KR100785518B1

KR100785518B1 - 냉간 및 열간 등단면 압축가공장치

Info

Publication number: KR100785518B1
Application number: KR1020010082178A
Authority: KR
Inventors: 박우진; 하태권
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2007-12-13
Also published as: KR20030052317A

Abstract

본 발명은 냉간 및 열간으로 시편을 등단변으로 압축가공을 하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은, 금형의 통로를 통해 금속을 고압으로 통과시켜 금속소재를 소성가공하는 장치에 있어서, 상부몸체(11)와 대응하는 외부면에 수직하고 경사진 채널홈(13)(14)을 형성하여 상기 상부몸체(11)와의 합형시 수직한 상부채널(10a)과 경사진 하부채널(10b)을 형성하는 하부몸체(12)와, 상기 상,하부몸체(11)(12)가 배치되는 안착홈(21)을 갖추고, 상기 상부채널(10a)과 하부채널(10b)이 만나는 교차점(P)에 열원을 제공하는 복수개의 발열체(26)가 수용되는 수직공(25)을 복수개 형성한 가열몸체(20) 및 상기 발열체(26)와 전기적으로 연결되어 발열온도를 제어하는 제어기(30)를 포함하여, 저온 및 고온에서도 극한 강소성 가공이 용이하도록 시편이 통과하는 상,하부채널이 서로 만나는 교차점의 온도를 용이하게 제어할 수 있고, 서로 교차되는 통로의 가공이 용이하도록 금형이 분할조립되어 사용이 간편한 효과가 얻어진다.

등단면 압축가공, 상부채널, 하부채널, 교차점, 교차각, 발열체

Description

냉간 및 열간 등단면 압축가공장치{AN DEVICE FOR PRESS-PROCESSING COLD AND HOT EQUAL CHANNEL ANGULAR}

도 1은 본 발명에 따른 냉각 및 열간 등단면 압축가공장치를 도시한 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 냉간 및 열간 등단면 압축가공장치를 도시한 분해사시도,

도 3(a)(b)는 본 발명에 따른 냉간 및 열간 등단면 압축가공장치를 도시한 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 .... 상부몸체 12 .... 하부몸체

13 .... 상부채널홈 14 .... 하부채널홈

20 .... 가열몸체 21 .... 안착홈

25 .... 수직공 26 .... 발열체

26a ... 파이프 26b ... 원통몸체

27 .... 칸텔선 30 .... 제어기

R ..... 램 T ..... 시험편

본 발명은 냉간 및 열간으로 시편을 등단변으로 압축가공을 하는 장치에 관 한 것으로, 보다 상세히는 저온 및 고온에서도 극한 강소성 가공이 용이하도록 시편이 통과하는 상,하부채널이 서로 만나는 교차점의 온도를 용이하게 제어할 수 있고, 서로 교차되는 통로의 가공이 용이하도록 금형이 분할조립되어 사용이 간편한 냉간 및 열간 등단면 압축가공장치에 관한 것이다.

일반적으로 알려진 금속소재의 재질을 개량화하는 방법으로는 결정립 미세화가 가장 유용한 것으로 알려져 있으며, 이를 실현할 수 있는 방법으로는 급냉응고법, 분말야금법, 기계적 합금화법, 소성가공법 등이 있는데, 그 중에서 급냉응고법, 분말야금법, 기계적 합금화법 등은 대량생산에 적합치 못하므로 상업적으로는 사용되지 못하고 있으며, 지금은 소성가공법이 상업적으로 가장 유용하게 사용되고 있는 실정이다.

상기 소성가공법으로는 압연, 압출, 인발등의 다양한 방법이 있으며, 이들은 상업상의 여러가지 잇점으로 인해 과거부터 현재까지 광범위하게 응용되고 있다.

그러나, 상기 소성가공법은 금속과 금형의 마찰로 인해 금속의 표면과 내부를 균일하게 소성가공시키기에는 부적합하므로 적용분야가 제한적이며, 또한 상기 소성가공법에서는 가공량 증가에 따른 단면적 감소가 불가피하다는 공정특성으로 인해 금속소재 내에 대량의 변형에너지를 축적할 수 없으므로 금속소재의 재질개선이 용이하지 못하다는 단점을 지닌다.

