KR101196642B1 - 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 링 압연공정에서 블록 형상의 소재 중량에 대하여 피어싱 공정에 의해 소재로부터 분리되는 피어싱 손실(PL: Piercing Loss)을 설계하는 방법에 있어서, 블록 형상 소재의 파괴 변형량(FS: Fracture Strain)을 다음의 수학식에 대입하여 피어싱 손실(PL)을 결정하여 설계되는 것을 특징으로 하고, 수학식은,

이며,
상기 수학식에서, PL은 소재 중량에 대하여 피어싱되어 소재로부터 분리된 조각의 중량을 중량비로 나타낸 피어싱 손실, FS는 블록 형상 소재의 파괴 변형량임을 특징으로 한다.

Description

링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법{Method for designing piercing loss in ring rolling process}

본 발명은 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법에 관한 것으로, 다양한 소재에 대하여 파괴변형량을 입력시에 피어싱 손실을 획득할 수 있도록 함으로써, 시행착오를 거치지 않도록 하여 생산성 및 품질이 향상되도록 한 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 링 압연공정은 이음매 없는 링 모양의 제품을 연속적으로 가공하여 원하는 치수의 제품, 즉 링 압연품을 제조하는 공정이다. 이 링 압연공정은, 발전설비, 화학 플랜트, 가스터빈 및 제트엔진용 링부품 등 다양한 분야의 링부품 제조에 적용되고 있다. 이러한 링 압연공정은, 압연과는 다른 제조공정인 링 단조(Ring Forging) 공정에 비해, 작업속도가 빠르고, 온도유지가 가능하며, 수율향상 등을 꾀할 수 있다.

특히, 링 압연공정으로 제조된 링 압연품은 그레인 플로우 라인(Grain Flow Line)이 원주방향으로 끊기지 않고 연속적으로 형성되기 때문에, 우수한 특성을 발현할 수 있는 장점이 있다.

도 1 및 도 2에는 링 압연공정이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 링 압연공정을 통하여 링 압연품을 만드는 과정을 살펴보면, 우선 빌렛 원소재를 적당한 크기로 가스 절단하거나 기계톱으로 절단하여 예컨대, 원기둥 구조의 초기 빌렛(1)을 준비한다(S1).

다음에, 가열로(2)를 이용하여 초기 빌렛(1)을 목표온도로 가열한다(S2).

다음에, 상기 가열된 초기 빌렛(1)을 단조프레스(3)로 이송한다(S3).

상기 단조프레스(3)의 금형은 미리 예열되며, 이 예열된 금형에 의하여 상기 가열된 초기 빌렛(1)에 대하여 업세팅 단조를 수행함으로써 초기 빌렛(1)을 축방향으로 압축한다(S4).

다음에, 초기 빌렛(1)을 업셋팅 단조하여 압축시킨 중간재(1a)를 펀치(4)가 구비된 프레스를 이용하여 구멍을 뚫는 피어싱(Piercing) 공정을 거치게 함으로써, 중공을 가지는 블랭크(Blank, 9)를 만든다(S5).

다음에, 상기 블랭크(9)의 외주를 가압하도록 회전하는 압연롤(5), 상기 블랭크(9)의 내주면을 가압하도록 회전하는 구동롤(6), 상기 블랭크(9)의 상면을 가압하는 상부 축롤(7), 상기 블랭크(9)의 하부를 가압하는 하부 축룰(8) 및 상기 블랭크(9)의 외주를 회전지지하는 다수의 가이드롤(10)이 구비된 링 압연기에 의하여, 상기 블랭크(9)를 링 압연한다(S6). 이 링 압연에 의하여 소정 형상의 링 압연품(11)을 제조할 수 있다(S7).

상기한 바와 같이 수행되는 링 압연공정에서, 링 압연품(11)의 형상으로부터 블랭크(9)와 초기 빌렛(1)의 크기를 결정하는 것은, 링 압연품(11)의 품질을 결정하는데 있어 상당히 중요한 일이다.

그리고, 상기한 링 압연공정은 2가지 종류로 구분될 수 있는데, 크게 형상이 없는 선형 링을 압연하는 선형 링압연공정과, 형상을 가지는 형상 링을 압연하는 형상 링 압연공정으로 구분할 수 있다.

