KR20150143975A

KR20150143975A - 냉각 단조용 금형 및 커플러 제조용 냉간 단조 장치

Info

Publication number: KR20150143975A
Application number: KR1020140072373A
Authority: KR
Inventors: 최용식; 박정현
Original assignee: 최용식
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2015-12-24

Abstract

냉간 단조 금형 및 장치가 개시된다. 이는 외부 케이스와, 외부 케이스에 삽입되고 단조물의 성형홀을 제공하는 내측 다이를 포함하고, 내측 다이는 적어도 성형홀의 내벽면이 초경합금으로 이루어진다. 또한 외부 케이스에 결합되어 상기 내측 다이를 지지하는 받침부가 더 구비된다. 바람직하게는 내측 다이는 링케이스와 링케이스에 삽입되어 각각 성형홀의 일부를 제공하는 상체부와 하체부를 포함하며, 이들 상체부와 하체부는 초경합금으로 제조된다.

Description

냉각 단조용 금형 및 커플러 제조용 냉간 단조 장치{COLD FORGING MOLD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING COUPLER}

본 발명은 냉간 단조 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고강도 초경합금을 적용하여 커플러와 같은 단조 가공물의 품질을 향상시키고 비용을 절감할 수 있는 냉각 단조용 금형 및 커플러 제조용 냉간 단조 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 기계 부품의 제조 및 가공에는 용도에 따라 또는 필요에 따라 주조, 절삭, 또는 단조가 선택적으로 적용될 수 있다.

이를 테면, 철근이음용 커플러와 같은 부품은 현재 일반적으로는 절삭 방식을 이용하여 제조되고 있다. 그러나 절삭 방식은 상대적으로 많은 과정을 거쳐야 하기 때문에 생산성이 좋지 못하다. 예를 들어, 바(bar)형의 원소재를 절단한 후, 면취기를 이용한 면취가공, 선반을 이용한 내외경 절삭, 육각가공, 태핑기를 이용한 내경 탭 가공 등의 과정을 거쳐야 한다. 특히, 대구경(외경 51mm) 이상의 대구경 커플러 수요 증대에 따른 대응에는 이러한 절삭 방식은 적합하지 못하다고 할 수 있다.

이를 해결 하기 위해, 커플러 제작에 냉각 단조 공법을 적용할 수 있다. 냉각 단조 공법을 커플러 제작에 적용할 경우 와이어 로드 소재를 사용하여 공정을 대폭 단축할 수 있다.

따라서, 대구경 커플러 제조를 위한 냉간 금형의 개발이 요구되고 있고, 나아가 기존의 일반적인 냉간 단조용 금형에서의 핀(pin) 파손 등의 문제점을 해결하여 사용 수명을 연장시킬 필요가 있다.

PCT/KR2013/001461

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 감안한 것으로서, 사용수명이 긴 냉간 단조 금형을 제공한다.

본 발명은 대구경 커플러의 단조 제조에 적합한 냉간 단조 장치를 제공한다.

본 발명은 냉간 단조 금형을 제공하며, 이는: 외부 케이스; 및 외부 케이스에 삽입되고 단조물의 성형홀을 제공하는 내측 다이;를 포함하고, 내측 다이는 적어도 성형홀의 내벽면이 초경합금으로 이루어진다.

외부 케이스에 결합되어 내측 다이를 지지하는 받침부를 더 포함한다.

내측 다이는: 링케이스; 링케이스 내에 성형홀의 일부를 제공하도록 장착된 상체부; 및 링케이스 내에 성형홀의 일부를 제공하도록 상체부의 아래에 장착된 하체부;를 포함한다.

하체부는 상체부 보다 경도가 높을 수 있다.

본 발명은 또한 커플러 제조용 냉간 단조 장치를 제공하며, 이는: 단조물을 면취가공하는 1차 다이; 면취가공된 단조물을 압축가공하는 2차 다이; 압축가공된 단조물에 피어싱의 일부분을 형성하는 3차 다이; 피어싱을 완성하는 4차 다이; 및 피어싱이 완성된 단조물의 외면에 육각 형상을 형성하는 5차 다이;를 포함한다.

