KR20240089283A - 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정 - Google Patents

Abstract

단조기, 앤빌 다이 및 조작 기기를 포함하는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정에 있어서, 1차적 가열로 보스와 더블윙을 구비한 프리폼 단조품의 형상과 파라미터를 설정하고, 복수 회의 업세트 스트레칭 공정을 적용하여, 프리폼의 단조를 완성하며; 2차적 가열로 복수 공수 과도품의 형상과 파라미터를 설정하고, 변환 각도를 적용하여 앞뒤로 뒤집고 좌우로 이동하면서 압연 단조하고, 앤빌 다이를 반복적으로 교체하면서 압연 단조하며, 호형 압출면이 설치된 역방향 버클링 절곡 다이를 적용하여 롤링, 압출 및 절곡하고, 복수 개의 맨드릴을 적용하여 복수 회 압착함으로써, 단조품의 점진적인 과도적 성형을 구현하고, 크랭크 슬로우의 성형 단조를 완성한다. 해당 공정은 비교적 작은 압력 및 비교적 짧은 압연 단조 스트로크로 크랭크 슬로우 단조품을 위한 성형 단조와 벤딩 단조를 완성함으로써, 압력이 비교적 작은 단조기로 비교적 큰 크랭크 슬로우 단조품을 위한 단조 공정의 완성을 구현하는 것으로서, 단조비가 크고, 성형도가 좋으며, 가공 여유가 작고, 단조 시간이 짧으며, 재료 손실이 적고, 생산 비용이 낮은 특점을 구비한다.

Description

대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정

본 개시는 크랭크 슬로우(crank throw) 단조품(forging piece)에 관한 것으로, 구체적으로는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열(two-heating/two-fire) 성형 단조 공정에 관한 것으로, 단조 기술 분야에 속한다. 구체적으로, 본 개시는 프리폼인 조립식 크랭크 슬로우 단조품에 관한 것으로, 구체적으로는 대형 조립 크랭크 슬로우 프리폼(preform)의 단조 공정에 관한 것이다. 또한, 본 개시는 대형 크랭크 슬로우의 단조에 관한 것으로, 구체적으로는 대형 크랭크 슬로우 저널부의 단조 공정에 관한 것이다. 또한, 본 개시는 크랭크 슬로우를 위한 성형 단조 공정에 관한 것이다.

<관련 출원의 상호 참조>

본 개시는 2022년 1월 20일에 중국 국가지식재산권국에 제출한 출원 번호가 202210066376.7이고, 명칭이 "대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정"인 중국 특허 출원, 2022년 1월 20일에 중국 국가지식재산권국에 제출한 출원 번호가 202210065615.7이고, 명칭이 "크랭크 슬로우 프리폼을 위한 단조 공정"인 중국 특허 출원, 2022년 1월 20일에 중국 국가지식재산권국에 제출한 출원 번호가 202210065671.0이고. 명칭이 "대형 크랭크 슬로우 저널을 위한 단조 공정"인 중국 특허 출원 및 2022년 1월 20일에 중국 국가지식재산권국에 제출한 출원 번호가 202210066077.3이고, 명칭이 "크랭크 슬로우를 위한 성형 단조 공정"인 중국 특허 출원의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 본 출원에 참조로 원용된다.

크랭크 샤프트(crankshaft)는 기계적 회전 운동과 왕복 운동의 변환의 주요 부품이고, 크랭크 슬로우는 크랭크 샤프트의 중요한 부속품이다. 크랭크 샤프트는 기계적 회전 운동과 왕복 운동의 변환을 담당하므로, 대형 크랭크 샤프트의 크랭크 슬로우는 큰 힘을 받고 복잡하다. 따라서, 충분한 강성, 강도 및 충격 하중을 감당할 수 있는 능력을 구비해야 한다. 상술한 성능 요구를 만족시키기 위해, 대형 조립식 크랭크 샤프트의 크랭크 슬로우로는 일반적으로 단조 제품을 선택 사용하며, 단조 크랭크 슬로우의 생산 과정은 비교적 복잡한 것으로서 복수의 단계, 복수 회의 가열이 필요하고, 복수 개 앤빌 다이를 반복적으로 교체하여야만 조작을 완성할 수 있다. 저널은 크랭크 슬로우와 커넥팅 로드가 서로 연결되는 부위로서 그의 단조 성형 과정은 가장 복잡하다. 크랭크 슬로우의 두 개의 윙의 일단에는 전체적 단조를 통해 저널 정형(net shape)에 근접한 기둥형 빌렛이 단조된다.

일반적인 단조 방법으로는, 실형 단조법(solid forging method), 다이 단조법(die forging method) 및 벤딩 단조법(bending forging method)이 있다. 여기서, 다이 단조법은 수만 톤 압력의 단조기와 가격이 비싼 금형이 필요하고, 단조품의 품질이 아직은 만족스럽지 못하다. 벤딩 단조법은 금속 흐름이 좋고, 성형이 좋으며, 조작이 용이하고, 기기에 대한 요구가 높지 않은 반면, 단조 가열 차수가 많음으로 인해 재료 소비와 에너지 소비가 증가되며, 단조를 완성하기 위해서는 국내외 가장 선진적인 제조 업체들에서도 5-7차례의 가열이 필요하며, 단조품의 냉간 가공 여유(allowance)가 매우 크다. 기존의 크랭크 슬로우를 단조하는 방법으로는 다이 단조(die forging)와 자유 단조(free forging) 두 가지가 있다. 이들은 일정한 단점이 존재함으로 인해 생산 비용이 높고 생산성이 낮을 뿐만 아니라, 만 톤급 이상의 단조기와 제작 가격이 비싼 금형의 적용이 필요하며, 다음으로, 단조품의 양품율이 매우 낮아 단조비(forging ratio)를 만족시키지 못함으로 인해, 단조품 내부 조직 결정립이 조대해져 품질이 불량하며, 셋째로는, 단조품 결손과 접철이 자주 발생한다.

