냉간 압출 다이 수명 향상: 주요 전략

분석 결과, 냉간 압출 금형의 작업 조건이 매우 열악하여 수명이 짧다는 것이 분명해졌습니다. 이는 특히 철강 소재의 냉간 압출에 사용되는 금형에 해당됩니다. 따라서 냉간 압출 기술의 발전을 촉진하기 위해서는 냉간 압출 금형의 수명에 대한 심층적인 연구가 핵심 과제입니다.

냉간 압출 금형의 수명을 연장하는 데는 크게 두 가지 측면이 있습니다:

단위 압출력 감소

a) 적절한 변형 방법 선택

다른 압출 방법을 사용하여 부품을 성형할 수 있는 경우, 하부 유닛이 있는 방법 압출력 를 선택해야 합니다. 예를 들어, 공정 샤프트를 사용하여 단순 직접 또는 간접 압출을 복합 압출로 전환하는 것은 단위 압출력을 줄이고 금형 수명을 연장하는 효과적인 방법입니다.

압출 성형 시 마찰 저항의 방향은 항상 금속 흐름 방향과 반대입니다. 따라서 그림 9-15에 표시된 압출 방법을 사용하여 단위 압출력을 줄일 수 있습니다.

a) 직접 압출 및 b) 간접 압출.

구성 요소는 다음과 같이 번호가 매겨져 있습니다:

1 - 펀치
2 - 압출 실린더
3 - 압출 부품
4 - 다이
5 - 이젝터 로드

b) 적절한 변형 정도 선택하기

실제 생산에서는 생산성을 높이고 변형 작업 횟수를 줄이기 위해 변형 정도를 높이는 방법을 채택하는 경우가 많은데, 이는 부적절합니다. 이는 필연적으로 단위 압출력을 증가시켜 조기 금형 고장으로 이어집니다. 따라서 공정 설계 시 허용되는 변형 정도를 엄격하게 제어해야 합니다.

c) 최적의 다이 모양 사용

직접 압출 금형이든 간접 압출 금형이든 상관없이 단위 압출력을 최소화하는 최적의 형상이 있어야 합니다. 따라서 실제 생산에서는 금속 흐름에 대한 수치 시뮬레이션을 통해 단위 압출력을 줄이고 금형 수명을 연장할 수 있는 최적의 금형 형상을 찾아야 합니다.

d) 올바른 공백 모양 선택

이용 가능한 데이터에 따르면 합리적인 블랭크 형상을 사용하면 단위 압출력을 줄일 수 있습니다. 따라서 냉간 압출에 사용되는 블랭크는 절단된 원재료에서 직접 가져오는 것이 아니라 프리폼 작업을 통해 가공됩니다.

e) 공백의 엄격한 전처리

냉간 압출 전에 블랭크의 합리적인 어닐링 및 표면 윤활 처리를 통해 단위 압출력을 크게 줄일 수 있습니다. 예를 들어 철강 재료의 냉간 압출압출 전 인산염 처리 여부에 따라 압출력이 약 절반 정도 차이가 납니다.

곰팡이의 손상 저항력 강화하기

(1) 금형 재료의 품질 개선 및 신소재 개발

기존 금형 재료의 품질을 개선하고 새로운 재료를 개발하는 것은 금형의 수명을 연장하는 기본적인 방법입니다.

1) 금형 재료의 품질을 향상시키는 주요 방법은 야금 공장에 야금 품질을 향상시킬 것을 요구하는 것입니다. 이를 위해서는 강철의 화학적 조성뿐만 아니라 금형강의 순도와 균일 성을 보장해야합니다. 제조업체의 경우 원자재 검사를 강화하고 금형 재료의 품질을 개선하기 위해 몇 가지 효과적인 공정 조치를 적시에 채택하는 것이 필수적입니다.

2) 최근 몇 년 동안 국내외에서 새로운 금형 재료 개발에 상당한 진전이있었습니다. 새로운 고속강, 강철 결합 경질 합금, 기본강 및 세라믹 재료와 같은 수많은 혁신적인 금형 재료가 개발되어 금형 강도를 높이고 금형 수명을 연장하는 데 유리한 전제 조건을 제공합니다.

