소성가공 2

제2장 소성가공과 특수금형의 종류

소성가공과 특수금형의 종류 중에서 회전하는 롤러 사이에 금속 소재를 통과시켜 판재, 형재, 봉재를 가공하는 압연과 정밀한 금형에 용융 금속을 고속·고압으로 주입하여 정밀하고 깨끗한 주물을 얻는 다이캐스팅이 대표적입니다.

1. 압연

(1) 개요

소성가공과 특수금형의 종류 중 압연은 회전하고 있는 롤러 사이에 금속 소재가 통과하면서 롤러의 압력에 의하여 단면 두께를 감소시켜서 판재, 형재, 봉재를 가공함.

압연은 압축응력이 높고 표면 전단응력을 받으면서 연속적으로 소재가 변형하므로 소재는 롤러와의 마찰력에 의하여 자력으로 공급되어 가공이 이루어짐.

(2) 자력 압연 조건

롤러와 소재의 구름 접촉면의 어느 한 점에서는 반지름 방향의 힘 Pr과 접선 방향의 마찰력 F가 작용함.

중립면을 기준으로 압연이 시작되는 위치에서는 소재의 이동속도가 롤러의 회전속도보다 느리면 마찰력은 롤러 방향으로 소재를 잡아당기도록 작용함.

출구 쪽에서는 소재의 이동속도가 롤러의 회전속도보다 빠르고 마찰력은 작용 방향이 반대가 되어 롤러로부터 소재를 밀어내는 작용을 함.

롤러와 소재 사이의 마찰계수를 μ라 하면 마찰력은 F=μPr이므로,

μPr • cos α ≥ Pr • sin α

μ ≥ tan α

여기서 α는 물림각 또는 접촉각이라 하고 위의 공식은 롤러와 소재 간의 마찰력에 의하여 소재가 자력으로 공급되기 위한 조건식임.

분괴압연에서는 마찰계수 μ를 크게 하기 위해 롤러의 표면을 거칠게 만들거나 홈을 파기도 함.

(3) 압하량

위의 공식에서 압하량을 크게 하기 위해서는 D와 μ를 크게 해야 하나 실제 작업에서는 마찰계수가 커지면 마찰저항이 커져서 μ를 작게하고 D를 크게 하여 작업함.

(4) 압하력

롤러와 소재 간에 압력분포는 압연방향으로는 중립면에서 가장 높고 압연 소재의 폭 방향으로는 중앙부가 가장 높으며 양 끝단으로 갈수록 압력이 감소함.

압하력은 소재나 롤러 사이의 평균압력에 접촉면적을 곱하여 산출함.

압하력 감소 방안

① 마찰력을 줄일 것.

② 반경이 작은 롤러를 사용할 것.

③ 압하율을 줄일 것.

④ 열간압연을 할 것.

⑤ 압연방향으로 전후방 장력을 가하여 소재의 압축방향 항복응력을 낮출 것.

2. 고에너지 성형법

(1) 개요

소성가공과 특수금형의 종류 중 고에너지 성형법은 순간적으로 높은 에너지를 방출하여 성형하는 것으로 고압을 고속으로 작용시켜서 생긴 고에너지를 이용하므로 고속 성형법(HVF)이라고 함.

고에너지 성형법은 가공속도가 빠르기 때문에 고장력 합금과 같은 경도가 큰 재료나 형상이 복잡한 것도 1회 가공으로 손쉽게 성형이 가능함.

고에너지 성형법은 시설비가 적게 들어 경제적일 수 있으나 대량생산에는 생산성이 떨어지므로 비경제적임.

(2) 종류 및 특징

1) 폭발 성형법

폭발 성형법은 폭약을 점화시켰을 때 고에너지의 충격파를 이용하는 방법으로 수중 또는 가스 중에서 폭약을 폭발시켜 물에 작용하는 수압 및 가스압에 의하여 성형함.

폭발 성형법 소재에 가해지는 압력의 조절은 화약의 위치 조절로 가능함.

