KR20130059865A - 전단 신선 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속으로 가공이 가능하면서도 소재로 인한 다이의 마모를 저감시켜 다이의 교체주기를 연장시키는 것으로 소재에 전단 변형을 위한 압축력을 인가토록 제공되는 공급수단; 공급수단을 거친 소재가 통과하면서 전단 변형되는 채널을 포함하는 전단 다이;를 포함하며, 상기 채널은 공급 수단으로부터의 소재가 유입되는 입측 채널; 상기 입측 채널과 제 1 교차각을 가지는 제 1 교차부로 연결된 중간 채널; 상기 중간 채널과 제 2 교차각을 가지는 제 2 교차부로 연결되며 소재가 인출되는 출측 채널을 포함하여 구성되는 전단 신선 장치를 제공한다.

Description

전단 신선 장치{Shear Drawing Apparatus}

본 발명은 소재를 강소성 가공하는 전단 신선 장치 및 방법에 관한 것이며, 인발에 의한 소재 변형과 더불어 압연을 통한하여 소재 감면을 부여, 압축력 발생을 구현하면서, 다이의 교차부에서 다이와 소재의 마모를 감소시킬 수 있도록 다이의 구조를 변형시킨 전단 신선 장치에 대한 것이다.

소재의 강도를 향상시킬 수 있는 방법은 소재의 제어 압연 및/또는 제어냉각을 이용하여 최종 오스테나이트의 입도 크기(Austenite Grain Size)(이하, 'AGS' 이라함)를 미세화시키는 것이다.

그런데 통상 이와 같은 AGS의 미세화는 주로 열간 압연(hot rolling)과 급속 냉각 공정에서 구현하기 때문에, 압연 설비나 급속 냉각 설비의 규모가 크고, 저온 압연으로 인하여 압연 부하가 증가하는 문제가 있으나, 연속 공정으로 이루어 지기 때문에, 대량 생산을 가능하게 하는 이점은 제공하고 있다.

한편, 이와 같은 대규모 설비나 공정을 거치지 않고, AGS를 미세화하는 다른 방법으로는, 설비나 공정이 복잡한 열적 변화(즉, 냉각 공정)없이, 상온에서 전단 변형을 부여하여 나노-크기(nano-size)의 미세 조직을 의도적으로 생성시켜 고강도화하는 것으로서, 예를 들어 강소성 가공(severe plastic deformation)(이하,' SPD' 이라함) 등이 있다.

예를 들어, 이와 같은 SPD의 방법 중 하나가, 도 1에서 도시한 바와 같이, 펀치(P)를 이용하여 소재(M)의 압축력을 발생시켜 다이(D)에서의 소재 전단 변형을 부여함으로써, 조직을 미세화하는 등통로각압축성형(Equal Channel Angular Pressing)(이하, 'ECAP'이라함)이다.

즉, 이와 같은 ECAP 방식은, 전단 시 조직 미세화로 인한 강도 상승, 특정 조직의 생성, 피로 특성의 향상과 같은 여러 기계적 물성을 향상시키는 것으로 알려져 있다.

그러나 이와 같은 ECAP 법은 연속 가공이 어렵다는 문제가 있는데, 예를 들어 도 1과 같이, 펀치(P)의 길이가 제한되기 때문에, 가공할 수 있는 소재(시편)의 크기가 한정되며, 가공 후 추가 가공을 위한 시편의 추출도 어려운 문제가 있었다.

또한, 압축력 대신 인발하여 전단 변형을 부여하는 방법으로, 등통로각인발법(Equal Channel Angular Drawing)(이하,'ECAD' 이라함)이 있지만 인장으로 인하여 소재 단면이 감소하게 되고, 특히 다이와 소재 간 접촉불량으로, 가공 초기의 소재 단면적을 유지하는 것이 어려운 문제가 있었다.

즉, 상기 ECAD 방식은 소재의 가공중 단면 유지가 어렵기 때문에, 전단 변형도 충분하게 구현되지 않는 것이었다.

