KR101328469B1 - 금속재료의 강도향상을 위한 신선 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신선 가공용 다이스에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 감면율은 동일하나 높은 변형률을 부여할 수 있는 신선 가공용 다이스 및 이를 이용한 신선 가공 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 선재(wire rod)가 통과하는 어프로치부와 베어링부를 구비하는 신선 가공용 다이스(dies)에 있어서, 상기 베어링부의 관통 구멍의 단면 형상이 타원형인 것을 특징으로 하는 금속재료의 강도향상을 위한 신선 가공용 다이스가 제공된다. 본 발명의 신선 가공용 다이스에 의하면, 종래의 원형 신선 가공용 다이스를 사용할 때와 비교할 때, 최종 선경이 동일하더라도, 누적된 변형률 값을 크게 증가시킬 수 있다. 따라서 종래의 원형 신선 가공용 다이스를 사용할 때에 비해서 가공경화에 의한 강도향상 효과가 크다. 또한, 소재 중심부와 표면부의 변형률 차이도 최소화할 수 있다.

Description

금속재료의 강도향상을 위한 신선 가공방법{DRAWING METHOD FOR INCREASING THE STRENGTH OF METAL}

본 발명은 신선 가공방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 감면율은 동일하나 높은 변형률을 부여할 수 있어 금속재료의 강도를 향상시킬 수 있는 신선 가공 방법에 관한 것이다.

신선 가공(Drawing)은 선재를, 각 부분(bell, approach, bearing, relief)의 각도(approach angle, die angle, relief angle)와 길이에 의해 정의되는 다이스(dies)에 통과시켜 원하는 치수로 감면시키는 것을 목적으로 한다. 신선 가공은 가공경화(strain hardening)를 통해서 최종 제품의 강도를 증가시킬 수 있다.

가공경화를 통한 강도 증가를 위해서는 변형량이 큰 것이 바람직하다. 동일한 감면율에 큰 변형량을 가하게 되면 Hall-Petch 관계식에 따라 결정립 미세화를 통해 특별한 합금 첨가 없이 금속재료의 강도를 향상시킬 수 있기 때문이다. 소재의 비강도를 개선할 경우 1차적으로 부품 경량화를 통한 운송수단의 경량화를 이루고, 2차적으로 체결부위의 소형화로 구조물 전체를 소형화 및 경량화할 수 있다.

그러나 필요한 선경이 제한되어 있어 변형을 부여하는데 한계가 있으므로, 기존 신선 공정과 동일한 감면율에서도 큰 변형량이 소재에 발생할 수 있는 신선 가공용 다이스가 요구된다.

또한, 원형의 베어링 부분을 가지는 다이스를 사용하는 기존 신선의 경우는 원하는 치수를 얻기 위해 여러 패스를 거침에 따라 소재 중심부와 표면부의 변형차이가 발생한다는 문제가 있었다.

KR 10-2011-0014340 A

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 감면율은 동일하나 높은 변형률을 부여할 수 있어 금속재료의 강도를 향상시킬 수 있는 신선 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의하면, 선재를 타원형 관통 구멍이 형성된 신선 가공용 다이스와 원형 관통 구멍이 형성된 신선 가공용 다이스에 번갈아가며 통과시키는 것을 특징으로 하는 금속재료의 강도향상을 위한 신선 가공방법이 제공된다.

삭제

삭제

또한, 상기 신선 가공용 다이스의 베어링부의 관통 구멍이 타원형인 것을 특징으로 하는 금속재료의 강도향상을 위한 신선 가공용 다이스를 이용한 신선 가공방법이 제공된다.

또한, 상기 신선 가공용 다이스의 어프로치부의 관통 구멍이 타원형인 것을 특징으로 하는 금속재료의 강도향상을 위한 신선 가공용 다이스를 이용한 신선 가공방법이 제공된다.