그러나 이러한 신소재의 특성을 충분히 이해하고 특정 작업 조건에 따라 올바르게 선택해야 심각한 낭비와 잠재적으로 불만족스러운 사용 효과를 초래할 수 있는 오용을 방지할 수 있습니다.

(2) 올바른 금형 재료 선택

냉간 압출 금형의 작업 조건에 따라 적절한 금형 재료를 올바르게 선택하는 것은 금형의 수명을 연장하고 비용을 절감하기 위한 핵심 조치입니다. 따라서 금형 소재를 선택할 때는 다음 두 가지 사항을 고려해야 합니다.

1) 금형 재료의 선택은 금형의 작업 조건에 따라 결정되어야 합니다. 냉간 압출 금형의 실제 작업 조건은 종종 다르며 고장 모드가 완전히 동일하지 않습니다. 금형이 주로 마모로 인해 고장난 경우 고강도 금형 재료를 선택할 필요가 없으며 대신 내마모성이 높은 금형 재료를 선택해야합니다.

금형이 큰 편심력을 받고 주로 파손으로 인해 고장나는 경우(예: 펀치 금형) 인성이 높은 금형 재료를 선택해야 합니다. 경험에 따르면 선택한 금형 재료가 일부 측면에서 사용 요구 사항을 충족하지 못하면 금형 수명이 단축되고 조기 고장이 발생할 수 있습니다.

2) 금형 재료의 선택은 경제적 이점도 충분히 고려해야 합니다. 잘 알려진 바와 같이 금형 재료의 가격은 일반적으로 특히 일부 고급 금형 재료의 경우 상당히 높습니다. 따라서 금형 재료를 선택할 때 사용 요구 사항을 충족하면서 가능한 한 더 저렴한 금형 재료를 선택하고 고급 금형 재료의 임의적 인 오용을 절대적으로 피해야합니다.

(3) 합리적인 금형 구조 설계

합리적인 금형 구조는 금형의 하중 지지력을 향상시키고 수명을 연장하는 데 중요한 척도입니다. 요약하면 다음 사항을 고려해야 합니다.

1) 금형의 강도, 강성, 신뢰성, 안내 성능이 충분한지 확인합니다.

2) 응력 집중이 큰 금형 구조는 가능한 한 형성하지 마십시오. 예를 들어, 트랜지션 부품은 충분히 큰 필렛 반경으로 설계하고, 균열이 발생하기 쉬운 금형 캐비티 부품에는 분할 구조를 채택하는 등의 조치를 취해야 합니다.

3) 사용되는 금형 재료의 유형에 따라 다른 최적화 설계 방법을 선택해야 합니다. 예를 들어, 금형에 경질 합금 또는 강철 결합 경질 합금을 사용하는 경우 최적화 설계는 금형 내벽의 인장 응력 제로를 목표로 해야 합니다.

금형에 공구강을 사용하는 경우, 금형과 사전 응력 링 소재 모두 최적화 설계의 목표 함수로서 동시에 수율을 달성해야 합니다. 이렇게 하면 금형 소재의 잠재력을 최대한 활용할 수 있습니다.

4) 검증된 새로운 금형 구조를 채택합니다. 예를 들어, 스틸 스트립 와인딩 다이 또는 와이어 와인딩 다이를 사용하면 금형의 크기와 무게를 줄이면서 금형의 강도를 높일 수 있으며, 계단식 결합 다이를 사용하면 같은 크기의 평면 결합 다이보다 더 큰 반경 방향 내부 압력을 견딜 수 있습니다.

(4) 합리적인 위조 프로세스 채택

금형강 내 탄화물의 분포와 형태는 기계적 특성에 결정적인 영향을 미치며, 단조 변형은 강철의 덩어리 및 띠 모양의 탄화물을 깨뜨려 작은 입자로 고르게 분포시켜 재료 이방성을 제거하고 내부 품질을 개선하는 주요 방법입니다.

