소성가공 3

제3장 단조

1. 단조의 분류 및 특징

(1) 개요

단조 가공은 냉간단조와 열간단조로 구분하지만 주로 열간단조가 행해지며 주조품 등의 재료에 압력을 가하여 재료를 파괴하지 않고 영구변형을 주어서 목적하는 대로 성형하고 기계적 성질을 개선하는 가공법.

(2) 단조 가공의 특징

목적한 형상의 가공이 용이함.

재료 결정 입자의 미세화.

재질의 균일화.

(3) 단조의 종류

1) 단조 방법에 따른 분류

2) 가열 온도에 따른 분류

(가) 열간단조

열간단조는 소재를 재결정 온도 이상으로 가열하여 단조 가공하는 것으로서 가장 일반적인 방법이며 가공성이 향상되어 비용이 적게 들고 제품 모양에 대한 제약이 적음.

열간단조의 종류에는 해머 단조, 프레스 단조, 업셋 단조, 압연 단조 등이 있음.

(나) 냉간단조

냉간단조는 상온 또는 상온에 가까운 온도에서 단조 가공하는 것으로서 정밀도가 뛰어나고 기계적 성질이 개선된 제품을 얻을 수 있음.

냉간단조는 변형저항으로 인하여 소재가 제한되는데 주로 비철금속이나 중저탄소강이 사용됨.

냉간단조의 종류에는 콜드 헤딩, 코이닝, 스웨이징 등이 있음.

(다) 온간단조

온간단조는 냉간단조와 열간단조의 중간 온도(약 200 ~ 800℃)의 범위에서 성형하는 것으로서 열간단조와 냉간단조의 장점을 모두 갖고자 하는 단조법임.

열간단조에서 나타나는 탈탄, 산화막 등과 같은 열의 영향을 배제하고 냉간단조에서의 변형저항, 가공압력의 증대 등의 문제를 보안할 수 있음.

2. 단조 금형의 제작 요점

(1) 개요

동일한 모형의 단조품을 대량생산할 때에는 형단조를 사용하면 치수 정밀도가 높고 성형을 빨리할 수 있어서 각종 기계부품의 제작에 많이 이용됨.

(2) 다이의 종류

1) 반밀폐형

플래시부에 재료의 유출 저항을 증가시켜 형 내에 재료가 완전히 충만되어 성형.

2) 개방형

재료를 횡방향으로 자유로이 흐르게 한 형식으로서 자유단조와 밀폐형단조의 중간 형태임.

3) 밀폐형

플래시를 발생시키지 않는 금형 구조를 가지며 금형의 페쇄와 펀치 동작이 별개로 행해짐.

[밀폐 평면형]

[밀폐 단붙이형]

(3) 단조 다이 재료의 구비조건

내열성, 내마모성이 클 것.

충격에 강하고 강인할 것.

열처리가 용이할 것.

기계가공이 용이할 것.

가격이 저렴할 것.

3. 단조 금형의 구성 및 제작 요점

(1) 열간단조 금형

1) 플래시

플래시는 금형의 파팅 라인상에서 금형 사이로 재료가 흘러나오는 것을 방지하고 상형과 하형의 타격을 완화시키는 역할을 함.

플래시 홈의 체적은 금형설계 방안 및 가열온도, 스케일, 수축 등의 작업조건에 따라 결정함.

보통 플래시의 두께가 얇을수록 하중이 커지므로 프레스의 용량에 알맞은 플래시의 두께를 설정해야 하는데 일반적인 플래시의 두께는 제품 두께의 3% 정도가 적당함.

2) 파팅 라인

단조 작업, 금형 가공이 용이하도록 한 평면으로 할 것.

형조각 깊이를 낮게 할 것.

파팅 라인의 경사를 작게 하여 플래시 제거를 용이하게 할 것.

다듬질 여유를 가능한 한 작게 하고 경사지지 않도록 할 것.

3) 빼기 구배

빼기 구배는 단조품에서 금형을 빼내기 쉽게 하고 재료의 흐름을 좋게 함.

