KR100667235B1 - 기계적 성질이 향상된 트랙 링크 부시의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 궤도 차량의 트랙 링크 부시의 제조방법에 관한 것이다, 보다 구체적으로, 본 발명은 궤도 차량에 사용되는 트랙 링크 부시의 제품을 단조가공 방법을 이용하여 제품을 제조함으로써, 메탈 플로우를 형성케 하여 충격강도 등의 기계적 성질이 개선되고 제품 내부에 구멍형성에 따른 재료비 절감 및 대량생산 시스템이 보장되는 트랙 링크 부시에 관한 것이다. 본 발명에 따른 트랙 링크 부시의 제조방법은 금형틀 내부에 원자재를 삽입하는 단계, 상기 원자재를 상부 펀치와 하부 펀치의 유압 프레싱에 적용하여, 상기 원자재 내부에 덧살에 의해 격리된 상부구멍과 하부구멍을 형성하는 단계, 얻어진 단조품을 트리밍 프레스를 이용하여 피어싱하여 덧살을 제거하는 단계, 덧살이 제거된 단조품을 정삭가공하고, 열처리를 수행하는 단계로 구성된다.

Description

기계적 성질이 향상된 트랙 링크 부시의 제조방법{METHOD FOR THE PREPARATION OF TRACK LINK BUSH WITH ENHANCED MECHANICAL PROPERTIES}

본 발명은 궤도 차량의 트랙 링크 부시의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 궤도 차량에 사용되는 트랙 링크 부시의 제품을 단조가공 방법을 이용하여 제품을 제조함으로써, 메탈 플로우를 형성케 하여 충격강도 등의 기계적 성질이 개선되고 제품 내부에 구멍형성에 따른 재료비 절감 및 대량생산 시스템이 보장되는 트랙 링크 부시에 관한 것이다.

일반적으로 궤도차량은 탱크, 또는 트랙터와 같은 중장비등을 일컫는 것으로, 상기 궤도 차량의 이동은 앞, 뒤 바퀴 둘레에 고리 모양의 트랙 링크를 조립하고, 앞, 뒤 바퀴를 동시에 회전시킴으로써 수행된다. 따라서 궤도 차량에 조립되는 트랙 링크 부시는 내마모성과 내충격성, 내구성, 내피로성이 요구되는 부품이다.

종래의 트랙링크 부시의 제조방법은 원형강을 절단하여 얻어진 원자재를 드릴링 머시인 또는 기계가공 장비를 사용하여 원형강 중심부에 구멍을 형성하는 단계, 내부에 구멍이 형성된 원형강을 내경가공, 내경정삭 및 외경가공을 순차 수행하는 단계, 얻어진 원형강에 적절한 열처리(예: 침탄 열처리, 고주파 열처리)를 수 행하는 단계로 구성된다. 원형강 중심부에 구멍을 형성하기 위한 기계가공은 다음과 같은 문제점을 안고 있다. 투입된 원자재의 약 40-50% 정도가 버려지게 되어 재료비가 상승된다. 또한, 원형강 내부의 기계가공은 상당한 가공시간을 요구하며, 따라서, 대량생산에 적합하지 못하다. 더 나아가, 최종제품의 충격강도, 내구성, 피로강도가 저하된다. 때때로, 내충격성, 내구성, 내피로성이 기준치에 미달된 트랙 링크 부시는 궤도 차량에 장착된 후 기계적 파손 등의 치명적인 결함을 야기하기도 한다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 재료비 절감과 가공시간 단축을 성취할 수 있는 효율적 트랙 링크 부시의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 연신율, 충격강도 등 기계적 성질이 향상되어 최종 제품의 내구성, 피로강도가 우수한 트랙 링크 부시의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 제조공정을 단순화하여 생상성이 향상된 트랙 링크 부시의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 첫 번째 관점에 따르면, 금형틀 내부에 원자재를 삽입하는 단계, 상기 원자재를 상부 펀치와 하부 펀치의 유압 프레싱에 적용하여, 상기 원자재 내부에 덧살에 의해 격리된 상부구멍과 하부구멍을 형성하는 단계, 얻어진 단조품을 트리밍 프레스를 이용하여 피어싱 하여 덧살을 제거하는 단계, 덧살이 제거된 단조품을 정삭 가공하고, 열처리를 수행하는 단계로 구성된 트랙 링크 부시의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 두 번째 관점에 따르면, 상기 유압 프레싱이 하나의 하부 펀치와 2개 또는 그 이상의 상부 펀치를 갖는 무빙 시스템에서 수행되는 것을 특징으로 하는 트랙 링크 부시의 제조방법이 제공된다.

