KR100724231B1 - 다이, 층이 지어진 금속관의 제조방법 및 층이 지어진금속관 - Google Patents

Abstract

다이의 관통공은 입구측으로부터 차례로 벨, 어프로치 및 베어링에서 연속적으로 형성된 내면을 갖는다. 어프로치의 직경은 입구측에서 D1이고, 출구측에서 D2이며, 입구측으로부터 출구측을 향해 서서히 작아지고, 식 (1)을 만족한다. 또, 직경이 D3=D2/0.97인 내면의 다이 반각(R1)은, D3의 내면보다 출구측에 있는 내면의 다이 반각(R2) 이상이고, 또한 D3의 내면으로부터 D2의 내면까지의 축 방향의 거리(LR)는 식 (2)를 만족한다. 베어링에서의 관통공의 직경은 D2로 일정하고, 길이는 LB이며, 또한 식 (3)을 만족한다.

O.7≤D2/D1＜O.97 (1)

20≤LR/((D3-D2)/2)≤115 (2)

0.3≤LB/D2≤10 (3)

Description

다이, 층이 지어진 금속관의 제조방법 및 층이 지어진 금속관{DIE, METHOD OF MANUFACTURING STEPPED METAL TUBE, AND STEPPED METAL TUBE}

본 발명은 다이, 층이 지어진 금속관의 제조방법 및 층이 지어진 금속관에 관한 것으로서, 더 상세하게는 압출 가공에 의해 금속관을 축경(縮徑)하기 위한 다이, 그 다이를 이용한 층이 지어진 금속관의 제조방법 및 층이 지어진 금속관에 관한 것이다.

샤프트 등의 자동차 부품 중에는, 도 1에 도시한 바와 같이 축 방향으로 다른 외경을 갖는 층이 지어진 형상의 부품(이하, 층이 지어진 부품이라 칭한다)이 있다. 이러한 층이 지어진 부품은, 중실재를 압출 가공에 의해 축경하여 제조된다. 구체적으로는, 도 2A∼도 2D를 참조하여, 원주 형상의 중실재인 소재(1)를 소정의 길이로 절단한다(도 2A). 이어, 압출 가공용 다이(2) 상에 연직 방향으로 소재(1)를 배치하고, 소재(1)의 상단에 프레스기(3)를 배치한다(도 2B). 프레스기(3)에 의해 소재(1)를 다이(2)의 관통공(21)에 압입하고, 소재(1)의 하단을 다이(2)의 하면으로부터 압출한다(도 2C). 소재(1)의 하단을 다이(2)의 하면으로부터 소정 거리 압출한 후, 발취 지그(4)에 의해 소재(1)를 다이(2)로부터 인발한다(도 2D). 이상의 공정에 의해, 소재(1)는 층이 지어진 부품이 된다.

다이(2)의 관통공(21)은 도 2B에 도시한 바와 같이, 벨(211), 어프로치(212), 베어링(213), 릴리프(214)에서 연속적으로 형성된 내면을 갖는다. 벨(211)은 소재(1)를 어프로치(212)로 유도하는 역할을 갖는다. 소재(1)는 어프로치(212)에서 처음으로 직경 방향으로 압축의 힘을 받아 축경된다. 통상, 어프로치(212)의 다이 반각(R1)은 일정하다.

근년, 자동차의 경량화를 목적으로, 중공재인 금속관을 압출 가공하여 제조된 층이 지어진 금속관이 층이 지어진 부품으로서 채용되고 있다.

그러나, 다이(2)를 이용한 종래의 압출 가공에 의해 층이 지어진 금속관을 제조하는 경우, 도 3에 도시한 바와 같이, 축경한 원통부에서 구부러짐이 발생한다. 통상, 자동차에 부착된 층이 지어진 금속관은, 축 방향으로 회전 운동한다. 구부러진 층이 지어진 금속관은, 회전시에 흔들림을 발생하기 때문에 바람직하지 않다.

또, 일본국 특허 공개공보 2002-11518호에는, 인발 가공용 다이가 개시되어 있는데, 재료 선단이 고정되지 않는 압출 가공과 달리, 재료 선단을 처킹하여 인발하는 인발 가공에서는 구부러짐이 발생하기 어렵다. 그 때문에, 인발 가공용 다이와 압출 가공용 다이에서는 형상이 다르다.