제철소에서 공급하는 금형 재료는 어느 정도의 압력 가공을 거쳤지만 사용 요구 사항을 충족할 수 없으므로 재단조를 거쳐야 합니다. 금형강을 재단조할 때는 다음과 같은 문제에 유의해야 합니다.

1) 금형 재료를 재단조하는 주된 목적은 기계적 특성을 개선하는 것이며, 두 번째로 모양을 변경하는 것임을 완전히 이해합니다.

2) 단조 금형 재료와 일반 재료 단조의 차이점에 특히주의하고 금형 재료의 단조 공정 사양을 엄격하게 준수하십시오.

3) 탄화물을 완전히 분해하고 균일하게 분산시키기 위해서는 단조 시 높은 단조 비율과 다방향 압출 방법을 채택해야 합니다.

(5) 합리적인 열처리 공정 채택

초기 금형 고장에 대한 국내외 통계에 따르면, 초기 금형 고장의 가장 큰 비율은 불합리한 열처리 공정으로 인해 발생합니다. 경험에 따르면 금형의 열처리 공정은 금형 재료의 기계적 특성을 개선하는 중요한 수단 중 하나입니다.

금형의 강도, 경도, 내마모성 및 열경도를 높이려면 담금질 및 템퍼링 열처리 방법 외에 표면 강화 열처리 공정을 추가해야 합니다. 이를 통해 금형 작업 표면의 경도, 내마모성 및 내피로성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 현재 냉간 압출 금형강에는 다음과 같은 표면 강화 열처리 공정이 사용됩니다.

1) 탄화

강철 표면에 탄소와 질소를 동시에 침투시키는 것을 탄질화라고 합니다. 이는 다원소 동시 침투 화학 열처리의 한 유형에 속합니다.

탄화에는 침탄에 비해 몇 가지 장점이 있습니다.

침투층 표면은 침탄강보다 경도와 내마모성이 높을 뿐만 아니라 특정 열경도와 내식성이 있습니다.

오스테나이트에 용해된 질소는 과냉각된 오스테나이트의 안정성을 높여 침투된 층의 경화성을 향상시킵니다.

질소를 도입하면 오스테나이트가 형성되는 온도를 낮춰 입자가 거칠어지는 것을 방지할 수 있습니다.

탄질화의 변형은 침탄의 변형보다 작습니다.

위에서 언급한 일련의 장점으로 인해 현재 금형 표면 강화 열처리 공정에서 침탄이 침탄을 대체하는 추세입니다.

탄질화 공정은 사용되는 재료의 상태에 따라 고체, 액체, 기체 탄질화로 나눌 수 있습니다. 시안화탄산염은 독성이 강해 최근 몇 년 동안 단계적으로 사용되지 않고 있습니다. 반면 기체 탄질화는 무독성이며 작업 조건이 양호하고 작동하기 쉬우며 제어가 용이합니다. 따라서 기체 탄질화는 현재 널리 사용되고 있습니다.

2) 가스 질화

이것은 주로 Fe-C-N 삼원계 시스템의 공융 온도보다 낮은 온도에서 수행되는 질소 침투를 포함하는 가스 침탄의 한 유형을 말합니다. 가스 질화 후 금형 표면은 강도, 내마모성 및 피로 강도가 더 높습니다. 현재이 표면 강화 열처리 공정은 냉간 압출 금형에 사용되기 시작했으며 좋은 결과를 얻었습니다.

예를 들어, 특정 공장에서 15개의 강철 계기판 냉간 압출에 사용하는 펀치 금형은 가스 질화 처리 없이 CG-2 베이스강으로 만들었을 때 금형 수명이 14,500개였지만 질화 처리 후 평균 수명은 27,500개, 최고 수명은 45,600개에 이르렀습니다.

가스 질화 공정 사양은 가열 온도는 530~570℃, 유지 시간은 일반적으로 1~16시간입니다.

