KR20150111294A - 크랭크 스로우의 단조 방법, 크랭크 스로우의 제조 방법 및 크랭크 스로우 - Google Patents

크랭크 스로우의 단조 방법, 크랭크 스로우의 제조 방법 및 크랭크 스로우 Download PDF

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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

본 발명의 과제는 크랭크 스로우의 피로 강도를 향상시킬 수 있고, 또한 생산성이 높은 크랭크 스로우의 단조 방법을 제공하는 것이다. 해결 수단으로서, 본 발명의 크랭크 스로우의 단조 방법은, 강괴로부터 채취한 황지 내부의 고스트부의 위치와, 이 황지를 형 단조한 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 위치를 계측하는 공정과, 상기 계측 결과에 근거하여, 형 단조 전의 황지 내부의 위치 또는 강괴 내부의 위치로부터 대응하는 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 위치를 구하는 관계를 구하고, 이 관계에 근거하여, 형 단조 전의 황지 내부의 고스트부의 위치로부터, 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 위치를 추정하는 공정과, 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 추정 위치에 근거하여, 고스트부가 형 단조 후의 크랭크 스로우의 필릿부 근방에 배치되지 않도록, 강괴의 크기, 강괴의 형상, 강괴로부터 황지를 채취하는 위치 및 황지의 단조 방법을 결정하는 공정을 구비한다.

Description

크랭크 스로우의 단조 방법, 크랭크 스로우의 제조 방법 및 크랭크 스로우{METHOD FOR FORGING A CRANK THROW, METHOD FOR MANUFACTURING A CRANK THROW, AND CRANK THROW}
본 발명은 크랭크 스로우(crank throw)의 단조 방법, 크랭크 스로우의 제조 방법 및 크랭크 스로우에 관한 것이다.
선박용 등의 조립형의 대형 크랭크축은, 단조용 강재를 크랭크 스로우와 크랭크 저널(crank journal)이라고 불리는 부품으로 단조하고, 이들을 열박음으로 결합하는 것에 의해 제조된다. 그 때문에, 크랭크 스로우는 필릿부(fillet portion) 근방에 높은 피로 강도가 요구된다.
필릿부 근방의 피로 강도는, 메탈 플로우를 중단되지 않게 연속적으로 형성하는 것, 및 강괴(鋼塊) 내부의 불건전 영역인 고스트부(ghost portion)가 필릿부 근방에 존재하지 않도록 함으로써 향상시킬 수 있다.
그래서, 단조와 동시에 필릿부를 가공함으로써 필릿 형상을 따르는 메탈 플로우를 형성하는 크랭크축의 단조 방법(일본 특허 공개 제 2003-88933 호 공보)이 제안되어 있다. 이 크랭크축의 단조 방법에서는, 단조와 동시에 필릿부가 가공되는 것에 의해 편석이 많은 강괴 중심부가 제품 표면에 근접하는 것을 방지할 수 있어, 필릿부 근방으로의 고스트부의 존재를 억제할 수 있는 것으로 고려된다.
그러나, 상기 종래의 크랭크축의 단조 방법은, 크랭크축을 일체적으로 단조 성형하는 것이며, 조립형의 대형 크랭크축에서는 적용이 곤란하다.
이것에 대하여, 주입시의 냉각 속도 차이를 작게 하여 고스트부의 발생을 억제하는 방법이 종래부터 이용되고 있다. 그러나 종래의 방법에서는 주입시의 냉각 속도 차이를 작게 하기 위해서 소형의 강괴(예를 들면, 20t 이하)를 이용할 필요가 있으므로, 강괴의 크기의 제약에 의해 조립형의 대형의 크랭크 스로우의 제조가 곤란하다. 또한, 높은 피로 강도를 갖는 크랭크 스로우를 제조하는 경우, 종래의 방법에서는 1개의 강괴로부터 복수의 크랭크 스로우의 제조를 할 수 없기 때문에, 생산 효율이 나쁘다.
