KAP 업종별기술세미나 12년 5월 #01

2012 년 단조 기술세미나
2012. 5.16~ 5.17

자동차 부품산업 진흥재단
www.kapkorea.org
단조 담당 이성근
(coldforging @ lycos.co.kr)

차례
1. 냉간 압출 <Cold Extrusion>
2. 금형 수명 <Tool Life>
3. 개선 사례 <Application>

1. 냉간 압출 <Cold
Extrusion>

1. 냉간 압출
- Examples of Cold Extruded Parts

프레쉬가 생기지 않으며 , 제한된 비대칭과 주로 대칭형의
제품생산에 적용된다 .

1.3

- Most Commonly Used Extrusion Processes

Forward rod extrusion

Forward cup extrusion

Backward cup extrusion

P=punch, C=container, W=workpiece, E=ejector

- Process Combinations

Combined forward rod and
backward cup extrusion

1.4

Combined forward and
backward cup extrusion

P=punch, C=container, W=workpiece, E=ejector

- Forming Sequence
(a) Sheared Billet

(a)

(b)

(c) Forward extrusion

(c)

(d)

(e) Upsetting of flange and
coining of shoulder

(e)

(b) Forward rod and
(d) Backward cup
backward cup extrusion extrusion

Several kinds of operations may be combined
to obtain the desired geometry

- Advantages/Disadvantages
Advantages:
• 뛰어난 생산성
• 높은 정밀도와 표면의 미려함
• 높은 소재회수율
• 강도의 증대 ( 기계적 성질 )
• 단류선에 의한 강인화

Disadvantages:
• 금형에 높은 압력이 걸린다 (up to 3,000 MPa / 340 ksi)
• 고가의 금형이 필요 , 따라서 적당한 물량의 확보 필요
• 열간단조 ( 주조 ) 에 비하여 단순한 형상의 단조 가능

- Materials used in Cold Extrusion
(2.1)

Steels:
• Case hardening steels : unalloyed - 1010, 1015;
alloyed - 5115, 5120, 3115
• Heat treatable steels : unalloyed - 1020, 1035, 1045;
alloyed - 5140, 4130, 4140, 8620
• Stainless steels : pearlitic - 410, 430, 431; austenitic - 302,
304, 316, 321

Aluminum Alloys:
• Pure or nearly pure aluminum alloys : 1285, 1070, 1050, 1100
• Nonhardenable aluminum alloys : 3003, 5152, 5052
• Hardenable aluminum alloys : 6063, 6053, 6066, 2017, 2024,
7075
• Other alloys : Copper, Titanium, Lead, and other metals
difficult

- Possible Defects
Defect Name Defect Type
쉐브런 크랙

중실축 내부의
쉐브런형상의
크랙

압출 단면에
원주부분의 크랙
크랙 발생

소착

표면 결함

압출 , 이젝팅시의
소재 / 공구간의
녹아 붙음 ( 상처 )
겸침 발생
상처 발생

Causes
소재의 연성부족
,
작은 단면감소율
에
큰 압출다이각도
를
부적한 펀치에
적용 시
의한 소재 유동

윤활 부족

높은 마찰
윤활 부족

Process
Forward rod
extrusion

Forward and
backward cup
extrusion
Forward and
backward cup
extrusion
Forward
extrusion
of tube

- Examples of Chevron Defects
화스너를 포함하여 많은 샤프트류가 자동차
부품용으로 압출공법으로 제작되어지고 있다 .
일부 부품들은 승객의 안전을 좌우하는 부품으로
무결함이 요구되어진다 .
결함은 눈에 보이는 표면상의 결함과
눈에 보이지 않는 쉐브런 크랙 같은
내부 결함이 있다 .

단조품과 공정에 영향하는 인자
Billet Material
• 유동응력은 변형율 , 변형율 속도 , 온도 , 마이크로 조직에 영향 받는다 .
• 성형성은 변형율 , 변형율 속도 , 온도 , 마이크로 조직에 영향 받는다 .
• 표면 상태
• 열적 , 물리적 특성
• 초기 조건 ( 조성 , 온도 , 가공조건 )
• 유동응력에 의한 마이크로 조직의 변화와 배치

Tooling
• 공구의 형상
• 표면 상태 ( 표면의 조도 , 코팅의 유무와 종류 )
• 재질 / 열처리 조건 / 경도
• 온도

Conditions at Tool / Material Interface
• 윤활의 종류와 온도
• 윤활 층의 특성과 냉각 조건
• 마찰과 윤활성의 조건
• 윤활의 적용과 제거의 관련성

Deformation Zone
• 변형 메커니즘 : 단조 해석
• 소재 유동 ( 살 흐름 ), 속도 , 변형율 , 변형율 속도
• 응력 ( 단조 변형중의 변화 )
• 온도 ( 열 생성과 전달 )

Equipment
• 속도 / 생산성
• 단조하중 / 에너지의 여유율
• 강성과 정밀도

Product
• 형상
• 치수 정밀도 , 공차 , 표면 마무리
• 마이크로 조직 , 기계적 , 금속적인 특성

Plant Environment
• 인력
• 유틸리티
• 공장 ( 생산 ) 관리

Trapped Die Extrusion Criteria

D
C
L

For Most Common Extrusion Si zes
• Max. Reduction in Area,

Punch

%R .A . = 70 ~ 75%
D2 − d 2
% R .A . =
× 100
2
D
• Die Insert Inner Diameter, (inch)

D = Billet Dia.

