This thesis is concerned with a new flexible incremental forging process to manufacture shafts having asymmetry or odd number of symmetry in the cross-section. Shafts having asymmetry or odd number of symmetry in the cross-section can not be simply manufactured by conventional incremental radial forging. In order to manufacture such shafts, the new concept of incremental forging with one punch and a flexible fixture is developed by suggesting a flexible fixture, instead of two opposed punches used in radial forging, so that the flexible fixture only supports the workpiece while the punch is moving during forming.
A new flexible fixture is designed to support the workpieces having a variety of shapes as flexibly as possible. The flexible fixture is mainly composed of a half spherical rubber diaphragm filled with steel shots and an internal support. During incremental forging, the workpiece is supported by the clustered shots being subjected to the atmospheric pressure (due to the vacuum) and the internal support together. Since the height of the internal support and the shape of the half spherical rubber diaphragm are adjustable to a specific workpiece, the fixture supports the incremental forming load of the punch in the flexible manner.
The flexible fixture can have different shapes in supporting the workpiece, and the shape of the support influences the stress distribution in the deformation zone. In order to have a better understanding of this phenomenon, support parameters which are basically normalized supporting depth and normalized projection area are defined. The effects of these two parameters are examined by performing the FEM analysis. It is seen that the normalized projection area does not have any significant effect on the stress distribution as long as the normalized projection area is larger than 2.25.
The proposed manufacturing concept of incremental forging includes the use of one punch and a flexible fixture. Therefore, the approximate forming procedure to manufacture asymmetric shafts using the concept of radial forging with one punch and a flexible fixture is introduced. Determination of the forming directions is an important step in the manufacturing schedule.
Two kinds of shapes with equilateral triangular and general quadrilateral cross-sections are selected as the sample shapes to be manufactured by the proposed manufacturing procedure. Firstly, the FEM analyses of the processes to manufacture the chosen shapes are carried out to confirm the applicability of the proposed method. In the FEM analysis. the displacement boundary conditions in the radial direction are defined on the nodes where the flexible fixture is supposed to support. The FEM analysis has rendered satisfactory results and experiments are carried out using the flexible fixture. After the experiments, the desired triangular and general quadrilateral cross-sectional shafts are manufactured with the errors of 3.0% and 3.8%, respectively. In the experiment, some overlapping region is observed. The overlapping occurs due to excessive stroke or feed.
In the future work, it is suggested that the fixture can be improved by making use of different materials for sealing and supporting. The manufacturing procedure can be further developed by finding a generalized method to decide the optimum forming angles.
본 연구는 비대칭 또는, 흘수의 대칭단면을 가지는 축을 생산하기 위한 유연한 점진적인 단조공정에 관한 것이다. 비대칭 또는, 흘수의 대칭단면을 갖는 축은 기존의 전통적인 반경방향 단조만으로는 제작이 불가능하다. 그러한 축을 생산하기 위하여, 반경방향 단조에서 사용되는 반대편 펀치 대신에 유연한 고정구를 제안하므로써 한 개의 펀치와 한 개의 유연한 고정구를 갖는 점진단조공정 개념을 개발하였다.
유연한 고정구는 가능한 다양한 모양의 공작물을 지지하도록 디자인되었다. 유연한 고정구는 내부 지지대와 금속 볼로 채워진 반구의 고무 격막으로 구성되어 있다. 점진적인 단조공정 동안 공작물은 공압에 의해 고정된 금속 볼과 내부지지대에 의해 지지된다. 내부 지지대의 높이와 반구의 고무 격막이 특정한 공작물의 모양에 적응되므로 고정구는 펀치의 점진적인 성형하중을 유연하게 지지한다. 유연한 고정구는 공작물을 지지하는데 다른 모양을 가질 수 있으며, 이 지지모양은 변형영역에서의 응력 분포에 영향을 미친다. 이 현상을 더 잘 이해하기 위해서 지지 변수는 정규화된 지지 깊이와 투영영역으로 정의하였다. 이러한 두 가지 변수의 영향은 유한요소해석을 수행함으로써 검증된다. 정규화된 투영면적이 2.25보다 클 때 이 투영면적은 스트레스 분포에 어떤 영향도 미치지 않음을 알 수 있다.
제안된 점진단조의 생산 개념은 한 개의 펀치와 유연한 고정구를 사용한다. 따라서, 한 개의 펀치와 유연한 고정구를 가진 반경방향의 단조 원리를 이용한 비대칭 축을 생산하기 위한 대략적인 성형 절차가 생성된다. 생산 스케줄링의 중요한 단계로서 성형방향의 결정이 필요하다.
정삼각형과 일반적인 사각형 단면의 두 가지 축 모양을 제안된 생산 절차에 의해 생산되도록 예제 형상으로서 선택하였다. 첫째, 이러한 형상을 제작하기 위한 공정의 유용성을 검증하기 위하여 유한요소해석으로 수행하였다. 유한요소해석에서 반경방향 변위 경계조건은 유연한 고정구가 지지되는 절정에 부여하였다. 유한요소해석은 만족할만한 결과를 주었고 유연한 고정구를 사용하여 실험을 수행하였다. 실험 후에 바람직한 삼각형과 사각형 단면적을 갖는 축은 각각 3%와 3.8%의 오차 이내로 제작되었다. 또한, 실험 후에 큰 압하량과 이송량 때문에 약간의 중복되는 영역이 관찰되었다.
앞으로, 고정구는 밀폐나 지지를 위해 다른 재료를 사용하여 향상될 수 있다. 또한, 생산 절차는 최적의 성형각도를 결정하기 위한 일반화된 방법을 찾음으로써 더 개발될 수 있다.
