대형 알루미늄 실린더 및 플랜지 제작을 위한 점진 단조 공정 개발

Abstract

4차 산업의 발달과 친환경 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 전기 자동차의 경우 내부의 배터리 무게로 인하여 차체의 경량화 기술이 요구되고 있다. 이로 인하여 차량의 연비 향상 등을 위해 경량화를 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 항공 우주 및 장거리 발사체에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 경량화를 위한 많은 연구는 대부분 알루미늄과 마그네슘과 같은 비철금속을 이용한 제품을 생산하는 것에 중점을 두고 있다.

단조 공정으로 생산한 대형 단조품은 많은 이점을 가지지만, 높은 단조 하중이 요구되며 대용량 단조 프레스를 보유한 현장에서만 제작 가능하다는 단점이 있다. 이에 자유 단조 공정 중 실린더 형상을 제작하는데 이점이 있는 멘드렐 단조를 적용하였다. 이때 실린더 제품은 기울기를 가진 원뿔 실린더 형상이기 때문에 이를 고려하여 동일 체적을 가진 예비 성형체를 설계하였다. 시뮬레이션과 납 실험을 통하여 공정 초기에 큰 직경 부분이 처음 단조 되어 길이방향 변형으로 인하여 직경을 감소시키는 것으로 확인하였습니다. 이에 예비 성형체의 체적을 보상하여 설계를 수정하였다. 수정한 예비 성형체는 직경 감소 문제를 효과적으로 해결하였다. 이를 시제품 제작을 통하여 검증하였다.

플랜지 제품의 경우 회전 금형을 사용하는 점진적 단조 공정을 개발하였다. 새로 도안한 회전 금형은 단조 하중을 감소하고 열간 단조공정에서 공작물과 금형의 부착을 방지할 수 있도록 하였다.

점진적 단조 공정의 개발을 통하여 요구되는 단조 하중을 감소함으로써 대용량 단조 프레스가 없어도 보다 많은 공장에서 본 공정을 수용할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 소재 회수율을 절삭 공정에 비하여 향상시킬 수 있다. |With the fourth industrial revolution, interest in environmentally friendly energy is increasing. In the case of an electric car, there is a demand for a weight reduction technique for reducing the weight of the whole parts, and various researches are being carried out to reduce weight in various product groups such as raising the fuel efficiency. In addition, researches for lighter weight are being actively carried out in aerospace and medium-range launch vehicles. Most of the researches for lightweighting have been focused on manufacturing products using non-ferrous metals such as aluminum and magnesium.

Forged products by die forging have many advantage, but they have a disadvantage that high forging loads are required and can only be made in the factory with large capacity forging presses. For this reason, we applied the mandrel forging, which is advantageous for manufacturing the cylinder shape. In this case, since the cylinder product has a conical cylinder shape having a slope, the preform having the same volume is designed in consideration of this. Through simulations and lead experiments, it was confirmed that the diameter was reduced due to longitudinal deformation by forging the large diameter part at the beginning of the process. The preform design was modified by compensating the volume. The modified preform effectively solved the diameter reduction problem. This was verified through prototype production.

In case of a flange product, an incremental forging process with the rotating die was developed. The novel rotating die was suggested th reduce the forging load and to prevent the sticking with workpiece and die in hot forging. Therefore, it is expected that the design process can be available in factories without large-capacity forging presses. Further, the material recovery rate can be improved as compared with the machining process.