한편, 이와 같은 ECAD의 문제를 해소하기 위한 전단 신선(Shear Drawing)법이 알려져 있다, 즉, 상기 전단 신선은 상기 ECAD 방법과 마찬가지로 인발(drawing)에 의해 전단 변형을 구현하되, 다이의 채널 출측에서는 소재 감면을 부여하여, 소재와 다이간 접촉력을 높이도록 한 것이다.

그러나 이와 같은 전단 신선 역시, 인발을 통하여 가공을 구현하기 때문에, 연속 가공(공정)이 어느 정도 가능하기만 하지만, 다이에서 채널의 출구 측 단면 감소가 필요하기 때문에, 실제 다이를 제작하는데 어려움이 있다.

기타, ECAP-conform 방식이 있는데, 별도의 도면으로 도시하지 않았지만, 이와 같은 ECAP-conform 방식은 기존 압출 공정에 사용하던 conform 프로세스와 앞에서 설명한 ECAP 공정을 결합한 방식이다.

즉, 다이를 회전 가능하게 제공하고, 소재와 회전하는 다이 사이의 마찰력 (frictional force)을 이용하여 소재를 다이에 치입하고 채널 출측에서의 각도를 적정하게 유지시키어 소재의 전단 변형을 구현하는 것이다.

그러나 이와 같은 ECAP-conform 방식의 경우, 추가로 신선의 후속 공정이 필요한 문제가 있고, 사실상 연속 가공도 불가능한 것이었다.

본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 연속으로 가공이 가능하면서도 소재로 인한 다이의 마모를 저감시켜 다이의 교체주기를 연장시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 전단 신선 장치를 제공한다.

본 발명은 소재에 전단 변형을 위한 압축력을 인가토록 제공되는 공급수단; 공급수단을 거친 소재가 통과하면서 전단 변형되는 채널을 포함하는 전단 다이;를 포함하며, 상기 채널은 공급 수단으로부터의 소재가 유입되는 입측 채널; 소재가 인출되는 출측 채널; 및 인접 채널이 교차각을 가지면서 연결되는 하나 이상의 교차부를 포함하여 구성되는 전단 신선 장치를 제공한다.

이때, 상기 채널은 상기 입측 채널과 상기 출측 채널에 연결되는 중간 채널을 포함하며, 상기 교차부는 상기 입측 채널과 상기 중간 채널이 제 1 교차각으로 교차하는 제 1 교차부와 상기 중간 채널과 상기 출측 채널이 제 2 교차각으로 교차하는 제 2 교차부를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 제 1 교차각과 상기 제 2 교차각은 상기 입측 채널의 중심의 연장선과 상기 출측 채널의 중심의 연장선의 교착각보다 큰 것이 바람직하다.

이때, 상기 제 1 교차부의 중심은, 상기 입측 채널의 중심의 연장선과 상기 출측 채널의 중심의 연장선의 교점으로부터 입측 채널의 중심을 따라서 소정 거리(L)만큼 떨어져 위치하며, 상기 제 2 교차부의 중심은, 상기 입측 채널의 중심의 연장선과 상기 출측 채널의 중심의 연장선의 교점으로부터 출측 채널의 중심을 따라서 상기 제 1 교차부와 상기 교점과의 거리와 동일한 거리로 떨어져 위치할 수 있다.

또, 본 발명에서 상기 소재는 원형 또는 각형이며, 상기 교점으로부터 상기 제 1 교차부 또는 제 2 교차부의 중심까지의 거리(L)는 상기 공급수단으로 공급되는 소재의 선경 혹은 폭(d)의 1.5 배 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 상기 교점으로부터 상기 제 1 교차부 또는 제 2 교차부의 중심까지의 거리(L)는 상기 공급수단으로 공급되는 소재의 선경 혹은 폭(d)의 0.5 배 이상인 것이 바람직하다.

나아가, 상기 중간 채널은 하나 이상의 중간 교차부를 포함할 수 있으며, 상기 입측 채널 및 출측 채널 중 하나 이상은 전단 다이 외측을 향하여 테이퍼진 확장부를 포함할 수 있다.

