KR20030012140A - Apparatus and method for cooling hot-forged parts - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열간 단조품의 냉각 방법 및 냉각 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수개로 구성된 챔버 내에서 단조품의 이송 속도, 냉각용 공기의 유입/유출 방향 그리고 수냉식 또는 이들의 조합으로 단조품을 냉각할 수 있도록 구성함으로써 결정립을 미세화시켜 최종 침탄 후 물성치, 특히 피로강도를 향상시킬 수 있도록 한 열간 단조품의 냉각 방법 및 냉각 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and a cooling apparatus for cooling a hot forging. More particularly, the forging may be cooled by a feed rate of a forging, a direction of inflow / outflow of cooling air, and a water cooling or a combination thereof in a plurality of chambers. The present invention relates to a cooling method and a cooling device for a hot forging product, which is configured to refine the grains to improve physical properties after final carburization, particularly fatigue strength.
일반적으로 자동차용 변속기용 기어와 같이 고강도와 함께 고인성을 필요로 하는 소재의 경우 열간단조 과정을 거치게 된다. 상기 변속기용 기어의 제조공정은 첨부도면 도 2에서 도시한 바와 같이, 소재 →열간단조 →냉각(공냉 또는 방냉) →가공전 열처리(ISO annealing or Normarlizing) →가공(shaving & Hobbing) →침탄열처리 →후가공(연마, Honing) 과정을 거치게 된다.In general, a material that requires high strength and high toughness, such as a transmission gear for an automobile, is subjected to a hot forging process. The manufacturing process of the transmission gear is shown in Figure 2, the material → hot forging → cooling (air cooling or cooling) → heat treatment before processing (ISO annealing or Normarlizing) → processing (shaving & Hobbing) → carburizing heat treatment → After finishing (Honing) process.
상술한 바와 같이 열간 단조를 끝낸 소재는 약 1200℃ 이상으로 냉각 공정을 거치게 된다. 이러한 방식으로 냉각된 소재의 결정 입도는 GS No. 7∼8 정도의 값을 가지게 되며, 냉각후 침탄 과정을 거치게 되면 상기 소재는 GS No. 6∼7 정도의 값을 가지게 된다.As described above, the finished material forging is subjected to a cooling process at about 1200 ° C. or more. The crystal grain size of the material cooled in this way is GS No. It has a value of about 7 to 8, if the carburizing process after cooling the material is GS No. It will have a value of about 6-7.
이를 개선하기 위한 냉각 장치가 한국 특허 제2000-73091호 "열간단조품의 냉각 장치"라는 명칭으로 이미 출원된 바 있다. 첨부도면 도 3은 이러한 종래의 냉각 장치를 나타낸다. 상기 냉각 장치는 단조품을 수평 방향으로 이송시켜 주는컨베이어(10)와, 이 컨베이어를 분리 구획시켜 주는 다수개의 챔버(20a∼20d)와, 각 챔버에 장착되어 공기의 공급/배출로 단조품을 냉각시켜 주는 냉각수단(30)으로 구성되어 있다.A cooling device to improve this has already been filed under the name of the Korean Patent No. 2000-73091 "cooling device for hot forging products". Figure 3 shows such a conventional cooling device. The cooling device includes a conveyor 10 for transporting the forged product in a horizontal direction, a plurality of chambers 20a to 20d for separating and separating the conveyor, and mounted in each chamber to cool the forged product by supplying / discharging air. The main is composed of cooling means 30.
특히, 상기 냉각 수단(30)은 외기를 공급해 주기 위해 각 챔버(20a∼20d)에 장착된 공급용 블로어(31)와, 이렇게 공급된 공기가 단조품을 냉각시킨 다음 각 챔버(20a∼20d) 외부로 배출되도록 그 상부에 장착된 배출팬(32)과, 상기 블로어(31)들을 제어해 주는 제어기(33)로 구성되어 있다.In particular, the cooling means 30 is a supply blower 31 mounted in each of the chambers 20a to 20d to supply outside air, and the air thus supplied cools the forged product and then outside the chambers 20a to 20d. It is composed of a discharge fan 32 mounted on the upper portion so as to be discharged to the controller, and a controller 33 for controlling the blowers 31.
