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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.17 No.4 pp.83-90
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2018.17.4.083

Process Design Molding with Precision Hot Forging of One-Way Clutch Inner Race

Hwa-Jeong Kim*, Chul-Kyu Jin**#
*Changwon Campus of KOREA POLYTECHNIC Ⅶ
**School of Mechanical Engineering, Kyungnam University
Corresponding Author: cool3243@kyungnam.ac.kr Tel: +82-55-249-2346, Fax: +82-55-999-2160
09/02/2018 01/04/2018 31/05/2018

Abstract


In this research, we developed a process design hot-forging technology that precisely forms an inner race. The inner race transmits power to a one-way clutch of an automatic transmission and minimizes the CNC machining allowance. For a multi-stage hollow shape (inner race), we proposed several shapes of blocker and finisher for the precision hot-forging process and analyzed the forging process using DEFORM. The hot-forging process was optimized for several parameters, such as metal flow pattern, forging defect, and forming load. Blockers and finisher dies in the hot-forging process were designed to select optimal shapes from finite element analysis, and experiments were conducted to optimize the hot-forging process.



원 웨이 클러치 이너 레이스의 정밀 열간 단조 공정설계에 관한 연구

김 화정*, 진 철규**#
*한국폴리텍Ⅶ대학 창원캠퍼스
**경남대학교 기계공학부

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1 서 론

    단조가공은 기계적 성질이 우수한 제품을 대량 생산 할 수 있기 때문에 소재의 온도에 따라 열간 단조, 온간단조, 냉간단조로 구분된다. 열간단조 공정에 의해 제작되는 제품은 우수한 기계적 특 성, 금형설계 기술은 개발기간, 개발비, 제품품질, 금형수명, 생산성에 직접 영향을 미치며 전체 공 정 중 단조공정의 개발에 소요되는 시간과 경비가 매우 크다. 단조공정 설계기술은 주로 시행착오적 경험으로부터 발전되어 왔으며, 최근 경험적 지식 을 정량적으로 체계화 하려는 연구가 진행되었다.

    단조가공법은 가장 오래된 소성가공법의 하나로 산업의 발전과 더불어 전 세계적으로 사용되고 있 다. 대량생산뿐만 아니라 뛰어난 기계적 특성을 가진 제품의 생산이 가능하기 때문에 자동차 산업 과 함께 발전해왔다. 이에 따라서 내구성과 고 정 밀도를 동시에 만족시킬 수 있는 성형법의 요구가 늘어나고 있다[1]. 열간 단조가공법은 일반적으로 가장 많이 쓰이는 단조로 재료를 재결정 온도 이 상으로 가열하여 실시하는 것이다. 상대적으로 성 형하중이 작고 큰 소성 변형을 허용하는 장점이 있다. 열간 단조공정에 의해 제작되는 자동차용 부품이 우수한 기계적 특성을 가지기 위해서는 단 류선(metal flow line), 소재, 접힘(folding) 및 표면 결함들의 예방과 CNC공작기계 가공성 개선이 요 구된다[2]. Petrov[3] 는 단조 시 유한요소해석 결과 와 실험값을 비교하여 겹침 결함(lap formation)의 크기와 금형 형상과의 관계를 제시하였다. 단조결 함을 줄이기 위해서 다단계의 예비성형을 거치기 도 하는데, Cho[4]는 비축대칭 와셔 캠 볼트 제작 을 위해서 다단계의 예비형상을 거치게 하는 4단 냉간 단조공정을 DEFORM-3D로 해석하여 실험결 과와 비교하였다. Yeom[5]는 디젤엔진에 사용되는 접합피스톤의 크라운, 스커트부의 단조품 가공을 위한 단조기 용량, 소재의 초기형상치수, 예비성형 체의 설계 등에 관한 연구를 DEFORM-3D를 사용 하여 수행하였다.

    본 연구는 이너 레이스의 다단중공형상 단조물 에 관한 것으로 승용자동차의 주행 동력을 끊지 않고도 기어비를 변화시킬 수 있도록 하기 위한 핵심 장치인 유성캐리어 내에는 유성기어와 원 웨 이 클러치(one-way clutch)가 조합되어 있다.

