KR102547914B1 - 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉간단조 공정에서 인산염 피막을 정량적으로 예측하고 이를 통해 공정별 마찰계수를 정량적으로 예측하여 유한요소해석 시뮬레이션에 적용하는 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 인산염 피막 처리된 선재 시험편의 단면적 변화량 별 마찰계수를 측정하는 마찰계수 측정단계; 다단 냉간 단조 공정에서 각 공정별 단조품의 단면적 변화량을 산출하는 공정별 단조품 변화량 산출단계; 상기 공정별 단조품 변화량 산출단계에서 산출된 공정별 단조품의 단면적 변화량을 상기 마찰계수 측정단계에서 측정된 단면적 변화량 별 마찰계수를 통해 각 공정의 마찰계수를 정의하는 공정별 마찰계수 정의단계;를 포함하는 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법이 제공된다.

Description

공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법{Method for Estimating phosphate coat friction coefficient by process}

본 발명은 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 냉간단조 공정에서 인산염 피막을 정량적으로 예측하고 이를 통해 공정별 마찰계수를 정량적으로 예측하여 유한요소해석 시뮬레이션에 적용하는 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법에 관한 것이다.

냉간 단조는 강체공구를 이용하여 재료를 압축 변형시키고 원하는 형상으로 성형하는 가공법이다.

이러한 냉간단조에 사용되는 냉간단조용 소재인 선재(Wire rod)는 반제품 상태로 철강회사로부터 출하되며, 냉간단조 공정에서의 가공성 및 윤활성을 확보하기 위하여 중간가공을 거치게 된다. 최종 수요처에서의 가공성 확보를 위하여 구상화 및 연질화 열처리 (Spheroidizing or Low annealing)를 하며, 윤활성 확보를 위하여 소재표면에 인산염 피막(phosphate coating)처리를 한다.

인산염 피막 처리는 탈지-산세-화성-중화-윤활-건조 공정을 거쳐 생성된다. 중화공정에서 PH 상승으로 인해 화학평형 상태가 되어 피막 성분이 침전·석출되는데 인산아연(Hopeite)과 인산아연철(Phosphophyllite) 2가지 성분이 생성되어 화성 피막이 형성된다.

윤활공정에서는 앞서 생성된 화성 피막이 용해되어 반응비누층(스테아린산아연)을 형성하며, 반응하지 못한 성분은 미반응 비누(스테아린산나트륨)로 적층되어진다.

한편, 중화 및 윤활공정에서 형성된 3개의 층은 냉간단조 공정에서 피막의 밀착성, 소착성, 윤활성에 관여하며, 이는 성형하중의 증감, 금형수명의 증감의 형태로 나타난다. 특히 냉간단조 공정이 진행될수록 인산염 피막이 손상되어 본연의 성능이 저하됨에 따라 악영향을 미칠 수 있으며, 과도한 손상이 발생할 경우 피막이 완전히 소멸되어 소재가 금형표면에 소착되어 불량발생 및 금형손상이 발생할 수 있는데, 기존의 다단 냉간 단조공정 설계를 검증하는 과정에서 수행되는 유한요소해석을 통한 시뮬레이션에서는 각 공정별로 동일한 마찰계수가 적용되어 실 결과물과의 오차율이 증대될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 냉간 단조 금형의 정확한 수명 예측을 위한 공정별 인산염 피막 손상량의 정량적 예측이 가능한 인산염 피막 정량 평가를 통한 공정별 마찰계수 산출방법을 제공하는 것이 과제이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 인산염 피막 처리된 선재 시험편의 단면적 변화량 별 마찰계수를 측정하는 마찰계수 측정단계; 다단 냉간 단조 공정에서 각 공정별 단조품의 단면적 변화량을 산출하는 공정별 단조품 변화량 산출단계; 상기 공정별 단조품 변화량 산출단계에서 산출된 공정별 단조품의 단면적 변화량을 상기 마찰계수 측정단계에서 측정된 단면적 변화량 별 마찰계수를 통해 각 공정의 마찰계수를 정의하는 공정별 마찰계수 정의단계;를 포함하는 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법이 제공된다.,