본 발명은 위와 같은 전단 신선 장치를 통하여, 소재로 인한 다이의 마모를 저감시켜 다이의 교체주기를 연장시킬 수 있다.

도 1 은 종래의 소재 전단 가공을 도시한 개략도이다.
도 2 는 연속 전단 신선 장치를 도시한 전체 구성도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 전단 신선 장치를 도시한 전체 구성도이다.
도 4 는 전단 다이의 단면도로서, 도 4(a)는 도 2 의 전단 다이의 단면도이며, 도 4(b)는 도 3 의 전단 다이의 단면도이다.
도 5 는 소재의 단면도로, 도 5(a)는 원형 소재의 단면도이며, 5(b)는 각형 소재의 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 발명예와 비교예의 교차부에서 인장응력을 보이기 위한 도면이다.
도 7 은 본 발명의 다른 실시예의 전단 다이의 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다.

본 발명의 발명자는 다이에서의 소재 전단 변형을 위한 압축력이 압연을 통하여 구현되어 ECAP를 기반으로 하면서도, 연속 가공을 가능하게 하여, 고속 가공을 통한 생산성 향상을 가능하게 하기 위하여, 특허출원번호 제10-2010-0115292호를 제안한 바 있다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 연속 가공할 수 있도록 압연롤(10a, 10b)로 압축력을 발생시켜 소재(2)를 전단 다이(30)에서 가공하며, 이 기술을 통하여 연속 가공이 가능하였다.

하지만, 도 2 와 같이 강소성 가공을 위하여 교차부(32)를 구비하는 다이를 사용함으로써, 소재를 비대칭으로 가공하게 되며, 그로 인하여 전다 다이(30)의 교차부(32)에서 국부적으로 큰 접촉 압력(Contact pressure)이 작용하게 된다. 즉, 입측 채널과 출측 채널이 교차하는 부분인 교차부(32)의 안쪽 모서리 부에서 가장 큰 인장 응력이 발생하게 되며, 이 인장 응력이 전단 다이(30)를 구성하는 소재의 인장 강도를 초과하는 경우에 전단 다이(30)의 교차부가 파괴(fracture)될 가능성이 클 뿐만 아니라 파괴가 발생하지 않는 경우에도 해당 부분의 마모가 급속도로 증대되는 문제가 있다.

도 3 에는 본 발명에 따른 전단 신선 장치(100)의 전체 구성도가 도시되어 있으며, 도 4(a)에는 도 2 에 도시된 전단 다이(30)의 단면도가 도시되어 있으며, 도 4(b)에는 도 3 에 도시된 전단 다이(130)의 단면도가 도시되어 있다.

도 3 에서 보이듯이, 본 발명에 따른 전단 가공 장치(100)는 연속 가공할 수 있도록 압연롤(110, 120)로 압축력을 발생시켜 소재(2)를 전단 다이(130)로 공급하며, 이 기술을 통하여 연속 가공이 가능하다.

전단 다이(130)로 압연롤(110, 120)에 의해서 공급되어 성형되는 소재(2)는 강소성 가공을 위하여 제 1 교차부(134) 및 제 2 교차부(135)를 통과하면서 소재를 비대칭으로 가공하게 된다. 전단 다이(130)는 공급 수단으로부터의 소재가 유입되는 입측 채널(131), 상기 입측 채널과 제 1 교차각(θ1)을 가지는 제 1 교차부(134)로 연결된 중간 채널(132); 상기 중간 채널(132)과 제 2 교차각(θ2)을 가지는 제 2 교차부(135)로 연결되며 소재가 인출되는 출측 채널(133)을 포함한다.

제 1 및 제 2 교차부(134, 135)를 포함하는 전단 다이(130)를 통과한 소재(2)는 소재(2)의 단면을 원하는 형상으로 감면시키는 신선 다이(140)를 통과한다. 신선 다이(140) 후방에서는 도시되지는 않았지만 인발을 통하여 소재(2)에 인장력을 제공한다.

도 3 의 본 발명의 실시예에서는 소재(2)에 대응되는 홈(111, 121)을 가지는 압연롤(110, 120)에 의해 압축력을 받아서 전단 다이(130)로 소재가 공급된다.