다이 형식에 따라 개방 다이식(OPEN DIE)과 폐쇄 다이식(CLOSE DIE)으로 나뉨.

2) 액중 방전 성형법

액중 방전 성형법은 폭발 성형법의 폭약 대신 전기 에너지를 이용하는 것으로 고압으로 충전된 대전류를 액중에서 방전하여 가열될 때 물의 팽창과 그 충격으로 성형함.

액중 방전 성형법은 대부분의 재료를 광범위하게 가공할 수 있으며 항공기 제작 시 성형가공에 이용됨.

액중 방전 성형법은 가공 에너지의 조절이 쉽고 원격조작이 가능하나 성형효율이 낮은 단점이 있음.

3) 전자 성형법

전자 성형법은 콘덴서에 충전된 고압의 전류를 단시간에 방전할 때 생기는 고밀도의 자장으로 성형하는 방법이며 인력과 반발력의 세기는 전류의 크기에 비례함.

도전성이 좋은 재료는 전자력으로 직접 성형하고 도전성이 나쁜 재료는 도전성이 좋은 재료를 보조로 사용하여 성형하나 큰 제품의 성형에는 적합하지 않음.

4) 가스 성형법

가스 성형법은 가스를 점화할 때 생기는 고에너지의 폭발압력을 이용하는 방법으로 폭발이 안정되어야 함.

가스 성형법에서 사용하는 가스는 수소, 메탄, 에탄, 천연가스로서 유해하지 않아야 하며 일정 온도와 압력하에서도 가스체를 유지해야 함.

3. 고무 다이를 이용한 성형법

(1) 개요

프레스 가공에 사용하는 다이는 펀치보다 고가이며 제작이 어렵고 많은 노력이 필요함.

탄성이 풍부한 고무나 액체를 펀치나 다이로 대신 사용하여 금속 박판을 가공하는 성형법을 고무 다이를 이용한 성형법이라 함.

다이에 고무를 이용하면 어떠한 형상의 펀치도 사용할 수 있음.

(2) 종류 및 특징

1) 마폼법

(가) 성형 방법

마폼법은 탄력이 좋은 고무를 슬라이드(램)에 장착시켜 액압 실린더에 부착한 후 다이로 사용하고 소재를 펀치 위에 올려놓고 가압하면 고무의 탄성에 의하여 펀치의 형상으로 소재가 성형됨.

게린법을 개량하여 복동식으로 가공하는 것으로 딥 드로잉용으로 주로 사용함.

(나) 특징

경제적임.

소량 소품의 제작에 유리함.

소재의 결함이 적음.

파단이 작아 모서리 반지름을 작게 할 수 있음.

딥 드로잉이나 복잡한 형상의 제품 성형에 적합함.

2) 게린법

(가) 성형 방법

게린법은 다이 위에 블랭크를 놓고 고무 다이로 가압하여 제품을 가공하며 고무를 고정하기 위한 리테이너가 있음.

(나) 특징

다이의 제작비가 저렴함.

다이 고정이 불필요함.

소재를 고정하지 않으므로 주름이 생길 수 있음.

제품의 두께와 형상에 제한이 있음.

3)액압 성형법

(가) 성형 방법

액압 성형법은 마폼법에서 고무 대신 액체의 압력을 다이 또는 펀치로 사용하여 소재를 성형하며 액체를 밀폐시키기 위한 고무막과 성형을 위한 고무막이 있음.

(나) 특징

복잡한 성형이 가능함.

작업 중 압력조절이 자유로워 블랭크를 겹쳐서 성형할 수 있음.

4) 벌징법

벌징법은 원통형의 제품 일부에 돌기 형상을 만드는 것으로 최소 지름으로 성형된 용기에 고무나 액체 주머니를 넣고 압축하면 고무가 가로방향으로 변형되면서 원래의 용기에 다이 형상의 돌기부를 성형하는 방법.

다이의 가격이 비교적 싸고 대량생산이 가능함.