두가지 링 압연공정의 차이를 살펴보면, 선형 링 압연공정은, 초기 빌렛으로부터 블랭크를 제조하고, 상기 블랭크를 바로 압연하여 최종적으로 링 압연품을 제조하도록 이루어진다. 이에 반하여, 형상 링 압연공정의 경우, 초기 빌렛으로부터 1차 블랭크를 제조한 후, 원하는 형상에 가깝게 2차 블랭크를 제조하고, 이러한 2차 블랭크를 통해 최종적으로 링 압연품을 제조하는 것에 선형 링 압연공정과는 차이가 있다.

이러한 링 압연공정에 의하여 제조되는 링 압연품과 링 압연공정이 전술한 바와 같은 여러 가지 장점을 가지고 있음에도 불구하고, 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 링 압연공정에서는 대표적으로 피쉬 테일링(Fishtailing, 물고기 꼬리 형상의 결함)이나 접힘현상 등의 성형 결함이 나타나는데, 이러한 성형 결함을 억제하기 위하여, 블랭크의 크기를 크게 하거나, 소재의 여유를 과다하게 두어 초기 빌렛 형상을 설계함으로써, 대형의 링 압연품을 제조할 경우 불량률이 높아지고, 소재의 중량이 증가하여 생산단가가 상승되는 문제점이 지적되어 왔다.

이에 따라 대한민국 등록 특허 제0769253호에는 링 압연공정에 의하여 제조되는 형상 링 압연품으로부터 선형링 형상으로 변환설계하고, 이 변환된 선형 링 형상으로부터 차례로 1차 블랭크 및 2차 블랭크의 형상을 설계한 후, 이 블랭크의 형상으로부터 초기 빌렛의 크기를 결정하도록 한 "링 압연공정의 형상 설계 방법"이 게시되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 기술은 탄소강 및 스테인리스강의 형상 설계시 비교적 정확하나, 니켈기 초내열합금과 같은 난성형성 소재에는 형상 결함을 일으키게 된다.

즉, 도 3은 등록 특허 제0769253호의 실시예를 토대로 니켈기 초내열합금(Alloy 718) 소재에 대하여 피어싱 손실량을 적용한 경우 실물 사진으로 상측의 우측부에 빈 공간의 형상이 제대로 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 보다 구체적으로는 다양한 소재에 대응하는 파괴변형량을 입력시에 피어싱 손실을 획득할 수 있도록 함으로써, 시행착오를 거치지 않도록 하여 생산성 및 품질이 향상되도록 한 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 간결한 수학식을 통해 소재의 파괴변형량 입력시에 피어싱 손실을 보다 간단히 획득 할 수 있도록 한 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명은 링 압연공정에서 블록 형상의 소재 중량에 대하여 피어싱 공정에 의해 소재로부터 분리되는 피어싱 손실(PL: Piercing Loss)을 설계하는 방법에 있어서, 블록 형상 소재의 파괴 변형량(FS: Fracture Strain)을 다음의 수학식에 대입하여 피어싱 손실(PL)을 결정하여 설계되는 것을 특징으로 하고,

수학식은,

이며,

상기 수학식에서,

PL은 소재 중량에 대하여 피어싱되어 소재로부터 분리된 조각의 중량을 중량비로 나타낸 피어싱 손실, FS는 블록 형상 소재의 파괴 변형량임을 특징으로 한다.

상기 소재로부터 피어싱되어 소재로부터 분리된 조각의 중량은, PL값에 소재 중량을 곱한 값과 동일함을 특징으로 한다.

상기 소재는, 저합금강, 타이타늄 합금, 니켈기 초내열합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 타이타늄 합금은 Ti-6Al-4V인 것을 특징으로 한다.

상기 니켈기 초내열합금은 Alloy 718 또는 Alloy 783 인 것을 특징으로 한다.

상기 파괴 변형량은 소재의 성형온도에서 고온인장시험을 통해 얻어진 것임을 특징으로 한다.

본 발명은 다양한 소재 각각에 대응하는 파괴변형량을 수학식에 입력시에 피어싱 손실을 획득할 수 있도록 함으로써, 시행착오를 거치지 않도록 한 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법에 관한 것이다.