이와 같이 이루어진 냉각수단(30)은 제어기(33)의 제어에 의해 컨베이어(10)의 이송 속도, 블로어(31)와 배출팬(32)의 송풍 속도 및 배출속도를 다양하게 조절하여 단조품을 냉각시켜 주게 된다.Cooling means 30 made as described above by controlling the feed speed of the conveyor 10, the blowing speed of the blower 31 and the discharge fan 32 and the discharge speed by the control of the controller 33 to cool the forged product Given.
그 결과 단조품에 공기를 분사시켜 냉각 속도를 가속화하는 종래의 냉각 장치를 통해 GS No. 10 이상인 미세한 결정립을 얻을 수 있었다.As a result, the GS No. Fine grains of 10 or more were obtained.
그러나, 종래의 냉각 장치는 다음과 같은 문제점이 제기되어 이에 대한 개선이 필요하게 되었다.However, the conventional cooling apparatus has raised the following problems and needs to be improved.
1) 시작품과 같이 소량이 단조품에 대해서는 적합하나 부품의 양산화로 대량 생산인 경우 많은 단조품이 컨베이어에 올려 놓고 냉각시 벨트가 늘어져서 설비 자치의 내구성에 문제가 발생하게 되었다.1) Small quantity is suitable for forging like the prototype, but when mass production by mass production of parts, many forgings are placed on the conveyor and the belt stretches when cooling, causing problems in the durability of equipment autonomy.
2) 이를 개선하기 위해 벨트를 튼튼하게 제작하는 경우 내구성을 향상시킬 수 있으나 송풍기를 통해 불어 넣어지는 냉각 공기와 마찰을 일으켜 냉각 효율이 떨어지게 되는 문제가 발생하게 된다.2) In order to improve this, if the belt is made strong, the durability can be improved, but it causes a problem that the cooling efficiency is reduced by friction with the cooling air blown through the blower.
3) 실질적으로 공기에 의해서만 냉각이 이루어지기 때문에 단조품을 냉각시키는데 한계가 발생하게 되었다.3) Since cooling is carried out by air only, there is a limit in cooling the forged product.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 각 챔버에 제공되는 공기의 유동 방향과 함께 수냉 냉각 방식을 채용함으로써, 열간 단조 후에 단조품의 냉각 효율을 극대화시킬 수 있는 열간 단조품의 냉각 방법 및 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of this point, and by adopting a water-cooling cooling method together with the flow direction of the air provided in each chamber, the cooling method and cooling apparatus for hot forgings that can maximize the cooling efficiency of the forgings after hot forging The purpose is to provide.