4. 원심 주조법

(1) 개요

소성가공과 특수금형의 종류 중 원심주조법은 원통의 주형을 300 ~ 3,000rpm으로 회전시키면서 용융 금속을 주입하면 원심력에 의하여 용융 금속은 주형의 내면에 압착•응고되어 치밀하고 결함이 없는 주물을 대량생산하는 방법.

원심주조법에 소요되는 재료로는 주강, 주철, 구리합금이며 주형으로는 모래형, 금형 등이 사용됨.

원심주조법은 편석이 되기 쉬운 결점도 있으므로 회전속도, 주입속도, 주입온도 등의 주입 조건을 적정하게 제어하여 용융 금속의 응고속도를 조절할 필요가 있음.

(2) 특징

주물의 조질이 치밀하고 균일하며 강도가 높음.

재료가 절약되고 대량생산이 용이함.

기포, 용재의 개입이 적으며 가스 배출이 용이함

코어, 탕구, 피더, 라이저가 불필요함.

실린더, 피스톤 링, 강관 등의 주조에 적합함.

(3) 주조 방식

1) 수평식

주형의 축이 수평이며 지름에 비하여 길이가 긴 관을 주조할 때 이용.

2) 수직식

주형의 축이 수직이며 지름에 비하여 길이가 짧은 윤상체의 주물을 주조할 때 이용.

(4) 주조 시 유의사항

1) 모래형

원심력에 의하여 주형이 변형 또는 파괴될 수 있으므로 주물사에 20 ~ 30%의 석면을 혼합하여 제작함.

제작된 모래형은 철관 내면에 요철을 만들어 주물사의 부착을 도와야 함.

2) 금형

금형온도가 낮을 때에는 주물의 외측이 백선화될 우려가 있으므로 200 ~ 300℃ 정도로 금형을 예열해야 함.

대형 주물의 주조가 연속될 때에는 금형의 과열을 방지하기 위해 수냉을 실시해야 함.

(5) 유사 원심 주조법

1) 반원심 주조법

반원심 주조법은 주형을 저속 회전시키고 회전축상의 수직방향 탕구를 통해 용융 금속을 주입함.

중공 주물일 경우에는 코어가 필요함.

주로 가스 소재, 차륜 등의 주조에 이용됨.

2) 센튜리퓨징법

센튜리퓨징법은 회전축상의 수직방향 탕구에 소형 주형의 탕로를 여러 개 연결하여 원심력으로 용융 금속이 각 주형으로 주입됨.

소형 주물을 대량생산 시 사용되는 주조법임.

회전수가 비교적 적으며 주로 피스톤, 피스톤 링 등의 주조에 이용됨.

5. 다이캐스팅

(1) 개요

소성가공과 특수금형의 종류 중 다이캐스팅은 정밀한 금형에 용융 금속을 고압•고속으로 주입하여 정밀하고 표면이 깨끗한 주물을 짧은 시간에 대량으로 얻는 주조법임.

소요되는 주물재료로는 알루미늄 합금, 아연 합금, 구리 합금, 마그네슘 함금 등이 있으며 자동차 부품, 전자기기용품, 통신기기용품, 일용품 등의 소형 제품의 대량생산에 이용됨.

(2) 특징

1) 장점

정밀도가 높고 주물 표면이 깨끗하여 기계가공을 줄일 수 있음.

주물의 조직이 치밀하여 강도가 큼.

얇은 주물의 주조가 가능하며 제품을 경량화할 수 있음.

연속 주조가 가능하여 대량생산에 적합함.

2) 단점

다이의 제작비가 고가이므로 소량생산에 부적합함.

사용 소재는 다이의 내열 강도로 인하여 용융점이 낮은 비철금속에 국한됨.

대형 주물의 주조에는 부적합함.

(3) 주조 장치

1) 열가압실식

열가압실식은 용해로 내에 가압실이 잠겨 있어 플런저를 공압, 수압, 유압으로 가압하여 용융 금속이 노즐을 통해 금형에 압입되는 방식.