    이너 레이스(inner race)는 원 웨이 클러치에서 동력을 전달하는 중요한 부품으로서, 동력전달시 디스크와 이너 레이스가 허브기어 타입으로 조립 되어 슬립을 유도하며 간극을 조절한다.

    본 연구에서는 기존 링 롤링 단조품 형상 가공 은 소재량이 많고, 기계가공에 필요한 시간과 비 용이 높다. 따라서 다단중공형상(inner race)을 정 밀 단조를 통하여 기계가공 절삭량을 현저히 줄일 수 있는 성형 공정 연구가 필요하다. 단조품의 성 형기술인 열간 단조가공법을 사용하여 블로커 및 피니셔 금형의 금형각을 조절하며, 금형에 소재를 완전히 충진 시키고 금형의 응력을 낮추는 최적 제조공정, 금형 설계를 실시하였다.

    2 단조 성형 공정설계

    일 방향 클러치의 이너 레이스는 열간 단조, Q/T 처리, 황삭/정삭가공, 고주파 표면 열처리 및 치형부 정밀 가공의 공정으로 이루어져 있다. 본 연구에서는 열간 단조 공정에 대한 연구만 수행하 였으며, 최종 단조품의 형상 정밀도를 향상시킬 수 있는 공정을 찾고자 하였다. Fig. 1에 다단중공 형상의 단조품을 나타내었으며, Fig. 2는 열간 단 조 공정을 나타내었다. Fig. 3은 블로커 및 피니셔 의 설계변수 다이 형상을 나타내었다. Table 1은 4가지 유형의 성형 금형 조합과 설계변수에 대한 해석을 수행하여 최적의 성형공정을 찾고자 하였 다.

    Fig. 4에 나타낸바와 같은 형상의 4가지 경우의 블로커와 피니셔 형상을 제시하였으며, Case 1의 금형은 일반적으로 제품의 형상에 따라 금형설계 를 하였으며, Case 2의 금형은 소재의 유동을 향 상시키기 위해 피니셔 공정 시 하부 금형 내부에 단을 주어 소재가 중심에서 바깥쪽으로 유동을 좋 게 하기 위해 금형설계를 수행하였다. Case 3은 피니셔 공정에서 소재의 유동 및 편심 방지 금형 설계를 하였으며, Case 4의 블로커는 소재의 유동 과 금형 수명을 고려한 코너부 설계를 하였으며, 피니셔 금형은 상·하부 금형에 단차를 주어 다단 단조 성형성을 높이고, 편심 방지와 피니셔 공정 시 소재의 안착에 문제를 해결할 수 있도록 DEFORM-3D를 사용하여 수행하였다.

    3 성형공정 해석

    3.1 성형해석 조건

    승용자동차용 자동변속기 원 웨이 클러치 이너 레이스의 다단중공형상 정밀단조 연구를 위하여 DEFORM-3D를 이용하여 최종 단조품의 품질 특 성을 향상시킬 수 있는 성형 공정 조건을 찾아 내 고자 하였다. 단조품의 소재는 SCr420HB를 사용 하였고, 금형은 SKD 61 소재를 적용하였다.

    열간 다단단조공정에서 마찰은 윤활제의 사용유 무에 따라서 크게 다르다. 윤활제를 사용할 경우 0.1~0.4의 마찰계수를 가지며, 사용하지 않을 경우 0.7~1.0의 값을 갖는다. 열간 단조의 경우 공정이 진행됨에 따라 마찰계수가 증가하는데 일반적으로 는 0.3의 값이 많이 사용된다[6,7,8].

    본 연구에서는 전단마찰계수로 0.3을 사용하였 으며, 블로커 성형금형 형상과 피니셔 금형 펀치 의 상부와 하부 금형형상에 따른 금속유동의 변화 를 해석하여 소재의 결함을 예측하고 소재가 충진 되는 조건을 찾아내고자 하였다.

    이너 레이서 단조를 위해 단조품의 최대 직경은 172mm 사이즈로 소재의 효율을 향상시키기 위해 원기둥 형태의 원소재를 업세팅을 통해 제품 성형 이 가능한 직경을 확보하게 된다.