도 1은 본 발명에 따르는 냉각 장치의 구성을 보여주는 측면도,1 is a side view showing the configuration of a cooling device according to the present invention;
도 2는 종래의 열간 단조(자동차용 변속기용 기어)를 거치는 일예를 보여주는 제조 공정도,Figure 2 is a manufacturing process showing an example of passing through a conventional hot forging (transmission gear for automobiles),
도 3은 종래의 냉각 장치의 구성을 보여주는 측면도,Figure 3 is a side view showing the configuration of a conventional cooling device,
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명][Description of Symbols for Main Parts of Drawing]
10 : 컨베이어 20a-20d : 챔버10: conveyor 20a-20d: chamber
30 : 냉각수단 31 : 블로어30: cooling means 31: blower
32 : 배출팬 33 : 제어기32: discharge fan 33: controller
40 : 수냉수단 41 : 물분사 노즐40: water cooling means 41: water spray nozzle
42 : 펌프 43 : 집수기42: pump 43: water collector
50 : 공냉수단 100 : 열간 단조품50: air cooling means 100: hot forging
이를 실현하기 위한 본 발명은 컨베이어의 속도를 조절하여 열간단조된 단조품을 다수개의 챔버를 통해 이송시켜 주는 과정과, 상기 단조품의 이송 도중 각 챔버 내에서 물을 분사하여 수냉식으로 냉각하는 과정과, 수냉식 냉각 과정과 함께 각 챔버로부터 분출되는 공기의 유량 및 분출방향을 조절해 주는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention for realizing this process is to control the speed of the conveyor to transfer the forged hot forged through a plurality of chambers, the process of cooling the water by cooling the water in each chamber during the transfer of the forging, and water-cooled In addition to the cooling process characterized in that consisting of a process for adjusting the flow rate and the blowing direction of the air ejected from each chamber.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 공냉 과정은 독립적으로 제어 방향을 달리하도록 제어기의 제어를 받아 구동되는 블로어를 사용하는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment of the present invention, the air cooling process is characterized by using a blower driven under the control of the controller to independently change the control direction.
또한, 상기 공냉 과정에서 공기를 발생시켜 주는 블로어와 열간단조품 사이의 거리는 30 ∼ 50 cm에 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the distance between the blower for generating air in the air cooling process and the hot forging is characterized in that the 30 to 50 cm.
본 발명에 따르는 열간 단조품의 냉각 장치는 다수개가 인접하여 형성된 챔버와, 각 챔버를 가로 질러 단조품을 이송시켜 주는 컨베이어를 포함하여 구성되어 있되, 상기 각 챔버에는 제어기의 제어를 받아 물을 분사시켜 주는 수냉수단과 양방향으로 회전 제어가 가능한 공냉수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.The apparatus for cooling a hot forging product according to the present invention includes a plurality of adjacently formed chambers and a conveyor for transferring the forgings across each chamber, wherein each chamber is sprayed with water under the control of a controller. Air cooling means capable of controlling the rotation in both directions with the water cooling means is characterized in that it is provided.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 수냉수단은 각 챔버에 설치된 다수개의 물분사 노즐과, 여기에 물을 공급해 주는 펌프와, 상기 챔버내에서 컨베이어 하부에 장착된 집수기를 포함하는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment of the present invention, the water cooling means comprises a plurality of water spray nozzles installed in each chamber, a pump for supplying water thereto, and a water collector mounted on the lower part of the conveyor in the chamber. .
또한, 상기 물분사 노즐은 제 1챔버와 제 2챔버 사이에 1개, 제 2챔버와 제 3챔버 사이에 2개, 그리고 제 3챔버와 제 4챔버 사이에 1개씩 전부 4개를 설치하여 사용하는 바람직하다.In addition, the water spray nozzles are used by installing a total of four water jet nozzles, one between the first chamber and the second chamber, two between the second chamber and the third chamber, and one between the third chamber and the fourth chamber. It is preferable to.
또한, 상기 공냉수단은 각 챔버에 장착되어 제어기의 제어로 독립적으로 정역회전이 가능한 블로어인 것을 특징으로 한다.In addition, the air cooling means is mounted to each chamber is characterized in that the blower capable of independent forward and reverse rotation independently of the control of the controller.
또한, 상기 제어기는 후술하는 표 1에서와 같이 공냉수단을 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, the controller is characterized in that for controlling the air cooling means as shown in Table 1 to be described later.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and effect of the present invention will be described.
첨부도면 도 1은 본 발명에 따르는 냉각 장치의 구성을 보여주는 측면도이다. 여기서, 종래의 구성과 동일 요소에 대해서는 동일 부호를 그대로 사용하기로 한다.1 is a side view showing the configuration of a cooling device according to the present invention. Here, about the same element as the conventional structure, the same code | symbol is used as it is.