일본 특허 공개 제 2003-88933 호 공보
본 발명은, 상술하는 바와 같은 사정에 근거하여 이루어진 것으로서, 크랭크 스로우의 피로 강도를 향상시킬 수 있으며, 또한 생산성이 높은 크랭크 스로우의 단조 방법, 크랭크 스로우의 제조 방법 및 크랭크 스로우의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 발명은, 조립형 크랭크축용의 크랭크 스로우를 강괴의 형 단조에 의해 형성하는 크랭크 스로우의 단조 방법으로서, 강괴로부터 채취한 황지(荒地) 내부의 불건전 영역인 고스트부의 위치와, 이 황지를 형 단조한 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 위치를 계측하는 공정과, 상기 계측 결과에 근거하여, 형 단조 전의 황지 내부의 위치 또는 강괴 내부의 위치로부터 대응하는 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 위치를 구하는 관계를 구하고, 이 관계에 근거하여, 형 단조 전의 황지 내부의 고스트부의 위치로부터, 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 위치를 추정하는 공정과, 상기 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 추정 위치에 근거하여, 고스트부가 형 단조 후의 크랭크 스로우의 필릿부 근방에 배치되지 않도록, 강괴의 크기, 강괴의 형상, 강괴로부터 황지를 채취하는 위치 및 황지의 단조 방법을 결정하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
해당 크랭크 스로우의 단조 방법은, 고스트부의 위치 계측 공정의 계측 결과에 근거하여 형 단조 전의 황지 내부의 위치 또는 강괴 내부의 위치로부터 대응하는 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 위치를 구하는 관계를 구하고, 이 관계에 근거하여 형 단조 전의 황지 내부의 고스트부의 위치로부터 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 위치를 추정한다. 이것에 의해, 해당 크랭크 스로우의 단조 방법은, 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 위치를 정밀도 양호하게 추정할 수 있어, 피로 강도에 뛰어난 크랭크 스로우를 단조할 수 있는 황지를 강괴로부터 채취할 수 있는 동시에, 적절한 단조 방법의 선택을 할 수 있다. 또한, 해당 크랭크 스로우의 단조 방법에 의해 얻어지는 크랭크 스로우는, 필릿부 근방에 고스트부가 배치되는 것을 방지할 수 있으므로, 피로 강도에 뛰어나다. 또한, 해당 크랭크 스로우의 단조 방법은, 주입시의 냉각 속도 차이를 억제할 필요가 없으므로, 대형의 강괴를 사용하여 피로 강도에 뛰어난 크랭크 스로우를 단조할 수 있으며, 그 결과 생산성이 향상된다.
아암의 길이방향에 대응하는 황지의 길이를 H0(㎜), 이 황지의 형 단조 후의 아암의 길이방향의 길이를 H1(㎜), 형 단조 후의 핀 축의 직경을 D(㎜)라고 했을 경우, 하기 수학식 1 및 수학식 2를 만족하도록 황지를 단조하면 좋다. 이와 같이 상기 황지의 길이, 상기 길이방향의 길이 및 상기 핀축의 직경으로 함으로써, 보다 확실하게 형 단조 후의 크랭크 스로우의 필릿부 근방에 고스트부가 배치되지 않도록 할 수 있어, 크랭크 스로우의 피로 강도를 보다 확실하게 확보할 수 있다.
[수학식 1] 1.02＜H1/H0＜1.25
[수학식 2] 0.23＜D/H1＜0.45
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 별도의 발명은, 1개의 강괴로부터 복수의 황지를 채취하는 공정과, 상기 크랭크 스로우의 단조 방법에 의해, 상기 복수의 황지로부터 복수의 크랭크 스로우를 단조하는 공정을 구비하는 크랭크 스로우의 단조 방법이다.
해당 크랭크 스로우의 제조 방법은, 해당 크랭크 스로우의 단조 방법을 이용하므로, 크랭크 스로우 단조를 위해서 강괴로부터 채취하는 황지의 범위를 적절하게 추정할 수 있기 때문에, 피로 강도에 뛰어난 크랭크 스로우를 단조할 수 있는 동시에, 1개의 강괴로부터 효율적으로 복수의 황지를 채취할 수 있어, 생산성이 향상된다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 또 다른 발명은, 해당 크랭크 스로우의 제조 방법에 의해 제조된 크랭크 스로우이다. 해당 크랭크 스로우는 해당 크랭크 스로우의 제조 방법에 의해 제조된 것이므로, 필릿부 근방에는 고스트부가 존재하지 않으므로, 뛰어난 피로 강도를 갖는다.
또한, "고스트부(ghost portion)"란, 매크로 조직 시험을 한 경우에 흑점으로 나타나는 합금 원소의 농화된 영역을 의미하며, 이 매크로 조직 시험은 JIS-G0553(2012)에 준거하여 실행할 수 있다. 또한, 강 종류나 사이즈에 의해 이 규격에 준거할 수 없는 경우는, 이 규격에 준한 방법으로 매크로 조직 시험을 실행하면 된다. 또한, "필릿부 근방"이란, 필릿부로부터 크랭크 스로우 내부 방향의 소정 두께의 영역을 의미하며, 이 소정 두께의 범위는, 예를 들면 크랭크 스로우의 1/2 스트로크의 1/100 정도의 거리로 할 수 있고, 바람직하게는 30㎜ 이상이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 크랭크 스로우의 단조 방법, 크랭크 스로우의 제조 방법 및 크랭크 스로우는 크랭크 스로우의 피로 강도를 향상시킬 수 있으며, 또한 생산성이 높다.