따라서, 종래의 소성가공법이 보여준 비효율적인 결정립미세화 성향을 극복하고자 하는 노력의 일환으로 다양한 극한 강소성 가공법이 개발되기에 이르렀으며, 그중에서도 특히 등단면 경사 압축법(ECAP : equal channel angular pressing) 은 가장 대표적인 극한 강소성 가공법이라 할 수 있다.

이러한 등단면 경사 압축법은 동일한 단면적을 갖는 두 채널을 일정각도(θ )로 서로 교차시킨 금형의 통로를 통해 금속을 고압으로 통과시킴으로써 금속소재 내에 가혹한 전단변형에너지를 축적할 수 있어서 재질을 획기적으로 개선할 수 있는 방법이다.

그러나, 이러한 등단면 경사 압축법의 이용분야를 보다 광범위한 금속재료로 확대시키기 위해서는 온도에 구애받지않고, 저온 및 고온압축이 용이하여야 하나, 두 채널의 교차점에서 극한 강소성이 발생되기 때문에 만약 이 부분에서 약간의 온도의 편차라도 발생되면, 등단면 경사 압축시험편이 원활하게 출구에 도달할 수 없게 되는 문제점이 있었다.

또한, 상기 등단면 경사 압축법이 금속재료의 재질을 획기적으로 개선할 수 있음에도 불구하고 등단면 경사 압축용 금형은 등단면의 두 채널이 교차하는 통로를 보유하여야 함으로 인해 가공방법이 매우 까다롭다는 단점을 나타낸다.

그리고, 등단면 경사 압축법을 이용하여 효율적으로 금속소재를 강소성가공을 하기 위해서는 소재와 금형간의 마찰력을 최소화하여야 하며, 이를 위해서는 금형내부를 매끄럽게 가공하여야 하는데 등단면 경사 압축용 금형은 두 채널이 일정한 각으로 교차한다는 독특한 형상으로 인해 금형 내부의 표면가공이 용이하지 못하다는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것 으로서, 그 목적은 저온 및 고온에서도 극한 강소성 가공이 용이하도록 시편이 통과하는 상,하부채널이 서로 만나는 교차점의 온도를 용이하게 제어할 수 있고, 서로 교차되는 통로의 가공이 용이하도록 금형이 분할되는 냉간 및 열간 등단면 압축가공장치를 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 발명은

금형의 통로를 통해 금속을 고압으로 통과시켜 금속소재를 소성가공하는 장치에 있어서,

상부몸체와 대응하는 외부면에 수직하고 경사진 채널홈을 형성하여 상기 상부몸체와의 합형시 수직한 상부채널과 경사진 하부채널을 형성하는 하부몸체와,

상기 상,하부몸체가 배치되는 안착홈을 갖추고, 상기 상부채널과 하부채널이 만나는 교차점에 열원을 제공하는 복수개의 발열체가 수용되는 수직공을 복수개 형성한 가열몸체 및

상기 발열체와 전기적으로 연결되어 발열온도를 제어하는 제어기를 포함함을 특징으로 하는 냉간 및 열간 등단변 압축가공장치를 마련함에 의한다.

이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 냉각 및 열간 등단면 압축가공장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 냉간 및 열간 등단면 압축가공장치를 도시한 분해사시도이며, 도 3(a)(b)는 본 발명에 따른 냉간 및 열간 등단면 압축가공장치를 도시한 단면도이다.

본 발명의 장치(1)는 도 1 내지 3에 도시한 바와같이, 서로 교차하는 통로인 채널의 기계가공이 용이하도록 분할조립되고, 채널을 통과하는 금속의 결정립이나 구성상을 미세화시키기 위하여 저온에서부터 고온까지 온도변화 및 가열온도조절이 용이하여 적용가능한 금속소재의 범위를 넓힐수 있는 것으로서, 이러한 장치(1)는 상,하부몸체(11)(12), 가열몸체(20) 및 제어기(30)등으로 구성된다.