본 발명의 목적은, 금속관을 압출 가공하여 제조되는 층이 지어진 금속관의 구부러짐을 방지할 수 있는 다이 및 그 다이를 이용한 층이 지어진 금속관을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 층이 지어진 금속관의 구부러짐의 발생 원인에 대해 조사하기 위해, 도 4에 도시한 바와 같이 종래의 다이(2)를 이용하여 금속관(10)을 압출 가공하였다. 그 결과, 축경된 금속관(10)의 외경(DB)이 다이(2)의 베어링(213)에서의 관통공(21)의 직경(D11)보다 작게 변형하는 것을 발견하였다. 이하, 이러한 변형을 언더 슛(under shoot) 변형이라 칭한다.

다이(2)를 이용하여 금속관(10)을 압출 가공할 때, 금속관(10) 중, 어프로치(212)를 통과중인 부분은 어프로치(212) 내면에 의해 직경 방향으로 굽힘 가공을 받아 축경된다. 어프로치(212)를 나와 베어링(213)으로 들어간 부분은 베어링(213) 내면으로부터 굽힘 가공을 받지 않지만, 어프로치(212)를 통과중인 부분이 어프로치(212) 내면으로부터 받는 굽힘 가공의 영향을 받는다. 그 때문에 언더 슛 변형이 생긴다.

윤활이 불균일한 경우, 또는 압출 가공시에 다이(2)에 대해 금속관(10)이 조금 기운 경우, 금속관(10)은 관 축에 대해 불균일하게 축경된다. 또한, 언더 슛 변형에 의해 금속관(10)의 외경(DB)은 베어링(213)에서의 직경(Dl1)보다 작아지기 때문에, 금속관(10)은 베어링(213)에서 구속되지 않는다. 그 때문에, 어프로치(212)에서의 가공에 의해 생긴 금속관(10)의 불균일한 변형을 베어링(213)에 의해 교정할 수 없다. 그 결과, 압출 가공 후의 금속관(10)에 구부러짐이 발생한다.

본 발명자들은 베어링(213)에서 언더 슛 변형을 발생시키지 않으면, 층이 지어진 금속관의 구부러짐을 억제할 수 있다고 생각했다. 언더 슛 변형이 없으면, 베어링(213)에서 금속관(10)은 구속되기 때문이다.

베어링(213)에서 언더 슛 변형을 발생시키지 않기 위해서는, 압출 가공에 의해 금속관(10)의 외경이 Dl1까지 축경되기 전에 미리 언더 슛 변형을 발생시키고, 외경이 D11이 될 때까지 언더 슛 변형을 종료시키면 된다.

그래서, 본 발명자들은, 여러 외경(DA) 및 두께를 갖는 금속관(10)을 다이(2)를 이용하여 압출 가공하고, 각 금속관(10)에 발생한 언더 슛 변형량을 조사하였다. 조사 결과, 외경 가공도가 30% 이하의 압출 가공의 경우, 금속관(10)의 언더 슛 변형량은 베어링(213) 직경(Dl1)의 3% 미만인 것을 새로 발견하였다. 또, 언더 슛 변형량은, 압출 가공 전의 금속관(10)의 외경(DA) 및 두께에는 의존하지 않았다.

이상의 검토 및 조사 결과에 의거하여, 본 발명자들은 이하의 발명을 완성시켰다.

본 발명에 의한 다이는, 압출 가공에 의해 금속관을 축경하기 위한 관통공을 갖는 다이로서, 관통공은, 입구측으로부터 차례로 벨, 어프로치 및 베어링에서 연속적으로 형성된 내면을 갖는다. 벨에서의 관통공의 직경은 입구측으로부터 출구측을 향해 서서히 작아진다. 어프로치에서의 관통공의 직경은 입구측에서 D1이고, 출구측에서 D2이며, 입구측으로부터 출구측을 향해 서서히 작아지고, 식(1)을 만족하며, 직경이 D3=D2/0.97인 내면의 다이 반각은, D3의 내면보다 출구측에 있는 내면의 다이 반각 이상이고, 또한 D3의 내면으로부터 D2의 내면까지의 축 방향의 거리(LR)는 식 (2)를 만족한다. 베어링에서의 관통공의 직경은 D2로 일정하고, 길이는 LB이고, 또한 식 (3)을 만족한다.