전단 다이(130)의 구체적 형상이 도 4(b) 에 도시되어 있다. 비교를 위하여 도 2 의 전단 다이(30)의 구성을 도 4(a) 에 도시하였다. 도 4(b) 에서 보이듯이, 직경(d)를 가지는 소재(2)가 공급될 때, 소재(2)가 유입되도록 전단 다이(130) 외면으로 개방된 입측 채널(131), 상기 입측 채널(131)과 제 1 교차각(θ1)을 가지고 연결되는 중간 채널(132), 및 상기 중간 체널(132)과 제 2 교차각(θ2)을 가지고 연결되는 출측 채널(133)을 포함하며, 상기 입측 채널(131)과 출측 채널(133)은 전단 다이(130)의 외면으로 테이퍼진 확장부(136, 137)를 포함한다.

이때, 제 1 교차각(θ1)과 제 2 교차각(θ2)은 중간 채널(132)을 통하여 입측 채널(131)과 출측 채널(133)이 연결되기 때문에, 입측 채널(131)의 중심의 연장선과 출측 채널(133)의 중심의 연장선이 교차하는 교차각(θ)보다 큰 각을 가진다. 따라서, 도 4(a)에서 교차부(32)에서의 전단 변형량을 본 발명에서는 제 1 교차부(134)와 제 2 교차부(135)에서 나눠서 전단 변형하게 되며, 그에 따라서, 전체 전단 변형량은 유지하되, 각 교차부(134, 135)에서 전단 변형량은 감소한다. 따라서, 마모가 가장 크게 발생되는 코너, 즉 교차부(134, 135)의 내측면과 소재간의 접촉 압력을 줄일 수 있다.

마모되는 정도는 다양한 변수에 의하여 영향을 받으나, 접촉 압력에 가장 큰 영향을 받으므로, 교차부(134, 135)와 소재(2)의 접촉 압력을 낮춤으로써, 전단 다이(130)의 마모를 저감시킬 수 있다.

다만, 본 발명에서 전단 변형이 발생되는 제 1 및 제 2 교차부(134, 135) 사이의 중간 채널(132)이 길어지게 되면, 마찰면이 증가하여 전체 하중이 증가할 수 있다. 또한, 중간 채널(132)이 짧아지게 되면, 마찰면이 분산되지 않아서 접촉 압력이 감소되지 않을 수 있다.

중간 채널(132)의 길이는 중간 채널(132)의 중심선과 입측 채널(131)의 중심선의 제 1 교점(P1)과 중간 채널(132)의 중심선과 출측 채널(133)의 중심선의 제 2 교점(P2) 사이의 거리, 즉 제 1 교차부(134)의 중심과 제 2 교차부(135)의 중심 사이의 거리이다.

이때, 제 1 교차부의 중심(P1)은, 상기 입측 채널(131)의 중심의 연장선과 상기 출측 채널(133)의 중심의 연장선의 교점(Pc)으로부터 입측 채널의 중심을 따라서 소정 거리(L)만큼 떨어져 위치한다. 또한, 제 2 교차부의 중심(P2)은, 상기 입측 채널(131)의 중심의 연장선과 상기 출측 채널(133)의 중심의 연장선의 교점(Pc)으로부터 출측 채널(133)의 중심을 따라서 상기 제 1 교차부(134)의 중심(P1)과 상기 교점(Pc)과의 거리와 동일한 거리로 떨어져 위치한다.

따라서, 제 1 교차각(θ1)과 제 2 교차각(θ2)은 동일한 각을 가지며, 동일한 전단 변형을 가하게 된다. 본 발명에서 제 1 교차부 또는 제 2 교차부의 중심(P1, P2)과, 상기 입측 채널(131)의 중심의 연장선과 상기 출측 채널(133)의 중심의 연장선의 교점(Pc) 사이의 거리(L)을 조절함으로써, 중간 채널(132)의 거리를 조절할 수 있다.

