초록 ▼

무절삭 정밀단조란 소성가공 기술의 최종목표 기술로서 단조 후 치수 및 형상을 맞추기 위한 추가적인 마무리 가공의 필요 없이 바로 조립되어 사용가능한 부품(Ready to assemble parts)을 성형하는 기술이다. 무절삭 단조에 의해 제조된 제품은 기계가공이 수반되지 않으므로 투입 소재 중량에 대한 최종 제품의 중량비인 재료회수율 증대, 소재로부터 완제품에 이르는 공정수를 줄일 수 있으며, 공정단축에 의한 에너지 절감, 제조원가 감소 및 제품개발기간단축 및 단조의 특징인 제품의 성능향상을 동시에 이룩 얻을 수 있는 장점이 있다

무절삭 정밀단조란 소성가공 기술의 최종목표 기술로서 단조 후 치수 및 형상을 맞추기 위한 추가적인 마무리 가공의 필요 없이 바로 조립되어 사용가능한 부품(Ready to assemble parts)을 성형하는 기술이다. 무절삭 단조에 의해 제조된 제품은 기계가공이 수반되지 않으므로 투입 소재 중량에 대한 최종 제품의 중량비인 재료회수율 증대, 소재로부터 완제품에 이르는 공정수를 줄일 수 있으며, 공정단축에 의한 에너지 절감, 제조원가 감소 및 제품개발기간단축 및 단조의 특징인 제품의 성능향상을 동시에 이룩 얻을 수 있는 장점이 있다. 절삭가공을 하지 않고 사용가능한 부품을 성형하는 무절삭 정밀단조를 실현하기 위해서는 정밀단조 공정중에 소재와 금형의 치수 및 형상 제어 기술을 향상시키는 것이 필요하다. 치수제어란 기존의 정밀단조품에서 공정중의 소재 및 금형의 탄성변형량을 정밀제어 하여 단조품의 추가 절삭가공을 제거 하므로써 97% 이상의 재료회수율을 달성하는 것이며, 형상제어란 성형이 어려운 소재를 정형(Net shaping)으로 단조하기 위해 새로운 개념의 금형구조 및 공정을 이용하여 최종제품의 형상에 가깝게 성형하여 95%이상의 재료회수율을 달성하는 기술이다.
연구목표 / 연구내용
1. 1차년도 ('00)
* 소재의 소성 변형 Data base구축
o 소재별 압축특성 및 변형기구 분석
; 철계 및 비철계 합금별 변형특성 규명
* CAD/CAM과 측정기술의 연계 기술 확립 : 탄성 변형량 예측 정밀도 10%이상 향상
o 수치해석에 의한 탄성변형 예측기술 확립
- FEM 해석을 이용한 실험 Model의 공정 및 금형 응력 및 탄성변형 예측 정밀도 향상 연구
- 해석 모델링 방법에 따른 정밀도 영향 분석
o 탄성 변형량 분석용 측정 시스템 구축
- 소재의 탄성계수 측정 정밀도 향상 기술
- Strain Gage를 이용한 금형의 탄성 변형 측정 시스템 구축(동적 DAS 시스템)
- 냉간 단조 시 금형의 탄성 변형량 측정 및 분석
o 측정시스템과 CAD시스템 연계기술 확립
- 3차원 측정기와 연동되는 기어 측정 및 정밀도 측정 시스템 개발
2. 2차년도 ('01)
* 단조품의 재료회수율 향상을 위한 성형 기술 : 재료 회수율 95% 이상
o 재료 회수율 향상을 위한 성형 기술 연구
- 전처리 : 절단 공정(Shearing 기능 한계치 정립)
- 유동속도 제어를 위한 공정설계
; 밀폐/폐쇄/배압성형
o FEM 해석의 정밀도 향상을 위한 연구
- 소재 물성치 Data Base 구축
- 마찰계수 측정
- 열전도도 정량화 : 금형과 소재간 압력에 따른 물성치 정량화
* 단조품의 치수정밀도 향상기술 : $\pm10\mu{m}$ 정밀도
o 치수정밀도 향상을 위한 물성치 정량화 연구
; 탄성계수 및 유동응력(조직/응력 상태에 따른 영향)
o 성형 공정 시 치수 변화 분석
- 변형 형태/변형열에 따른 치수 변화량
(Stoady/Nonsteady State 분석)
o 단조품의 열처리 변형 분석(위탁)
- 조직상태의 변화에 따른 부피 팽창량 정량 분석/수식화
- 정량 분석 데이터를 이용한 해석 기술 개발
o 치수 변화량 보정을 위한 정밀단조용 전산응용 연계 시스템 개발(완성 : 2단계)
- "금형/단조품/열처리 후 최종제품"간 치수변화량 보정을 위한 측정 시스템 개발
- 측정 시스템과 전산 응용 연계시스템 ; 치수 변화 보정
3. 3차년도 ('02)
* 단조품 치수 정밀도 향상을 위한 금형의 치수 보정값의 소재별$\cdot$형상별 정량화 확립
* 단조 금형의 치수 보정값을 고려한 전극 보정 치수 및 가공 Data 확립
o 금형 및 단조품 형상별, 부위별 치수 보정량 정량화
o 치수변화량 제어를 위한 전극 보정 치수 및 가공 Data 확립
o 비정상 상태에서의 열전달 해석 정도 향상
o 프레스 작동과 동기식의 회전형 다이시스템 개발 ; 강성 해석, 베어링설계 및 가공
* 단조품의 후가공 저감을 위한 성형공정 및 시스템 연구
o 특수 성형 기술 및 금형시스템 개발
o 금형과 소재간 열전달 계수 변화 정량 분석
o 단조 온도, 속도, 변형량, 하중을 고려한 적정 윤활기술 개발 [마찰계수 정량화]
o FEM에 의한 유동속도 제어기술 개발
4. 4차년도 ('03)
* 무절삭 정밀단조를 위한 치수 정밀 예측 및 제어 시스템 구축
o FEM해석 및 CAD/CAM을 이용한 금형 정밀 가공 기술 개발
o 비정상상태(Non-Steady State)에서의 치수 변화량 정량화
o 상변태를 고려한 열처리 변형 해석 프로그램 개발
o 단조 소재의 이방성에 의한 탄성 변형량의 정량화
* 형상제어를 위한 정형 제조 공정 및 FEM 해석 기술 확립
o 소재 유동 거리 최적화를 통한 치수 제어 기술 개발
o 최적 변형 속도 제어 시스템 개발
o 단조품의 냉각속도 제어 및 최적 후열처리 기술 개발
o 성형 결함 정밀예측을 위한 FEM해석 기술