0.7≤D2/D1＜0.97 (1)

20≤LR/((D3-D2)/2)≤115 (2)

0.3≤LB/D2≤10 (3)

본 발명에 의한 다이에서는, 어프로치에서의 관통공의 직경이 D3의 내면의 다이 반각이, D3의 내면보다 출구측에 있는 내면의 다이 반각 이상이고, 또한, 거리(LR)가 식 (2)를 만족하는 길이를 갖는다. 그 때문에, 직경이 D3의 내면보다 출구측에 있는 내면에서의 다이 반각은 작아져, D3의 내면으로부터 어프로치 출구까지의 사이에서 금속관은 굽힘 가공을 거의 받지 않는다. 그 때문에, D3의 내면으로부터 어프로치 출구까지의 사이에서 금속관을 언더 슛 변형시킬 수 있다. 전술한 조사 결과대로, 외경 가공도가 30% 이하의 경우의 언더 슛 변형량은 3% 미만이기 때문에, 직경(D3)의 내면으로부터 발생한 언더 슛 변형은, 어프로치 출구까지 종료한다. 환언하면, 어프로치 통과후의 금속관은 언더 슛 변형하지 않는다. 그 결과, 금속관은 베어링에 구속된다.

또, 베어링이 식 (3)을 만족하는 길이를 갖음으로써, 어프로치에서의 가공에 의해 발생한 금속관의 불균일한 변형을 교정할 수 있다. 그 때문에, 금속관의 구부러짐을 방지할 수 있다.

본 발명에 의한 층이 지어진 금속관의 제조방법은, 압출 가공에 의해 금속관을 축경하기 위한 관통공을 갖는 다이로서, 관통공은, 입구측으로부터 차례로 벨, 어프로치 및 베어링에서 연속적으로 형성된 내면을 갖고, 벨에서의 관통공의 직경은 입구측으로부터 출구측을 향해 서서히 작아지고, 어프로치에서의 관통공의 직경은 입구측에서 D1이고, 출구측에서 D2이며, 입구측으로부터 출구측을 향해 서서히 작아지고, 식(1)을 만족하며, 직경이 D3=D2/0.97인 내면의 다이 반각은, D3의 내면보다 출구측에 있는 내면의 다이 반각 이상이고, 또한 D3의 내면으로부터 D2의 내면까지의 축 방향의 거리(LR)는 식 (2)를 만족하고, 베어링에서의 관통공의 직경은 D2로 일정하고, 길이는 LB이고, 또한 식 (3)을 만족하는 다이에 금속관을 축 방향으로 압입하는 공정과, 압입한 금속관의 단부를 다이의 출구측으로부터 소정의 거리까지 압출하고, 층이 지어진 금속관으로 하는 공정과, 압출을 멈추고, 압출한 방향과 반대의 방향으로 층이 지어진 금속관을 발취하는 공정을 구비하다.

바람직하게는, 금속관을 만네스만법에 의해 제조한다.

본 발명에 의한 층이 지어진 금속관은, 제1 원통부, 테이퍼부 및 제2 원통부의 순으로 연속적으로 형성된 금속관으로서, 제1 원통부의 외경은 DA이고, 제2 원통부의 외경은 DA보다 작은 DB이고, 테이퍼부의 외경은, 제1 원통부로부터 제2 원통부를 향해 DA로부터 DB로 서서히 작아지고, 또한, 외경이 DC=DB/0.97인 표면으로부터 D2인 표면까지의 축 방향의 거리(LE)가 식 (4)를 만족한다.

20≤LE/((DC-DB)/2)≤115 (4)

도 1은 종래의 층이 지어진 부품의 외관도이다.

도 2A는 종래의 다이를 이용한 압출 가공의 제1 공정을 나타낸 도면이다.

도 2B는 종래의 다이를 이용한 압출 가공의 제2 공정을 나타낸 도면이다.

도 2C는 종래의 다이를 이용한 압출 가공의 제3 공정을 나타낸 도면이다.

도 2D는 종래의 다이를 이용한 압출 가공의 제4 공정을 나타낸 도면이다.

도 3은 구부러짐이 발생한 층이 지어진 부품의 외관도이다.

도 4는 압출 가공시의 층이 지어진 금속관의 구부러짐의 발생 원인을 설명하기 위한 모식도이다.

도 5는 본 발명의 실시형태에 의한 다이의 수직방향의 단면도이다.

도 6은 도 5에 도시한 다이로 압출 가공할 때의 금속관의 가공 상태를 설명하기 위한 모식도이다.

도 7은 본 발명의 실시형태에 의한 다른 예의 다이의 단면도이다.

도 8A는 도 5의 다이를 이용한 압출 가공의 제1 공정을 나타낸 도면이다.

도 8B는 도 5의 다이를 이용한 압출 가공의 제2 공정을 나타낸 도면이다.

도 8C는 도 5의 다이를 이용한 압출 가공의 제3 공정을 나타낸 도면이다.

도 9는 본 실시예에서 이용한 다이의 단면도이다.

