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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.19 No.5 pp.82-90
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.05.082

A Study on the Elimination of Surface Defect and Increase in Tool Life of the Warm Forged Spider

Jong-Hun Kang*#
*School of Aero-Mechanical Engineering, Jungwon UNIV.
#Corresponding Author : jhkang@jwu.ac.kr Tel: +82-43-830-8943, Fax: +82-43-830-8679
28/01/2020 16/03/2020 05/04/2020

Abstract


Due to the complicated shape of the spider, the production method was changed from cold to warm forging. Finite element analysis was performed to predict the forging load and shape using the enclosed hydraulic die set. As the forging load increases due to the spider die volume, die stress analyses were performed to optimize the die design in order to reduce the die stress in various conditions. Large deformation while producing the complicated forging parts induces high forging load, which is one of the main parameters of the forging surface defects. The forging process was analyzed to find out the root cause of the surface defects generated during the spider production for various parameters, thereby revealing that the radius of die in the defect zone influenced the air trap depth, being the root cause of the surface defect. It was verified that die life was increased and the surface defect was eliminated by changing the die design during the mass production test.



온간 스파이더 표면결함 개선과 금형수명 향상에 관한 연구

강 종훈*#
*중원대학교 항공기계공학과

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    PCC19001R1

    © 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

    등속조인트(CV Joint, Constant-Velocity Joint)는 엔 진과 자동차 바퀴의 회전축을 연결하는 부품이다. 등속조인트는 바퀴의 회전축은 조향 방향에 따라 변하지만 엔진 회전축은 고정되어 있음으로 회전축 의 각도가 변하여도 동일한 회전속도를 전달하는 기능을 한다[1]. 이러한 기능을 위해서 Fig. 1(a)와 같이 각도의 변화가 가능한 연결 구조를 가져야 한 다. 통상 이너레이스(Inner race), 볼 그리고 아우트 레이스(Outer race)를 조립한 형태인 볼조인트(Ball Joint)와 스파이더(Spider), 롤러(Roller) 그리고 트리 포드 하우징(Tripod Housing)으로 이루어진 트리포 드 조인트(Tripod Joint)로 구성된다[2]. 등속조인트의 양쪽 끝단에 조립되는 볼조인트와 트리포드 조인트 의 형상을 Fig. 1(b), Fig. 1(c)에 각각 나타내었다.

    과거 등속조인트용 부품은 형상의 복잡성으로 인 해 열간단조 공정으로 생산된 후 치수정밀도를 위 하여 적절한 가공과 열처리를 거쳐 조립되었다. 하 지만 열간단조는 치수정밀도, 금형수명 및 생산수 량이 낮아 원가경쟁력에 문제가 있다. 생산성 향상 을 위해 이너레이스와 스파이더와 같은 소형 단조 품은 냉간단조로, 상대적으로 크기가 큰 하우징은 온간단조로 대체되었다.[3]

    최근 트리포드 조인트용 스파이더의 형상이 등속 조인트 기능향상을 위하여 Table 1과 같이 복잡하 게 변화하여 냉간 측방압출(Lateral Extrusion) 공법 으로 생산이 불가능한 제품이 나타났다. 1세대(1G) 는 열간단조 공법으로 생산되었으며, 2세대(2G)는 냉간 밀폐기술이 적용되어 생산성이 높은 냉간단조 공법으로 생산이 이루어졌으며, 3세대(3G)는 발 (Pod)의 형상이 목(Neck) 형상보다 커서 단순측방 압출로는 생산이 불가하다. 발의 체적을 충진시키 기 위하여 압출된 소재가 금형과 접한 후 직경이 증가될 수 있도록 지속적 측방압출이 진행되어야 한다. 이 공정은 성형초기는 단순 밀폐공정으로 측 방압출이 이루어진 다음 압출된 소재가 금형에 접 촉한 후 팽창되어야 함으로 금형에 매우 높은 응력 이 작용하여 금형수명을 현저히 떨어뜨릴 가능성이 높다. 따라서 성형성을 높이기 위하여 700℃까지 소재를 가열한 후 성형하는 온간단조공법이 도입되 었다.[4,5]

