KR100931200B1 - Method and apparatus for manufacturing high strength bolt using extrusion process - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이러한 볼트 제조용 다이스 장치에 있어서, 상대적으로 큰 제1직경 및 상대적으로 작은 제2직경의 2단 직경을 가지는 원통형 가공부를 포함하는 다이스 부재, 상기 다이스 부재를 포위하며 수용하는 보강링 및 상기 가공부에 투입되는 볼트 예비 성형체를 가압하는 가압 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이스 장치를 제공한다. 나아가, 본 발명은 냉간압조 방식의 다이스 장치를 이용하여 볼트를 성형하는 방법에 있어서, 볼트 예비 성형체를 가공부에 투입하는 원료 투입 단계 및 가압 부재로 상기 볼트 예비 성형체를 가압하여 볼트 머리부 및 몸통부를 제조하는 압출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 볼트의 제조방법을 제공한다. The present invention relates to a die device for bolt manufacturing, comprising: a die member including a cylindrical machining portion having a two-stage diameter having a relatively large first diameter and a relatively small second diameter, a reinforcing ring surrounding and receiving the die member; It provides a dice device comprising a pressing member for pressing the bolt preform injected into the processing portion. Furthermore, the present invention is a method of forming a bolt using a die apparatus of the cold press type, pressurizing the bolt preform with a raw material input step and a pressing member for inserting the bolt preform into the processing unit bolt head and body It provides a high-strength bolt manufacturing method comprising an extrusion step of manufacturing a part.
본 발명에 의하여 볼트를 제조하는 경우, 다이스 및 가압부재에 큰 부하가 걸리지 않아 다이스 수명이 크게 감소하지 않으며, 냉간압조 후에 초기 원소재의 인장강도보다 더 높은 인장강도를 가지는 고강도 볼트를 제조할 수 있어, 소재에 열처리를 수행하지 않아도 인장강도가 매우 높은 볼트 제품의 제조가 가능하다.In the case of manufacturing the bolt according to the present invention, the die and the pressing member does not take a large load does not significantly reduce the die life, after the cold pressing can be produced a high-strength bolt having a higher tensile strength than the tensile strength of the initial raw material Therefore, it is possible to manufacture a bolt product having a very high tensile strength without performing heat treatment on the material.
Description
본 발명은 냉간가공으로 볼트를 제조하는데 사용되는 다이스 장치 및 이를 이용하여 볼트를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직경을 달리하는 가공부를 구비하는 다이스 장치를 이용하여 볼트를 제조함으로써 가공시 다이스 장치의 수명을 향상시키고, 나아가 낮은 에너지와 저비용으로 높은 강도의 볼트를 얻을 수 있는 다이스 장치 및 이를 이용하여 볼트를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a die apparatus used to manufacture bolts by cold working and a method of manufacturing bolts using the same, and more particularly, to manufacturing bolts by using a die apparatus having a processing part having a different diameter. The present invention relates to a die device capable of improving the life of a die device and further obtaining a high strength bolt at low energy and low cost, and a method of manufacturing the bolt using the same.
최근 볼트 제조시 시간과 비용을 절약하기 위하여 열처리를 생략하고 볼트를 제조하는 기술 및 볼트용 강재들에 관한 연구가 지속되고 있다. 이러한 볼트 제조 기술은 열처리를 생략할 수 있으므로 경제성이나 생산성에서 우수하지만, 가공 전의 강도가 완성품의 강도와 직결되기 때문에 냉간압조 공정시 볼트성형장치 및 다이스 수명에 큰 부하를 가져와 다이스의 수명을 초래하고 결국에는 생산성도 저하될 수 있어 전체적으로 생산성의 향사에 따른 장점을 살리지 못하는 경우가 많다. 특히, 이러한 문제점은 볼트의 강도가 높은 고강도 볼트의 제조시 더욱 두드러지게 나타난다.In recent years, in order to save time and money in bolt manufacturing, research on a technique for manufacturing bolts and steel materials for bolts has been continued. This bolt manufacturing technology is excellent in economy and productivity because the heat treatment can be omitted, but since the strength before processing is directly related to the strength of the finished product, it brings a heavy load on the bolt forming device and die life during cold rolling process, resulting in the life of the die. Eventually, productivity may also be lowered, and thus, the overall benefits of the improvement in productivity are often lost. In particular, this problem is more prominent in the production of high strength bolts with high bolt strength.