도 10은 층이 지어진 금속관의 구부러짐 양의 측정방법을 설명하기 위한 모식도이다.

도 11은 층이 지어진 금속관의 축 방향의 각 위치에서의 외경의 측정 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙여 그 설명을 원용한다.

[1. 다이]

도 5를 참조하여, 본 실시형태에 의한 다이(30)는, 관통공(31)을 갖는다. 관통공(31)은, 입구측으로부터 차례로 벨(311), 어프로치(312), 베어링(313), 릴리프(314)에서 연속적으로 형성된 내면을 갖는다.

이하, 관통공(31)의 형상에 대해 상세히 설명한다.

[1.1 벨]

벨(311)은, 금속관(10)을 관통공(31)으로 유도하는 역할을 갖는다. 벨(311)은 금속관(10)에 압축의 힘을 주지않기 때문에, 벨(311)에서는 금속관(10)은 축경되지 않는다. 벨(311)에서의 관통공(31)의 직경은 입구측으로부터 출구측을 향해 서서히 작아진다.

[1.2. 어프로치]

어프로치(312)는, 금속관을 축경하는 역할을 갖는다. 즉, 금속관(10)은 어프로치(312)에서 처음으로 직경 방향으로 압축 응력을 받아 축경된다. 어프로치(312)에서의 관통공(31)의 직경은, 입구측으로부터 출구측을 향해 서서히 작아진다. 어프로치(312)의 입구의 직경을 D1, 출구의 직경을 D2로 하면, D1 및 D2는 이하의 (1)식을 만족한다.

0.7≤D2/D1＜0.97 (1)

식 (1)의 하한치를 0.7로 한 것은, 금속관(10)의 외경 가공도가 30% 이하일 때에 특히 본 발명의 효과가 유효하게 얻어지기 때문이다. 여기서, 외경 가공도는 이하의 식 (A)로 정의된다.

외경 가공도=(DA-DB)/DA×100(%) (A)

여기서, DA는 압출 가공전의 금속관(10)의 외경이고, DB는 압출 가공에 의해 축경된 금속관(10)의 외경이다. 또, 식 (1)의 하한치 미만이어도 본 발명의 효과를 어느 정도 얻을 수 있다. 식 (1)의 상한치를 0.97로 한 것은, 외경 가공도가 3% 미만의 경우는, 본 발명의 효과가 유효하게 얻어지지 않기 때문이다.

어프로치(312)에서는, 직경이 D3=D2/0.97인 내면 S_D3의 다이 반각 R1은 내면 S_D3보다 출구측에 있는 내면 S_{D3 - D2}의 다이 반각 R2 이상이다.

또, 내면 S_D3로부터 직경이 D2인 내면 S_D2까지의 축 방향의 거리(LR)는, 이하의 식 (2)를 만족한다.

20≤LR/((D3-D2)/2)≤115 (2)

직경 차=D3-D2에 대해 거리(LR)가 길수록 내면 S_{D3 - D2}에서의 다이 반각(R2)이 작아진다.

베어링(313)에서 금속관(10)을 언더 슛 변형시키지 않기 때문에, 어프로치(312) 내에서 미리 언더 슛 변형을 발생시키고, 어프로치(312) 출구까지 언더 슛 변형을 종료시키면 된다. D3=D2/0.97인 내면 S_D3의 다이 반각 R1을 내면 S_{D3 - D2}의 다이 반각 R2 이상으로 하고, 또한, 거리(LR)를 식 (2)를 만족하는 길이로 하면, 다이 반각(R2)은 매우 작아진다. 그 때문에, 도 6에 나타낸 바와 같이, 금속관(10)은 내면 S_{D3 - D2}의 입구측에서 다이(30)와 접촉하지 않고(도 6 중의 영역 50 참조), 내면 S_{D3 - D2}에서 언더 슛 변형한다.

금속관(10)의 외경 가공도가 30% 이하인 경우, 전술한 대로, 언더 슛 변형량은 직경(D2)의 3% 미만이다. 그 때문에, 내면 SD3로부터 언더 슛 변형을 발생시키면, 언더 슛 변형후의 금속관(10)의 외경은 D2 이하가 되지 않는다.

언더 슛 변형후의 금속관(10)은, 어프로치(312)에 다시 접촉하여, 베어링(313) 입구까지의 사이에서 약간 축경된다(도 6 중의 영역 51 참조). 그러나, 외경 가공도가 낮고, 또한, 내면 S_{D3 - D2}의 다이 반각(R2)이 작기 때문에, 이 사이에 금속관(10)이 받는 압축의 힘은 매우 작다. 그 때문에, 베어링(313)에서 언더 슛 변형은 생기지 않는다.