본 발명자들은 기계적 성질이 향상된 트랙 링크 부시를 효율적으로 제조하기 위해 다양한 연구를 수행하였다. 그 일예로, 궤도 차량의 트랙 링크 부시의 모양은 가늘고 길며 내부에 구멍이 있는 파이프의 모양과 유사하므로, 햄머 단조에 적용하여 트랙 링크 부시를 제조한 바 있다. 그러나, 상기 햄머 단조는 타격 방법의 단조 방법으로 상, 하 가압의 단조가공이 곤란하다. 특히, 중심부 내경 구멍의 형성은 타격 방식의 햄머 단조로는 편심 가공되는 문제점을 갖고 있음을 확인하였다. 또한 기계식 프레스를 이용한 단조가공에 의한 구멍형성을 시도한 바 있으나, 이 공정 또한, 스토록(Strocke)이 짧아 길이가 긴 제품생산에 부적합하였으며, 제품을 성형하는 과정에서 강한 충격형태의 불균일한 가압이 발생되어 올바른 제품제조가 불가능한 문제점을 갖고 있음을 확인하였다.

다양한 시행착오를 경험한 결과, 유압 프레스를 이용한 단조가공공정과, 피어싱 공정과, 정삭공정과, 뒤이은 열처리 공정으로 구성된 새로운 방법에 적용한 결과 종래의 기계적 가공에 의해 초래된 문제점을 극복할 수 있음을 확인하고 본 발명에 이르렀다.

본 발명에 따른 트랙 링크 부시의 제조방법은 금형틀 내부에 원자재를 삽입하는 단계, 상기 원자재를 상부 펀치와 하부 펀치를 유압 프레싱에 적용하여, 상기 원자재 내부에 덧살에 의해 격리된 상부구멍과 하부구멍을 형성하는 단계, 얻어진 단조품을 트리밍 프레스를 이용하여 피어싱하고 덧살을 제거하는 단계, 덧살이 제거된 단조품을 정삭가공하고, 열처리를 수행하는 단계로 구성된다.

이를 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

◇ 단조공정

단조가공이 가능한 규격으로 절단된 원형강의 원자재를 400KW/HR 고주파 가열기(Induction Heater)에서 고온(약 1200℃)으로 가열한다. 가열된 원자재를 유압 프레스(예를 들면, 300톤∼1300톤)에 조립된 상부 펀치와 하부 펀치의 중심에 위치한 금형틀에 안착시킨다. 이 때, 하부 펀치의 길이는 상부 펀치 보다 작은 것이 좋다. 그 이유는 상부 펀치의 경우, 유냉 작업을 수행할 수 있으나, 하부 펀치의 경우, 유냉이 쉽지 않기 때문이다. 그 후, 상부 펀치가 원자재의 중심부를 가압하게 된다. 상, 하 가압 성형에 의해, 금형에 안착된 원자재의 외경 치수는 줄어들고 길이는 길어지며 원자재의 내경에 구멍형상이 생기게 된다. 구체적으로, 상부 펀치에 의한 상부 구멍과 하부 펀치에 의한 하부 구멍이 형성된다. 상부 구멍과 하부 구멍의 사이에, 약 5-7mm 정도 두께의 덧살이 중심부 하단에 존재한다. 이것은 상부 펀치와 하부 펀치로 구멍형상을 만들기 위해 가압함으로써, 생성된 피어싱 부위이다.

