KR101509589B1

KR101509589B1 - 말단성형부를 갖는 봉상체 업셋 단조방법

Info

Publication number: KR101509589B1
Application number: KR20150014980A
Authority: KR
Inventors: 박영견
Original assignee: 박영견
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2015-04-07
Also published as: KR20150018862A

Abstract

본 발명은 말단성형부(Rod End)를 갖는 봉상체 업셋 단조방법에 관한 것으로, 단조비와 봉상체 소재의 직경을 고려하여 소재 말단부의 비가열 구간 및 가열구간의 길이를 정하는 설계단계와, 상기 봉상체 소재의 말단부로부터 적어도 봉상체 소재직경에 상당하는 길이의 구간을 상기 비가열 구간을 두고 상기 가열구간을 가열하는 단계와, 상기 봉상체 소재의 가열된 말단부를 축방향으로 따라 업셋타격하여 단조비를 적어도 1.7배까지 확대하는 1차 업셋 타격과, 1단계 업셋 타격이 실시된 상기 말단부의 단조비를 적어도 2.7배까지 확대하는 2차 업셋 타격과, 2단계 업셋 타격이 실시된 상기 말단부의 단조비를 적어도 3.4배까지 확대하는 3차 업셋 타격하여 업셋 예비성형부를 형성하는 단계와, 상기 업셋 예비성형부를 봉상체의 축방향의 가로방향으로 프레스로 가압하여 상기 말단 성형부를 형성하는 단계로 이루어진다.
이에 따라, 본 발명에 따른 단조 성형방법은 봉상체의 말단부로부터 적어도 봉상체 직경에 해당하는 길이의 비가열부를 두고 소정구간을 가열하여, 다단계에 걸친 업셋 타격을 실시하여 예비성형부의 단조비를 크게 할 수 있는 효과가 있다.

Description

말단성형부를 갖는 봉상체 업셋 단조방법{METHOD FOR UPSET FORGING OF ROD END}

본 발명은 말단성형부(Rod End)를 갖는 봉상체 업셋(Upset) 단조방법에 관한 것이다.

일반적으로 봉상체의 말단부를 봉상체와 일체로 하여 베어링 하우징, 연결고리 등 말단성형부를 단조에 의해 형성하는 경우가 많다.

단조 성형에 있어서, 피가공 봉상체 소재의 단면적에 비해 최종 말단성형부의 단면적이 비교적 큰 경우, 즉, 단조비가 큰 경우에는, 단조 성형하려고 하는 부위를 소정의 소성변형 온도로 가열하여 연성과 유동성을 크게 한 다음, 축방향으로 타격하는 업셋 단조작업을 시행하여 말단부의 직경과 단면적을 확대하는 예비성형을 한다.

이와 같이 말단부를 타격하여 예비성형을 할 때, 특히, 단조비가 큰 경우에는 말단부가 전체적으로 가열 연화되어 있는 경우, 말단부에 가해진 타격력이 말단부에 전체에 충분히 효과적으로 전달되기 어렵다. 그래서, 국부 과대변형이나 좌굴현상이 발생하여 원하는 예비성형 형상이 얻어지지 않는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 말단성형부를 갖는 봉상체 업셋 단조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 단조비와 봉상체 소재의 직경을 고려하여 소재 말단부의 비가열 구간 및 가열구간의 길이를 정하는 설계단계와, 봉상체 소재의 말단부로부터 적어도 봉상체 소재직경에 상당하는 길이의 구간을 상기 비가열 구간을 두고 상기 가열구간을 가열하는 단계와, 상기 봉상체 소재의 가열된 말단부를 축방향으로 따라 업셋타격하여 단조비를 적어도 1.7배까지 확대하는 1차 업셋 타격과, 1단계 업셋 타격이 실시된 상기 말단부의 단조비를 적어도 2.7배까지 확대하는 2차 업셋 타격과, 2단계 업셋 타격이 실시된 상기 말단부의 단조비를 적어도 3.4배까지 확대하는 3차 업셋 타격하여 업셋 예비성형부를 형성하는 단계와, 업셋 예비성형부를 축방향의 가로방향으로 프레스로 가압하여 말단 성형부를 형성하는 단계로 이루어진다.