종래에는 고강도 볼트를 제조하는 경우, 냉간압조 전 구상화열처리를 통하여 원소재의 강도를 낮추어 냉간압조가 가능하도록 하여 가공한 후, 다시 열처리를 하여 제품에 요구되는 강도를 만족시키는 방법이 사용되었다. 구체적으로는 선재 상태에서 구상화 열처리를 거쳐 사이징(sizing) 목적의 신선을 수행한 후, 구상화 열처리, 볼트 성형, 소입, 소려 공정을 거쳐 최종 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)의 미세조직을 갖는 볼트를 제조하는 방법으로 이루어지는 경우가 많았다. 따라서 볼트의 강도는 조성 및 소입, 소려 열처리 공정에 의해 결정되었으며, 충분한 강도의 확보를 위하여 볼트 제조 단계에서는 최종 제품까지 일반적으로 약 2회의 열처리가 수행되었다.Conventionally, when manufacturing a high-strength bolt, a method of lowering the strength of a raw material through a spheroidization heat treatment before cold rolling to enable cold rolling, and then heat-treating again to satisfy the strength required for the product. Specifically, after the wire for sizing purpose is carried out through a wire heat treatment in a wire state, a bolt having a microstructure of the final tempered martensite is subjected to a process of nodular heat treatment, bolt forming, hardening, and soaking. In many cases, the method was produced. Therefore, the strength of the bolt was determined by the composition, quenching, and heat treatment process. In order to secure sufficient strength, about two heat treatments were generally performed to the final product in the bolt manufacturing step.
그러나 이러한 열처리 단계를 거쳐야 하는 볼트 제조 공정은 공정생략을 통한 원가절감을 목표로 하는 추세에 맞지 않으며, 이렇게 제조되는 선재 역시 고강도화가 급속하게 이루어지고 있기 때문에 고강도 볼트 제품을 안정적으로 냉간에서 압조할 수 있는 기술이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.However, the bolt manufacturing process that has to go through this heat treatment step does not meet the trend aimed at cost reduction through the omission of the process, and the wire rods thus manufactured are also rapidly made of high strength, so that high-strength bolt products can be stably cold pressed. There is an urgent need for technology.
상술한 종래 기술과 관련하여 공기배출이 원활하게 이루어져 금형의 파손을 없애는 동시에 제품(볼트)의 성형 불안정성을 없앨 수 있으며, 금형의 파손시 부분 적인 교체가 가능하도록 한 냉간단조용 금형에 관한 기술로서, 금형의 구조를 단순화시키고 금형의 부분적인 교체 사용이 가능하며, 공기의 배출을 원활하게 할 수 있는 기술이 나타난 바 있다. 하지만 이러한 기술은 냉간 단조용 금형을 용이하게 사용하는 방법과 장치에 불과하여 고강도의 소재를 쉽게 성형하는 방법에 대해서는 나타난 바가 없었다.As a technology related to the cold forging die which allows the air discharge to be smoothly related to the above-described prior art, which eliminates the damage of the mold and at the same time eliminates the molding instability of the product (bolt), and enables partial replacement when the mold is broken. In addition, the technology has been shown to simplify the structure of the mold, to partially replace and use the mold, and to smoothly discharge the air. However, such a technique is merely a method and an apparatus for easily using a cold forging die, and thus, there is no indication on how to easily form a high strength material.