본 발명의 신선 가공 방법에 의하면, 종래의 신선 가공 방법과 비교할 때, 선재의 최종 선경이 동일하더라도, 선재의 누적된 변형률 값을 크게 증가시킬 수 있다. 따라서 종래의 신선 가공 방법에 비해서 가공경화에 의한 강도향상 효과가 크다. 또한, 소재 중심부와 표면부의 변형률 차이도 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 신선 가공용 다이스의 일실시예의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 신선 가공용 다이스의 평면도이다.
도 3은 10패스 신선 공정시 패스별 신선 가공용 다이스 베어링부의 관통구멍의 단면 형상을 나타낸 도면이다.
도 4와 5는 거리 및 패스에 따른 유효변형률을 나타낸다.
도 6은 패스에 따른 평균변형률을 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 상세히 설명한다.

다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

본 발명은 신선 가공시에 종래의 방법과 비교할 때 선경의 변화는 없지만, 높은 변형량을 부여하기 위해서 고안된 것으로, 여러 번의 신선을 거쳐 제조되는 경우에 한번 이상 높은 변형량을 부여하기 위한 것이다. 본 발명은 다이스의 베어링부의 관통구멍의 단면이 타원형이 되도록 형성하여, 높은 변형력을 부여하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 신선 가공용 다이스의 일실시예의 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 신선 가공용 다이스의 평면도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 신선 가공용 다이스(10)는 벨(bell, 1)부, 어프로치(approach, 2)부, 베어링(bearing, 3)부 및 릴리프(relief, 4)부를 포함한다. 선재가 진입하는 벨부(1)는 어프로치 각(approach angle)을 이루도록 경사지며, 어프로치부(2)는 다이각(die angle)을 이루도록 경사진다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 신선 가공용 다이스(10)는 베어링부(3)의 관통구멍(5)이 타원형을 이룬다. 타원형 관통구멍(5)의 면적은 종래의 다이스의 베어링부의 원형 관통구멍의 면적과 동일하다. 신선 전후의 감면율은 동일해야 하기 때문이다. 따라서 타원형의 장축의 길이는 종래의 원형의 지름에 비해서 길고, 단축의 길이는 지름에 비해서 짧다. 어프로치부(2)는 적어도 베어링부(3)와 연결되는 부분은 단면의 형상이 타원형을 이룬다.

다음으로, 본 발명에 따른 신선 가공용 다이스를 이용한 신선 가공방법에 대해서 설명한다.

본 발명에 따른 신선 가공용 다이스를 이용한 신선 가공방법은 본 발명에 따른 신선 가공용 다이스를 이용한 패스와 종래의 원형 관통구멍이 형성된 베어링부를 구비한 신선 가공용 다이스를 이용한 패스를 교대로 진행하는 방법으로 진행된다.

도 3은 10패스 신선 공정시 패스별 신선 가공용 다이스 베어링부 관통구멍의 단면 형상을 나타낸 도면이다. 홀수 번째 패스의 경우에는 관통구멍의 단면적이 점점 줄어드는 본 발명에 따른 신선 가공용 다이스를 사용하며, 짝수 번째 패스의 경우에는 관통구멍의 단면적이 점점 줄어드는 종래의 신선 가공용 다이스를 사용한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 상세히 설명한다.

[실시예]

초기 선경은 13㎜이며, 단면적이 132.73㎟인 0.1중량% 탄소 합금강을 10 패스 신선 공정을 이용하여 가공하였다. 1 패스 신선 공정은 상기 선경을 갖는 탄소 합금강을 본 발명의 타원형 다이스를 이용하여 진행하였다. 1 패스 신선 공정 후 선재의 단면은 장축 13.5㎜, 단축 10.02㎜이며, 단면적이 106.19㎟ (감면율 20%)인 타원형이 되었다. 2 패스 신선 공정은 1 패스 신선을 거친 소재를 종래의 원형 다이스를 이용하여 진행하였다. 2 패스 신선 공정 후 선재의 단면은 지름 10.40mm이며, 단면적이 84.95㎟(감면율 20%)인 원형이 되었다. 상기 방법을 반복하여, 10 패스까지 신선 공정을 진행하였다. 10패스를 거친 최종 선재의 단면은 지름이 4.26㎜이며, 단면적은 14.25㎟인 원형이다.

