플라스틱 제품의 blooming 현상
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ABS에 난연제 중 DBDO를 넣으면 BLOOMING 현상이 일어 나는데요
일어나는 메카니즘에 대해 알고싶습니다.
문헌도 있음 좋구여.
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플라스틱 제품의 blooming 현상
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소성가공 | 생산기술 2004/05/10 08:24
http://blog.naver.com/samshin0/100002346100
소 성 가 공
서론
1장. 개요
1. 소성가공에 이용되는 성질
2. 응력과 변형률
3. 가공경화
2장. 단조
1. 단조에너지
2. 단조용 공구와 기계
3. 단조 작업
3장. 압연
1. 압연기
2. 열간압연과 냉간압연
4장.압출
1. 관의 압출
2. 압출기와 다이
3. 압출제품의 결함
5장. 인발
1. 인발기와 다이
2. 인발응력
3. 인발제품의 결함
6장. 제관
1. 이음매 있는 파이프
2. 이음매 없는 파이프
7장. 전조
1. 나사전조
2. 볼 및 원통 롤러 전조
3. 기어전조
4. 드릴 전조
5. 단붙이축 전조
8장. 프레스가공
1. 전단가공
2. 굽힘가공
3. 드로잉
4. 압축가공
5. 박판특수성형가공
9장. 고에너지 성형법
1. 폭발성형법
2. 방전성형법
3. 자력 성형법
4. 가스 성형법
10장. 가공 해석 기술
서 론
제조 기술에 대한 발전 과정을 살펴보면 모든 발전이 점진적인 과정을 거쳐 이루어졌다는 점이다. 제조 공정의 발전도 그 시대의 사회현상에 맞추어 하나 하나의 발전을 가져왔다. 이들 모든 생산 활동은 수세기 동안 숙련된 장인들의 손에 의하여 만들어졌다. 장인들의 계속적인 창안은 많은 제조 기술의 발전을 가져왔고 많은 제품을 생산하였다. 그러나 생산 규모는 가용한 동력의 제한을 받았다. 중세기에는 수력을 사용하였으나 사용 위치의 제한과 소요 동력의 한계로 요구되는 생산량 증가에 부응할 수는 없었다. 1789년 영국인 제임스 와트의 증기기관의 발명은 1차 산업혁명의 주요계기가 되었으며 19세기 중엽에는 작업자의 기능을 캠이나 레버와 같은 기계적 부품으로 대체시킨 기계가 출현하게 되었다. 세계 1, 2차 대전을 치르면서 많은 병기와 군수 물자의 다량 생산이 불가피하였으며 이에 맞추어 호환성 있는 부품을 제조하였다. 20세기 중반부터 출현하기 시작한 진공관과 트랜지스터의 출현은 제한된 정도의 재 프로그램을 할 수 있어 기계제어를 할 수 있는 기계가 등장하게 되었다. 컴퓨터의 출현은 지금까지 전혀 생각하지 못한 계산력과 고가 전자 트랜지스터의 출현 비용을 절감할 수 있는 장치를 제작하게 되었다.
지금까지의 기술한 제조 기술의 발전과정을 다음 표에 나타내었다.
시대
년도
주형 및 성형
비금속, 재료및공구, 공구재료
기계가공 접합제어
이집트:
BC3100
∼BC300
그리스:
BC1100
∼BC146
청동기시대
BC4000년전
동, 진흙, 목재, 금, 은, 동
등을 때려서 벤딩 및 단조
토기나 목재, 자연 섬유 사용
리벳팅
동 에머리를 이용한 쐐기, 인력 가공
BC4000
∼3000
정밀 주조(청동), 전단, 스탱핑으로 장신구 제작
유리 구슬, 유리용기, 제철 및 목공용 공구, 타발도끼
납접 및 경납땜
드릴링, 톱작업
BC3000
∼1000
철의 열간 단조, 철선의 인발
유리 프레스 성형, 그레이징, 쇠톱
도자용 회전판
단접 접착제(아교) 레버와 풀리 사용
BC1000
∼AD1
동전 스탬핑
유리성형 및 블로잉, 끌톱, 줄 목공용선반, 샌드페이퍼,
철강의 단접, 접합, 스크류 프레스, 크랭크 기구
AD0
∼AD1000
와이어 인발(아연, 강)
석기, 도자기, 베네치아 유리, 갑옷 에칭
단백질 접착제, 갑옷, 코이닝, 단조, 강제 검, 수차
산업혁명
AD1850
∼1930
AD1000
∼1500
용광로, 금속활자, 종, 주조, 신선(금은 가공)
크리스탈 유리, 이태리 도자기
풍차 구동, 수차 이용 햄머링, 콘넥팅 로드 플라이 휠 이용 기구
AD1500
∼1600
주철제 대포, 주석 접시, 영구 몰드 석 도판통, 압연(납)
보링, 선삭, 나사 절삭용 선반, 드릴링 머신, 휠 목공용 선반, 화폐 주조용 대판 압연기
AD1600
∼1700
구리와 아연으로부터 황동 제조(금, 은, 납) 압연, 형상 압연(납)
주조판유리
목제 수동 선반
AD1700
∼1800
가단 주철, 도가니 강압출(납 파이프) 딥 드로잉, 철 압연
창 유리, 전구, 고무 성형, 폴리에스터, 스티렌
형삭, 밀링, 층상 제조용 모방 선반, 피복 용접봉, 증기기관
AD1800
∼1900
원심주조, 몰딩 기계, 증기 햄머(석도판 압연) 레일 압연, 분말 야금, 연속압연
가황 처리 셀룰로이드, 고무압출 성형, 자동 병제조, 베이크라이트, 보론 실리케이트 유리
터렛 선반, 유니버셜 밀링, 비트리파이드 연삭 숫돌, 기계화, 증기 햄머, 고속도강
AD1900
∼1920
판재압연, 열간 압출, 텅스텐 와이어
플라스틱 개발, 주조 몰딩, PVC 셀룰로이드, 아세테이트, 유기섬유
대량 생산, 이송기계, 피복 용접봉, 초경 합금, 전기 모터 개발
AD1920
∼1950
다이캐스팅, 정밀 주조, 모래 주조, 강 압출가공으로 텅스텐 강 압출, 스웨징
PVC, 이크릭, PMMA, PE 폴리스테렌 나이론, 폴리에스터, 트랜스퍼 몰딩, 포밍, 감광유리
서브머지드 아크 용접, 구조물, 접착제
우주시대
AD1950
∼1969
세라믹 주형, 구상 주철, 반도체, 연속 주조, 냉간 압축, 폭발 성형, 열기계적 처리, 스퀴즈 캐스팅, 단결정, 터빈 브레이드, 정수압 압출. 전자 성형
ABS, 실리콘, 불화 탄소, 폴리우레탄, 경량 유리, 열처리 유리, 유리 세라믹, 아세탈, 플라스틱 냉간 성형, 강화 플라스틱, 필러먼트 와인딩
불황성 기계 금속 아크 용접, 불활성 기계 텅스텐 아크 용접, 일렉트로 슬래그 용접, 폭발 용접, 플라스마 아크, 전자빔, 접착
전기 및 화학 절삭, 자동 제어
AD1970
∼1980
진공 주조, 기체 결합 사형, 항공기 구조물용 대형 알루미늄 주조, 금속 응고 기술, 정밀 단조, 초소성 성형, 해석적 방법으로 금형의 설계
큐빅 보론 질화물, 복합재료, 광섬유, 구조용 세라믹, 자동차 및 항공기 엔진용 세라믹 부품의 출현
레이져 빔, 확산 접합(초소성 성형과 복합) 컴퓨터 통합 가공, 적응 제어, 산업용 로봇, 유연 가공 시스템, 무인 공장
1장. 개요
재료에 어느 한계의 외력을 가하여 변형한 후 외력을 제거하면 원형으로 돌아간다. 이 때 원형으로 돌아가는 성질을 탄성(彈性; elasticity), 그 변형을 탄성변형(彈性變形; elastic deformation)이라 하며, 그 물체를 탄성체(彈性體; elastic body)라 한다. 외력을 어느 정도 이상으로 크게하면 재료가 항복(降伏; yield)하여 외력을 제거하여도 완전히 원형으로 돌아가지 않고 영구변형으로 남아있는 성질, 즉 재료를 파괴시키지 않고 영구히 변형시킬 수 있는 성질을 소성(塑性; plasticity), 그 변형을 소성변형(塑性變形; plastic deformation)이라 한다. 이와 같은 재료의 소성을 이용하여 가공하는 것을 소성가공(塑性加工; plastic working)이라 하며, chip을 생성하지 않는 주조, 용접에 이어 비절삭가공의 일종이다. 소성가공으로 재료를 변형시켜 목적하는 형상과 치수를 얻을 수 있고, 재료의 성질도 변화 시킬 수 있다. 일반적으로 비금속재료에 비하여 금속재료의 소성이 아주 크고, 기계재료로 금속이 주로 사용 되므로 본 편에서는 금속재료의 소성가공을 취급키로 한다.
소성변형은 변형 과정이 아주 복잡하기 때문에 이론적으로 해석하는 것이 어렵거나 불가능한 경우가 많다. 따라서 많은 가정 하에서 소성변형을 이론적으로 해석하고, 소성변형의 개략을 파악하거나 최근 발달된 컴퓨터를 이용한 가상해석(virtual simulation)을 이용하여 소성가공 공정을 해석하기도 한다. 앞에서 언급한 소성가공의 목적은 다음과 같이 정리할 수 있다.
1. 금속재료를 소요 목적의 형태로 변형시킨다.
2. 금속재료의 조대(粗大)한 결정입자(結晶粒子)를 균일하고 미세하게 하여 재질을 개선한다.
소성변형 방법에 따른 주요 소성가공을 들면 다음과 같다.
1. 단조(鍛造; forging): 금속재료를 헤머(hammer) 또는 프레스(press) 등으로 압축력 또는 충격력을 가하는 가공이다.
2. 압연(壓延; rolling): 금속재료를 회전하는 롤러(roller) 사이에 넣어 가압함으로써 두께 또는 단면적을 감소시켜 길이방향으로 늘리는 가공이다.
3. 압출(押出; extrusion): 각종 단면재(斷面材) 및 관재(管材)를 얻기 위하여 소성이 큰 상태의 재료를 틀(container)에 넣고 강력한 압력으로 다이(die)를 통하여 밀어내는 가공이다.
4. 인발(引拔; drawing): 테이퍼(taper) 형상의 구멍을 갖인 다이(die)를 통하여 소재를 인발(引拔; drawing) 하므로써 *선(線) , 봉(棒) 및 관(管)을 얻는 가공이다.
[1] 소성가공에 이용되는 성질
소성가공에 이용되는 소성에는 가단성(可鍛性; forgeability), 연성(延性; ductility), 전성(展性; ductility) 등이 있으며, 이들 성질은 상호 의존성이 있고, 중복되기도 한다. 동일 금속에서도 온도 및 가공속도 등에 따라 이들 성질의 절대값이나 상호 의존성이 달라 진다.
(1) 가단성 또는 전성(可鍛性, 展性 ; forgeability):
헤머(hammer)나 프레스(press) 등으로 금속을 내려치거나 누를 때 파괴되지 않고 영구변형되는 성질로서, 상온에서 헤머가공의 경우 가단성이 좋은 것부터 나열하면 Au, Ag, Al, Cu, Sn, Pt, Pb, Zn, Fe, Ni 등의 순이고, 압연기(壓延機)에서 상온가공(常溫加工)할 때 가단성이 좋은 것부터 나열하면 Pb, Sn, Au, Ag, Al, Cu, Pt, Fe 등과 같다.
(2) 연성(延性; ductility):
금속선을 뽑을 때 항복점을 지나 파단에 이르기까지 길이 방향으로 늘어나는 성질이며, 연성이 큰 금속부터 나열하면 Au, Pt, Ag, Fe, Cu, Al, Ni, Zn, Sn, Pb 등의 순이다. 연성의 크기는 연신율 또는 단면수축율로 표시한다.
[2] 응력(應力; stress)과 변형률(變形率; strain)
단면적 Ao인 시편에 하중 P를 작용시키면 공칭응력(公稱應力; nominal stress)
sigma_n
은 다음과 같다.
sigma_n = P
over A_0
변형 중의 임의 단면적을 A라 하면 진응력(眞應力; true stress)
sigma_t
는 다음과 같다.
sigma_t = P
over A
표점거리(標點距離)를 Lo, 인장된 상태의 거리를 L 이라 하면 공칭변형률(公稱變形率; nominal strain)
epsilon_n
은 다음과 같다.
epsilon_n =(L - L_0 ) / L_0 =L/ L_0 - 1
L/ L_0 = 1 + epsilon_n
어느 순간의 변형률은 dL/L이고, Ludwik가 제안한 진변형률(眞變形率; true strain)은 다음과 같다.
epsilon_t =ln(L/ L_0 ) = ln(1+ epsilon_n )
epsilon_t
를 진변형률(眞變形率; true strain), 대수변형률(對數變形率; logarithmic strain) 또는 자연변형률(自然變形率; natural strain)이라 하며, 공칭변형률보다 크다는 것을 알 수 있다.
[3] 가공경화(加工硬化; work hardening)
보통금속은 수많은 작은 입자(粒子)로 되어 있으며, 외력을 받아 소성변형할 때 입자들 간에 slip이 생긴다. 변형이 진행되어 감에 따라 slip에 대한 저항력이 증가하여 변형시키는데 보다 큰 외력이 필요하다. 이와 같이 재료를 변형시키는데 변형저항이 증가하는 현상을 가공경화라 한다.
시편에 외력 P를 작용시켜 시편의 임의 단계의 단면적 A에 대한 진응력(眞應力)은
sigma_t = P over A
이며, 상온에서는 변형속도의 영향이 적고, 근사적으로 다음 식을 이용한다.
sigma_t = c times epsilon_t ^n
단
epsilon_t
: 대수변형도=ln(Ao/A)=ln(1+ epsilon_t ), c: 소성계수, n: 가공경화지수
n=0은 가공물이 가공경화되지 않는 것을 의미하며, 이 때 가공물은 완전소성상태에 있다고 말할 수 있다. 냉간가공에서 전가공(前加工)의 strain을
epsilon_{t`1}
그 후 가공의 strain을
epsilon_{t`2}
라 하면 일반 경화식은 다음과 같다.
sigma_t = c times ( epsilon_{t`1} + epsilon_{t`2} )^n
2장. 단조
단조(鍛造; forging)란 금속을 소성유동(塑性流動)이 잘 되는 상태에서 압축력이나 충격력을 가하여 단련(鍛鍊)하는 것이며, 일반적으로 금속은 고온에서 소성이 크므로 단조할 때는 고온으로 가열한다. 작은 규모에서는 손 헤머(hand hammer)와 엔빌(anvil)로 단조할 수 있으나, 현대에는 동력 헤머(hammer), 프레스(press) 및 다이(die) 등의 장비를 이용하는 것이 보통이다. 연속된 판 및 단면재를 만들어 내는 압연(rolling)과는 달리 단조에서는 개개의 제품을 만들며, 단조에서는 금속유동과 결정립 구조를 조정할 수 있기 때문에 강도와 인성이 큰 제품을 얻을 수 있는 것이 특징이다.
단조에는 단조물의 크기에 따라 대물단조(大物鍛造)와 소물단조(小物鍛造)가 있으며, 단조기계에 따라 프레스 단조와 헤머 단조, 단조온도에 따라 열간단조(熱間鍛造)와 냉간단조(冷間鍛造), 단조형에 따라 자유단조(自由鍛造)와 형단조(型鍛造) 등이 있다.