    냉간 또는 온간단조공정에서 금형에 높은 면압이 발생할 경우 금형 파손이 발생하게 된다. 이러한 금형 파손을 방지하기 위하여 금형에 작용하는 인 장응력을 줄이기 위한 금형 박음(Shrinkage Fitting) 에 대한 연구가 진행되었다.[6,7] 최근에서는 금형수 명을 증대시키기 위해 분할경와 박음량을 최적화시 키는 연구까지 이루어지고 있다.[8~10] 본 연구에서는 Morgan 수식에 의해 선정된 분할경에 박음량을 유 한요소해석을 통하여 계산하여 금형수명을 증대하 고자 하였다. 또한 Table 1에서와 같이 측방압출로 형성된 발(Pod)의 체적을 증가시키기 위하여 스파 이더 몸체부에 높은 압력이 작용하게 됨으로 소재 흐름이 저하되어 겹침(Folding) 및 미충진 (Underfilling) 현상이 발생될 가능성이 높다.[11] 단조 공정에서 겹침 불량은 유한요소해석 프로그램에서 예측이 가능하지만 금형과 소재사이에 공기의 갖힘 (Air Trap) 현상에 의한 미충진의 경우 최근에서야 연구가 진행되었다.[12,13]

    본 연구에서는 등속조인트용 3세대 스파이더에 나 타난 표면결함의 원인을 유한요소해석을 통하여 분 석하고 개선하였다.

    2. 유한요소해석

    2.1 성형공정해석

    본 연구의 대상이 되는 3세대 스파이더의 형상을 Fig. 2에 나타내었다. 서론에서 설명한 바와 같이 3 개의 발의 형상이 목부를 지나 더 커지는 형상이며 상하의 두께보다 좌우의 두께가 더 큰 특징을 가지 고 있다. 본 제품은 원소재를 그라파이트 윤활을 실시한 이후 700℃로 가열한 후 유압식 밀폐금형을 이용하여 성형하게 된다.

    스파이더는 상, 하의 모양이 대칭을 이루고 있어 측방압출로 성형되어야 한다. 따라서 소재가 측방 압출 될 때 상형과 하형이 분리되지 않기 위하여 스프링이나 유압장치를 이용하여 상형과 하형을 밀 폐시켜야 한다. 또한 측방압출이 상형과 하형의 수 평방향 중심에서 발생하기 위해서는 성형 펀치의 속도에 1/2의 속도로 금형이 움직이도록 제어되어 야 한다. 금형형상과 움직임에 대하여 Fig. 3에 나 타내었다.

    스파이더 소재는 AISI5120소재이며 700℃로 가열 하여 성형된다. 3개의 발이 대칭형으로 위치해 있 어 1/6 Model로 해석을 진행하였다. 금형의 온도는 300℃로 가정하였고, 금형과 소재의 마찰계수는 그 라파이트 윤활을 고려하여 일정전단마찰계수 0.2를 입력하였다.[14] 단조공정을 위한 유한요소해석의 경 계조건을 Table 2에 정리하였다.[15]

    스파이더의 성형은 700℃로 가열된 소재를 Fig. 3 에 도시한 유압밀폐금형(Hydraulic closed die)에 삽 입한 후 성형하게 된다. 성형해석은 상용 S/W인 Deform 3D를 이용하였으며, 원소재의 물성치는 Deform 소프트웨어에서 제공하는 유동응력을 사용 하였다. 성형해석에서 측방압출이 시작되는 시점 (50%), 압출되어 발(Pod)이 금형 외측에 접하는 시 점(80%) 및 측방압출이 계속 진행되어 발의 체적이 팽창하여 금형을 꽉 채운 시점의 성형형상(100%), 금형과 소재의 접촉형상, 소재의 온도변화, 유효변 형율 및 Cockcroft Latham이론의 손상값(Damage) 등의 해석결과를 Fig. 4에 나타냈었다.