상기 부분 가열단계는 업셋 타격시에 말단부의 과대한 퍼짐을 방지하기 위하여 단조비를 갖는 예비성형부를 형성시켜 말단 성형부를 단조성형하기 위하여 비가열구간을 벗어난 소정의 가열구간을 나선형 유도가열 코일내에 삽입하여 950 ~ 1000℃로 고주파 유도가열하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 말단성형부를 갖는 봉상체 업셋 단조방법은 봉상체의 최말단부로부터 적어도 봉상체 직경에 해당하는 비가열부를 두고 소정의 가열구간을 소정의 온도로 가열하고, 소성파괴와 말단부 퍼짐이 일어나지 않도록 다단계에 걸친 업셋 타격을 실시함으로써 최말단부가 과대하게 확대되지 않고, 좌굴현상이 발생하지 않으면서 예비성형부의 단조비를 크게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 봉상체 업셋 단조방법의 공정순서를 나타낸 공정 흐름도.
도 2는 도 1의 공정 흐름도를 시각적으로 나타낸 공정 흐름도.
도 3은 피가공 소재의 비가열구간을 나타낸 개념도.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 말단성형부를 갖는 봉상체 업셋 단조방법을 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법으로 제조될 단조성형 완성품의 예는 양쪽 말단부에 베어링 하우징을 가지는 자동차의 사용되는 커넥팅 로드이다. 커넥팅 로드는 봉상체 소재의 양 단부에 업셋 단조가 시행되어 소재 단면적의 3배 이상의 단면적을 갖는 큰 단조비의 성형부를 갖는다.

이러한 큰 단조비의 제품을 성형하는 과정을 도 1 및 도 2에 도시된 공정순서에 따라 설명한다.

단조설계 단계(S10)에서는 미리 정해진 커넥팅 로드 완성품의 규격과 소정의 피가공 봉상체 소재(10)의 직경(D)을 고려하여 적절한 예비성형부(Preform Section)를 설계한다. 적절한 예비성형부의 설계는 피가공 봉상체 소재(10)의 직경(D)과 완성품의 단면적, 체적 등을 고려하여 단조비(R)를 산출하고, 피가공 봉상체 소재(10) 말단부의 비가열 구간(lo) 및 가열구간(l ₁ )의 길이, 가열온도, 업셋 타격력, 덧살(Flash) 단면적 계산 등 가공작업 변수를 산정하는 작업을 한다, 이와 같은 가공작업 변수를 산정하기 위해서는 3차원 CAD 모형으로부터 계산하거나 미리 만들어 놓은 경험식이나 실험식을 이용한다.

일반적으로 단조비(Forging Ratio, R)는 단조전의 단면적을 단조 종료후의 단면적으로 나눈 값으로 규정하고 있다. 따라서, 단조비(R)는 고정 그립(Grip)으로부터 연장되어 가열된 말단부(자유단)의 단면적을 Ao, 업셋팅 단조후의 단면적을 A1이라 하면, 단조비 R = A1/Ao로 나타낸 것이다. 그러나, 단조비(R)는 아래 식 (2)와 같이 말단부 자유단의 길이(l ₂ ) {비가열구간(lo) + 가열구간(l ₁ )}를 업셋 타격 후의 축소된 길이(l ₃ )로 나눈 값, 또는, 업셋 타격 후의 직경(D₁)을 봉상체 소재(10)의 직경(D)으로 나눈 값으로 등가적으로 나타낼 수 있다.

R = A1/Ao = l ₂ / l ₃ = D₁ /Dㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(1)

소재준비 단계(S20)에서는 커넥팅 로드 완성품에 따라 미리 소정의 길이로 절단된 피가공 봉상체 소재(10)를 작업물량만큼 사전에 준비하여 업셋 장비의 전단에 설치된 장입장치에 적재해 놓는다. 장입장치에 적재된 피가공 봉상체 소재(10)는 자동 또는 수동으로 1개씩 순차적으로 가열장치로 이동된다.

가열장치로 이동되어온 피가공 봉상체 소재(10)의 말단부는 가열장치의 가열부분에 삽입되어 소정의 가열구간이 가열된다(S30). 가열단계(S30)에서 가열구간을 신속히 그리고 정확한 온도로 가열하기 위하여 고주파 유도가열방식이 바람직하며, 고주파 유도가열장치를 이용하는 경우, 봉상체 소재(10)의 말단부 가열구간이 나선형 유도 가열코일(20) 내에 삽입된다.

