KR20090068869A - 압출 공정을 이용한 고강도 볼트의 제조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이러한 볼트 제조용 다이스 장치에 있어서, 상대적으로 큰 제1직경 및 상대적으로 작은 제2직경의 2단 직경을 가지는 원통형 가공부를 포함하는 다이스 부재, 상기 다이스 부재를 포위하며 수용하는 보강링 및 상기 가공부에 투입되는 볼트 예비 성형체를 가압하는 가압 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이스 장치를 제공한다. 나아가, 본 발명은 냉간압조 방식의 다이스 장치를 이용하여 볼트를 성형하는 방법에 있어서, 볼트 예비 성형체를 가공부에 투입하는 원료 투입 단계 및 가압 부재로 상기 볼트 예비 성형체를 가압하여 볼트 머리부 및 몸통부를 제조하는 압출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 볼트의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하여 볼트를 제조하는 경우, 다이스 및 가압부재에 큰 부하가 걸리지 않아 다이스 수명이 크게 감소하지 않으며, 냉간압조 후에 초기 원소재의 인장강도보다 더 높은 인장강도를 가지는 고강도 볼트를 제조할 수 있어, 소재에 열처리를 수행하지 않아도 인장강도가 매우 높은 볼트 제품의 제조가 가능하다.

다이스 장치, 고강도 볼트, 가압 부재, 압출, 압조

Description

압출 공정을 이용한 고강도 볼트의 제조방법 및 장치{Manufacturing Method and Apparatus of High Strength Bolt using Extrusion Process}

본 발명은 냉간가공으로 볼트를 제조하는데 사용되는 다이스 장치 및 이를 이용하여 볼트를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직경을 달리하는 가공부를 구비하는 다이스 장치를 이용하여 볼트를 제조함으로써 가공시 다이스 장치의 수명을 향상시키고, 나아가 낮은 에너지와 저비용으로 높은 강도의 볼트를 얻을 수 있는 다이스 장치 및 이를 이용하여 볼트를 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 볼트 제조시 시간과 비용을 절약하기 위하여 열처리를 생략하고 볼트를 제조하는 기술 및 볼트용 강재들에 관한 연구가 지속되고 있다. 이러한 볼트 제조 기술은 열처리를 생략할 수 있으므로 경제성이나 생산성에서 우수하지만, 가공 전의 강도가 완성품의 강도와 직결되기 때문에 냉간압조 공정시 볼트성형장치 및 다이스 수명에 큰 부하를 가져와 다이스의 수명을 초래하고 결국에는 생산성도 저하될 수 있어 전체적으로 생산성의 향사에 따른 장점을 살리지 못하는 경우가 많다. 특히, 이러한 문제점은 볼트의 강도가 높은 고강도 볼트의 제조시 더욱 두드러지게 나타난다.

종래에는 고강도 볼트를 제조하는 경우, 냉간압조 전 구상화열처리를 통하여 원소재의 강도를 낮추어 냉간압조가 가능하도록 하여 가공한 후, 다시 열처리를 하여 제품에 요구되는 강도를 만족시키는 방법이 사용되었다. 구체적으로는 선재 상태에서 구상화 열처리를 거쳐 사이징(sizing) 목적의 신선을 수행한 후, 구상화 열처리, 볼트 성형, 소입, 소려 공정을 거쳐 최종 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)의 미세조직을 갖는 볼트를 제조하는 방법으로 이루어지는 경우가 많았다. 따라서 볼트의 강도는 조성 및 소입, 소려 열처리 공정에 의해 결정되었으며, 충분한 강도의 확보를 위하여 볼트 제조 단계에서는 최종 제품까지 일반적으로 약 2회의 열처리가 수행되었다.

그러나 이러한 열처리 단계를 거쳐야 하는 볼트 제조 공정은 공정생략을 통한 원가절감을 목표로 하는 추세에 맞지 않으며, 이렇게 제조되는 선재 역시 고강도화가 급속하게 이루어지고 있기 때문에 고강도 볼트 제품을 안정적으로 냉간에서 압조할 수 있는 기술이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.