또, 거리(LR)가 식 (2)의 하한치 이상이면, 상기 효과를 유효하게 발휘할 수 있다. 식 (2)의 상한치를 115로 한 것은, 이 이상 거리(LR)를 길게 하면, 다이(30) 자체의 길이가 너무 길어져, 다이의 제조 비용 및 프레스기의 설비 비용이 비싸지기 때문이다. 식 (2)의 상한치가 115 이상이어도, 본 발명의 효과는 유효하게 얻어진다.

또한, 도 5에서는 어프로치(312)의 형상이, 입구로부터 내면 S_D3까지의 내면 및 내면 S_{D3 - D2}에서 직선으로 되어 있는데, 다른 형상이어도 된다. 예를 들면 도 7에 도시한 바와 같이, 어프로치(312)가 곡선이어도 된다. 즉, 어프로치(312)의 형상은 입구측으로부터 출구측을 향해 직경이 서서히 작아지고 있고, 다이 반각 R1이 다이 반각 R2 이상이고, 또한, 거리(LR)가 식 (2)를 만족하면 된다. 또, 도 7과 같이 어프로치(312)가 곡선인 경우의 다이 반각은, 어프로치(312) 내의 소정의 내면의 접 선과 관통공(31)의 중심축에서 형성된 각도를 말한다.

[1.3. 베어링]

베어링(313)은 압출 가공된 금속관(10)을 구속하고, 금속관(10)의 진직성(眞直性)을 향상시키는 역할을 갖는다. 베어링(313)의 길이(LB)는 이하의 식 (3)을 만족한다.

0.3≤LB/D2≤10 (3)

베어링 길이(LB)는 직경(D2)에 비례한다. 베어링 길이(LB)가 길수록, 어프로치(312)에서의 가공에 의해 발생한 금속관(10)의 불균일한 변형을 교정할 수 있다. 그 때문에, 금속관(10)의 구부러짐을 방지할 수 있다. 베어링 길이(LB)가 식 (3)을 만족하면, 상기 효과를 유효하게 얻을 수 있고, 금속관(10)의 진직성이 향상한다. 또, 식 (3)의 상한치를 10으로 한 것은, 이 이상 베어링 길이(LB)를 길게 하면, 다이(30) 자체가 너무 길어져, 다이의 제조 비용이 비싸지기 때문이다. 식 (3)의 상한치 이상이어도 상기 효과는 유효하게 얻어진다.

[2. 제조방법]

본 실시형태에 의한 층이 지어진 금속관의 제조방법에 대해 설명한다. 우선, 용광로 또는 전로 용해에 의해 용강을 제조하고, 제조한 용강을 주지의 방법으로 정련한다. 정련 후의 용강을 연속 주조법 또는 조괴법에 의해 소재로 한다. 여기서 소재란, 예를 들면 슬래브, 블룸, 빌릿, 또는 잉곳이다.

제조한 소재 중, 슬래브나 블룸, 잉곳은 더 열간 가공하여 빌릿으로 한다. 이때, 열간 압연에 의해 빌릿으로 해도 되고, 열간 단조에 의해 빌릿으로 해도 된 다.

이어, 빌릿을 만네스만법에 의해 금속관으로 한다. 우선, 빌릿을 피아사에 의해 축 방향으로 천공하여 소관(素管)으로 한다(천공 공정). 천공 공정 후, 소관을 맨드럴 밀(mandrel mill)에 의해 축 방향으로 연신한다(연신 공정). 연신 공정 후, 소관을 사이저(sizer)에 의해 원하는 외경 치수로 가공한다(정경 공정).

만네스만법에 의해 제조된 금속관을 이용하여, 압출 가공에 의해 층이 지어진 금속관을 제조한다. 도 8A∼도 8C를 참조하여, 금속관(10)을 연직 방향으로 누르는 프레스기(3)와 다이(30) 사이에, 소정 길이의 금속관(10)을 배치한다(도 8A). 배치 후, 프레스기(3)로 금속관(10)의 상단을 연직 방향으로 눌러, 금속관(10)의 하단을 다이(30)에 압입한다. 금속관(10)의 하단을 다이(30)의 하면으로부터 소정 거리 압출한 후, 프레스기(3)에 의한 압출을 멈춘다(도 8B). 이때, 금속관(10)은 층이 지어진 금속관(11)이 된다. 이어, 발취 지그(4)를 이용하여 층이 지어진 금속관(11)을 압출한 방향과 반대의 방향으로 발취한다(도 8C).

