KR20080089700A - 파이프 냉간단조 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소재의 일단면을 가압하여 상기 소재의 타단면에 제1가공홈을 형성하는 제1단계; 상기 소재의 양단방향이 바뀌도록 뒤집은 후 상기 소재의 타단면을 가압하여 상기 소재의 일단면에 제2가공홈을 형성함과 동시에 상기 소재의 길이가 일측으로 신장되도록 상기 소재를 반복적으로 가압하는 제2단계; 및 상기 소재의 제1가공홈과 제2가공홈이 연통되도록 상기 소재를 가압하는 제3단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 길이가 길거나 두께가 얇은 파이프를 냉간단조에 의해 가공함으로써 별도의 기계적 절삭가공으로 인한 추가 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 제작시간을 단축할 수 있어 생산성의 극대화 및 작업환경을 개선할 수 있고 치수 정밀도가 향상되는 효과를 제공한다. 또한, 냉간단조 특성상 소성변형시의 가공경화를 이용하여 따로 열처리를 하지 않아도 기계적 성질이 월등히 향상되는 효과를 제공한다. 또한, 소재의 윤활재 피막층을 두꺼운 아연피막으로 형성하여 소재의 열전달에 의한 금형과의 소착을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

냉간단조, 파이프, 금형, 펀치, 넉아웃(knock out), 성형부

Description

파이프 냉간단조 가공방법{Pipe cold forging processing method}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프 냉간단조 가공방법에 따른 제조공정을 개략적으로 도시한 공정도이다.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프 냉간단조 가공방법에 따른 순차적으로 도시한 금형 조립도이다.

*도면중 주요부분에 관한 부호의 설명*

10 - 소재 11 - 제1가공홈

12 - 제2가공홈 20,20' - 금형

20a - 라운딩부 21 - 펀치

22,22' - 넉아웃(knock out) 23 - 성형부

본 발명은 파이프 냉간단조 가공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 길이가 길거나 두께가 얇은 파이프를 냉간단조에 의해 가공함으로써 별도의 기계적 절 삭가공으로 인한 추가 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 제작시간을 단축할 수 있어 생산성의 극대화 및 작업환경을 개선할 수 있고 치수 정밀도와 기계적 성질이 월등히 우수한 파이프 냉간단조 가공방법에 관한 것이다.

단조(鍛造,forging)는 고체인 금속재료를 해머 등으로 두들기거나 가압하는 기계적 방법으로 일정한 모양으로 만드는 조작을 일컫는 것으로, 두들기는 온도는 상온(常溫)인 경우도 있으나, 녹는점이 높은 재료에서는 다소 가열해야 할 때가 많다.

일반적으로 그 재료에서 재결정(再結晶)이 진행되는 온도를 경계로 하여 그 이상의 온도에서 단조하는 것을 열간단조(熱間鍛造), 그보다 낮은 온도에서 단조하는 것을 냉간단조(冷間鍛造)라고 한다. 열간단조보다 저온의 온간 및 상온에서 가공하는 냉간단조는 높은 정밀도를 얻을 수 있는 반면, 표면의 윤활처리가 필요하다.

고체재료의 조직을 균일하게 하고, 결정고체(結晶固體)에서는 결정입자의 크기를 작게 하기 위해 해머로 두들기는 조작을 단련(鍛鍊)이라 하고, 해머로 두들기지 않고 공구로 서서히 가압하여 소정의 모양으로 만드는 일을 프레스(press)라고 한다.

그리고 작업방법은 평탄한 공구 사이에 소재를 놓고 적당히 돌리거나 위치를 바꾸어 두들기면서 바라는 모양의 제품으로 만드는 자유단조(自由鍛造)와, 일정한 모양으로 요각(凹刻)한 금형(金型) 사이에 소재를 끼우고 두들겨서 바라는 모양의 제품을 만드는 형단조(型鍛造)의 두 가지가 대표적이다.

이하, 종래의 파이프 가공방법이 갖는 단점을 설명하면 다음과 같다.

종래의 파이프 가공방법은 강봉을 압출 및 주조에 의해 적정형태 및 규격의 소재를 얻고, 이 소재를 기계적 가공을 통해 중공형의 파이프로 가공하며, 이후에 길이를 맞추어 절단하여 파이프 완제품을 얻게 되었다.

이러한, 기계적 가공에 의한 종래의 파이프 가공방법은 적정규격을 가지는 소재를 대량으로 별도 주문하는 것에 따른 기간이 소요되며, 1차 가공(중공형)된 파이프를 구매하였을 경우 재료비가 상승하고, 절삭가공시 치수 및 가공불량으로 인한 품질문제에 따른 손실이 발생하며, 절삭가공으로 인한 재료 LOSS가 발생해 원가가 상승하는 문제점이 발생된다.