1차 내지 3차 다이 중 어느 하나는: 외부 케이스; 및 외부 케이스에 삽입되고 단조물의 성형홀을 제공하는 내측 다이;를 포함하고, 내측 다이는 성형홀의 일부를 제공하는 상체부와 상체부 아래에서 성형홀의 일부를 제공하는 하체부와 상체부 및 하체부를 둘러싸도록 배치되는 링케이스를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 기존의 절삭 공정에 의한 제조보다 훨씬 단축된 공정을 통해 대구경 커플러 등을 제조할 수 있다. 또한 내측 다이에서 단조물과 접촉하는 부위에 초경합금을 적용하고, 나아가 내측 다이를 상체부와 하체부로 분리하여 구성함으로써 개별적인 교체가 가능하다. 따라서 다이에 손상이 발생되더라고 해당 부부분만을 교체할 수 있기 때문에 결과적으로 금형의 수명을 연장할 수 있다. 특히, 기존의 대구경(51mm이상) 커플러의 경우 환봉을 절삭하여 생산함으로써 제품생산에 있어 구멍의 편심, 형상, 위치 등에서 공차가 크게 발생할 뿐만 아니라 생산성 저하, 작업자의 안전성 또한 문제가 있었지만, 본 발명의 단조 금형 및 단조 장치를 이용하면 이러한 문제점이 해결된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉간 단조 금형을 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 냉간 단조 장치에 채용되는 다수개의 냉간 단조 다이 및 펀치를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 냉간 단조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4b는 상술한 일체형 냉간 단조 장치에서 커플러, 특히 대구경 커플러가 제조되는 과정을 개략적으로 시뮬레이션한 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 각 다이에서 형성된 단조물을 개략적으로 시뮬레이션한 도면이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

먼저 간략히 설명하면, 본 발명은 예를 들어 대구경의 커플러와 같은 기계 부품의 제조에 적합한 냉간 단조 금형과 단조 장치에 관한 것이다. 본 발명의 냉간 단조 금형은 단조 가공물과 접촉하는 내측 다이에 고강도의 초경합금을 채용한다. 나아가 초경합금으로 이루어지는 내측 다이를 상체부와 하체부로 분리하여 구성함으로써 개별적으로 교체가능하다. 또한 실질적으로 많은 충격이 가해지는 내측 다이의 하체부를 상대적으로 경도가 더 높은 초경합금으로 적용할 수도 있다. 이러한 구성은 사용 중에 하체부 또는 상체부가 손상되더라도 해당 부분만 별도로 교체하여 사용할 수 있기 때문에, 기존의 금형에 비해 사용 수명이 대폭적으로 증가된다. 이와 같은 본 발명의 냉간 단조 금형은 많은 과정이 요구되는 절삭방식은 물론 기존의 금형을 이용하는 종래의 단조방식 보다도 월등한 생산성 및 경제성을 가질 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉간 단조 금형을 도시한 단면도이다. 참고적으로, 커플러을 제작하기 위한 냉간 단조 공정 및 그에 적용되는 장비는 5단계의 냉간 단조 다이스로 이루어지며, 도 1에 도시된 금형은 그 중의 2번 다이에 해당된다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉간 단조 금형은 외부 케이스(11)와 그에 삽입된 내측 다이(12)를 포함한다. 바람직하게 내측 다이(12)에 있어서 적어도 단조물과 접촉하는 부위에는 초경합금을 적용하게 된다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 외부 케이스(11)는 내측 다이(12)가 삽입되는 홀을 제공한다. 이러한 외부 케이스(11)는 일반적인 금형강 소재로 제조될 수 있는데, 예를 들어 고속도강이 적용될 수 있다.