또한 냉간 압출 금형강의 표면 강화 열처리에는 이온 질화, 경질 크롬 도금, TiC 기상 증착, 염욕 바나듐 침투, 붕소 침투뿐만 아니라 희토류 표면 공학 및 나노 표면 공학 기술도 적용되고 있습니다. 이들은 모두 금형 표면의 강도를 다양한 범위로 향상시키고 금형의 수명을 연장할 수 있습니다.

(6) 가공 품질 보장 및 새로운 가공 방법 채택

1) 가공 품질을 엄격하게 보장합니다.

가공 품질이 높을수록 금형의 수명이 연장될 수 있습니다. 따라서 지정된 기술 요구 사항을 충족하기 위해 효과적인 공정 조치를 취해야 합니다. 경험에 따르면 냉간 압출 금형의 기계 가공에서 더 높은 가공 품질을 달성하려면 다음 사항을 강조해야 합니다:

i) 펀치 다이의 최종 가공 후 모든 전환 부품은 매끄럽고 매끄러워야 합니다. 작업 부품은 클램핑 부품과 동축이어야 하며, 그 모양은 엄격하게 대칭이어야 합니다. 그렇지 않으면 압출된 부품의 두께가 고르지 않을 뿐만 아니라 펀치 다이 자체도 일방적인 응력으로 인해 구부러질 수 있습니다.

ii) 펀치 다이의 높은 강도를 보장하고 응력 집중으로 인한 균열을 방지하려면 펀치 다이의 양쪽 끝에 잔류 중심 구멍이 없어야 합니다. 따라서 펀치 다이를 가공할 때 중앙 구멍을 펀칭하기 위해 상단 표면에 "범프"를 예약해야 합니다.

iii) 펀치 다이의 표면 거칠기는 일반적으로 압출 된 부품의 원료 유형에 따라 특정 요구 사항을 준수해야합니다. 강철 역 압출 펀치 다이의 경우 표면 거칠기 Ra는 0.2μm 미만이어야 합니다. 비철의 경우 금속 순수 알루미늄과 마찬가지로 표면 거칠기 Ra는 0.8μm이면 충분합니다.

그러나 작업 밴드 부분의 경우 압출되는 소재가 강철이든 비철금속이든 상관없이 0.2μm 미만의 표면 거칠기 Ra를 유지해야 합니다.

iv) 정방향 또는 역방향 압출 다이 캐비티의 표면 거칠기가 낮을수록 좋으며 일반적으로 Ra <0.2μm이어야합니다. 연마 후 연마한 다이 캐비티는 단위 압출력을 줄여 다이의 수명을 크게 연장할 수 있습니다.

v) 다이의 작업 부분의 연삭 또는 연마는 최종 열처리 후에 수행해야합니다. 연삭 전에 남은 가공 여유는 0.1mm를 초과해서는 안되며 표면 거칠기 Ra는 1.6μm 미만이어야합니다. 연삭 후 잔류 응력을 제거하려면 연삭이 완료된 후 응력 제거 어닐링 처리를 수행하는 것이 가장 좋습니다.

2) 새로운 처리 방법 채택.

냉간 압출 금형의 가공에는 일반적인 기계 가공 방법 외에도 방전 가공, 전해 가공, 다이 캐비티의 냉간 압출과 같은 방법과 초정밀 가공 및 고속 밀링과 같은 새로운 가공 방법도 포함됩니다. 여기서는 다이 캐비티 냉간 압출 방법에 대해 간략하게 소개합니다.

금형 캐비티 냉간 압출의 핵심은 금속의 플라스틱 성형 원리에 기반한 냉간 압출 공정을 사용하여 금형 캐비티를 직접 가공하는 것입니다. 일반적으로 다이 캐비티의 모양에 따라 공구강으로 고경도 펀치 다이를 먼저 가공합니다.

그런 다음 캐비티 압출 기계 (또는 대형 톤수 유압 프레스), 펀치 다이를 블랭크에 압착하여 펀치 다이 작업 부분의 모양, 둘레 및 크기와 일치하는 다이 캐비티를 오목 볼록 반전 방식으로 생성합니다.