용융 금속이 곧바로 금형에 압입되므로 유동성이 양호함.

용융 온도가 낮은 금속(아연 합금, 주석 합금)의 주조에 이용됨.

가압력은 30 ~ 100kg/㎠.

2) 냉가압실식

냉가압실식은 용해로와 가압실이 서로 분리되어 있어 용융 금속을 래들로 받아 가압실에 넣고 플런저로 가압하여 금형에 압입하는 방식.

생산능률 및 유동성이 열가압실식에 비해 떨어짐.

비교적 용융 온도가 높은 금속(구리 합금, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금)의 주조에 이용됨.

응고 후 계속 가압하면 단조 효과를 기대할 수 있음.

가압력은 100 ~ 1,000kg/㎠.

3) 열가압실식과 냉가압실식의 비교

(4) 다이

1) 재료

고온·고압이 작용되면서 연속적으로 주조작업이 이루어지므로 내열성, 내압성, 내부식성이 뛰어나야 하며 금형을 정밀하게 가공할 수 있도록 절삭성이 좋아야 함.

재질이 적절하지 않으면 균열이 발생되어서 수명이 짧아지고 불량 주물이 나오게 됨.

2) 다이 설계 시 주의사항

용융 금속의 수축량과 금형 자체의 팽창량을 감안할 것.

탕구나 탕도는 가능한 한 용융 금속이 부드럽게 흐르도록 할 것.

사출된 용융 금속이 금형 내로 들어올 때 금형 내의 공기가 잘 빠져나갈 수 있도록 할 것.

두께가 균일하도록 가공하고 마무리 작업면은 한쪽으로 집중시킬 것.

(5) 애큐라드법

1) 정의

2단 사출 다이캐스팅이라 하며 종래의 다이캐스팅에 비하여 넓은 탕구를 쓰고 용융 금속의 사출속도와 사출주기를 느리게 한 주조법.

2) 작업 방법

두꺼운 탕도를 설치하고 낮은 압력으로 용융 금속을 금형 안으로 서서히 주입하여 용속 금속의 앞쪽에 있는 공기 및 가스를 금형으로부터 배출하면서 용융 금속을 금형 공간에 채움.

그런 다음 내부 플런저를 작동시켜 주물 내부의 응고와 수축에 필요한 용융 금속을 추가로 보급함.

3) 특징

2단 사출을 실시함으로써 혼입 가스에 의한 결함, 수축공 발생 등을 방지함.

주물 조직이 치밀하고 미세함.

용접과 열처리가 가능함.

강도와 내압성이 좋은 재질을 가진 제품을 얻을 수 있음.

6. 셀 주형법

(1) 개요

소성가공과 특수금형의 종류 중 셀 주형법은 가열된 금형에 박리재인 규소 수지를 배합한 것을 소결시켜 조형된 셀을 이용한 주조법으로 CRONIND법 또는 C-PROCESS 라고도 함.

주물사는 순도가 높은 규사에 5% 정도의 열경화성 플라스틱을 혼합한 레진 모래를 사용하는 경우와 페놀을 규사 표면에 얇게 입힌 피복사를 사용하는 두 가지 경우가 있음.

(2) 특징

1) 장점

기계화에 의하여 대량생산이 가능함.

깨끗하고 정밀한 주물을 얻을 수 있음.

주형에 수분이 없으며 핀홀의 발생이 없음.

통기 불량에 의한 주물 결함이 없음.

숙련공이 필요 없음.

2) 단점

금형이 고가임.

주물의 크기에 제한이 있음.

소량생산에는 부적합함.

(3) 셀 주형법의 공정

① 금속 모형을 가열. (150 ~ 300℃)

② 이형제(실리콘 오일)를 분사하여 도포.

③ 정반에 DUMP 상자를 고정.

④ 레진 모래를 덮고 일정 시간 유지.

⑤ 미경화 레진 모래를 분리.

