한국소성가공학회 2007 년도추계학술대회논문집 pp. 338~343 후방가압식피어싱및중공축압축공법에의한난성형재료중공장축의단조 전병윤 1 이진혁 2 엄재근 2 박정휘 3 전만수 # Forging of Long Hollow Shafts of Hard-to-Form by Hollow Shaft Extrusion after Piercing with Back Pressing B. Y. Jun, J. H. Lee, J. G. Eom, J. H. Park and M. S. Joun Abstract 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. Key Words : Forging, Hollow Shaft, Extrusion, Piercing with Back Pressing, Finite Element simulation, Experiment 1. 서론 중공축은길이와크기, 그리고생산량에따라제조방법이다양하게개발되어있다. 중공봉재를절단하여사용하기도하고, 중실봉재를절단한후드릴링작업으로구멍을뚫어원하는길이의중공봉재를제조하기도한다. 그리고전후방압출후피어싱작업을거치는냉간또는열간단조공법으로제작하기도한다. 냉간단조공법은후속된단조공정과연계가가능하고원소재및절단비용을절감시킬수있으므로일정규모범위의생산량에서매우유리하지만, 항상타공법에비하여유리한것은아니다. 제조공법의유불리함은재료의가격, 생산량, 제품의요구성능, 장비의자동화정도등의직접적인요인뿐만아니라노동기피등의간접적요인등에의하여결 1. 진엔지니어링 2. ( 사 ) 경상대수송기계부품기술혁신센터 3. 경상대학교대학원기계공학과 # 교신저자 : 경상대학교기계항공공학부, E-mail: msjoun@gnu.ac.kr 정된다. 이러한요인으로인하여어떤부품은모든공법의유불리가공존하는경우가있다. 중장비무한궤도의부품중, 부싱은이러한범주에속하는대표적인것이다. 부싱의형상이단순하지만직경에비해길이가길고극한상황에서연결고리역할을수행하기때문에고강도, 고내마모성을요하며, 소재분야의요소기술을총체적으로요구하는부품이다. 국내의경우, 생산량이일본이나이탈리아에비하여상대적으로작기때문에최근까지만하더라도전적으로기계가공에의존해왔으며, 최근에일부크기의부싱의열간단조공정이개발된바있다 [1]. 최근소재비의증가와생산량의증가로부싱의제조공정혁신을위한다각도의방안이모색되고있다. 단조로생산할경우, 품질의우수성은인정되지만, 제조단가측면에서기존의단조기술 - 338 -
로는불리하다. 따라서중공축의단조공법을위한특수기술의개발이요구되고있다. 본연구에서는난성형재료로분류되는 SCr440B 의중공축, 즉중소형중장비의트랙체인용부싱을냉간단조공법으로생산하기위한새로운제조공법을제시하고적용사례로자동변속기용자동차부품의제조공법을제시하고자한다. C L C L 2. 후방가압식피어싱및중공축압축공법 Fig. 1 에트랙체인용부싱을나타내었다. 이부싱의재료는 SCr440B 이며냉간단조성이매우나빠일반적인후방압출공법으로는장축의성형이불가능하다. 따라서원재료의어닐링처리, 윤활, 금형의재질선정등도중요하지만후방압출시의흔들림으로인한펀치의파손을방지하는것또한중요하다. 뿐만아니라설비의에너지도과다하게소요되므로대형설비를필요로한다. 이러한문제점을해결하기위하여본연구에서는 Fig. 2 에서보는바와같이후방가압식피어싱과중공축압출공법을제안한다. 이공법은총 2 공정으로이루어져있으며, 1 공정은후방압출과피어싱동시공정으로배압이스프링또는유압에의하여부과된다. 2 공정은전방압출공정으로써비교적길이가긴중공축을성형한다. Counter Initial position Piercing process with back pressing (a) Piercing with back pressing C L Mandrel Counter (b) Hollow shaft extrusion Fig. 2 Conceptual drawing of piercing with back pressing and hollow shaft extrusion Fig. 1 Bushing for the track chain of an excavator 2.1 제 1 공정 : 후방가압피어싱공정 Fig. 2(a) 에후방가압피어싱공정의개념도와 Fig. 3 에후방가압피어싱공정의상세도를나타내었다. 후방가압피어싱공정은 Fig. 2 또는 Fig. 3 에서보는바와같이전반부에는소재의외경부를구속시킴으로써후방압출공법으로진행하다가후반부에는피어싱공정으로전환되는후방압출과피어싱의복합공정이다. 이때후방가압을작용시킴으로써소재의손실을최소화시킨다. 후방가압은카운터펀치에스프링을설치하여부과되거나유압에의하여부과될수있는데본연구에서는스프링을사용하였다. - 339 -
프레스가작동되면상부에부착된맨드렐이소재에먼저삽입된후접촉되고펀치가금형에의해안내되면서소재가전방으로압출된다. guide holder Back pressing counter punch Knock-out Mandrel holder Fig. 3 and die set drawing for piercing with back pressing Fig. 3 에서보는바와같이소재는금형에구속되어있고카운터펀치는스프링과함께조립되어있다. 그리고피어싱시동심도를만족시키기위하여성형전가이드가될수있도록펀치, 가이드, 금형등을설계하였다. 펀치와금형의재질로 SKH51 을채택하였으며, 펀치는 TiN 코팅을실시함으로써눌러붙음을방지하였고내마모성을향상시켰다. 이공정에서주요고려사항은제품의동심도이다. 