[1] 단조 에너지
단조물이 변형할 때 자유단조에서는 소재가 유동할 때 가압면과 마찰을 하고, 형단조에서는 소재가 형(型; die) 내에서 가압면 및 형의 벽과 마찰을 하면서 유동하나, 기계공작법의 수준에서는 전자인 자유단조에서 4각주(四角柱) 또는 원주(圓柱)를 단조할 때 소재와 가압면간에 마찰이 없는것으로 가정하고 단조 에너지를 구해본다. 그림과 같이 각 변이 ho, lo, bo인 4각주를 압축하는 경우를 생각한다.
dh를 변형시키는데 요하는 에너지 dE는 다음과 같다.
dE = P times dh=( P times V times dh)/(A times h)=V times P/A times dh/h
단, A: 임의 단면적, V: 체적, h: 임의 높이 소재를 비압축성 재료로 생각하면(실제에서 체적 변화는 무시할 수 있을 정도로 적다)
V= A times h = A_0 times h_0 = A_1 times h_1
와 같이 쓸 수 있다. 변형 중 소재의 압축저항
K_f
가 일정하다면 위 식에서 P/A를
K_f
로 대치할 수 있고,
K_f
에 저항하면서 높이 dh만큼 감소하므로 위 식은 다음과 같이 쓸 수 있다.
dE = - V K_f dh over h
E= V K_fm integral from h_o to h_1 dh over h = V K_fm ln h_o over h_1
[2] 단조용 공구와 기계
단조용 공구
(1) 엔빌(anvil):
그림과 같은 형상을 하고 있으며, 단조시 받임대로 사용되고, 연강(軟鋼)의 표면에 경강(硬鋼)을 단접하거나 주강(鑄鋼)이 많이 사용된다. 엔빌(anvil)의 용량은 작은 것으로는 70kg 정도, 큰것으로는 250kg 정도가 있다.
(2) 정반(定盤; surface plate):
아래 사진과 같은 형상의 주물로 된 테이블로서, 금긋기 및 측정의 기준대로 각종 측정기와 함께 사용된다.
(3) 이형공대(異形孔臺; swage block):
사진과 같이 크고 작은 홈과 구멍이 있는 블럭으로서, 단조물의 형상을 변형시킬 때 받참대로 사용하거나, 가공물을 구멍에 넣어 구부릴때 등의 용도에 사용된다. 크기는 300 ~ 350mm角이다.
(4) 헤머(hammer):
헤머(hammer)에는 1/4 ~ 1kg 정도의 손 헤머(hand hammer)와 3 ~ 10kg 정도의 대메(sledge hammer)가 있으며, 재질은 경강(硬鋼)이 많고, 두부(頭部)는 열처리하여 경화한다.
(5) 집게(tong):
단조물을 집어 노에 넣거나 꺼낼 때, 또는 단조할 때 가열물을 잡기 위하여 사용되며, 사용 목적에 따라 그 형상과 크기를 정하여 제작한다.
(6) 다듬개:
단조물의 표면에 대고 다듬기하는 공구로서 다듬면의 형상에 따라 평면 및 곡면 다듬기용이 있다.
(7) 정(chisel):
금속재료를 절단하거나, 부분적으로 깍아낼 때 사용되는 공구로서, 절인이 직선인 것과 곡선인 것이 있다.
(8) 단조용 탭(tap):
단조재에 원형, 4각형, 6각형 등의 단면을 얻는데 사용되는 공구이다.
(9) 단조용 측정기구:
고온의 단조물을 측정하기 위하여 그림과 같이 손잡이를 길게 제작하여 사용한다.
[3] 단조작업
앞에서 언급한 바와 같이 단조에는 단조형(鍛造型)에 따라 자유단조(自由鍛造, open forging)와 형단조(型鍛造, die forging)가 있으며, 본서에서는 이들의 기본작업에 대하여 설명한다.
(1) 자유단조(自由鍛造):
가공물에 압력을 가할 때 가압력의 방향과 직각인 방향으로의 금속유동에 구속을 주지않는 단조를 자유단조라 하며, 주로 小形物이 많고, 단조 후에 기계가공을 하는 경우가 많다.
늘리기(drawing)는 그림과 같이 단면적을 감소시키고 길이 방향으로 늘리는 단조작업이다.
축(軸)박기(upsetting, upset forging, heading)는 그림과 같이 축방향으로 압축하여 단면을 크게하고 길이를 짧게하는 단조로서, 자유단의 길이를
l_0 , 단면적을 A_0
라 하고 업세팅(upsetting)후의 길이를
l_1 , 단면적을 A_1 이라 하면
l_0 times A_0 = l_1 times A_1
에서 단조비(鍛造比; forging ratio)는 다음과 같다.
R= l_1 / l_0 =A_0 / A_1 = d_0 ^2 / d_1 ^2
위 그림(a)에서는
l_0
(b)에서는
l_0
까지 가능하다. 이 이상에서는 좌굴현상(座屈現狀; buckling)이 나타날 염려가 있다.
굽히기(bending)할 때 외측은 연신되고, 내측은 압축되며, 그림 (d)에서와 같이 응력과 인장 및 압축이 없는 중립면은 내측으로 이동한다. 굽힘 부위가 얇아지는 것을 피하기 위하여는 그림(g)와 같이 덧살을 붙이고 굽힘가공한다.
단짓기(setting down)는 그림과 같이 예리한 정으로 단면적을 급변시켜 단을 짓는 작업이다.
구멍뚫기(punching)는 그림과 같이 펀치(punch)를 대고 타격을 가하거나, 구멍이 큰 경우에는 엔빌(anvil)의 혼(horn)부에 끼우고 확대한다.
비틀기(twisting)할 때 그림(a)의 중심부에서는 높이의 변화가 없고, 외주에서는 약간 낮아진다. 외부는 인장응력, 내부는 압축응력을 받게 되며, 장력(張力)이 과대하면 균열이 생긴다. 그림 (b)는 양단(兩端)이 평면을 유지하도록 고정한 상태에서 비트는 경우이며, 높이는 균등하게 변하나, 외부는 인장응력, 내부는 압축응력이 발생한다.
rotary swaging은 주축과 함께 다이(die)를 회전시켜 형에 타격을 가하여 단조하는 것이며, 그림 (a)는 형이 2개인 경우이고, 그림 (b)는 형이 4개인 경우이다. rotary swaging에서는 형과 헤머가 회전하면서 헤머 머리(頭)가 롤러에 접할 때 다이를 타격한다. 헤머가 롤러와 롤러 사이에 있을 때는 원심력에 의하여 형이 열리고, 이 때 소재가 공급된다.
ram end forming은 성형 다이(die)를 가공물 안 또는 밖에 직선적으로 압입하는 가공으로서, 다이 또는 가공물이 회전하지 않으므로 비대칭적이거나 복잡한 단면재의 가공도 가능하며, 그림과 같이 관재의 가공에서는 내외부를 동시에 가공할 수 있다.
압연단조(壓延鍛造; roll forging)는 그림과 같이 맞물고 회전하는 롤(roll) 사이에서 가공물을 단조하는 것으로서, 롤(roll)의 홈 또는 돌기를 이용하여 소정의 단면 형상을 갖는 단조물을 얻을 수 있으며, 차축(車軸; axle) 및 leaf spring 등을 제작할 수 있다.
탭작업(tapping)은 그림과 같이 탭(tap)을 이용하여 소재의 단면을 소정의 단면으로 가공하는 것을 탭작업이라 한다.
절단(切斷; cutting-off)에는 기계톱 또는 절단기를 사용하는 경우가 많으나, 단조작업 중 고온의 소형재를 절단할 때에는 그림과 같이 정을 사용한다.
(2) 형단조(型鍛造):
압축에 의한 금속의 유동이 형(型; die) 내에서만 행하여지며, 여분의 금속은 형의 접합면 사이에 핀(fin)으로 유출된다. 절삭가공, 또는 자유단조 후 절삭가공에 의한 제품에 비하여 조직이 미세하고 강도가 크다. 스패너(spanner), 크랭크 축(crank shaft), 커넥팅 로드(connecting rod), 차축 등이 형단조에 의하여 제작된다.
3장. 압연(壓延)
금속재료를 회전하는 롤러(roller)사이에 넣어 가압함으로써 두께 또는 단면적을 감소시켜 길이방향으로 늘리는 가공을 압연(壓延; rolling)이라 한다. 작업온도에 따라 열간압연(熱間壓延; hot rolling)과 냉간압연(冷間壓延; cold rolling)이 있으며, 열간압연에서는 재료를 고온으로 가공한 후 행해지므로 가공물의 소성이 크므로 압연동력이 적게 소비되고, 변형을 크게 할 수 있는데 반하여, 냉간압연에서는 상온 상태에서 행해지므로 동력 소비는 크나 정밀한 완성가공을 할 수 있고, 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.
압연에 의하여 금속의 주조조직(鑄造組織)을 파괴하고, 내부의 기공(氣孔)을 압착(壓着)하여 균질하게 하며, 아래 그림은 압연조직을 보여준다.
[1] 압연기(壓延機)
압연기는 분류기준에 따라 다음과 같이 분류된다.
1. 작업온도에 따라
열간압연기
냉간압연기
2. 제품에 따라
분괴압연기(blooming mill)
빌렛압연기 (billet mill)
슬랩압연기(slab mill)
sheet bar 압연기(sheet bar mill)
sheet 압연기(sheet mill)
3. 롤(roll)의 수 및 회전방향에 따라
비가역 2단압연기(two-high nonreversing mill)
가역 2단압연기(two-high reversing mill)
3단압연기(three-high mill)
4단압연기(four-high mill)
특수압연기
실제에는 롤(roll)수와 회전방향에 따른 분류가 보통이기 때문에 이 기준에 의한 분류로서 각각의 특징을 설명코자 한다. 그림 (a)는 비가역 2단압연기로서, 지름이 같은 2개의 롤을 1쌍으로 하여 한쪽 방향으로만 압연한다. 재압연을 위하여는 소재를 운반하여야 하는 불편이 있다. 그림 (b)는 가역 2단압연기로서, (a)와 비슷하나 롤을 역전시킬 수 있기 때문에 재압연시 소재를 운반할 필요없다. 그림 (c)는 3단압연기로서, 중간 롤이 구동하고, 상하의 롤은 마찰에 의하여 구동하며, 동시에 2단압연기 2대의 기능을 한다. 그림 (d)는 4단압연기로서, 소재와 접촉하는 롤의 지름이 작고, 외측에 보강 롤이 있다. 롤의 지름이 작으면 압연압력이 크게되어 소성이 적어 압연이 어려운 소재의 압연에 사용된다. 그림 (e)는 20단압연기의 예이다.
[2] 열간압연(熱間壓延)과 냉간압연(冷間壓延)
분괴압연을 비롯한 많은 변형을 요하는 작업에서는 열간작업을 하며, 상대적으로 잔류응력이 적으나, 표면이 거칠고 정밀한 치수가 얻어지지 않는다. 반면에 냉간압연에서는 제품의 기계적 강도가 향상되고, 표면이 고우며, 치수가 정확하고, 주로 박판(薄板) 및 대강(帶鋼) 등에 사용된다. 그러나 냉간압연에는 소요동력이 크고, 내부응력이 커지며, 가공경화(加工硬化; work hardening)에 의한 취성(脆性; brittleness)을 동반하므로 냉간압연재를 딥 드로잉(deep drawing)이나 굽힘(bending)에 사용할 때는 풀림(燒鈍; annealing)처리를 하여 내부응력을 제거하고 연화시켜야 한다.
4장. 압출(押出; extrusion)
Al, Cu, Mg, Pb 등 및 그 합금의 각종 단면재(斷面材), 관재(管材)를 얻을 때 소성이 큰 상태에서 빌렛(billet)을 틀(container, chamber)에 넣고 유압 또는 충격으로 램(ram)에 강력한 압력을 작용시켜 다이(die)를 통하여 밀어내는 가공을 압출(押出; extrusion) 또는 압출가공이라 한다. 압출이 되는 동안 다이(die)의 형상과 크기가 정해져 있으므로 제품의 단면은 일정하며, 거의 모든 단면재의 압출이 가능하다. 압출이 전에는 연질금속에 한정되었으나, 최근에는 각종 강재(鋼材) 및 특수강(特殊鋼)에도 적용한다. 압출은 큰 압력을 필요로 하므로 일반적으로 열간에서 행한다. 압출 제품의 특징을 들면 다음과 같다.
1. 대형의 주괴를 수차에 걸쳐 압연할 것을 1회의 압출로 얻을 수 있다.
2. 압연제품에 비하여 (강도/비중)이 크다.
3. 절삭성이 양호하다.
4. 표면의 정도가 높다.
5. 측면의 내외부에 리브(rib)를 둘 수 있다.
램(ram)의 진행방향과 압출재의 유동방향에 따라서 직접압출(直接押出; direct extrusion)과 간접압출(間接押出; indirect extrusion)이 있다. 직접압출은 그림 (a)와 같이 램의 진행방향과 압출재의 유동방향이 같은 경우로서, 틀(container)내의 빌렛(billet)이 전부 동시에 이동하기 때문에 틀(container)벽과 빌렛(billet)사이에 마찰에 의한 동력이 램의 진행방향과 압출재의 유동방향이 반대인 간접압출에 비하여 크며, 압출시 직접압출에서는 20 ~ 30%의 빌렛이 틀(container)에 잔류하나 간접압출에서는 10% 정도까지 줄일 수 있다. 직접압출을 전방압출(前方押出; forward extrusion), 간접압출을 후방압출(後方押出; backward extrusion)이라고도 한다.
[1] 관(管; pipe)의 압출
관제품을 얻는 압출에는 복동 프레스에서 아래 그림(a)에서와 같이 심봉(心棒; mandrel)이 먼저 작동하여 천공(穿孔; piercing)을 하고 압출하는 방법, 그림(b)와 같이 단동 프레스에서 심봉과 램이 동시에 작동하여 천공하고 압출하는 방법, 고압에서 접합이 잘 되는 Al 및 Mg 등에는 그림(c)와 같이 spider mandrel을 사용하여 다이(die)의 출구부에서 접합되게 하는 방법 및 주조 또는 기계가공에서 구멍을 낸 빌렛(billet)을 사용하여 압출하는 방법이 있으며, spider mandrel을 사용하는 압출에서는 윤활제는 접합을 방해하므로 윤활제를 사용할 수 없으며, 주조 또는 기계가공으로 구멍을 낸 것을 압출하면 구멍벽에 있는 산화막이 혼입될 수 있는 단점이 있다. 관재압출에서는 다이(die)와 주축(mandrel)의 동심을 유지하는 것이 중요하다
[2] 압출기와 die
압출기는 1000 ~ 4000ton 정도가 보통이고, 큰 것은 15000ton에 달하는 강력한 구조로 되어 있으며, 가장 중요한 부분은 틀(container), 램(ram), 다이(die)등이다. 동력은 유압식 프레스, 토글 프레스(toggle press), 크랭크 프레스(crank press) 등이 제공하고, 다이(die)는 강도, 내열 및 내마모성이 큰 W 강, Cr-Mo 강, W-Cr 강으로 되어 있다. 다이구멍은 제품 지름이 25 ~ 65mm의 봉일 때에는 봉 지름의 0.94배, 25mm 이상일 때에는 0.97배로하는 등 제품의 치수보다 다소 작게한다. 정형부(整形部; bearing)의 길이를 짧게하면 소재와 정형부간의 마찰이 적기 때문에 동력은 적게 소모되나, 정형부의 마모가 커져 수명이 짧게 된다. 정형부를 길게하면 정형부의 수명이 커지고 제품의 치수가 정확하나, 동력 소비가 많다. container의 liner는 외측에 여러 겹으로 보강되어 있다.
[3] 압출제품의 결함
소재의 조건과 가공조건에 따라서 압출제품의 품질에 영향을 주는 결함이 생길 수 있다. 온도가 너무 높거나 압출속도 및 마찰이 크면 표면온도가 상승하여 표면에 균열(surface crack)과 뜻김(surface tear)이 발생할 수 있다. 표면균열은 온도가 낮을 때에도 생길 수 있는데, 이것은 다이에 소재가 주기적으로 응착하기 때문이다. 빌렛(billet) 길이의 2/3 정도가 압출된 후에는 빌렛 표면이 산화막과 함께 중심으로 유동되어 압출될 수 있어 내부에 결함이 생길 수 있으며, 이 때 생긴 구멍을 파이프 결함(pipe defect), 균열을 center crack이라 한다. 건전한 제품을 원할 때에는 압출 후 제품 길이의 1/3 정도는 절단해 내는 것이 좋다. 또는 이를 방지하기 위한 방법으로 다음의 조치를 한다.
1. 빌렛(billet)의 2/3 정도가 압출되었을 때 잔류재료를 제거한다.
2. 황동 등의 압출에서는 압출될 재료의 지름을 틀(container)의 지름보다 작게하여 산화피막이 있는 표면재료는 틀에 잔류케한다.
3. 압출 전에 빌렛(billet)표면을 기계가공하여 제거한다. 가열시 기계가공한 표면에 다시 산화막이 생기지 않도록 하여야 한다.