도 1의 (a)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 크랭크 스로우의 단조 방법을 설명하기 위한 단련 전의 강괴를 도시하는 모식적 정면도, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 강괴를 단련하여 얻은 바아재로부터 계측용 황지를 채취하는 설명도, 도 1의 (c)는 도 1의 (b)의 바아재로부터 채취한 황지의 모식적 정면도, 도 1의 (d)는 도 1의 (b)의 바아재로부터 채취한 황지의 형 단조 후의 크랭크 스로우의 모식적 정면도,
도 2의 (a)는 형 단조 전의 황지의 모식적 사시도, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 황지의 모식적 측면도, 도 2의 (c)는 도 2의 (b)의 황지의 A-A선을 따르는 모식적 단면도, 도 2의 (d)는 형 단조 후의 크랭크 스로우의 모식적 사시도, 도 2의 (e)는 도 2의 (d)의 크랭크 스로우의 모식적 측면도, 도 2의 (f)는 도 2의 (e)의 크랭크 스로우의 B-B선을 따르는 모식적 단면도,
도 3은 형 단조 전후의 황지 내부의 위치 변화를 나타내는 그래프,
도 4의 (a)는 크랭크 스로우의 제 1 단조 방법에 있어서의 강괴의 모식적 정면도, 도 4의 (b)는 크랭크 스로우의 제 1 단조 방법에 있어서의 바아재의 모식적 사시도, 도 4의 (c)는 크랭크 스로우의 제 1 단조 방법에 있어서의 황지의 모식적 사시도, 도 4의 (d)는 크랭크 스로우의 제 1 단조 방법에 있어서의 압축 후의 황지의 모식적 정면도, 도 4의 (e)는 크랭크 스로우의 제 1 단조 방법에 있어서의 황지를 금형에 삽입한 상태를 도시하는 모식적 단면도, 도 4의 (f)는 크랭크 스로우의 제 1 단조 방법에 있어서의 형 단조시의 크랭크 스로우를 도시하는 모식적 단면도,
도 5의 (a)는 크랭크 스로우의 제 2 단조 방법에 있어서의 강괴의 모식적 정면도, 도 5의 (b)는 크랭크 스로우의 제 2 단조 방법에 있어서의 바아재의 모식적 사시도, 도 5의 (c)는 크랭크 스로우의 제 2 단조 방법에 있어서의 황지의 모식적 사시도, 도 5의 (d)는 크랭크 스로우의 제 2 단조 방법에 있어서의 황지를 금형에 삽입한 상태를 도시하는 모식적 단면도, 도 5의 (e)는 크랭크 스로우의 제 2 단조 방법에 있어서의 형 단조시의 크랭크 스로우를 도시하는 모식적 단면도,
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 크랭크 스로우의 단조 방법의 흐름을 나타내는 도면,
도 7은 고스트부에 있어서의 개재물의 사이즈와 피로 강도비의 관계를 나타내는 그래프.
이하, 본 발명에 따른 크랭크 스로우의 단조 방법, 크랭크 스로우의 제조 방법 및 크랭크 스로우의 실시형태에 대하여 설명한다.
〔크랭크 스로우의 단조 방법〕
해당 크랭크 스로우의 단조 방법은, 조립형 크랭크축용의 크랭크 스로우를 강괴의 형 단조에 의해 형성하는 단조 방법이다. 해당 크랭크 스로우의 단조 방법은, 강괴로부터 채취한 황지 내부의 불건전 영역인 고스트부의 위치와, 이 황지를 형 단조한 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 위치를 계측하는 공정(고스트부 계측 공정)과, 상기 계측 결과에 근거하여, 형 단조 전의 황지 내부의 위치 또는 강괴 내부의 위치로부터 대응하는 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 위치를 구하는 관계를 구하고, 이 관계에 근거하여, 형 단조 전의 황지 내부의 고스트부의 위치로부터, 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 위치를 추정하는 공정(고스트부 위치 추정 공정)과, 상기 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 추정 위치에 근거하여, 고스트부가 형 단조 후의 크랭크 스로우의 필릿부 근방에 배치되지 않도록, 강괴의 크기, 강괴의 형상, 강괴로부터 황지를 채취하는 위치 및 황지의 단조 방법을 결정하는 공정(강괴 조건 결정 공정)과, 상기 강괴 조건 결정 공정에서 결정한 크기 및 형상을 갖는 강괴로부터 황지를 채취하고, 강괴 조건 결정 공정에서 결정한 황지의 단조 방법을 이용하여 황지로부터 크랭크 스로우를 단조하는 공정(단조 공정)을 구비한다.
<고스트부 계측 공정>
상기 고스트부 계측 공정에서는, 실물의 강괴로부터 황지를 채취하여 형 단조 전후에 있어서의 황지 내의 고스트부의 위치를 계측한다. 구체적으로는, 우선, 실제로 크랭크 스로우의 형 단조에 사용하는 도 1의 (a)의 주조한 강괴(1)를 단련하여 얻은 도 1의 (b)의 바아재(2)로부터 가스 절단 등에 의해 황지(3)를 채취한다. 그리고, 채취한 황지(3)에 대해 JIS-G0553(2012)에 준거한 매크로 조직 시험을 실행하여, 도 1의 (c)에 도시하는 바와 같이 이 형 단조 전의 황지(3)에 있어서의 고스트부(5)의 위치를 계측한다. 또한, 도 1의 (b)의 바아재(2)로부터 채취한 황지(3)를 형 단조한 후의 크랭크 스로우(4)에 대해 매크로 조직 시험을 실행하여, 도 1의 (d)에 도시하는 바와 같이 크랭크 스로우(4)에 있어서의 고스트부(5)의 위치를 계측한다. 이러한 계측을 여러 종류의 강괴에 대하여 마찬가지로 실시한다. 또한, 도 4에 도시하는 바와 같이, 바아재(2)로부터 채취하여 황지(3)를 압축한 후에 형 단조하는 경우에도 압축 전의 황지(3)(도 4의 (c))에 대해서만 상기 매크로 조직 시험을 실행하면 된다. 압축 전의 황지(3)에 대해 상기 매크로 조직 시험을 실시하는 것에 의해, 이 매크로 조직 시험의 계측 결과에 근거하여 황지(3)의 압축 공정에 대해서도 해석할 수 있기 때문이다.