또한, 생산공정을 줄이고, 경도와 강도를 높이며 고품질의 볼트를 얻기 위한 공정기술들도 종래에 나타난 바 있으나, 이러한 기술들도 볼트 머리부분의 제조에 해당하는 기술에 관한 것이며 볼트 몸통의 가공경화에 관한 종래 기술 내용은 나타나 있지 않아 전체적으로 고강도 특성을 가지는 볼트를 용이하게 제조하기는 매우 어려운 것이 현실이다.In addition, process techniques for reducing the production process, increasing hardness and strength, and obtaining high quality bolts have been shown in the related art, but these techniques are also related to the manufacture of bolt heads, Since the related art is not shown, it is very difficult to easily manufacture bolts having high strength characteristics as a whole.
본 발명은 상술한 문제점을 해결함과 동시에 열처리를 필요로 하지 않는 고강도 선재를 이용하여 볼트를 제조하는 경우, 수명 저하가 낮은 다이스와 이러한 다이스를 이용하여 볼트를 제조하는 방법을 제공하고자 한다. 특히, 초기 강도가 낮은 선재를 이용 및 가공경화 현상을 이용하여 냉간 가공 후 강도가 더욱 높아지는 고강도 볼트를 제조하는 방법과 여기에 사용되는 다이스 장치를 제공하고자 한다.The present invention is to solve the above problems and at the same time to manufacture a bolt using a high-strength wire that does not require heat treatment, to provide a die having a low life degradation and a method for manufacturing the bolt using such a die. In particular, the present invention provides a method of manufacturing a high strength bolt having a higher initial strength after cold working using a wire rod having a low initial strength and a work hardening phenomenon, and a die apparatus used therein.
본 발명은 이러한 볼트 제조용 다이스 장치에 있어서, 상대적으로 큰 제1직경 및 상대적으로 작은 제2직경의 2단 직경을 가지는 원통형 가공부를 포함하는 다이스 부재, 상기 다이스 부재를 포위하며 수용하는 보강링 및 상기 가공부에 투입되는 볼트 예비 성형체를 가압하는 가압 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이스 장치를 제공한다. 이 때, 상기 가공부는 길이 방향으로 개방된 개방형 가공부일 수 있으며, 상기 볼트 예비 성형체의 직경은 상기 제1직경보다 작고 상기 제2직경보다 클 수 있다.The present invention relates to a die device for bolt manufacturing, comprising: a die member including a cylindrical machining portion having a two-stage diameter having a relatively large first diameter and a relatively small second diameter, a reinforcing ring surrounding and receiving the die member; It provides a dice device comprising a pressing member for pressing the bolt preform injected into the processing portion. At this time, the processing unit may be an open type processing unit open in the longitudinal direction, the diameter of the bolt preform may be smaller than the first diameter and larger than the second diameter.
나아가, 본 발명은 냉간압조 방식의 다이스 장치를 이용하여 볼트를 성형하는 방법에 있어서, 볼트 예비 성형체를 가공부에 투입하는 원료 투입 단계 및 가압 부재로 상기 볼트 예비 성형체를 가압하여 볼트 머리부 및 몸통부를 제조하는 압출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 볼트의 제조방법을 제공한다.Furthermore, the present invention is a method of forming a bolt using a die apparatus of the cold press type, pressurizing the bolt preform with a raw material input step and a pressing member for inserting the bolt preform into the processing unit bolt head and body It provides a high-strength bolt manufacturing method comprising an extrusion step of manufacturing a part.
본 발명에 의하여 볼트를 제조하는 경우, 다이스 및 가압부재에 큰 부하가 걸리지 않아 다이스 수명이 증가하고, 냉간압조 후에 초기 원소재의 인장강도보다 더 높은 인장강도를 가지는 고강도 볼트를 제조할 수 있어, 볼트 제조시 소재에 전혀 열처리를 수행하지 않아도 인장강도가 매우 높은 최종 볼트 제품을 제공할 수 있다.In the case of manufacturing the bolt according to the present invention, the die and the pressing member is not subjected to a large load, the die life is increased, and a high strength bolt having a higher tensile strength than the tensile strength of the initial raw material after the cold press can be produced, It is possible to provide a final bolt product having a very high tensile strength without performing any heat treatment on the material at the time of bolt manufacturing.