즉, 등단면의 두채널이 서로 교차하는 통로를 형성하고, 상기 통로내부의 표면가공이 용이하도록 분할조립되는 상,하부몸체(11)(12)를 갖추어 구성하는바, 상기 상부몸체(11)는 경사진 하부채널(20a)을 형성하도록 하부면이 일정각도로 경사지게 형성되며, 상기 하부몸체(12)는 상기 상부몸체(11)의 수직한 외부면과 대응하는 외부면에 수직한 상부채널홈(13)을 형성하고, 상기 상부몸체(11)의 경사진 하부면과 대응하는 외부면에는 이와 동일한 경사각도로 경사진 하부채널홈(14)을 함물형성한다.

이에 따라, 복수개의 볼트, 너트부재(미도시)를 이용한 상기 상,하부몸체(11)(12)의 합형시 상기 상부몸체(11)와 하부몸체(12)사이이 경계면에는 서로 연통하는 수직한 상부채널(10a)과 경사진 하부채널(10b)을 형성하며, 상기 상,하부채널(10a)(10b)이 서로 교차되는 부위에는 상부채널홈(13)과 하부채널홈(14)이 서로 만나는 교차점(P)이 형성되고, 상기 상부채널(10a)과 하부채널(10b)사이에는 일정크기의 교차각(θ)이 형성되는 것이다.

그리고, 상기 가열몸체(20)는 상,하부채널(10a)(10b)을 형성하도록 합형된 상,하부몸체(11)(12)가 배치되는 안착홈(21)을 갖추고, 전원인가시 상기 상부채널(10a)과 하부채널(10b) 및 이들이 서로 만나는 교차점(P)에 열원을 제공하도록 복수개의 발열체(26)가 수용되는 수직공(25)을 복수개 형성한다.

여기서, 상기 발열체(26)는 전원인가시 전기저항에 의해서 발열하는 칸텔(kanthal)선(27)이 외주면에 권취된 원통몸체(26b)와, 상기 수직공(25)에 외부돌출없이 수용되도록 원통몸체(26b)에 삽입되는 스테인레스스틸재질의 파이프(26a)등으로 구성되며, 상기 칸텔선(27)은 상기 원통몸체(26b)에 길이방향을 상하로 반복적으로 권선되며, 이러한 칸텔선(27)의 입.출력부는 상기 발열체(26)의 외부에 설치되는 전원공급원(미도시)과 전기적으로 연결되어 있다.

여기서, 상기 칸텔선(27)의 상하 반복횟수는 많을수록 발열량이 증가하겠지만, 열선의 합선을 고려하여 반복횟수를 3~5회 하는 것이 바람직하며, 상기 발열체(26)의 각 길이는 모두 동일하며, 상기 상,하부몸체(11)(12)를 둘러싸도록 상기 가열몸체(20)에 복수개 형성된 수직공(25)에 삽입배치되다.

그리고, 상기 각 발열체(26)의 길이(L)는 상기 상부몸체(11)와 하부몸체(12)사이의 상부채널(10a)의 길이(L1)의 2배로 하는 것이 바람직하며, 상기 발열체(26)는 상기 상부채널(10)과 나란하게 배열되도록 한다.

또한, 상기 상,하부몸체(11)(12)를 둘러싸는 복수개의 발열체(26)는 상기 상부채널(10a)과 하부채널(10b)이 서로 맞닿는 교차점(P)으로부터 동일한 거리를 두고 배치되고, 인접하는 발열체(26)간의 간격도 모두 동일하게 한다.

그리고, 상기 발열체(26)에 감기는 칸텔선(27)의 발열특성상 열선인 칸텔선(27)의 중심부에서 발열량이 가장 높고, 칸텔선(27)의 양끝으로 갈수록 발열 량이 감소한다는 특성을 고려하여 각 발열체(26)의 길이중심은 상기 상부채널(10a)과 하부채널(10b)이 서로 맞닿아 교차하는 교차점(P)과 서로 일치하도록 한다.

이에 따라, 상기 발열체(26)의 상부단이 상기 상부채널(10a)의 시작점과 동일한 높이에 있을 때, 상기 발열체(26)의 길이중심(1/2L)은 상기 상부채널(10a)의 길이와 대략적으로 일치한다.