<고스트부 위치 추정 공정>
상기 고스트부 위치 추정 공정에서는, 우선, 황지(3)로부터 강괴(1)로의 역해석을 실시하고, 상기 고스트부(5)의 계측 공정에서 계측한 황지(3)에 있어서의 고스트부(5)의 위치로부터, 단련 전의 강괴(1) 상태에 있어서의 고스트부(5)의 위치를 도출한다. 상기 역해석에는, 유동 응고 해석이나 일반적으로 알려져 있는 방법을 이용할 수 있다. 여러 종류의 강괴에 대해 상기 역해석을 실행함으로써, 강 종류마다 강괴(1)에 있어서의 고스트부(5)의 위치를 파악할 수 있다.
다음에, 형 단조용 금형에 삽입하기 직전의 황지(3) 내부의 위치의 형 단조 후의 변화를 해석하여 구하고, 상기 고스트부 계측 공정에서 계측한 실제의 매크로 위치의 변화와 비교한다. 상기 위치 변화의 해석은, 강 소성 유한 요소 해석에 의해, 온도를 실제의 단조시의 온도로 설정하고, 쿨롱 마찰의 마찰 계수(μ)를 조건에 의해 0.1 이상 0.4 이하로 하여 실행했다. 발명자들은, 상기 고스트부 계측 공정에서 계측한 실태(實態)의 메탈 플로우와 해석에 의한 메탈 플로우가 일치하도록 조건 설계하는 것에 의해, 형 단조 전후의 황지(3) 내부의 위치 변화가 정밀도 양호하게 추정할 수 있다는 것을 확인했다.
또한, 형 단조 전후의 황지(3) 내부의 위치 변화의 추정은, 상술한 해석에 의한 방법을 이용하는 대신에, 근사식을 이용하여 실행해도 좋다. 근사식을 이용하여 황지(3)의 내부의 위치 변화를 추정하는 방법에 대하여, 이하에 설명한다.
도 2의 (c) 및 도 2의 (f)에 도시하는 바와 같이, 아암(8)의 길이방향을 높이방향으로 하고, 또한 크랭크 스로우(4)의 핀축(6)측의 단부면을 높이방향의 기준으로 하고, 형 단조용 금형에 삽입하기 직전의 황지(3)의 높이 위치(0 이상 1 이하로 나타내는 무차원수)를 α로 한다. 또한, 형 단조된 크랭크 스로우(4)의 핀축(6)의 최상 위치를 기준으로 하여, 핀축(6)의 임의의 위치까지의 높이방향의 거리(임의의 높이 위치)를 z로 한다. 또한, 형 단조된 크랭크 스로우(4)의 두께방향의 중심을 기준으로 하여, 두께방향의 임의의 위치를 x(㎜), 형 단조된 크랭크 스로우(4)의 두께에 1/2를 곱한 것을 T(㎜)로 한다. 또한, 형 단조된 크랭크 스로우(4)의 아암(8)의 길이방향의 길이를 H1(㎜), 아암(8)의 길이방향에 대응하는 형 단조용 금형에 삽입하기 직전의 황지(3)의 길이를 H0(㎜), 형 단조된 크랭크 스로우(4)의 핀축(6)의 직경을 D(㎜)로 하는 경우, 형 단조용 금형에 삽입하기 직전의 황지(3)의 높이 위치(α)는 하기 수학식 3으로 나타낼 수 있다. 또한 하기 수학식 3에 있어서의 β는, 하기 수학식 6에 나타내는 바와 같이 핀축(6)부의 임의의 높이 위치(z)를 핀축(6)의 직경(D)에 대한 비로 나타내는 것이며, 하기 수학식 3에 있어서의 A(β)는, β의 값에 따라서, 하기 수학식 4 또는 수학식 5로 나타낸다. 따라서, 0＜β＜0.01일 때의 A(β)의 값은, 하기 수학식 4에 있어서의 A(0.01)의 값과 동일하다. 또한, 도 2의 (c) 및 도 2의 (f)에서는 메탈 플로우(9)를 파선으로 나타내고 있다
[수학식 3] α=f(z,x)={(D-z)+A(β)×(T-x)}/H1
[수학식 4] 0.01≤β≤1.0일 때, A(β)=0.2710×β-0.3321
[수학식 5] 0＜β＜0.01일 때, A(β)=0.2710×0.01-0.3321
[수학식 6] β=z/D
또한, 상기 수학식 4 내지 상기 수학식 6에서 나타내는 β(z/D)와 A(β)의 관계를 도 3에 도시한다. 도 3의 파선은, 상기 수학식 4 내지 수학식 6에서 얻어지는 β와 A(β)의 관계를 나타내고 있으며, 원형의 플롯은 실측값을 나타내고 있다. 이들에 의해, 상기 수학식 4 내지 수학식 6에서 나타내는 β와 A(β)가 실제의 황지(3) 내부의 위치 변화에 충분히 근사할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이것에 의해, 상기 수학식 4 내지 수학식 6을 이용하는 상기 수학식 3에 의해, 고정밀도로 형 단조 전후의 황지(3) 내부의 위치 변화의 추정이 가능하다고 말할 수 있다. 또한, 도 3으로부터, 핀축(6)의 최상 위치에 근접한 위치일수록 형 단조 전후의 황지(3) 내부의 위치 변화가 크다는 것을 알 수 있었다.