본 출원인은 상술한 문제점들에 대해 모의적인 계산과 과학적인 분석을 진행하였으며, 기존의 크랭크 슬로우 단조 과정에는 아래와 같은 흠결이 존재한다. 우선, 단조 공정이 후진적이고, 다음으로, 금형의 설치가 합리적이지 못하며, 셋째, 앤빌 다이의 교체 방식이 과학적이지 못하다. 따라서, 단조 공정에 대한 과학적인 설계 및 개진이 필요한 실정이다.

본 개시는 1차적 가열로 보스(boss)를 구비한 더블윙체(double-wing body)의 형상, 파라미터를 설정하고, 2차적 가열로 더블윙, 저널을 단조 시의 과도적 형상, 파라미터 및 절곡 파라미터를 설정하며, 세미 다이 단조 공정(semi-die forging process)을 적용함으로써, 2차례 가열로 대형 크랭크 슬로우 단조품의 단조를 완성시키는 것을 목적으로 하는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정을 제안한다.

구체적으로, 본 개시는 크랭크 슬로우 프리폼의 형상과 파라미터를 설정하고, 자동 교체되는 앤빌 다이를 설치하며, 반복적인 업세트 스트레칭 단조 공정을 적용함으로써, 1차적 가열로 단조의 완성을 구현하는 크랭크 슬로우 프리폼을 위한 단조 공정을 제안한다. 본 개시는 여러 가지 서로 다른 특수 형상의 앤빌 다이를 적용하여, 단조품에 대해 복수의 빈도, 복수의 각도, 복수 회로 앤빌 다이를 변환시켜 반복적으로 압연 단조함으로써, 저널부가 점진적으로 성형되도록 함으로써, 저널부의 냉간 가공 여유가 가장 작도록 하고, 단조 과정이 가장 빠르도록 하는 것을 목적으로 하는 대형 크랭크 슬로우 저널을 위한 단조 공정을 제안한다. 본 개시는 공정 단조품 형상과 파라미터를 설정하고, 1차적 가열로 저널 성형, 공정 제형, 절곡, 압착 및 정밀 단조를 완성함으로써, 가열 차수의 감소와 단조비의 증가를 목적으로 하는 크랭크 슬로우를 위한 성형 단조 공정을 제안한다.

본 개시에서는 하기와 같은 기술 방안을 제안한다. 단조기, 앤빌 다이 및 조작 기기를 포함하며, 상기 앤빌 다이는 상부 앤빌, 하부 다이, 맨드릴 및 상부 다이를 포함하고, 상기 하부 다이는 소형 플랫 앤빌, 대형 플랫 앤빌, 양날 홈 프레싱 다이(double-edge groove pressing die), 볼록 다이(male die), 사다리꼴 다이(trapezoidal die) 및 오목 다이(female die)를 포함하고, 상기 상부 다이는 업세팅 플레이트, 앤빌 교체 다이 및 역방향 버클링 절곡 다이를 포함하며; 상기 조작 기기는 작업대와 매니퓰레이터를 포함하고, 상기 작업대는 횡방향 작업대와 종방향 작업대를 포함하고, 상기 매니퓰레이터는 제1 매니퓰레이터와 제2 매니퓰레이터를 포함하며; 상기 상부 앤빌은 상기 단조기에 연결되고, 상기 볼록 다이, 상기 양날 홈 프레싱 다이는 각각 상기 대형 플랫 앤빌과 함께 고정 힌지를 구성하며, 상기 앤빌 교체 다이는 오목형 앤빌 교체 다이와 호형 앤빌 교체 다이를 포함하고, 상기 맨드릴은 복수 개이며, 서로 다른 맨드릴의 양단의 두께 차이가 상이하고, 상기 하부 다이는 상기 횡방향 작업대 상에 배치되어 상기 횡방향 작업대를 따라 이동하며, 상기 제1 매니퓰레이터는 단조품을 클램핑하고, 상기 제2 매니퓰레이터는 상기 맨드릴 또는 상기 상부 다이를 클램핑하는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정에 있어서,해당 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정은 단계1 내지 제8단계를 포함하는 1차적 가열(first heating) 및 제9단계 내지 제20단계를 포함하는 2차적 가열(second heating)을 포함할 수 있고,

1차적 가열: 중부에 보스를 구비한 더블윙체의 프리폼 단조

더블윙체의 길이를 L, 폭을 b, 높이를 h₁로 설정하고; 보스의 높이를 h₂, 폭을 b로 설정할 경우, 프리폼의 총 높이는 h= h₁+ h₂이며,

제1단계에 있어서, 크랭크 슬로우 단조품의 중량 요구에 따라 강철 빌렛(steel billet)을 선택 사용하고, 설정 단조 온도까지 가열하며;

제2단계에 있어서, 제1단계에서 가열한 강철 빌렛을 상부 앤빌 및 소형 플랫 앤빌 사이에 배치하여 강철 빌렛을 스트레칭(draw out)하고;

제3단계에 있어서, 제2단계에서 스트레칭한 단조품을 길이 방향으로 종방향 작업대에 세우고, 제2 매니퓰레이터는 업세팅 플레이트를 클램핑하여 단조품 및 상부 앤빌 사이에 배치하며, 단조품을 원래 길이의 1/2로 업세트하며;

제4단계에 있어서, 제3단계에서 업세트한 단조품을 단면이 (3b/4) x (3b/4)인 단조품으로 스트레칭하고;

제5단계에 있어서, 제4단계에서 스트레칭한 단조품을 길이 방향으로 종방향 작업대에 세우고, 단조품을 원래 길이의 1/2로 업세트하며;