◇ 무빙 시스템(Moving System)

트랙 링크 부시의 모양은 가늘고 길어 단조가공이 어렵다. 특히 가늘고 긴 내경 구멍을 성형하는 공정은 본 발명에서 가장 어려운 공정이다. 내경 구멍성형이 어려운 이유는, 가열된 재료(약 1200℃)를 상, 하 펀치로 가압하면 펀치가 고열의 영향으로 휨이 발생하거나 급격한 마모, 뭉그러짐으로 인해 단조시 내경 구멍이 편심 가공되거나 구멍 형성을 이루지 못하게 되는 등 부적합품이 발생되며, 대량생산 시스템을 구축할 수 없다. 따라서 부적합품 생산을 방지하고 대량생산 체계를 구축하기 위하여 무빙 시스템을 창안하였다. 그 내용을 상세히 설명하면, 유압프래스 상, 하부에 상부 펀치와 하부 펀치를 조립/장착하게 된다. 상부 펀치 금형은 2개 또는 그 이상의 복수개를 조립/장착시키며, 하형 펀치 금형 보다 펀치의 길이를 길게 제조하였다. 상, 하 가압의 성형 방법(전, 후방 압출 방법) 적용시 가열된 원자재를 가압하면 펀치가 고열의 영향을 받게 됨으로 펀치의 수명을 증대시킬 수 있도록, 이들은 교대로 사용된다. 즉, 연속공정에서 한 개의 상부 펀치가 가압되면 가압된 펀치 금형은 유냉하고, 다른 한개의 펀치 금형으로 가압한 후 또다시 유냉하는 시스템이다. 즉, 가열된 원자재 한 개 작업후에 다른 원자재가 투입되면 다른 상부 펀치 금형이 사용되는 반복/연속 작업 시스템이다.

◇ 피어싱 공정

상, 하 가압의 성형 방법(전, 후방 압출 방법)으로 생성된 단조품 중심부 구멍 하단에 약 5-7 mm 정도의 덧살을 150톤 트리밍 프레스로 가압하여 관통시키는 공정이며 단조품을 완성시키는 과정이다. 그 내용을 상세히 설명하면, 트리밍 프래스 하형 금형에 구멍 중심부 하단에 약 5-7 mm 정도의 덧살이 존재하는 단조품을 안착시킨다. 그리고 트리밍 프레스로 가압하여 덧살을 관통시킨다. 트리밍 프레스 위쪽의 상부 금형에 피어싱 펀치가 조립 장착되어있으므로 트리밍 프레스로 가압하면 잔류된 덧살이 절단되는 것이다.

◇ 내외경 정삭가공

완성된 단조품은 가공 여유가 0.5-1.5 mm로 황삭 공정이 필요 없이 CNC 선반이나 기타 기계가공 장비로 정삭 가공이 가능하다.

◇ 열처리 공정

열처리 공정은 원자재의 종류에 따라 선택된다. 저탄소강 및 저탄소 합금강(탄소 함량이 0.30% 이하)의 경우, 침탄 열처리가 적용되며, 중탄소강과 중탄소 합금강(탄소 함량이 0.30-0.50 수준) 또는 고탄소강과 고탄소 합금강(탄소 함량이0.50-0.60수준)은 담금질, 고온뜨임하여 고주파열처리가 적용된다. 몇몇 원자재는 담금질과 저온뜨임이 적용된다.

비교의 목적하에, 종래의 궤도차량 링크 부시의 제조방법과 본 발명의 제조방법의 내용 및 현황을 표 1에 정리하였다.

표 1의 내용과 같이 본 발명의 구성은 궤도 차량의 트랙 링크 부시를 제조하는 방법, 즉, 순수 기계가공으로만 제조한 방법을 스토록(Strocke)이 길고 단조성형 속도조정이 가능한 유압 프레스를 이용하여 전후방 압출 방식과 상형부 금형에 2개의 펀치를 제작 활용하는 무빙 시스템(Moving System) 단조가공 방법을 적용하여 기준에 적합한 궤도차량 트랙 링크 부시 제조를 특징으로 한다. 이는 종래에 사용되는 햄머 및 프레스 등의 단조 설비로는 단조 작업이 불가능하였다.