다이 캐비티를 냉간 압출하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 그 중 가장 일반적인 방법은 그림 9-16과 같이 다이 프레임 내에서 캐비티를 압출하는 것입니다. 작업 공정은 다음과 같습니다. 어닐링 및 연화 블랭크가 다이 프레임에 미리 배치되고 펀치 다이가 유압 프레스의 작용으로 블랭크에 압착됩니다.

1. 펀치
2. 가이드 플레이트
3. 외부 링
4. 내부 링
5. 원뿔형 맞춤 블록
6. 공백

이때 블랭크 금속은 위쪽으로 만 흐를 수 있으므로 블랭크와 펀치 다이가 밀접하게 접촉 할 수 있습니다. 결과적으로 다이 캐비티의 정밀도는 IT6-IT7에 도달할 수 있고 기하학적 모양이 정확하며 표면 거칠기 Ra는 0.1~0.2μm입니다.

다이 캐비티의 냉간 압출을 위한 펀치 다이는 성형의 성공 또는 실패와 관련된 중요한 구성 요소입니다. 이 펀치 다이의 제조에 주의를 기울여야 합니다. 일반적으로 다음과 같은 문제를 고려해야 합니다:

i) 응력 집중을 줄이려면 펀치 다이의 전환 부분에 갑작스러운 변화가 없어야 하며 최소 곡률 반경이 0.2mm여야 합니다.

ii) 펀치 다이의 강도와 경도를 높이려면 펀치 다이의 원료로 초고강도 강철을 선택하고 엄격한 단조 변형 및 열처리 공정을 구현해야 합니다.

iii) 열처리 후 펀치 다이의 작업 부분은 표면 거칠기 Ra≤0.1μm로 다시 연마해야 합니다.

iv) 펀치 다이의 가이드 정밀도를 보장하기 위해 펀치 다이 가이드 부분의 길이는 일반적으로 다이 캐비티의 최대 반경 치수의 1.2배 이상이어야 합니다.

냉간 압출에 의한 다이 캐비티 제조의 생산 속도는 절단 가공보다 훨씬 높다는 점에 유의해야 합니다. 더 중요한 것은 냉간 압출로 다이 캐비티가 형성된 후 다이의 내부 구조가 더 조밀하고 강도와 내마모성이 높아져 다이의 수명이 연장된다는 것입니다.

그러나 압출로 형성된 금형 재료의 강도가 높고 가소성이 떨어지기 때문에 이 가공 방법은 단순한 형상 및 얕은 금형 캐비티 가공에만 사용됩니다.

(7) 금형의 합리적 사용 및 유지보수

냉간 압출 성형의 특성을 이해하고 금형의 합리적인 사용과 세심한 유지 관리를 하는 것도 금형의 수명을 연장하기 위한 중요한 조치입니다.

겨울철 저온에서는 금형 균열을 방지하기 위해 사용하기 전에 금형을 예열하는 것이 가장 좋습니다. 냉간 압출 생산 중에는 열의 영향으로 다이의 온도 상승이 빠르므로 다이를 정기적으로 냉각시켜야 합니다.

큰 힘을 받는 금형의 경우 수천 번의 압출 후 160~180℃에서 2시간 동안 응력 완화 어닐링 처리를 수행해야 합니다.

반복적으로 사용되는 외측 및 중간 프리스트레스 링의 경우 여러 번 압출 후 180℃에서 2시간 동안 응력 완화 어닐링 처리를 해야 하며, 그렇지 않을 경우 외측 및 중간 프리스트레스 링이 갑자기 균열되어 금형 파손은 물론 인명 사고의 원인이 될 수 있습니다.

금형의 수명을 연장하려면 완벽한 유지보수 및 관리 시스템을 구축해야 합니다. 프레스를 신속하게 조정하고 금형 수리, 조정 및 보관 작업을 수행할 수 있도록 지정된 인력을 배치해야 합니다. 다이를 보관 및 운송하는 동안 녹 방지 조치를 취해야 하며, 상부 및 하부 다이 베이스 사이를 보호하는 리미트 블록을 설치하여 손상을 방지해야 합니다.