중간 채널(132)의 거리와 관련하여는 0.5d ≤ L ≤ 1.5d (여기서, d는 소재(2)의 직경)범위를 만족하는 것이 바람직한데, 제 1 교차부 또는 제 2 교차부의 중심(P1, P2)과, 상기 입측 채널(131)의 중심의 연장선과 상기 출측 채널(133)의 중심의 연장선의 교점(Pc) 사이의 거리(L)가 0.5 d 미만인 경우에는 접촉 압력이 감소되지 않아서 마모 저감의 효과가 없으며, 1.5 d 초과인 경우에는 중간 채널(132)의 길이가 길어서 전체 마찰이 증가하여 하중이 증가한다.

도 5(a) 및 도 5(b) 에는 본 발명에 사용될 수 있는 소재(2)의 단면이 도시되어 있다. 본 발명의 전단 신선 장치(100)는 원형의 소재(2)뿐만 아니라 각형의 소재(2)에도 적용이 가능하다. 이때, 중간 채널(132)의 거리와 관련하여, 각형인 경우에 d 는 각형 소재(2)의 폭(d)을 의미한다.

(실시예)

채널의 단면 직경 10 mmφ, 소재 직경 9.8 mmφ, 교차각(θ) 120°인 다이(30)가 도 6a에 도시되어 있으며, 상기 다이(30)에서 입측 채널(131)과 출측 채널(132)의 연장선의 교점(Pc)에서 0.5 d 만큼 떨어진 위치에 제 1 교차부(134) 및 제 2 교차부(135)의 중심(P1, P2)가 위치하게 중간 채널(132)를 구성한 본 발명의 다이(130)가 도 6b 에 도시되어 있다.

소재(2)에 발생한 변형률은 도 6a 의 경우 0.6이며 본 발명인 도 6b의 경우 0.56으로 거의 동일한 값을 나타낸다. 다이(30, 130)에 0.8%C 탄소강을 대상으로 소재(2)를 가공할 경우 다이스에 작용하는 인장응력(tensile stress)을 비교하였다.

도 6a 의 교차부의 내측면(A)에서 인장응력 값은 2400MPa 이나, 도 6b의 제 1 교차부(134)의 내측면(B)과 제 2 교차부(135)의 내측면(C)의 인장응력 값은 각각 1800 MPa, 1550 MPa로 크게 감소하였다. 따라서, 다이(130)의 마모도 큰 폭으로 저감될 수 있으며, 그에 따라서 다이(130)의 수명도 증대될 수 있다.

(변형예)

도 7 에는 본 발명의 실시예의 일 변형예가 도시되어 있다.

도 7 의 전단 다이(130)는 도 3 과 유사하게, 직경(d)를 가지는 소재(2)가 공급될 때, 소재(2)가 유입되는 입측 채널(131), 상기 입측 채널(131)과 제 1 교차각(θ1)을 가지고 연결되는 중간 채널(132), 및 상기 중간 체널(132)과 제 2 교차각(θ2)을 가지고 연결되는 출측 채널(133)을 포함하며, 상기 입측 채널(131)과 출측 채널(133)은 전단 다이(130)의 외면으로 테이퍼진 확장부(136, 137)를 포함한다.

다면, 도 7 의 변형예에서는 중간 채널(132)은 제 1 중간 채널(132a)과 제 2 중간 채널(132b)을 포함하여, 제 1 중간 채널(132a)과 제 2 중간 채널(132b)은 제 3 교차부(138)에서 제 3 교차각(θ3)을 가지고 연결된다.

이때, 도 7 의 변형예의 경우에 중간 채널(132)에서 제 3 교차부(138)을 포함하기 때문에, 각 교차부(134, 135, 138) 의 교차각(θ1, θ2, θ3)은 원래의 교차각(θ)보다 크게 되며, 그에 따라서, 각 교차부(134, 135, 138)에 걸리는 인장응력이 저감될 수 있다.