Billet
(4)

+ 0.010

l

+ 0.012

• Die Land, (inch)

l=1

32

~1

16
d

Container

Open Die Extrusion Criteria
For Most Common Extrusion Si zes
• Max. Reduction in Area,

D
C
L

Punch

%R .A . = 30 ~ 35%
D2 − d 2
% R .A . =
× 100
2
D

Billet

D
2

• Die Insert Inner Diameter, (inch)

D = Billet Dia.

+ 0.002

l

+ 0.004

• Die Land, (inch)

l=1

32

~1

16
d

Container

Load Calculation
- 압출하중의 구성성분

P = Pfd + P fc + Pdh + Pds
Pfd :
P::fc

Pdh
:

금형과의 마찰극복에 필요한 힘

컨테이너 ( 다이 ) 와의 마찰극복에 필요한 힘 ( 전방압출 )
컨테이너 ( 다이 ), 펀치와의 마찰극복에 필요한 힘 ( 후방압출 )
균질변형 (homogeneous deformation) 에 필요한 힘

Pds전단변형
:

( 불균질 변형 ) (inhogeneous deformation) 에 필요한 힘

Backward Cup Extrusion Criteria
C
L

• Max & Min Reduction in Area:

20 ~ 25% ≤ %R .A . ≤ 70 ~ 75%
% R .A . =

2
dP

D

2

Punch

× 100

w

• Max Depth of Extruded Hole:

h = 2 ~ 3× dP
• Min Bottom Thickness

h

Billet

t

of Extruded Cup:

t = 1 ~ 1.5 × w

Ejector

Container

Punch Face Geometry
- 펀치선단의 형상은 마찰력과 소재유동에 크 게 영향을 미친다 .
Highest
pressure

Flat

Lowest pressure
Lower
Combination but limited application
pressure

Conical Flat & conical

Spherical

- 콤비네이션 타입은 유막의 끊김 , 윤활희박성이 상대적으로 작다 .

Punch Nose Design

C
L

Based on Punch Diameter,d P
• Flat Diameter,

d f = d P − [ 2 R + ( 0.2 ~ 0.3 )d P ]
• Included Face Angle,

2α = 160 o ~ 170 o
• Punch Land,

l = 0.3 ~ 0.7 × d P

β
R

df

l

• Punch Radius,

R = 0.05 ~ 0.1 × d P

• Relief Angle,

2α

β = 4o ~ 5o

dp
Punch design recommended by ICFG [6]

2. 금형 수명

Tool
Life

Production
condition
Work
material
Human
skill
Tool
quality

Tool
design
Tool
manufacturing
Tool
material
Heat
treatment
Surface
treatment
<Yamanaka, 2002>

Investigation of broken tool

Observation
inspection

Assumpption of the tool failure
mechanism

Knowledge
experience

Suggestion and execution of
countermeasures

FE, simulation

No
Satisfactory
Tool life

Yes
Finish (Standardization)

<Yamanaka, 2002>

Factor of mold life time
design

material
surface

Hole location
Sudden
Change of shape

Different
material
impurity
Shape of
carbide

Machihing
velocity

heat surface
treatment

machining
Surface
roughness

Steel selection

accuracy

Machihing
pressure

Mold problems

Cutting
condition

Grinding
condition

tempering
condition

quenching
condition

Surface treatment
condition

Arc machining
condition

Surface treatment
selection

Life
time
setting

Lubricant
selection

Surface
roughness
Lubricant
supply

shape
hardness

processin
g
machine

apparatus
of mold

lubricatio
n

machined
material

Usage problems

<N. Nihira. 2009>

수명의 연장 책
- 가공압력의 감소
- 적절한 공구재료의 선택과 열처리 실시

단조 하중

흡수 에너지

취성 (Brittle): 소성변형을 일으키지 않고 파괴하는 성질
연성 (Ductile): 소성변형을 나타내는 성질 < 연신 , 단면수축율로 표시 >
인성 (Tough): 충격적인 하중에 대한 강도 < 충격시험 : 충격강도로 표시 >

연신 (%)

단면수축
율 (%)

충격강도
(Kg-m)

강종 A

인장강도 ( 항복강도
Kg/mm2)
( Kg/mm2
)
87.4
76.7

28.6

64.0

10.8

강종 B

85.5

26.5

63.7

1.2

72.7

거의 비슷한 기계적 성질을 나타내고 있으나 , 흡수에너지의 값은 많이 다르다 .
< 재료의 강도에는 정적인 시험으로는 나타낼 수 없는 성질이 있다 .>
충격 시험 : 샤르피 시험 , 아이조드 시험

열적 부하

- 가공재의 변형에 의한 온도
- 가공재 , 공구 간의 마찰에 의한 온도

금형에 영향

- 강도와 경도의 저하
- 표면 , 내부 간의 온도 불균일 -> 열응력 발생

제품에 영향

- 경화층 발생
- 치수의 산포 커짐

조건에 영향

- 피막 조건
- 소성가공유의 조건

변형재료의 온도상승

Ymεm
∆Tm =
Jcγ ×1,000

J

c

: 열의 일당량
( 427 kgf•m/kcal )
: 비열
( kcal/kg ℃ )

γ

: 밀도
( kg/dm3 )

εm

( ℃ )

: 재료의 평균상당 변형율
( kgf/mm2)

Ym :(재료의 평균변형저항
kgf/mm2)

십자머리 小스크류의 단조 펀치 온도 측정 예

소성가공유의 선정 ( 열 고려 )

마찰계면의 온도는 윤활상태에만 영향을 끼치는 것이 아니고 , 형의 마모 , 열열화에
의한 히트 크랙 , 열연화에 의한 소성변형 등 형 수명에 크게 영향을 끼친다 .
마찰계면온도를 제어하는 것도 윤활의 중요한 역할 이다 .