4. 압출온도, 마찰 및 압출속도가 너무 크면 표면 온도가 크게 상승하여 표면균열을 가져온다. 또는 온도가 너무 낮아도 표면균열을 초래한다. 특히 Al, Mg, Zn 등의 합금에서 많이 나타나는 현상들 이다. 선단(先端)은 압출압력이 상대적으로 낮은 상태에서 압출되어 다른 부분보다 강도가 낮으므로 큰 강도를 요하는 제품에서는 압출 후 처음에 압출된 부분은 절단해 내는 것이 좋다.
5장. 인발(引拔; drawing)
테이퍼(taper)형상의 구멍을 가진 다이(die)에 소재를 통과시켜 구멍의 최소 단면치수로 가공하는 것을 인발(引拔; drawing) 또는 인발가공이라 하며, 외력으로는 인발력이 작용하고, 다이(die) 벽면은 소재에 압축력을 작용시킨다. 봉(棒), 관(管), 선(線) 등의 반제품(半製品)은 압연 및 압출 등에 의하여 만들어지나 치수공차가 작은 단면재는 인발에 의한다. 인발은 보통 상온에서 행하고, 가공 중 변형에 의하여 많은 열이 발생한다. 인발에서는 주로 봉 및 선을 얻으며, 관도 인발하나 심봉(心棒; mandrel)을 사용하여 관의 지름과 벽 두께를 조정하는 경우와 심봉 없이 관의 직경만을 조정하는 경우가 있다.
[1] 인발기와 다이(die)
봉, 선, 관 등을 인발하는 원리는 같으나 소재나 제품의 형상 및 치수에 따라 드럼(drum)에 감을 수 없는 경우와 감을 수 있는 경우가 있다. 드럼(drum)에 감을 수 없는 경우에는 그림과 같은 인발기에서 가공한다. 다이에서 나온 인발제품을 턱(jaw)에 물고 체인(chain) 또는 유압장치에 의하여 50000 ~ 300000 lb의 인발력에 의하여 10 ~ 20m/min의 속도로 인발한다.
지름이 작은 신선(伸線; wire drawing)에서는 드럼(drum)에 감아 인장하며, 그림 (a)와 같은 단식신선기(單式伸線機; single wire drawing machine)와 그림 (b)와 같은 연속신선기(連續伸線機; continuous wire drawing machine)가 있다. 완성 제품의 지름이 1/4 in 이상일 때에는 단식신선기를 사용하고, 보다 작은 선을 얻고자할 때에는 연속신선기에서 완성 치수에 달할 때까지 신선한다. 다이의 매 통과당 단면감소율은 가는 선에 대하여 15 ~ 25%, 굵은 선에서는 20 ~ 50% 정도이다. 연강에서는 30%, 경강에서는 25% 정도이다. 신선속도는 강선에서 4m/sec, 황동선에서 5m/sec 정도이나, 최근에는 20 ~ 30m/sec 정도인 것도 있다.
[2] 인발응력
인발력은 다이(die)의 수명 및 인발제품의 품질에 영향을 미치며,
1. 소재의 지름을 감소시키는데 요하는 힘
2. 소재와 다이(die) 사이의 마찰을 이기는데 요하는 힘
3. 다이(die) 입구와 출구에서 표면층의 전단변형에 요하는 힘
로 구성되고, 인발력에 영향을 미치는 인자는 다음과 같다.
(1) 다이(die) 각:
그림 (a)의 실험 데이타에서 단면감소율을 일정하게 할 때 다이 각이 증가하면 전단변형이 증가하고 순변형에 요하는 응력은 일정하며, 외부 마찰응력은 감소하여 이들의 합인 인발응력의 최소값을 갖는 다이 각이 있음을 알 수 있다. 그림 (b)는 각 단면감소율에 대한 인발응력을 최소로 하는 최적 다이 각을 보여 준다.
(2) 마찰력:
마찰력
mu times P
가 작을수록 좋으며, 마찰계수
mu
는 다이(die) 벽면압력 P, 다이 내부의 표면상태, 윤활제 및 윤활방법 등에 따라 다르고, 그림은 윤활제에 대한 다이 벽면압력과 마찰계수와의 관계를 보인다.
(3) 단면감소율:
소재의 단면적을 A_0 , 인발 후의 것을 A_f 라 할 때
( A_0 - A_f )/ A_0
를 단면감소율이라 하고, 다이 각이 일정할 때 인발력은 단면감소율의 증가와 더불어 증가하며, 강봉에 대한 단면감소율은 10 ~ 30%, 비철금속봉에서는 15 ~ 30%, 강관에는 15 ~ 20%정도이다. 그림은 동선을 인발할 때의 단면감소율과 인발력의 관계를 보인다.
(4) 역장력(逆張力, back tension):
인발력과 반대방향으로 가하는 힘을 역장력이라 하며, 이를 가하면 다이(die)의 마찰력이 적어 다이의 수명이 커지고, 정확한 치수의 제품을 얻을 수 있다. 또한 역장력을 가하면 소재의 중심부와 외측부의 소성변형이 균등하게되고, 열발생이 적어지며, 제품에 잔류응력이 적다. 그림은 C가 0.44%인 강을
D_0 = 2.49mm,
D_f = 2.03mm의 조건에서 인발할 때의 역장력과 인발력의 관계이다. 그림에서 역장력이 커질 때 인발력도 증가하나 인발력에서 역장력을 감한 다이(die)의 추력(推力; thrust)은 감소함을 알 수 있다. 이는 다이 벽압력 P가 감소하는 것을 의미한다.
(5) 인발속도:
저속도 범위에서 인발속도가 증가하면 인발력이 급증하나, 속도가 어느 이상되면 인발력에 대한 속도의 영향은 적다. 조건에 따라 실용속도는 30 ~ 2500m/min이지만 고속에서는 열의 발생이 많다.
[3] 인발제품의 결함
인발제품의 결함에는 소재의 결함에서 오는 경우와 인발과정에서 오는 경우가 있으나, 여기에서는 후자에 대해서만 언급한다. pass 당 단면감소율이 1% 이하인 경우에는 축방향의 잔류응력은 표면에서 압축응력, 중심에서 인장응력이 발생하고, 반지름 방향의 잔류응력은 표면에서 0이고, 중심에서 인장응력이 발생한다. 원주의 것은 축방향의 것과 비슷하다.
단면감소율이 클 경우에는 위의 경우와 반대로 축방향과 원주방향의 잔류응력은 표면에서 인장응력, 중심에서 압축응력이 발생하고, 반지름 방향의 것은 중심에서 압축응력이 발생한다. 그림 (a)는 중심으로 부터 거리에 대한 잔류응력, 그림 (b)는 다이(die) 각과 단면감소율에 대한 잔류응력의 관계를 보인다.
6장. 제관(製管; pipe making)
관(管; pipe)은 주조, 용접, 압연, 압출 및 인발 등에 의해서 만들거나, 만들 때 이들 중 한 과정을 거칠수 있다. 따라서 각 해당 제조법에서 제관법을 부분적으로 취급하여으나 제관법에 대한 종합적 지식을 얻는데에 도움을 주기 위하여 제관법의 종류를 소개한다.
관의 제조법
1. 이음매 없는 파이프(seamless pipe)
천공법(穿孔法; piercing process)
만네스만 압연천공법(Mannesmann piercing process)
압출법(extrusion process)
원심주조법(centrifugal casting)
2. 이음매 있는 파이프(seamed pipe)
용접법
관은 재질에 따라 강관, 동관 등이 있고, 이음매의 유무에 따라 이음매 없는 파이프(seamless pipe)와 이음매 있는 파이프(seamed pipe), 단면형상 따라 원형관, 4각관 등, 용도에 따라 도관(導管; conduit), 배관(配管; line pipe), 압력관(壓力管; pressure pipe), 구조용관(構造用管; structual pipe), 구동관(驅動管; drive pipe), 관주(管柱; tubular pole) 등이 있다.
[1] 이음매 없는 파이프(seamless pipe)
(1) 만네스만 압연천공법(Mannesmann piercing process):
그림 (a), (b)에서 보는 바와 같이 재료를 압축하면서 회전시키면 중심부에 균열이 생기는 것을 흔히 볼 수 있을 것이다. 그림 (c)에서와 같이 롤러(roller)이 수평에 대하여 5 ~ 10o 정도 경사되어 있으며, 중앙부는 25mm 정도가 동일 지름으로써 평탄부를 이룬다. 두 롤(roll)은 수평면 상에서 서로 6 ~ 12o 정도 교차되어 있어 billet이 회전운동과 직선운동을 하게 된다. 이 때 2개의 roll의 회전방향은 같고, 빌렛(billet)은 반대 방향으로 회전한다. 그림 (d)에서 롤(roll) 표면의 접선력(마찰력) F의 분력인 F * cos α에 의하여 가공물인 빌렛(billet)이 회전하게 되고, 분력 F * sin α 의하여 가공물이 전진운동을 한다. 롤(roll)의 중앙부로 갈수록 지름이 크기 때문에 가공물은 심한 비틀림을 받아 표면이 인장되는데 지름의 감소만으로는 보충할 수 없으므로 가공물 중심의 재료가 유동하게 된다. 가공물이 롤(roll) 사이에서 이탈되지 않도록 가이드(guide)가 설치되어 있다. 롤(roll)의 주속은 75 ~ 900mm/min 정도이며, 소재의 가열온도는 1250℃ 정도로서 열간가공이다.
[2] 이음매 있는 파이프(seamed pipe)
노(爐)를 통과시켜 1400℃로 가열된 강 strip을 롤(roll)로 성형하고 단접 롤러로 단접하는 방법과 상온에서 성형하고 접합부를 전기용접하는 경우가 있다. 전기용접 중에는 submerged arc 용접, 전기저항용접 등이 사용된다.
7장. 전조(轉造; form rolling)
소재나 공구(roller) 또는 양자를 회전시켜 소재에 공구의 표면형상을 각인(刻印)하는 일종의 특수압연이라 볼 수 있는 가공을 전조 또는 전조가공이라 한다. 전조는 냉간가공으로서 로 제조되는 것에는 원통 롤러(roller), 볼(ball), 링(ring), 나사, 기어(gear), 스플라인(spline) 축, 냉각 핀(fin)이 붙은 관 등을 들 수 있다. 아래 그림은 절삭가공에 의한 제품과 전조에 의한 것의 섬유상태를 비교한 것이며, 전조의 특징을 열거하면 다음과 같다.
1. 압연이나 압출등에서 생긴 소재의 섬유가 절단되지않기 때문에 제품의 강도가 크다.
2. 소재와 공구가 국부적으로 접촉하기때문에 비교적 작은 가공력으로 가공할 수 있다.
3. 칩(chip)이 생성되지 않으므로 소재의 이용률이 높다.
4. 소성변형에 의하여 제품이 가공경화되고, 조직이 치밀하게되어 기계적 강도가 크다.
[1] 나사전조(螺絲轉造; thread rolling):
제작하고자 하는 나사의 형상과 피치(pitch)가 같은 다이(die)에 나사의 유효지름과 거의 같은 소재를 넣고 다이를 통하여 소재에 압력을 가하면서 소재를 회전시켜 나사를 만든다. 나사전조기에는 평(平) 다이 전조기, 롤러 다이 전조기, rotary planetary 전조기 등이 있다.
평 다이(die) 전조기는 그림과 같이 다이(die) 중 1개는 고정하고 다른 1개는 직선운동을 하면서 1회의 행정으로 나사를 완성한다. 전조 때의 하중은 다이 면에 수직성분, 회전방항 성분인 접선력, 나사 축방향의 성분으로 되어 있다. 다이에는 성형부와 다듬질부가 있으며, 다듬질부의 최소길이는 나사의 1/2회전 길이인 (유효경에 대한 원주)/2로 한다.
롤러 다이(roller die) 전조기는 그림 (a)와 같이 2개의 롤러 다이로 되어 있으며, 2축은 평행하고 그 중 1개는 위치가 고정되고 다른 1개는 이동할 수 있게 되어 가압하면서 다이와 소재가 회전한다. 그림 (b)는 나사 지름에 대한 전조력을 보여주는 예이다. 3개의 롤러(roller)를 사용하는 경우도 있는데 소재의 위치는 안정되나 정밀도는 2개로된 전조기에서보다 떨어진다.
rotary planetary 전조기는 그림과 같이 segment die를 고정시키고 원형 다이를 회전시켜 자동으로 끌려 들어가는 소재가 출구에서 나사가 가공되어 나온다. 크랭크 운동에 의한 평 다이에서는 가공을 하지 않는 귀환행정(歸還行程; return stroke)이 있으나, rotary planetary 전조기에서는 그와 같은 공회전이 없어 생산능률이 높다.
차동식(差動式) 전조기는 2개의 원형 다이를 동일 방향으로 회전시키며 소재를 다이의 원주속도차의 1/2의 속도로 접선방향에서 공급하여 다이의 최소 간격을 통과할 때 나사가공이 완성된다.
[2] 볼(ball) 및 원통 롤러(roller) 전조:
볼(ball) 전조는 그림 (a)와 같이 2개의 다이 롤러(die roller)가 동일 평면상에 있지 않고 서로 교차되어 있어 소재를 가압하면서 이송시킨다. 다이 홈은 볼을 형성하고 산은 소재를 들어가게 하여 최후에는 절단한다. 강구(鋼球)는 800 ~ 1000oC에서 전조한다. 그림 (b)는 전조가공이 아니지만 볼(ball)을 가공하는 다른 방법인 업세팅(upsetting)이 있다는 것을 겸해서 소개한다. 업세팅에 의한 제조에서는 밀려나오는 flash가 너무 크지 않도록 하여야 하며, 이 볼(ball)을 베어링(bearing)에 사용하기 위하여는 연삭다듬질 또는 연마(polishing) 등을 한다.
원통 롤러(roller) 전조에서는 그림과 같이 다이인 롤러를 상호 평행하게 하며, 1개의 롤러에만 필요한 돌기를 나선형으로 만든 전조기를 사용한다.
[3] 기어(gear) 전조:
기어(gear) 전조는 치형(齒形)과 치폭(齒幅)이 작은 것에 많이 이용되며, 전조방식에는 랙 다이(rack die), 피니언 다이(pinion die) 및 hob 형 다이 등을 이용하는 것이 있다.
랙 다이(rack die) 전조기는 그림과 같이 한 쌍의 랙 다이(rack die) 사이에 소재를 넣고 가압하면서 랙 다이를 이동시켜 소재를 굴리면 다이 홈과 맞물리는 기어(gear) 및 스플라인(spline) 축을 제조한다. 이 방법은 소형 기어의 제조에는 많이 사용되나 대형 기어에서는 다이가 길어져야 하므로 부적당 하다.
hob die 전조기는 전조공구를 소재의 상하에 두고 가압하면서 hob die를 회전시켜 소재를 축방향으로 이동시켜 가공하고, 다음 차례의 가공을 위하여 소재를 분할대(分割臺; index head)에 의하여 소정의 각도만큼 회전시켜 다이(die) 사이에 넣는다.
피니언 다이(pinion die) 전조기는 그림과 같이 피니언 다이(pinion die)로 소재를 가압하면서 소재를 맞물고 회전시켜 기어를 제조한다. 치형이 클 때에는 2개 또는 3개의 피니언 다이로 다른 방향에서 가압한다.
[4] 드릴(drill) 전조:
드릴(drill) 전조기는 드릴과 탭에 홈가공을 하고, 이 때 소재는 길이 방향으로 연신되면서 홈이 생기며, 다이에는 홈만을 가공하기 위한 것과 여유면 가공용이 따로 있다.
[5] 단붙이축(軸) 전조:
종래에는 자동차축의 단(段), 전동기축의 단을 기계가공에만 의존하였으나, 최근에는 그림과 같이 롤러 다이(roller die)로 소재를 회전시키고, 축방향으로 인발하여 축에 단을 만든다.
8장. 프레스 가공(press work)
판재(板材)의 성형가공(成形加工)이 소성가공 중에서 차지하는 비중이 크며, 다량생산용 기계로서 프레스가 사용되는 경우가 많아 소성가공의 대 분류로서 판금가공(板金加工; sheet metal work, plate work)의 의미로 프레스 가공의 장을 두기로 한다. 프레스는 회전운동을 직선운동으로 바꾸는 크랭크 기구에 의한 크랭크 프레스(crank press), 유압에 의한 프레스 등을 사용하여 다이 위에 놓인 소재를 펀치을 통하여 가압함으로써 성형한다. 그러나 본 장에서는 판재를 성형하기 전후 전단가공을 하는 경우가 많으므로 소성가공에 속하지는 않으나 전단가공도 취급하기로 한다.