    성형에 따른 유효변형율은 상, 하 센타펀치 (Center Punch)가 변형초기부터 소재를 지속적으로 변형시키는 곡률부와 중심부 및 발이 팽하는 부위 에서 2.8이상의 큰 변형이 나타나고 소재가 압출되 는 발부위에 상대적으로 큰 변형인 1.5 수준의 유 효변형율이 관찰된다. 소성일에 의한 열발생으로 소재의 중심부위에서 770℃, 측방압출후 팽창된 발 부위에서 최대 온도인 785℃, 측방압출된 발부위는 750℃가 관찰되어 유효변형율과 유사한 분포를 나 타내고 있다. 소성변형에 의해 크랙 가능성을 평가 하는 손상값은 발이 팽창된 부위에서 0.46으로 크 랙의 위험성은 크지 않는 것으로 판단되었다. 성형 공정에 따라 필요한 성형하중을 Fig. 5에 도시하였 다.

    2.2 금형해석

    형단조는 원소재의 형상을 변화시키기 위해 큰 에너지가 소재에 부여되고, 금형의 형상을 따라 제 품이 성형된다. 따라서 소재의 형상을 결정하는 금 형에 매우 큰 하중이 반복적으로 작용하여 금형의 파손, 마모, 피로파괴 등을 일으킨다. 금형에 하중 이 가해지면 금형이 인장응력상태에 놓이게 되어 금형이 쉽게 파괴될 수 있다. 이러한 현상을 방지 하기 위하여 금형을 인서트(Insert)와 보강링 (Compressive Ring)으로 분할하여 압축응력을 부과 하는 금형박음(Shrink Fitting) 처리를 하게 된다. 금 형의 분할과 박음량은 금형응력상태에 직접적인 영 향을 주는 인자로서 소재의 성형 형상에 따라 결정 되어야 하지만 현업에서는 경험에 따라 부여하는 경우가 많다. 특히 본 연구와 같이 소재의 성형이 완료되는 순간 금형내부에 소재가 100% 충진이 되 는 경우 단면감소율이 무한대로 도달하게 되어 매 우 높은 응력이 발생하게 되어 금형파손이 발생되 기 쉽다. 본 연구의 대상이 되는 온간 스파이더 의 금형파손 유형을 나타내면 Fig. 6과 같다.

    본 연구에서 금형분할 직경은 Fig. 7과 같이 Morgan의 수식을 적용하고 있는 기존 금형설계 값 을 그대로 적용하였으며, 인서트(Insert)와 1차보강 링 사이의 박음량을 0.3%, 0.5%, 0.7%로 설정하고, 1차보강링과 2차보강링 사이의 박음량을 0.3%, 0.5%로 선정하여 총 6가지 조건에 대하여 금형의 인장응력을 최소화하기 위한 방안을 해석적으로 검 토하였다.[16]

    박음해석에서 인서트와 1차 보강링을 소정의 박 음량(Interference gap)으로 박음해석(Shrink Fitting Analysis)을 수행하면 인서트의 내경은 줄어들고 1 차 보강링의 외경은 증가한다. 이를 그대로 2차 박 음해석을 실시하면 과도한 간섭량이 입력되어 정확 한 응력값을 얻을 수 없다. 따라서 1차 박음해석 후 1차 보강링의 외경방향 변형량을 측정한 후 2차 보강링의 내경 치수를 1차 보강링의 증가분만큼 증 분시켜 모델링한 후 2차 박음해석을 진행하였다.

    금형박음 해석이 완료되면 성형해석에서 가장 큰 하중이 나타난 마지막 스탭의 소재의 면압을 금형 에 입력하여 금형의 응력변화를 해석하였다.