그리고, 상기 가열몸체(20)에 갖추어지는 발열체(26)의 설치갯수는 상기 발열체(26)의 발열량이 감소할수록 그리고 교차점(P)과 발열체(26)간의 거리가 증가할수록 늘려야 하지만, 상기 발열체(26)와 교차점(P)간의 거리가 상기 상부채널(10a)의 폭에 대하여 3~5배 이내 일 때, 상기 발열체(26)는 설치갯수는 3~9개로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제어기(30)는 상기 발열체(26)의 칸텔선(27)과 전기적으로 연결되어 전원인가시 전기저항에 의해서 발열을 하는 상기 발열체(26)의 발열온도를 조업조건에 맞추어 제어하도록 한다.

상기한 구성을 갖는 장치(1)를 이용하여 소성유기변태 특성을 갖는 SUS304 스테인레스 스틸 냉연재를 상온부터 500℃ 까지 상기 상부채널(10a)과 하부채널(10b)사이에 형성되는 교차각(θ)을 100°로 하여 고온 등단면 경사 압축 가공을 실시하였으며, 이때 사용된 SUS304 스틸의 시험편(T) 규격은 10×30×100mm 이다.

이러한 경우, 상기 상부채널(10a)의 직상부에 배치되어 직하방으로 일정크기 이상의 압하력을 발생시키는 램(R)을 하강작동시켜 상기 상,하부채널(10a)(10b) 로 이루어진 통로를 통하여 상기 시편(T)을 가압하면, 상기 시편(T)은 상기 통로를 통과하면서 가혹한 전단변형에너지를 발생시키면서 출구를 통하여 배출되어 소성가공되는 것이다.

그리고, 본 발명의 장치(1)와 종래의 발열체(26)를 갖지 않은 가공장치를 비교하고자하기 위해서, 상기와 동일한 SUS304 스테인레스 스틸 냉연재를 상온부터 500℃까지 사익와 동일한 교차각(θ), 100°을 형성한 통로를 갖는 금형을 통하여 고온 등단면 경사 압축 가공이 이루어지도록 하였으며, 이때, 상기 시험편(T)은 별도로 준비된 가열장치에 의해서 상기 시험온도까지 가열되도록 하였다.

여기서, 상기 SUS304 스텐인레스 스틸은 소성유기변태 금속이므로 소성가공시 오스테나이트로부터 마르텐사이트로 상변태를 유발시키는 특성을 지님에 따라 가공성을 저하시키는 특성을 나타낸다. 따라서 소성가공시 상기 시험편(T)의 온도의 저하로 인한 표면결함이 급격히 증대되므로 스텐레스 스틸의 표면불량을 초래하게 된다.

이에 따라, 상기 장치(1)의 상,하부몸체(11)(12)사이에 형성되는 상,하부채널(10a)(10b)을 통하여 시험편(T)을 고압으로 통과시켜 경사 압축 가공을 할때, 상기 시험편(T)의 보온이 매우 중요하며, 특히, 상기 시험편(T)의 내부와 표면부의 보온효과는 표면불량제어에 있어서 매우 중요한 공정인자이다.

이러한 경우, 본 발명의 장치(1)에서는 상,하부몸체(11)(12)가 설치되는 가열몸체(20)에 전원인가시 발생되는 전기저항에 의해서 발열을 하는 발열체(26)를 복수개 갖추고, 상기 발열체(26)들은 제어기(30)에 의해서 상기 상,하부채널(10a)(10b) 및 이들의 교차점(P)에 전달하는 열원의 온도를 자유롭게 조절할수 있기 때문에, 경사압축가공중 시험편(T)을 강소성 가공이 용이하도록 온도제어를 금속특성에 맞추어 적절히 제어할 수 있는 것이다.

본 실시예에서는 본 발명의 장치(1)와 발열체를 갖지 않는 종래 장치를 이용하여 동일한 재질 및 크기를 갖는 SUS304 스테인레스 스틸의 시험편을 고온에서 등단면 경사 압축 시험을 실시하였으며, 소성가공된 시험편(T)의 표면크랙 깊이를 조사하였다.

이때, 상기 시험편(T)의 크랙깊이가 0.2mm 이상이면 불량품, 그 이하이면 양품으로 구분하여 불량률을 조사하였으며, 시험은 각각의 조건에서 20회이상 실시하여 평균하였다. 각각의 결과를 하기 표1에 나타내었다.