프레스에 의한 판금가공은 무수히 많으나, 전단가공(剪斷加工; shearing work), 굽힘가공(bending work), deep drawing, 부조가공(浮彫加工; embossing), 압인가공(壓印加工; coining) 등이 기본가공이다. 전단가공은 소성가공이 아니나 본장에서 취급하는 모든 판금 성형가공에 수반되기 때문에 여기서 다룬다.
[1] 전단가공(剪斷加工)
그림과 같이 펀치(punch)가 다이(die) 위의 소재를 가압하면 소재는 먼저 탄성변형을 거쳐 소성변형을 하고, 전단 과정을 거쳐 파단 된다. 즉 소재 표면은 인장응력을 받으며, 그 응력은 펀치와 다이의 edge 부근에 집중되고, 가공이 진행됨에 따라 소재의 탄성한계를 넘어 소성변형에 들어가 소재를 압축한다. 가공이 더욱 진행되어 edge의 압축응력이 소재의 전단저항보다 크게되면 그림 (b)와 같이 전단이 시작되고 마침내 그림 (c)와 같이 punch edge와 die edge의 전방에서 크랙(crack)이 발생하여 그것이 서로 이어지면 파단되는 것이다. 이 때 그림 (d)와 같이 세로 및 가로 방향의 집중응력에 의한 굽힘 모멘트(moment)가 소재를 펀치와 다이의 측면에 밀착시킴으로써 전단면을 광택있는 깨끗한 면으로 하는 소위 burnishing 작용이 이루어 진다.
[2] 굽힘가공
프레스를 사용한 각종 굽힘작업에서 단순형(單純型) 다이, 총형(總型) 다이 또는 복동형(複動型) 다이를 사용한다.
판(板; plate)을 굽힐 때 그림과 같이 굽힘 외측은 인장응력, 내측은 압축응력을 받고, 응력을 받지 않는 중립면(中立面)의 위치는 판두께의 중앙에서 내측으로 이동하며, 폭방향으로 외측에서는 수축하고 내측에서는 팽창한다. R가 작거나, b
그림과 같이 굽힘가공에서 변형 중 일부 탄성변형이 복원되는 되는 것을 스프링백(springback)이라 한다. V 굽힘에서는 스프링백이 보통 벌어지는 쪽이나, U 굽힘에서는 가공조건에 따라 외측 또는 내측으로 된다. 스프링백 량은 판의 재질, 두께, 등 가공조건에 따라 다르며, 스프링백이 작을 수록 정밀한 제품이 얻어진다. 이것을 작게 하려면 굽힘 반지름을 작게하고 기계 프레스보다 액압 프레스로써 장시간 가압하는 것이 유리하다. 특히 U 굽힘에서 펀치 모서리 반지름이 크고 여유가 크면 외측으로 스프링백이 생기며, 펀치 모서리 반지름이 작고 다이 모서리 반지름이 클 때에는 스프링백이 내측으로 생긴다.
[3] 드로잉(drawing)
평면 블랭크(blank)를 원통형(圓筒形), 각통형(角筒形) 및 반구형(半球形) 등의 형상을 갖는 용기를 주름살 없고 이음매없게 프레스로 성형하는 가공을 드로잉(drawing)이라 한다. 여기에서 드로잉이란 프레스를 사용하는 드로잉, 즉 프레스 드로잉(press drawing)을 의미하므로 앞에서 공부한 인발(引拔)이란 의미의 드로잉과 혼돈 없기 바란다.
드로잉 제품의 예로서 주위에서 흔히 볼 수 있는 것을 들면 냄비, 식료품 용기, 음료수 용기, 부억 싱크대, 자동차 연료 탱크등이 있다. 용기의 깊이가 지름보다 작은 경우의 드로잉을 shallow drawing이라 하고, 깊이가 지름보다 큰 경우의 드로잉을 딥 드로잉(deep drawing)이라 구별하는 경우가 있으나, 일반적으로 딥 드로잉하면 shallow drawing까지를 포함한다. 원통을 드로잉하는 경우의 예를 들면 압판으로 블랭크를 누른 상태에서 펀치를 하강시키면 소재는 다이와 펀치 사이에서 *원주방향으로 압축되고 반지름 방향으로 신연(伸延)되는 금속유동을 한다. 이 때 압판압력이 불충분하면 플랜지(flange)에 주름이 생기기 쉽고, 압판압력이 너무 크면 파열될 수 있다.
딥 드로잉(deep drawing)에서 중요한 인자는 판금의 성질, 드로잉율, 펀치와 다이의 모서리 반지름, 압판압력, 마찰 및 윤활이다.
(1) 드로잉 다이:
다이(die)에는 압판(押板)이 없는 단동식 다이와 압판을 갖춘 복동식 다이가 있다.
단동식 다이에서는 그림 (a)와 같이 블랭크(blank)를 다이 위에 놓고 펀치를 하강시키면 그림 (c)와 같은 용기로 성형되어 다이의 하단부(下端部)에서는 스프링백에 의하여 펀치와 제품 사이에 간극이 생기므로 제품이 밑으로 떨어진다.
복동식 다이에서는 압판이 펀치보다 먼저 하강하여 소재를 누르고, 다음에 펀치가 하강하여 드로잉을 하며, 아래의 예에서는 압판이 2중으로 설치되어 외주의 압판과 중간 펀치로 블랭크(blank)를 만들고, 그 다음, 중간 펀치가 압판 역할을 하고 중심에 있는 펀치가 하강하여 드로잉을 한다. 펀치에 구멍을 내어 공기가 들어가 제품이 쉽게 빠질 수 있게 한다.
준복동식 다이에서는 그림과 같이 펀치가 고정되어 있고 다이가 하강하면 knock-out이 상승하면서 압판이 하강하여 드로잉이 이루어진다. 드로잉이 완료되어 다이가 상승하면 knock-out spring에 의하여 제품이 밀려 빠진다. 가공 초기에는 압판의 압력이 적으나 가공이 진행됨에 따라 점차 증가하기 때문에 기준압력을 정하기가 곤란하므로 주로 얕은 제품의 드로잉에 이용된다.
(2) cupping과 deep drawing:
cupping이란 드로잉 중 단일 공정에서 제작된 컵(cup) 형상을 만드는 것이며, 이 것이 최종 제품이 되는 수도 있고, 다음 공정을 위한 초기 가공이 될 수도 있다.
딥 드로잉(deep drawing)이란 cupping된 것을 다시 드로잉하여 깊은 용기를 만드는 가공이며, 이에 대하여 cupping을 1차 드로잉이라고도 한다. 딥 드로잉에는 용기의 內外面이 cupping 때의 것과 같은 직접 딥 드로잉(direct deep drawing)과 cupping 때의 내외면이 바뀌는 역식 딥 드로잉(inverse deep drawing)이 있다. 그림 (a)는 컵(cup)을 풀림(annealing)하여 직접 딥 드로잉을 행하는 것이며, 그림 (b)는 연속적으로 직접 딥 드로잉을 하는 것을 보여 준다. 그림 (c)는 역식 딥 드로잉을 보여주며, 내외면이 바뀌므로 같은 면이 계속 인장 또는 압축만을 받는 일이 없고, 이 가공법의 특징은 다음과 같다.
1. 큰 단면감소율을 얻을 수 있다.
2. 중간에 풀림(annealing)할 필요가 없다.
3. 복잡한 형상에서도 금속의 유동이 잘 된다.
4. 두께 1/4 in보다 두꺼운 판에 대해서는 곤란하다.
5. 정확한 조정을 요한다.
(3) 소재(blank)의 치수:
압연, 압출, 인발 등에서는 소재의 체적과 제품의 체적이 같다고 보고 소재의 치수를 결정하였으나, 드로잉(drawing)에서는 이들 표면적이 같다고 보고 소재의 치수를 정한다. 아래 표는 복잡하지 않은 용기의 드로잉에 필요한 블랭크(blank) 치수 예이며, 복잡한 형상의 것은 실험적인 방식에 의하여 근사적으로 구한다.
(4) 드로잉(drawing) 율:
딥 드로잉(deep drawing)에서는 필요에 따라 1회, 2회, 등으로 가공하여 제품의 지름을 줄여 나간다. 이 때 블랭크(blank)의 지름을 do, 1회 가공품의 지름을 d1, 최종 n회 가공에서 얻은 것의 지름을 dn라 하면 전 드로잉(全 drawing) 율 m은 다음과 같다.
m= d_n / d_0 = d_1 / d_0 times d_2 / d_1 times · times ·times ·times d_n / d_n-1
이며,
d_1 / d_0 = m1 ,~~ d_2 / d_1 =m2 ,~~ d_3 / d_2 =m3 ·····d_n / d_n-1 =mn 라 하면
m = m1 times m2 times m3 times ····times mn
즉 전 드로잉(全 drawing) 율은 각 드로잉 율의 합(積)과 같다. 드로잉 율은 재질, 블랭크(blank) 두께(t)/do에 따라 다른다.
(5) 가공경화(加工硬化; work hardening):
드로잉(drawing) 깊이가 점점 커지고 드로잉 회수가 많아짐에 따라 가공재료는 소위 가공경화되어 소성변형이 어렵게되며, 잔류응력이 커진다. 이런 상태에서 계속 무리한 가공을 하면 가공재료가 파열되므로 풀림(annealing)하여 소성을 회복시켜 주어야 한다. 재료의 가공경화성은 재료와 가공정도 및 가공조건에 따라 다르나, 냉간 드로잉에서는 다음 가공경화곡선을 이용하고 있다. 각 곡선의 아래 부분에서는 가공재료가 연질상태이고, 위 부분에서는 경질상태 이다. 곡선의 기울기는 가공경화율의 척도로서 기울기가 클 수록 경화속도가 큰 것이 된다.
(6) 다이(die) 및 펀치(punch)의 nose 반지름:
그림 (a)에서 다이의 nose 반지름 rd와 펀치의 nose 반지름 rp가 커지면 블랭크(blank)의 굽힘 저항이 감소되어 드로잉이 용이하나, 너무 크면 블랭크가 빨리 끌려들어가 용기에 주름이 생기며, 너무 작으면 인장변형이 커져서 모서리가 얇아지고 인장이 너무 심하면 파열된다.
그림 (b)는 rp/t 및 rd/t와 drawing 률의 관계이며, rd/t와 rp/t가 커질 수록 드로잉 율 감소하므로 단면감소를 크게할 수 있다.
일반적으로 1회 드로잉에서
r_d 와 r_p 가 (4 ~ 6) * t ~ (10 ~ 20) * t
이며, 2회, 3회에서는
r_d 와 r_p 는 작아진다.
와 punch의 r_p 가 드로잉 율에 미치는 영향
(7) 다이와 펀치 사이의 간극(間隙):
다이와 펀치 사이의 간극은 소재의 두께와 다이와 펀치 사이의 마찰을 줄이기 위한 여유의 합이며, 이 여유는 소재두께의 7 ~ 20% 정도로서 소재의 강도 및 가공정도에 따라 다르다. 간극이 너무 작으면 천공 또는 전단가공이 될 수 있고, 간극이 너무 크면 블랭크(blank)의 외경부로 이루어 지는 림(rim) 근처의 벽 두께가 크게된다. 간극이 너무 커서 생기는 불균일한 벽 두께를 조정하기 위하여 그림과 같이 두꺼운 벽을 얇게하는 가공을 ironing 이라하며, 동시에 높이도 늘어나는 재 드로잉(redrawing)이 된다. 이 때 펀치와 다이의 간극은 벽의 두께보다 작게 취한다.
(8) 귀발생(earing):
압연재인 판재는 방향성을 갖고 있기 때문에 딥 드로잉(deep drawing)하면 아래 그림에서와 같이 연신의 차이로 파형의 단면(端面)을 갖게 된다. 이 현상을 귀발생(耳發生; earing)이라 하며, 이방성(異方性)이 적은 블랭크(blank)를 사용하면 귀(耳; ear)의 크기는 작아진다.
(9) 윤활제(潤滑劑; lubricant):
윤활제의 사용목적은 마찰을 감소시키고, 소재의 외부 및 내부에 발생하는 열을 냉각시키며, 성형을 깨끗이 하고 녹스는 것을 막는데 있다. 펀치와 블랭크 사이에는 마찰이 있음으로 해서 하중이 견인부(牽引部)에 집중되지 않고 분산되는 효과가 있어 유리하므로 윤활은 다이와 블랭크 사이에 하는 것이 좋다.
(10) blank holder의 지지력(支持力):
드로잉 중 제품에 주름이 생기지 않도록 블랭크 홀더(blank holder)로 블랭크를 눌러 준다. 블랭크 홀더의 압력이 너무 크면 펀치의 하중이 커지고 블랭크가 파열될 수 있으므로 블랭크 홀더의 압력은 제품에 주름이 생기지 않을 정도의 범위에서 최소로 하는 것이 좋다. 블랭크 홀더에는 고정식(固定式)과 정압식(定壓式)이 있는데 전자에서는 다이 상면과 홀더의 간격을 일정히 하며, 가공 중 약간의 주름이 발생하나 펀치와 다이 사이에서 제거된다. 드로잉할 때 주연부(周緣部)의 두께가 약간 증가하므로 다이 상면과 홀더와의 간극은 (1.1 ~ 1.3) * t 정도로 하는 것이 좋다. 정압식의 경우에는 고무, 스프링(spring), 유압, 공기압 등으로 가공 중에 일정한 힘 H로 가압한다.
블랭크(blank)의 지름을 d_0 , 다이의 지름을 d_d , 블랭크 홀더의 압력을 h_s 라 하면 h_s 는 블랭크 인장강도의 5 ~ 6%로서, 5 ~ 35 kg/cm^2
정도 이다. 아래 표는 블랭크 홀더의 압력이다.
(11) 펀치(punch)의 작용력:
펀치의 작용력 계산에서 흔히 사용되는 것은 블랭크가 파열되는 응력을 드로잉 압력의 기준으로 하나, 실제의 작용응력은 이보다 작다.
그림과 같이 용기의 평균지름을 d, 판의 두께를 t, 블랭크의 인장강도를 σ라 하면 펀치력 P는
[4] 압축가공(壓縮加工)
본 압축가공에서는 상하(上下)의 다이(die) 사이에 판재를 넣고 압축력을 가하여 판에 凹凸을 내는 압인가공(coining)과 부조가공(embossing)만을 취급한다.
그림과 같이 소재를 상하면(上下面)에서 압축할 때 압축면적을 A, 단위면적의 압축저항을 kf라 하면 압축력 P는 다음과 같다.
P= K_f times A
K_f
는 재료 및 가공조건에 따라 다르고, 압축변형률
( h_0 - h_1 ) / h_0
의 함수이다.
(1) 압인가공(壓印加工; coining):
그림과 같이 소재면에 요철(凹凸)을 내는 가공으로서, 가공면의 형상은 이면(裏面)의 것과는 무관하며, 판두께의 변화에 의한 가공이다. 화폐(貨幣), 메달(medal), 뱃지(badge), 문자 등을 압인가공하는 경우가 많으며, colsed-die forging의 일종으로서 윤활을 하면 윤활유가 공간을 차지하여 성형이 제대로 되지 않는다.
(2) 부조가공(浮彫加工; embossing):
그림과 같이 요철이 있는 다이와 펀치로 판재를 눌러 판에 요철을 내는 가공으로서, 일종의 shallow drawing이며, 판의 이면(裏面)에는 표면과는 반대의 요철이 생기어 판의 두께에는 변화가 거의 없다. 이가공법은 장식품의 가공 또는 판의 강성을 높이는데 사용된다. 따라서 분류상 굽힘가공이나 드로잉에 속할 수 있으나 압인가공(coining)과 대조가 되어 여기에서 소개한다.
[5] 박판특수성형가공(薄板特殊成形加工)
(1) 고무압에 의한 성형(rubber forming):
앞에서는 다이가 강성이 큰 고체로 되어 있으나, 고무압력에 의한 성형에서는 어느 한쪽이 고무로 되어 있기 때문에 고무에 접하는 측의 성형제품에 scratch 또는 기타 손상이 없으며, 복잡한 형상의 성형도 가능하는 등, 사용범위의 융통성이 크다.