이에 따라 링 압연품의 생산성 및 품질이 향상되는 이점이 있다.

또한 간결한 수학식을 통해 소재의 파괴변형량 입력시에 피어싱 손실을 보다 간단히 획득할 수 있도록 한 이점이 있다.

도 1 은 일반적인 링 압연공정을 나타낸 개요도.
도 2 는 일반적인 링 압연공정을 나타낸 공정 순서도.
도 3 은 니켈기 초내열합금(Alloy 718) 소재를 종래 기술을 이용하여 피어싱 손실량을 적용한 경우 제조된 링의 단면 사진.
도 4 는 본 발명에 의한 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법에 따라 얻어진 다양한 소재에 대한 피어싱 손실 결과를 나타낸 실험 데이터.
도 5 는 저합금강으로 이루어진 소재에 대한 고온인장 시험시 변형-응력곡선을 나타낸 실험 결과.
도 6 은 타이타늄합금으로 이루어진 소재에 대한 고온인장 시험시 변형-응력곡선을 나타낸 실험 결과.
도 7 은 초내열합금(Alloy 718)으로 이루어진 소재에 대한 고온인장 시험시 변형-응력 곡선을 나타낸 실험 결과.
도 8 은 초내열합금(Alloy 783)으로 이루어진 소재에 대한 고온인장 시험시 변형-응력 곡선을 나타낸 실험 결과.
도 9 는 본 발명에 의한 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법을 위한 수학식에서 파괴변형량과 피어싱 손실 관계에 채택된 수학식에서 파괴변형량과 피어싱 손실의 관계를 확인하기 위한 그래프.
도 10 은 탄소강을 소재로 채택하여 본 발명에 따라 설계하고 제조된 형상링의 실물 및 단면 사진.
도 11 은 스테인리스강을 소재로 채택하여 본 발명에 따라 설계하고 제조된 형상링의 실물 및 단면 사진.
도 12 는 초내열합금을 소재로 채택하여 본 발명에 따라 설계하고 제조된 형상링의 실물 및 단면 사진.

이하 첨부된 도면을 토대로 본 발명에 의한 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법을 설명한다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 의한 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법은, 소재를 가공하여 링 압연을 실시할 때 소재가 모자라거나 남아서 발생하게 되는 형상 불량을 차단하기 위해 제시된 것으로, 소재의 중량과, 피어싱되어 소재로부터 떨어져나간 부분의 중량을 중량비인 피어싱 손실(PL)로 획득하기 위한 것이다.

도 4는 본 발명에 의한 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법에 따라 얻어진 다양한 소재에 대한 피어싱 손실 결과를 나타낸 실험 데이터로서, 소재의 중량, 소재의 종류, 블랭크 크기 및 파괴변형량(FS)을 알고 있을 때 아래의 수학식

에 소재별 파괴변형량을 입력함으로써 피어싱 손실을 알 수 있다.

상기 피어싱 손실(PL)을 구하게 되면, 결국 상기 소재로부터 피어싱되어 소재로부터 분리해야 할 조각의 중량을 구할 수 있다.

즉, 피어싱 되어 소재로부터 분리되는 조각의 중량은, PL값에 소재 중량을 곱한 값과 동일하다.

상기 수학식을 이용하여 각 소재별 피어싱 손실을 구하기 위해서는 우선 소재별 파괴변형량을 구해야 한다.

첨부된 도 5 내지 도 8은 소재별 파괴변형량을 측정한 것이다.

즉, 도 5 는 저합금강으로 이루어진 소재에 대한 고온인장 시험시 변형-응력곡선을 나타낸 실험 결과이고, 도 6은 타이타늄합금으로 이루어진 소재에 대한 고온인장 시험시 변형-응력곡선을 나타낸 실험 결과이며, 도 7은 초내열합금(Alloy 718)으로 이루어진 소재에 대한 고온인장 시험시 변형-응력 곡선을 나타낸 실험 결과이고, 도 8은 초내열합금(Alloy 783)으로 이루어진 소재에 대한 고온인장 시험시 변형-응력 곡선을 나타낸 실험 결과이다.

이때 소재별 파괴변형량은 소재의 성형온도에서 고온인장시험을 통해 얻어진 결과이다.