상술한 종래 기술과 관련하여 공기배출이 원활하게 이루어져 금형의 파손을 없애는 동시에 제품(볼트)의 성형 불안정성을 없앨 수 있으며, 금형의 파손시 부분 적인 교체가 가능하도록 한 냉간단조용 금형에 관한 기술로서, 금형의 구조를 단순화시키고 금형의 부분적인 교체 사용이 가능하며, 공기의 배출을 원활하게 할 수 있는 기술이 나타난 바 있다. 하지만 이러한 기술은 냉간 단조용 금형을 용이하게 사용하는 방법과 장치에 불과하여 고강도의 소재를 쉽게 성형하는 방법에 대해서는 나타난 바가 없었다.

또한, 생산공정을 줄이고, 경도와 강도를 높이며 고품질의 볼트를 얻기 위한 공정기술들도 종래에 나타난 바 있으나, 이러한 기술들도 볼트 머리부분의 제조에 해당하는 기술에 관한 것이며 볼트 몸통의 가공경화에 관한 종래 기술 내용은 나타나 있지 않아 전체적으로 고강도 특성을 가지는 볼트를 용이하게 제조하기는 매우 어려운 것이 현실이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결함과 동시에 열처리를 필요로 하지 않는 고강도 선재를 이용하여 볼트를 제조하는 경우, 수명 저하가 낮은 다이스와 이러한 다이스를 이용하여 볼트를 제조하는 방법을 제공하고자 한다. 특히, 초기 강도가 낮은 선재를 이용 및 가공경화 현상을 이용하여 냉간 가공 후 강도가 더욱 높아지는 고강도 볼트를 제조하는 방법과 여기에 사용되는 다이스 장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 이러한 볼트 제조용 다이스 장치에 있어서, 상대적으로 큰 제1직경 및 상대적으로 작은 제2직경의 2단 직경을 가지는 원통형 가공부를 포함하는 다이스 부재, 상기 다이스 부재를 포위하며 수용하는 보강링 및 상기 가공부에 투입되는 볼트 예비 성형체를 가압하는 가압 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이스 장치를 제공한다. 이 때, 상기 가공부는 길이 방향으로 개방된 개방형 가공부일 수 있으며, 상기 볼트 예비 성형체의 직경은 상기 제1직경보다 작고 상기 제2직경보다 클 수 있다.

나아가, 본 발명은 냉간압조 방식의 다이스 장치를 이용하여 볼트를 성형하는 방법에 있어서, 볼트 예비 성형체를 가공부에 투입하는 원료 투입 단계 및 가압 부재로 상기 볼트 예비 성형체를 가압하여 볼트 머리부 및 몸통부를 제조하는 압출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 볼트의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하여 볼트를 제조하는 경우, 다이스 및 가압부재에 큰 부하가 걸리지 않아 다이스 수명이 증가하고, 냉간압조 후에 초기 원소재의 인장강도보다 더 높은 인장강도를 가지는 고강도 볼트를 제조할 수 있어, 볼트 제조시 소재에 전혀 열처리를 수행하지 않아도 인장강도가 매우 높은 최종 볼트 제품을 제공할 수 있다.

본 발명이 적용되는 선재는 제조 이후 열처리가 완전히 생략된 선재이며, 흔히 이와 같은 종류의 선재는 비조질 선재라 불려지기도 한다. 이러한 특성을 가지는 제품은 선재 제조 이후 사이징(sizing) 목적의 신선이 수행되고, 볼트 성형 및 최종 가공만을 통하여 직접 제조가 가능하다.

이러한 열처리 생략형 선재의 가장 큰 특징은 열처리에 공정에 소모되는 에너지를 줄여 제품원가를 낮출 수 있으며, 열처리가 이루어지지 않기 때문에, 급냉 균열(quench crack), 휨 및 열처리에 의한 기타 결함 등이 발생하지 않는 장점이 있다. 그러나 열처리에 의하여 강도가 확보되는 것이 아니라 신선과 같은 냉간 가 공을 통하여 강도를 얻는 형태이므로 연성의 감소와 인성의 감소가 문제될 수 있다.

이러한 열처리 생략형 선재를 본 발명에 적용하기 위하여, 본 발명에서는 냉간 압출 및 압조가 동시에 이루어지는 다이스의 형태를 갖는 장치를 제안한다(도 3). 상기 장치의 다이스는 일반적으로 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 보강링(301)에 포위되어 끼워진 형태로 사용되며, 본 발명에서는 특히 다이스, 가압 부재 및 이젝터 핀을 중심으로 상기 장치를 상세히 설명하고자 한다.