Marform 방법은 Marform에 의하여 개발된 것으로서, 그림과 같이 펀치를 아래쪽에 , 고무 등의 흡압재(吸壓材)로 된 다이가 위쪽에 놓여 있다. 이방법의 특징은 플랜지(flange)가 작아져 소재가 파열될 가능성이 적어지므로 모서리 반지름을 작게 할 수 있다는 것과 가공 중 펀치의 측면에 수평압력이 작용하는 것 등이다. 따라서
Guerin 방법은 그림과 같이 다이 위에 블랭크(blank)를 놓고 고무 다이로 가압하여 성형하는 방법이며, 고무가 밑으로 밀려나오지 않도록 retainer가 설치되어 있다. 특징은 다이 값이 싸다는 것과 다이를 고정할 필요 없이 놓기만 하면 된다는 것 등이다. Marform 방법과 다른 점은 압판이 없고 얕은 드로잉에 이용된다는 것이다.
(2) 액압성형법(液壓成形法: hydroforming):
Cincinnati Milling and Grinding Machine Inc.에서 개발한 성형법으로서, Marform 방법에서 고무 대신에 액체를 사용한 것이다. 그림과 같이 2개의 고무막 중 하나는 액체밀폐용이고, 다른 하나는 블랭크(blank)와 접촉하는 성형용이다. 펀치가 상승하여 액압을 조절하며, 1000kg/cm2까지 압력을 얻을 수 있다. 또는 펀치의 운동에 의하지 않고 액압실의 압력을 독자적으로 600kg/cm2까지 올릴 수 있다. 이 방법의 특징은 작업 중 압력을 자유로이 조절할 수 있다는 것이다.
(3) bulging:
그림과 같이 최소 지름으로 성형된 용기에 고무를 넣고 압축하는 고무 확관(bulging)과 액체를 넣는 액체 확관(bulging)이 있다.
고무 확관(bulging)은 그림과 같이 고무를 넣고 압축하면 고무가 가로 방향으로 팽창하면서 원용기(原容器)를 다이 형상으로 성형한다. 이 방법에서는 다이를 최대 지름부에서 분리할 수 있게 되어야 한다. 이방법으로 용기뿐 아니라 뚜껑에 나사를 성형할 수 있다.
액체 확관에서는 앞에서 설명한 고무 확관에서 고무 대신에 액체를 고무주머니에 넣어 사용한다. 이 방법에 의하여 딥 드로잉의 난관인 플랜지(flange) 주름살이 해결된다. 그림 (c)는 등반사경 이다.
(4) beading:
그림과 같이 요철이 있는 한쌍의 다이 또는 롤러를 사용하여 판에 홈과 돌기를 성형하는 가공으로서, 보강(補强)이나 장식이 목적이다.
(5) spinning:
선반의 주축과 같은 회전 축에 다이를 고정하고 그 다이에 블랭크를 심압대로 눌러 블랭크를 다이와 함께 회전시키면서 spinning stick이나 롤러로 원통형 제품을 성형하는 가공법으로서, 도자기의 성형법과 유사하다. 다이로는 금속 또는 경목재(硬木材)를 사용하며, 블랭크와 스틱(stick)은 마찰이 심하므로 비누 등으로 윤활하는 것이 필요하다. spinning은 보통 상온에서 시행하나 전성이 낮은 금속 또는 두께가 큰 블랭크에 대하여는 가열하여 가공한다. 공구인 stick 또는 롤러(roller)는 수동이나 자동으로 작동시킨다. 그림 (a)와 같이 얇은 블랭크(blank)를 다이에 눌러대며 성형하는 것을 convential spining 이라하고, 그림 (b)와 같이 판두께를 초대 직경을 유지하면서 벽의 두께를 얇게하는 것을 shear spinning이라 한다.
(6) 인장성형법(引張成形法; stretch forming):
판금의 가장자리를 clamping하여 인장하고 성형 다이 또는 성형 블록(block)을 성형기에 따라 압상, 하강 및 측면으로 이송하여 시켜 소재를 항복응력 이상까지 인장하는 가공법으로서, 항공기, 지붕 panel 등의 성형에 많이 이용된다. 그림 (a)에서는 성형 펀치 다이가 수직으로 이동할 때 인장 턱(jaw)이 수평으로 작용하여 성형하고, 그림 (b)에서는 인장된 상태에서 펀치가 하강하여 드로잉한다.
대부분의 합금은 2 ~ 4% 연신(延伸)되었을 때 의외로 연성이 커져서 신연되지 않은 상태에서의 성형력의 1/3 정도로 성형이 가능하다. 판재는 대부분 4각형으로서 길이방향으로 인장하고 폭방향향으로의 수축을 허용한다. 다이의 재료는 는 비철금속, 강 및 목재가 사용되며, 윤활제는 거의 사용하지 않는다. 인장성형법에서는 소재의 파열을 피하는 것이 중요하며, 예리한 모서리를 갖는 제품은 가공할 수 없다. Boeing 767의 aluminum skin도 인장성형법에 의하여 성형되며, 그 크기는 12m * 2.5m * 2.5mm이고, 인장력은 9MN 정도이다.
9장. 고 에너지 성형법
[1] 폭발성형법(explosive forming method):
고 에너지 화약을 점화 시켰을 때의 충격파를 이용하는 성형법으로서, 그림과 같이 열린 다이(open die)를 사용하는 경우와 닫힌 다이(closed die)를 사용하는 경우가 있다.
열린 다이(open die) 식에서는 다이가 1개이며 블랭크(blank)를 clamping한 상태에서 충격력을 가하며, 다양한 형상의 제품을 얻을 수 있다. 소재의 전성이 크기만 하면 가공품의 크기에는 제한이 없으며, 강판에 대하여 두께 25mm, 지름 3.6m까지 성형한 예가 있다.
닫힌 다이(closed die) 식은 소재가 얇고 소품일 때 주로 사용되며, 확관(bulging)의 경우 두께 25mm까지도 성형을 한 예가 있다.
충격 에너지는 폭약에서 블랭크까지의 거리와 다이 스팬(die span)에 관계하며, 발생 에너지의 일부만 이용하기 때문에 비경제적이나 물 또는 Al 용액 속에서 폭발시키면 에너지의 손실을 다소 줄일 수 있다.
[2] 방전성형법(spark-discharge forming method):
앞에서의 폭약 대신에 10 ~ 20kv의 고압으로 충전된 condenser가 大電流로 액중의 전압에서 방전시켜 6 ~ 172kJ의 높은 에너지로 액체를 급격히 가열하여 기화시킬 때 물이 팽창하고, 그 충격으로 인하여 성형된다. 보통방법으로 성형이 되는 것은 거의 어느 것이나 액중방전성형이 가능하며, 광범위한 치수범위에 대하여 가공할 수 있고, 항공기 제작회사 등에서 성형(forming), beading, drawing, blanking 등에 많이 이용된다.
[3] 자력성형법(electromagnetic forming method):
도전성(導電性)이 좋은 가공재에 대해서 전자력(電磁力)을 이용하여 직접 성형하고, 도전성이 불량한 가공재에 대하여는 도전성이 좋은 재료를 보조로 사용하여 성형한다. condenser에 충전된 고압의 전류를 단시간에 방전할 때 생기는 고밀도의 자장이 생겨 그림과 같이 강력한 힘으로 성형하게 된다. 이때 I1과 I2가 같은 방향이면 인력이 생기고, 반대 방향이면 반발력이 생기며, 작용력은 I1, I2의 크기에 비례한다.
[4] 가스(gas) 성형법(gas forming method):
그림과 같이 고 에너지 연료 가스에 점화하여 폭발압력을 이용하는 방법으로서, 폭발이 안정되어야 하고, 연료 가스는 독이 없어야 하며, 정해진 온도 및 압력하에서 가스 체를 유지하고 있어야 한다. 이에 사용되는 연료에는 H2, ethane, methane 등이다.
10장. 가상 해석 기술
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samshin0 개인철학 연구소 소성가공
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소성가공 | 생산기술 2004/05/10 08:24
http://blog.naver.com/samshin0/100002346100
소 성 가 공
서론
1장. 개요
1. 소성가공에 이용되는 성질
2. 응력과 변형률
3. 가공경화
2장. 단조
1. 단조에너지
2. 단조용 공구와 기계
3. 단조 작업
3장. 압연
1. 압연기
2. 열간압연과 냉간압연
4장.압출
1. 관의 압출
2. 압출기와 다이
3. 압출제품의 결함
5장. 인발
1. 인발기와 다이
2. 인발응력
3. 인발제품의 결함
6장. 제관
1. 이음매 있는 파이프
2. 이음매 없는 파이프
7장. 전조
1. 나사전조
2. 볼 및 원통 롤러 전조
3. 기어전조
4. 드릴 전조
5. 단붙이축 전조
8장. 프레스가공
1. 전단가공
2. 굽힘가공
3. 드로잉
4. 압축가공
5. 박판특수성형가공
9장. 고에너지 성형법
1. 폭발성형법
2. 방전성형법
3. 자력 성형법
4. 가스 성형법
10장. 가공 해석 기술
서 론
제조 기술에 대한 발전 과정을 살펴보면 모든 발전이 점진적인 과정을 거쳐 이루어졌다는 점이다. 제조 공정의 발전도 그 시대의 사회현상에 맞추어 하나 하나의 발전을 가져왔다. 이들 모든 생산 활동은 수세기 동안 숙련된 장인들의 손에 의하여 만들어졌다. 장인들의 계속적인 창안은 많은 제조 기술의 발전을 가져왔고 많은 제품을 생산하였다. 그러나 생산 규모는 가용한 동력의 제한을 받았다. 중세기에는 수력을 사용하였으나 사용 위치의 제한과 소요 동력의 한계로 요구되는 생산량 증가에 부응할 수는 없었다. 1789년 영국인 제임스 와트의 증기기관의 발명은 1차 산업혁명의 주요계기가 되었으며 19세기 중엽에는 작업자의 기능을 캠이나 레버와 같은 기계적 부품으로 대체시킨 기계가 출현하게 되었다. 세계 1, 2차 대전을 치르면서 많은 병기와 군수 물자의 다량 생산이 불가피하였으며 이에 맞추어 호환성 있는 부품을 제조하였다. 20세기 중반부터 출현하기 시작한 진공관과 트랜지스터의 출현은 제한된 정도의 재 프로그램을 할 수 있어 기계제어를 할 수 있는 기계가 등장하게 되었다. 컴퓨터의 출현은 지금까지 전혀 생각하지 못한 계산력과 고가 전자 트랜지스터의 출현 비용을 절감할 수 있는 장치를 제작하게 되었다.
지금까지의 기술한 제조 기술의 발전과정을 다음 표에 나타내었다.
시대
년도
주형 및 성형
비금속, 재료및공구, 공구재료
기계가공 접합제어
이집트:
BC3100
∼BC300
그리스:
BC1100
∼BC146
청동기시대
BC4000년전
동, 진흙, 목재, 금, 은, 동
등을 때려서 벤딩 및 단조
토기나 목재, 자연 섬유 사용
리벳팅
동 에머리를 이용한 쐐기, 인력 가공
BC4000
∼3000
정밀 주조(청동), 전단, 스탱핑으로 장신구 제작
유리 구슬, 유리용기, 제철 및 목공용 공구, 타발도끼
납접 및 경납땜
드릴링, 톱작업
BC3000
∼1000
철의 열간 단조, 철선의 인발
유리 프레스 성형, 그레이징, 쇠톱
도자용 회전판
단접 접착제(아교) 레버와 풀리 사용
BC1000
∼AD1
동전 스탬핑
유리성형 및 블로잉, 끌톱, 줄 목공용선반, 샌드페이퍼,
철강의 단접, 접합, 스크류 프레스, 크랭크 기구
AD0
∼AD1000
와이어 인발(아연, 강)
석기, 도자기, 베네치아 유리, 갑옷 에칭
단백질 접착제, 갑옷, 코이닝, 단조, 강제 검, 수차
산업혁명
AD1850
∼1930
AD1000
∼1500
용광로, 금속활자, 종, 주조, 신선(금은 가공)
크리스탈 유리, 이태리 도자기
풍차 구동, 수차 이용 햄머링, 콘넥팅 로드 플라이 휠 이용 기구
AD1500
∼1600
주철제 대포, 주석 접시, 영구 몰드 석 도판통, 압연(납)
보링, 선삭, 나사 절삭용 선반, 드릴링 머신, 휠 목공용 선반, 화폐 주조용 대판 압연기
AD1600
∼1700
구리와 아연으로부터 황동 제조(금, 은, 납) 압연, 형상 압연(납)
주조판유리
목제 수동 선반
AD1700
∼1800
가단 주철, 도가니 강압출(납 파이프) 딥 드로잉, 철 압연
창 유리, 전구, 고무 성형, 폴리에스터, 스티렌
형삭, 밀링, 층상 제조용 모방 선반, 피복 용접봉, 증기기관
AD1800
∼1900
원심주조, 몰딩 기계, 증기 햄머(석도판 압연) 레일 압연, 분말 야금, 연속압연
가황 처리 셀룰로이드, 고무압출 성형, 자동 병제조, 베이크라이트, 보론 실리케이트 유리
터렛 선반, 유니버셜 밀링, 비트리파이드 연삭 숫돌, 기계화, 증기 햄머, 고속도강
AD1900
∼1920
판재압연, 열간 압출, 텅스텐 와이어
플라스틱 개발, 주조 몰딩, PVC 셀룰로이드, 아세테이트, 유기섬유
대량 생산, 이송기계, 피복 용접봉, 초경 합금, 전기 모터 개발
AD1920
∼1950
다이캐스팅, 정밀 주조, 모래 주조, 강 압출가공으로 텅스텐 강 압출, 스웨징
PVC, 이크릭, PMMA, PE 폴리스테렌 나이론, 폴리에스터, 트랜스퍼 몰딩, 포밍, 감광유리
서브머지드 아크 용접, 구조물, 접착제
우주시대
AD1950
∼1969
세라믹 주형, 구상 주철, 반도체, 연속 주조, 냉간 압축, 폭발 성형, 열기계적 처리, 스퀴즈 캐스팅, 단결정, 터빈 브레이드, 정수압 압출. 전자 성형
ABS, 실리콘, 불화 탄소, 폴리우레탄, 경량 유리, 열처리 유리, 유리 세라믹, 아세탈, 플라스틱 냉간 성형, 강화 플라스틱, 필러먼트 와인딩
불황성 기계 금속 아크 용접, 불활성 기계 텅스텐 아크 용접, 일렉트로 슬래그 용접, 폭발 용접, 플라스마 아크, 전자빔, 접착
전기 및 화학 절삭, 자동 제어
AD1970
∼1980
진공 주조, 기체 결합 사형, 항공기 구조물용 대형 알루미늄 주조, 금속 응고 기술, 정밀 단조, 초소성 성형, 해석적 방법으로 금형의 설계
큐빅 보론 질화물, 복합재료, 광섬유, 구조용 세라믹, 자동차 및 항공기 엔진용 세라믹 부품의 출현
레이져 빔, 확산 접합(초소성 성형과 복합) 컴퓨터 통합 가공, 적응 제어, 산업용 로봇, 유연 가공 시스템, 무인 공장
1장. 개요
재료에 어느 한계의 외력을 가하여 변형한 후 외력을 제거하면 원형으로 돌아간다. 이 때 원형으로 돌아가는 성질을 탄성(彈性; elasticity), 그 변형을 탄성변형(彈性變形; elastic deformation)이라 하며, 그 물체를 탄성체(彈性體; elastic body)라 한다. 외력을 어느 정도 이상으로 크게하면 재료가 항복(降伏; yield)하여 외력을 제거하여도 완전히 원형으로 돌아가지 않고 영구변형으로 남아있는 성질, 즉 재료를 파괴시키지 않고 영구히 변형시킬 수 있는 성질을 소성(塑性; plasticity), 그 변형을 소성변형(塑性變形; plastic deformation)이라 한다. 이와 같은 재료의 소성을 이용하여 가공하는 것을 소성가공(塑性加工; plastic working)이라 하며, chip을 생성하지 않는 주조, 용접에 이어 비절삭가공의 일종이다. 소성가공으로 재료를 변형시켜 목적하는 형상과 치수를 얻을 수 있고, 재료의 성질도 변화 시킬 수 있다. 일반적으로 비금속재료에 비하여 금속재료의 소성이 아주 크고, 기계재료로 금속이 주로 사용 되므로 본 편에서는 금속재료의 소성가공을 취급키로 한다.