제6단계에 있어서, 제5단계에서 업세트한 단조품을 단면이 b x b인 단조품으로 스트레칭하고;

제7단계에 있어서, 제6단계에서 스트레칭한 단조품의 중부를 양날 홈 프레싱 다이의 상방에 배치하고, 단조품의 하방에 서로 평행하는 좌측 홈 및 우측 홈을 단조하며;

제8단계에 있어서, 제7단계의 좌측 홈 및 우측 홈을 구비한 단조품을 상하 방향으로 180° 뒤집어 대형 플랫 앤빌에 배치하여 단조하고, 대응되게 좌측 홈의 왼쪽과 우측 홈의 오른쪽을 폭이 b, 높이가 h₁, 길이가 L인 더블윙체로 단조하고, 좌측 홈 및 우측 홈 사이를 높이가 h₂, 폭이 b인 보스로 단조하여 더블윙체의 프리폼을 제조하며;

2차적 가열: 단조 성형

더블윙과 저널의 과도적 형상 및 파라미터를 설정하고, 절곡 파라미터를 설정하며,

1. 저널 단조

제9단계에 있어서, 제8단계의 단조품을 단조 온도까지 가열하고;

제10단계에 있어서, 가열 후의 프리폼을 대형 플랫 앤빌에 배치하고, 더블윙을 얇게 프레싱하여 스트레칭하고 공정 단조품 설정 사이즈로 피니싱하며;

제11단계: 제1 매니퓰레이터로 프리폼을 클램핑하고, 제10단계의 프리폼 중부를 볼록 다이 상방에 배치하고, 앞뒤로 180도 뒤집으며 단조하고, 좌우로 이동하며 단조하며, 위치를 변환하며 수차례 단조하여, 초보적으로 저널의 양측면을 단조해내고; 제11단계에 있어서, 제1 매니퓰레이터는 프리폼을 클램핑하고, 제10단계의 프리폼의 중부를 볼록 다이의 상방에 배치하며, 앞뒤로 180도 뒤집으며 단조하고, 좌우로 이동하며 단조하며, 위치를 복수 회 변환하며 단조함으로써, 저널의 양측면을 초보적으로 단조하며;

제12단계에 있어서, 제11단계의 프리폼을 보스가 상방을 향하도록 사다리꼴 다이에 배치하고, 제2 매니퓰레이터는 오목형 앤빌 교체 다이를 클램핑하여 프리폼 상에 씌움으로써, 보스와 대향하는 더블윙체의 바닥면에 저널의 하부면을 초보적으로 단조하며;

제13단계에 있어서, 제11단계 및 제12단계의 상기 저널의 양측면과 하부면을 볼록 다이에 배치하고, 앞뒤로 뒤집거나 좌우로 이동하면서 상기 저널의 양측면, 하부면 및 연결 부위를 교번적으로 단조하되, 저널 형상에 근접할 때까지 단조하며;

제14단계에 있어서, 제13단계의 프리폼의 저널을 오목 다이에 배치하고, 앞뒤로 뒤집으면서 압연 단조 각도를 변경하며, 상부 앤빌은 보스의 헤드부를 하방으로 가압하고, 보스의 헤드부는 다각형의 저널의 상부면으로 압연 단조되고, 저널의 양측면과 하부면은 반원기둥체로 압연 단조되며;

제15단계에 있어서, 제14단계에서 단조한 저널을 볼록 다이, 오목 다이에 교번적으로 배치하고, 상부 앤빌은 각각 요철형 앤빌(uneven anvil)과 호형 앤빌 교체 다이(arc-shaped anvil replacement die)를 적용하여, 여러 각도로 저널을 단조함으로써, 저널의 원기둥형 블랭크로 단조하며;

2. 절곡

제16단계에 있어서, 원기둥형의 저널의 하부면을 오목 다이에 배치하고, 제2 매니퓰레이터는 역방향 버클링 절곡 다이를 클램핑하여 더블윙체의 두 개의 윙의 상부면에 역방향 버클링하고 상부 앤빌은 하방으로 가압하며, 프리폼은 설정 각도까지 절곡되어 'ㅅ' 자형을 이루며;

3. 압착

제17단계에 있어서, 'ㅅ' 자형의 프리폼을 대형 플랫 앤빌에 배치하고, 제2 매니퓰레이터는 양단의 두께 차이가 가장 큰 맨드릴을 프리폼의 개구에 삽입하며, 상부 앤빌은 하방으로 가압하고 'ㅅ' 자형의 양변을 압착하여 프리폼의 양변이 서로 가까워지도록 하고, 상하로 뒤집어 다시 압연 단조하여 프리폼의 양변이 맨드릴에 밀착되도록 하며;

제18단계에 있어서, 양단의 두께 차이가 점차적으로 감소되는 맨드릴을 순차적으로 교체하고, 제17단계의 동작을 반복 수행하여 더블윙체의 두 개의 윙이 맨드릴에 밀착되도록 하며, 프리폼을 뒤집어 단조하고, 더블윙체의 외측을 정밀 단조하여, 크랭크 슬로우의 크랭크를 단조하며;

4. 헤드 스트레칭

제19단계에 있어서, 맨드릴과 프리폼을 압착 상태에서 동기적으로 뒤집고, 대형 플랫 앤빌에 배치하고 보스의 헤드부를 단조하여 사각 절두체 크랭크 슬로우 헤드부(square-frustum crank throw head portion)로 스트레칭하며;

5. 피니싱

제19단계의 프리폼을 대형 플랫 앤빌 또는 소형 플랫 앤빌에 배치하고, 크랭크 슬로우를 완제품 단조품 설정 사이즈로 피니싱한다.

바람직하게는, 상기 제1 매니퓰레이터는 좌측 매니퓰레이터이고, 상기 제2 매니퓰레이터는 우측 매니퓰레이터일 수 있다.