이하 본 발명의 장치에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 볼트 예비 성형체를 성형시, 도 5에 나타난 바와 같이 예비 성형체보다 직경이 큰 소재를 이용하여 첫번째 단계에서 압출방식만을 이용하여 고강도 볼트를 제조할 수 있는 장치 및 방법을 고안하였다. 즉, 종래의 방법은 예비 성형체와 거의 유사한 직경의 소재를 이용하여 머리 부분만을 가공하여 도5(a-2) 와 같은 예비 성형체를 제조하는 방법이었으나, 본 발명에서는 압출만을 이용하여 몸통 부분 및 머리 부분 모두에 가공경화가 일어나며, 몸통 부분은 소재의 직경이 감소하면서 형성되고, 머리부분은 내려오는 가압 부재에 의하여 도 5(b-1)과 같은 형상을 가지게 되는 것이다. 도 5의 오른쪽에는 각 단계를 거쳐서 부여되는 변형량을 수치적으로 계산한 결과가 나타나 있다.

소재가 가공되는 가공부(304)를 가지는 다이스 부재(302), 상기 다이스 부재를 둘러싸 포위하는 형태로 수용하는 보강링(301) 및 상기 가공부에 투입되는 원료를 가압하는 역할을 하는 가압 부재(303)를 포함한다.

이 경우, 상기 가공부(304)는 볼트 성형에 알맞은 원통형 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 가공부(304)의 직경은 서로 다른 2가지 직경(이하, 상기 2가지 직경 중, 상대적으로 큰 직경을 제1직경, 상대적으로 작은 직경을 제2 직경으로 칭한다)을 가지면서 존재할 수 있는데, 이 경우에는 원료 투입부측, 즉 펀치 부재측의 직경이 더 커야 한다. 이는 볼트 성형시 직경이 큰 원료 투입부측이 볼트의 머리 부분으로 가공될 수 있어야 하기 때문이다.

또한, 상기 가공부(304)는 말단이 개방된 개방형 가공부일 수 있는데, 이는 종래의 압조 방식을 위한 폐쇄형 가공부와는 달리 압출만을 이용하는 본 발명의 다이스 장치를 위한 것이며, 이러한 개방형 가공부에 의하면 볼트 길이에 큰 제한이 사라지기 때문에 다양한 길이의 볼트를 제조할 수 있다.

이하 본 발명의 다이스 장치를 이용하여 볼트를 제조하는 방법에 관하여 설명한다.

본 발명의 다이스 장치로 볼트를 제조하기 위해서는, 볼트 예비 성형체를 상기 가공부(304)의 원료 투입부에 투입시킨다. 이 경우, 상기 볼트 예비 성형체는 종래의 볼트 제조방법과는 달리 직경이 상기 제2직경보다는 크고 상기 제1직경보다는 작은 것을 사용한다.

투입된 상기 볼트 예비 성형체는 가압 부재(303)에 의하여 가압되어 제1직경을 가지는 가공부로부터 제2직경을 가지는 가공부로 압출된다. 상기 가압 부재(303)는 종래의 압조 방식에서 사용되는 펀치 부재(403)와는 달리 볼트 머리부 성형홈이 존재하지 않고 예비 성형체를 가공부(304)로 가압할 수 있는 가압 돌기를 가지는 것이 특징이다. 이러한 과정에 의하여 압출에 의한 볼트 형태가 성형되는데, 기존의 압조 방법을 사용하지 않으므로 가압 부재(303)는 종래에 압조 방식으로 볼트를 성형하던 장치의 펀치 부재(403)와 같이 충격을 가할 필요가 없으므로 가압 부재(303)의 수명은 종래의 펀치 부재에 비해 길고 전체적으로 다이스 장치의 수명도 증가한다.