소성변형은 변형 과정이 아주 복잡하기 때문에 이론적으로 해석하는 것이 어렵거나 불가능한 경우가 많다. 따라서 많은 가정 하에서 소성변형을 이론적으로 해석하고, 소성변형의 개략을 파악하거나 최근 발달된 컴퓨터를 이용한 가상해석(virtual simulation)을 이용하여 소성가공 공정을 해석하기도 한다. 앞에서 언급한 소성가공의 목적은 다음과 같이 정리할 수 있다.
1. 금속재료를 소요 목적의 형태로 변형시킨다.
2. 금속재료의 조대(粗大)한 결정입자(結晶粒子)를 균일하고 미세하게 하여 재질을 개선한다.
소성변형 방법에 따른 주요 소성가공을 들면 다음과 같다.
1. 단조(鍛造; forging): 금속재료를 헤머(hammer) 또는 프레스(press) 등으로 압축력 또는 충격력을 가하는 가공이다.
2. 압연(壓延; rolling): 금속재료를 회전하는 롤러(roller) 사이에 넣어 가압함으로써 두께 또는 단면적을 감소시켜 길이방향으로 늘리는 가공이다.
3. 압출(押出; extrusion): 각종 단면재(斷面材) 및 관재(管材)를 얻기 위하여 소성이 큰 상태의 재료를 틀(container)에 넣고 강력한 압력으로 다이(die)를 통하여 밀어내는 가공이다.
4. 인발(引拔; drawing): 테이퍼(taper) 형상의 구멍을 갖인 다이(die)를 통하여 소재를 인발(引拔; drawing) 하므로써 *선(線) , 봉(棒) 및 관(管)을 얻는 가공이다.
[1] 소성가공에 이용되는 성질
소성가공에 이용되는 소성에는 가단성(可鍛性; forgeability), 연성(延性; ductility), 전성(展性; ductility) 등이 있으며, 이들 성질은 상호 의존성이 있고, 중복되기도 한다. 동일 금속에서도 온도 및 가공속도 등에 따라 이들 성질의 절대값이나 상호 의존성이 달라 진다.
(1) 가단성 또는 전성(可鍛性, 展性 ; forgeability):
헤머(hammer)나 프레스(press) 등으로 금속을 내려치거나 누를 때 파괴되지 않고 영구변형되는 성질로서, 상온에서 헤머가공의 경우 가단성이 좋은 것부터 나열하면 Au, Ag, Al, Cu, Sn, Pt, Pb, Zn, Fe, Ni 등의 순이고, 압연기(壓延機)에서 상온가공(常溫加工)할 때 가단성이 좋은 것부터 나열하면 Pb, Sn, Au, Ag, Al, Cu, Pt, Fe 등과 같다.
(2) 연성(延性; ductility):
금속선을 뽑을 때 항복점을 지나 파단에 이르기까지 길이 방향으로 늘어나는 성질이며, 연성이 큰 금속부터 나열하면 Au, Pt, Ag, Fe, Cu, Al, Ni, Zn, Sn, Pb 등의 순이다. 연성의 크기는 연신율 또는 단면수축율로 표시한다.
[2] 응력(應力; stress)과 변형률(變形率; strain)
단면적 Ao인 시편에 하중 P를 작용시키면 공칭응력(公稱應力; nominal stress)
sigma_n
은 다음과 같다.
sigma_n = P
over A_0
변형 중의 임의 단면적을 A라 하면 진응력(眞應力; true stress)
sigma_t
는 다음과 같다.
sigma_t = P
over A
표점거리(標點距離)를 Lo, 인장된 상태의 거리를 L 이라 하면 공칭변형률(公稱變形率; nominal strain)
epsilon_n
은 다음과 같다.
epsilon_n =(L - L_0 ) / L_0 =L/ L_0 - 1
L/ L_0 = 1 + epsilon_n
어느 순간의 변형률은 dL/L이고, Ludwik가 제안한 진변형률(眞變形率; true strain)은 다음과 같다.
epsilon_t =ln(L/ L_0 ) = ln(1+ epsilon_n )
epsilon_t
를 진변형률(眞變形率; true strain), 대수변형률(對數變形率; logarithmic strain) 또는 자연변형률(自然變形率; natural strain)이라 하며, 공칭변형률보다 크다는 것을 알 수 있다.
[3] 가공경화(加工硬化; work hardening)
보통금속은 수많은 작은 입자(粒子)로 되어 있으며, 외력을 받아 소성변형할 때 입자들 간에 slip이 생긴다. 변형이 진행되어 감에 따라 slip에 대한 저항력이 증가하여 변형시키는데 보다 큰 외력이 필요하다. 이와 같이 재료를 변형시키는데 변형저항이 증가하는 현상을 가공경화라 한다.
시편에 외력 P를 작용시켜 시편의 임의 단계의 단면적 A에 대한 진응력(眞應力)은
sigma_t = P over A
이며, 상온에서는 변형속도의 영향이 적고, 근사적으로 다음 식을 이용한다.
sigma_t = c times epsilon_t ^n
단
epsilon_t
: 대수변형도=ln(Ao/A)=ln(1+ epsilon_t ), c: 소성계수, n: 가공경화지수
n=0은 가공물이 가공경화되지 않는 것을 의미하며, 이 때 가공물은 완전소성상태에 있다고 말할 수 있다. 냉간가공에서 전가공(前加工)의 strain을
epsilon_{t`1}
그 후 가공의 strain을
epsilon_{t`2}
라 하면 일반 경화식은 다음과 같다.
sigma_t = c times ( epsilon_{t`1} + epsilon_{t`2} )^n
2장. 단조
단조(鍛造; forging)란 금속을 소성유동(塑性流動)이 잘 되는 상태에서 압축력이나 충격력을 가하여 단련(鍛鍊)하는 것이며, 일반적으로 금속은 고온에서 소성이 크므로 단조할 때는 고온으로 가열한다. 작은 규모에서는 손 헤머(hand hammer)와 엔빌(anvil)로 단조할 수 있으나, 현대에는 동력 헤머(hammer), 프레스(press) 및 다이(die) 등의 장비를 이용하는 것이 보통이다. 연속된 판 및 단면재를 만들어 내는 압연(rolling)과는 달리 단조에서는 개개의 제품을 만들며, 단조에서는 금속유동과 결정립 구조를 조정할 수 있기 때문에 강도와 인성이 큰 제품을 얻을 수 있는 것이 특징이다.
단조에는 단조물의 크기에 따라 대물단조(大物鍛造)와 소물단조(小物鍛造)가 있으며, 단조기계에 따라 프레스 단조와 헤머 단조, 단조온도에 따라 열간단조(熱間鍛造)와 냉간단조(冷間鍛造), 단조형에 따라 자유단조(自由鍛造)와 형단조(型鍛造) 등이 있다.
[1] 단조 에너지
단조물이 변형할 때 자유단조에서는 소재가 유동할 때 가압면과 마찰을 하고, 형단조에서는 소재가 형(型; die) 내에서 가압면 및 형의 벽과 마찰을 하면서 유동하나, 기계공작법의 수준에서는 전자인 자유단조에서 4각주(四角柱) 또는 원주(圓柱)를 단조할 때 소재와 가압면간에 마찰이 없는것으로 가정하고 단조 에너지를 구해본다. 그림과 같이 각 변이 ho, lo, bo인 4각주를 압축하는 경우를 생각한다.
dh를 변형시키는데 요하는 에너지 dE는 다음과 같다.
dE = P times dh=( P times V times dh)/(A times h)=V times P/A times dh/h
단, A: 임의 단면적, V: 체적, h: 임의 높이 소재를 비압축성 재료로 생각하면(실제에서 체적 변화는 무시할 수 있을 정도로 적다)
V= A times h = A_0 times h_0 = A_1 times h_1
와 같이 쓸 수 있다. 변형 중 소재의 압축저항
K_f
가 일정하다면 위 식에서 P/A를
K_f
로 대치할 수 있고,
K_f
에 저항하면서 높이 dh만큼 감소하므로 위 식은 다음과 같이 쓸 수 있다.
dE = - V K_f dh over h
E= V K_fm integral from h_o to h_1 dh over h = V K_fm ln h_o over h_1
[2] 단조용 공구와 기계
단조용 공구
(1) 엔빌(anvil):
그림과 같은 형상을 하고 있으며, 단조시 받임대로 사용되고, 연강(軟鋼)의 표면에 경강(硬鋼)을 단접하거나 주강(鑄鋼)이 많이 사용된다. 엔빌(anvil)의 용량은 작은 것으로는 70kg 정도, 큰것으로는 250kg 정도가 있다.
(2) 정반(定盤; surface plate):
아래 사진과 같은 형상의 주물로 된 테이블로서, 금긋기 및 측정의 기준대로 각종 측정기와 함께 사용된다.
(3) 이형공대(異形孔臺; swage block):
사진과 같이 크고 작은 홈과 구멍이 있는 블럭으로서, 단조물의 형상을 변형시킬 때 받참대로 사용하거나, 가공물을 구멍에 넣어 구부릴때 등의 용도에 사용된다. 크기는 300 ~ 350mm角이다.
(4) 헤머(hammer):
헤머(hammer)에는 1/4 ~ 1kg 정도의 손 헤머(hand hammer)와 3 ~ 10kg 정도의 대메(sledge hammer)가 있으며, 재질은 경강(硬鋼)이 많고, 두부(頭部)는 열처리하여 경화한다.
(5) 집게(tong):
단조물을 집어 노에 넣거나 꺼낼 때, 또는 단조할 때 가열물을 잡기 위하여 사용되며, 사용 목적에 따라 그 형상과 크기를 정하여 제작한다.
(6) 다듬개:
단조물의 표면에 대고 다듬기하는 공구로서 다듬면의 형상에 따라 평면 및 곡면 다듬기용이 있다.
(7) 정(chisel):
금속재료를 절단하거나, 부분적으로 깍아낼 때 사용되는 공구로서, 절인이 직선인 것과 곡선인 것이 있다.
(8) 단조용 탭(tap):
단조재에 원형, 4각형, 6각형 등의 단면을 얻는데 사용되는 공구이다.
(9) 단조용 측정기구:
고온의 단조물을 측정하기 위하여 그림과 같이 손잡이를 길게 제작하여 사용한다.
[3] 단조작업
앞에서 언급한 바와 같이 단조에는 단조형(鍛造型)에 따라 자유단조(自由鍛造, open forging)와 형단조(型鍛造, die forging)가 있으며, 본서에서는 이들의 기본작업에 대하여 설명한다.
(1) 자유단조(自由鍛造):
가공물에 압력을 가할 때 가압력의 방향과 직각인 방향으로의 금속유동에 구속을 주지않는 단조를 자유단조라 하며, 주로 小形物이 많고, 단조 후에 기계가공을 하는 경우가 많다.
늘리기(drawing)는 그림과 같이 단면적을 감소시키고 길이 방향으로 늘리는 단조작업이다.
축(軸)박기(upsetting, upset forging, heading)는 그림과 같이 축방향으로 압축하여 단면을 크게하고 길이를 짧게하는 단조로서, 자유단의 길이를
l_0 , 단면적을 A_0
라 하고 업세팅(upsetting)후의 길이를
l_1 , 단면적을 A_1 이라 하면
l_0 times A_0 = l_1 times A_1
에서 단조비(鍛造比; forging ratio)는 다음과 같다.
R= l_1 / l_0 =A_0 / A_1 = d_0 ^2 / d_1 ^2
위 그림(a)에서는
l_0
(b)에서는
l_0
까지 가능하다. 이 이상에서는 좌굴현상(座屈現狀; buckling)이 나타날 염려가 있다.
굽히기(bending)할 때 외측은 연신되고, 내측은 압축되며, 그림 (d)에서와 같이 응력과 인장 및 압축이 없는 중립면은 내측으로 이동한다. 굽힘 부위가 얇아지는 것을 피하기 위하여는 그림(g)와 같이 덧살을 붙이고 굽힘가공한다.
단짓기(setting down)는 그림과 같이 예리한 정으로 단면적을 급변시켜 단을 짓는 작업이다.
구멍뚫기(punching)는 그림과 같이 펀치(punch)를 대고 타격을 가하거나, 구멍이 큰 경우에는 엔빌(anvil)의 혼(horn)부에 끼우고 확대한다.
비틀기(twisting)할 때 그림(a)의 중심부에서는 높이의 변화가 없고, 외주에서는 약간 낮아진다. 외부는 인장응력, 내부는 압축응력을 받게 되며, 장력(張力)이 과대하면 균열이 생긴다. 그림 (b)는 양단(兩端)이 평면을 유지하도록 고정한 상태에서 비트는 경우이며, 높이는 균등하게 변하나, 외부는 인장응력, 내부는 압축응력이 발생한다.
rotary swaging은 주축과 함께 다이(die)를 회전시켜 형에 타격을 가하여 단조하는 것이며, 그림 (a)는 형이 2개인 경우이고, 그림 (b)는 형이 4개인 경우이다. rotary swaging에서는 형과 헤머가 회전하면서 헤머 머리(頭)가 롤러에 접할 때 다이를 타격한다. 헤머가 롤러와 롤러 사이에 있을 때는 원심력에 의하여 형이 열리고, 이 때 소재가 공급된다.
ram end forming은 성형 다이(die)를 가공물 안 또는 밖에 직선적으로 압입하는 가공으로서, 다이 또는 가공물이 회전하지 않으므로 비대칭적이거나 복잡한 단면재의 가공도 가능하며, 그림과 같이 관재의 가공에서는 내외부를 동시에 가공할 수 있다.
압연단조(壓延鍛造; roll forging)는 그림과 같이 맞물고 회전하는 롤(roll) 사이에서 가공물을 단조하는 것으로서, 롤(roll)의 홈 또는 돌기를 이용하여 소정의 단면 형상을 갖는 단조물을 얻을 수 있으며, 차축(車軸; axle) 및 leaf spring 등을 제작할 수 있다.
탭작업(tapping)은 그림과 같이 탭(tap)을 이용하여 소재의 단면을 소정의 단면으로 가공하는 것을 탭작업이라 한다.
절단(切斷; cutting-off)에는 기계톱 또는 절단기를 사용하는 경우가 많으나, 단조작업 중 고온의 소형재를 절단할 때에는 그림과 같이 정을 사용한다.
(2) 형단조(型鍛造):
압축에 의한 금속의 유동이 형(型; die) 내에서만 행하여지며, 여분의 금속은 형의 접합면 사이에 핀(fin)으로 유출된다. 절삭가공, 또는 자유단조 후 절삭가공에 의한 제품에 비하여 조직이 미세하고 강도가 크다. 스패너(spanner), 크랭크 축(crank shaft), 커넥팅 로드(connecting rod), 차축 등이 형단조에 의하여 제작된다.
3장. 압연(壓延)
금속재료를 회전하는 롤러(roller)사이에 넣어 가압함으로써 두께 또는 단면적을 감소시켜 길이방향으로 늘리는 가공을 압연(壓延; rolling)이라 한다. 작업온도에 따라 열간압연(熱間壓延; hot rolling)과 냉간압연(冷間壓延; cold rolling)이 있으며, 열간압연에서는 재료를 고온으로 가공한 후 행해지므로 가공물의 소성이 크므로 압연동력이 적게 소비되고, 변형을 크게 할 수 있는데 반하여, 냉간압연에서는 상온 상태에서 행해지므로 동력 소비는 크나 정밀한 완성가공을 할 수 있고, 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.
압연에 의하여 금속의 주조조직(鑄造組織)을 파괴하고, 내부의 기공(氣孔)을 압착(壓着)하여 균질하게 하며, 아래 그림은 압연조직을 보여준다.
[1] 압연기(壓延機)
압연기는 분류기준에 따라 다음과 같이 분류된다.