    업세팅 된 소재를 이용하여 블로커와 피니셔를 통해 제품 성형이 완료되어 최종 피어싱을 통해 필요 없는 부분은 제거되어 최종 이너 레이스가 제작된다. 유한요소해석[9]은 약 80,000개의 계산격 자를 적용하였으며, 소재를 금형에 안착시킨 후 상부 금형을 하강시키면서 성형해석을 수행하였 다. 이너 레이스의 다단중공형상 열간 단조 공정 해석 조건을 Table 2에 나타내었다.

    Fig. 5에 다단중공형상 열간 단조 공정을 나타 내었으며, Fig. 6은 열간 단조 프레스 금형의 모델 링을 나타내었다.

    3.2 해석 결과

    해석에 사용된 재료는 실제 이너 레이스의 제조 에 사용되는 SCr420HB[10] 소재를 적용 하였으며, 고온압축시험을 통해 유동응력선도를 도출하였으 며, Fig. 7에 나타내었다.

    다단중공형상(inner race) 4가지 유형에 열간 단 조 해석 결과를 Fig. 8, 9, 10, 11에 나타내었다.

    블로커 공정에서 펀치의 스트로크가 증가할 수 록 소재가 후방압출 되면서 캐비티 내에 소재가 충진 되고 있다. 업셋 공정에서의 변형 하중은 크 지 않으나, 블로커 단계에서는 밀폐단조의 특성상 성형하중이 급격히 증가하는 양상을 보이고 있다.

    Fig. 12는 Case 1, Case 2, Case 3, Case 4에 성 형 형상에 따른 열간 단조 프레스 하중을 나타내 었다. 피니셔 공정에서 소재가 금형 내에 완전 충 만 되는 시점을 기준으로 성형하중이 증가하므로 금형의 마모량이 증가할 것으로 예측되었다.

    Case 4는 블로커 압축되는 상부 금형 성형 펀치 에 라운드 20으로 변경하여 금형 측벽으로 소재 유동성이 좋아지고 단조형상의 정도 향상과 금형 수명[11]이 연장될 것으로 예측된다.

    4 열간 시제품 제작 및 평가

    4.1 금형 및 시제품제작

    Fig. 13은 열간 단조 금형과 제품 형상을 나타 내었다. 금형은 외곽치수, 프레스에 조립할 때의 클램프 각도, KOP(knock out pin)의 위치 등을 고 려하여 금형설계 되었으며, 작업의 용이성, 재료의 경제성 등을 고려하여 설계하는데, 단조 작업시 가장 마모가 심할 부분을 판단하여 금형의 최적 분할면을 설정하였다. 어느 일정한 타수(작업량)가 지나면 금형의 피로가 누적되어 마모나 변형, 깨 짐 등이 발생함으로 금형 교체가 가능하도록 설계 하였다. 금형을 분할하여 제작하면 단조 시 발생 하는 가스나 공기의 빠짐도 용이하게 되어 금형 캐비티 내 소재가 충만 되도록 유도하였다.

    하부 금형은 고정되어 있고 상부 금형만 아래로 내려와 성형이 된다. 제품형상은 성형해석 결과와 유사한 형상으로 단조결함이 없는 것을 알 수 있 다.(Fig. 14)

    4.2 경도 측정과 단류선 검사

    Fig. 15는 Case 3과 Case 4의 경도 측정 포인트 와 측정값을 나타내었다. 최종 시제품에 대한 경 도를 측정하였으며, 측정 위치는 11개 지점을 지 정하여 측정하였다. 평균 경도는 Case 3은 280.32Hv, Case 4는 285.95Hv 로 측정되었다. 열간 단조 후 제품에 경도가 고르게 분포하는 것을 확 인 하였으며, 특이점 없이 제품이 성형된 것을 알 수 있다.

    소재의 유동 및 단조 결함을 분석하기 위해 단 류선 분석을 수행하였으며, Fig. 16은 다단중공 형 상(inner race)의 단류선 분석 결과를 나타내고 있 다. 단류선 분석을 위해 에칭액은 염산을 이용하 였으며, 단류선 분석결과, 소재의 유동 및 단류선 의 꼬임 등 내부 결함 없이 성형 된 것을 알 수 있다.