가공 시의 재료의 내부변형

Zoomed on punch face
(Local metal flow)
Case A
Angle, 2α = 160 o

Case B
Angle, 2α = 170 o

- Included face angle of 160 o gives better
material flow around punch nose region

#1 Gear

#2 Gear

#3 Gear

#4 Gear

# 2 Gear 내경부 치절 후
- 변화량 : #1,3,4 보다 크게 나타남
- 불량률 : 17%

단조해석 툴을 이용하여 개선이 가능

금형의 수명계산

항복 응력비 ( r ) = 상당응력 / 공구의 항복 응력
r = 741 Mpa ( 72.8 Kg/mm2 ) / 280 Kg/mm2<SKH51> = 0.26
0.8=>1 만타 , 0.6=> 10 만타

냉간 단조품의 조도

냉간단조품의 표면거칠기

연속작업 사이징 축부의 표면거칠기 추이

금형의 조도

실험용 냉간단조형

최대높이 거칠기와 냉간단조형수명의 관계

- 윤활제가 접촉면에 잘 모여 있도록 하는 어떤 최적의 거칠기가 존재할 수 있다 .
금형보다는 공작물표면을 얼마간 더 거칠게 하는 것이 바람직하다 .
바람직한 금형표면의 거칠기는 0.40 um 정도 이다 .

3. 개선 사례
<Application>

사례 ) -1. 품질 / 생산성 개선 외 < 에스엔에스금속㈜ 작성
/ 발표분 >

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　 한 국 어 판
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TEL 031.491.0711, FAX 031.491.9545

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2. 품질부문 혁신활동 주요 개선
현황
구분 주요 개선 활동

개

선

전

개

선

후

개 선
완료일

경광등 / 알람 작
동

Eddy Current
Tester( 이종
1
재질 선별기 )
설치

재질 구
분 한계
표시

9 월 16
일

이종 재질
(S50C)
Eddy Current Tester 설치로
투입

Field 불량의 중대 결함인
문제 이종재질에 대하여
개선 효 Mission 부품 이종 재질 전수 선
점 Sampling 검사로 검출력 미
과
별 실시로 이종재질 혼입품 유
흡
출 차단

2

자분탐상기
Overhaul 실시

10 월
27 일
자분탐상기 노후화로 분사
자분액 인한
문제 Crack 검출 능력 저하
점 (A-1 표준시편 30/50 검
출)
통 전

자분탐상기 Overhaul 실시
로
통
개선 효과 전 Crack 검출능력 자분액 분사
향상
(A-1 표준시편 30/100 검
출)

2. 품질부문 혁신활동 주요 개선 현
황
구분 주요 개선 활동

개

선

전

개

품
질 금형에 Air
3
개 Hole 가공
선

선

후

Φ0.8 Air Hole
(4 Places)
문제
점

단조 성형 시 금형에 Air 잔존
으로 인해 결육 불량 및 금형
수명 저하

품 단조 가열로
질
Fool4
개 Proof 장
선 치 설치

4 월 27
일

개선 효 단조 성형 시 Air 배출로
결육 불량 감소 및 금형 수
과
명 연장

복사온도
계

문제 가열 온도를 작업자가 인식하
점 지 못하여 중대 결함 발생 가능
성 내포

개 선
완료일

Graph

개선 효 가열 온도 미준수 시 생산이
불가능하여 중대 결함 방지
과
가능

4 월 29
일

4.

주요 추진
내용

(1) 생산성 부문
구 주요 개선 활
분
동

1

개

선

전

개

선

후

생
Auto loader
산
및 이형재
성
자동분사장
치
향
설치 운용
상

개 선
완료일

12 월 05
일

이형재 수동 분사로 생산성 저하
문제
자동분사에 따른 생산성 30%
개선 효과
및
점
향상
작업자 피로도 증가

4.

주요 추진
내용

분
동

개

선

전

개

선

후

공정별 금형 높
2 이 동일하게
변경

개선
완료일

8 월 20
일

공정별 금형 높이를 동일하게
Upsetting 금형 높이가 BL 금형
문제
하여
공정간 제품 이동 시
높이 보다 낮아 Cycle Time 및 개선 효과
점
피로도 감소 및 생산량 증가
작업자 피로도
증가
(12% 향상 )

4.

주요 추진
내용

분
동

개

선

전

개

선

후

PLC Program
4 변경으로 생산성
향상

개선
완료일

11 월 7
일

Foot Switch 조작 후 즉시 반응
으로
PLC Program 에 인터록이 으로
생산성 향상
문제 작업 속도 지연
개선 효과
점 (Foot Switch 반응시간 지연 :1
2 공정 기준 (10.0 →
7.0Sec/Ea)
초/回)
30% 향상

례 ) -2. 냉간단조 품질개선 <KAP 작성 / 발표분 > < 삼성공업㈜
구

분

추진 항목

- 금형 파손
제품 품질 향
- 치수 불량
상
- 형상 불량

세부 개선

내용

- 금형수명 향상 테스트실시
- 초중종물 관리 강화
- 소재의 단조성 평가
- 펀치 수명 ▶선단 랜드부 차별화 테스트 (3,5,8 mm)

- 온간 단조

▶ 표면처리 실시 테스트 ( 침류질화 )
- 생산 공정 ▶이형제 사용조건 확인
▶ 금형관리 방법 개선

공정품질 개
선

- 금형 수명 ▶조도와 수명의 연관성 확인
- 냉간 단조

▶ 경제적 관리조도 확립
- 단조성

▶열처리 조건 변경에 따른 단조성 테스트
▶ 최적의 윤활조건 도출

기술향상

- 기술교육 실시

- 단조기초기술 교육 (TFT)