1. 작업온도에 따라
열간압연기
냉간압연기
2. 제품에 따라
분괴압연기(blooming mill)
빌렛압연기 (billet mill)
슬랩압연기(slab mill)
sheet bar 압연기(sheet bar mill)
sheet 압연기(sheet mill)
3. 롤(roll)의 수 및 회전방향에 따라
비가역 2단압연기(two-high nonreversing mill)
가역 2단압연기(two-high reversing mill)
3단압연기(three-high mill)
4단압연기(four-high mill)
특수압연기
실제에는 롤(roll)수와 회전방향에 따른 분류가 보통이기 때문에 이 기준에 의한 분류로서 각각의 특징을 설명코자 한다. 그림 (a)는 비가역 2단압연기로서, 지름이 같은 2개의 롤을 1쌍으로 하여 한쪽 방향으로만 압연한다. 재압연을 위하여는 소재를 운반하여야 하는 불편이 있다. 그림 (b)는 가역 2단압연기로서, (a)와 비슷하나 롤을 역전시킬 수 있기 때문에 재압연시 소재를 운반할 필요없다. 그림 (c)는 3단압연기로서, 중간 롤이 구동하고, 상하의 롤은 마찰에 의하여 구동하며, 동시에 2단압연기 2대의 기능을 한다. 그림 (d)는 4단압연기로서, 소재와 접촉하는 롤의 지름이 작고, 외측에 보강 롤이 있다. 롤의 지름이 작으면 압연압력이 크게되어 소성이 적어 압연이 어려운 소재의 압연에 사용된다. 그림 (e)는 20단압연기의 예이다.
[2] 열간압연(熱間壓延)과 냉간압연(冷間壓延)
분괴압연을 비롯한 많은 변형을 요하는 작업에서는 열간작업을 하며, 상대적으로 잔류응력이 적으나, 표면이 거칠고 정밀한 치수가 얻어지지 않는다. 반면에 냉간압연에서는 제품의 기계적 강도가 향상되고, 표면이 고우며, 치수가 정확하고, 주로 박판(薄板) 및 대강(帶鋼) 등에 사용된다. 그러나 냉간압연에는 소요동력이 크고, 내부응력이 커지며, 가공경화(加工硬化; work hardening)에 의한 취성(脆性; brittleness)을 동반하므로 냉간압연재를 딥 드로잉(deep drawing)이나 굽힘(bending)에 사용할 때는 풀림(燒鈍; annealing)처리를 하여 내부응력을 제거하고 연화시켜야 한다.
4장. 압출(押出; extrusion)
Al, Cu, Mg, Pb 등 및 그 합금의 각종 단면재(斷面材), 관재(管材)를 얻을 때 소성이 큰 상태에서 빌렛(billet)을 틀(container, chamber)에 넣고 유압 또는 충격으로 램(ram)에 강력한 압력을 작용시켜 다이(die)를 통하여 밀어내는 가공을 압출(押出; extrusion) 또는 압출가공이라 한다. 압출이 되는 동안 다이(die)의 형상과 크기가 정해져 있으므로 제품의 단면은 일정하며, 거의 모든 단면재의 압출이 가능하다. 압출이 전에는 연질금속에 한정되었으나, 최근에는 각종 강재(鋼材) 및 특수강(特殊鋼)에도 적용한다. 압출은 큰 압력을 필요로 하므로 일반적으로 열간에서 행한다. 압출 제품의 특징을 들면 다음과 같다.
1. 대형의 주괴를 수차에 걸쳐 압연할 것을 1회의 압출로 얻을 수 있다.
2. 압연제품에 비하여 (강도/비중)이 크다.
3. 절삭성이 양호하다.
4. 표면의 정도가 높다.
5. 측면의 내외부에 리브(rib)를 둘 수 있다.
램(ram)의 진행방향과 압출재의 유동방향에 따라서 직접압출(直接押出; direct extrusion)과 간접압출(間接押出; indirect extrusion)이 있다. 직접압출은 그림 (a)와 같이 램의 진행방향과 압출재의 유동방향이 같은 경우로서, 틀(container)내의 빌렛(billet)이 전부 동시에 이동하기 때문에 틀(container)벽과 빌렛(billet)사이에 마찰에 의한 동력이 램의 진행방향과 압출재의 유동방향이 반대인 간접압출에 비하여 크며, 압출시 직접압출에서는 20 ~ 30%의 빌렛이 틀(container)에 잔류하나 간접압출에서는 10% 정도까지 줄일 수 있다. 직접압출을 전방압출(前方押出; forward extrusion), 간접압출을 후방압출(後方押出; backward extrusion)이라고도 한다.
[1] 관(管; pipe)의 압출
관제품을 얻는 압출에는 복동 프레스에서 아래 그림(a)에서와 같이 심봉(心棒; mandrel)이 먼저 작동하여 천공(穿孔; piercing)을 하고 압출하는 방법, 그림(b)와 같이 단동 프레스에서 심봉과 램이 동시에 작동하여 천공하고 압출하는 방법, 고압에서 접합이 잘 되는 Al 및 Mg 등에는 그림(c)와 같이 spider mandrel을 사용하여 다이(die)의 출구부에서 접합되게 하는 방법 및 주조 또는 기계가공에서 구멍을 낸 빌렛(billet)을 사용하여 압출하는 방법이 있으며, spider mandrel을 사용하는 압출에서는 윤활제는 접합을 방해하므로 윤활제를 사용할 수 없으며, 주조 또는 기계가공으로 구멍을 낸 것을 압출하면 구멍벽에 있는 산화막이 혼입될 수 있는 단점이 있다. 관재압출에서는 다이(die)와 주축(mandrel)의 동심을 유지하는 것이 중요하다
[2] 압출기와 die
압출기는 1000 ~ 4000ton 정도가 보통이고, 큰 것은 15000ton에 달하는 강력한 구조로 되어 있으며, 가장 중요한 부분은 틀(container), 램(ram), 다이(die)등이다. 동력은 유압식 프레스, 토글 프레스(toggle press), 크랭크 프레스(crank press) 등이 제공하고, 다이(die)는 강도, 내열 및 내마모성이 큰 W 강, Cr-Mo 강, W-Cr 강으로 되어 있다. 다이구멍은 제품 지름이 25 ~ 65mm의 봉일 때에는 봉 지름의 0.94배, 25mm 이상일 때에는 0.97배로하는 등 제품의 치수보다 다소 작게한다. 정형부(整形部; bearing)의 길이를 짧게하면 소재와 정형부간의 마찰이 적기 때문에 동력은 적게 소모되나, 정형부의 마모가 커져 수명이 짧게 된다. 정형부를 길게하면 정형부의 수명이 커지고 제품의 치수가 정확하나, 동력 소비가 많다. container의 liner는 외측에 여러 겹으로 보강되어 있다.
[3] 압출제품의 결함
소재의 조건과 가공조건에 따라서 압출제품의 품질에 영향을 주는 결함이 생길 수 있다. 온도가 너무 높거나 압출속도 및 마찰이 크면 표면온도가 상승하여 표면에 균열(surface crack)과 뜻김(surface tear)이 발생할 수 있다. 표면균열은 온도가 낮을 때에도 생길 수 있는데, 이것은 다이에 소재가 주기적으로 응착하기 때문이다. 빌렛(billet) 길이의 2/3 정도가 압출된 후에는 빌렛 표면이 산화막과 함께 중심으로 유동되어 압출될 수 있어 내부에 결함이 생길 수 있으며, 이 때 생긴 구멍을 파이프 결함(pipe defect), 균열을 center crack이라 한다. 건전한 제품을 원할 때에는 압출 후 제품 길이의 1/3 정도는 절단해 내는 것이 좋다. 또는 이를 방지하기 위한 방법으로 다음의 조치를 한다.
1. 빌렛(billet)의 2/3 정도가 압출되었을 때 잔류재료를 제거한다.
2. 황동 등의 압출에서는 압출될 재료의 지름을 틀(container)의 지름보다 작게하여 산화피막이 있는 표면재료는 틀에 잔류케한다.
3. 압출 전에 빌렛(billet)표면을 기계가공하여 제거한다. 가열시 기계가공한 표면에 다시 산화막이 생기지 않도록 하여야 한다.
4. 압출온도, 마찰 및 압출속도가 너무 크면 표면 온도가 크게 상승하여 표면균열을 가져온다. 또는 온도가 너무 낮아도 표면균열을 초래한다. 특히 Al, Mg, Zn 등의 합금에서 많이 나타나는 현상들 이다. 선단(先端)은 압출압력이 상대적으로 낮은 상태에서 압출되어 다른 부분보다 강도가 낮으므로 큰 강도를 요하는 제품에서는 압출 후 처음에 압출된 부분은 절단해 내는 것이 좋다.
5장. 인발(引拔; drawing)
테이퍼(taper)형상의 구멍을 가진 다이(die)에 소재를 통과시켜 구멍의 최소 단면치수로 가공하는 것을 인발(引拔; drawing) 또는 인발가공이라 하며, 외력으로는 인발력이 작용하고, 다이(die) 벽면은 소재에 압축력을 작용시킨다. 봉(棒), 관(管), 선(線) 등의 반제품(半製品)은 압연 및 압출 등에 의하여 만들어지나 치수공차가 작은 단면재는 인발에 의한다. 인발은 보통 상온에서 행하고, 가공 중 변형에 의하여 많은 열이 발생한다. 인발에서는 주로 봉 및 선을 얻으며, 관도 인발하나 심봉(心棒; mandrel)을 사용하여 관의 지름과 벽 두께를 조정하는 경우와 심봉 없이 관의 직경만을 조정하는 경우가 있다.
[1] 인발기와 다이(die)
봉, 선, 관 등을 인발하는 원리는 같으나 소재나 제품의 형상 및 치수에 따라 드럼(drum)에 감을 수 없는 경우와 감을 수 있는 경우가 있다. 드럼(drum)에 감을 수 없는 경우에는 그림과 같은 인발기에서 가공한다. 다이에서 나온 인발제품을 턱(jaw)에 물고 체인(chain) 또는 유압장치에 의하여 50000 ~ 300000 lb의 인발력에 의하여 10 ~ 20m/min의 속도로 인발한다.
지름이 작은 신선(伸線; wire drawing)에서는 드럼(drum)에 감아 인장하며, 그림 (a)와 같은 단식신선기(單式伸線機; single wire drawing machine)와 그림 (b)와 같은 연속신선기(連續伸線機; continuous wire drawing machine)가 있다. 완성 제품의 지름이 1/4 in 이상일 때에는 단식신선기를 사용하고, 보다 작은 선을 얻고자할 때에는 연속신선기에서 완성 치수에 달할 때까지 신선한다. 다이의 매 통과당 단면감소율은 가는 선에 대하여 15 ~ 25%, 굵은 선에서는 20 ~ 50% 정도이다. 연강에서는 30%, 경강에서는 25% 정도이다. 신선속도는 강선에서 4m/sec, 황동선에서 5m/sec 정도이나, 최근에는 20 ~ 30m/sec 정도인 것도 있다.
[2] 인발응력
인발력은 다이(die)의 수명 및 인발제품의 품질에 영향을 미치며,
1. 소재의 지름을 감소시키는데 요하는 힘
2. 소재와 다이(die) 사이의 마찰을 이기는데 요하는 힘
3. 다이(die) 입구와 출구에서 표면층의 전단변형에 요하는 힘
로 구성되고, 인발력에 영향을 미치는 인자는 다음과 같다.
(1) 다이(die) 각:
그림 (a)의 실험 데이타에서 단면감소율을 일정하게 할 때 다이 각이 증가하면 전단변형이 증가하고 순변형에 요하는 응력은 일정하며, 외부 마찰응력은 감소하여 이들의 합인 인발응력의 최소값을 갖는 다이 각이 있음을 알 수 있다. 그림 (b)는 각 단면감소율에 대한 인발응력을 최소로 하는 최적 다이 각을 보여 준다.
(2) 마찰력:
마찰력
mu times P
가 작을수록 좋으며, 마찰계수
mu
는 다이(die) 벽면압력 P, 다이 내부의 표면상태, 윤활제 및 윤활방법 등에 따라 다르고, 그림은 윤활제에 대한 다이 벽면압력과 마찰계수와의 관계를 보인다.
(3) 단면감소율:
소재의 단면적을 A_0 , 인발 후의 것을 A_f 라 할 때
( A_0 - A_f )/ A_0
를 단면감소율이라 하고, 다이 각이 일정할 때 인발력은 단면감소율의 증가와 더불어 증가하며, 강봉에 대한 단면감소율은 10 ~ 30%, 비철금속봉에서는 15 ~ 30%, 강관에는 15 ~ 20%정도이다. 그림은 동선을 인발할 때의 단면감소율과 인발력의 관계를 보인다.
(4) 역장력(逆張力, back tension):
인발력과 반대방향으로 가하는 힘을 역장력이라 하며, 이를 가하면 다이(die)의 마찰력이 적어 다이의 수명이 커지고, 정확한 치수의 제품을 얻을 수 있다. 또한 역장력을 가하면 소재의 중심부와 외측부의 소성변형이 균등하게되고, 열발생이 적어지며, 제품에 잔류응력이 적다. 그림은 C가 0.44%인 강을
D_0 = 2.49mm,
D_f = 2.03mm의 조건에서 인발할 때의 역장력과 인발력의 관계이다. 그림에서 역장력이 커질 때 인발력도 증가하나 인발력에서 역장력을 감한 다이(die)의 추력(推力; thrust)은 감소함을 알 수 있다. 이는 다이 벽압력 P가 감소하는 것을 의미한다.
(5) 인발속도:
저속도 범위에서 인발속도가 증가하면 인발력이 급증하나, 속도가 어느 이상되면 인발력에 대한 속도의 영향은 적다. 조건에 따라 실용속도는 30 ~ 2500m/min이지만 고속에서는 열의 발생이 많다.
[3] 인발제품의 결함
인발제품의 결함에는 소재의 결함에서 오는 경우와 인발과정에서 오는 경우가 있으나, 여기에서는 후자에 대해서만 언급한다. pass 당 단면감소율이 1% 이하인 경우에는 축방향의 잔류응력은 표면에서 압축응력, 중심에서 인장응력이 발생하고, 반지름 방향의 잔류응력은 표면에서 0이고, 중심에서 인장응력이 발생한다. 원주의 것은 축방향의 것과 비슷하다.
단면감소율이 클 경우에는 위의 경우와 반대로 축방향과 원주방향의 잔류응력은 표면에서 인장응력, 중심에서 압축응력이 발생하고, 반지름 방향의 것은 중심에서 압축응력이 발생한다. 그림 (a)는 중심으로 부터 거리에 대한 잔류응력, 그림 (b)는 다이(die) 각과 단면감소율에 대한 잔류응력의 관계를 보인다.
6장. 제관(製管; pipe making)
관(管; pipe)은 주조, 용접, 압연, 압출 및 인발 등에 의해서 만들거나, 만들 때 이들 중 한 과정을 거칠수 있다. 따라서 각 해당 제조법에서 제관법을 부분적으로 취급하여으나 제관법에 대한 종합적 지식을 얻는데에 도움을 주기 위하여 제관법의 종류를 소개한다.
관의 제조법
1. 이음매 없는 파이프(seamless pipe)
천공법(穿孔法; piercing process)
만네스만 압연천공법(Mannesmann piercing process)
압출법(extrusion process)
원심주조법(centrifugal casting)
2. 이음매 있는 파이프(seamed pipe)
용접법
관은 재질에 따라 강관, 동관 등이 있고, 이음매의 유무에 따라 이음매 없는 파이프(seamless pipe)와 이음매 있는 파이프(seamed pipe), 단면형상 따라 원형관, 4각관 등, 용도에 따라 도관(導管; conduit), 배관(配管; line pipe), 압력관(壓力管; pressure pipe), 구조용관(構造用管; structual pipe), 구동관(驅動管; drive pipe), 관주(管柱; tubular pole) 등이 있다.
[1] 이음매 없는 파이프(seamless pipe)
(1) 만네스만 압연천공법(Mannesmann piercing process):
그림 (a), (b)에서 보는 바와 같이 재료를 압축하면서 회전시키면 중심부에 균열이 생기는 것을 흔히 볼 수 있을 것이다. 그림 (c)에서와 같이 롤러(roller)이 수평에 대하여 5 ~ 10o 정도 경사되어 있으며, 중앙부는 25mm 정도가 동일 지름으로써 평탄부를 이룬다. 두 롤(roll)은 수평면 상에서 서로 6 ~ 12o 정도 교차되어 있어 billet이 회전운동과 직선운동을 하게 된다. 이 때 2개의 roll의 회전방향은 같고, 빌렛(billet)은 반대 방향으로 회전한다. 그림 (d)에서 롤(roll) 표면의 접선력(마찰력) F의 분력인 F * cos α에 의하여 가공물인 빌렛(billet)이 회전하게 되고, 분력 F * sin α 의하여 가공물이 전진운동을 한다. 롤(roll)의 중앙부로 갈수록 지름이 크기 때문에 가공물은 심한 비틀림을 받아 표면이 인장되는데 지름의 감소만으로는 보충할 수 없으므로 가공물 중심의 재료가 유동하게 된다. 가공물이 롤(roll) 사이에서 이탈되지 않도록 가이드(guide)가 설치되어 있다. 롤(roll)의 주속은 75 ~ 900mm/min 정도이며, 소재의 가열온도는 1250℃ 정도로서 열간가공이다.