바람직하게는, 제2단계에 있어서, 강철 빌렛은 원래 길이의 1.2배 내지 1.7배로 스트레칭될 수 있다.

바람직하게는, 제3단계에 있어서, 직사각형의 단조품은 원래 길이의 1/2±20%로 업세트될 수 있다.

바람직하게는, 제4단계에 있어서, 단조품은 단면이 3b/4(1±5%) x 3b/4(1±5%)인 직사각형 블랭크로 스트레칭될 수 있다.

바람직하게는, 제5단계에 있어서, 단조품은 원래 길이의 1/2±10%로 업세트될 수 있다.

바람직하게는, 제6단계에 있어서, 단조품은 단면이 b(1+0~5%) x b(1+0~5%)인 단조품으로 스트레칭될 수 있다.

바람직하게는, 상기 볼록 다이는 호형 다이일 수 있다.

바람직하게는, 상기 저널의 프리폼의 상하 방향의 직경은 완제품 직경의 ±5%일 수 있다.

바람직하게는, 상기 오목형 앤빌 교체 다이의 오목면은 상기 프리폼의 볼록면과 서로 맞물릴 수 있다.

본 개시에서는, 1차적 가열로 보스와 더블윙을 구비한 프리폼 단조품의 형상과 파라미터를 설정하고, 복수 회의 업세트 스트레칭 공정을 적용하여, 프리폼의 단조를 완성하며; 2차적 가열로 복수 공수 과도품의 형상과 파라미터를 설정하고, 변환 각도를 적용하여 앞뒤로 뒤집고 좌우로 이동하면서 압연 단조하고, 앤빌 다이를 반복적으로 교체하면서 압연 단조하며, 호형 압출면이 설치된 역방향 버클링 절곡 다이(reversely-buckled bent die)를 적용하여 롤링, 압출 및 절곡하고, 복수 개의 맨드릴을 적용하여 복수 회 압착함으로써, 단조품의 점진적인 과도적 성형을 구현하고, 크랭크 슬로우의 성형 단조를 완성한다.

본 개시의 크랭크 슬로우 프리폼 단조 공정은 복수 회 업세트 스트레칭 공정을 적용하여, 단조비를 증가시키고, 단조품 내부 품질을 향상시킴으로써, 단조품이 단계별 점진적으로 과도적 성형되도록 하여, 1차적 가열로 크랭크 슬로우 프리폼의 단조를 완성한다. 이를 통해, 단조 공수가 가장 간단하고, 재료 손실이 가장 작으며, 생산 비용이 가장 낮은 목적을 구현한다.

본 개시의 대형 크랭크 슬로우 저널을 위한 단조 공정은 여러 가지 서로 다른 특수 형상의 앤빌 다이를 적용하고, 각도를 변환시키며 앞뒤로 뒤집고 좌우로 이동하면서 압연 단조하고, 서로 다른 앤빌 다이를 반복적으로 교체하면서 압연 단조하여, 저널이 단계별로 성형되도록 한다. 이를 통해, 저널 블랭크의 성형도가 좋고, 가공 여유가 작으며, 단조 시간이 짧고, 재료 손실이 적으며, 생산 비용이 낮은 목적을 구현한다.

본 개시의 크랭크 슬로우를 위한 성형 단조 공정은 여러 가지 서로 다른 특수 형상의 앤빌 다이를 적용하여, 좌우로 이동하고 앞뒤로 뒤집으며 각도를 변환시키면서 압연 단조하고, 서로 다른 앤빌 다이를 반복적으로 교체하면서 압연 단조함으로써, 저널이 단계별로 성형되도록 한다. 단조품 및 상부 앤빌 사이에 역방향 버클링 절곡 다이를 설치하여, 앤빌 다이의 신속한 교체를 구현할 뿐만 아니라, 절곡 다이의 호형 압출면을 이용하여, 단조품 더블윙체가 절곡 과정에서 금형과의 사이에 롤링 압출을 형성함으로써, 비교적 작은 압출력 및 비교적 짧은 압출 스트로크로 크랭크 슬로우 단조품을 연속적으로 벤딩시키고, 압력이 비교적 작은 단조기로 비교적 큰 크랭크 슬로우 단조품을 위한 벤딩 공정을 완성하며, 1차적 가열로 단조 성형의 완성을 구현한다.

본 개시는 비교적 작은 압력 및 비교적 짧은 압연 단조 스트로크로 크랭크 슬로우 단조품을 위한 성형 단조와 벤딩 단조를 완성함으로써, 압력이 비교적 작은 단조기로 비교적 큰 크랭크 슬로우 단조품을 위한 단조 공정의 완성을 구현한다. 본 설계는 단조비가 크고, 성형도가 좋으며, 가공 여유가 작고, 단조 시간이 짧으며, 재료 손실이 적고, 생산 비용이 낮은 특점을 구비한다.

