KR100431598B1 - 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단조공정에서의 사각 바 단조 조업 시 최적의 단조 조업 패스 스케줄 계산 알고리즘에 관한 것으로서, 초기 사각형소재로부터 목표 사격형 소재까지의 압연 패스 스케줄 생성시 최소패스 및 최소 시간을 가지는 패스 스케줄을 생성하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면 단조기 능력 내에서 최소 패스를 가지며 제품의 품질을 고려한 패스별 압하량 및 단조관련 수식모델의 비선형성에 영향을 받지 않으면서 소재의 폭 및 두께 치수를 줄이는 것 뿐 아니라 늘이는 것도 가능한 효과가 있다.

Description

열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법{METHOD FOR DEDUCING THE ALGORITHM OF HOT FORGING PASS SCHEDULE IN THE QUADRILATERAL BAR FORGING}

본 발명은 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 단조공정 시 최종 제품이 사각 바 또는 두께 및 폭의 비례가 다른 비대칭 사각 바(와이드 바)에 대해 잉곳에서 제조된 중간 제품인 빌레트에서 최종제품까지의 과정이 운전자에 따라 임의로 결정되며 따라서 운전자의 숙련도에 따라 소재 불량이나 제조시간에 있어 큰 차이가 나타나는 문제가 있어 제품의 제조과정을 표준화하고 생산시간을 최적으로 줄이는 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법에 관한 것이다.

일반적으로, 단조(Forging)는 금속소재를 일정한 온도로 가열하여 소정의 압력을 가해 필요한 형상 및 강도를 갖도록 하는 것으로, 통상 주괴의 거친 주조 조직이나 편석 개재물 등을 파괴하고 주물의 기공이나 기포 등을 압착시켜 균질하고 미세한 조직으로 단련시켜 소재의 인성과 내구성을 향상시키기 위한 공정이다.

도 1은 일반적인 단조공정을 예시한 것으로, 도시된 바와 같이 통 크로스(Tongs Cross; 12)에 소재를 물린 상태에서 머니퓰레이터(Manipulator; 11)가 일정위치까지 순차적으로 이송됨에 따라, 고온의 소재(14)가 단조기(13) 내에 구비된 상부 앤빌(15) 및 하부 앤빌(16) 사이를 통과하면서 가해지는 수직압하력에의해 목적하는 형상(사각,원형 등) 및 크기(길이,두께,넓이 등)로 알맞게 가공되어 진다.

여기서, 상기 머니퓰레이터(11)는 단조기(13)에 인입되는 소재(14)의 수평이송을 담당하며, 설정된 이송속도에 의해 슬라이딩 전진 및 후진 이동을 수행하면서 소재(14)를 순차적으로 직선 이송시키게 된다.

또한, 상기 머니퓰레이터(11)의 선단부에 구비된 통 크로스(12)는 보통 집게팔 형상을 이루며 소재(14)의 일단을 체결하여 상기 머니퓰레이터(11)에 대하여 임의의 각도로 회전 가능하게 형성시킨 것으로, 이러한 상기 통크로스(12)와 머니퓰레이터(11)의 상호 이송 및 회전운동에 의해 고온의 소재(14)가 일정한 크기 및 형상으로 단조된다.

한편, 이와 같은 단조공정에 있어서, 목적하고자 하는 소재의 크기(길이, 두께, 넓이 등)나 형상을 얻기 위해서 소재의 길이 방향으로 소재를 이송시키며 상부 엔빌(15)로 모든 길이 방향에 대해 설정된 간격만큼 이동하며 1회씩 단조하는 것을 패스라고 하며 소재를 최종 크기까지 단조하기 위해서는 단조기의 능력이나 소재의 폭퍼짐, 소재의 온도 및 재가열등의 과정으로 인해 여러 패스를 거치게 되는데 입력된 크기로부터 목적하는 크기까지 단조되는 패스 횟수 및 매 패스별 단조량, 회전여부, 이 3가지를 계획한 것을 패스 스케줄이라고 한다. 본 발명에서의 패스 스케줄은 도 2에 도시된 바와 같이, 잉곳(21)에서 제품으로 가기 전의 중간소재인 빌레트(22)를 제작하는 패스 스케줄과 빌레트(22)에서 사각 바(24)를 제작하는 패스스케줄, 빌레트(22)에서 와이드 바(25)를 제작하는 패스 스케줄, 사각 바(24)에서라운드 바(25)를 제작하는 패스 스케줄로 구분된다.

현재 패스 스케줄은 기초적인 세분화 되지 않은 테이블 참조 방식을 사용하고 있으나 실제는 단조기의 운전자에 따라 패스 횟수 및 생산시간, 제품 치수 품질이 큰 차이를 보이는 수작업으로 인한 근본적인 문제점을 안고 있다. 따라서 본 발명은 상기한 패스 스케줄 중 가장 중요하고 정밀한 치수 규격이 요구되는 최종 제품이 사각 바 및 와이드 바인 경우의 패스스케줄에 대해 최적 알고리즘을 고안한 것이다.