⑥ 경화 셀을 가열(300 ~ 350℃) 하여 완전히 경화.

⑦ 셀형 압출 핀으로 금형과 분리.

⑧ 셀형을 조립하여 주형을 완성.(2개의 셀을 결합)

7. 인베스트먼트 주조법

(1) 개요

인베스트먼트 주조법은 LOST WAX PROCESS라고도 하며 치수 정밀도 및 표면의 평활도 면에서 가장 우수한 정밀주조법임.

제작하려는 주물과 동일한 모형을 왁스 또는 파라핀 등으로 만들어 주형재에 매몰하고 가열하여 모형을 제거한 후 중공의 주형을 완성하여 주조하는 방법임.

(2) 특징

1) 장점

주물의 표면이 깨끗함.

복잡한 구조의 주형 제작에 적합함.

정확한 치수 정밀도를 가짐.

2) 단점

주물의 크기에 제한이 있음.

주형 제작비가 고가임.

모형은 반복 사용이 불가능함.

(3) 주형 제작 공정

① 모형 제작용 금형의 제작.

② 왁스 모형을 제작하기 위해서 금형의 용해 왁스를 압입•응고시킴.

③ 내화재 피복.

④ 모형에 모래 도포 및 실온 건조.

⑤ 주형재를 진동 충전.

⑥ 왁스를 주형에서 가열(200℃) 유출시킴.

⑦ 2차 가열(900℃) 하여 주형을 경화시킴.

⑧ 용융 금속을 주입하여 제품을 완성.

(4) 유사 인베스트먼트 주조법

1) 쇼 주조법

(가) 개요

쇼 주조법은 내화재와 가수분해된 에틸 실리케이트 및 젤리제의 혼합물을 모형에 부어 피복시킨 후 모형을 뽑아내면 탄성에 의해 주형은 원상으로 돌아감.

주형을 약 1,000℃로 가열•경화시키면 미세한 균열이 발생되어 통기성이 좋아지고 건조할 때  발생하는 주형의 수축을 방지할 수 있음.

(나) 특징

대형 주물에 적합함.

정밀 주조가 가능함.

통기성이 양호함.

(다) 용도

각종 기어류, 라이너 등의 정밀 주조품, 각종 금형 제작에 이용됨.

2) 소실 모형 주조법(FULL MOLD PROCESS)

(가) 개요

소실 모형 주조법은 소모성 모형인 발포성 폴리스티렌 모형을 사용하는 방법으로 재료는 절단과 접합이 용이하므로 몇 개의 단순한 형상을 조합하여 복잡한 모양의 모형을 만들 수 있음.

조형 후 모형을 주형에서 빼내지 않고 주물사 중에 묻힌 상태에서 용융 금속을 주입하면 그 열에 의해서 모형은 소실되고 그 자리에 용융 금속이 채워져서 주물을 만듦.

(나) 특징

모형을 분할할 필요가 없어 복잡한 형상의 주물 제작이 가능.

모형을 빼내지 않으며 모형의 기울기나 코어가 필요 없음.

모형의 제조나 가공이 용이함.

작업공정이 단축되어 제조원가가 절감됨.

3) 마그네틱 주조법

(가) 개요

마그네틱 주조법은 발포성 폴리스티렌으로 모형을 만들고 강철 입자로 매몰한 후 자력을 이용하여 강철 입자를 다져 주형을 만듦.

조형 후에 용융 금속을 주입하면 모형이 기화하여 소실되고 그 자리에 용융 금속이 채워져 응고됨.

주조 후 주형 상자를 해체하면 주형은 저절로 분리됨.

(나) 특징

조형이 빠르고 쉬움.

주형 재료가 간단하고 내구성을 가짐.

주물사의 처리 및 보관이 간단하고 통기성이 좋음.

조형비가 적게 듦.

 

이상으로  소성가공과 특수금형의 종류 연재를 마치고 다음에는 단조에 대한 연재를 시작할 예정입니다.