한국소성가공학회 2012년도 춘계학술대회 논문집 pp....
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한국소성가공학회 2012년도 춘계학술대회 논문집 pp. 425~428
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반경단조 공법을 이용한 사각봉재 제조공정의
최적 금형설계
장성민1 · 김홍태1 · 장시진1 · 전만수2 · 문호근#
Optimized Die Design for Manufacturing a Square Bar by Radial Forging Process
S. M. Jang, H. T. Kim, S. J. Jang, M. S. Joun, H. K. Moon
Abstract In conventional open die forging press, the material is formed by up and down motion of punch and thus the
longitudinal elongation per stroke is relatively small, resulting in long manufacturing time. In addition, the center of material is exposed to decisive defects generated during cogging due to Mannesmann’s effect, that is, repeated deformation in compression after tension. To the contrary, four punches or dies in radial forging press the material in four perpendicular directions at the same time, which results in better quality as well as short manufacturing time. In the paper, the manufacturing process of a square bar using radial forging press is simulated to optimize die design and a set of optimized dies are given
Key Words : Radial Forging(반경단조), Square Bar(사각봉재), Mold Design(금형설계), Finite Element Method(유한요소법)
1. 서 론
반경단조(Radial forging)는 단면감소를 단계적으로 얻어내는 점진 성형공정(incremental process) 중에 하나이다[1]. 1946년 오스트리아에서 고안된 기술로써, 방사형단조라고도 한다[2]. 본 연구에서는 반경단조로 정의하여 서술하였다. 반경단조는 냉간 또는 열간단조 공정의 하나로 원주방향으로 배열된 4개의 금형을 이용하여 단조 순서에 따라 소재를 원주 방향으로 회전시키며 점진적으로 성형한다. 기존 일반프레스의 코깅(Cogging)공정에 비해 3배정도 생산속도가 빠르며, 이 때문에 소재 재가열(Reheating) 과정을 생략 할 수도 있다. 또한 치수정밀도 면에서도 일반 자유단조(Conventional free forging)보다 우수하
다. 물론 내부조직의 미세화나 표면정도 면에서도 이점이 있다[3]. 이러한 공정은 다양한 분야에 적용되고 있으며, 최근 국내에서도 반경단조기가 상용화되면서 해석적인 측면에서 많은 연구가 이루어지고 있다. 문호근 등[5]은 반경단조 기술을 이용하여 대형축의 제조공정에 대하여 연구를 하였고, 이민철 등[6]은 AFDEX 3D를 이용하여 일반자유단조 프레스와 방사형단조 프레스의 기공압착[4]에 관한 비교 연구를 실시하였다. A. Ghaei 등[7]은 반경단조 공정에서 금형 형상에 따른 변형에 대한 연구를 하였다. 그 밖에도 많은 연구자들이 반경단조에 대한 연구를 하였다[1-7]. 본 연구에서 사각봉재 제조 목적의 반경단조 공정에 대하여 유한요소 시뮬레이션을 실시하였
1. 용현BM㈜ 기술연구소
2. 경상대학교 기계항공공학부/항공기부품기술연구소
#. 용현BM㈜ 기술연구소,
E-mail : [email protected]
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다. 그 결과로 사각봉재 제조에 사용되는 금형을 최적화하였고, 투입 소재 사이즈를 결정하는 목적으로 이용하였다.
2. 해석 모델 및 공정조건
사각봉재 제조공정에서 중요시 되는 것은 소재의 각 모서리를 잘 살릴 수 있으면서도 표면이 매끄러울 수 있는 금형 형상이 최고 우선시 되는 조건이라 할 수 있다. 최적의 조건을 찾기
(a) Design 1
(b) Design 2
(c) Design 3
Fig. 1 Die designs tested
Pass 1
Pass 2
First reduction
Second reduction
Feeding direction
Fig 2. Process of design 1 type
위하여 몇 개의 기본 설계에 대하여 평가하였다.