이상의 압출 가공 방법에 의해 제조된 층이 지어진 금속관(11)은, 제1 원통부(101), 테이퍼부(102), 제2 원통부(103)의 순으로 연속적으로 형성된다. 제1 원통부(101)의 외경은 DA이고, 제2 원통부(103)의 외경(DB)은 DA보다도 작다.

테이퍼부(102)의 외경은 제1 원통부(101)로부터 제2 원통부(103)를 향해 DA로부터 DB로 서서히 작아진다. 또, 외경이 DC=DB/0.97인 표면으로부터 DB인 표면까지의 축 방향의 거리(LE)는 이하의 식 (4)를 만족한다.

20≤LE/((DC-DB)/2)≤115 (4)

상술한 만네스만법에 의한 금속관의 제조방법은, 천공공정, 연신공정 및 정경 공정을 포함하는데, 다른 공정을 포함해도 된다. 예를 들면, 금속관의 축 방향의 구부러짐의 교정이나 진원도의 향상을 목적으로 한 교정공정을, 정경공정(定徑工程) 후로 층이 지어진 금속관의 제조 전에 실시해도 된다. 교정공정은, 예를 들면 스트레이트너(straightener)를 이용하여 실시된다. 또한, 금속관의 강도나 인성 등의 특성을 조정하기 위해, 정경 공정 후 교정 공정 전에 열처리를 실시해도 된다. 교정 공정 후, 금속관 단부의 내경 치수를 조정하기 위해, 금속관 단부를 스웨이징 가공해도 된다(스웨이징 공정). 예를 들면, 다이를 이용하여 소관 단부를 압출 가공하여 소관 단부의 내경 치수를 조정한다. 이 경우, 스웨이징 공정 후에 층이 지어진 금속관의 제조공정을 실시한다.

또한, 상기 도 8A∼도 8C의 공정에 의해 제조된 층이 지어진 금속관에는 가공 뒤틀림이나 잔류 응력이 발생할 가능성이 있기 때문에, 이들의 뒤틀림이나 응력을 제거하기 위해, 층이 지어진 금속관에 열처리를 실시해도 된다. 또한, 층이 지어진 금속관의 강도나 인성 등의 특성을 조정할 목적으로 열처리를 실시해도 된다.

상술한 제조방법에서는, 금속관으로서 이음매가 없는 강관을 제조했는데, 금속관으로서 용접 강관을 이용하여 층이 지어진 금속관을 제조해도 된다.

또, 다이(30)의 소재는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면 하이스강이어도 되고, 초경합금이어도 된다. 관통공(31)의 내면의 조도(粗度)는 불문한다. 연마면이어도 되고, 경면이어도 된다. 또한 관통공(31)의 내면을 코팅 가공해도 된다.

또한, 도 5에서는, 벨(311)의 다이 반각과 어프로치(312)의 다이 반각(R1)을 다른 각도로 하고 있지만, 같은 각도로 해도 된다.

[실시예 1]

표 1에 나타낸 치수의 금속관 및 다이를 이용하여 압출 가공 시험을 실시하고, 압출 가공 후의 금속관의 구부러짐을 조사하였다.

[조사방법]

시험 NO7, 14, 21, 28, 35, 42, 49, 56에서는, 도 9에 도시한 바와 같이, 다이 반각이 R1으로 일정한 종래의 다이를 사용하였다. 도 9 중에서의 D3는 D3=D2/0.97로 했다.

상기 시험 NO 이외의 시험에서는, 도 5에 도시한 바와 같이, 2개의 다른 다이 반각 R1 및 R2를 갖는 다이를 사용하였다. 여기서, 다이 반각 R1>다이 반각 R2으로 하였다.

각 시험 NO에서 이용한 다이의 직경 D1∼D3, 다이 반각 R1 및 R2, 거리(LR) 및 베어링 길이(LB)를 표 1에 나타낸다. 또한, 각 시험 NO에서의 다이의 치수에 기초하여, 식 (5) 및 (6)에 나타낸 F1 및 F2를 산출하였다. 산출한 F1 및 F2를 표 1에 나타낸다.

F1=LR/((D3-D2)/2) (5)

F2=LB/D2 (6)

표 1을 참조하여, 시험 NO 2∼5, 9∼12, 16∼19, 23∼26, 30∼34, 37∼41, 44∼48, 51∼55에서 사용된 다이는, 어느 것이나 본 발명의 규정 범위를 만족하는 다이였다.