상기 근사식(3)을 이용함으로써, 해석을 실시하지 않아도 형 단조 전후의 위치 변화를 추정할 수 있으므로, 상기 수학식 3을 이용하여 형 단조 전의 황지(3) 내부의 고스트부(5)의 위치로부터, 형 단조 후의 크랭크 스로우(4) 내부의 고스트부(5)의 위치를 추정할 수 있다.
<강괴 조건 결정 공정>
상기 강괴 조건 결정 공정에서는, 상기 고스트부 위치 추정 공정에서 구한 형 단조 후의 크랭크 스로우(4) 내부의 고스트부(5)의 추정 위치에 근거하여, 고스트부(5)가 형 단조 후의 크랭크 스로우(4)의 필릿부(7) 근방에 배치되지 않도록, 크랭크 스로우(4)를 단조하기 위해서 강괴의 크기, 강괴의 형상, 강괴로부터 황지를 채취하는 위치 및 황지의 단조 방법을 결정한다.
황지의 단조 방법으로서는, 강괴로부터 채취한 황지를 압축한 후에 형 단조하는 방법(제 1 단조 방법), 및 강괴로부터 채취한 황지를 압축하지 않고 형 단조하는 방법(제 2 단조 방법)이 있다. 이들의 단조 방법에 대해서 이하에 설명한다. 또한, 제 1 단조 방법을 설명하는 도 4 및 제 2 단조 방법을 설명하는 도 5에서는 강괴(1)의 바닥부로부터 헤드부로 향하는 방향을 축방향으로 하여 일점쇄선으로 나타내고, 도 4의 (b) 내지 도 4의 (f) 및 도 5의 (b) 내지 도 5의 (e)의 각 도면에 도시하는 바아재 및 황지에 대해서도, 이 축방향에 대응하는 방향을 일점쇄선으로 나타내고 있다.
(제 1 단조 방법)
도 4의 (a)의 강괴(1)를 단련하여 도 4의 (b)의 바아재(2)로 하고, 가스 절단에 의해 축방향에 대해 수직으로 이 바아재(2)를 절단하여, 복수의 황지(3)를 채취한다. 다음에, 도 4의 (c)에 도시하는 황지(3)를, 도 4의 (d)에 도시하는 바와 같이 축방향으로 압하율 40% 이상 70% 이하로 압축한다. 그리고, 도 4의 (e)에 도시하는 바와 같이, 축방향이 단조 후의 크랭크 스로우(4)의 높이방향에 대하여 직각이 되는 방향으로, 압축 가공한 황지(3a)를 하부 금형에 삽입한다. 마지막으로, 도 4의 (f)에 도시하는 바와 같이 하부 금형(10)에 삽입한 황지(3a)를 상부 금형(11)으로 가압하는 것에 의해서 변형시켜, 크랭크 스로우(4)를 단조한다. 도 4의 (e) 및 도 4의 (f)에 도시하는 바와 같이, 상부 금형(11)에 가압되어 황지(3a)가 변형함에 따라서 황지(3a) 내부의 고스트부(5)의 위치가 변화한다.
(제 2 단조 방법)
도 5의 (a)의 강괴(1)를 단련하여 도 5의 (b)의 바아재(2)로 하고, 가스 절단에 의해 축방향에 대해 수직으로 이 바아재(2)를 절단하여, 복수의 황지(3)를 채취한다. 다음에, 도 5의 (c)에 도시하는 바와 같이 황지(3)를 압축 가공하지 않고, 도 5의 (d)에 도시하는 바와 같이, 축방향이 단조 후의 크랭크 스로우(4)의 높이방향에 대하여 직각이 되는 방향으로, 황지(3)를 하부 금형(10)에 삽입한다. 마지막으로, 도 5의 (e)에 도시하는 바와 같이 하부 금형(10)에 삽입한 황지(3)를 상부 금형(11)으로 가압하는 것에 의해 변형시켜, 크랭크 스로우(4)를 단조한다. 도 5의 (d) 및 도 5의 (e)에 도시하는 바와 같이, 상부 금형(11)에 가압하여 황지(3)가 변형함에 따라서 황지(3) 내부의 고스트부(5)의 위치가 변화한다.