이런 패스 스케줄의 최적화에 대해서는 기존의 공지 기술이 없는 상태이며 다만 단조시의 통 크로스(12) 회전각도나 온도 등에 대한 관련 기술(US 5983481)이나, 특정 소재를 제조하기 위한 원소배합방법 정도(KR 1983-002058)가 공개되어 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 빌레트에서 사각 바 및 와이드 바 단조기의 단조 능력내 에서 의 최소 패스수, 품질 및 치수 정밀도를 고려한 패스 스케줄 압하량 배분, 단조 압하력 계산에 필요한 수식모델의 비선형성에 영향을 받지 않는 독립성, 제품의 치수를 줄이는 것이 아닌 불량제품에 대해 폭이나 두께에 대해 치수를 늘이는 단조도 가능한 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 소재에 대한 일반적인 단조공정을 나타낸 예시도;

도 2는 열간 자유단조공정을 도시한 생산 공정도;

도 3은 본 발명에 따른 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법에 의한 단조용 사각바 최대 패스수 계산 알고리즘을 도시한 공정흐름도;

도 4는 본 발명에 따른 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법에 의한 단조용 와이드바 최대 패스수 계산 알고리즘을 도시한 공정흐름도;

도 5는 본 발명에 따른 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법에 의한 단조용 사각바 및 와이드바 최적 패스별 부하 배분 알고리즘을 도시한 공정흐르도;

도 6은 본 발명에 따른 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법에 의한 단조 패스별 최대 압하량 계산 알고리즘을 도시한 공정흐름도;

도 7은 본 발명에 따른 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법에 의한 단조용 최적 패스 계산 알고리즘 중 압하량 수정계수 조정 알고리즘을 도시한 공정흐름도이다.

♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♣

11:머니퓰레이터 12:통 크로스 13:단조기 14:단조용 소재

15:상부 앤빌 16:하부앤빌 21:잉곳 23:빌레트 24:사각 바

25:와이드 바 26 : 라운드 바

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 사각바 압하 스케쥴

알고리즘과 Wide 바 압하 스케쥴 알고리즘 을 제공하게 된다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법에 의한 단조용 사각바 최대 패스수 계산 알고리즘을 도시한 공정흐름도이고, 도 4는 본 발명에 따른 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법에 의한 단조용 와이드바 최대 패스수 계산 알고리즘을 도시한 공정흐름도이며, 도 5는 본 발명에 따른 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법에 의한 단조용 사각바 및 와이드바 최적 패스별 부하 배분 알고리즘을 도시한 공정흐름도이고, 도 6은 본 발명에 따른 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법에 의한 단조 패스별 최대 압하량 계산 알고리즘을 도시한 공정흐름도이며, 도 7은 본 발명에 따른 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법에 의한 단조용 최적 패스 계산 알고리즘 중 압하량 수정계수 조정 알고리즘을 도시한 공정흐름도이다.

도 3 및 도 5에 도시된 공정흐름도는 본 발명에 따른 사각바 압하 스케쥴 계산 알고리즘을 도시한 것이다.

단조조업을 위한 정보는 크게 현재 소재를 목표 치수까지 단조하기 위해 몇 패스를 단조 할 것인가와 매 패스별 현재 소재의 치수에 대해 얼마를 단조할 것인가와 소재를 어느 패스에서 회전시킬 것인가의 3가지로 구분된다. 도 3에서는 이 정보 중 최대 패스수 계산 및 회전 여부 결정의 2가지가 포함되어 있다.

먼저, 사각바의 패스별 회전 여부의 경우 입력 소재 폭 및 최종 제품 폭의두께 및 폭이 모두 정사각형을 이루므로 매 패스별 회전을 하도록 하였다. 이것은 Wide바 제품의 경우에는 적용되지 않는다. 다음으로 최대 패스수 계산방법은 매 패스별 단조기의 부하 내에서 가능한 최대의 압하량을 찾아서 단조를 하여 몇 패스 내에 목표 치수 이내로 단조가 가능한 지를 알아내어 최대 패스수를 결정한다. 이를 위해 단조기의 허용모터 하중 범위 및 설정된 최대 압하량 및 최소 압하량 범위 내에서 가능한 한 최대의 압하량이 얼마인지를 빠르게 검색하기 위해 도 6과 같은 널리 알려진 양분할법(Bisectional Search Method)을 이용하여 가용한 최대 압하량을 계산하여 단조공정 시뮬레이션을 수행한다. 단조하중 및 단조로 인한 두께 압하 변화량 및 폭의 퍼짐량을 계산하는 수식모델은 널리 알려진 단조 수식을 이용한 계산과정으로 본 발명에서는 따로 명시하지 않는다.