내측 다이(12)는 도시한 바와 같이 상체부(121), 하체부(122), 및 링케이스(123)를 포함한다. 상체부(121)와 하체부(122)는 단조물이 성형되는 성형홀(124)을 제공한다. 구체적으로 살펴보면, 상체부(121)와 하체부(122)는 링케이스(123)의 상부와 하부에 각각 압입되어 각각 성형홀(124)의 일부를 제공한다.

따라서 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 외부 케이스(11), 링케이스(123), 상체부(121), 하체부(122)는 통형, 예를 들어 원통형일 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 내측 다이(12)의 상체부(121)와 하체부(122)는 적어도 성형홀(124)의 내벽면, 즉 단조물과 접촉하는 면이 초경합금으로 이루어질 수 있으며, 이를 위해, 상체부(121)와 하체부(122)는 원통형 초경합금을 가공하여 제조될 수 있다.

또한 후술하는 바와 같이 실질적으로 더 많은 충격이 가해지는 하체부(122)가 상체부(121) 보다 경도가 높은 초경합금일 수 있는 데, 예를 들어 상체부(121)와 하체부(122)는 각각 G7계열과 G5계열의 초경합금으로 제조할 수 있다.

링케이스(123)는 상체부(121)와 하체부(122)를 둘러싸면서 지지하는 요소로서, 상체부(121)와 하체부(122)가 삽입되는 홀을 제공한다. 후술되는 바와 같이 금형의 제작에 있어서는 상체부(121)와 하체부(122)가 링케이스(123)의 홀에 삽입된 상태에서 외부 케이스(11)의 홀에 삽입된다. 이러한 링케이스(123)는 예를 들어 고속도강으로 제조될 수 있다.

본 발명의 냉간 단조 금형은 받침부(13)를 더 포함할 수 있다. 이러한 받침부(13)는 외부 케이스(11)에 있어서 하부 위치에 결합되어 내측 다이(12)를 지지한다.

이상과 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉간 단조 금형은 단조물과 접촉되는 내측 다이(12)에 초경합금을 적용함으로써 사용 수명이 길고, 나아가 내측 다이(12)를 2등분으로 분리하여 부분적인 교체가 가능하다. 따라서 더욱 장시간 사용이 가능하다. 더구나, 커플러의 제조에 적용하는 경우에, 기존의 절삭 공정을 통해 커플러를 제조하는 과정 보다 획기적으로 과정을 축소할 수 있기 때문에 생산성이 대폭 향상될 수 있다.

냉간 단조 금형의 제조

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉간 단조 금형의 제작을 위해서는 먼저 외부 케이스(11), 내측 다이(12), 받침부(13) 등의 요소들을 각각 가공한 후에 그들을 순서에 따라 조립한다. 참고적으로, 아래에 기재된 치수들은 예시적인 것으로서, 본 발명의 냉간 단조 금형이 여기에 기재된 치수에 한정되는 것이 아니다.

- 내측 다이(12)의 상체부(121) 및 하체부(122): 외경 Φ100, 길이 144mm, 및 내경 Φ40의 규격을 가진 초경 소결체를 연마공정으로 내경, 외경 및 평면구간을 가공한다.

- 링케이스(123): 1차 가공으로 선반공정에서 홀(내경), 외경, 평면구간을 가공한다. 이때 2차 가공공차를 위하여 +2mm의 여유치수를 미 가공할 수 있다. 2차 선반가공을 하기 전에 SKD - 61종의 특수강의 경도(HRC)를 높이기 위하여 열처리를 한 후 선반가공으로 압입공차 약 55% (0.055mm) 수준으로 내경을 가공할 수 있다.

- 외부 케이스(11) 및 받침부(13): 상, 하체부(121, 122)가 링케이스(123)에 압입되어 형성된 내측 다이(12)가 외부 케이스(11)에 압입되며, 외부 케이스(11)는 냉간 압입 조건을 충족 할 정도의 압입 공차를 가지도록 가공한다.