Abstract ▼

Plastic deformation is an Intrinsic material property not to recover the original shape permanently after applied external force is removed. By using this materials behavior, desirable shapes can be made at a forging process. Since the forging process produces designed components in a die at high pr

Plastic deformation is an Intrinsic material property not to recover the original shape permanently after applied external force is removed. By using this materials behavior, desirable shapes can be made at a forging process. Since the forging process produces designed components in a die at high productivity for mass production and minimizes the machining amount for favorable material utilization, the forging products used at highly stressed sections are well accepted at a wide range of industry such as automobile, aerospace, electric appliance and et cetera. Accordingly, recent R&D activities have been emphasized on improvement of forging die-life and net-shaping technology for cost effectiveness and better performance. In order to achieve longer die-life, it's essential to optimize the heat treat condition, lubrication and surface finishing process. Also, precise stress-strain analysis at a die and a workpiece during forging process, especially for the elastic deformation behavior, proper die and process designs, and evaluation of the forgeability and mechanical properties are necessary for net-shaping process development.
Precision forging technology for net-shaping process is under development and still many efforts have been made to produce more complex shapes of higher-strength materials. Recent uprising global competition may not allow the up-to-date leading technology to be transferred between private industries and/or geographical sectors at a reasonable cost. In addition, very little or no attention has been paid in this field due to lack of systematic integrated knowledge at both mechanics and materials science, resulting in additional shipping expenses for high value-added critical components and delayed delivery when required. Our current situation can be improved in this area by focusing on our efforts to develop optimized net-shaping technology for high-quality components and then by transferring the upgraded technology to related industries for competitiveness. The followings are showing the fact related with the dimensional precision in the case of automobile gears. Since the precise dimensional control is directly related with reduced noise level and vibration problem, the gears should meet the requirement for at least the KS(Korean Standard) Class 3 or 4, however, the domestic gears are currently forged around the KS Class 5 and can't replace machined counterparts except for the precise gears produced by using expensive tooth-forming finish dies from foreign suppliers. Die dimension is not identical with forged gear's due to the dimensional changes during elastic recovery and also heat-treating process, eventually resulting in some degree of change at the involute profile of gears. Accordingly, precise die's profile control is most critical to determine the final dimension of forged gears and this may not be solved with only theory for die design. Instead, results of theoretical analyses and forming experiments should be compared and corrected each other with measured values obtained from the dimensions of forging dies and forged gears in order to control the die's profile precisely. However, it is not easy at this moment to measure the profile for dimensional correction because of lack of measuring instruments for the die dimensions and software problems for the measurements. In order to break the current technical barrier and to enhance the competitiveness, a die manufacturing technology development is essential for reproducible gears meeting to the KS Class 2 by a study of supplementary interrelationship between die and gears through a upgraded measurement technology for precisely-manufactured die and products, a newly-developed precision forging technology, minimization of a dimensional change at dies during processing, analysis and characterization of material's deformation behaviors, and utilization of a state-of-art CAD/CAM technology. Successful R&D at the above-mentioned technical areas is believed to be applied for cost-effective mass production of various complex precision gears such as spur gears, straight or spiral bevel gears, and helical gears, as well as other precision forging products requiring only finish-grinding procedure.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 요약문...3
• SUMMARY...13
• CONTENTS...16
• 목차...17
• 제1절 연구개발 개요...18
• 제2절 연구개발의 필요성...21
• 제2장 국내외 기술개발 현황...24
• 제1절 국내외 기술 수준...24
• 제2절 국내 기술 수준의 취약성...26
• 제3절 향후 전망...27
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과...29
• 제1절 연구추진전략 및 방법...29
• 제2절 물성치 정량 분석 기술...31
• 제3절 치수 제어 기술...59
• 제4절 형상 제어 기술...116
• 제5절 CAD/CAE/FEM 기술의 연계...125
• 제6절 열처리 변형 정량화 기술...159
• 제7절 정밀 단조 시스템 체계화 및 단조 기어 정밀도 향상 적용...182
• 제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도...186
• 제1절 계획대비 달성도...186
• 제2절 관련 분야에의 기여도...187
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...188
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...191
• 제7장 참고문헌...192