단조기술/ 슬리브요크의 피어싱 단조 기술개발
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슬리브요크의 피어싱 단조 기술개발
현재 열간단조품에 있어서는 다양한 방법으로 정밀도 향상이 도모되고 있고 단조 후에 행해지는 기계가공을 용이하게 하거나 일부 공정을 삭감하는 등 눈부신 발전을 이루고 있다.
그러나 홈을 가지는 단조품, 특히 형상 특성부터 홈의 방향에 대해 직각방향으로 형을 제조할 경우에는 단조공정에 있어서 홈을 만드는 것은 매우 어렵다.
이번 우리들이 씨름한 과제는 트럭의 프로펠러 샤프트 어셈블리에 사용되는 슬리브요크의 홈가공이다.
이 부품은 종래 단조된 후 드릴 기공에 의해 홈이 가공되는 부품이다.
이 부품의 가늘함과 길이는(1/d=)4.64로 되어 있어 경제적으로 홈을 뚫는데는 몇몇 공정이 필요하다.
그래서 우리들은 최초로 단조블랭크를 제작하고 구멍을 하나의 공정으로 관동시키는 공법에 관해 연구를 하였다.
이 공법은 일반적으로 피어싱이라고 불려진다. 현재 열간단조로 제작되고 있는 부품에는 너글 스테어링, 슬리브 요크 등 축 부비 대칭 형상인 것이 있다.
이들 부품에 있어서 종래 일반적으로 행해지고 있는 후방 압출 성형을 적용한 경우 변형 등의 문제가 발생하기 때문에 양산화가 곤란했다.
이 과제해결을 위해 비대칭 형상부분을 금형으로 구속한 다채 피어싱 형성을 할 수 있다. 전방 압출 공법의 개발을 하였다. 공법개발을 하는데 에너지 절약화를 꾀하기 위해 열간단조로 블랭크 가공한 잔열을 이용해 피어싱 형성하는 것을 전제로 했다.
이것은 종래의 단조 프레스라인을 이용하여 새롭게 피어싱 프레스를 도입하는 것만으로 끝나기 때문에 최소한의 투자로 부가가치가 높은 단조품의 제조가 가능해진다.
전방 압출공법의 개발에 의해 축부 비대칭 형상 부품의 홈가공을 단조공정에서 실시가 가능해졌다.
그 결과 조재 득률의 향상과 더불어 드릴 가공에 의한 공정의 애로를 삭제할 수 있다. 또 종래의 단조공정에서 형상정일도를 확보한 부분을 금형으로 구속할 수 있게 되어 축이 부착된 복잡형상부품으로의 응용을 기대할 수 있다.

2. 공법개발의 개요
1)대상부품의 개요
이번의 개발에 선정된 슬리브 요크에 대해서 설명한다. 그림 1은 프로펠라 샤프트의 어샘블리 그림을 나타내고 있다.
본 부품은 이용되져 있어 미션으로 붕터의 회전 토크를 후륜구동축에 후륜구도동차에 전달하는 부품이다.
그 때문에 샤프트 안쪽지금에 스프라인이 가공되어 있어 홈이 필요하다.
그에 이번 피어싱공법개발에 사용한 부품의 개략치수를 나타낸다. 본 부품은 2톤차용이지만 공법개발에 있어서는 4톤차급까지를 고려하여 실행하였다.



2)실험의 개요
(1)실험용 샘플
실험용 샘플은 현행단조품의 샤프트부를 기계가공하여 실험 형상을 구하였다. 샘플형상은 그림3에 나타난다. 또 실험에 사용한 샘플은 샤프트 길리 샤프트 지금, 단면 형상을 표 1같이 선정하여 행하였다.
(2)실험조건에 대하여(실험장치의 설명)
그림 4에서는 실험에 사용한 600T 유압프레스를 나타낸다. 그림 5에서는 실험장치의 개략도를 나타낸다.
그림5에 있어서 왼쪽 반은 프레스 상시점을 ②의 다이스를 압인한다. 프레스를 움직이기 시작하면 ③의 가이드가 ②에 들어와 상하영의 위치를 낸다. ⑤의 펀치가이드에 ①펀치가 가이드된 상태에서 펀치가 블랭크에 침입한다.
펀치의 침입에 동반하여 밀려 들어온 재료는 ④의 수대를 아랫쪽으로 밀면서 샤프트의 연장이 된다. 이 때 수대는 적정한 후위압이 가해져 펀치의 침입에 의해 생긴 원통부가 형성시의 안장력으로 절단하는 것을 방지하고 있다.
게다가 펀치가 다조 블랭크안을 침입하여 최종시에는 펀치와 수대와의 거리가 적어져 이 부분은 잘라 끊어져 단조 블랭크로부터 배출도어관통구멍이 생긴다. 프레스를 끌어 올려져, ⑥의 핀이 스토퍼로서 움직여 단조품을 펀치로부터 뽑아내 성형이 완료된다.
후위압부가에 의한 전방 압출 공법의 특징을 확인하기 위해 공법 압출 및 후위압을 부가하지 않은 경우의 전방압출에 대해서도 실험을 실시했다.