한편, 시험 NO 1, 7, 8, 14, 15, 21, 22, 28, 35, 42, 49, 56에서 사용된 다이는, F1값이 식 (2)를 만족하지 않았다. 구체적으로는, 어느 다이의 F1값이나 20 미만이었다.

또한, 시험 NO 29, 36, 43, 50에서 사용된 다이는 F2값이 식 (3)을 만족하지 않았다. 구체적으로는, F2값이 O.3 미만이었다. 소재로서의 금속관은 탄소강 강관으로 하고, 표 1에 나타낸 외경(DA), 두께로 하고, 또한 길이를 500㎜로 하였다.

각 시험 NO의 금속관 및 다이를 이용하여, 압출 가공을 실시하여 층이 지어진 금속관을 제조하였다. 구체적으로는, 금속관의 하단이 다이 하면으로부터 330㎜의 거리가 될 때까지 압출한 후, 금속관을 압출한 방향과 반대의 방향으로 인발했다.

압출 가공 후, 층이 지어진 금속관의 축경된 원통부의 외경(DB)을 캘리퍼스(calipers)를 이용하여 측정하였다. 또, 층이 지어진 금속관의 구부러짐을 조사하였다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 층이 지어진 금속관의 제2 원통부의 단부를 선반(60)으로 고정하였다. 선반(60)에 의해 층이 지어진 금속관을 둘레방향으로 1회전하고, 선반(60)에 고정된 단부로부터 350㎜의 표면에 설치된 다이얼 게이지(61)로 층이 지어진 금속관의 구부러짐량(S)을 측정하였다. 구부러짐량(S)이 0.5㎜ 이내인 경우, 합격으로 하고(표 1 중 「○」으로 표시), 구부러짐량(S)이 0.5㎜를 넘은 경우, 불합격으로 했다(표 1 중 「×」로 표시).

[조사 결과]

표 1을 참조하여, 시험 NO 2∼6, 9∼13, 16∼20, 23∼27, 30∼34, 37∼41, 44∼48, 51∼55의 층이 지어진 금속관의 구부러짐량(S)은 모두 0.5㎜ 이하이었다.

한편, 시험 NO 1, 7, 8, 14, 15, 21, 22, 28, 35, 42, 49, 56의 층이 지어진 금속관의 구부러짐량(S)은 0.5㎜를 넘었다. 이들 시험 NO의 층이 지어진 금속관의 외경(DB)은 다이의 직경(D2)=34.0㎜보다 작았다. 이들 시험 NO에서 사용한 다이의 거리(LR)가 짧기 때문에, 베어링에서 언더 슛 변형이 발생하고, 그 결과 구부러짐량(S)이 0.5㎜를 넘었다고 생각된다.

시험 NO 29, 36, 43, 50의 층이 지어진 금속관의 외경(DB)은 34.0㎜였음에도 불구하고, 그 구부러짐량(S)은 0.5㎜를 넘었다. 언더 슛 변형은 발생하지 않았지만, 사용한 다이의 베어링 길이(LB)가 짧았기 때문에, 구부러짐이 발생했다고 생각된다.

또, 금속관의 두께는 구부러짐량에 영향하지 않았다.

[층이 지어진 금속관의 형상의 조사 결과]

종래의 다이로 압출 가공한 시험 NO 7, 14, 21, 28, 35, 42, 49, 56으로 제조된 층이 지어진 금속관의 형상과, 본 발명의 규정 내인 다이로 압출 가공한 시험 NO 2∼5, 9∼12, 16∼19, 23∼26, 30∼33, 37∼40, 44∼47, 51∼54으로 제조된 층이 지어진 금속관의 형상을 비교하였다. 외경(DC), 거리(LE)의 측정 결과를 표 1에 나타낸다. 또한, 표 1 중의 「식 (4)」란은, LE/((DC-DB)/2)의 값을 나타낸다.

일례로서 종래의 다이를 이용한 시험 NO 14의 층이 지어진 금속관 및 본 발명의 범위내의 다이를 이용한 NO 11의 층이 지어진 금속관의 축 방향의 각 위치에서의 외경의 측정 결과를 도 11에 나타낸다. 축 방향으로서의 위치는, 층이 지어진 금속관의 테이퍼부와 제2 원통부와의 경계를 기준점(도 11 중의 가로축 「0」)으로 하여, 제2 원통부 방향을 정방향, 제1 원통부 방향을 부방향으로 하였다. 또, 캘리퍼스를 이용하여 외경을 측정하였다. 도 11에 도시한 바와 같이, 층이 지어진 금속관의 테이퍼부의 형상은, 시험 NO 14와 NO 11에서 크게 달랐다. 구체적으로는, NO 11의 층이 지어진 금속관은 식 (4)를 만족했지만, NO 14의 층이 지어진 금속관은 만족하지 않았다. 동일하게, 시험 NO 2∼5, 9∼12, 16∼19, 23∼26, 30∼33, 37∼40, 44∼47, 51∼54의 층이 지어진 금속관은 식 (4)를 만족했지만, NO 7, 21, 28, 35, 42, 49, 56의 층이 지어진 금속관은, 식 (4)를 만족하지 않았다.