    4.3 시제품 평가

    Fig. 17은 단조 성형으로 완성된 시제품을 측정 한 값과 금형 설계변수 값이다. Case 4의 블로커, 피니셔 성형 공정의 발구배 값과 펀치 라운드 치 수정도는 피니셔에서 진원도, 편심도, 평행도는 0.5mm이내로 기준 공차에 만족하는 결과를 나타 내었다.

    Fig. 18은 다단중공형상 단조 성형 설계 모델링 과 시제품에 CNC 가공 형상도를 나타내었다. 단 조품의 절삭 가공 치수는 편측 1mm로 제품 완성 에 특이점 없이 가공되었다. 종전 가공여유 1.5~2.5mm 대비 열간 단조와 CNC 가공 대비 약 25% 소재를 절감되고, 제품 개당 생산시간은 약 1.5배 단축되어 생산성이 향상될 것으로 기대된다.

    Fig. 19는 열간 단조 성형품과 CNC 가공이 완 료된 최종제품을 보여주고 있다. 초기에 계획된 바와 같이 편측 1mm CNC선반 가공 치수를 만족 하였다.

    5 결 론

    본 연구에서는 승용차의 자동변속기용 원 웨이 클러치 이너 레이스(inner race)는 다단중공 열간 단조가공법을 이용하여 정밀단조 기술에 관하여 연구하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었 다.

    1. 유한요소해석 결과를 통해 성형 하중, 단조결 함, 유효 소성변형률 분포를 예측하여 금형의 발구배와 펀치 라운드 값을 적용한 금형설계를 하였다.

    2. 해석 결과로부터 얻어진 최적의 공정을 적용한 금형설계와 금형을 제작하고 다단중공형상의 이너 레이스를 열간 단조하여 단조품에 대해 미세조직분석을 수행하였다.

    3. 열간 단조와 CNC 가공 대비 치수정도는 피니 셔에서 진원도, 편심도, 평행도는 0.5mm내로 치수 정밀도는 기준 공차에 만족하는 결과를 나타내었으며, 열간 단조와 CNC 가공 대비 약 25% 소재 절감과 제품 개당 생산시간은 약 1.5 배 단축되어 생산성이 향상될 것으로 기대된다.

    Figure

    KSMPE-17-83_F1.gif
    Forged products for inner-race of one-way clutches
    KSMPE-17-83_F2.gif
    Hot forging process
    KSMPE-17-83_F3.gif
    Design variables for the blocker and finisher Die shape
    KSMPE-17-83_F4.gif
    The type of the multistage hollow die : (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3, (d) Case 4
    KSMPE-17-83_F5.gif
    Hot forging process of Inner race : (a) Upsetting (b) Blocker (c) Finisher
    KSMPE-17-83_F6.gif
    Modeling of hot forging press dies
    KSMPE-17-83_F7.gif
    Compressive flow curves of SCr420HB : (a) 800℃, (b) 1,000℃, (c) 1,200℃
    KSMPE-17-83_F8.gif
    Simulation results for Case 1 : (a) Blocker, (b) Finisher
    KSMPE-17-83_F9.gif
    Simulation results for Case 2 : (a) Blocker, (b) Finisher
    KSMPE-17-83_F10.gif
    Simulation results for Case 3 : (a) Blocker, (b) Finisher
    KSMPE-17-83_F11.gif
    Simulation results for Case 4 : (a) Blocker, (b) Finisher
    KSMPE-17-83_F12.gif
    Comparison of forging load : (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3, (d) Case 4
    KSMPE-17-83_F13.gif
    Experimental in hot forging : (a) Forging die, (b) product shape
    KSMPE-17-83_F14.gif
    Analysis shape of hot forging : (a) Case 3, (b) Case 4
    KSMPE-17-83_F15.gif
    Sample position for hardness tests from inner race (Test load: 0.5 kg)
    KSMPE-17-83_F16.gif
    Macro test results for Case 4 : (a) Blocker, (b) Finisher, (c) Piercing
    KSMPE-17-83_F17.gif
    Forging measurement and die design value
    KSMPE-17-83_F18.gif
    Location of the mechanical machines in the forged inner race
    KSMPE-17-83_F19.gif
    Deformed shape of the forged inner race : (a) As-forged product (b) Processed product

    Table

    Hot forging die case type design condition
    Hot forging conditions for Inner race

    Reference

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