    금형의 인서트는 초경재질, 1차 보강링은 SKD61 금형강을, 2차 보강링은 SCM440소재가 사용된다. 금형탄성해석을 위한 각 재료의 물성치를 정리하면 Table 3과 같다.[14] Table 3의 인서트 파단강도는 700℃로 가열된 소재를 성형하는 금형임으로 300℃ 의 파단강도를 참조하였다.

    금형 박음으로 발생한 인서트와 1차 보강링, 2차 보강링의 응력과 스파이더 성형에 따른 금형의 최 대주응력(Maximum principle Stress) 변화를 응력분 포와 응력값으로 각각 나타내면 Fig. 8과 Table 4와 같다.

    총 6개의 하중조건에 대하여 인서트, 1차 보강링, 2차 보강링에 나타난 최대주응력의 변화를 Fig. 9에 그래프 형태로 나타내었다. Case 1, Case 4와 같이 1차 박음량이 0.3%일 경우 인서트에 2000MPa, 1790MPa의 높은 응력이 작용한다. 나머지 1차 박음 량이 0.5%, 0.7%일 경우 1210MPa 이하의 안정적인 응력상태를 나타낸다. 하지만 1차 보강비가 0.7%일 경우 1차 보강링에 1200MPa 가까운 높은 응력이 발생한다.

    2차 보강링은 1차 박음량 0.5%, 0.7%와 2차 박음 량 0.5%이상에서 872MPa 이상의 응력이 발생하게 된다. 본 연구에서 금형에 작용하는 응력의 한계를 판단하는 기준을 Table 3의 파단강도의 70%인 1540MPa, 1155MPa, 623MPa로 설정하였다. 소재별 한계강도와 Table 4의 응력을 통해 1차 박음량을 0.5%와 2차 박음량을 0.3% 수준이 적절할 것으로 판단하였다.

    2.3 Air Trap에 따른 표면결함 해석

    온간 스파이더 생산에 있어 금형파손 외에 Fig. 10과 같이 단조품 성형 후 표면결함이 발생하였다. 단조품 상태에서는 육안으로 판별되지 않고 열처리 후 쇼트처리를 한 제품에서 관찰되었다. 미충진이 발생한 원인을 파악하기 위하여 유한요소해석을 통 하여 미충진에 영향을 미치는 변수에 대한 조사를 진행하였다.

    Fig. 10의 표면결함은 기타 온간 스파이더에서는 발생되지 않는 결함이기 때문에 스파이더 설계형상 에 기인한 것으로 추측하였다. 결함형상을 토대로 Air Trap에 의한 겹침을 의심하여, 성형공정 중 소 재가 금형에서 떨어지는 경우를 분석하였다.

    유한요소해석에서 측방압출이 시작되기 전 Fig. 11(a)와 같이 미충진 띠(Band)가 형성되었다. 미충 진 띠에 노드를 추가하여 성형 후 위치를 추적하면 Fig. 11(b)와 같이 나타나 성형공정 중 나타난 금형 과 소재에 나타난 함몰부위에 공기가 갖히게 되어 최종형상에 띠를 형성시키는 것이 단조품에 나타난 결함과 동일한 형상임이 확인되었다.

    단조결함을 제거하는 방법은 성형 중 나타난 미 충진 띠를 제거하거나 줄이는 것이다. 가장 효율적 인 방법은 미충진이 생기는 부위의 곡률을 조정하 는 것이며 R1.0, R2,0, R3.0에 대하여 각각 유한요 소해석을 수행하여 미충진 크기를 비교하였다. 성 형 R의 크기에 따라 금형과 소재와의 미충진 깊이 를 측정한 결과 0.045mm, 0.036mm, 0.02mm로 곡률 이 커질수록 미충진 현상이 줄어드는 것을 알 수 있었다. 곡률 크기에 다른 금형과의 충진도를 비교 하여 Fig. 12에 나타내었다.