이 변형예에서도. 제 1 교차부의 중심(P1)은, 상기 입측 채널(131)의 중심의 연장선과 상기 출측 채널(133)의 중심의 연장선과의 교점(Pc)으로부터 입측 채널의 중심을 따라서 소정 거리(L)만큼 떨어져 위치하며, 제 2 교차부의 중심(P2)은, 상기 입측 채널(131)의 중심의 연장선과 상기 출측 채널(133)의 중심의 연장선과의 교점(Pc)으로부터 출측 채널(133)의 중심을 따라서 상기 제 1 교차부(134)의 중심(P1)과 상기 교점(Pc)과의 거리와 동일한 거리로 떨어져 위치한다.

또한, 도 3 의 실시예와 동일하게 중간 채널(132)의 거리와 관련하여는 0.5d ≤ L ≤ 1.5d (여기서, d는 소재(2)의 직경)범위를 만족하는 것이 바람직하다.

도 7 에서는 중간 채널(132)이 하나의 교차부(138)를 더 포함하는 구성을 변형예로 설명하였으나, 필요에 따라서는 복수의 교차부(138)을 더 포함할 수도 있다. 또한, 도 3 의 실시예와 마찬가지로 원형의 소재(2)뿐만 아니라 각형의 소재(2)에도 적용이 가능함은 물론이다.

100: 전단 신선 장치 110, 120: 압연롤
111, 121: 홈 130: 전단 다이
131: 입측 채널 132: 중간 채널
132a: 제 1 중간 채널 132b: 제2 중간 채널
133: 출측 채널 134: 제 1 교차부
135: 제 2 교차부 136, 137: 확장부
138: 제 3 교차부 140: 신선 다이
142: 단면 감소부 Pc: 교점
P1: 제 1 교차부의 중심 P2: 제 2 교차부의 중심

Claims (8)

1. 소재에 전단 변형을 위한 압축력을 인가토록 제공되는 공급수단;
   공급수단을 거친 소재가 통과하면서 전단 변형되는 채널을 포함하는 전단 다이;를 포함하며,
   상기 채널은 공급 수단으로부터의 소재가 유입되는 입측 채널; 소재가 인출되는 출측 채널; 및 인접 채널이 교차각을 가지면서 연결되는 하나 이상의 교차부를 포함하여 구성되는 전단 신선 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 채널은 상기 입측 채널과 상기 출측 채널을 연결하는 중간 채널을 포함하며, 상기 교차부는 상기 입측 채널과 상기 중간 채널이 제 1 교차각으로 교차하는 제 1 교차부와 상기 중간 채널과 상기 출측 채널이 제 2 교차각으로 교차하는 제 2 교차부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전단 신선 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 교차각과 상기 제 2 교차각은 상기 입측 채널의 중심의 연장선과 상기 출측 채널의 중심의 연장선의 교착각보다 큰 것을 특징으로 하는 전단 신선 장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 제 1 교차부의 중심은, 상기 입측 채널의 중심의 연장선과 상기 출측 채널의 중심의 연장선의 교점으로부터 입측 채널의 중심을 따라서 소정 거리(L)만큼 떨어져 위치하며,
   상기 제 2 교차부의 중심은, 상기 입측 채널의 중심의 연장선과 상기 출측 채널의 중심의 연장선의 교점으로부터 출측 채널의 중심을 따라서 상기 제 1 교차부의 중심과 상기 교점과의 거리와 동일한 거리(L)로 떨어져 위치하는 것을 특징으로 하는 전단 신선 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 소재는 원형 또는 각형이며,
   상기 교점으로부터 상기 제 1 교차부 또는 제 2 교차부의 중심까지의 거리(L)는 상기 공급수단으로 공급되는 소재의 선경 혹은 폭(d)의 1.5 배 이하인 것을 특징으로 하는 전단 신선 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 교점으로부터 상기 제 1 교차부 또는 제 2 교차부의 중심까지의 거리(L)는 상기 공급수단으로 공급되는 소재의 선경 혹은 폭(d)의 0.5 배 이상인 것을 특징으로 하는 전단 신선 장치.
7. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 중간 채널은 하나 이상의 중간 교차부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전단 신선 장치.
8. 제 4 항에 있어서,
   상기 입측 채널 및 출측 채널 중 하나 이상은 전단 다이 외측을 향하여 테이퍼진 확장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전단 신선 장치.

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