시하고자 한다.
따라서 일반적인 피어싱 공정과는 달리 금형 내부에 소재를 구속시키고 펀치와 금형 사이에 펀치 가이드를 설치하였다. 이렇게 함으로써 성형직전 펀치와 금형의 동심도가 만족되도록 하였다.

제안 방법

공정의 최적설계를 위하여 유한요소해석을 실시하였으며, 해석 조건은 다음과 같다.
3 에서 보는 바와 같이 소재는 금형에 구속되어 있고 카운터 펀치는 스프링과 함께 조립되어 있다. 그리고 피어싱 시 동심도를 만족시키기 위하여 성형 전 가이드가 될 수 있도록 펀치, 가이드, 금형 등을 설계하였다. 펀치와 금형의 재질로 SKH₅₁ 을 채택하였으며, 펀치는 TiN 코팅을 실시함으로써 눌러 붙음을 방지하였고 내마모성을 향상시켰다.
멘드렐과 금형의 재질로 SKH₅₁ 을 채택하였다. 멘드렐의 눌러 붙음 방지 및 내마모성 향상을 위하여 TiN 코팅을 실시하였다.
본 논문에서는 비교적 길이가 긴 중공축의 특수 단조 공법을 제시하였으며, 이 신공법을 이용하여 중장비 트랙체인용 부싱의 단조와 자동변속기용 자동차부품의 단조에 성공적으로 적용하였다.
소재는 SCM420 이며, 구상화처리를 실시하였다. 소재의 표면은 윤활처리 되었으며, 초기 성형시 펀치 파손 및 마모를 줄이기 위하여극압 첨가제(M0S2)를 펀치 선단면에 도포하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 Fig. 2 에서 보는 바와 같이 후방 가압식 피어싱과 중공죽 압줄 공법을 제안한다. 이 공법은 종 2 공정으로 이루어져 있으며, 1 공정은 후방압출과 피어싱 동시공정으로 배압이 스프링 또는 유압에 의하여 부과된다.
그리고 피어싱 시 동심도를 만족시키기 위하여 성형 전 가이드가 될 수 있도록 펀치, 가이드, 금형 등을 설계하였다. 펀치와 금형의 재질로 SKH₅₁ 을 채택하였으며, 펀치는 TiN 코팅을 실시함으로써 눌러 붙음을 방지하였고 내마모성을 향상시켰다.
이때 후방 가압을작용시킴으로써 소재의 손실을 최소화시킨다. 후방 가압은 카운터 펀치에 스프링을 설치하여 부과되거나 유압에 의하여 부과될 수 있는데 본 연구에서는 스프링을 사용하였다.

대상 데이터

멘드렐과 금형의 재질로 SKH₅₁ 을 채택하였다. 멘드렐의 눌러 붙음 방지 및 내마모성 향상을 위하여 TiN 코팅을 실시하였다.
본 연구는 산업자원부 지방기술혁신사업(RTI04- 01-03) 지원으로 수행되었으며, (사)경상대 수송기계 부품기술혁신 센터의 장비를 활용하였다.
본 연구에서 1차 적용 대상으로 삼고 있는 중장비 트랙체인용 부싱 재료는 SCr440B 이며, 냉간 단조성이 나쁘기 때문에 일반적인 후방 압출공법으로는 장축의 성형이 불가능하다. 따라서 후방 가압 피어싱으로 성형된 소재을 이용하여 중공축 전방 압출공법으로 생산하는 것이 유리하다.
본 연구에서는 전술한 특수공법을 부싱 제품의 상당 부분을 차지하는 120mm 급을 적용 대상으로 선택하였다. 이 제품을 위하여 개발된 후방 가압 피어싱 공정과 중공축 전방 압출 공정의 공정도를 Fig.
본 예제는 3.1 절에서 설명한 내부 단이 없는중공축의 단조 기술을 응용한 사례이다. 제품의형상과 중공축 전방 압출 공정의 공정도를 Fig.
5에 나타내었다. 소재는 SCM40B 이며, 구상화처리를 실시하였다. 소재의 표면은 윤활 처리되었으며, 초기 성형시 펀치 파손 및 마모를 줄이기 위하여 극압 첨가제(M0S2)를 펀치 선단면에도포하였다'
9 에 나타내었다. 소재는 SCM420 이며, 구상화처리를 실시하였다. 소재의 표면은 윤활처리 되었으며, 초기 성형시 펀치 파손 및 마모를 줄이기 위하여극압 첨가제(M0S2)를 펀치 선단면에 도포하였다.

데이터처리

Fig. 5 의 공정에 대하여 공정 최적화의 목적으로 단조 시뮬레이터 AFDEX2D (2)를 이용하여공정 해석을 실시하였다. 공정해석에 사용된 조건은 다음과 같다.

성능/효과

제시된 공법은 재료의 실수율 제고 측면에서 확고한 경쟁력을 확보하고 있으며, 실공정 적용과정에서 발생할 수 있는 문제들은 경험 기술로 충분히 극복이 가능하다는 것을 시험생산을 통하여 확언하였다. 특히 단조 단의 수를 최소화시켰으므로다품종소량생산 목적의 중공축의 생산에 적합하다고 사료된다.

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