소재 손실량 감소를 위한 인발 공정의 스웨이징 설계 방법 = Swaging Design Method for Reducing Material Loss in the Drawing Process

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to minimize material loss caused by the pointing section in the cold drawing process of high-value hydrogen embrittlement-resistant alloy steel and to design and validate a swaging-based pointing process that enables continuous drawing without additional post-processing. Conventionally, the pointing has been machined by cutting, which increases processing time, generates chip waste, and reduces material utilization. To address these limitations, this study designed the swaging and shape drawing processes using drawing load prediction and cross-sectional division methods. Finite element analysis (FEA) was then used to derive the optimal swaging conditions for forming the minimum-diameter pointing and the optimal die half angle for hexagonal drawing. Swaging experiments were conducted on a 22.3 mm diameter round bar, and the resulting pointing achieved a diameter of 17.609 mm, closely matching the target without surface defects or cracks, while maintaining excellent straightness. The swaged pointing was applied to the drawing of a hexagonal crosssection bar (19.05 mm across flats) and showed no fracture or necking during processing. The final product exhibited a dimensional deviation within 0.06% of the target. Compared to conventional cutting, the proposed method reduced material usage by approximately 30.6% and improved yield by 4.5%, demonstrating superior efficiency and economic viability.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 고부가가치 내수소취성 합금 강재의 냉간 인발 공정에서 구출부(pointing)로 인한 소재 손실을 최소화하고, 별도의 후가공 없이 연속 인발이 가능하도록 스웨이징(swaging) 기반의 구출부 성형 공정을 설계하고 그 적용 가능성을 검증하는 것을 목적으로 한다. 기존에는 절삭 가공 방식으로 구출부를 형성하였으나, 이로 인해 가공 시간의 증가, 칩 배출에 따른 폐기물 발생, 그리고 소재 활용도 저하 등의 문제점이 발생하였다. 이에 본 연구에서는 인발 하중 예측과 단면 분할법을 통해 스웨이징 공정과 이형 인발 공정을 설계하였다. 이후 유한요소해석을 통해 최소 직경 구출부를 구현하는 스웨이징 공정 조건과 육각 강재의 이형 인발 시 최적 인발 다이 반각 조건을 도출하였다. 이후 직경 22.3 mm 원형 봉재를 대상으로 스웨이징 단조 실험을 수행하였다. 그 결과, 구출부 직경은 17.609 mm로 목표값과 거의 일치하였고, 균열 없이 우수한 표면 품질과 직진도를 확보하였다. 스웨이징 방식으로 제작된 구출부는 대변 19.05 mm의 육각 단면 이형 인발 공정에 적용되어 파단 없이 안정적으로 가공되었으며, 최종 치수는 목표값 대비 0.06% 이내의 오차를 나타냈다. 또한 절삭 방식 대비 약 30.6%의 소재 절감과 4.5%의 수율 향상이 확인되어, 공정 효율성과 경제성 측면에서 본 기술의 우수성이 입증되었다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 2
• 1.3 연구 목적 및 범위 3
• 2. 구출부 가공을 위한 스웨이징 단조 가공 설계 6
• 2.1 스웨이징 단조 공정 및 구동 설비 개요 6
• 2.2 내수소취성 가재 제조 및 기계적 물성 평가 7
• 2.3 소재 손실량 감소를 위한 구출부 형상 설계 9
• 2.4 스웨이징 단조 공정에 대한 유한요소해석 11
• 2.4.1 유한요소해석 조건 11
• 2.4.2 유한요소해석 결과 12
• 3. 스웨이징 단조 가공된 구출부를 적용한 육각 강재 인발 금형 설계 13
• 3.1 단면분할법을 이용한 육각 강재 인발 금형 설계 13
• 3.2 육각 강재 인발 공정에 대한 유한요소해석 14
• 3.2.1 유한요소해석 조건 14
• 3.2.2 유한요소해석 결과 15
• 4. 내수소취성 육각 강재 제조를 위한 실험 17
• 4.1 구출부 제작을 위한 스웨이징 단조 실험 17
• 4.1.1 스웨이징 실험 조건 17
• 4.1.2 스웨이징 실험 결과 18
• 4.2 육각 강재 제조를 위한 이형 인발 실험 19
• 4.2.1 이형 인발 실험 조건 19
• 4.2.2 이형 인발 실험 결과 20
• 5. 결론 21
• References 23
• TABLES 26
• FIGURES 28
• Supplement 48
• Abstract 49