또한, 절삭가공의 특성상 내충격성이 낮으므로 제품의 수명이 단축된다는 등의 문제점들이 지적되고 있다.

한편, 이러한 단점을 보완하기 위하여 냉간단조를 이용한 파이프 가공방법이 제시되었지만, 길이가 길고 두께가 얇은 파이프는 단조성이 떨어지고, 펀치의 길이가 길어짐에 따라 휘거나 부러질 수도 있으며, 단조 중에 열전달에 의해 소착이 일어날 수 있는 문제점이 있게 된다.

따라서, 본 발명은 전술한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 길이가 길거나 두께가 얇은 파이프를 냉간단조에 의해 가 공함으로써 별도의 기계적 절삭가공으로 인한 추가 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 제작시간을 단축할 수 있어 생산성의 극대화 및 작업환경을 개선할 수 있고 치수 정밀도와 기계적 성질이 월등히 우수한 파이프 냉간단조 가공방법을 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 소재의 일단면을 가압하여 상기 소재의 타단면에 제1가공홈을 형성하는 제1단계; 상기 소재의 양단방향이 바뀌도록 뒤집은 후 상기 소재의 타단면을 가압하여 상기 소재의 일단면에 제2가공홈을 형성함과 동시에 상기 소재의 길이가 일측으로 신장되도록 상기 소재를 반복적으로 가압하는 제2단계; 및 상기 소재의 제1가공홈과 제2가공홈이 연통되도록 상기 소재를 가압하는 제3단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1가공홈을 형성하기 이전에, 상기 소재의 양단을 가압하여 상기 소재의 양단에 형성된 크랙을 제거하는 과정을 더 포함한다.

또한, 상기 소재는 각 단계 전에 소둔공정을 통행 풀림을 실시하는 단계가 추가된다.

또한, 상기 소재는 금형과의 소착을 방지하기 위해 윤활재를 피막시키며, 상기 윤활재는 아연피막으로 형성된다.

우선, 냉간단조의 특징을 살펴보면, 열간단조 대비 가열에 의한 스케일 로 스(scale loss)가 없어 재료회수율이 좋으며, 제품의 치수정밀도 및 탈탄층이 없으므로 후공정의 기계가공이 불필요 또는 가공 공정수가 저감되고, 소성변형시의 가공경화를 이용하여 저가의 재료를 열처리하지 않고도 기계적 성질이 향상된다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프 냉간단조 가공방법에 따른 제조공정을 개략적으로 도시한 공정도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 파이프 냉간단조 가공방법을 이용하여 파이프를 제조하기 위해서는 우선, 강봉을 정량의 무게와 길이를 가지도록 절단하여 소재(10)를 준비하는데, 절단된 면은 단중의 편차가 적어야 하며, 직각에 가깝고 홈이 있어서는 되지 않는다. 이렇게 소재(10)가 절단되면, 절단된 소재(10)를 연화시켜 냉간가공성을 향상시킬 수 있도록 통상의 온도범위 및 시간 내에서 구상화 소둔 열처리(Spheroidizing Annealing)를 실시하여 소재(10)의 풀림을 실시한 후, 풀림 후의 스케일 및 이물질 제거를 위한 쇼트(SHOT BLAST)처리를 거친 다음 소재(10)의 표면에 금형과의 소착을 방지하기 위한 윤활재 피막층을 형성하며, 상기 윤활재는 아연피막으로 형성한다.(S1)

이러한 냉간단조에서의 표면 윤활처리는, 가공시 제품의 윤활성를 높여주고 금형과의 소착을 방지하기 위해 소재(10) 표면에 금속 윤활피막인 아연피막을 미리 생성시키기 위해 수행하여 금형수명을 길게 유지한다.

한편, 소둔 과정과 윤활재 피막층은 소재(10)를 금형(미도시)에 삽입 및 넉아웃(미도시)에 의해 배출되는 각 공정 사이에 실시될 수도 있는데, 이는 각 파이프를 제조하는 공정상 금형(미도시), 성형부(미도시), 넉아웃(미도시), 펀치(미도시)를 교체하며 진행하는 경우가 발생하며, 이로 인해 시간적인 손실이 발생하여 소재(10)는 경화되어 냉간가공성이 저하되고, 냉간가공성이 저하됨에 따라 금형(미도시), 성형부(미도시), 넉아웃(미도시), 펀치(미도시)가 파손될 수 있으며, 윤활재 피막층 또한 삽입과 배출과정에서 손실되어 금형(미도시)과의 소착이 발생할 수 있기 때문이다.