본 발명과 같이 압출만으로 볼트를 성형하는 경우, 압출에 의하여 얻어지는 가공경화(work hardening) 효과를 이용할 수 있게 되어, 기본 강도가 낮은 소재를 사용하여 볼트를 성형하더라도 제조 이후에는 몸통 뿐만 아니라 머리 부분의 강도도 상승된 볼트를 용이하게 제조할 수 있다는 이점을 가진다. 나아가 초기 소재의 강도가 낮고 압조 방식을 이용하지 않기 때문에 다이스에 걸리는 부하(하중)을 줄 일 수 있고 가압 부재의 파손이 일어날 염려가 없어서 다이스 장치 수명의 저하를 막는데 큰 효과가 있다.

이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 일 실시예에 불과하며 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되는 것은 아니다.

하기 표 1에는 본 발명의 볼트 제조 다이스 장치 및 제조방법을 이용하여 인장강도가 1350MPa 인 고강도 선재를 볼트로 제조한 예(발명예) 및 종래 방법에 의하여 소재의 인장강도가 1600 MPa인 선재를 볼트로 제조한 예(비교예)가 각각 나타나 있다.

	발명예	비교예
초기 소재의 크기 (mm)	9.4	7.25
초기 소재의 인장강도 (MPa)	1350	1600
1st step 최대 하중 (kN)	142	131
2st step 최대 하중 (kN)	150	259
3rd step 최대 하중 (kN)	153	252
4th step 최대 하중 (kN)	161	269
최종 제품 인장강도 (MPa)	1650	1620
다이스 파손 시 수명 (제품 제조 회수)	1,031,350 회	2,647 회

본 실시예에서 사용된 소재는 JIS-SWRS82BC 라는 피아노 선재를 이용하였으며, 각 단계별 다양한 특성과 다이스 수명을 측정하기 위하여 다이스가 파손 및 마모될 때가지 실물 볼트를 제조하여 수명을 측정하였다. 다이스 수명은 연속 제품 가공 실시 방법을 통해 다이스가 함몰되는 회수를 측정하였다.

실험 결과, 기존 공법을 이용한 비교예 볼트 제품은 연속 제품 가공 실시를 하는 경우 약 2,000회에서 다이스가 함몰되어 더 이상 사용할 수 없었다. 반면, 본 발명 공법은 약 백만회를 넘어서까지 사용이 가능하다는 결과가 나타났다.

또한, 비교예 및 발명예에 걸리는 최대 하중을 측정해본 결과, 첫 번째 및 두 번째 단계에 걸리는 최대 하중에서 하중의 변화는 크지 않았으나, 두번째 단계에서 걸리는 부하는 발명예의 경우가 오히려 감소하는 경향을 나타낸다는 사실을 알게 되었다(도 6 참고).

도 1은 본 발명의 다이스 장치 및 방법을 이용하여 볼트를 단계별로 제조하는 모습을 나타낸 모식도

도 2는 종래의 압조 방식으로 볼트를 제조하는 단계를 나타낸 모식도

도 3은 본 발명의 다이스 장치의 구조를 표현한 개략도

도 4는 종래의 압조 방식으로 볼트를 제조하는 다이스 장치의 구조를 표현한 개략도

도 5는 종래방식 및 본 발명으로 볼트를 제조하는 경우, 부위별 변형량을 나타낸 모식도

도 6은 볼트 제조시 본 발명 및 종래방식의 다이스 장치에 걸리는 부하의 양을 나타낸 그래프

Claims (4)

1. 냉간압조 방식의 볼트 성형 다이스 장치에 있어서, 상기 다이스 장치는,

   제1직경 및 제1직경에 비해 작은 제2직경의 2단 직경을 가지는 원통형 가공부를 포함하는 다이스 부재;

   상기 다이스 부재를 포위하며 수용하는 보강링; 및

   상기 가공부에 투입되는 볼트 예비 성형체를 가압하는 가압 부재;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이스 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가공부는 길이 방향으로 개방된 개방형 가공부임을 특징으로 하는 다이스 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 볼트 예비 성형체의 직경은 상기 제1직경보다 작고 상기 제2직경보다 큰 것을 특징으로 하는 다이스 장치.
4. 냉간압조 방식의 다이스 장치를 이용하여 볼트를 성형하는 방법에 있어서,

   볼트 예비 성형체를 가공부에 투입하는 원료 투입 단계; 및

   가압 부재로 상기 볼트 예비 성형체를 가압하여 볼트 머리부 및 몸통부를 제조하는 압출 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 볼트의 제조방법.

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