이하 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

실시예

본 발명은 표 2와 같은 원형강의 소재를 구입하여 종래의 트랙 링크 부시의 제조 방법과 본 발명의 트랙 링크 부시 제조 방법을 병행하여 시험하였으며 표 2의 SCM420 재질과 SCM440 재질 사용시 열처리 방법이 상이하므로 재질별로 구분하여 시험하였다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	비고
SCM420	0.21	0.27	0.87	0.010	0.012	1.03	0.22	침탄 열처리에 적용
SCM440	0.40	0.25	0.83	0.012	0.009	0.94	0.21	담금질&뜨임, 고주파
- KS D 3711의 크롬 몰리브덴 강재 규정에 적합한 소재임

표 2의 원형강의 원자재를 스쿨라 카팅기에서 절단하고 400㎾/HR 고주파 가열기(Induction Heater)에서 1200℃로 가열하여 350톤 유압프레스로 단조작업을 실시한 후 150톤 트리밍 프레스로 구멍 중심부 하단에 위치한 피어싱 부위를 관통하였다.

단조공정을 보다 상세히 설명하면, 가열된 원자재를 금형에 안착하여 전후방 압출 방식의 성형방법으로 단조한다. 이 때 상형부 금형에 2개의 펀치를 활용하는 무빙시스템(Moving System)을 적용하여 내부구멍의 편심과 펀치의 급격한 마모를 방지함으로 기준에 적합한 제품을 얻을수 있도록 한다. 무빙 시스템(Moving System) 적용으로 제품 중심부 구멍에 피어싱 부위만 남게된다. 중심부 하단에 위치한 피어싱부 덧살 형상을 트리밍 프레스로 관통시키면 단조제품이 완성된다. 단조 가공된 트랙 링크 부시의 응력제거, 조직 미세화, 기계가공성 개선을 위하여 SCM420 단조품은 920℃에서 3시간 가열/유지 후 자연 공냉의 불림 열처리(Normalizing)를 시행하였으며, SCM440 단조품은 870℃에서 3시간동안 가열/유지한 후 5시간 노냉하여 600℃에서 자연 공냉의 풀림 처리(Annealing)를 시행하였다.

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비교의 목적하에, 종래 방법으로 트랙 링크 부시를 제조하였다. 표 2의 SCM420 소재와 SCM440 소재의 원형강을 스쿨라 카팅기에서 절단하여 응력제거, 조직 미세화, 기계가공성 개선을 위하여 상기에서 설명한 단조품 열처리 방법과 동일한 방법으로 열처리(열처리 노에 함께 장입함)를 시행하였다. 열처리가 완료된 원자재를 드릴링 머시인에서 내경 드릴가공을 시행하고 CNC 선반에서 내경가공과, 내경정삭과, 외경 정삭 가공을 거쳐 기계 가공을 완성하였다.

본 발명에 따른 트랙 링크 부시는 CNC 선반에서 내경 황삭 가공 공정없이, 내/외경 정삭 가공으로 쉽게 기계가공을 완성하였다.

순수한 기계가공의 종래 방법과 본 발명의 방법으로 작업되어 기계 가공이 완료된 트랙 링크 부시를 표 3과 같은 조건으로 열처리하여 트랙 링크 부시의 최종제품을 완성하였다.

구분	열처리 싸이클	열처리 결과
재질 SCM420 (침탄 열처리)	승온 1.8시간 →침탄/확산 5.8시간(920℃) → 강온 0.5시간 →강온유지 0.6시간(850℃) → 담금질 0.2시간(오일퀀칭) →승온 0.3시간 → 뜨임 1.5시간(180℃)	표면경도:HRC59-60 경화깊이:0.95-0.97
재질 SCM440 (담금질,뜨임 고주파 처리)	승온 1.5시간 →가열/유지 2.0시간(850℃) → 담금질 0.2시간(오일퀀칭) →승온 0.5시간 → 뜨임 2.0시간(600℃) →내/외경 고주파 → 승온 0.3시간 →뜨임 1.5시간(180℃)	표면경도:HRC57-58 경화깊이:3.5-3.7
- 침탄 경도 및 경화깊이 목표: 경도 HRC58-62, 경화깊이 0.8-1.2(HV550지점) - 고주파 경도 및 경화깊이 목표:경도 HRC55-60, 경화깊이 2-5(HRC45지점)