    3. 시제품제작

    유한요소해석을 통해 계산된 1차 박음량 0.5%, 2차 박음량 0.3%로 금형을 제작하였다. Fig. 12의 조건에서 R2.0과 R3.0에 대하여 금형을 제작한 후 시제품을 생산하였다. R2.0과 R3.0로 제작된 금형 의 치수를 공구측정기를 이용하여 곡률을 측정한 결과 각각 R2.05와 R2.97로 측정되었다. 제작된 금형을 이용하여 성형 후 표면을 비교하면 Fig. 13과 같이 R2.05일 때는 열처리후 표면결함이 관 찰되었으나 곡률 크기를 R3.0으로 증가시킬 경우 육안으로 구분되는 결함 띠는 관찰되지 않았다.

    또한 금형의 양산성 시험에서 인서트의 응력을 줄인 0.5%-0.3%의 금형박음량을 적용할 경우 기존 0.35%-0.3%의 금형박음량에 비해 금형의 파손 및 박리 현상이 발생되지 않음을 확인하였다.

    4. 결 론

    온간단조로 생산되는 3세대 스파이더(트리포드)의 성형해석, 금형해석을 통하여 다음의 결론을 얻었 다.

    1. 측방압출 후 발의 체적을 팽창시키는 밀폐공정 으로 인해 압출 후 성형하중이 감소하다가 최종 형상으로 성형하는 단계에서 하중이 급격히 상승 하여 금형에 무리한 하중이 작용함을 확인하였 다.

    2. 냉간 스파이더 금형과 동일한 설계방법으로 제 작할 경우 인서트의 최대응력은 약 2배 상승될 수 있음을 유한요소해석을 통하여 알게 되어 제 품형상과 작업조건에 따라 금형수명을 고려한 금 형설계가 이루어져야 함을 확인하였다.

    3. 단조품에 자주 발생되는 Air Trap에 의한 결함이 온간 스파이더의 몸통부에 관찰되었으며, 유한요 소해석을 통하여 금형 성형부위의 곡률이 결함발 생의 원인 변수임을 보였다. 표면 결함을 제거하 기 위하여 곡률을 증대시킨 금형을 통해 표면 결 함이 개선됨을 확인하였다.

    4. 단조공정해석은 최종 단계의 제품형상과 하중을 기준으로 성형성을 판단하기 쉬우나, 본 연구를 통하여 성형공정 중 발생한 Air Trap에 의한 결 함이 최종제품에 잔류할 수 있음이 확인되어 단 조 공정설계시 고려해야 할 변수임을 알게 되었 다.

    후 기

    “본 연구는 산업통상자원부에서 지원하는 산업집적 지경쟁력강화사업 프로젝트R&D의 연구수행 결과임 을 밝힙니다.(프로젝트 번호 : PCC19001R1)”

    Figure

    KSMPE-19-5-82_F1.gif
    Drive shaft structure
    KSMPE-19-5-82_F2.gif
    3rd generation spider drawing
    KSMPE-19-5-82_F3.gif
    Die closing mechanism for spider forging
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    Process analysis of 3rd generation spider
    KSMPE-19-5-82_F5.gif
    Load prediction of spider forging process
    KSMPE-19-5-82_F6.gif
    Fractured die due to excessive forming load
    KSMPE-19-5-82_F7.gif
    Warm spider die dimension
    KSMPE-19-5-82_F8.gif
    Maximum principal stress distribution of shrink fitting and forging process of die
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    Stress comparison for shrink fitting ratio
    KSMPE-19-5-82_F10.gif
    Forging defect after heat treatment
    KSMPE-19-5-82_F11.gif
    Forging defect and node point tracing
    KSMPE-19-5-82_F12.gif
    Air trap analysis for various die fillet
    KSMPE-19-5-82_F13.gif
    Air trap analysis based on die fillet

    Table

    Spider design trend change
    Finite element analysis conditions
    Mechanical properties of die material
    Maximum principle stress of die

    Reference

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