3. 실험결과에 대해서
1)압출공법에 의한 성형정밀도의 영향에 대해
그림 6은 각종 압출공법에 의해 얻어진 제품의 형상에 대해 나타내고 있다. 이것들은 모두 동형상의 단조 블랭크를 사용한 결과이다.
6a는 적정한 후위압을 가한 경우의 전방 압출 성형품을 나타낸다. 공법의 개발에 즈음하여 특히 중시한 피어싱 성형에 의한 이우부(二又部)가 안쪽에 딸려 들어온 상태를 잘 알 수 있다.
그 후 늘어 뜨림에 의해 wohc (형태와 틀)의 접촉이 상실되어 축부의 이우부를 잇고 있는 R형상이 변형한다. 또 신장은 펀치 침입쪽이 굵은 지름에서 일어나기 때문에 보다 신장하는 양이 전방 압출에 비교해서 적어진다.
6d는 후위압을 적게 해서 전방 압출을 행한 경우를 나타낸다. 또 후위항펀치를 전혀 가하지 않은 경우는 p부에서 절단되어 버렸다.
'후방 압출의 경우 펀치 침입'에 의해 생기는 원통부에는 어떠한 반응하는 힘도 발생치 않으나 전방압출에서는 이우부가 스톱퍼가 되어 펀치 침입에 의한 인장 응력이 원통부에 발생한다.
인장 응력이 워크의 인내력 이상이 되면 원통부는 역성변형하고 6d와 같이 잘록해진다.
부품현상은 필연적으로 필요에 의해 결정되어지기 때문에 원통부에 발생하는 인장응력을 콘트롤하는 유력한 수단으로서 워크 후방으로 후위압을 가하는 것이 얼마나 중요한가 알 수 있다.
6a는 이같은 조건하에 형성되는 것이고 이우부의 변형을 금형구속에 의해 제어함과 동시에 샤프트의 잘록함을 억제하여 필요한 길이까지 늘일 수 있다.