도 3은 피가공 소재의 비가열 및 가열구간을 도식적으로 나타낸 것이며, 도시된 바와 같이, 봉상체 소재(10)의 말단부는 최말단부로부터 비가열 구간(lo)을 지나서 가열구간(l ₁ )이 유도 가열코일(20) 내에 삽입되어 나선형 유도 가열코일(20) 내에 위치하는 가열구간(l ₁ )을 가열시킨다. 물론 이때, 나선형 유도 가열코일(20) 내에 삽입되지 않은 비가열 구간(lo)도 가열구간(l ₁ )의 영향을 받아 온도가 상승되지만 상대적으로 가열구간(l ₁ )의 온도보다 저온상태를 유지한다.

가열단계(S30)는 업셋 타격시에 말단부의 과대한 퍼짐을 방지하기 위하여 봉상체의 첨단부로부터 적어도 봉상체 소재직경(D)에 상당하는 길이를 비가열구간(lo)으로 하여 저온 영역으로 하고, 큰 단조비를 갖는 예비성형부를 형성시켜 말단 성형부를 단조성형하기 위하여 소정의 가열구간(l ₁ )을 나선형 유도 가열코일(20)내에 삽입하여 950 ~ 1000℃로 가열하여 변형저항을 적게 하는 것이 바람직하다.

비가열구간(lo)은 봉상체 소재의 직경(D)과 단조비(R)에 비례하므로, 다음과 같은 경험적으로 얻어진 수식(2)에 의해 산출할 수 있다.

lo = k × R/3 × D ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ(2)

여기서 k는 소재의 종류, 가열온도, 타격속도와 가압력, 작업환경 등에 따라 경험적으로 얻은 상수로서,일반적으로 0.8 ~ 1.7의 범위 내에 있으며, 통상의 경우에는 바람직하게는 1.3 ~ 1.5의 값을 취한다.

식(2)를 이용하여 비가열구간 산출의 예를 들어 설명하면, 봉상체 소재(10)의 직경(D)이 20mm, 산출된 단조비가 3.0, 그리고, 상수(k) 값이 1.5인 경우, 비가열구간 lo = 1.5 × 3/3 × 20mm = 30mm가 된다.

가열된 말단부는 차가운 금형과 접촉할 때 온도차이로 인하여 열을 빼앗긴다. 이때의 열손실의 크기는 말단부와 금형 사이의 온도차 뿐 아니라, 말단성형부 형상과 말단부 체적에 대한 접촉면적의 비율, 또, 금형의 냉각면적과의 접촉시간 및 열전달방식에 의해 끊임없이 열을 빼앗긴다.

속도가 느린 프레스 단조에서의 가열된 말단부와 금형사이의 접촉면적 및 접촉시간이 크므로 상당히 큰 열량이 운반되어 사라진다. 그 때문에 말단부의 온도는 예비성형부 형성 업셋단계(S40)에서 피어싱 단계(S70)의 변형에 이르기까지 필요한 값 이상으로 유지하기 위하여 950 ~ 1000℃가 바람직하다.

가열단계(S30)에서 말단부가 가열된 봉상체 소재(20)는 예비성형 단계(S40)로 이동된다. 예비성형 단계(S40)는 기본적으로 긴 봉상체 소재(10)의 가열된 말단부를 축방향으로 압축하여 단면적을 크게 하고 길이를 짧게 하는 업셋 타격이다. 이와 같은 업셋 타격에 의한 예비성형 단계(S40)는 상하 또는 좌우로 개폐되는 그립다이(Grip Die)와 전후로 운동하는 펀치(Heading Punch)로 구성되는 업셋 장비에 의하여 이루어진다.

업셋 타격중에 가열된 말단부의 과대한 단조성형에 의한 취성파괴와 크랙을 방지하기 위하여 복수 단계에 걸쳐 업셋 타격한다. 즉, 가열된 말단부의 단조비(Forging Ratio)를 적어도 1.7배까지 확대하는 1차 업셋 타격과, 1차 업셋 타격이 실시된 상기 말단부의 단조비를 적어도 2.7배까지 확대하는 2차 업셋 타격과, 2차 업셋 타격이 실시된 상기 말단부의 단조비를 적어도 3.4배까지 확대하는 3차 업셋 타격으로 예비성형부를 형성하게 된다(S40).