구분	시험온도(℃)	20회당 불량횟수(회)	불량율(%)
본 발명	상온	10	50
	100	3	15
	200	3	15
	300	2	10
	400	1	5
	500	1	5
종래	상온	20	100(가공이 불가함)0
	100	15	75
	200	10	50
	300	7	35
	400	8	40
	500	6	35

상기 표1에서 보여주는 바와 같이, 본 발명의 장치를 통해 제작된 시험편의 전체 불량률은 종래 장치로 가공된 시험편(T)보다 2~5배 정도 감소하였다. 특히 종래 장치로는 상온에서의 등단면 경사 압축가공은 불가능하였으며, 반드시 본 발명 을 통해 고안된 금형을 이용하여야 한다.

그리고, 100℃ 이상의 온도에서는 종래장치로도 등단면 경사 압축 가공이 가능하였으나, 불량률이 지나치게 높아 실효성이 없는 것으로 판단되었으나, 본 발명의 장치(1)를 이용할 경우에는 10%대 이하의 불량률을 나타내므로 그 실효성이 월등히 우수하였다.

상술한 바와같은 본 발명에 의하면, 상온가공이 용이한 금속소재 뿐 아니라 상온가공이 용이하지 못하고, 반드시 고온가공을 시행하여야 하는 금속소재에도 손쉽게 등단면 경사 압축가공을 적용할 수 있으며, 또한 상온가공이 용이하다 하더라도 고온가공이 더욱 효과적인 재료에도 손쉽게 적용할 수 있기 때문에, 적용가능한 금속소재의 범위를 획기적으로 확대시킬 수 있다.

또한, 상,하부채널이 서로 교차하면서 일정크기의 교차각을 형성하는 통로를 갖는 금형제조에 있어서의 비용 적게 소요되고, 제작시간을 크게 절감할수 있으며, 교차각을 형성하는 통로의 표면도 미려하게 가공할수 있고, 한 세트의 금형에 적용할 수 있는 재료의 다양함 등으로 인해 보다 경제적으로 금속소재의 재질을 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims

금형의 통로를 통해 금속을 고압으로 통과시켜 금속소재를 소성가공하는 장치에 있어서,

상부몸체(11)와 대응하는 외부면에 수직하고 경사진 채널홈(13)(14)을 형성하여 상기 상부몸체(11)와의 합형시 수직한 상부채널(10a)과 경사진 하부채널(10b)을 형성하는 하부몸체(12)와,

상기 상,하부몸체(11)(12)가 배치되는 안착홈(21)을 갖추고, 상기 상부채널(10a)과 하부채널(10b)이 만나는 교차점(P)에 열원을 제공하는 복수개의 발열체(26)가 수용되는 수직공(25)을 복수개 형성한 가열몸체(20) 및

상기 발열체(26)와 전기적으로 연결되어 발열온도를 제어하는 제어기(30)를 포함함을 특징으로 하는 냉간 및 열간 등단변 압축가공장치.
제 1항에 있어서,

상기 발열체(26)는 전원인가시 전기저항에 의해서 발열하는 칸텔(kanthal)선(27)이 외주면에 권취된 원통몸체(26b)와, 상기 수직공(25)에 외부돌출없이 수용되도록 원통몸체(26b)에 삽입되는 스테인레스스틸재질의 파이프(26a)등으로 구성됨을 특징으로 하는 냉간 및 열간 등단변 압축가공장치.
제 1항에 있어서,

상기 각 발열체(26)의 길이(L)는 상기 상부채널(10a)의 길이(L1)의 2배로 하고, 상기 상부채널(10a)과 나란하게 배열됨으 특징으로 냉간 및 열간 등단변 압축가공장치.
제 1항에 있어서,

상기 상,하부몸체(11)(12)를 둘러싸도록 배치되는 복수개의 발열체(26)는 상기 상부채널(10a)과 하부채널(10b)이 서로 맞닿는 교차점(P)으로부터 동일한 거리를 두고 배치되고, 인접하는 발열체(26)간의 간격도 모두 동일하게 형성함을 특징으로 하는 냉간 및 열간 등단변 압축가공장치.
제 1항에 있어서,

상기 발열체(26)의 길이중심은 상기 상부채널(10a)과 하부채널(10b)이 서로 맞닿아 교차하는 교차점(P)과 서로 일치하도록 함을 특징으로 하는 냉간 및 열간 등단변 압축가공장치.