상기 마찰계수 측정단계에서는, 초기 생산 후 단면적의 변화가 없는 인산염 피막 처리된 선재 시험편의 표면을 일정한 힘으로 당기면서 마찰계수를 측정하는 제1측정단계; 인산염 피막 처리된 선재 시험편의 단면적이 증가되도록 변형시키면서 변형된 선재 시험편의 마찰계수를 변형량 별로 측정하는 제2측정단계; 상기 제1측정단계와 상기 제2측정단계에서 측정된 단면적 변화량 별 마찰계수의 관계를 정의하는 단면적 변화량 별 마찰계수 정의단계;를 포함할 수 있다.

상기 제2측정단계에서는, 전방압출을 통해 압출된 선재 시험편을 절단하여 마찰계수를 측정할 수 있다.

상기 단면적 변화량 별 마찰계수 정의단계에서는, 표면마찰계수와 상기 시험편의 체적 대비 단면적 증가량의 관계를 정의할 수 있다.

상기 공정별 마찰계수 정의단계에서 정의된 각 공정의 마찰계수를 시뮬레이션의 각 공정에 적용하는 적용단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법에 따르면 다단 냉간단조 공정의 특성상 발생되는 공정 간 인산염 피막 손상에 따른 마찰계수의 변화를 정량적으로 산출함으로써 유한요소해석 시뮬레이션 결과의 정확도를 향상시켜 공정설계 검증 정확도를 높이며, 이를 설계에 반영함으로써 금형의 정확한 수명 예측 등의 최적의 공정설계를 가능한 효과가 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법의 단계별 흐름을 도시한 순서도;
도 2는 도 1의 마찰계수 측정단계의 세부단계를 도시한 순서도;
도 3은 선재의 마찰계수가 측정되는 모습을 도시한 도면;
도 4는 선재의 마찰계수를 측정하기 위한 상부지그 및 하부지그를 도시한 도면;
도 5는 마찰계수 측정시 작용된 수직력 및 측정된 마찰력를 통해 산출된 마찰계수를 도시한 그래프;
도 6은 전방압출 금형에 의해 선재 시험편이 전방압출되는 모습을 도시한 도면;
도 7의 (a)는 변형되기 전의 선재 시험편의 단면을 도시한 도면이고, 도 7(b)는 변형된 후의 선재 시험편의 단면을 도시한 도면;
도 8은 측정된 체적대비 단면적 증가량과 마찰계수의 관계를 도시한 그래프;
도 9는 측정된 체적대비 단면적 증가량과 마찰계수의 관계를 도시한 표;
도 10은 다단 냉각단조 공정의 공정별 예를 도시한 도면;
도 11 및 도 12는 다단 냉각단조 공정의 각 공정별 압출품의 체적대비 단면적 증가량에 해당하는 마찰계수를 도시한 그래프 및 표 이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

이하, 본 발명의 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법의 일 실시예에 대해서 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 마찰계수 측정단계(S110), 공정별 단조품 변화량 산출단계(S120) 및 공정별 마찰계수 정의단계(S130)를 포함할 수 있다.

상기 마찰계수 측정단계(S110)에서는, 인산염 피막 처리된 선재 시험편의 단면적 별화량 별 마찰계수를 측정한다.

상기 마찰계수 측정단계(110)에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1측정단계(S112), 제2측정단계(S114) 및 단면적 변화량 별 마찰계수 정의단계(S116)를 포함할 수 있다.

상기 제1측정단계(S112)에서는 초기 생산 후 단면적의 변화가 없는 인산염 피막 처리된 선재 시험편의 표면을 일정한 힘으로 당기면서 마찰계수를 측정한다.

즉 도 3에 도시된 바와 같이, 인산염 피막 표면이 형성된 선재의 시험편(10)을 일정한 수직하중으로 가압한 상태에서 수평방향으로 일정한 변위를 부여한다. 상기 시험편(10)에 가해지는 수직하중의 크기에 따라 마찰력이 발생될 수 있으며, 주어진 수직하중과 측정된 마찰력으로서 상기 시편의 마찰계수를 계산할 수 있다.