2)성형 하중에 대하여
압출 형성 하중에 대해서는 일반적으로 이하의 식이 채용되고 있다.
그림 7에 후방 압출 모델, 그림 8에 전방 압출 모델을 나타내고 있다.
p=( d/₁²/4)pm....................(1)
pm=(0.8+1.5 R)Ym.............(2)
R=소재단면적/제품단면적
=d₁²(d₁²-d。²)
Ym=평균변형 저항(㎏f/㎣)
타방전방압출에서는 C부에 인장 응력이 작용하기 때문에 전방압출 하중 PF는 다음과 같이 나타난다.
PF-Q-T=0......................(3)
Pf=P-Pt..........................(4)
Pf=PF/펀치 단면적[전방압출 응력]
P=P/펀치 단면적 [후방압출 응력]
Pt=Pr/원통부 단면적[원통부 장력]
펀치 단면적Ap= d。²/4
소재 단면 Ar= d。²/4
(3)식에서 (4)를 대입하여 풀면
(P-Pt)Ap-Q-PrAr=0...........(5)
(5)식을 원통부장력PT에 대해 풀면
Pt=(P-Q)/(Ap+Ar)........(6)
여기에서 PB는 종래법의 후방압출 하중과 같다.(6)식에 있어서 Q는 전방압출 하중이다.
Q는 부품형상에 의해 결정되고, 단순한 전방압출에서는 원통부의 인장응력 PT가 재료의 인장 내력 이상이 되는 경우가 있다. 재료의 내력을 초과하면 원통부는 역성변형해 버리게 된다.
한편, 후위압을 부가하는 것에 의해 Pt를 콘트롤해서 원통부에 발생하는 응력을 재료의 내력이하로 하는 것이 가능하게 됨도 또 확실하다.
그림 9에서는 적정한 후위압을 부가한 경우의 압출 성형, 그림 10에는 후방압출 성형의 실험결과를 나타내고 있다.
WORK형상에 대해서는 앞에서 진술하였기에 할애(割愛)한다.
펀치하중, 백업하중에 대해서는 펀치스토로크에 동반하여 어떻게 변화할까를 나타내는 것으로 하중의 절대치에 대해서는 참고정도와 이해해주길 바란다.
그림 11에서는 본 공법에 있어서 펀치 침입량과 샤프트 부의 신장량의 관계를 나타낸다. 이 결과는 프레스 스피드90㎜/SEC로 하고 샤프트 길이를 바꾸어 행한 결과이다.
단조블랭크의 길이가 길어짐에 따라 최종적인 신장량이 커지게 됨을 알 수 있다.
또 프레토크에 대해 샤프트에 비례적으로 늘어나는 것이 종료되는 것은 대략 펀치스트로크가 100㎜점에서 블랭크의 길이에는 관계없다.
이 시점에서 L0=125재에서는 후위압을 가하고 있던 수대는 하사점에 도달하고 빼는 지꺼기의 절단이 개시한다.
이 때의 펀치하중은 최대발생하중에 비교해서 반정도의 크기이고, 블랭크재료의 불규칙함을 빼는 찌꺼기량으로 흡수함이 가능하다는 것을 시사하는 것이라고 생각된다.
또 펀치 스트로크가 100㎜를 넘고 나서도 2㎜정도의 신장이 인정되어, 이것은 후방 압출이 된다고 생각되어진다.
또 실험중에 펀치침입 초기단계에 있어서도 일부 후방압출이 일어나고 있다는 것이 관측되고 있다. 이번의 실험장치도는 후방으로의 신장을 억제할 기구가 없기 때문에 이것들의 현상이 발생하는 것이라고 생각된다.
전용의 전방 피어싱 프레스의 설계에 있어서는 이점을 고려하여, 성형중에 후방으로의 신장을 억제할 클럼프기구를 갖추고자 연구하였다.



4. 종합(정리)
1. 종래 피어싱 형성이 곤란했던 축이 부착된 비대칭 단조품의 피어싱 공법으로서 후위압 억제에 전방 압출형성에 대해서 실험을 행하고 이 공법이 매우 유효한 수단인 점을 알았다.
2. 전방 압출에 있어서 하중계산 모델에 대해서, 검토하여 전방압출 형성에 있어서 특히 문제가 된 원통부에 잘록한 변형과 절단의 억제를 위해 후위압을 이용하는 것이 유효하다는 것을 알고, 실험결과부터도 후위압 콘트롤에 의해 목적 형상을 얻을 수가 있었다.
3. 단조 블랭크의 중량의 불규칙함의 흡수법으로서 꺼내는 찌꺼기의 양으로 조사할 수 있게 되고 신장량의 불규칙함을 억제하고 전장 정밀도가 좋은 제품이 나오는 것을 알았다.
4. 실험에 있어서는 후방으로의 신장을 억제하는 기구가 없기 때문에 일부 후방 압출이 발생하는 것을 알았다. 전용의 피어싱 프레스 제작에 있어서는 후방으로의 신장을 억제하는 기구를 준비하도록 배려하였다.
5. 단조 공정에 있어서 홈을 가공하는 것은 재료 비율의 향상, 가공공정의 삭제 등 에너지 절약화에 도움이 되고 또 제조 비용을 대폭 개선할 수 있다.
전방 압출 공법에서는 단조 블랭크를 금형에서 구속한 상태에서 성형하는 것이 가능하고 이후축이 부착된 비대칭 단조품의 홈 가공 방법으로서 적용이 가능하다고 생각된다.
마지막으로 (주)쿠리모또 철강소 및 토호쿠대학 명예교수인 타끼하시 히데오씨 등으로부터 커다란 협력과 지원을 받았다. 지면을 빌어 감사의 뜻을 전한다.<필자: 일본TDF(주) 사장 스즈끼히또시 외2명>
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