Fig. 1(a)의 설계는 기존의 일반 자유단조와 유사한 형태로 네방향으로 동시에 성형을 하지만, Fig. 2에서 보는 바와 같이 실제로는 전반부와 후반부의 동시 성형 방식이다. 즉 기존의 자유단조의 연장선상에 있는 것으로 간주할 수 있다. 따라서 최종치수를 제어하기가 쉽지 않은 방법이다. Fig. 1(b)의 경우는 일반적인 반경단조 방식으로써 소재와의 접촉면을 증가시켜 성형 면적을 증가시키기 위한 금형 형상이다. Fig. 1(c)의 금형 형상은 앞선 Fig. 1(a)와 Fig. 1(b)의 금형을 섞어 놓은 것으로 네방향으로 동시에 성형할 뿐만 아니라 과도한 압하 시에 발생한 금형 틈 사이로의 소재 유동을 막도록 고안된 것이다.. 초기 투입소재는 Ø275에 1,200mm이며,
SKD61종의 공구강을 사용하였다. 이러한 조건을 고려하여 세가지 타입의 금형 형상으로 해석을 실시하였으며, Table 1과 같이 공정 조건을 타각 속도, 이송량, 소재 압하량 등으로 설정하였
Table 1 Process conditions of square bar
radial forging process
Description Die speed
(mm/s) Stroke (mm)
Feeding Speed (mm/s)
Pass 1 42.5 27.5 100 Pass 2 52.5 10.0 100
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다. 최종 사각봉재 사이즈는 가로, 세로 각각 200mm, 200mm이다. 일반 자유단조의 경우 사각봉재를 제조할 때
2방향에서 소재를 압하하기 때문에 치수적인 측면에서 정확한 형상을 얻기 어렵다. 그로 인해 길이방향으로의 성형성이 떨어지게 되며, 또한 압하 후 소재를 매니퓰레이터로(Manipulator)로 회전시켜야 하므로 생산성 면에서 떨어지게 된다. 따라서 반경단조는 이러한 점을 보완하기에 유리한 공법이라고 할 수 있다
3. 해석 결과
Fig. 3(a)은 Design 1의 해석결과로 최종형상에서 200ⅹ200와 같이 정사각형의 사각봉재를 얻기가 어렵다. 이는 Fig. 2에서의 설명과 같이 4개의 금형으로 기존의 자유단조와 유사한 방식으
로 동시 성형을 실시하기 때문이다. 즉, 마지막으로 압하되는 금형이 어느 것이냐에 따라 그 면에서만 실제 원하던 최종 형상를 얻을 수 있다. Fig. 3(b)는 금형 Design 2의 해석결과이며, 최종형상을 보면 정사각과 유사하다. 그러나 네모서리 부분이 뾰족한 것을 확인 할 수 있다. 이는 네 개의 금형이 동시에 누르면서 금형 틈사이로 소재가 돌출될 가능성을 시사하고 있다. Fig. 4(c)는 금형 Design 3의 해석결과로 최종 치수면에서나, 길이 면에서나 나머지 다른 설계에 비해 우수하다. 이는 Design 1과 2의 단점을 보완한 설계의 결과라 사료된다. Design 3은 Design 2와 비교해서 길이나 성형성에서는 큰 차이를 나타내지 않지만, 모서리 부분의 각을 정교하게 할 수 있고, 소재의 돌출 가능성도 줄어든 금형 설계라고 할 수 있다.
Initial Pass 1 Pass 2 Initial Pass 1 Pass 2 Initial Pass 1 Pass 2
(a)Analysis result of design 1 (b)Analysis result of design 2 (c)Analysis result of desing 3
Fig. 3 Comparison of deformed shape
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4. 결 론
본 연구에서는 3차원 유한요소해석 기술을 이
용하여 반경단조 공법에 의한 사각봉재 제조공정의 금형설계에 관하여 연구하였다. 세 가지의 금형설계에 대하여 길이 방향의 성형성, 표면의 품질, 소재의 돌출 가능성 등을 근거로 하여 평가를 실시하였다. 최적화된 설계의 사용과 함께 반경단조는, 특히 금형 소재로 사용되는 공구강의 단조 작업 시, 일반자유단조보다 생산성 면이나 치수적인 측면에서 더 우수할 것으로 판단된다. 반경단조 공법은 네 개의 방향으로 동시에 성
형이 가능하므로 단조 시에 길이 방향으로의 성형성이 우수하고, 짧은 시간에 성형을 실시하기 때문에 온도 통제에도 유리하며, 고 정수압 하에서 성형하기 때문에 소재 내부와 표면의 품질면에서 우수하다. 금형의 설계기술은 반경단조에서 매우 중요하며, 시뮬레이션 기술의 접목을 통한 설계 최적화 기법은 설계 생산성의 향상은 물론이고 품질고급화에도 기여할 것이다.
후 기
본 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의 지역혁신인력양성사업으로 수행된 연구결과임.
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참 고 문 헌
[1] 최호준, 최석우, 윤덕재, 정진호, 백동규, 최성규, 박훈재, 임성주, 2008, 단강품 기공의 압착성 향상을 위한 레이디얼 단련변수의 영향, 한국소성가공학회 춘계학술대회 논문집, pp.67~70.
[2] M. Tanaka, S. ono and M. Tsuneno, 1986, Factors Contributing to Crushing of Voids during Forging, JSTP, Vol. 27, No. 306, pp.852 ~ 859.
[3] S. Khayatzadeh, M. Poursina, H. Golestanian, 2008, A simulation of hollow and solid products in multi-pass hot radial forging using 3D-FEM method, Int. J. Mat. Form., Vol. 1, pp. 371 ~ 374.
[4] 이민철, 조주현, 최인수, 장성민, 전만수, 2008, 자유단조에서 업세팅 공정 중 기공 압착 과정의 유한요소 시뮬레이션, 한국소성가공학회 춘계학술대회 논문집, pp. 79 ~ 83.
[5] 문호근, 김홍태, 엄재근, 2010, 방사형 단조기술을 이용한 대형축의 제조공정에 관한 연구, 한국소성가공학회 추계학술대회 논문집, pp.267 ~ 269.
[6] 김성현, 이민철, 장성민, 엄재근, 전만수, 2010, 일반자유단조 프레스와 방사형 단조 프레스의 기공 압착에 관한 비교 연구, 한국소성가공학회지, 제 19권, 제 7호, pp.399 ~ 404
[7] A. Ghaei, M.R. Movahhedy, A Karimi Taheri, 2005, Study of the effects of die geometry on deformation in the radial forging process, J. Mat. Proc. Tech., Vol. 170, pp. 156~163.