이 때, 상기 제1측정단계(S112)의 시험편(10)은 인산염 피막 표면이 형성된 후 다른 가공 또는 변형을 받지 않은 상태의 시험편일 수 있다.

상기 선재 시험편(10)은 일반적으로 원형인데, 상기 선재 시험편이 측정도중에 변형이 일어나지 않도록 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 선재(10)의 상측과 하측을 압박하는 상측지그(22)와 하측지그(24)는 상기 선재(10)의 형태 및 직경에 대응되는 형태를 갖추도록 형성될 수 있다.

도 5는 이와 같이 측정된 선재의 수직력, 마찰계수 및 마찰력을 도시한 그래프이다.

그리고, 상기 제2측정단계(S114)에서는 상기 제1측정단계(S112) 후에 상기 인산염 피막 처리된 선재 시험편(10)의 단면적이 증가되도록 변형시키면서 변형된 선재 시험편(10)의 마찰계수를 변형량 별로 측정한다.

이를 위해 상기 선재 시험편(10)을 변형시켜야 하는데, 도 6에 도시된 바와 같이, 전방압출 금형(30)을 이용할 수 있다. 즉, 상기 선재 시험편(10)을 상기 전방압출 금형(30)을 이용하여 압축직경을 변화시키면, 도 7의 (a)의 형태에서 도 7의 (b)의 형태로 변화될 수 있으며, 이 때 종단면의 면적 또한 변형되기전(A1)보다 변형된 후(A2)가 증가할 수 있다.

이렇게 변형된 선재 시험편(10')에 대해서 변형된 부분을 절단한 후 도 3 또는 도 4에 도시된 바와 같이 마찰계수를 측정할 수 있다.

또한, 상기와 같은 제2측정단계(S114)는 다양한 변형량에 대해서 반복할 수 있다.

상기 단면적 변화량 별 마찰계수 정의단계(S116)에서는, 상기 제1측정단계(S112)와 제2측정단계(S114)에서 측정된 각각의 단면적 변화량 별 마찰계수를 종합하여, 단면적 변화량 별 마찰계수를 정의한다.

이 때, 상기 단면적 변화량 별 마찰계수 정의단계(S116)에서는, 상기 단면적 변화량을 상기 시험편의 체적으로 나누어 상기 표면마찰계수와 상기 시험편의 체적 대비 단면적 증가량의 관계를 정의할 수 있다.

정의된 상기 표면마찰계수와 상기 시험편의 체적 대비 단면적 증가량의 관계는 도 8에 도시된 그래프 또는 도 9에 도시된 표와 같이 나타날 수 있다.

상기 공정별 단조품 변화량 산출단계(S120)에서는, 다단 냉간 단조 공정에서 각 공정별 단조품의 단면적 변화량을 산출한다.

이러한 각 공정별 단조품의 단면적 변화량은, 기 작성된 다단 냉간 단조 금형의 설계도 또는 시뮬레이션을 통해 산출할 수 있다.

상기 공정별 마찰계수 정의단계(S130)에서는, 상기 공정별 단조품 변화량 산출단계(S120)에서 산출된 공정별 단조품의 단면적 변화량을 상기 마찰계수 측정단계(S110)에서 측정된 단면적 변화량 별 마찰계수를 통해 각 공정의 마찰계수를 정의한다.

즉 예를 들어 도 10에 도시된 바와 같이, 다단 냉각 단조공정이 소재절단공정, 압출공정(1공정), 헤드예비성형공정(2공정) 및 헤드성형 공정(3공정)으로 이루어지는 경우, 상기 공정별 단조품 변화량 산출단계(S120)에서 산출된 각 공정별 단조품의 단면적 변화량을 상기 마찰계수 측정단계(S110)에서 정의된 단면적 변화량 별 마찰계수의 관계의 그래프 또는 표와 비교하여, 도 11에 도시된 바와 같이, 각 공정에 작용되는 마찰계수를 정의하는 단계이다.

즉, 제1공정(압출공정)은 소재절단 상태이므로, 반복횟수가 1에서의 마찰계수 0.05를 적용할 수 있다. 마찰계수가 0인 상태는 현실에서 발생되지 아니하므로 0.05라 정의할 수 있다.

