KR20200025416A - 소형 u형 바 냉간 압연 기술 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형 u형 바 냉간 압연 기술에 관한 것으로, 특히 기계나 전자 제품 등에 사용되는 u형 바를 생산하기 위해, 사면 롤러의 4개의 롤러를 이용하여 상하좌우를 동시에 압연하는 정밀 이형체 생산 기술을 이용하는 냉간 압연 기술에 관한 것이다.

Description

소형 u형 바 냉간 압연 기술{SMALL U TYPE BAR COLD STRIP TECHNOLOGY}

본 발명은 소형 u형 바 냉간 압연 기술에 관한 것으로, 특히 기계나 전자제품등에 사용되는 소형 u형 바를 생산하기 위해 4개의 롤러를 이용하여 정밀 이형체 생산기술을 활용하는 냉간 압연 기술에 관한 것이다.

일반적으로 압연이라 함은 재결정 온도 이하로 회전하는 2개의 롤러 사이에 재료를 통과시켜 성형하는 가공법을 말한다. 그 중에서도 냉간 압연은 재료의 재결정온도 이하의 온도에서 하는 압연 가공을 말한다. 보통은 실온에서 압연하지만 박판과 같이 표면이 좋은 판재를 필요로 할 때에는 반드시 냉간 압연을 한다.

상기 냉간 압연 기술은 각종 금속을 소성 가공하여 원하는 형태로 각종 부품 소재를 생산하며, 상기 소성 가공 분야는 신선 압출 주조 다이캐스팅 압연 등 다양한 가공 방법으로 분류된다. 본 발명의 소형 프로파일(Profile)에 속하는 u형 바는 특히 스테인레스, 티타늄 등의 고장력 금속은 열간 압연으로는 규격이나 표면 조도 등이 품질에 못 미치는 실정이다. 따라서 품질을 향상하기 위해서는 열간 압연 설비에서 공정을 거쳐야 가능하다는 결과이다.

즉, IT 정밀 기계산업 의료기기, 기타 엄격한 스펙이 요구되는 소형 u 형 바와 같은 프로파일 제품은 특수 압연 설비와 각 공정의 패스(가공;Pass) 스케쥴 그리고 적정 압하율에 의한 고도의 압연 기술이 요구된다. 또한, 저온 롤링으로 상온에서 냉재를 변경시키는 특수 압연기와 공정 중, 가공 경화상태를 열처리에 의한 어니얼링(Annealing) 처리가 절대적이며 수평 수직의 동시성 가공으로 진행되어야만 목적하는 품질이 좋은 제품을 생산할 수 있으며, 아울러 경제성이 있는 양산 체제를 확립할 수 있다.

통상 정밀한 소형 u형 바 프로파일은 4개의 롤러를 가진 사면 롤러를 회전하여 회전 롤러 금형에 의한 구경 설계와 4면 동시 가공되는 턱스 밀(Turks mill)에서 여러 과정을 지나면서 즉, 여러 과정에서 소재의 굵기를 점차로 줄이면서 완제품의 모양과 차수에 가깝게 만드는 조 압연, 중간 압연, 조 압연된 소재를 규정된 두께 및 폭으로 최종 압연하는 사상 압연에서는 직렬로 배열된 3개의 스탠드(Stand)(Tanden Mill))에서 정밀한 치수와 코너 앵글(Corner Angle) 그리고 매끈한 표면 조도가 이루어진다.

일반적으로 재료의 오목 가공(Concave pass)에는 롤링 방향과 스프레드(퍼짐)의 압화 배분 그리고 과부하로 인해 핀(Fin)과 크랙이 발생하므로 잘못된 제품이 생산된다.

통상적으로 가공 경화의 제거는 3회의 열처리를 통해 연화(Softening)시킴으로 정밀 소성 가공의 기본이 된다.