본 발명은 열간단조 직후 행해지는 냉각 방법 및 냉각 장치로 결정립의 미세화를 실현하여 재결정 영역에서는 빠른 냉각을 통해 결정립 성장을 억제시켜 주고, 오스테나이트와 페라이트 이상 영역에서는 빠른 냉각을 통해 밴드 구조(band structure) 생성을 억제하여 페라이트 뭉침 조직이 생성되지 않도록 한 것이다.The present invention realizes miniaturization of grains by a cooling method and a cooling device which are performed immediately after hot forging, thereby suppressing grain growth through rapid cooling in a recrystallized region, and fast structure in austenite and ferrite abnormal regions. ) To suppress the formation of ferrite aggregates.
이를 좀 더 상세하게 설명하면, 본 발명은 컨베이어(10)를 통해 열간 단조품(100)을 이송시켜 주게 된다. 상기 컨베이어(10)는 본 발명의 바람직한 구현예에서와 같이 네개의 챔버(20a-20d)를 가로질로 열간 단조품(100)을 이송시켜 줄 수 있도록 구성되어 있으며, 특히 이 컨베이어(100)에 구성된 구동모터는 제어기(33)에 의해 제어되며 결국 이 제어기(33)가 상기 컨베이어(10), 즉 열간 단조품(100)의 이송 속도를 제어하게 된다.In more detail, the present invention is to transfer the hot forging 100 through the conveyor (10). The conveyor 10 is configured to transport the hot forging 100 to traverse the four chambers (20a-20d) as in the preferred embodiment of the present invention, in particular the drive configured in this conveyor (100) The motor is controlled by the controller 33 which in turn controls the conveying speed of the conveyor 10, ie the hot forging 100.
또한, 본 발명은 상기 각 챔버(20a-20d) 내에 설치된 수냉수단(40)을 포함하여, 상기 컨베이어(10)를 통해 각 챔버(20a-20d)를 순차적으로 통과하는 열간 단조품(100)을 수냉식으로 냉각시켜 주게 된다.In addition, the present invention includes a water cooling means 40 installed in each of the chamber (20a-20d), the water-cooled hot forging product (100) sequentially passing through each chamber (20a-20d) through the conveyor 10 Will be cooled.
상기 수냉수단(40)은 각 챔버(20a-20d)에 장착된 물분사 노즐(41)과, 수압을 생성시켜 주는 펌프(42)와, 분사된 물을 집수시켜주는 집수기(43)로 구성되어 있다.The water cooling means 40 is composed of a water spray nozzle 41 mounted in each chamber 20a-20d, a pump 42 for generating water pressure, and a water collector 43 for collecting the sprayed water. It is.
여기서, 상기 물분사 노즐(41)은, 본 발명의 바람직한 구현예에서, 각 챔버(20a-20d)에 2개씩 설치되어 있는 것으로 도시되어 있으며 상기 펌프(42)로부터 수압을 공급받게 된다. 이러한 물분사 노즐(41)은 물을 분사하는 량에 따라 열간 단조품(100)의 냉각 속도를 빠르게 진행시키기 때문에 조직을 경화시켜 주게 되는데, 바람직하기로는 물이 안개와 같은 상태로 각 챔버(20a-20d)에 분산시켜 주게 된다.Here, in the preferred embodiment of the present invention, the water spray nozzles 41 are illustrated as being installed in each of the two chambers 20a-20d and are supplied with water pressure from the pump 42. The water spray nozzle 41 hardens the tissue because it accelerates the cooling rate of the hot forging 100 according to the amount of water sprayed. Preferably, the water is sprayed into each chamber 20a-. 20d).
본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 물분사 노즐(41)은 제 1챔버(20a)와 제 2챔버(20b) 사이에 1개, 제 2챔버(20b)와 제 3챔버(20c) 사이에 2개, 그리고 제 3챔버(20c)와 제 4챔버(20d) 사이에 1개씩 전부 4개를 설치하여 사용하는 바람직하다.In a preferred embodiment of the invention, the water spray nozzle 41 is one between the first chamber 20a and the second chamber 20b, two between the second chamber 20b and the third chamber 20c. It is preferable to install and use four dogs, one each between the dog and the third chamber 20c and the fourth chamber 20d.