또한, 상기 제1공정에서 단위면적당 인산염 피막 손실량이 0.02이므로, 후속공정인 제2공정(헤드예비성형공정)에서의 표면마찰계수는 0.1을 적용할 수 있다.

또한, 상기 제2공정에서는 피막손실이 누적 발생되었으며, 단위면적당 인산염 피막 손실량이 0.03이므로, 후속공정인 3공정(헤드성형공정)에서의 표면마찰계수는 0.15를 적용할 수 있다.

한편, 상기 공정별 마찰계수 정의단계 후에는 적용단계(S140)가 수행될 수 있다. 상기 적용단계(S140)에서는 정의된 상기 공정별 표면마찰계수를 시뮬레이션의 각 공정에 적용한다.

즉, 상기 공정별 마찰계수 정의단계 에서 정의된 공정별 표면마찰계수를 시뮬레이션상의 각 공정별 표면마찰계수에 적용하여 시뮬레이션 한다.

이렇게 각 공정별로 정의된 표면마찰계수로서 시뮬레이션함으로써, 시뮬레이션의 정확도를 보다 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 보다 정확한 금형의 수명 예측 등에 활용할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

S110: 마찰계수 측정단계
S112: 제1측정단계
S114: 제2측정단계
S116: 단면적 변화량 별 마찰계수 정의단계
S120: 공정별 단조품 변화량 산출단계
S130: 공정별 마찰계수 정의단계
S140: 정의단계
10: 시험편

Claims (5)

1. 인산염 피막 처리된 선재 시험편의 단면적 변화량 별 마찰계수를 측정하는 마찰계수 측정단계;
   다단 냉간 단조 공정에서 각 공정별 단조품의 단면적 변화량을 산출하는 공정별 단조품 변화량 산출단계;
   상기 공정별 단조품 변화량 산출단계에서 산출된 공정별 단조품의 단면적 변화량을 상기 마찰계수 측정단계에서 측정된 단면적 변화량 별 마찰계수를 통해 각 공정의 마찰계수를 정의하는 공정별 마찰계수 정의단계;
   를 포함하며,
   상기 마찰계수 측정단계는,
   초기 생산 후 단면적의 변화가 없는 인산염 피막 처리된 선재 시험편의 표면을 일정한 힘으로 당기면서 마찰계수를 측정하는 제1측정단계;
   인산염 피막 처리된 선재 시험편의 단면적이 증가되도록 변형시키면서 변형된 선재 시험편의 마찰계수를 변형량 별로 측정하는 제2측정단계;
   상기 제1측정단계와 상기 제2측정단계에서 측정된 단면적 변화량 별 마찰계수의 관계를 정의하는 단면적 변화량 별 마찰계수 정의단계;
   를 포함하되,
   상기 시편은 원형단면을 이루고,
   상기 제1측정단계 및 제2측정단계에서 마찰계수를 측정할 때에, 선재의 상측과 하측을 상측지그 및 하측지그로 압박하여 수직하중을 가하면서, 수평방향을 변위를 부여하여 마찰계수를 측정하며, 이때, 상기 선재 시험편이 측정도중에 변형이 일어나지 않도록, 상기 선재를 가압하는 상측지그와 하측지그의 상기 선재와 접촉하는 부분은 상기 선재의 형태 및 직경에 대응되는 반구형의 홈 형태로 이루어지며,
   상기 공정별 마찰계수 정의단계에서, 상기 공정별 단조품의 단면적 변화량이 0일 때에는 마찰계수 0.05를 적용하는 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2측정단계는,
   전방압출을 통해 압출된 선재 시험편을 절단하여 마찰계수를 측정하는, 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 단면적 변화량 별 마찰계수 정의단계는,
   표면마찰계수와 상기 시험편의 체적 대비 단면적 증가량의 관계를 정의하는 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 공정별 마찰계수 정의단계에서 정의된 각 공정의 마찰계수를 시뮬레이션의 각 공정에 적용하는 적용단계;
   를 더 포함하는 공정별 인산염 피막 마찰계수 평가방법.

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