제품 품질 향상
- 금형 파
손
- 치수 불
량
- 형상 불
량

금형 파손
14SIZE I NNER RACE 금형수명

금형번호

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

평균수명

금형수명

307221

221028

353110

211429

396538

377507

246737

265330

68489

53630

22705

220228

228663

GI2000i TRIPOD(JAPAN) 금형수명

금형번호

3

4

5

6

8

9

11

12

14

평균수명

금형수명

173631

361049

355168

294362

315813

34793

375190

311821

487800

301070

Factor of mold life time
Mold problems

design

material
surface

Hole location
Sudden
Change of shape

Different
material

Shape of
carbide

accuracy

Machihing
pressure

machining
Surface
roughness

Steel selection

impurity

Machihing
velocity

heat surface
treatment

Cutting
condition

Grinding
condition

quenching
condition

tempering
condition

Surface treatment
condition

Arc machining
condition

Surface treatment
selection

Life
time
setting

Lubricant
selection

Surface
roughness
Lubricant
supply

shape
hardness

processing
machine

apparatus
of mold

lubricatio
n
Usage problems

machined
material

N. Nihira

Quenching condition

Surface treatment selection

국내 S 사 KCW 材
사용
-Q/T 후 Lapping

ⅹ 500

-Q/T, 침류질화 실시

결과 : 대차 없음 (2ea)

Surface roughness

최대높이 거칠기와 수명의 관계 (σ= 85
Kg/mm2)

타사 예

최대높이 거칠기와 냉간단조형수명의 관계

impurIty

- 사별 조미니 값의 상이 발생 => 단조성 평가 실시
SAE 1524
spheroidize
d annealed

업 셋팅 테스트 실시

SAE 1137
hot rolled

구분

1.5

3

5

7

9

11

13

15

20

25

40~48

37~48

32~46

28~40

25~36

22~34

21~32

~31

~29

~27

POSCO

45.5

43.9

41.9

36.7

33.5

30.7

29.6

28.7

26.6

25.6

SeAH

44

44

40

34

31

28

27

26

23

21

추후관리범위

40~45

37~42

32~39

28~35

25~32

22~28

21~27

~25

~23

~21

Spec.

Lubricant selection

최적의 희석비 도출 필요 < 종류 및 공급사 변경 시 , 신개발품 시단조 시 >
타사 예
銅계 이형제 희석비 테스트 비교
-1. 치형부분 결육 발생 (5:5 大 , 7:3 정상 < 석유 : 오일닥 >)
-2. 이형제에 의한 치형부의 눈메임 현상으로 보임
-3. 플레쉬 두께 비교
5:5 = 1.40 ~ 1.55 mm
6:4 = 1.35 ~ 1.50 mm
7:3 = 1.40 ~ 1.50 mm
-4. 현재 7:3 희석비가 최적인 것으로 인지 , 사용 중

5:5-35 중앙부

6:4-35 중앙부

이형제 희석 테스트 품

7:3-71 중앙부

Machihing velocity

-온 , 열간 단조 시 펀치의 단조속도 비교

단조 스피드 : TMP
KOMATSU

1,600 톤 20 SPM 600 ST
= 400 mm/sec ( 크랭크 레스 타입 )
1,600 톤 30 SPM 800 ST

치수 , 형상 불량

Factor of hi accuracy of forging products
mold

material
material

위치
불안

Deformation
capability

plasticity

structure

accuracy

Forging
load

Forging
machine

Heat treatment

Surface
treatment

Heat of
process

strength

Contact
time

Surface
roughness

toughness

difference

Forging
speed
Slide
motion

소재
크랙

Fitting accuracy of
Machining

hardness

Deformation
stress

weight

Heat adhesion

Heat conduction

Temperature
Of forging

Mold
temperature

wear

Hi accuracy of
Forging products
Cycle time
발거리미
달

Lubricant
selection
lubrication
Mass of
lubricant

위치
불안

method

JSTP

Temperature of forging
-단조 시의 소재 온도 확인

Hydraulic press : 25 mm/s
Initial billet dimension Height = 60 mm, Diameter = 60mm
Initial temperatures

Billet = see below, Die = 200 °C

% Reduction in heigh 50% (30 mm)

* 고주파 가열로 통과 후 소재 온도
　

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

평균온도

소재온도
(℃)

855

856

849

851

845

854

855

863

851

851

853

* 온간소재 고주파 가열로 통과 후 1P 작업까지 대기시간 약 13 초

Case A

AISI 1035, Billet temp = 1000 °C

Forging load

Contact time

-폐색하중과 치수의 상관성

Deformation capability

KAP 열처리 단기기술지도 실시
11.6.22~12.20 15MD

-열처리 조건의 재설정 테스트

SCr 420 H
830˚C ⅹ 3 Hr

SCr 420 H
780˚C ⅹ 3 Hr

기술교육 계획 및 실적
순서

주내용
( 교재 : 단조가공 )

교육시간 : 13:00~14:30
보조 교재

비고

1 차 (6/8 수 )

금속기초 , 단조재료

철 탄소 상태도

단조공장

2 차 (6/15 수 )

열처리 기술

금속열처리 세미나 자료

단조공장

3 차 (8/17 수 )

금속기초 , 열처리 총정리

4 차 (8/31 수 )

-단조 개요
-횡형다단 단조기

단조공장 + 본사
단조업종 품질전문가
과정

단조공장 + 본사

4-1 차 (9/20 화 )

- 한계 업셋팅율
- 마찰과 윤활

5 차 (10/12 수 )

- 단조 재료
- 쉐브런 크랙

ASMI 자료

단조공장

6 차 (10/26 수 )

- 단조 역학
- 전 , 후방 압출

ASMI 자료 전달

단조공장

7 차 (11/3 목 )
8 차 (11/11 금 )
9 차 (1/19 목 )
10 차

단조성 평가시험

- 냉간단조 금형설계

단조공장

-마찰과 윤활

ASMI 자료

단조공장

- 포마단조 기초입문

National 자료

단조공장

- 총정리 < 질의 응답 >

National 자료

1. 온간 펀치의 수명 개선 진행 < 삼성공업㈜ 작성 / 발
표분 >
온간 펀치의 수명을 개선하고자 업체별로 종류가 다른 코팅 처리 및 펀치 랜드 길
이를 달리하여 온간 4P 펀치의 수명 개선 효과를 테스트 하고자 한다 .