또한, 상기 펌프(42)는 제어기(33)의 제어를 받아 물분사 노즐(41)에 공급되는 수압을 조절할 수 있게 하는 것이 바람직하며, 상기 각 챔버(20a-20d)의 하부에 첨부도면에서 도시한 바와 같이 집수기(43)를 통해 집수된 물을 재활용할 수 있도록 구성하게 된다.In addition, the pump 42 is preferably controlled to control the water pressure supplied to the water spray nozzle 41 under the control of the controller 33, as shown in the accompanying drawings in the lower portion of each chamber (20a-20d) As it is configured to recycle the water collected through the water collector 43.
따라서, 상기 열간 단조품(100)은 냉각시 오스테나이트+페라이트 이상 영역에 도달하게 되면 석출시 필요한 에너지(잠열) 때문에 냉각이 느려지게 되는데, 이때 수냉수단을 통해 급냉 효과를 더욱 높일 수 있게 된다. 물론, 이러한 효과는 수냉수단 뿐만 아니라 공냉수단과 함께 얻어지게 된다.Therefore, when the hot forging 100 reaches the austenite + ferrite abnormality region during cooling, cooling is slowed down due to energy (latent heat) required for precipitation, and the quenching effect can be further increased through the water cooling means. Of course, this effect is obtained with the air cooling means as well as the water cooling means.
마지막으로 본 발명은 상기 수냉수단(40)의 수냉 효과와 더불어서 공냉 수단(50)으로 열간 단조품(100)의 냉각 효과를 높여주게 된다.Finally, the present invention increases the cooling effect of the hot forging 100 with the air cooling means 50 as well as the water cooling effect of the water cooling means 40.
상기 공냉수단(50)은 제어기(33)의 제어를 받아 구동되는 블로어로, 상기 각 챔버(20a-20d)에 장착되어 있다. 특히 상기 공냉수단(50)은 정역방향으로 회전가능한 블로어로 상기 제어기(33)의 제어를 받아 다음 표 1에서와 같이 선택적으로 구동가능하게 된다.The air cooling means 50 is a blower driven under the control of the controller 33 and is mounted in each of the chambers 20a-20d. In particular, the air-cooling means 50 is selectively driven as shown in Table 1 under the control of the controller 33 as a blower rotatable in the forward and reverse directions.
여기서, 조건구분은 각 챔버(20a-20d)에서의 공기의 진행 방향에 따라 구분한 것으로 조건 C의 경우에서 가장 좋은 냉각능을 얻을 수 있게 된다.Here, the conditional classification is classified according to the advancing direction of the air in each chamber 20a-20d, so that the best cooling capacity can be obtained in the case of condition C.
또한, 상기 냉각수단(50)은 각 챔버(20a-20d) 내에 장착함에 있어서 열간단조품(100)과 30 ∼ 50 cm 정도의 간격을 유지하도록 장착하여 사용하는 것이 바람직하다. 이는 열간 단조품(100)이 1200℃ 이상인 고온체이기 때문에 이보다 짧은 거리에 있게 되면 냉각수단(50)과 설비의 내구성이 떨어지게 되고, 이보다 멀리 두게 되면 냉각능이 떨어지는 것을 막기 위한 것이다.In addition, the cooling means 50 is preferably used to be mounted so as to maintain an interval of about 30 to 50 cm with the hot forging 100 in mounting in each chamber (20a-20d). This is because the hot forging 100 is a high-temperature body of 1200 ° C or more, so if the distance is shorter than this, the durability of the cooling means 50 and the equipment is lowered, if it is farther than this to prevent the cooling capacity is lowered.