<단조 공정>
상기 단조 공정에서는, 상기 강괴 조건 결정 공정에서 결정한 크기 및 형상의 강괴(1)를 주조하고, 상기 강괴 조건 결정 공정에서 결정한 채취 위치에 따라서 강괴(1)로부터 황지(3)를 채취한다. 그리고, 상기 강괴 조건 결정 공정에서 결정한 황지의 단조 방법으로, 황지(3)로부터 크랭크 스로우(4)를 단조한다. 상기 단조 공정, 상기 강괴 조건 결정 공정에서 결정한 조건에 따라서 크랭크 스로우(4)를 단조하므로, 단조된 크랭크 스로우(4)의 필릿부(7) 근방에 고스트부(5)가 배치되지 않으며, 피로 강도가 높은 크랭크 스로우(4)를 단조할 수 있다.
또한, 강괴(1)로부터 채취한 황지(3)를 형 단조하여 크랭크 스로우(4)를 단조할 때, 황지(3)의 길이 H0(㎜), 아암(8)의 길이방향의 길이 H1(㎜), 및 형 단조 후의 핀축(6)의 직경 D(㎜)가 하기 수학식 1 및 수학식 2를 만족하는 것이 바람직하다.
[수학식 1] 1.02＜H1/H0＜1.25
[수학식 2] 0.23＜D/H1＜0.45
상기 H1/H0가 상기 수학식 1의 하한 이하인 경우, 핀축(6)의 직경이 소망의 사이즈가 되도록 단조하는 것이 곤란해질 우려가 있다. 한편, 상기 H1/H0이 상기 수학식 1의 상한 이상인 경우, 형 단조 전후의 고스트부(5)의 위치의 변화량이 커져서, 필릿부(7) 근방으로부터 고스트부(5)를 멀리하기 어렵게 될 우려가 있다.
상기 D/H1가 상기 수학식 2의 하한 이하인 경우, 형 단조 전후의 고스트부(5)의 위치의 변화량이 커지고, 필릿부(7) 근방으로부터 고스트부를 멀리하기 어렵게 될 우려가 있다. 한편, 상기 D/H1이 상기 수학식 2의 상한 이상인 경우, 조립형의 크랭크축에 적합한 형상의 크랭크 스로우를 형성할 수 없을 우려가 있다.
따라서, 상기 수학식 1 및 수학식 2를 만족하도록 황지(3)로부터 크랭크 스로우(4)를 형 단조함으로써, 단조 후의 크랭크 스로우(4)의 필릿부(7) 근방에 고스트부(5)가 배치되는 것을 확실하게 방지할 수 있어, 크랭크 스로우(4)의 피로 강도를 확실하게 향상시킬 수 있다.
<크랭크 스로우의 단조 방법의 흐름>
해당 크랭크 스로우의 단조 방법의 일 실시형태의 흐름을 도 6에 나타낸다. 이하, 이 흐름에 대하여 설명한다.
우선, 단조하는 크랭크 스로우에 기계 가공값을 부여한 형상을 목표 단조 형상으로서 결정한다(단계(S1)).
다음에, 단계(S1)에서 결정한 목표 단조 형상의 체적을 결정한다(단계(S2)).
다음에, 단계(S1)에서 결정한 목표 단조 형상에 근거하여 강괴의 강 종류 및 형상을 결정한다(단계(S3)). 이 때, 상기 고스트부 계측 공정의 매크로 조직 시험의 계측 결과에 근거하여, 결정한 강괴 내부에 있어서의 고스트부의 위치를 파악한다.
다음에, 단계(S3)에서 파악한 강괴 내부의 고스트부의 위치를 고려하여 황지의 단조 방법을 결정한다(단계(S4)). 단계(S3)에서는, 예를 들면 황지의 단조 방법으로, 상기 제 1 단조 방법을 이용할지 제 2 단조 방법을 이용할지를 결정한다.
다음에, 상기 고스트부 위치 추정 공정의 해석 또는 상기 근사식 3을 이용하여, 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 메탈 플로우를 추정한다(단계(S5)).
메탈 플로우 추정 후, 형 단조 후의 크랭크 스로우의 매크로 조직을 계측하여, 필릿부 근방에 고스트부가 존재하지 않은지 조사한다(단계(S6)). 이 때, 필릿부 근방에 고스트부가 존재하는 경우, 단계(S3) 또는 단계(S4)로 되돌아온다. 예를 들면, 이 때의 크랭크 스로우의 형상으로는 황지의 단조 방법을 변경하여도 고스트부를 필릿부 근방으로부터 멀리할 수 없다고 판단한 경우에는, 단계(S3)로 되돌아와, 강괴의 선택을 다시 한다. 또한, 황지의 단조 방법의 변경에 의해 고스트부를 필릿부 근방으로부터 멀리할 수 있을 가능성이 있다고 판단한 경우에는, 단계(S4)로 되돌아와, 예를 들면 황지의 단조 방법을 상기 제 2 단조 방법으로부터 제 1 단조 방법으로 변경한다.