이상, 본 발명의 실시형태를 설명하였지만, 상술한 실시형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 불과하다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시형태를 적절히 변형하여 실시하는 것이 가능하다.

본 발명에 의한 다이는, 소재를 축경하기 위한 압출 가공에 널리 이용 가능하고, 특히, 소재로서의 금속관을 축경하기 위한 압출 가공에 이용 가능하다.

Claims (4)

1. 압출 가공에 의해 금속관을 축경하기 위한 관통공을 갖는 다이로서,

   상기 관통공은, 입구측으로부터 차례로 벨, 어프로치 및 베어링에서 연속적으로 형성된 내면을 갖고,

   상기 벨에서의 관통공의 직경은 입구측으로부터 출구측을 향해 서서히 작아지고,

   상기 어프로치에서의 관통공의 직경은 입구측에서 D1이고, 출구측에서 D2이며, 입구측으로부터 출구측을 향해 서서히 작아지고, 식 (1)을 만족하며, 직경이 D3=D2/0.97인 내면의 다이 반각은, 상기 D3의 내면보다 출구측에 있는 내면의 다이 반각 이상이고, 또한 상기 D3의 내면으로부터 D2의 내면까지의 축 방향의 거리(LR)는 식 (2)를 만족하고,

   상기 베어링에서의 관통공의 직경은 D2로 일정하고, 길이는 LB이며, 또한 식 (3)을 만족하는 것을 특징으로 하는 다이.

   0.7≤D2/D1＜0.97 (1)

   20≤LR/((D3-D2)/2)≤115 (2)

   0.3≤LB/D2≤10 (3)
2. 압출 가공에 의해 금속관을 축경하기 위한 관통공을 갖는 다이로서, 상기 관통공은 입구측으로부터 차례로 벨, 어프로치 및 베어링에서 연속적으로 형성된 내 면을 갖고, 상기 벨에서의 관통공의 직경은 입구측으로부터 출구측을 향해 서서히 작아지고, 상기 어프로치에서의 관통공의 직경은 입구측에서 D1이고, 출구측에서 D2이며, 입구측으로부터 출구측을 향해 서서히 작아지고, 식 (1)을 만족하며, 직경이 D3=D2/0.97인 내면의 다이 반각은, 상기 D3의 내면보다 출구측에 있는 내면의 다이 반각 이상이고, 또한 상기 D3의 내면으로부터 D2의 내면까지의 축 방향의 거리(LR)는 식 (2)를 만족하고, 상기 베어링에서의 관통공의 직경은 D2로 일정하고, 길이는 LB이며, 또한 식 (3)을 만족하는 다이에 금속관을 축 방향으로 압입하는 공정과,

   상기 압입한 금속관의 단부를 상기 다이의 출구측으로부터 소정의 거리까지 압출하고, 층이 지어진 금속관으로 하는 공정과,

   압출을 멈추고, 압출한 방향과 반대의 방향으로 상기 층이 지어진 금속관을 발취하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 층이 지어진 금속관의 제조방법.

   0.7≤D2/D1＜0.97 (1)

   20≤LR/((D3-D2)/2)≤115 (2)

   0.3≤LB/D2≤10 (3)
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 금속관을 만네스만법에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는 층이 지어진 금속관의 제조방법.
4. 제1 원통부, 테이퍼부 및 제2 원통부의 순으로 연속적으로 형성된 금속관으로서,

   상기 제1 원통부의 외경은 DA이고,

   상기 제2 원통부의 외경은 상기 DA보다 작은 DB이고,

   상기 테이퍼부의 외경은, 상기 제1 원통부로부터 제2 원통부를 향해 DA로부터 DB로 서서히 작아지고, 또한, 외경이 DC=DB/0.97인 표면으로부터 DB인 표면까지의 축 방향의 거리(LE)가 식 (4)를 만족하는 것을 특징으로 하는 층이 지어진 금속관.

   20≤LE/((DC-DB)/2)≤115 (4)

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