종래 방법으로 제조된 트랙 링크 부시와 본 발명에 따른 방법으로 제조된 트 랙 링크 부시의 기계적 성질을 알아보기 위하여 인장 시험편과 충격 시험편을, SCM420의 시험편은 880℃에서 1차 담금질하고 860℃로 2차 담금질하여 응력 제거를 위해 180℃에서 뜨임처리하였으며, SCM440의 시험편은 850℃에서 담금질하고 600℃로 뜨임처리하여 시험편을 제조하였다. 얻어진 시험편으로 경도, 인장강도, 연신율, 단면 수축율, 충격강도 등의 기계적 성질을 시험하였으며 그 결과를 표 4에 정리하였다. 표 4에 나타난 바와 같이, 동일한 열처리를 수행하였음에도 불구하고, 종래 방법의 트랙 링크 부시에 비해, 본 발명의 방법으로 제조된 트랙 링크 부시가 경도는 유사하였으나, 향상된 연신율, 약 30% 상승된 충격강도를 갖고 있음을 확인되었다. 특히 충격강도는 내구성 및 피로강도에 영향을 미치는 아주 중요한 인자이다. 따라서, 본 발명에 따른 제조방법은, 원자재 절약 및 제조공정의 단순화와 더불어, 기계적 성질도 추가적으로 향상시킴이 입증되었다

구분		경도 (HB)	인장강도 (㎏f/㎟)	연신율 (%)	단면수축율 (%)	충격치 (㎏f/㎟)
SCM420 시험편	종래방법	321	117	17.7	55.2	8.7
	본 발명방법	325	123.5	19.4	57.4	11.9
SCM440 시험편	종래방법	302	107	18.4	59.1	9.7
	본 발명방법	302	110	20.7	61.8	13.8

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 트랙 링크 부시의 제조방법은 순수한 기계가공에 의해서 제조되던 종래 방법에 비해 달리 40-50%가 버려지던 원자재를 방지할 수 있어 획기적으로 재료비가 절감된다. 또한, 가공 공정에 소요되는 시간이 비약적으로 절약됨으로써 생산성 향상이 가능하다, 또한, 무빙 시스템 의 채용에 의해, 가공의 완성도와 재현성이 성취되며, 이것은 궤도차량용 트랙 링크 부시의 대량생산 시스템 구축을 가능케 한다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 메탈 플로우가 연신율, 충격강도 등의 기계적 성질을 향상시킴으로써, 트랙 링크 부시의 피로강도 및 내구성을 증대시킨다.

Claims (4)

1. a) 금형틀 내부에 가열된 원자재를 투입하는 단계,

   b) 상기 금형틀에 투입된 원자재를 하부 펀치와 상부 펀치의 유압 프레싱을 이용하여 단조가공하되, 상기 상부 펀치는 제1 상부 펀치와 제2 상부 펀치를 포함하는 2개 이상의 복수개로 구비되고, 하나의 트랙 링크 부시를 제조할 때, 하부 펀치와 제1 상부 펀치의 유압 프레싱에 의해 하나의 트랙 링크 부시의 가공이 수행되되, 상기 복수개의 상부 펀치는 순차 교대로 유압 프레싱에 의하여 작동하여 다음 트랙 링크 부시의 가공을 위해서, 제2 상부 펀치가 유압 프레싱에 의하여 동작되며, 상기 하부 펀치와 상부 펀치의 유압 프레싱에 의하여 상기 원자재 내부에 덧살에 의해 격리된 상부구멍과 하부구멍을 형성하는 단계,

   c) 얻어진 단조품을 트리밍 프레스를 이용하여 피어싱하여 덧살을 제거하는 단계, 및

   d) 덧살이 제거된 단조품의 내외경을 정삭가공하고, 열처리를 수행하는 단계로 구성된 트랙 링크 부시의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 하부 펀치의 길이가 상부 펀치의 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 트랙 링크 부시의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 열처리가 침탄열처리, 담금질과 뜨임후 고주파 열처리, 담금질후 저온뜨임으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 트랙 링크 부시의 제조방법.
4. 삭제