상기 단계(S3) 내지 단계(S6)를 반복하여, 단계(S6)에서 필릿부 근방에 고스트부가 존재하지 않는 것이 확인된 경우, 그때의 강괴의 크기, 강괴의 형상, 강괴로부터 황지를 채취하는 위치 및 황지의 단조 방법이 크랭크 스로우를 단조하기 위해서 적절하다고 하고, 크랭크 스로우를 단조하기 위한 강괴의 크기, 강괴의 형상, 강괴로부터 황지를 채취하는 위치 및 황지의 단조 방법을 결정한다. 그 후, 여기서 결정한 강괴의 크기, 강괴의 형상, 강괴로부터 황지를 채취하는 위치 및 황지의 단조 방법을 이용하여 크랭크 스로우를 단조한다. 또한, 동일한 크랭크 스로우이면, 그 후 단계(S1) 내지 단계(S6)의 처리를 실행하는 일 없이, 동일한 강괴의 크기, 강괴의 형상, 강괴로부터 황지를 채취하는 위치 및 황지의 단조 방법을 이용하여 뛰어난 피로 강도를 갖는 크랭크 스로우를 반복하여 단조할 수 있다.
[이점]
해당 크랭크 스로우의 단조 방법은, 형 단조 전의 황지 내부의 위치 또는 강괴 내부의 위치로부터 대응하는 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 위치를 구하는 관계(상기 해석 또는 근사식)에 근거하여, 형 단조 전의 황지 내부의 고스트부의 위치로부터 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 위치를 추정할 수 있으므로, 크랭크 스로우를 단조하기 위한 황지를 강괴로부터 적절히 채취할 수 있다. 이것에 의해, 대형의 강괴를 사용하는 경우에도 피로 강도에 뛰어난 크랭크 스로우를 단조할 수 있다.
또한, 해당 크랭크 스로우의 단조 방법은, 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 위치를 추정할 수 있으므로, 필릿부 근방에 고스트부가 배치되는 것이 방지되어, 피로 강도가 높은 크랭크 스로우를 단조할 수 있다.
〔크랭크 스로우의 제조 방법〕
해당 크랭크 스로우의 제조 방법은, 1개의 강괴로부터 복수의 황지를 채취하는 공정(황지 채취 공정)과, 상기 크랭크 스로우의 단조 방법에 의해서, 상기 복수의 황지로부터 복수의 크랭크 스로우를 단조하는 공정(크랭크 스로우 단조 공정)을 구비한다.
<황지 채취 공정>
상기 황지 채취 공정에서는, 상기 강괴 조건 설정 공정에서 결정한 황지의 채취 위치에 따라서, 대형의 강괴로부터 복수의 황지를 채취한다.
<크랭크 스로우 단조 공정>
상기 크랭크 스로우 단조 공정에서는, 상기 크랭크 스로우의 단조 방법을 이용하여, 채취한 황지마다 크랭크 스로우를 단조한다. 상기 황지 채취 공정에서 채취한 황지는, 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 추정 위치에 근거하여 강괴로부터 채취한 것이므로, 이 황지로부터 단조한 크랭크 스로우의 필릿부 근방에는 고스트부가 존재하지 않는다. 따라서, 어느 황지로부터도 피로 강도에 뛰어난 크랭크 스로우를 단조할 수 있다.
[이점]
해당 크랭크 스로우의 제조 방법은, 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 추정 위치에 근거하여 크랭크 스로우를 단조하기 위한 복수의 황지를 강괴로부터 채취하므로, 대형의 강괴로부터 피로 강도가 뛰어난 복수의 크랭크 스로우를 제조할 수 있어, 생산성이 향상된다.
〔실시예〕
이하, 실시예에 의해서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니다.
[고스트부의 위치 제어의 확인]
상기 제 1 단조 방법 및 제 2 단조 방법으로 실제로 황지를 단조하고, 해당 크랭크 스로우 단조 방법에 의해 고스트부의 위치 제어를 할 수 있는지 확인했다. 구체적으로는, 이들 2개의 단조 방법으로 크랭크 스로우를 제조한 후, 크랭크 스로우를 절단하고, 매크로 조직 시험을 실행하여 고스트부의 위치를 확인했다. 그리고, 상기 고스트부 위치 추정 공정에서 추정한 크랭크 스로우 고스트부의 위치와 실제의 고스트부의 위치를 비교했다.
<확인 결과>
상기 고스트부 위치 추정 공정에서 해석에 의해 추정한 크랭크 스로우의 고스트부의 위치 및 근사식에 의해 추정한 크랭크 스로우의 고스트부의 위치와 함께, 상기 제 1 단조 방법 및 제 2 단조 방법으로 단조한 크랭크 스로우의 고스트부의 어느 위치와도 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이것에 의해, 해당 크랭크 스로우 단조 방법에 의해 고스트부의 위치 제어를 할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 이러한 확인에 의해 이하의 것을 알 수 있었다.