도 1은 제2단계의 초기 상태의 모식도이다.
도 2는 제2단계의 종료 상태의 모식도이다.
도 3은 제3단계의 초기 상태의 모식도이다.
도 4는 제3단계의 종료 상태의 모식도이다.
도 5는 제4단계의 초기 상태의 모식도이다.
도 6은 제4단계의 종료 상태의 모식도이다.
도 7은 제5단계의 초기 상태의 모식도이다.
도 8은 제5단계의 종료 상태의 모식도이다.
도 9는 제6단계의 초기 상태의 모식도이다.
도 10은 제6단계의 종료 상태의 모식도이다.
도 11은 제7단계의 모식도이다.
도 12는 제8단계의 초기 상태의 모식도이다.
도 13은 제8단계의 종료 상태의 모식도이다.
도 14는 프리폼의 정면도이다.
도 15는 프리폼의 평면도이다.
도 16은 제10단계의 모식도이다.
도 17은 제11단계의 초기 단조 상태의 정면도이다.
도 18은 도 17의 좌측면도이다.
도 19는 도 17의 워크피스를 180° 뒤집은 상태의 좌측면도이다.
도 20은 제12단계의 초기 단조 상태의 모식도이다.
도 21은 제12단계의 종료 단조 상태의 모식도이다.
도 22는 제13단계의 일 방향 단조 상태의 모식도이다.
도 23은 제13단계의 다른 일 방향 단조 상태의 모식도이다.
도 24는 제14단계의 모식도이다.
도 25 내지 도 27은 제15단계의 상부 앤빌 및 볼록 다이의 단조 상태의 모식도이다.
도 28 내지 도 30은 제15단계의 오목형 앤빌 교체 다이 및 오목 다이의 단조 상태의 모식도이다,
도 31은 제16단계의 초기 단조 상태의 모식도이다.
도 32는 제16단계의 종료 단조 상태의 모식도이다.
도 33은 제17단계의 초기 단조 상태의 모식도이다.
도 34는 제17단계의 종료 단조 상태의 모식도이다.
도 35는 제18단계의 단조 상태의 모식도이다.
도 36은 제19단계의 단조 크랭크 슬로우 헤드부 상태의 모식도이다.
도 37은 도 35의 단조품을 90° 회전한 단조 크랭크 슬로우 헤드부 상태의 모식도이다.
도 38과 도 39는 제20단계의 맨드릴을 구비한 상태에서 크랭크를 정밀 단조하는 모식도이다.
도 40과 도 41은 제20단계의 맨드릴을 제거한 정밀 단조 크랭크의 모식도이다.
도면에서, 1은 상부 앤빌, 2는 제1 매니퓰레이터, 2'는 제2 매니퓰레이터, 3은 소형 플랫 앤빌, 4는 단조품, 5는 업세팅 플레이트, 6은 양날 홈 프레싱 다이, 7은 프리폼, 8은 대형 플랫 앤빌, 9는 볼록 다이, 10은 오목형 앤빌 교체 다이, 11은 사다리꼴 다이, 12는 오목 다이, 13은 호형 하부 다이, 14는 역방향 버클링 절곡 다이, 15는 맨드릴이다.

하기에서는 도면을 참조하여 본 개시에 대해 추가로 설명한다.

1차적 가열 단조:

우선, 강철 빌렛을 가열로에 놓고 단조 온도까지 가열한다. 해당 강철 빌렛은 16톤의 강철 빌렛을 선택 사용할수 있다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 매니퓰레이터(2)로 가열된 단조품(4)을 클램핑하여 상부 앤빌(1)과 소형 플랫 앤빌(3) 사이에 배치하고, 단조품(4)의 길이와 단면 사이는 길이-직경 비율에 대한 요구를 만족하여야 하며, 바람직하게는, 단조품(4)을 원래 길이의 1.5배로 스트레칭한다.

도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 스트레칭된 단조품(4)을 길이 방향으로 종방향 작업대에 세우고, 제2 매니퓰레이터(2')로 업세팅 플레이트(5)를 클램핑하여 단조품(4)과 상부 앤빌(1) 사이에 배치하고, 단조품(4)을 원래 길이의 절반으로 업세트한다.

도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 단조품(4)을 소형 플랫 앤빌(3)에 배치하고, 단면이 (3b/4)x(3b/4)인 단조품(4)으로 스트레칭하며, 바람직하게는, 단조품(4)을 소형 플랫 앤빌(3)에 배치하고, 단면이 900 mm x 900 mm이고 길이가 2500 mm인 단조품(4)으로 스트레칭한다.

도 7과 도 8에 도시된 바와 같이, 도 3과 도 4의 동작을 중복하여, 단조품(4)을 원래 길이의 절반으로 업세트하며, 바람직하게는, 단조품(4)을 소형 플랫 앤빌(3)에 배치하고, 단조품(4)을 1250 mm의 길이로 업세트한다.

도 9와 도 10에 도시된 바와 같이, 도 5와 도 6의 동작을 중복하여, 단면이 bxb인 단조품(4)으로 스트레칭하며, 바람직하게는, 단조품(4)을 상부 앤빌(1)과 소형 플랫 앤빌(3)을 거쳐 스트레칭하여, 단면이 1200 mm x 1200 mm이고 길이가 1400 mm인 단조품(4)으로 스트레칭한다.

도 11에 도시된 바와 같이, 단조품(4)의 중부를 양날 홈 프레싱 다이(6)의 상방에 배치하고, 단조품(4)의 하방에 서로 평행하는 좌측 홈 및 우측 홈을 단조하며, 바람직하게는, 하부 앤빌을 양날 홈 프레싱 다이(11)로 교체하고, 블랭크(11)의 하방에 서로 평행하는 좌측 홈 및 우측 홈을 단조한다.

도 12와 도 13에 도시된 바와 같이, 좌측 홈 및 우측 홈을 구비한 단조품(4)을 상하 방향으로 180° 뒤집어 대형 플랫 앤빌(8)에 배치하고, 좌측 홈의 왼쪽과 우측 홈의 오른쪽을 폭이 b, 높이가 h₁, 길이가 L인 더블윙체로 단조하며, 좌측 홈 및 우측 홈 사이를 높이가 h₂, 폭이 b인 보스로 단조하여 더블윙체식 프리폼(7)을 제조한다.

도 14와 도 15는 프리폼의 정면도와 평면도이다.

2차적 가열 단조

2차적 가열 단조는 1차적 가열로 프리폼 단조가 이미 완성된 기초 하에 진행되며, 그의 프리폼 형상은 보스를 구비한 더블윙체이다.

프리폼을 다시 단조 온도까지 가열한다.