본 발명이 적용되는 선재는 제조 이후 열처리가 완전히 생략된 선재이며, 흔히 이와 같은 종류의 선재는 비조질 선재라 불려지기도 한다. 이러한 특성을 가지는 제품은 선재 제조 이후 사이징(sizing) 목적의 신선이 수행되고, 볼트 성형 및 최종 가공만을 통하여 직접 제조가 가능하다. The wire rod to which the present invention is applied is a wire rod in which heat treatment is completely omitted after manufacture, and this type of wire rod is often referred to as an unstructured wire rod. Products having these characteristics can be manufactured directly by sizing purposes after wire fabrication, and only through bolt forming and final processing.
이러한 열처리 생략형 선재의 가장 큰 특징은 열처리에 공정에 소모되는 에너지를 줄여 제품원가를 낮출 수 있으며, 열처리가 이루어지지 않기 때문에, 급냉 균열(quench crack), 휨 및 열처리에 의한 기타 결함 등이 발생하지 않는 장점이 있다. 그러나 열처리에 의하여 강도가 확보되는 것이 아니라 신선과 같은 냉간 가 공을 통하여 강도를 얻는 형태이므로 연성의 감소와 인성의 감소가 문제될 수 있다.The biggest feature of this heat treatment omitted wire is that it can reduce the product cost by reducing energy consumed in the heat treatment process, and because heat treatment is not performed, quench crack, bending and other defects due to heat treatment occur. There is an advantage that does not. However, the strength is not secured by heat treatment, but the strength is obtained through cold processing such as drawing, so that ductility reduction and toughness reduction may be a problem.
이러한 열처리 생략형 선재를 본 발명에 적용하기 위하여, 본 발명에서는 냉간 압출 및 압조가 동시에 이루어지는 다이스의 형태를 갖는 장치를 제안한다(도 3). 상기 장치의 다이스는 일반적으로 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 보강링(301)에 포위되어 끼워진 형태로 사용되며, 본 발명에서는 특히 다이스, 가압 부재 및 이젝터 핀을 중심으로 상기 장치를 상세히 설명하고자 한다.In order to apply such a heat treatment omitted wire to the present invention, the present invention proposes an apparatus having a form of a die in which cold extrusion and a pressure vessel are simultaneously performed (FIG. 3). The die of the device is generally used in a form enclosed in a
이하 본 발명의 장치에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the apparatus of the present invention will be described in detail.
본 발명에서는 볼트 예비 성형체를 성형시, 도 5에 나타난 바와 같이 예비 성형체보다 직경이 큰 소재를 이용하여 첫번째 단계에서 압출방식만을 이용하여 고강도 볼트를 제조할 수 있는 장치 및 방법을 고안하였다. 즉, 종래의 방법은 예비 성형체와 거의 유사한 직경의 소재를 이용하여 머리 부분만을 가공하여 도5(a-2) 와 같은 예비 성형체를 제조하는 방법이었으나, 본 발명에서는 압출만을 이용하여 몸통 부분 및 머리 부분 모두에 가공경화가 일어나며, 몸통 부분은 소재의 직경이 감소하면서 형성되고, 머리부분은 내려오는 가압 부재에 의하여 도 5(b-1)과 같은 형상을 가지게 되는 것이다. 도 5의 오른쪽에는 각 단계를 거쳐서 부여되는 변형량을 수치적으로 계산한 결과가 나타나 있다.In the present invention, when forming the bolt preform, as shown in Figure 5, using a material having a larger diameter than the preform devised an apparatus and method for producing a high-strength bolt using only the extrusion method in the first step. That is, the conventional method was a method of manufacturing the preform as shown in Figure 5 (a-2) by processing only the head portion using a material of a diameter almost similar to the preform, in the present invention, the body portion and the head using only extrusion Work hardening occurs in all parts, the body part is formed while the diameter of the material is reduced, the head is to have a shape as shown in Figure 5 (b-1) by the pressing member coming down. The right side of FIG. 5 shows the result of numerical calculation of the deformation amount provided through each step.