단조 전에 황지를 압축하는 제 1 단조 방법으로 크랭크 스로우를 단조한 경우, 제 2 단조 방법으로 크랭크 스로우를 단조하는 경우에 비하여, 고스트부(5)를 필릿부(7) 근방으로부터 멀리할 수 있었다. 이것에 의해, 예를 들면 110t 정도의 대형 강괴인 경우, 고스트부의 발생 영역이 넓기 때문에, 이 단조 방법을 이용하는 것이 유효하다고 할 수 있다. 단, 제 1 단조 방법으로 크랭크 스로우를 단조하는 경우, 제 2 단조 방법에 비하여 공정수가 증가된다.
한편, 형 단조 전에 황지(3)의 압축을 실행하지 않아도 고스트부(5)를 단조 후의 크랭크 스로우(4)의 필릿부(7) 근방으로부터 멀어질 수 있는 경우는, 상기 제 2 단조 방법에 의해 피로 강도에 뛰어난 크랭크 스로우를 제조할 수 있다고 말할 수 있다.
[고스트부가 피로 강도에 미치는 영향의 확인]
고스트부에는, 피로 강도에 영향을 미치는 개재물이 존재하고 있으며, 이 개재물의 존재에 의해 제품의 피로 강도가 저하된다고 일컬어지고 있다. 그래서, 개재물이 피로 강도에 미치는 영향을 확인하기 위해서, 제조된 크랭크 스로우로부터 피로 강도편을 제작하여, 피로 시험을 실행했다.
이 피로 시험의 결과를 도 7의 그래프에 나타낸다. 도 7의 그래프는 개재물의 사이즈를 나타내는 √면적과 피로 강도비의 관계를 나타내고 있다. 구체적으로는, 피로 시험편을 광학 현미경으로 관찰하고, 개재물의 장변과 장변에 직교하는 단변을 곱한 것의 평방근을 개재물 면적의 평방근(√면적)으로 하고, 그 √면적의 평균값과 피로 강도의 평균값을 도 7의 그래프 플롯했다. 또한, 도 7의 세로축은 √면적=105일 때의 평균 피로 강도(Mpa)를 1로 하고, 이 강도에 대한 각 평균 피로 강도의 비를 나타내고 있다. 이 결과로부터, 고스트부를 회피하는 것에 의해 높은 피로 강도를 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
(산업상 이용가능성)
이상 설명한 바와 같이, 해당 크랭크 스로우의 단조 방법, 크랭크 스로우의 제조 방법 및 크랭크 스로우는 크랭크 스로우의 피로 강도를 향상시킬 수 있고, 또한 생산성이 높아지므로, 선박용의 조립형의 대형 크랭크축 등으로서 유용하다.
1 : 강괴 2 : 바아재
3 : 황지 3a : 압축 가공한 황지
4 : 크랭크 스로우 5 : 고스트부
6 : 핀축 7 : 필릿부
8 : 아암 9 : 메탈 플로우
10 : 하부 금형 11 : 상부 금형

Claims (4)

  1. 조립형 크랭크축용의 크랭크 스로우를 강괴의 형 단조에 의해 형성하는 크랭크 스로우의 단조 방법에 있어서,
    강괴로부터 채취한 황지 내부의 불건전 영역인 고스트부의 위치와, 상기 황지를 형 단조한 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 위치를 계측하는 공정과,
    상기 계측 결과에 근거하여, 형 단조 전의 황지 내부의 위치 또는 강괴 내부의 위치로부터 대응하는 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 위치를 구하는 관계를 구하고, 이 관계에 근거하여, 형 단조 전의 황지 내부의 고스트부의 위치로부터, 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 위치를 추정하는 공정과,
    상기 형 단조 후의 크랭크 스로우 내부의 고스트부의 추정 위치에 근거하여, 고스트부가 형 단조 후의 크랭크 스로우의 필릿부 근방에 배치되지 않도록, 강괴의 크기, 강괴의 형상, 강괴로부터 황지를 채취하는 위치 및 황지의 단조 방법을 결정하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는
    크랭크 스로우의 단조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    아암의 길이방향에 대응하는 황지의 길이를 H0(㎜), 상기 황지의 형 단조 후의 아암의 길이방향의 길이를 H1(㎜), 형 단조 후의 핀축의 직경을 D(㎜)라고 했을 경우, 하기 수학식 1 및 하기 수학식 2를 만족하도록 황지를 단조하는
    크랭크 스로우 단조 방법.
    [수학식 1] 1.02＜H1/H0＜1.25
    [수학식 2] 0.23＜D/H1＜0.45
  3. 1개의 강괴로부터 복수의 황지를 채취하는 공정과,
    제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 크랭크 스로우의 단조 방법에 의해, 상기 복수의 황지로부터 복수의 크랭크 스로우를 제조하는 공정을 구비하는
    크랭크 스로우의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 기재된 크랭크 스로우의 제조 방법에 의해 제조된
    크랭크 스로우.
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