일예로, 상기 냉각수단(50)을 열간단조품(100)과의 거리를 40cm와 70cm에 위치하도록 장착하여 냉각 속도를 측정한 결과 40cm의 경우가 약 40% 이상 냉각 속도가 개선되었다.For example, when the cooling means 50 is installed so that the distance from the hot forging product 100 is positioned at 40 cm and 70 cm, the cooling rate is measured.
이하, 소형 상용차용 변속기 기어류(카운터 클러스터용 기어)로 실험한 실시예를 들어 설명하기로 한다.Hereinafter, a description will be given of an embodiment experimented with the transmission gears (counter cluster gear) for a small commercial vehicle.
상기 기어를 열간단조 →냉각 →가공전 열처리 →침탄에 따른 공정을 통해 제조하여 실험을 한 결과가 표 2로 나타내었다. 여기서, 비교 1의 냉각 공정은 기존의 냉각 방식인 공냉/방냉으로 진행하고, 비교 2에서는 제어냉각(한국 특허출원 제20001-73091호)에 따라 냉각한 것이며, 실시예는 본 발명에 따라 냉각한 것이다.Table 2 shows the results of manufacturing the gear through a process according to hot forging → cooling → heat treatment before processing → carburizing. Here, the cooling process of Comparative 1 proceeds to air cooling / air cooling, which is a conventional cooling method, and in Comparative 2, cooling is performed according to control cooling (Korean Patent Application No. 20001-73091), and the embodiment is cooled according to the present invention. will be.
이러한 결과로부터 본 발명은 종래의 냉각 방식에 비해 약 46% 그리고 제어 냉각 방식보다 약 6% 정도 개선된 것을 알 수 있으며, 이는, 학계의 발표에 따르면, GS No. 1만큼 증가시 미세화 효과는 피로 강도로서 6 ∼ 8% 향상된다고 알려져 있는바, 자동차 부품의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.From these results, it can be seen that the present invention is improved by about 46% compared to the conventional cooling method and about 6% compared to the control cooling method, which according to the academic report, GS No. When increased by 1, it is known that the micronization effect is improved by 6 to 8% as fatigue strength, thereby improving the durability of automobile parts.
이상에서 본 바와 같이 본 발명은 소정의 속도로 컨베이어를 통해 열간 단조품을 이송시켜 주고 각 챔버내에서 수냉과 공냉으로 이 열간 단조품의 제어 냉각이 이루어지도록 구성함으로써 다음과 같은 효과를 얻게 된다.As described above, the present invention obtains the following effects by transporting the hot forged product through a conveyor at a predetermined speed and controlling cooling of the hot forged product by water cooling and air cooling in each chamber.
1) 일반 열간 단조품에 비해 결정립의 미세화 효과가 크기 때문에 높은 토크가 요구되는 변속기 기어 및 샤프트 제작을 용이하게 할 수 있게 된다.1) It is easier to manufacture transmission gears and shafts that require higher torque because the grain size is smaller than general hot forging products.
2) 단조품의 물성치, 특히 굽힘피로 강도가 약 20% 정도 높아지게 되고, 접촉피로한(내피팅성) 또한 2 ∼ 2.5배 향상되며, 충격 에너지에서도 1.5배 이상 커지게 된다.2) The physical properties of the forged parts, especially the bending fatigue strength, are increased by about 20%, the contact fatigue (fitting resistance) is also improved by 2 to 2.5 times, and the impact energy is 1.5 times larger.
3) 일정치 이상의 물성치를 얻기 위해 기존의 가공이 어려운 재질(SNCM계 재질)을 사용하던 것을 가공이 용이한 재질로 대체할 수 있게 되어 가공성의 향상 뿐만 아니라 단가를 낮출 수 있게 된다.3) It is possible to replace the existing materials that are difficult to process (SNCM-based materials) with materials that are easy to process in order to obtain properties above a certain value, thereby improving the processability and lowering the unit cost.
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