소재가 가공되는 가공부(304)를 가지는 다이스 부재(302), 상기 다이스 부재를 둘러싸 포위하는 형태로 수용하는 보강링(301) 및 상기 가공부에 투입되는 원료를 가압하는 역할을 하는 가압 부재(303)를 포함한다. A die
이 경우, 상기 가공부(304)는 볼트 성형에 알맞은 원통형 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 가공부(304)의 직경은 서로 다른 2가지 직경(이하, 상기 2가지 직경 중, 상대적으로 큰 직경을 제1직경, 상대적으로 작은 직경을 제2 직경으로 칭한다)을 가지면서 존재할 수 있는데, 이 경우에는 원료 투입부측, 즉 펀치 부재측의 직경이 더 커야 한다. 이는 볼트 성형시 직경이 큰 원료 투입부측이 볼트의 머리 부분으로 가공될 수 있어야 하기 때문이다.In this case, the
또한, 상기 가공부(304)는 말단이 개방된 개방형 가공부일 수 있는데, 이는 종래의 압조 방식을 위한 폐쇄형 가공부와는 달리 압출만을 이용하는 본 발명의 다이스 장치를 위한 것이며, 이러한 개방형 가공부에 의하면 볼트 길이에 큰 제한이 사라지기 때문에 다양한 길이의 볼트를 제조할 수 있다.In addition, the
이하 본 발명의 다이스 장치를 이용하여 볼트를 제조하는 방법에 관하여 설명한다.Hereinafter, the method of manufacturing a bolt using the dice apparatus of this invention is demonstrated.
본 발명의 다이스 장치로 볼트를 제조하기 위해서는, 볼트 예비 성형체를 상기 가공부(304)의 원료 투입부에 투입시킨다. 이 경우, 상기 볼트 예비 성형체는 종래의 볼트 제조방법과는 달리 직경이 상기 제2직경보다는 크고 상기 제1직경보다는 작은 것을 사용한다. In order to manufacture a bolt with the die apparatus of this invention, a bolt preform is put into the raw material input part of the said
투입된 상기 볼트 예비 성형체는 가압 부재(303)에 의하여 가압되어 제1직경을 가지는 가공부로부터 제2직경을 가지는 가공부로 압출된다. 상기 가압 부재(303)는 종래의 압조 방식에서 사용되는 펀치 부재(403)와는 달리 볼트 머리부 성형홈이 존재하지 않고 예비 성형체를 가공부(304)로 가압할 수 있는 가압 돌기를 가지는 것이 특징이다. 이러한 과정에 의하여 압출에 의한 볼트 형태가 성형되는데, 기존의 압조 방법을 사용하지 않으므로 가압 부재(303)는 종래에 압조 방식으로 볼트를 성형하던 장치의 펀치 부재(403)와 같이 충격을 가할 필요가 없으므로 가압 부재(303)의 수명은 종래의 펀치 부재에 비해 길고 전체적으로 다이스 장치의 수명도 증가한다.The injected bolt preform is pressed by the
본 발명과 같이 압출만으로 볼트를 성형하는 경우, 압출에 의하여 얻어지는 가공경화(work hardening) 효과를 이용할 수 있게 되어, 기본 강도가 낮은 소재를 사용하여 볼트를 성형하더라도 제조 이후에는 몸통 뿐만 아니라 머리 부분의 강도도 상승된 볼트를 용이하게 제조할 수 있다는 이점을 가진다. 나아가 초기 소재의 강도가 낮고 압조 방식을 이용하지 않기 때문에 다이스에 걸리는 부하(하중)을 줄 일 수 있고 가압 부재의 파손이 일어날 염려가 없어서 다이스 장치 수명의 저하를 막는데 큰 효과가 있다.In the case of forming the bolt by extrusion only as in the present invention, the work hardening effect obtained by the extrusion can be used, even if the bolt is formed using a material having a low basic strength, The strength also has the advantage of being able to easily manufacture elevated bolts. Furthermore, since the strength of the initial material is low and the pressure system is not used, the load (load) applied to the die can be reduced, and there is no fear of breakage of the pressurizing member.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 일 실시예에 불과하며 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following Examples. However, the following examples are merely examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited or limited by the following examples.