도 16에 도시된 바와 같이, 가열된 프리폼(7)을 대형 플랫 앤빌(8)에 배치하고, 상부 앤빌(1)이 하방으로 가압함으로써, 더블윙을 얇게 프레싱하여 스트레칭하고, 설정 사이즈로 피니싱한다.

도 17 내지 도 19에 도시된 바와 같이, 제1 매니퓰레이터(2)로 프리폼(7)을 클램핑하여 프리폼(7)의 중부를 볼록 다이(9) 상방에 배치하고, 프리폼(7)을 앞뒤로 180° 뒤집으면서 단조하고, 좌우로 이동하면서 단조하며, 위치를 복수 회 변환하면서 단조함으로써, 저널의 양측면을 초보적으로 단조한다.

도 20과 도 21에 도시된 바와 같이, 프리폼(7) 을 보스가 상방을 향하도록 사다리꼴 다이(11)에 배치하고, 제2 매니퓰레이터(2')로 오목형 앤빌 교체 다이(10)를 클램핑하여 프리폼(7) 상에 씌움으로써, 보스와 대향하는 더블윙체의 바닥면에 저널의 하부면을 초보적으로 단조한다.

도 22와 도 23에 도시된 바와 같이, 저널의 양측면과 하부면을 볼록 다이(9)에 배치하고, 제2 매니퓰레이터(2')로 프리폼(7)을 클램핑하여 앞뒤로 뒤집거나 좌우로 이동하면서 저널의 양측면, 하부면 및 연결 부위를 교번적으로 단조하되, 저널의 양측면, 하부면 및 연결 부위를 저널 형상에 근접할 때까지 단조하며, 바람직하게는, 동시에 상부 앤빌(1)에 의해 보스를 다각형으로 압연 단조한다.

도 24에 도시된 바와 같이, 프리폼(7)의 저널을 오목 다이(12)에 배치하고, 제2 매니퓰레이터(2')로 프리폼(7)를 클램핑하여 앞뒤로 뒤집으면서 압연 단조 각도를 변경하며, 상부 앤빌이 보스의 헤드부를 하방으로 가압하고, 보스 헤드부는 다각형의 저널의 상부면으로 압연 단조되고, 저널의 양측면과 하부면은 반원기둥체로 압연 단조된다.

도 25 내지 도 30에 도시된 바와 같이, 저널을 각각 상부 앤빌(1)과 볼록 다이(9) 사이, 상부 앤빌(1)과 오목 다이(12) 사이 및 호형 앤빌 교체 다이(13)와 볼록 다이(9) 사이, 호형 앤빌 교체 다이(13)와 오목 다이(12) 사이에 배치하고, 여러 각도로 저널을 단조함으로써, 원기둥형 저널로 단조한다.

도 31과 도 32에 도시된 바와 같이, 저널의 하부면을 오목 다이(12)에 배치하고, 제2 매니퓰레이터(2')로 역방향 버클링 절곡 다이(14)를 클램핑하여 더블윙체의 두 개의 윙의 상부면에 역방향 버클링하고, 상부 앤빌(1)이 하방으로 가압함으로써, 프리폼(7)은 설정 각도까지 절곡되어 'ㅅ' 자형을 이룬다.

도 33과 도 34에 도시된 바와 같이, 제2 매니퓰레이터(2')로 프리폼(7)을 대형 플랫 앤빌(8)에 눕혀 배치하고, 제1 매니퓰레이터(2)로 양단의 두께 차이가 가장 큰 맨드릴(15)을 프리폼(7)의 개구에 삽입하며, 두 개의 윙을 압착하고, 상하로 뒤집어 두 개의 윙을 다시 압연 단조함으로써, 두 개의 윙이 맨드릴에 밀착되도록 한다.

도 35에 도시된 바와 같이, 제1 매니퓰레이터(2)로 양단의 두께 차이가 점차적으로 감소되는 맨드릴(15)을 순차적으로 교체하고, 도 33과 도 34의 동작을 반복 수행하여 두 개의 윙이 맨드릴에 더욱 밀착되도록 하며, 단조품을 뒤집어 단조하고, 두 개의 윙의 외측을 정밀 단조하여, 크랭크 슬로우의 크랭크로 단조하며, 바람직하게는, 서로 평행하는 두 개의 크랭크로 단조한다.

도 36에 도시된 바와 같이, 맨드릴(15)과 프리폼(7)을 압착 상태에서 뒤집고, 보스의 헤드부를 대형 플랫 앤빌(8)에 배치하여 단조한다. 도 36 상태의 프리폼(7)을 90° 뒤집어 도 37에 도시된 바와 같도록 하고, 저널의 상단에 대해 계속하여 단조하여, 사각 절두체 크랭크 슬로우 헤드부로 스트레칭한다.

도 38에 도시된 바와 같이, 프리폼(7)을 대형 플랫 앤빌(8)에 배치하고, 크랭크를 피니싱한다. 대안적으로는, 프리폼(7)을 소형 플랫 앤빌(3)에 배치하고, 크랭크를 피니싱한다. 도 39에 도시된 바와 같이, 맨드릴(15)과 프리폼(7)을 압착 상태에서 뒤집으면서 크랭크 측면을 피니싱한다.

도 40에 도시된 바와 같이, 프리폼(7)을 뒤집어, 크랭크를 대형 플랫 앤빌(8)에 배치하고 크랭크 슬로우를 설정 사이즈로 정밀 단조한다. 대안적으로는, 프리폼(7)을 뒤집어, 크랭크를 소형 플랫 앤빌(3)에 배치하고 크랭크 슬로우를 설정 사이즈로 정밀 단조한다. 도 41에 도시된 바와 같이, 단조품을 90° 뒤집고 크랭크 측면을 피니싱하여, 크랭크 슬로우 단조를 완성한다.