[비교예]

초기 선경은 13㎜인 0.1중량% 탄소 합금강을 종래의 10 패스 신선 공정을 이용하여 가공하였다. 1 패스 신선 공정은 상기 선경을 갖는 탄소 합금강을 종래의 원형 다이스를 이용하여 진행하였다. 1 패스 신선 공정 후 선재의 단면은 지름11.63㎜이며, 단면적이 106.19㎟ (감면율 20%)인 원형이 되었다. 2 패스 신선 공정은 1 패스 신선을 거친 소재를 종래의 원형 다이스를 이용하여 진행하였다. 2 패스 신선 공정 후 선재의 단면은 지름 10.40mm이며, 단면적이 84.95㎟(감면율 20%)인 원형이 되었다. 상기 방법을 반복하여, 10 패스까지 신선 공정을 진행하였다. 10패스를 거친 최종 선재의 단면은 실시예와 동일하게 지름이 4.26㎜이며, 단면적은 14.25㎟인 원형이다.

실시예와 비교예에서 각 패스 후 지름 또는 장단축의 길이 및 단면적은 아래의 표 1과 같다.

[표 1]

실시예와 비교예의 변형량을 FEM 해석 코드를 이용하여 분석한 결과를 각각 도 4와 도 5에 나타내었다. 가장 아래에 도시된 그래프는 1 패스 후를 나타내며, 가장 위에 도시된 그래프는 10 패스 후를 나타낸다. 도 4의 거리는 홀수 패스의 경우에는 장축 한쪽 끝점에서부터의 거리를 나타내고, 짝수 패스의 경우에는 선재의 단면 둘레 위의 한 점에서부터의 거리를 나타낸다. 도 5의 거리는 선재의 단면 둘레 위의 한 점에서부터의 거리를 나타낸다.

도 4와 5에 알 수 있듯이, 비교예에 비해 실시예의 신선이 그 중심부와 표층부에서 모두 높은 유효 변형률 분포를 보이며, 비교예의 경우에는 표면과 중심부의 유효 변형률 차이가 패스 수가 증가할수록 커지는 경향을 보인다. 실시예의 경우에는 표면과 중심부의 유효 변형률 차이가 비교예에 비해서 작다. 즉 실시예의 경우 좀 더 균일한 분포를 보인다. 이는 소재 중심부와 표층부에 균일한 변형량을 부여할 수 있다는 것을 의미한다.

도 6은 패스에 따른 평균변형률을 나타낸다. 비교예의 경우에는 10패스 후 2.61의 평균변형률을 보인 반면, 실시예의 경우에는 3.12의 평균변형률을 보여 약 20% 정도 변형률이 증가하였다. 실시예의 경우 8패스 후 평균변형률이 2.54이므로, 종래의 변형률을 얻기 위해서는 8패스만 진행하여도 된다는 것을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

1: 벨부 2: 어프로치부
3: 베어링 4: 릴리프부
5: 관통구멍 10: 신선 가공용 다이스

Claims (5)

1. 신선 가공용 다이스를 이용한 신선 가공방법에 있어서,
   선재를 타원형 관통 구멍이 형성된 신선 가공용 다이스와 원형 관통 구멍이 형성된 신선 가공용 다이스에 번갈아가며 통과시켜, 선재의 단면적이 단계적으로 줄어들도록 하는 것을 특징으로 하는 금속재료의 강도향상을 위한 신선 가공방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 타원형 관통 구멍이 형성된 신선 가공용 다이스의 베어링부의 관통 구멍이 타원형인 것을 특징으로 하는 금속재료의 강도향상을 위한 신선 가공방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 타원형 관통 구멍이 형성된 신선 가공용 다이스의 어프로치부의 관통 구멍이 타원형인 것을 특징으로 하는 금속재료의 강도향상을 위한 신선 가공방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 타원형 관통 구멍이 형성된 신선 가공용 다이스의 타원형 관통 구멍의 장축과 단축의 비는 1.1:1 내지 1.35:1인 것을 특징으로 하는 금속재료의 강도향상을 위한 신선 가공방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 타원형 관통 구멍이 형성된 신선 가공용 다이스들은 그 타원형 관통 구멍들의 장축이 서로 평행하도록 배치된 것을 특징으로 하는 금속재료의 강도향상을 위한 신선 가공용 다이스를 이용한 신선 가공방법.

Images