빼기 구배가 크면 재료의 소비가 많아지고 후가공의 절삭여유가 커지므로 가능한 한 작게할 것.

내측의 빼기 구배는 금형의 블록부에 접하므로 외측보다 2 ~ 3˚ 크게 할 것.

빼기 구배의 값은 형조각의 깊이가 깊을수록 크게 할 것.

4) 라운딩

재료의 흐름을 좋게 함과 동시에 균열을 방지하고 금형의 수명을 연장시키는 역할을 함.

모서리부에 라운드가 작은 경우에는 접힘이 발생하거나 눌림이 심해지고 타격 시 응력의 집중과 균열이 발생될 수 있음.

5) 안내장치

상·하 금형의 어굿남을 방지하기 위하여 위치결정 기능이 있는 안내장치를 설치할 것.

안내장치는 블록에 오목부를 가공하여 안내하거나 가이드 포스트, 가이드 부시에 의한 안내방식을 사용할 것.

안내장치는 단조품의 형상이 불균일하거나 해머 정밀도가 나쁜 경우에만 적용할 것.

6) 가공여유

(2) 냉간단조 금형

1) 펀치의 강도

펀치가 가늘고 긴 모양이 되면 좌굴 파괴를 일으키므로 이를 방지하기 위하여 펀치의 길이는 일반적으로 펀치의 지름에 3배 이하가 적합함.

2) 펀치의 형상

전방압출 펀치의 선단은 각도를 약간 주거나 평면인 것이 좋으나 후방압출 펀치는 선단의 형상이 압출압력에 영향을 줌.

압출압력은 선단의 각도가 120˚일 때가 가장 작고 평면일 때가 가장 크나 보통 5 ~ 15˚의 원추형으로 해야 함.

재료와 펀치 간에 마찰을 적게 하기 위해서 선단에 평행부를 만들고 그 후방에 지름의 여유를 두는 경우가 있는데 일반적인 평행부의 길이는 1 ~ 3mm 정도임.

3) 다이의 보강

냉간단조 작업에서는 원주방향으로 높은 하중이 작용하므로 다이의 외주에다가 보강 링으로 열박음 또는 억지끼워박음을 하여 보강해야 함.

4) 다이의 분할

다이 구멍의 모서리는 응력집중에 의한 균열 방지를 위해 라운드를 줄 것.

라운드를 주지 않을 경우에는 다이의 가공방법을 고려하여 가로, 세로, 혼합 분할 등을 하여 집중응력을 피해야 함.

4. 밀폐단조

(1) 개요

밀폐단조는 플래시를 발생시키지 않은 금형 구조를 갖는 형단조법임.

밀폐단조에서는 일반적으로 폐쇄된 금형 내에 재료를 압송하는 펀치 동작이 별개로 행해지는 금형 구조를 가짐.

종래의 플래시가 있는 형단조는 재료의 유동 거리에 한계가 있고 유동 체적도 현저하게 감소하며 금형에 의한 급열이 급속히 진행되는 결점이 있는데 밀폐단조는 재료 회수율과 형상 정밀도의 향상 등 많은 장점이 있어 최근에는 기어, 베어링의 내•외륜 등 많은 기계부품의 제작에 이용되고 있음.

(2) 밀폐단조의 특징과 구비조건

1) 특징

플래시 등 스크랩의 발생이 없어 재료 회수율이 높음.

고정밀 성형에 의하여 2차 가공이 생략됨.

복합공정에 의하여 금형 개수가 절감되고 에너지를 절약할 수 있음.

형상 정밀도의 향상에 따라 수정 성형 및 수정 가공이 생략됨.

2) 구비조건

재료를 가장 효율적으로 유동시킬 수 있는 위치에 가압성형 기구가 있어야 함.

금형 내에 재료의 비유동 영역이 생기지 않도록 다방향 가압의 트리밍 조절이 필요함.

금형 폐쇄기구는 가압성형 중에 폐쇄가 느슨해지면 안 됨.