상기에 기술된 바와 같이 제품의 압연은 조 압연, 중간 압연, 사상 압연의 과정을 거치는데, 특히 사상 압연에서는 인접한 압연기의 간의 가공 정도(압하 배분)가 정확하게 설정되지 않으면, 재료 압연시 느슨한 현상이 발생하고 이렇게 재료가 느슨해지면 불규칙하게 굴곡 되면서 절단되는 사고가 발생하여 압연을 중단해야 하는 상태가 되고 수요자 요구에 부합하는 제품을 만들기 힘들어 진다.

대한민국 특허 제584736호는 테일부의 폭 압연을 실시하여 절단 불량을 최소화하기 위한 압연 방법이 기술되어 있다. 그러나 폭 부족분으로 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 소형 u형 바 프로파일의 스펙에 맞는 양산 체제의 회전 롤러 금형을 설계하고 소성 가공을 4면 동시(상하좌우) 행하여 가공 경화의 열처리를 행하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 소형 u형 압연 제품은 오목 길이 치수(Dimension)가 0.5 내지 5mm 이하의 모서리 각도와 오목면 부분의 가공 작업 틀에서 사용 금형의 파손 사고가 있어 복잡하고 난해한 작업 조건을 극복하는 것을 목적으로 한다.

통상 시용하는 금형은 SKD 강이나 하이스 등을 일체형으로 사용하는데, 저온 롤링에서 회전 금형으로는 금형의 강도가 소성 가공에 지탱해 주느냐가 문제로 대두 된다. 그리고 4면 동시 가공하는 턱스 밀에서 패스(가공) 스케쥴의 순서와 압화 가공도의 배분을 마지막 제품의 원하는 형상을 제조할 수 있는가의 문제점에 도달한다.

본 발명은 원소재의 성상과 가공성을 정밀 검토하고, 다음에 금형설계에서 조 압연(1차), 중간 압연, 사상 압연의 금형 재질과 디자인을 가공경화 현상과 연계해서 중간 열처리 과정 등 패스 스케쥴을 설계한다. 이때 소재의 크기 선택은 이형 압연 제품에서 목적하는 제품을 적당한 공정의 패스로 생산할 수 있다. 다음에 1차 대형 압연(조압연)에서 균일한 블럭 사이즈를 소면 동기 변형 가공하는 턱스 밀에서 패스 스케쥴에 따라 중간에 열처리와 함께 지정된 패스로 형상을 형성해 간다.

이 과정에서 패스 스케쥴은 플랫 타입(Flat Type) 에서 밴딩형으로 오목 구경 가공 방법을 채택한다. 본 발명에 기술을 이용하여 생산되는 제품은 홈의 치수가 0.5 내지 5.0mm의 소형 특수 제품으로서 금형의 재질과 패스 스케쥴이 양산 체제로 갈 수 있는가를 좌우한다. 또한, 사면 동시 압연하는 턱스 밀의 조업 기술은 해당 금속의 소성 가공에서 압연 방향과 수직 방향의 변형율에 따라 압화율에 중요한 변수가 된다.

이와 같이 상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 원소재 준비 단계와, 1기의 대형 압연기를 이용하여 300도에서 열처리를 수행하는 조 압연 단계와, 상기 조 압연을 통한 소재를 2기의 중간 압연기를 이용하여 190도에서 3회 열처리를 수행하는 중간 압연 단계와, 상기 중간 압연을 통한 소재를 3기의 사상 압연기를 이용하여 60도 내지 100도에서 열처리를 수행하는 사상 압연하는 단계를 포함하며, 상기 각 단계는 사면 롤러를 이용하며, 다듬질 된 소재의 폭은 0.5 내지 5mm, 홈의 길이는 1.5 내지 10mm로 설정하며, 상기 폭과 길이를 설정한 후 금형으로 좁은 틈을 붕괴시키는 원리로 압화 배분하여 소성 가공되는 u 형 홈을 가공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 각 압연기는 사면 롤러의 4개의 롤러로 상하좌우 동시 압연하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 각 압연 후 열처리는 연화 열처리인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압화 배분의 수평 수직의 변형량은 푸아송 비를 표시하며, Fe;0.28, Ti;0.34, Au;0.42 인것을 특징으로 한다.