예비성형부가 형성된 말단성형부의 단조성형(S50)은 예비성형부를 프레스로 가압하여 말단 성형부를 형성하는 프레스 단조공정으로, 프레스에 마련된 상부 금형과 하부 금형사이에 아직 고온을 유지하고 있는 예비성형부를 위치시킨 뒤 봉상체 소재(10)의 축방향 가로방향으로 가압한다. 즉, 금형의 상하 또는 좌우방향으로 가압하여 베어링 하우징 등 말단 성형부의 외부를 단조성형시킨다. 이때, 금형틀내부로 금속유동이 일어나 살채우기를 하게 되며, 살채우기를 하고 남는 여분의 덧살이 금형 접합부를 통하여 외부로 밀려나온다.

트리밍 단계(S60)는 상기 말단성형부 단조성형(S50) 단계에서 외부로 밀려나온 덧살을 제거하는 공정이다. 덧살이 제거된 말단성형부는 완성품의 외부윤곽을 갖게 된다.

상기 트리밍 단계(S60)에서 덧살이 제거된 말단 성형부는 중심부에 프레스 성형으로 관통공을 형성시키는 피어싱 단계(S70)를 거치며, 상기 피어싱 단계에서 (S70) 비로서 완성된 말단성형부의 형상을 갖추게 된다. 말단성형부에 베어링이 장착되는 경우에 형성된 관통공은 베어링의 외륜이 장착되는 베어링 하우징이 된다.

이와 같이, 한쪽에 말단성형부를 갖는 봉상체 제조방법은 피어싱 단계(S70)로 종료되지만, 실시예에서와 같이 양쪽 말단부에 베어링 하우징을 커넥팅 로드는 한쪽의 피어싱 단계(S70)까지 끝나면, 다른 쪽의 베어링 하우징을 성형시키기 위하여 가열구간 가열단계(S30)로 되돌려 보내어 진다(S80).

한 쪽의 베어링 하우징이 완성되어 반제품 상태로 가열단계(S30)로 되돌려진 커넥팅 로드는 다른 쪽의 말단부에 말단성형부, 즉, 베어링 하우징을 단조성형시키기 위하여 상술한 가열구간 가열단계(S30) 내지 피어싱 단계(S70)의 공정을 다시 거쳐서 양단에 말단성형부, 즉, 베어링 하우징을 단조성형시킨 커넥팅 로드의 단조 완성품이 제조된다.

이상과 같은 구성에 의하여, 말단부의 단조비가 큰 봉상체의 업셋 단조방법

10 : 봉상체 소재 20 : 유도 가열코일
D : 봉상체 직경 l ₁ : 가열구간
lo : 비가열구간

Claims

말단성형부를 갖는 봉상체 업셋 단조방법에 있어서,
단조비와 봉상체 소재의 직경을 고려하여 소재 말단부의 비가열 구간 및 가열구간의 길이를 정하는 설계단계와,
상기 봉상체 소재의 말단부로부터 적어도 봉상체 소재직경에 상당하는 길이의 구간을 상기 비가열 구간을 두고 상기 가열구간을 유도 가열 코일내에서 가열하는 단계와,
상기 봉상체 소재의 가열된 말단부를 축방향으로 따라 업셋타격하여 단조비를 적어도 1.7배까지 확대하는 1차 업셋 타격과, 1단계 업셋 타격이 실시된 상기 말단부의 단조비를 적어도 2.7배까지 확대하는 2차 업셋 타격과, 2단계 업셋 타격이 실시된 상기 말단부의 단조비를 적어도 3.4배까지 확대하는 3차 업셋 타격하여 업셋 예비성형부를 형성하는 단계와,
상기 업셋 예비성형부를 봉상체의 축방향의 가로방향으로 프레스로 가압하여 상기 말단 성형부를 형성하는 단계를 포함하는 말단성형부를 갖는 봉상체 업셋 단조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 가열하는 단계는 상기 비가열 구간을 벗어나서 소정의 가열구간을 나선형 유도가열 코일내에 삽입하여 950 ~ 1000℃로 고주파 유도가열하는 것을 특징으로 하는 말단성형부를 갖는 봉상체 업셋 단조방법.