1) 업체별 코팅처리
화)

동우 열처리 ( 이온질화 ), 필로스 열처리 ( 티타늄 ), 금성 열처리 ( 침류질

2) 온간펀치 랜드 길이

3mm

5mm

8mm

선단랜드부 차별화 테스트 (3,5,8 mm)
TJ 87 외륜 4P 펀치 랜드부 차별화 테스트
현사용 : 5mm
테스트 : 3mm, 8mm < 각 1 개씩 단조 수명 연관성 확인용 >

TJ 82 4P

TJ 87 4P

참조자료

0.4

표면처리 실시 테스트 ( 침류질화 )
-질화처리 테스트 2 회 실시 ( 효과 없음 )
-국내 온간단조 금형 표면 무처리 사용

TJ 87 외륜 4P 펀치 폐기분 확인
- 형상부의 마모로 폐기됨
( 제품의 형상 미확보 )

단조 스피드 : TMP 1,600 톤 20 SPM 600 ST
타사 ( 고마쯔 ) 1,600 톤 30 SPM 800 ST

관련 자료 ( 금성열처리 침류질화 PT 자료 )

1) 온간 펀치 코팅별 수명 비교
　

동우 열처리 ( 이온질화 )

필로스 열처리 ( 티타늄 )

금성 열처리 ( 침류질화 )

TEST PUNCH

TJ87 O/R 4P PUNCH
( 재질 : KCW1)

TJ87 O/R 4P PUNCH
( 재질 : KCW1)

TJ87 O/R 4P PUNCH
( 재질 : KCW1)

1. 표면경도 (Hv)

1266

1283

1176

1189

1170

1187

2. 내부경도 (HRC)

62.5

62.3

57.1

57.4

59.1

59.5

2. 경화깊이

0.1

0.1

0.1

0.1

0.1

0.1

3. 내부경도 (HRC)

62.5

62.5

57.1

57.4

59.1

59.5

4. 작업 수명

9,000EA 작업
　

8,400EA 작업
　

　

8,600EA 작업
　

　

　

　
　
　
　
　
6. 작업 후
표면 상태

　
　
　
콘부분 및 성형 R 부분의
마모로 인한 인한 작업 중지



2) 온간 펀치 랜드 길이별 수명
비교
　

필로스 열처리

필로스 열처리

필로스 열처리

TEST PUNCH

TJ87 O/R 4P PUNCH
( 재질 : KCW1)

TJ87 O/R 4P PUNCH
( 재질 : KCW1)

TJ87 O/R 4P PUNCH
( 재질 : KCW1)

경 도 (HRC)

58

58.5

58.2

58.1

58.3

58.4

58.2

58.4

작업 수명

8,800EA 작업

9,100EA 작업

8,500EA 작업

랜드 길이

3mm

5mm

58.2

8mm

　

　

　
　
　
　
　
　

　

　

　

　

　

　

　

　

　


　

　

　

　
　
　
　
　
작업 후
표면 상태

　


　

　
　
　
　
　
　


* 테스트 결과
1) 온간 펀치 코팅 결과
- 동우 ( 이온질화 ) 와 필로스 ( 티타늄 ) 의 두 코팅을 비교 테스트 한 결과 이온질화 펀치가
조금 더
양호하나 기존 펀치 수명와 비교했을시 크게 향상의 효과가 없는 것으로 사료 된다 .
- 기존 코팅 처리를 안한 펀치 수명도 8~9 천개로 펀치 코팅 작업시 비용만 더 추가 되어
원가
상승을 초래함 . ( 약 5 Kg ⅹ 20,000 원 /Kg = 10 만 원 / EA < 필로스 Ti 처리 >)
-금성열처리 질화처리 1 차 -> 2 차로 표면 경도 증가 후 테스트 하였으나 , 1 차 때와 별다
른
차이점이 없음 .
2) 온간 펀치 랜드 길이별 결과
- •펀치 상부위 ( 콘부분 ) 의 마모로 인한 작업이 어려우므로 랜드 길이에 따른 수명 차이는
테스트 결론
크게
- 현재까지 코팅 및 랜드 길이를 달리하여 테스트를 하였지만 개선 효과가 미비하다고 판단
없는
된다 . 것으로 판단 된다 . ( 2 차적 요인으로 테스트 불가 )
-온간 금형의 수명에 영향을 미치는 열처리 내부 조직에 대하여 개선 및 최적의 표면처리 방
법을
통하여 수명 개선하려고 노력하였지만 큰 효과는 없었음 . ( 열처리 조직사진 참조 )

• 향후 계획

-추후 금성 열처리 업체에 열처리 작업 조건에 대하여 변경 개선 검토 후 질화 처리를 통하여
온간
금형 수명에 대하여 지속적으로 개선 할 계획임 . ( 미팅 실시 예정 )

2. 냉간 피어싱 펀치 수명 개선 진행
냉간 단조에서의 내경 홀을 피어싱하기 위한 공정에서 피어싱 펀치 수명을
개선하기 위하여 업체별 코팅 처리를 적용하여 비교 테스트함 .