- 1차 압입: 가공된 링케이스(123)를 압입로(전기로)에서 약 350˚C의 온도로 3~4시간을 가열한 후, 가공된 상체부(121) 및 하체부(122)를 압입함으로써 내측 다이(12)를 형성한다.

- 2차 압입: 냉간압입 공차를 가지도록 가공된 외부 케이스(11)에 프레스를 이용하여 내측 다이(12)와 받침대 역할을 하는 받침부(13)를 같이 압입한다.

- 정밀가공: 2차 압입까지 완료된 상태에서 선반, CNC선반, 방전, 연마, 표면처리 등의 공정을 수행한다.

여기서, 내측 다이(12)의 상체부(121)와 하체부(122)의 가공에는 예를 들어 연마 가공과 래핑 가공을 채용할 수 있고, 기타 요소들에 적용되는 공구강의 가공에는 선반 및 CNC 선반을 이용한 가공을 채용할 수 있다.

일체형 냉간 단조 장치 제조

본 발명의 냉간 단조 금형은 상술한 바와 같이 대구경 커플러의 제작에 바람직하게 이용될 수 있고, 이를 위해 다수개의 다이(die)를 일체형으로 결합한 냉간 단조 장치로 제작될 수 있다.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 냉간 단조 장치에 채용되는 다수개의 냉간 단조 다이 및 펀치를 도시한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 냉간 단조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 참고적으로, 도 1에 도시한 냉간 단조 금형은 여기 일체형 냉간 단조 장치에서 2번 다이에 해당한다. 도면에서, 1번 내지 3번 다이는 유사한 구조를 가지며, 이해의 편의를 위해 유사한 요소에 대해서는 도 2의 금형과 동일한 도면부호를 부여하였다.

- 1번 다이(1): 도 2a에 도시한 1번 다이는 단조물의 예비형성이 이루어지는 1차 냉간 단조 다이로서, 가공물의 대략적인 사이즈를 만들어 준다. 1번 다이는 도 1에서 설명한 금형과 마찬가지로, 외부 케이스(11), 내측 다이(12)의 상체부(121), 하체부(122) 및 링케이스(123), 그리고 받침부(13)를 포함한다.

- 2번 다이(2): 도 2b에 도시한 1번 다이는 단조물의 예비형성이 이루어지는 1차 냉간 단조 다이스로서, 가공물의 대략적인 사이즈를 만들어 준다. 2번 다이는 도 1에서 설명한 금형에 해당한다.

- 3번 다이(3): 단조물의 예비형성이 이루어지는 3차 냉간 단조 다이스로서, 가공물의 대략적인 사이즈와 피어싱의 일부분을 형성한다. 3번 다이는 도 1에서 설명한 금형과 마찬가지로, 외부 케이스(11), 내측 다이(12)의 상체부(121), 하체부(122) 및 링케이스(123), 그리고 받침부(13)를 포함한다.

- 4번 다이(4): 단조물의 피어싱을 만들어 주는 4차 냉간 단조 다이스이다. 4번 다이는 외부 케이스(11)와 내측 다이(12)를 포함한다.

- 5번 다이(5): 단조물의 상부의 육각부분을 만들어 주는 5차 냉간 단조 다이스이다. 외부 케이스(11)와 내측 다이(12)를 포함한다. 외부 케이스(11)와 내측 다이(12)를 포함한다.

- 5번 펀치(PUNCH): 5차 냉간 단조 펀치로서, 5번 다이의 단조물 반대쪽에 육각부분을 만들어 준다. 외부 케이스(11)와 내측 다이(12)를 포함한다.

이상의 설명에서, 1 내지 4 다이에서 사용되는 펀치에 대한 도시는 생략되었다. 이러한 1번 다이 내지 3번 다이들은 상술한 바와 같이 내측 다이(12)의 상체부(121)와 하체부(122)에 예를 들어 초경합금(G7, G5 계열)을 적용하고, 외부 케이스(11)와 링케이스(123)에 SKD-61종(고속도강) 소재를 적용할 수 있다. 또한 받침부(13)는 예를 들어 압연강 SK11을 적용할 수 있다. 재종 선택은 열과 변형에 강한 재종을 선택하는데, 이는 조립 공차가 0.5~1㎛의 범위 내에 있도록 하기 위함이다.