금형은 단조품의 추출을 위해 분할되어야 함.

금형 캐비티가 형성된 후에 가압성형 기구가 작동해야 함.

금형 폐쇄 시에 재료의 유출이 없는 예비 성형체가 필요함.

(3) 성형장치

1) 프레스

일반적으로 기계식과 유압식이 사용되고 있으나 스트로크 및 가압속도가 고정적인 기계식에 비해 소형이고 유연한 유압식이 많이 사용됨.

유압식 프레스는 큰 가압력을 펀치에 부가할 수 있어 대형 부품의 다방향 가압성형에 많이 이용됨.

2) 금형

기계식 프레스인 경우 프레스 측에 자유도가 적으므로 금형에 밀폐단조 기능을 넣는 경우가 많음.

금형의 구동은 캠이나 링크 기구를 이용하며 밀폐 후에 금형의 열림을 방지하는 클램프 기능이 필요함.

3) 보조 장치

보조 장치는 범용 프레스에 유압 실린더 등을 이용한 보조 가압장치를 설치하여 금형의 밀폐 또는 펀치에 가압을 하는 것으로서 별도의 유압 유닛에서 제어•공급되는 유압에 의하여 구동되는 실린더를 성형 프레스와 연동시키면 복동 이상의 성형 시스템 구성이 가능해짐.

향후 다품종 소량생산에 대응할 수 있는 급속금형교환 장치(QDC), 로봇에 의한 가공 과정 제어, 금형의 청소, 윤활 등 자동화 장치의 개발과 활용이 필요하며 금형비를 절감할 수 있는 성형장치 개발과 금형 세트의 공용화가 이루어져야 함.

5. 온간단조

(1) 개요

일반적으로 가열온도에 따라 분류할 때 열간단조와 냉간단조로 구분하는데 열간단조는 고온에서 가공이 이루어지기 때문에 탈탄, 표면 불량, 스케일에 의한 흠집 등이 발생하고 냉간단조는 재료의 변형저항이 크기 때문에 높은 가공압력이 필요하고 설비비가 고가이며 공정수가 많은 결점 등이 있음.

온간단조는 냉간단조과 열간단조의 중간 온도(약  200 ~ 800℃)의 범위에서 성형하는 단조 방법으로서 열간단조과 냉간단조의 결점을 모두 보완할 수 있음.

(2) 온간단조의 특징과 개선점

1) 특징

산화막의 발생이 적고 제품 정밀도가 높음.

재료 이용률이 높음.

에너지 절약에 효과적임.

변형저항의 저감, 변형능이 향상되어 냉간단조가 어려운 취성 재료의 단조가 가능함.

공장의 설비수가 감소하고 레이아웃이 간결해짐.

2) 개선점

(가) 사용 소재

온간단조에서 열간단조 정도의 대변형을 할 때에는 소재의 변형 및 크랙과 같은 문제가 나타나는데 황 등의 규제를 통해 연성을 증대시키고 소재의 외부에 남아 있는 미세한 흠을 제거하여 크랙 기점을 없애는 대책이 필요함.

(나) 사용 프레스 및 금형

온도에 의한 금형의 열변형 대책과 사용 프레스의 슬라이드(램) 속도 등을 조정해야 함.

(다) 윤활제 및 윤활 방법

온간단조가 많은 장점에도 불구하고 활용이 크게 확대되지 않은 이유 중의 하나가 냉간단조와 같이 접착제 도포 시 안정된 효과를 가진 윤활제가 없다는 것임.

냉간단조에 쓰이는 접착제의 피막은 200℃가 넘어가면 윤활 성능이 급격히 저하됨.

또한 500℃ 이상의 고온에서 안정된 윤활 성능을 유지할 수 있는 흑연계도 700 ~ 800℃의 온간단조에 적용하기에는 무리가 따름.

금형의 수명이 윤활과 밀접한 관계가 있으므로 윤활제의 내열성을 보완하여 윤활 피막이 가열 중에도 소실되지 않도록 하는 대책이 필요함.