* INNER RACE 내경 피어싱 테스트
　

효신이온플레이팅 ( 신규코팅 )

동우 열처리 ( 기존 코팅 )

재 질

SKH51

SKH51

SKH51

열처리 업체

동우열처리

동우열처리

동우열처리

코팅 업체

효신 이온플레이팅


동우열처리

코팅 종류

R-3
(TiN+AlTiN+AlTiCrN+AlX( 보안사항 )

nACo3
(TiN+AlTiN+Si3N4)

TiN

25,000EA

8,000EA

10,000EA

작업 수명
　

작업 후
표면 상태

　

　

　

　

　

　

　

　

　
　
　
　
　

　
　
　
　
　

　
　
　
　
　

　
　
　
　
　

　

　

　

　

　
　

　
　

끝단부에 뜯김자욱은
전혀 없으며 크랙만 발생

　
　
끝단부에 뜯김자욱이 가장심하며
코팅막이 벗겨짐

　
　
끝단부에 뜯김자욱이 생기며

* SPIDER 내경 스트레이트 피어싱 테스트 ( 양산 미적용 테스트 중 )
　

효신이온플레이팅 ( 신규코팅 )

동우 열처리 ( 기존 코팅 )

제 품 명

GI2000i TRIPOD
PIERCING PUNCH
( 재질 : SKH51)

GI2000i TRIPOD
PIERCING PUNCH
( 재질 : SKH51)

GI2000i TRIPOD
PIERCING PUNCH
( 재질 : SKH51)

열처리 업체

동우열처리

동우열처리

동우열처리

코팅 업체



동우열처리

코팅 종류

R-3
(TiN+AlTiN+AlTiCrN+AlX( 보안사항 )

nACo3
(TiN+AlTiN+Si3N4)

TiN

2,350EA

1,600EA

150EA

작업 수명
　

작업 후
제품 내경
표면 상태

　

　

　

　

　

　

　

　

　
　
　
　
　

　
　
　
　
　

　
　
　
　
　

　

　

　

　

　

　
　
　
　

기존 피어싱 내경 : Ø16






끝단부에 뜯김자욱은
전혀 없으며 긁힘 발생

끝단부에 뜯김자욱이 가장심하며

제품 내경부 크랙 발생

코팅별 랜드부 마모 비교

R-3 코팅 ⅹ 180

Ti-N 코팅

R-3 코팅

Ti-N 코팅 ⅹ 180

관련 자료 (JSTP vol.50 no. 582)

각종 코팅 펀치의 5,000 타째의 피어싱 면 (5000 계열 알루미늄 합금
t=1 mm, ø 5 mm 홀 , 클리어런스 C= 10%Ⅹt )

피어싱 전 형상부와 피어싱 펀치 형상부 비교

•결론 ( 인너 레이스 )

-기존 동우열처리의 TIN 코팅을 8000 개 ~12000 개 작업후의 상태를 확인해보니
뜯김이 심하여 추가 작업이 불가하여 금형 수명이 짧음 .
-이번에 신규로 효신이온 업체를 개발하여 당사 작업 조건에따라 2 가지로 표면
코팅을
하여 Test 한 결과 R-3 코팅 ( 흑색코팅 ) 의 경우 기존 대비 2 배 이상 효과가
있었으며 ,
특히 코팅막의 벗겨짐 보다는 끝단부에 미세한 크랙이 발생한 것으로 봐서는 향
후에
개선하여 양산 적용하면 작업성이 양호할 것으로 판단됨 . ( 코팅 단가 미정 )
- 피어싱 펀치 선단형상 변경 테스트 필요 ( 예정 )

3. 원소재에 대한 단조성 평가 테스트
* 냉간 단조 에서의 한계 업셋팅
,

- 냉간 단조에서의 원소재는 여러 번의 공정을 거쳐서 제품이 성형되는 것으로

원소재의 기계적 성질 및 성형 능력을 잘 파악하는 것이 중요하다 .
- 이에 업체 및 제강 LOT 별 원소재를 한계 업셋팅하여 , 냉간 단조에 맞는 원
소재의
특성을 알고자
* 테스트 시료 한다 . ( 크랙불량 발생 시 , 원인 분석을 위함 )
구분

재질

Ø

제강업체

LOT NO.

수량

①

SCr420H

33

포스코

RKR2-244

18

②

SCr420H

32

포스코

RKR2-254

18

③

SCr420H

32

포스코

RKR2-255

19

④

SCr420H

32

포스코

RKR2-263

18

⑤

SCr420H

33

세아

RKR2-281

23

⑥

SCr420H

32

세아

RKR2-271

20

* 한계 업셋팅 결과

#2 크랙발생

#3 크랙발
생

#2 크랙발생 65.7% ⅹ80

#3 크랙발생 68.8% ⅹ80

* 테스트 결과
비

고

Up 량 (mm)

업세팅 율
(%)

69.3

10

79.8

76.5

76.7

16.5

65.7

301.3

77.8

77.8

15

68.8

48.06

300.2

77.1

77.1

11

77.1

33

49.57

329.5

77.7

78.9

10.5

78.8

세아

32

48.06

301.0

75.1

76.2

10.5

78.1

세아

33

52.00

　

　

　

10

80.8

구분

재질

제강

지름 길이 (mm) 중량 (g)

경도 (HRB)

#1

SCr420H Ø33

RKR2-244

포스코

33

49.53

329.9

69.2

#2

SCr420H Ø33

RKR2-254

포스코

32

48.03

301.1

#3

SCr420H Ø33

RKR2-255

포스코

32

48.05

#4

SCr420H Ø33

RKR2-263

포스코

32

#5

SCr420H Ø33

RKR2-281

세아

#6

SCr420H Ø33

RKR2-271

#7

SCM420H Ø33

RKM4-234

비

고

FA
크랙 없음
FA
크랙 발생됨
FA
크랙 발생됨
FA
크랙없음
FA
크랙없음
FA
크랙없음
SA ( 크랙없
음)