도 5 내지 도 8에서 얻어진 소재별 파괴변형량(FS)을 상기 수학식에 대입하게 되면, 각 소재별 피어싱 손실을 얻을 수 있으며, 피어싱 손실이 구해짐에 따라 소재 중량에 대하여 얼만큼의 중량을 가지는 부분을 피어싱해야 하는지를 알 수 있다.

도 9는 본 발명에 의한 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법을 위한 수학식에서 파괴변형량과 피어싱 손실 관계에 채택된 수학식에서 파괴변형량과 피어싱 손실의 관계를 확인하기 위한 그래프로서, 각 소재별로 파괴변형량과 피어싱 손실(PL)의 관계를 살펴보면, 저합금강, 타이타늄합금(Ti-6Al-4V), 초내열합금(Alloy 718, Alloy 783) 순으로 피어싱 손실(PL)은 커지고 파괴변형량(FS)는 작아지는 경향을 보이고 있다.

일반적으로 저합금강, 타이타늄합금, 초내열합금 순으로 성형성이 좋지 않은 것으로 알려져 있으며, 본 그래프는 성형성이 좋지 않은 소재일수록 피어싱 손실은 커지고, 파괴변형량(FS)는 작아지는 경향을 잘 표현하고 있다.

또한, 그래프의 형상을 살펴보면, 소재별 파괴변형량(FS)와 피어싱 손실(PL)이 선형적인 관계가 아닌 일종의 S자 형태의 곡선을 나타내고 있음을 관찰할 수 있다.

이에 따라 본 발명에 의한 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법에는 위의 수학식이 채택되었다.

이하 첨부된 도 10 내지 도 12를 토대로 상기의 수학식에서 얻어진 소재별 피어싱 손실을 이용하여 피어싱하고 형상링(100)으로 압연된 실험물의 상태를 살펴본다.

도 10은 탄소강을 소재로 채택하여 본 발명에 따라 설계하고 제조된 형상링(100)의 실물 및 단면 사진이고, 도 11은 스테인리스강을 소재로 채택하여 본 발명에 따라 설계하고 제조된 형상링(100)의 실물 및 단면 사진이며, 도 12 는 초내열합금을 소재로 채택하여 본 발명에 따라 설계하고 제조된 형상링(100)의 실물 및 단면 사진이다.

이와 같이 본 발명에 따르면 탄소강과 스테인리스강 뿐만 아니라 난성형성인 니켈기 초내열합금도 형상 결함이 전혀 발생하지 않았다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

예를 들어 본 발명의 실시예에서는 저합금강, 타이타늄합금, 니켈기 초내열합금을 소재로하여 형상링(100)을 성형시에 피어싱 손실을 설계하는 방법을 제시하였으나, 소재의 성형온도에서의 파괴변형량을 알 수 있는 범위 내라면 보다 다양한 소재에 대하여 적용 가능함은 물론이다.

100. 형상링

Claims (6)

1. 링 압연공정에서 블록 형상의 소재 중량에 대하여 피어싱 공정에 의해 소재로부터 분리되는 피어싱 손실(PL: Piercing Loss)을 설계하는 방법에 있어서,
   블록 형상 소재의 파괴 변형량(FS: Fracture Strain)을 다음의 수학식에 대입하여 피어싱 손실(PL)을 결정하여 설계되는 것을 특징으로 하고,
   수학식은,
   

   

   이며,
   상기 수학식에서,
   PL은 소재 중량에 대하여 피어싱되어 소재로부터 분리된 조각의 중량을 중량비로 나타낸 피어싱 손실, FS는 블록 형상 소재의 파괴 변형량임을 특징으로 하는 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 소재로부터 피어싱되어 소재로부터 분리된 조각의 중량은,
   PL값에 소재 중량을 곱한 값과 동일함을 특징으로 하는 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 소재는,
   저합금강, 타이타늄 합금, 니켈기 초내열합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 타이타늄 합금은 Ti-6Al-4V인 것을 특징으로 하는 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 니켈기 초내열합금은 Alloy 718 또는 Alloy 783 인 것을 특징으로 하는 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 파괴 변형량은 소재의 성형온도에서 고온인장시험을 통해 얻어진 것임을 특징으로 하는 링 압연공정의 피어싱 손실 설계 방법.
   
   
   

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