동심도가확보되지않으면, 이공정자체로써도문제가되지만, 후속된 2 공정의전방압출이실패할가능성이크게되기때문에제 1 공정인후방가압피어싱공정에서제품의동심도는매우중요하다. 따라서일반적인피어싱공정과는달리금형내부에소재를구속시키고펀치와금형사이에펀치가이드를설치하였다. 이렇게함으로써성형직전펀치와금형의동심도가만족되도록하였다. 2.2 제 2 공정 : 중공축전방압출공정중공축전방압출공정의개념도를 Fig. 2(b) 에나타내었으며, 상세조립도를 Fig. 4 에나타내었다. 중공축전방압축공정은제 1 공정에서피어싱된소재를전방압출함으로써중공축을성형하는공정이다. 이공정에서는소재가금형에삽입되고 Fig. 4 and die set drawing for hollow shaft extrusion 중공축압출시동심도를만족시키기위하여성형전가이드가될수있도록멘드렐, 가이드, 금형등의설계에세심한주의가요구된다. 멘드렐과금형의재질로 SKH51 을채택하였다. 멘드렐의눌러붙음방지및내마모성향상을위하여 TiN 코팅을실시하였다. 본연구에서 1 차적용대상으로삼고있는중장비트랙체인용부싱재료는 SCr440B 이며, 냉간단조성이나쁘기때문에일반적인후방압출공법으로는장축의성형이불가능하다. 따라서후방가압피어싱으로성형된소재을이용하여중공축전방압출공법으로생산하는것이유리하다. 중공축전방압출시전공정의피어싱동심도가매우중요하고열처리, 윤활기술또한고려되어야할사항이다. 특히금형과멘드렐의눌러붙음방지를위한재질선정및금형제작기술이필요하다. 일반적으로전방압출공정을개발할때는단면감소율, 변형속도비, 윤활상태, 원소재의풀림상태, 정밀도등을고려해야하고, 특히중공축일경우직경대비길이비를고려해야한다. Fig. 4-340 -
에서보는바와같이펀치부에멘드렐이부착되어있다. 힘을크게받는부위는아니지만제품성형후상형의상승시제품이멘드렐에붙어서올라가는현상이발생할수있다. 이러한문제는멘트렐의형상설계및마찰저항감소를위한 TiN 코팅등을통하여해결하였다. 3. 적용예제 3.1 내부단이없는중공축의단조 - 중장비트랙체인용부싱본연구에서는전술한특수공법을부싱제품의상당부분을차지하는 120mm 급을적용대상으로선택하였다. 이제품을위하여개발된후방가압피어싱공정과중공축전방압출공정의공정도를 Fig. 5 에나타내었다. 소재는 SCr440B 이며, 구상화처리를실시하였다. 소재의표면은윤활처리되었으며, 초기성형시펀치파손및마모를줄이기위하여극압첨가제 (MoS 2 ) 를펀치선단면에도포하였다. Fig. 5 의공정에대하여공정최적화의목적으로단조시뮬레이터 AFDEX2D [2] 를이용하여공정해석을실시하였다. 공정해석에사용된조건은다음과같다. 0.11 유동응력 : σ = 1035.0ε MPa 쿨롱마찰계수 : 0.05 Fig. 6 Finite element predictions of the first stage Fig. 6 과 Fig. 7 에해석결과, 즉소성유동선과유효변형률의분포를나타내었다. Fig. 7 Finite element predictions of the second stage Fig. 8 Experiment Fig. 5 Process layout Fig. 8 에시험생산된제품을나타내었다. 이제품은 Fig. 7 의해석결과와형상측면에서잘일치하고있다. - 341 -
3.2 내부단이있는중공축의단조 자동변속기용자동차부품본예제는 3.1 절에서설명한내부단이없는중공축의단조기술을응용한사례이다. 제품의형상과중공축전방압출공정의공정도를 Fig. 9 에나타내었다. 소재는 SCM420 이며, 구상화처리를실시하였다. 소재의표면은윤활처리되었으며, 초기성형시펀치파손및마모를줄이기위하여극압첨가제 (MoS 2 ) 를펀치선단면에도포하였다. 공정의최적설계를위하여유한요소해석을실시하였으며, 해석조건은다음과같다. 0.2 유동응력 : σ = 757.0ε MPa 쿨롱마찰계수 : 0.05 Load (kn) 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 10 20 30 40 50 Stroke (mm) Fig. 11 Forming load variation 유한요소해석결과를 Fig. 10 과 Fig. 11 에나타내었으며, Fig. 12 에시험생산결과를비교하고있다. Mandrel (a) Product (b) s and material Fig. 9 Geometries of dies, material and product Fig. 12 Experiment 4. 결론 Fig. 10 Predictions of metal flows and effective strains 본논문에서는비교적길이가긴중공축의특수단조공법을제시하였으며, 이신공법을이용하여중장비트랙체인용부싱의단조와자동변속기용자동차부품의단조에성공적으로적용하였다. 적용예제를통하여제시된신공법의적용가능성이충분하게입증되었다. 특히단조성이좋지못한소재의중공축제조에유리하다고판단된다. 제시된공법은재료의실수율제고측면에서확고한경쟁력을확보하고있으며, 실공정적용과정에서발생할수있는문제들은경험기술로충분히극복이가능하다는것을시험생산을통하여확인하였다. 특히단조단의수를최소화시켰으므로 - 342 -
다품종소량생산목적의중공축의생산에적합하다고사료된다. 후기 본연구는산업자원부지방기술혁신사업 (RTI04-01-03) 지원으로수행되었으며, ( 사 ) 경상대수송기계부품기술혁신센터의장비를활용하였다. 참고문헌 [1] 연구보고서, 온간폐쇄단조를이용한중장비트랙체인용부싱제조기술의개발, 진산금속, 2006 [2] 경상대학교소성가공 CAE 연구실홈페이지 : http://engine.gsnu.ac.kr/~msjoun/ - 343 -