본 발명은 전자 우주 항공 산업용 특수소재인 부품 수요에 따라 생산 체제를 확립하여 소형 u형 바를 생산 공급하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 냉간 압연 기술의 사면 롤러의 개념도 이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉간 압연 기술을 설명하는 도면이다.

일반적으로 열간 압연이나 프레스 가공, 압출 단조 구조 등을 통한 가공품은 표면 상태의 조도나 치수의 정밀도, 그리고 가공 원가의 핸디캡이 있기 때문에 냉간 압연 소성 가공 프로세스에 의한 프로파일 생산에 요구되는 산업의 발전에 따라 필연적인 소성가공 제조업에 직면한다.

본 출원인은 이형체 생산 제조업을 수십년 하는 동안 연구 개발한 결과 소형 u형 바의 생산 기술을 개발하였다. 즉, 구조 등을 포함하는 핸디캡이 있기 때문에 냉간 압연 소성 작업등을 이형체 생산에 이용하도록 제조 과정 구조 자체를 간단하게 이형화하여 자유롭게 이용하는 것이다.

이하 도면을 참조로 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 냉간 압연 기술의 사면 롤러 개념도로서, 본 발명의 u형 바 생산 기술은 4개의 롤러를 상하좌우로 사면 롤러(10)에 배치하여 연속적으로 바를 생산하도록 하는 것으로 도시된 바와 같이, 4개의 롤러 중 하나의 롤러(11) 외주 면에 수지상 조직의 돌기(12)를 형성하여 4개의 롤러 회전 압연 과정에서 중심부에서 u 형 바를 연속해서 생산할 수 있도록 구성한다. 이때 4개의 롤러는 동시에 회전하여 압연하여 u형 바를 생산 한다.

도 2는 본 발명에 따른 냉간 압연 기술을 설명하는 도면으로서, 먼저 원 소재(20)를 준비하여 1기의 대형 압연기를 이용하여 중간 소재를 원하는 두께와 폭으로 압연하는 조 압연(21)을 수행한다. 다음에 조 압연(21)을 통한 소재를 2기의 중간 압연기를 이용하여 3회 열처리를 수행하는 중간 압연(22)을 수행하면서 상기 중간 압연(22)을 통한 소재를 3기의 사상 압연기를 이용하여 원하는 규격에 맞는 형상으로 압연하여 열처리를 수행하는 사상 압연(23)을 수행한다. 여기서 상기 조 압연(21), 중간 압연(22), 사상 압연(23)을 수행 할 때에는 다듬질 된 소재의 폭과 길이를 설정하며, 상기 폭과 길이를 설정한 후, 각각의 압연을 거치는 동안 금형으로 좁은 틈을 형성하는 오목형 원리로 압화 배분하여 소성 가공되는 u형 홈을 가공하여 제품(24)을 완성하는 것이다.

일반적으로 냉간 압연에서는 롤러 압하 상태에서 변형 속도의 변화와 항복 강도에 큰 변화를 주지 않지만, 사용되는 금속의 특이한 압축 항복 응력과 전단 항복 응력 관계에서 복합적인 요소를 찾아보면 마찰계수와 압하 변수에서 가공 정도를 찾아 목적하는 제품의 형태를 얻을 수 있다. 그런데 압연 형태가 복잡한 이형 압연 생산 과정에서는 탄성 한계를 벗어난 소성 변형을 받는 특수 강재는 형상의 변화를 가져오도록 특수 설비, 즉 수직과 수평의 4방향에서 동시에 하중을 주는 턱스 밀(turks mill)을 이용하여 변형 소성 가공하기 때문에, 해당 압연 소재의 합금 원소가 첨가된 화학 성분에 따라 즉, 금속의 종류에 따라 수직 방향의 변형률과 인장 방향의 변형률과의 비, 즉 푸아송 비(possion ratio)를 감안하여 해당 패스 스케쥴에 따라 다른 공정이 결정된다. 여기서 푸아송 비의 예를 들면, Fe;028, Al;0.34, Cr;0.30, Cu; 0.34, Ti; 0.34, Au; 0.42이다.