하기 표 1에는 본 발명의 볼트 제조 다이스 장치 및 제조방법을 이용하여 인장강도가 1350MPa 인 고강도 선재를 볼트로 제조한 예(발명예) 및 종래 방법에 의하여 소재의 인장강도가 1600 MPa인 선재를 볼트로 제조한 예(비교예)가 각각 나타나 있다. In Table 1 below, bolts were fabricated using a bolt manufacturing die apparatus and a method of the present invention, in which a high-strength wire having a tensile strength of 1350 MPa was manufactured from bolts, and a wire rod having a tensile strength of 1600 MPa by a conventional method was bolted. The examples (comparative examples) which were manufactured by each are shown.
본 실시예에서 사용된 소재는 JIS-SWRS82BC 라는 피아노 선재를 이용하였으며, 각 단계별 다양한 특성과 다이스 수명을 측정하기 위하여 다이스가 파손 및 마모될 때가지 실물 볼트를 제조하여 수명을 측정하였다. 다이스 수명은 연속 제품 가공 실시 방법을 통해 다이스가 함몰되는 회수를 측정하였다.The material used in this example was a JIS-SWRS82BC piano wire, and in order to measure the various characteristics and die life of each step, the actual bolt was manufactured until the die was broken and worn to measure the life. The die life was measured by the number of times the die was recessed through a continuous product processing method.
실험 결과, 기존 공법을 이용한 비교예 볼트 제품은 연속 제품 가공 실시를 하는 경우 약 2,000회에서 다이스가 함몰되어 더 이상 사용할 수 없었다. 반면, 본 발명 공법은 약 백만회를 넘어서까지 사용이 가능하다는 결과가 나타났다.As a result of the experiment, the bolts of the comparative example using the existing method were died at about 2,000 times when continuous product processing was carried out and could no longer be used. On the other hand, the present invention has been found that can be used up to about one million times.
또한, 비교예 및 발명예에 걸리는 최대 하중을 측정해본 결과, 첫 번째 및 두 번째 단계에 걸리는 최대 하중에서 하중의 변화는 크지 않았으나, 두번째 단계에서 걸리는 부하는 발명예의 경우가 오히려 감소하는 경향을 나타낸다는 사실을 알게 되었다(도 6 참고).In addition, as a result of measuring the maximum load applied to the comparative example and the invention example, the load change was not large at the maximum load applied to the first and second stages, but the load applied to the second stage tended to decrease rather than the case of the invention example. Was found (see Figure 6).
도 1은 본 발명의 다이스 장치 및 방법을 이용하여 볼트를 단계별로 제조하는 모습을 나타낸 모식도1 is a schematic diagram showing a step of manufacturing the bolt by using the die apparatus and method of the present invention.
도 2는 종래의 압조 방식으로 볼트를 제조하는 단계를 나타낸 모식도Figure 2 is a schematic diagram showing the step of manufacturing the bolt in a conventional pressure-tack method
도 3은 본 발명의 다이스 장치의 구조를 표현한 개략도3 is a schematic diagram showing the structure of the die apparatus of the present invention;
도 4는 종래의 압조 방식으로 볼트를 제조하는 다이스 장치의 구조를 표현한 개략도Figure 4 is a schematic diagram showing the structure of the die apparatus for manufacturing bolts in the conventional pressure vessel method
도 5는 종래방식 및 본 발명으로 볼트를 제조하는 경우, 부위별 변형량을 나타낸 모식도Figure 5 is a schematic diagram showing the deformation amount for each part, when manufacturing the bolt in the conventional method and the present invention
도 6은 볼트 제조시 본 발명 및 종래방식의 다이스 장치에 걸리는 부하의 양을 나타낸 그래프Figure 6 is a graph showing the amount of load on the die device of the present invention and the conventional method in the manufacture of bolts
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- 2007-12-24 KR KR1020070136660A patent/KR100931200B1/en active IP Right Grant
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