•결 론

1.상기 원소재 업체별로 제강 LOT 별 소재에 대하여 냉간 단조를 하기 위
한
적정한 소재 유무를 판단하기 위하여 한계 업셋팅 테스트를 진행한 결
과
단조성이 나쁜 소재는 업셋팅 시 크랙이 발생되어 업셋팅 율이 떨어짐
.
2. 따라서 신규 원소재 업체 개발이 필요한 경우나 , 신규 원소재 개발이
필요한
경우 냉간 단조성이 좋은 소재를 판단하기 위하여 사전에 한계 업셋팅

열처리 조건 변경에 따른 단조성 테스트

▣ 850 ℃ 6HR 처리재의 Upsetting Test
-81% 업 셋팅 실시 크랙 無

지속적인 개선 및 향후과제
원소재 경도 수입검사 (HB) 를 통한 품질예측시스
템 실현

4. 윤활성 평가 테스트
냉간 단조 성형시 윤활 조건에 따라 제품의 성형성 및 금형 수명이 좌우되는 경
향이 크다 . 현재 삼성에서 자체 윤활을 하고 있으므로 알맞은 윤활 조건이 유지
되고 있는지 확인하고자 테스트를 실시함 .
* 샘플 테스트 조건
소재 규격 - 외경 : 내경 : 높이 (6:3:2) 비율로 하여 소재 준비 (Ø54 X Ø27 X 18)
재질 : S53C
열처리 조건 : 830˚C, FA 품 ( 완전 소둔 )
윤활 조건 : 인산염피막 + MoS2 처리

업셋팅 전

업셋팅 후

* 샘플 테스트 결과
윤활
조건

외경

내경

높이

내경
변화

높이
변화

마찰전단계
수

윤활상태 양
호
( 시료 1)

Ø74

Ø26.5

8.5

1.9%

52.7%

0.17

윤활상태 양
호
( 시료 2)

Ø74.2

Ø26.8

8.4

0.9%

53.4%

0.18

Ø25

8.4

7.4%

53.4%

0.3

윤활상태 불
량
( 시료 3)

Ø68

50% 업 셋팅 후 내경변화 측정

측정값으로 계수산출

•마찰 전단 계수 (m) 에 따른 하중 해석

조건 : 소재 Ø54 X Ø27 X 18 (SM45C) , 업셋팅율
50%
m=0.17

하중 : 377 톤

m=0.18

하중 : 380 톤

m=0.3

하중 : 406 톤
(∆ 29 톤 )

•결 론

1.냉간 단조에서의 윤활은 제품성형시 마찰을 감소시켜 , 단조하중을 줄이
며.
제품의 유동성을 높여 소착으로 인한 불량을 방지 한다 .
2. 제품 성형시 금형 표면에 소착을 감소시켜 금형 수명을 증가 시킬 수 있
다.
3. 윤활 테스트 결과 냉간단조 마찰 전단 계수 기준의 0.05 – 0.15 를 만족
하지

5. 금형관리방법 개선

타사 예

냉간 단조 금형의 경제적인 조도관리를 정립하고자
함

※ 참고사항 [ 금형 표면사상과 금형 수명과의 관계 ]
금형의 표면사상은 금형의 수명을 결정하는 큰 요인이다 . 예를 들어 냉간단조용 강재
SKH 51 을 이용한 각 가공방법에 있어서의 시간피로강도는 피로시험편을 사용하여 최대
높이 거칠기와 수명의 관계를 구하여 아래에 표시하였다 .
〓 권고 표면거칠기 0.4 ㎛ [Rmax] 이하 〓

최대높이 거칠기와 수명의 관계 (σ= 85
Kg/mm2)

최대높이 거칠기와 냉간단조형수명의 관
계

온간단조 금형용 샌드브라스트입고 사용

작업 모습

완료 금형

실시 전후

완료 금형

6. 이형제 사용조건 개선

용도

변경 전

변경 후

비고

프리코팅

FB-400

동일

에치슨

단조이형

DF-31

SF-17-SH

케미텍

- 단조성을 평가하여 적정 희석비 정립

적용
11.11 월

( 희석비 7:1, 비중 : 1.01 이상 )

) -3. 후방압출 , 피어싱 핀 형상 변경 <GEN 작성 및 개선 진행
피어싱의 이상적 조건 설정
1) 크리어런스 비율
- 크리어런스의 비율 ( 다이측 , 펀치측 내경차이 ) 은 0.2 사이에서 가장 이상적으로 판단 .
2) 스크랩 두께비
- 스크랩 두께비는 0.2( 두께 : 약 1.8mm) 수준에서 가장 좋음 .
( 두께는 제품의 내경치수에 따라 달라짐 )
- 유사제품의 두께비 조사 필요 .
3) 스크랩 경도
- 경도는 큰 차이는 없으나 소재 자체의 경도에 따라 달자질 수 있을 것으로 판단 .
4) 피어싱 위치
- 재검토 필요
5) 피어싱 파단면
- 전단면의 면적 ( 세로방향 ) 이 높을수록 피어싱면이 깨끗하게 형성됨

개념도 ( 개선 전 )

개선 전 : 콘 타입의 피어싱 핀 사용 ( 동일 비율 캐드 도면 )

개념도 ( 개선 후 )

개선 후 : 플레이트 타입의 피어싱 핀 사용 ( 동일 비율 캐드 도면 )