산업상 이용 가능성

본 개시는 단조기, 앤빌 다이 및 조작 기기를 포함하는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정에 관한 것이다. 1차적 가열로 보스와 더블윙을 구비한 프리폼 단조품의 형상과 파라미터를 설정하고, 복수 회의 업세트 스트레칭 공정을 적용하여, 프리폼의 단조를 완성하며; 2차적 가열로 복수 공수 과도품의 형상과 파라미터를 설정하고, 변환 각도를 적용하여 앞뒤로 뒤집고 좌우로 이동하면서 압연 단조하고, 앤빌 다이를 반복적으로 교체하면서 압연 단조하며, 호형 압출면이 설치된 역방향 버클링 절곡 다이를 적용하여 롤링, 압출 및 절곡하고, 복수 개의 맨드릴을 적용하여 복수 회 압착함으로써, 단조품의 점진적인 과도적 성형을 구현하고, 크랭크 슬로우의 성형 단조를 완성한다. 본 개시는 비교적 작은 압력 및 비교적 짧은 압연 단조 스트로크로 크랭크 슬로우 단조품을 위한 성형 단조와 벤딩 단조를 완성함으로써, 압력이 비교적 작은 단조기로 비교적 큰 크랭크 슬로우 단조품을 위한 단조 공정의 완성을 구현한다. 본 설계는 단조비가 크고, 성형도가 좋으며, 가공 여유가 작고, 단조 시간이 짧으며, 재료 손실이 적고, 생산 비용이 낮은 특점을 구비한다.

또한, 본 개시의 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정은 재현 가능하며, 다양한 산업적 응용에 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 개시의 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정은 단조 분야 등에 적용될 수 있다.

Claims (10)