그러나, 각 단계에 따른 금형(미도시), 성형부(미도시), 넉아웃(미도시), 펀치(미도시)를 가진 복수의 프레스(press;미도시)에 의해 인라인(inline) 공정으로 처리하면 이른 시간에 처리가 가능하므로 한 번의 소둔 과정과 윤활재 피막층 처리과정을 거친 소재(10)로도 가공이 가능함을 밝혀둔다.

그리고, 소둔처리와 윤활재 피막층이 형성된 소재(10)를 금형(미도시)에 일방향으로 삽입하고, 펀치(미도시)는 상기 소재(10)를 가압하여 일방향 절단면의 크랙을 제거하여 라운딩한다.(S2)

그리고, 상기 소재(10)를 상기 금형(미도시)에 타방향으로 삽입하고, 상기 펀치(미도시)는 상기 소재(10)를 가압하여 타방향 절단면의 크랙을 제거하여 라운딩하고, 상기 펀치(미도시)는 상기 소재(10)를 가압하여 성형부(미도시)에 의해 일방향으로 제1가공홈(11)이 형성된다.(S3)

한편, 절단면의 크랙을 제거하는 이유는 예리한 코너(corner)나 버(burr)에 의해 금형(미도시)의 손상을 방지하기 위함이다.

그리고, 제1가공홈(11)이 형성된 소재(10)를 뒤집어서 상기 금형(미도시)에 타방향으로 삽입하고, 상기 성형부(미도시)에 의해 상기 소재(10)의 타방향으로 제2가공홈(12)이 형성됨과 동시에 하향으로 길이가 신장되도록 상기 펀치(미도시)로 상기 소재(10)를 가압한다.(S4) 이렇게 소재(10)의 길이가 신장되는 단계(S4)를 반복하여 제2가공홈(12)의 깊이와 소재(10)의 길이는 더 신장된다(S5).

그리고, 상기 소재(10)의 제1가공홈(11)과 제2가공홈(12)이 성형부(미도시)에 의해 관통되도록 상기 펀치(미도시)로 상기 소재(10)를 가압하여 본 발명의 파이프를 완성한다.(S6)

이상의 설명에서는 본 발명의 대략적인 구성을 설명하였으나, 이하의 설명에서는 도면을 참조하여 본 발명의 작동법을 상세히 살펴본다.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프 냉간단조 가공방법에 따른 순차적으로 도시한 금형 조립도이다.

여기서, 금형(20), 펀치(21), 넉아웃(knock out;22), 성형부(23)는 고속도강이나 금형용강이 쓰여지고, 일부는 금속소재의 냉간단조를 위해 초경합금을 사용하는 경우도 있다.

도 2a는 소재(10)를 일방향으로 금형(20)에 삽입하고, 상기 소재(10) 상부를 펀치(21)에 의해 하향으로 가압한다. 이때, 소둔 후 내부 응력을 제거하여 풀림이 실시된 소재(10)는 금형(20) 일측의 라운딩부(20a)를 따라서 크랙(날카로운 코너, 버)을 제거하게 된다. 이후에, 넉아웃(22)이 상향으로 이동하여 소재(10)는 금형(20)에서 제거된다. 이후, 도 2b의 도시와 같이 타방향으로 뒤집어서 소재(10)를 금형(20) 내부로 삽입하여 도 2a와 동일하게 소재의 타방향 크랙을 제거하고 넉아웃(22)에 의해 소재(10)는 금형(20)에서 제거된다.

이와 같이 소재(10)의 크랙을 제거하는 공정은 후에 기계적인 가공으로도 가능하나, 모든 공정을 냉간단조로 가공하여 추후에 기계적인 가공으로 마무리하는 단계를 제거하여 공정수의 줄이고, 후 가공에 따른 비용을 절감하기 위함이다.

도 2c는 양측의 크랙을 제거한 소재(10)를 일방향으로 금형(20')에 삽입한다. 이때, 금형(20')은 관통되어 형성되고, 관통된 내부에는 소재(10)의 내경을 가공하기 위한 성형부(23)가 위치하며, 상기 금형(20')과 성형부(23) 사이에는 중공형의 넉아웃(22')이 위치한다. 더욱 자세하게는, 상기 성형부(23)는 고정된 상태이며, 고정된 성형부(23) 상부로 소재(10)가 삽입된다. 이후에 펀치(21)는 소재(10)를 하향으로 가압하여 상기 성형부(23)에 의해 제1가공홈(11)이 형성되며, 상기 제1가공홈(11)이 형성된 부피만큼 소재(10)는 소성변형을 일으켜 길이방향으로 신장된다. 그리고, 넉아웃(23')의 상승으로 인해 소재(10)는 금형(20')에서 제거된다.