관련 자료 ( 전단 가공 –일본소성가공학회 -)

펀칭 ( 타발 ) 면의 명칭

재료와 크리어런스에 의한 전단선도의 상위

각종금속재료의 전단저항과 일반작업용 크리어런스

전단제품의 절구면형상에 대한 크리어런스의 영향

형의 각진부분의 둥글기 반경 (R) 과 절구면
(t=0.55 mm, SPC-1, 크리어런스 14~22%)

펀칭 ( 타발 ) 온도에 의한 절구면의 변화 (D=ø 20 mm)

▣ 피어싱 스크랩의 두께비
NO

품 명

1

INSERT NUT(M6)

2
3

BUSHING
(Ø13×10.5)
C/INSULATOR
(Ø12×20.5)

▣ 크리어런스
NO

1

2

설계기준

INSERT NUT(M6)

0.37
(0.185)

C/INSULATOR
▣3 스크랩 경도
NO

1.75
(0.311)
1.7
(0.206)
2.2
(0.244)

품 명

BUSHING
(Ø13×10.5)

(Ø12×20.5)
품 명

측정 DATA

측정치 : 평

설계기준
균
구분
( 두께비 ) ( 두께비 )

0.25
(0.125)

2.251
(0.399)
1.805
(0.219)
2.195
(0.244)

상한
하한
상한
하한
상한
하한

측정치 : 평
구분
균

0.432
(0.216)
0.198
(0.099)

0.2
0.246
(0.1)
(0.123)
설계기준
　

1

INSERT NUT(M6)

　

　

2

BUSHING
(Ø13×10.5)

　

　

3

C/INSULATOR
(Ø12×20.5)

　

　

X1

X2

X3

X4

X5

X6

X7

X8

X9

X10

AVG.

2.16
2.32
1.75
1.85
2.13
2.20

2.18
2.35
1.79
1.84
2.17
2.23

2.15
2.33
1.73
1.85
2.17
2.24

2.17
2.34
1.76
1.83
2.15
2.23

2.18
2.35
1.78
1.84
2.18
2.25

2.14
2.33
1.75
1.83
2.14
2.20

2.15
2.32
1.78
1.88
2.17
2.25

2.17
2.36
1.76
1.85
2.18
2.25

2.16
2.30
1.77
1.84
2.16
2.24

2.20
2.35
1.76
1.86
2.13
2.22

2.166
2.335
1.763
1.847
2.158
2.231

측정 DATA
X1

X2

X3

X4

X5

X6

X7

X8

X9

X10

AVG.

펀치
측
다이
측
C
펀치
측
다이
측
C
펀치
측
다이
측
C
구분

6.06

6.06

6.08

6.06

6.07

6.06

6.06

6.07

6.08

6.06

6.066

5.64

5.63

5.64

5.63

5.64

5.63

5.63

5.63

5.64

5.63

5.634

0.42

0.43

0.44

0.43

0.43

0.43

0.43

0.44

0.44

0.43

0.432

8.45

8.43

8.43

8.45

8.45

8.45

8.46

8.43

8.45

8.45

8.445

8.25

8.25

8.24

8.25

8.24

8.25

8.25

8.25

8.24

8.25

8.247

0.20

0.18

0.19

0.20

0.21

0.20

0.21

0.18

0.21

0.20

0.198

9.26

9.25

9.25

9.24

9.26

9.27

9.26

9.25

9.25

9.26

9.255

9.01

9.02

9.01

9.00

9.01

9.01

9.01

9.01

9.00

9.01

9.009

0.25
X1

0.23
X2

0.24
X3

0.24
X4

X5

X6

X7

0.24
X8

0.25
X9

0.25
X10

0.246

HV

241.8

250.1

245.7

242.8

247.3

249.0

　

　

　

　

HRC

20.8

22.4

21.5

20.9

21.9

22.2

　

　

　

　

HV

256.5

255.3

259.6

254.7

253.9

252.5

　

　

　

　

HRC

23.4

23.2

23.9

23.1

23.0

22.8

　

　

　

　

HV

256.9

262.1

264.6

259.1

263.1

261.4

　

　

　

　

HRC

23.5

24.4

24.8

23.9

24.5

24.2

　

　

　

　

측정 DATA 0.25
0.25
0.26

AVG.
246.11
7
21.617
255.41
7
23.233
261.20
0
24.217

COLLAR(Ø12), 피어싱 핀 변경에 따른 진행사항
( 콤비네이션 Type 으로 변경 , Air Hole 추가 건 ) 12.04.16 생산 적용

카라 인슐레이터 피어싱 핀 형상변경 전후 뜯김면 비교
변경 전 ( 스크랩 )

변경 후 ( 스크랩 )

- 불규칙적인 전
단면 형성

- 전단면 증가
- 균일한 전단면
형성

변경 전 ( 제품 )

변경 후 ( 제품 )

-추가 제품들에 대하여 비교 조사 필요 .
- 피어싱 칩 위치 변경 검토
- 피어싱 핀 콘 , 콤비네이션 TYPE 에 대한 치수변화 , 동심변화 비교 필요

Burr
발생

카라 인슐레이터 펀치 핀 형상변경 전후 비교

1

감사합니다 .
자동차 부품산업 진흥재단
www.kapkorea.org
단조 담당
이성근
(coldforging @ lycos.co.kr)
< 참고 , 인용 자료 >
1)日本塑性加工學會編 : わかりやすい鍛造加工
2)日本塑性加工學會編 : 鍛造
3)日本塑性加工學會編 : せん加工
4)日本塑性加工學會紙
5)ASM International: Cold and Hot Forging

KAP 업종별기술세미나 12년 5월 #01

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