상기와 같이 계산한 최종 소재의 두께 및 폭이 목표 두께 및 목표 폭 이하가 되지 않으면 패스를 늘이게 되며 폭 및 두께가 모두 제품폭, 제품두께 이하로 수렴되면 이때의 패스수를 최대 패스 수로 결정한다. 이렇게 계산된 최종 패스에서의 제품의 폭 및 두께는 매 패스별 단조기가 압하할 수 있는 최대 압하량을 이용했으므로 목표 폭 및 두께 보다 작게 된다. 따라서 패스별 단조 압하량에 대해 부하 재배분을 하면서 최종 제품의 폭 및 두께를 목표 폭 및 두께에 설정된 여유치에 맞춰 재계산하게 된다. 이런 부하 재배분 계산에서는 최대패스 수 계산에서 결정된 패스별 압하량을 사용하지 않고 도 5에 도시된 바와 같이, 패스별 압하량을 모두 소량의 값으로 초기화 한 후 압하량 조정변수(η) 비율로 매 반복 시마다 두께 및 폭 압하량을 패스별 압하량 증감결정 변수(β)에 따라 증가 또는 감소시키면서 목표 두께 및 폭에 수렴할 때까지 전체 패스 계산을 연속적으로 반복한다. 폭 및 두께 압하량과 최종 두께, 폭 목표치의 관계가 비선형이므로 반복수가 증가할수록 압하량 조정변수(η)를 반복시의 조정된 압하량이 발산하지 않고 수렴할 수 있도록 반복횟수가 최대반복횟수에 근접할수록 압하량 조정변수(η)의 변화량이 적어지는 어닐링(Annealing) 기법을 사용하였으며 또한 실제 단조 조업시와 동일하게 소재의 최종 패스에 근접할수록 압하량을 작게하여 소재의 표면이 고르도록 하는 표면 품질 향상효과를 반영하기 위해 후단 패스로 갈수록 압하량이 적게 배분되게 압하량 조정변수 수식에 반영하였다. 도 7에 나타난 압하량 증감결정 변수(β)를 계산하는 방법은 현재의 소재 단조가 두께 단조인지 폭 단조인지를 이전 회전횟수에 따라 결정한 후 소재의 치수가 목표 치수 이하인 경우에는 압하량을 감소, 이상인 경우에는 증가, 동일한 경우에는 0으로 변동이 없게 결정하는 알고리즘이다.

도 4 및 도 5는 와이드바의 압하 스케쥴 계산 알고리즘을 도시한 것으로, 압하량 배분 알고리즘인 도 5는 사각바와 동일하며 최대 패스 및 회전 여부 결정에서의 사각바와의 차이점은 사각바의 경우 최종 폭 및 두께가 같아서 매 패스별 회전을 하여 단조하는 것과 달리 사각바의 경우 폭과 두께의 크기비례가 크게 차이가 나므로 첫패스에서 소재의 두께를 목표 두께 이하까지 단조한 후 회전하여 폭을 목표폭 이하 까지 단조하고 목표폭 단조로 인한 두께 퍼짐 현상으로 인해 두께가 다시 목표 두께이상으로 증가했을 경우 회전 한 후 두께 단조를 다시 목표 두께 이하까지 단조하는 과정을 반복하는 형태로 회전을 하는 것만이 다르다. 이렇게 최대 패스 및 회전하는 패스가 명시된 후 이 값만을 이용하여 부하 재배분을 하는 과정은 사각바와 동일하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 기존 사용자의 경험에 바탕을 둔 조업방법으로 인한 제품 품질 문제 및 생산 시간의 큰 차이를 최적 알고리즘을 통한 최소한의 시간, 후단 패스 미세 단조 압하 및 표준화 된 작업 방법 제시로 인해 궁극적으로 제품 경쟁력 및 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 도모할 수 있다.

Claims (1)

1. 단조 조업시 빌레트(23)에서 사각바(24) 및 와이드바(25) 조업시에 최대 패스 계산부분과 같이 단조기의 양분할법을 이용해 찾은 패스별 최대 가용 압하량으로 목표 치수인 두께, 폭 이하까지 최대로 단조하며;

   사각바의 경우 매 패스별 회전하고 와이드 바의 경우 처음에 두께를 목표 두께 이하까지 단조한 후 회전하여 폭을 목표 폭까지 단조하고 목표 폭 단조로 인한 두께 퍼짐 현상으로 인해 두께가 다시 목표 두께이상으로 증가했을 경우 두께 단조를 다시 하는 과정을 반복하는 형태로 회전을 하여 최대 패스횟수 및 회전여부를 결정한 후;

   전체패스의 압하량을 임의의 작은 값으로 초기화 한 후 최종 제품이 목표치수에 도달하지 않을 경우 증감 결정 변수(β)를 치수보다 작은 경우 양(+)으로, 큰 경우 음(-)으로 바꾸고 조정 변수 수정계수(η)를 현재 반복 횟수가 최대 반복 횟수에 가까워질수록 수정량을 줄이고 미리 결정된 전체 패스에 대해 후단 패스로 갈수록 수정량을 줄이는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 열간 자유단조 패스 스케줄 도출방법.