1. 단조기, 앤빌 다이 및 조작 기기를 포함하며, 상기 앤빌 다이는 상부 앤빌, 하부 다이, 맨드릴 및 상부 다이를 포함하고, 상기 하부 다이는 소형 플랫 앤빌, 대형 플랫 앤빌, 양날 홈 프레싱 다이, 볼록 다이, 사다리꼴 다이 및 오목 다이를 포함하고, 상기 상부 다이는 업세팅 플레이트, 앤빌 교체 다이 및 역방향 버클링 절곡 다이를 포함하며; 상기 조작 기기는 작업대와 매니퓰레이터를 포함하고, 상기 작업대는 횡방향 작업대와 종방향 작업대를 포함하고, 상기 매니퓰레이터는 제1 매니퓰레이터와 제2 매니퓰레이터를 포함하며; 상기 상부 앤빌은 상기 단조기에 연결되고, 상기 볼록 다이, 상기 양날 홈 프레싱 다이는 각각 상기 대형 플랫 앤빌과 함께 고정 힌지를 구성하며, 상기 앤빌 교체 다이는 오목형 앤빌 교체 다이와 호형 앤빌 교체 다이를 포함하고, 상기 맨드릴은 복수 개이며, 서로 다른 맨드릴의 양단의 두께 차이는 상이하고, 상기 하부 다이는 상기 횡방향 작업대 상에 배치되어 상기 횡방향 작업대를 따라 이동하며, 상기 제1 매니퓰레이터는 단조품을 클램핑하고, 상기 제2 매니퓰레이터는 상기 맨드릴 또는 상기 상부 다이를 클램핑하는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정에 있어서,
   상기 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정은 1차적 가열 및 2차적 가열을 포함하고,
   상기 1차적 가열은 중부에 보스를 구비한 더블윙체의 프리폼 단조하는 공정이되, 상기 더블윙체의 길이를 L, 폭을 b, 높이를 h1로 설정하고; 상기 보스의 높이를 h2, 폭을 b로 설정할 경우, 상기 프리폼의 총 높이는 h= h1+ h2이며, 아래와 같은 단계:
   크랭크 슬로우 단조품의 중량 요구에 따라 강철 빌렛을 선택 사용하고, 설정 단조 온도까지 가열하는 제1단계;
   제1단계에서 가열한 상기 강철 빌렛을 상기 상부 앤빌 및 상기 소형 플랫 앤빌 사이에 배치하여 상기 강철 빌렛을 스트레칭하는 제2단계;
   제2단계에서 스트레칭한 단조품을 길이 방향으로 상기 종방향 작업대에 세우고, 상기 제2 매니퓰레이터는 상기 업세팅 플레이트를 클램핑하여 상기 단조품 및 상기 상부 앤빌 사이에 배치하며, 상기 단조품을 원래 길이의 1/2로 업세트하는 제3단계;
   제3단계에서 업세트한 상기 단조품을 단면이 (3b/4)x(3b/4)인 단조품으로 스트레칭하는 제4단계;
   제4단계에서 스트레칭한 상기 단조품을 길이 방향으로 상기 종방향 작업대에 세우고, 상기 단조품을 원래 길이의 1/2로 업세트하는 제5단계;
   제5단계에서 업세트한 상기 단조품을 단면이 b x b인 단조품으로 스트레칭하는 제6단계;
   제6단계에서 스트레칭한 상기 단조품의 중부를 양날 홈 프레싱 다이의 상방에 배치하고, 상기 단조품의 하방에 서로 평행하는 좌측 홈 및 우측 홈을 단조하는 제7단계;
   제7단계의 좌측 홈 및 우측 홈을 구비한 상기 단조품을 상하 방향으로 180° 뒤집어 대형 플랫 앤빌에 배치하여 단조하고, 대응되게 좌측 홈의 왼쪽과 우측 홈의 오른쪽을 폭이 b, 높이가 h₁, 길이가 L인 더블윙체로 단조하고, 좌측 홈 및 우측 홈 사이를 높이가 h₂, 폭이 b인 보스로 단조하여 더블윙체의 프리폼을 제조하는 제8단계; 를 포함하며,
   상기 2차적 가열은 단조 성형하는 공정이되, 더블윙과 저널의 과도적 형상 및 파라미터를 설정하고, 절곡 파라미터를 설정하며, 아래와 같은 단계:
   제8단계의 상기 단조품을 단조 온도까지 가열하는 제9단계;
   가열 후의 상기 프리폼을 상기 대형 플랫 앤빌에 배치하고, 더블윙을 얇게 프레싱하여 스트레칭하고 설정 사이즈로 피니싱하는 제10단계;
   상기 제1 매니퓰레이터가 상기 프리폼을 클램핑하고, 제10단계의 상기 프리폼의 중부를 상기 볼록 다이의 상방에 배치하며, 앞뒤로 180도 뒤집으며 단조하고, 좌우로 이동하며 단조하며, 위치를 복수 회 변환하며 단조함으로써, 상기 저널의 양측면을 초보적으로 단조하는 제11단계;
   제11단계의 상기 프리폼을 보스가 상방을 향하도록 상기 사다리꼴 다이에 배치하고, 상기 제2 매니퓰레이터는 상기 오목형 앤빌 교체 다이를 클램핑하여 상기 프리폼 상에 씌움으로써, 상기 보스와 대향하는 더블윙체의 바닥면에 저널의 하부면을 초보적으로 단조하는 제12단계;
   제11단계 및 제12단계의 상기 저널의 양측면과 하부면을 상기 볼록 다이에 배치하고, 앞뒤로 뒤집거나 좌우로 이동하면서 상기 저널의 양측면, 하부면 및 연결 부위를 교번적으로 단조하되, 저널 형상에 근접할 때까지 단조하는 제13단계;
   제13단계의 프리폼의 상기 저널을 상기 오목 다이에 배치하고, 앞뒤로 뒤집으면서 압연 단조 각도를 변경하며, 상기 상부 앤빌은 상기 보스의 헤드부를 하방으로 가압하고, 상기 보스의 헤드부는 다각형의 상기 저널의 상부면으로 압연 단조되고, 상기 저널의 양측면과 하부면은 반원기둥체로 압연 단조되는 제14단계;
   제14단계에서 단조한 상기 저널을 상기 볼록 다이, 상기 오목 다이에 교번적으로 배치하고, 상기 상부 앤빌은 각각 상기 요철형 앤빌과 상기 호형 앤빌 교체 다이를 적용하여, 여러 각도로 상기 저널을 단조함으로써, 상기 저널의 원기둥형 블랭크로 단조하는 제15단계;
   , 원기둥형의 상기 저널의 하부면을 상기 오목 다이에 배치하고, 상기 제2 매니퓰레이터는 상기 역방향 버클링 절곡 다이를 클램핑하여 상기 더블윙체의 두 개의 윙의 상부면에 역방향 버클링하고, 상기 프리폼은 설정 각도까지 절곡되어 'ㅅ' 자형을 이루도록 하는 제16단계;
   'ㅅ' 자형의 상기 프리폼을 상기 대형 플랫 앤빌에 배치하고, 상기 제2 매니퓰레이터는 양단의 두께 차이가 가장 큰 맨드릴을 상기 프리폼의 개구에 삽입하며, 'ㅅ' 자형의 양변을 압착하여 상기 프리폼의 양변이 서로 가까워지도록 하고, 상하로 뒤집어 다시 압연 단조하여 상기 프리폼의 양변이 상기 맨드릴에 밀착되도록 하는 제17단계;
   양단의 두께 차이가 점차적으로 감소되는 맨드릴을 순차적으로 교체하고, 제17단계의 동작을 반복 수행하여 상기 더블윙체의 두 개의 윙이 상기 맨드릴에 밀착되도록 하며, 상기 프리폼을 뒤집어 단조하고, 상기 더블윙체의 외측부를 정밀 단조하여, 상기 크랭크 슬로우의 크랭크로 단조하는 제18단계;
   상기 맨드릴과 상기 프리폼을 압착 상태에서 동기적으로 뒤집고, 상기 보스의 헤드부를 단조하여 사각 절두체 크랭크 슬로우 헤드부로 스트레칭하는 제19단계;
   제19단계의 상기 프리폼을 상기 대형 플랫 앤빌 또는 상기 소형 플랫 앤빌에 배치하고, 크랭크 슬로우를 설정 사이즈로 피니싱하는 제20단계; 를 포함하는
   것을 특징으로 하는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 매니퓰레이터는 좌측 매니퓰레이터이고, 상기 제2 매니퓰레이터는 우측 매니퓰레이터인
   것을 특징으로 하는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   제2단계에 있어서, 상기 강철 빌렛은 원래 길이의 1.2배 내지 1.7배로 스트레칭되는
   것을 특징으로 하는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   제3단계에 있어서, 직사각형의 상기 단조품은 원래 길이의 1/2±20%로 업세트되는
   것을 특징으로 하는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   제4단계에 있어서, 상기 단조품은 단면이 3b/4(1±5%) x 3b/4(1±5%)인 직사각형 블랭크로 스트레칭되는
   것을 특징으로 하는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   제5단계에 있어서, 상기 단조품은 원래 길이의 1/2±10%로 업세트되는
   것을 특징으로 하는 크랭크 슬로우 프리폼을 위한 단조 공정.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   제6단계에 있어서, 상기 단조품은 단면이 b(1+0~5%) x b(1+0~5%)인 단조품으로 스트레칭되는
   것을 특징으로 하는, 크랭크 슬로우 프리폼을 위한 단조 공정.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 볼록 다이는 호형 다이인
   것을 특징으로 하는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 저널의 프리폼의 상하 방향의 직경은 완제품 직경의 ±5%인
   것을 특징으로 하는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오목형 앤빌 교체 다이의 오목면은 상기 프리폼의 볼록면과 서로 맞물리는
    것을 특징으로 하는 대형 크랭크 슬로우를 위한 2차례 가열 성형 단조 공정