(3) 가열 장치

온간단조에서 고주파 또는 저주파 유도전류에 의한 유도가열기를 가열장치로 사용하는데 소재에 에너지 투입 속도가 빠르고 급속 가열이 가능하여 표면에 산화 탈탄이 적기 때문임.

자기변태점 이하의 가열에는 저주파 유도가열기를, 그 이상의 가열에는 고주파 유도가열기를 사용하나 단조 재료의 굵기에 따라 달라질 수 있음.

6. 업세팅

(1) 개요

긴 소재를 업세팅할 때 가공할 부분의 길이가 단면에 비해 너무 길면 소재가 좌굴이 되어 정상적인 가공을 할 수가 없음.

이런한 현상을 방지하기 위하여 몇 가지 조건이 있는데 이를 업세팅 3원칙이라 함.

(2) 업세팅 3원칙

1) 제1원칙

좌굴 없이 한 번에 업세팅이 가능한 소재 돌출부의 길이는 소재 지름의 3배 이하이어야 함. (  L ≤ 3d。)

2) 제2원칙

소재 돌출부의 길이가 소재 지름의 3배 이상인 경우 다이 공동의 지름이 소재 지름의 1.5배 이하이면 업세팅이 가능함. (  D ≤ 1.5d。)

3) 제3원칙

소재 돌출부의 길이가 소재 지름의 3배 이상이고 다이 공동의 지름이 소재 지름의 1.5배 이상인 업세팅에서 다이면 위로 돌출된 소재의 길이는 소재 지름보다 작아야 함. (  L1 ≤ d。)

7. 단조 온도 및 가열시간

(1) 개요

소재를 단조할 때에는 산화작용, 단조 지느러미, 가공여유 등의 이유로 상당한 중량의 감소가 발생함.

산화작용은 대체적으로 연료의 종류, 가열로의 종류, 가열시간, 가열속도에 따라 다르며 1 ~ 9% 정도의 재료 손실이 따름.

단조 종료 온도가 그 재료의 재결정 온도 바로 위에 있는 것이 가장 이상적인 단조 온도임.

(2) 소재 가열 시 주의사항

너무 급하게 고온으로 가열하지 말 것.

균일한 가열을 할 것.

오랫동안 고온으로 가열하지 말 것.

반복 가열을 되도록이면 피할 것.

(3) 단조 온도

1) 최고 온도

단조를 개시하는데 적합한 온도.

너무 높으면 단조는 쉬우나 소손과 산화가 심함.

연소나 용융 시작 온도의 100℃ 이내로 접근하지 않도록 함.

2) 종료 온도(최저 온도)

가공이 끝난 후 소재가 재결정 온도 이상에서 머물러 있으면 결정입자는 다시 조대화됨.

단조 종료 온도가 낮을수록 조직은 미세화되나 내부응력의 발생으로 균열이 생길 수 있음.

단조 종료 온도는 재결정 온도보다 약간 높은 온도로 유지되도록 하여 결정입자도 미세화하고 강인성도 부여해야 함.

(4) 가열로

1) 가열로의 구비조건

적당한 가열온도를 얻을 수 있을 것.

가열온도를 조절할 수 있을 것.

산화, 탈탄을 적게 할 것.

2) 가열로의 종류와 특징

(5) 가열시간

1) 정의

가열한 후 소재 전체의 가열온도를 균일하게 하는데 소요된 시간.

소재의 화학성분, 형상, 크기, 열전전도 등에 영향을 받음.

2) 가열시간의 영향

가열시간이 너무 짧으면 균열이 발생하고 너무 길면 결정립이 조대화될 뿐만 아니라 소재의 표면이 산화됨.

소재 1mm 두께에 대한 가열시간은 탄소강은 25초, 합금강은 70초가 적정함.

이상으로  소성가공 중에서 단조에 대한 연재를 마치고 다음에는 이외에 특수 소성가공과 금형에  대한 연재를 시작할 예정입니다.