도 2d는 제1가공홈(11)이 형성된 소재(10)를 뒤집어서 타방향으로 금형(20')에 삽입한다. 이후에, 고정된 성형부(23) 상부로 소재(10)가 삽입되고, 삽입된 소재(10)의 상부를 펀치로 가압하여 일정깊이로 제2가공홈(12)이 형성되며, 상기 제2가공홈(12)이 형성된 부피만큼 소재(10)는 소성변형을 일으켜 길이방향으로 신장된다. 그리고, 도 2e와 같이 계속적으로 펀치(21)는 소재(10)를 가압하여 상기 소 재(10)가 원하는 규격을 가지도록 길이를 신장시키며 동시에 제2가공홈(12) 또한 깊게 형성된다.

도 2f는 제2가공홈(12)이 형성된 소재(10)의 상부에서 펀치(21)는 하향으로 가압하게 되어 제2가공홈(12)과 제1가공홈(11)을 성형부(23)가 순차적으로 관통하게 되는데, 이는 제2가공홈(12)과 제1가공홈(11)의 경계가 일정이상 얇아졌을 때 펀치(21)는 순간적인 힘을 가하게 되고, 이에 따라서 소재(10)의 내경은 관통되어 중공형을 가지는 파이프가 형성된다.

한편, 성형부(23)는 계속되는 펀치(21)의 가압력에 의해 소재(10)를 관통하여 지나가게 되는데, 이때 소재(10) 상부로 돌출된 성형부(23)와 펀치(21)는 서로 맞닿으면서 파손의 우려가 있으므로, 상기 펀치(21)는 소재(10)의 외경과 동일하며 소재(10)의 내경 보단 큰 형태의 중공형의 형상을 가지게 되어 상기 성형부(23)는 펀치(21) 내부로 수용되어 펀치(21)와 성형부(23)의 파손을 방지한다.

그리고, 넉아웃(22')의 상승에 따라 소재(10)는 금형에서 제거되며, 제거된 소재(10)는 중공형의 파이프의 형상을 가지는 것이다.

한편, 각각의 공정(도2a~b, 도2c~f)에서 금형(20,20'), 펀치(21), 넉아웃(22,22'), 성형부(23)의 형상이 조금씩 달라지는데, 이는 한대의 프레스(미도시)에서 제품수량(주문량, 재고량)에 맞추어 금형(20,21'), 펀치(21), 넉아웃(22,22'), 성형부(23)을 교체하며 각 공정을 거쳐가며 제작하는 방법과, 각각의 공정에 해당하는 복수의 프레스(미도시)를 구비하여 한 공정이 끝나면 다음 공정을 작업하도록 각각의 공정을 인라인(inline)화 하여 순차적으로 제작하는 방법도 있 다.

이러한, 냉간단조에 사용되는 프레스(트랜스퍼 프레스;transfer press, 파트포머;parts former)는 이미 종래에 많이 사용되고 있는 것이므로, 이에 대한 내부 구조 및 동작에 관한 상세한 설명은 생략한다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 파이프 냉간단조 가공방법은, 길이가 길거나 두께가 얇은 파이프를 냉간단조에 의해 가공함으로써 별도의 기계적 절삭가공으로 인한 추가 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 제작시간을 단축할 수 있어 생산성의 극대화 및 작업환경을 개선할 수 있고 치수 정밀도가 향상되는 효과를 제공한다.

또한, 냉간단조 특성상 소성변형시의 가공경화를 이용하여 따로 열처리를 하지 않아도 기계적 성질이 월등히 향상되는 효과를 제공한다.

또한, 소재의 윤활재 피막층을 두꺼운 아연피막으로 형성하여 소재의 열전달에 의한 금형과의 소착을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (5)

1. 소재의 일단면을 가압하여 상기 소재의 타단면에 제1가공홈을 형성하는 제1단계;

   상기 소재의 양단방향이 바뀌도록 뒤집은 후 상기 소재의 타단면을 가압하여 상기 소재의 일단면에 제2가공홈을 형성함과 동시에 상기 소재의 길이가 일측으로 신장되도록 상기 소재를 반복적으로 가압하는 제2단계; 및

   상기 소재의 제1가공홈과 제2가공홈이 연통되도록 상기 소재를 가압하는 제3단계;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파이프 냉간단조 가공방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제1가공홈을 형성하기 이전에, 상기 소재의 양단을 가압하여 상기 소재의 양단에 형성된 크랙을 제거하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 냉간단조 가공방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 소재는 각 단계 전에 소둔공정을 통행 풀림을 실시하는 단계가 추가되는 것을 특징으로 하는 파이프 냉간단조 가공방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 소재는 금형과의 소착을 방지하기 위해 윤활재를 피막시키는 것을 특징으로 하는 파이프 냉간단조 가공방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 윤활재는 아연피막으로 형성됨을 특징으로 하는 파이프 냉간단조 가공공법.

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