내부고압성형으로 부품 구조를 최적화하다

경량 구조에는 구성 요소를 생산적으로 제조할 수 있는 성형 기술도 포함된다. 켐니츠의 연구원들이 프로젝트의 일환으로 경량 구조가 특별한 프로세스 조합으로 가능한지 연구했다.

 

피에르 피셔(Pierre Fischer): ICM(Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau e.V.) 연구직

 

핵심 내용

  • 구조가 최적화된 구성 요소가 경량 분야에서만 필요한 것이 아니라, 제조 과정에서 에너지를 절감하고 생산적이어야 한다.
  • ICM 연구원들은 이러한 요건을 실현하기 위해 성형과 압연을 특수하게 조합하였다.
  • 다시 설명하면, 내부고압성형을 기어 냉간 압연과 결합하여 성공적으로 구현하였다.

 

ICM(Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau e. V.)은 산업적인 문제를 연구 프로젝트 형태로 연구한다. 연구의 핵심은 부품을 효율적으로 제조하기 위해 프로세스들을 통합하는 것이다. 프로젝트 “전기자동차에 주로 사용하는 경량 구동 샤프트와 기어 샤프트 제조를 위한 내부고압성형과 냉간 압연 프로세스 결합”은 IHU 프로세스(내부고압성형)과 이어지는 기어 냉간 압연을 통한 프리폼 제조를 연구하는 것이 목표이다.

높은 수준의 경량 구조와 최적화된 부품 수요가 증가하고, 재료와 에너지 효율이 점점 중요해지고 있어, 이미 시장에서 자리잡고 있던 프로세스에 대한 대안을 모색해야 한다. 이에 내부고압성형의 프로세스 통합이 프로세스 체인을 단축하고 동시에 부품 특성을 개선할 수 있는 해법을 연구하기로 했다.

 

내부고압성형이 기어냉간압연을 만나다

그림 2: 기어 링이 위에 자리하는 파이프 접합 구역을 통과하는 단면.

이런 배경 하에 연구 프로젝트의 일환으로 내부고압성형과 기어 냉간 압연의 프로세스 조합을 통해 중공 기어 샤프트 시제품을 제작하고, 내부고압성형 프로세스를 이용하여 접합된 기어링, 기어링의 축방향 고정, 외경이 더 크고 국부적으로 재료가 축적되는 기능 작용 지점이 특징인 프리폼을 만들었다.

첫 번째 프로세스에서 파이프 삽입을 시작으로 기어 링이 삽입되고 이어서 축방향 스탬프를 통해 반제품이 밀봉된다. 작용 매체에 압력을 가하면 파이프가 소성 신장되고 기어휠 링이 탄성 신장된다. 기어휠 링의 탄성 신장은 P3G 내부 폴리곤 형태를 가지며, 이를 통해 힘과 형태 결합이 형성되어 전달 성능이 높아진다. 적합한 재료 선택과 두 연결 대상의 형상 결정을 통해 파이프에 대해 기어 링의 탄성 스프링백을 설정하고, 탄성 스프링백은 결합 영역의 접촉 법선 응력을 유발하여 결합을 달성한다. 파이프 재료 16MnCr5와 결합부 조질강 42CrMo4을 연구한 결과 최대 550Nm의 토크를 흡수할 수 있다. 이때 경화된 초기 상태를 850℃에서 오스테나이트(탄소 강화)하여 강도와 경도를 증가시키기 위해 430℃에서 템퍼링(열처리)하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다.

접합부 외에 축방향 기어 링이 형성되어 경우에 따라 접합부 윤곽의 일부가 될 수 있다. 이는 헬리컬 기어링을 통해 야기되는 축방향 힘이 위치를 고정하기 위해 필요하다. 공구 형상은 전환 영역에서 전체 길이에 걸쳐 접촉 응력이 균일하도록 설계되어야 한다. 작용 매체의 최대 압력은 바깥쪽 샤프트 형상을 형성하고 보정하는 데 사용되며, 부드러운 작동을 책임지고 진동이 발생하는 것을 방지한다.

그림 3: 그림 1에서 성형 공구 내부에 있는 부품의 완성된 모습. 중공 기어 샤프트 형태의 시제품이다.

스플라인을 기능 작용 지점으로 직접 롤링할 수 있다

프로세스에 통합된 또 다른 구성 요소는 샤프트 단부 영역에서 밀봉 다이의 정의된 축방향 인피드에 의해 벽 두께가 부분적으로 두꺼워져, 결과적으로 축방향 길이가 65mm에서 벽 두께가 2.75mm에서 4.5mm로 증가하였다.

축방향 스탬프의 내부 스플라인은 재료의 반경 방향 흐름을 제한하고, 후속 프로세스인 기어 냉간 압연을 가능하게 한다. 스플라인의 1.0583mm의 근소한 치직각 모듈을 바탕으로 스플라인이 직접 기능 작용 지점으로 압연되고, 이로 인해 샤프트의 이 영역에서 형태 공차 및 치수 공차에 대한 요건이 특별해진다. 원형 공구가 2mm 관통하여 폐쇄된 기어의 윤곽을 형성할 수 있다. 결과적으로 내부고압성형을 사용하여 구조적으로 최적화된 부품을 모사할 수 있음을 입증하였다. 접합, 성형, 보정 및 벽 두께의 부분적 증가를 하나의 프레스 스트로크에 통합하여, 내부고압성형 프로세스가 새로운 대안이 될 수 있고, 프로세스 체인 단축과 성형을 통해 야기되는 강도 증가와 연속적인 섬유 흐름으로 인한 내구성 증가 그리고 높은 재료 활용도와 같은 효과 측면에서 뛰어난 것으로 나타났다. 요악하면, 내부고압성형과 기어냉간압연 프로세스 조합이 적합한 것을 증명하였으며, 성형 프로세스를 위해 하위 절삭 프로세스를 대체하는 자원 효율적인 대안이 될 수 있다.