이상의 다이들은 도 3과 같이 결합되어 일체형 금형 장치로 제작되며, 이를 이용하여 대구경 커플러를 제작할 수 있다.

커플러 제조

도 4a 내지 도 4b는 상술한 일체형 냉간 단조 장치에서 커플러, 특히 대구경 커플러가 제조되는 과정을 개략적으로 시뮬레이션한 도면이다. 여기서, 좌측은 변형 전을 나타내고, 우측은 변형 후를 나타낸다. 도 5a 내지 도 5d는 각 다이에서 형성된 단조물을 개략적으로 시뮬레이션한 도면이다.

먼저, 도 4a와 같이 1번 다이(1)에서 면취가공이 이루어지며, 단조물은 도 5a와 같은 형상으로 변형된다.

다음에, 도 4b와 같이 2번 다이에서 압축가공이 이루어지며, 단조물은 도 5b와 같은 형상으로 변형된다.

계속하여, 도 4c와 같이 3번 다이에서 전체적으로 대략적인 사이즈를 갖추게 되며, 피어싱의 일부가 형성된다. 단조물은 도 5c와 같은 형상으로 변형된다.

이어 도 4d와 같이 4번 다이에서 피어싱이 완성되며, 단조물은 5d와 같은 형상을 가지게 된다.

마지막으로, 5번 다이에서 단조물의 육각부분이 형성된다(미도시).

이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

1: 1번 다이 2: 2번 다이
3: 3번 다이 4: 4번 다이
5: 5번 다이 11: 외부 케이스
12: 내측 다이 121: 상체부
122: 하체부 123: 링케이스
124: 성형홀 13: 받침부

Claims

냉간 단조 금형으로서:
외부 케이스; 및
상기 외부 케이스에 삽입되고 단조물의 성형홀을 제공하는 내측 다이;를 포함하고,
상기 내측 다이는 적어도 상기 성형홀의 내벽면이 초경합금으로 이루어진 것인, 냉간 단조 금형.
청구항 1에 있어서,
상기 외부 케이스에 결합되어 상기 내측 다이를 지지하는 받침부를 더 포함하는, 냉간 단조 금형.
청구항 1에 있어서, 상기 내측 다이는:
링케이스;
상기 링케이스 내에 상기 성형홀의 일부를 제공하도록 장착된 상체부; 및
상기 링케이스 내에 상기 성형홀의 일부를 제공하도록 상기 상체부의 아래에 장착된 하체부;를 포함하는, 냉간 단조 금형.
청구항 3에 있어서,
상기 하체부는 상기 상체부 보다 경도가 높은 것인, 냉간 단조 금형.
커플러 제조용 냉간 단조 장치로서:
단조물을 면취가공하는 1차 다이;
면취가공된 단조물을 압축가공하는 2차 다이;
압축가공된 단조물에 피어싱의 일부분을 형성하는 3차 다이;
피어싱을 완성하는 4차 다이; 및
피어싱이 완성된 단조물의 외면에 육각 형상을 형성하는 5차 다이;를 포함하는, 커플러 제조용 냉간 단조 장치.
청구항 5에 있어서, 상기 1차 내지 3차 다이 중 어느 하나는:
외부 케이스; 및
상기 외부 케이스에 삽입되고 단조물의 성형홀을 제공하는 내측 다이;를 포함하고,
상기 내측 다이는 상기 성형홀의 일부를 제공하는 상체부와 상기 상체부 아래에서 상기 성형홀의 일부를 제공하는 하체부와 상기 상체부 및 하체부를 둘러싸도록 배치되는 링케이스를 포함하는 것인, 커플러 제조용 냉간 단조 장치.