따라서 프로파일 롤 공형 디자인(roll caliber design) 및 패스 별 압하 률의 배분 그리고 스테인레스 어니얼링의 반복 회수는 고난도 프로파일에서는 5회에서 10회까지 되풀되어 이에 따른 공정의 단축이 원가 절감과 제품의 품질에 직접적인 영향을 미치므로 생산 기술 축적이 절대적이다.

다음에 열처리의 어니얼링 처리에 대해서 설명하면, 냉간 압연이 가능한 것은 프로세싱 어니얼링 공정이 있기 때문이다. 냉간 압연 과정에서 가공 경화 현상으로 연속 가공이 불가능하여 냉간 압연에서 풀림 처리의 연속적 반복 처리가 수행된다. 여기에서 열처리 방법은 강의 합금 및 조정에 따라 가열, 냉각, 홀딩 속도가 조절되는데, 일반적으로 스테인레스 스틸(27종)은 1100도에서 신속 냉각으로 프로세싱 어니얼링을 하게 되며, 표면 상태의 변색이나 조작의 안정을 위해서는 분위기 제어가 극히 중요한 것으로 알려져 있다.

본 발명에 따른 기술에 사용하는 무산화 열처리 설비는 암모니아 가스를 950도의 분해로에서 질소와 수소 가스를 분해시켜 강력한 환원성 분위기를 조정하여 표면의 변색을 방지한다.

즉, 2NH_{3 -} N_{2 ↑} + 3H₂ ↑

에서 보는 바와 같이, 25%의 질소와 75%의 수소 가스로 주입 분위기를 제어한다.

본 발명의 압연 처리 공정은 가공 정화 현상을 연화(softening) 시키는 전 가열 어이얼링을 목적으로 하지만 사용자가 제품의 기계적 성질의 요구도에 맞춰 프로세싱 어니얼링 또는 등온(isothermal) 어니얼링에 따라 가열 냉각 커브를 조정하여 소형 u형 바를 제조하는 것이다.

본 발명은 소형 u형 바 제조 방법에 사용될 수 있다.

Claims (4)

1. 원소재 준비 단계와,
   1기의 대형 압연기를 이용하여 300도에서 열처리를 수행하는 조 압연 단계와,
   상기 조 압연을 통한 소재를 2기의 중간 압연기를 이용하여 190도에서 3회 열처리를 수행하는 중간 압연 단계와,
   상기 중간 압연을 통한 소재를 3기의 사상 압연기를 이용하여 60도 내지 100도에서 열처리를 수행하는 사상 압연하는 단계를 포함하며,
   상기 각 단계는
   사면 롤러를 이용하며, 다듬질 된 소재의 폭은 0.5 내지 5mm, 홈의 길이는 1.5 내지 10mm로 설정하며, 상기 폭과 길이를 설정한 후 금형으로 좁은 틈을 붕괴시키는 원리로 압화 배분하여 소성 가공되는 u 형 홈을 가공하는 것을 특징으로 하는 소형 u형 바 냉간 압연 기술.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 각 압연기는 사면 롤러의 4개의 롤러로 상하좌우 동시 압연하는 것을 특징으로 하는 소형 u형 바 냉간 압연 기술.
3. 제1항에 있어서,
   상기 각 압연 후 열처리는 연화 열처리인 것을 특징으로 하는 소형 u형 바 냉간 압연 기술.
4. 제1항에 있어서,
   상기 압화 배분의 수평 수직의 변형량은 푸아송 비를 표시하며, Fe;0.28, Ti;0.34, Au;0.42 인것을 특징으로 하는 소형 u형 바 냉간 압연 기술.
   
   
   

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