[2] 이음매 있는 파이프(seamed pipe)
노(爐)를 통과시켜 1400℃로 가열된 강 strip을 롤(roll)로 성형하고 단접 롤러로 단접하는 방법과 상온에서 성형하고 접합부를 전기용접하는 경우가 있다. 전기용접 중에는 submerged arc 용접, 전기저항용접 등이 사용된다.
7장. 전조(轉造; form rolling)
소재나 공구(roller) 또는 양자를 회전시켜 소재에 공구의 표면형상을 각인(刻印)하는 일종의 특수압연이라 볼 수 있는 가공을 전조 또는 전조가공이라 한다. 전조는 냉간가공으로서 로 제조되는 것에는 원통 롤러(roller), 볼(ball), 링(ring), 나사, 기어(gear), 스플라인(spline) 축, 냉각 핀(fin)이 붙은 관 등을 들 수 있다. 아래 그림은 절삭가공에 의한 제품과 전조에 의한 것의 섬유상태를 비교한 것이며, 전조의 특징을 열거하면 다음과 같다.
1. 압연이나 압출등에서 생긴 소재의 섬유가 절단되지않기 때문에 제품의 강도가 크다.
2. 소재와 공구가 국부적으로 접촉하기때문에 비교적 작은 가공력으로 가공할 수 있다.
3. 칩(chip)이 생성되지 않으므로 소재의 이용률이 높다.
4. 소성변형에 의하여 제품이 가공경화되고, 조직이 치밀하게되어 기계적 강도가 크다.
[1] 나사전조(螺絲轉造; thread rolling):
제작하고자 하는 나사의 형상과 피치(pitch)가 같은 다이(die)에 나사의 유효지름과 거의 같은 소재를 넣고 다이를 통하여 소재에 압력을 가하면서 소재를 회전시켜 나사를 만든다. 나사전조기에는 평(平) 다이 전조기, 롤러 다이 전조기, rotary planetary 전조기 등이 있다.
평 다이(die) 전조기는 그림과 같이 다이(die) 중 1개는 고정하고 다른 1개는 직선운동을 하면서 1회의 행정으로 나사를 완성한다. 전조 때의 하중은 다이 면에 수직성분, 회전방항 성분인 접선력, 나사 축방향의 성분으로 되어 있다. 다이에는 성형부와 다듬질부가 있으며, 다듬질부의 최소길이는 나사의 1/2회전 길이인 (유효경에 대한 원주)/2로 한다.
롤러 다이(roller die) 전조기는 그림 (a)와 같이 2개의 롤러 다이로 되어 있으며, 2축은 평행하고 그 중 1개는 위치가 고정되고 다른 1개는 이동할 수 있게 되어 가압하면서 다이와 소재가 회전한다. 그림 (b)는 나사 지름에 대한 전조력을 보여주는 예이다. 3개의 롤러(roller)를 사용하는 경우도 있는데 소재의 위치는 안정되나 정밀도는 2개로된 전조기에서보다 떨어진다.
rotary planetary 전조기는 그림과 같이 segment die를 고정시키고 원형 다이를 회전시켜 자동으로 끌려 들어가는 소재가 출구에서 나사가 가공되어 나온다. 크랭크 운동에 의한 평 다이에서는 가공을 하지 않는 귀환행정(歸還行程; return stroke)이 있으나, rotary planetary 전조기에서는 그와 같은 공회전이 없어 생산능률이 높다.
차동식(差動式) 전조기는 2개의 원형 다이를 동일 방향으로 회전시키며 소재를 다이의 원주속도차의 1/2의 속도로 접선방향에서 공급하여 다이의 최소 간격을 통과할 때 나사가공이 완성된다.
[2] 볼(ball) 및 원통 롤러(roller) 전조:
볼(ball) 전조는 그림 (a)와 같이 2개의 다이 롤러(die roller)가 동일 평면상에 있지 않고 서로 교차되어 있어 소재를 가압하면서 이송시킨다. 다이 홈은 볼을 형성하고 산은 소재를 들어가게 하여 최후에는 절단한다. 강구(鋼球)는 800 ~ 1000oC에서 전조한다. 그림 (b)는 전조가공이 아니지만 볼(ball)을 가공하는 다른 방법인 업세팅(upsetting)이 있다는 것을 겸해서 소개한다. 업세팅에 의한 제조에서는 밀려나오는 flash가 너무 크지 않도록 하여야 하며, 이 볼(ball)을 베어링(bearing)에 사용하기 위하여는 연삭다듬질 또는 연마(polishing) 등을 한다.
원통 롤러(roller) 전조에서는 그림과 같이 다이인 롤러를 상호 평행하게 하며, 1개의 롤러에만 필요한 돌기를 나선형으로 만든 전조기를 사용한다.
[3] 기어(gear) 전조:
기어(gear) 전조는 치형(齒形)과 치폭(齒幅)이 작은 것에 많이 이용되며, 전조방식에는 랙 다이(rack die), 피니언 다이(pinion die) 및 hob 형 다이 등을 이용하는 것이 있다.
랙 다이(rack die) 전조기는 그림과 같이 한 쌍의 랙 다이(rack die) 사이에 소재를 넣고 가압하면서 랙 다이를 이동시켜 소재를 굴리면 다이 홈과 맞물리는 기어(gear) 및 스플라인(spline) 축을 제조한다. 이 방법은 소형 기어의 제조에는 많이 사용되나 대형 기어에서는 다이가 길어져야 하므로 부적당 하다.
hob die 전조기는 전조공구를 소재의 상하에 두고 가압하면서 hob die를 회전시켜 소재를 축방향으로 이동시켜 가공하고, 다음 차례의 가공을 위하여 소재를 분할대(分割臺; index head)에 의하여 소정의 각도만큼 회전시켜 다이(die) 사이에 넣는다.
피니언 다이(pinion die) 전조기는 그림과 같이 피니언 다이(pinion die)로 소재를 가압하면서 소재를 맞물고 회전시켜 기어를 제조한다. 치형이 클 때에는 2개 또는 3개의 피니언 다이로 다른 방향에서 가압한다.
[4] 드릴(drill) 전조:
드릴(drill) 전조기는 드릴과 탭에 홈가공을 하고, 이 때 소재는 길이 방향으로 연신되면서 홈이 생기며, 다이에는 홈만을 가공하기 위한 것과 여유면 가공용이 따로 있다.
[5] 단붙이축(軸) 전조:
종래에는 자동차축의 단(段), 전동기축의 단을 기계가공에만 의존하였으나, 최근에는 그림과 같이 롤러 다이(roller die)로 소재를 회전시키고, 축방향으로 인발하여 축에 단을 만든다.
8장. 프레스 가공(press work)
판재(板材)의 성형가공(成形加工)이 소성가공 중에서 차지하는 비중이 크며, 다량생산용 기계로서 프레스가 사용되는 경우가 많아 소성가공의 대 분류로서 판금가공(板金加工; sheet metal work, plate work)의 의미로 프레스 가공의 장을 두기로 한다. 프레스는 회전운동을 직선운동으로 바꾸는 크랭크 기구에 의한 크랭크 프레스(crank press), 유압에 의한 프레스 등을 사용하여 다이 위에 놓인 소재를 펀치을 통하여 가압함으로써 성형한다. 그러나 본 장에서는 판재를 성형하기 전후 전단가공을 하는 경우가 많으므로 소성가공에 속하지는 않으나 전단가공도 취급하기로 한다.
프레스에 의한 판금가공은 무수히 많으나, 전단가공(剪斷加工; shearing work), 굽힘가공(bending work), deep drawing, 부조가공(浮彫加工; embossing), 압인가공(壓印加工; coining) 등이 기본가공이다. 전단가공은 소성가공이 아니나 본장에서 취급하는 모든 판금 성형가공에 수반되기 때문에 여기서 다룬다.
[1] 전단가공(剪斷加工)
그림과 같이 펀치(punch)가 다이(die) 위의 소재를 가압하면 소재는 먼저 탄성변형을 거쳐 소성변형을 하고, 전단 과정을 거쳐 파단 된다. 즉 소재 표면은 인장응력을 받으며, 그 응력은 펀치와 다이의 edge 부근에 집중되고, 가공이 진행됨에 따라 소재의 탄성한계를 넘어 소성변형에 들어가 소재를 압축한다. 가공이 더욱 진행되어 edge의 압축응력이 소재의 전단저항보다 크게되면 그림 (b)와 같이 전단이 시작되고 마침내 그림 (c)와 같이 punch edge와 die edge의 전방에서 크랙(crack)이 발생하여 그것이 서로 이어지면 파단되는 것이다. 이 때 그림 (d)와 같이 세로 및 가로 방향의 집중응력에 의한 굽힘 모멘트(moment)가 소재를 펀치와 다이의 측면에 밀착시킴으로써 전단면을 광택있는 깨끗한 면으로 하는 소위 burnishing 작용이 이루어 진다.
[2] 굽힘가공
프레스를 사용한 각종 굽힘작업에서 단순형(單純型) 다이, 총형(總型) 다이 또는 복동형(複動型) 다이를 사용한다.
판(板; plate)을 굽힐 때 그림과 같이 굽힘 외측은 인장응력, 내측은 압축응력을 받고, 응력을 받지 않는 중립면(中立面)의 위치는 판두께의 중앙에서 내측으로 이동하며, 폭방향으로 외측에서는 수축하고 내측에서는 팽창한다. R가 작거나, b
그림과 같이 굽힘가공에서 변형 중 일부 탄성변형이 복원되는 되는 것을 스프링백(springback)이라 한다. V 굽힘에서는 스프링백이 보통 벌어지는 쪽이나, U 굽힘에서는 가공조건에 따라 외측 또는 내측으로 된다. 스프링백 량은 판의 재질, 두께, 등 가공조건에 따라 다르며, 스프링백이 작을 수록 정밀한 제품이 얻어진다. 이것을 작게 하려면 굽힘 반지름을 작게하고 기계 프레스보다 액압 프레스로써 장시간 가압하는 것이 유리하다. 특히 U 굽힘에서 펀치 모서리 반지름이 크고 여유가 크면 외측으로 스프링백이 생기며, 펀치 모서리 반지름이 작고 다이 모서리 반지름이 클 때에는 스프링백이 내측으로 생긴다.
[3] 드로잉(drawing)
평면 블랭크(blank)를 원통형(圓筒形), 각통형(角筒形) 및 반구형(半球形) 등의 형상을 갖는 용기를 주름살 없고 이음매없게 프레스로 성형하는 가공을 드로잉(drawing)이라 한다. 여기에서 드로잉이란 프레스를 사용하는 드로잉, 즉 프레스 드로잉(press drawing)을 의미하므로 앞에서 공부한 인발(引拔)이란 의미의 드로잉과 혼돈 없기 바란다.
드로잉 제품의 예로서 주위에서 흔히 볼 수 있는 것을 들면 냄비, 식료품 용기, 음료수 용기, 부억 싱크대, 자동차 연료 탱크등이 있다. 용기의 깊이가 지름보다 작은 경우의 드로잉을 shallow drawing이라 하고, 깊이가 지름보다 큰 경우의 드로잉을 딥 드로잉(deep drawing)이라 구별하는 경우가 있으나, 일반적으로 딥 드로잉하면 shallow drawing까지를 포함한다. 원통을 드로잉하는 경우의 예를 들면 압판으로 블랭크를 누른 상태에서 펀치를 하강시키면 소재는 다이와 펀치 사이에서 *원주방향으로 압축되고 반지름 방향으로 신연(伸延)되는 금속유동을 한다. 이 때 압판압력이 불충분하면 플랜지(flange)에 주름이 생기기 쉽고, 압판압력이 너무 크면 파열될 수 있다.
딥 드로잉(deep drawing)에서 중요한 인자는 판금의 성질, 드로잉율, 펀치와 다이의 모서리 반지름, 압판압력, 마찰 및 윤활이다.
(1) 드로잉 다이:
다이(die)에는 압판(押板)이 없는 단동식 다이와 압판을 갖춘 복동식 다이가 있다.
단동식 다이에서는 그림 (a)와 같이 블랭크(blank)를 다이 위에 놓고 펀치를 하강시키면 그림 (c)와 같은 용기로 성형되어 다이의 하단부(下端部)에서는 스프링백에 의하여 펀치와 제품 사이에 간극이 생기므로 제품이 밑으로 떨어진다.
복동식 다이에서는 압판이 펀치보다 먼저 하강하여 소재를 누르고, 다음에 펀치가 하강하여 드로잉을 하며, 아래의 예에서는 압판이 2중으로 설치되어 외주의 압판과 중간 펀치로 블랭크(blank)를 만들고, 그 다음, 중간 펀치가 압판 역할을 하고 중심에 있는 펀치가 하강하여 드로잉을 한다. 펀치에 구멍을 내어 공기가 들어가 제품이 쉽게 빠질 수 있게 한다.
준복동식 다이에서는 그림과 같이 펀치가 고정되어 있고 다이가 하강하면 knock-out이 상승하면서 압판이 하강하여 드로잉이 이루어진다. 드로잉이 완료되어 다이가 상승하면 knock-out spring에 의하여 제품이 밀려 빠진다. 가공 초기에는 압판의 압력이 적으나 가공이 진행됨에 따라 점차 증가하기 때문에 기준압력을 정하기가 곤란하므로 주로 얕은 제품의 드로잉에 이용된다.
(2) cupping과 deep drawing:
cupping이란 드로잉 중 단일 공정에서 제작된 컵(cup) 형상을 만드는 것이며, 이 것이 최종 제품이 되는 수도 있고, 다음 공정을 위한 초기 가공이 될 수도 있다.
딥 드로잉(deep drawing)이란 cupping된 것을 다시 드로잉하여 깊은 용기를 만드는 가공이며, 이에 대하여 cupping을 1차 드로잉이라고도 한다. 딥 드로잉에는 용기의 內外面이 cupping 때의 것과 같은 직접 딥 드로잉(direct deep drawing)과 cupping 때의 내외면이 바뀌는 역식 딥 드로잉(inverse deep drawing)이 있다. 그림 (a)는 컵(cup)을 풀림(annealing)하여 직접 딥 드로잉을 행하는 것이며, 그림 (b)는 연속적으로 직접 딥 드로잉을 하는 것을 보여 준다. 그림 (c)는 역식 딥 드로잉을 보여주며, 내외면이 바뀌므로 같은 면이 계속 인장 또는 압축만을 받는 일이 없고, 이 가공법의 특징은 다음과 같다.
1. 큰 단면감소율을 얻을 수 있다.
2. 중간에 풀림(annealing)할 필요가 없다.
3. 복잡한 형상에서도 금속의 유동이 잘 된다.
4. 두께 1/4 in보다 두꺼운 판에 대해서는 곤란하다.
5. 정확한 조정을 요한다.
(3) 소재(blank)의 치수:
압연, 압출, 인발 등에서는 소재의 체적과 제품의 체적이 같다고 보고 소재의 치수를 결정하였으나, 드로잉(drawing)에서는 이들 표면적이 같다고 보고 소재의 치수를 정한다. 아래 표는 복잡하지 않은 용기의 드로잉에 필요한 블랭크(blank) 치수 예이며, 복잡한 형상의 것은 실험적인 방식에 의하여 근사적으로 구한다.
(4) 드로잉(drawing) 율:
딥 드로잉(deep drawing)에서는 필요에 따라 1회, 2회, 등으로 가공하여 제품의 지름을 줄여 나간다. 이 때 블랭크(blank)의 지름을 do, 1회 가공품의 지름을 d1, 최종 n회 가공에서 얻은 것의 지름을 dn라 하면 전 드로잉(全 drawing) 율 m은 다음과 같다.
m= d_n / d_0 = d_1 / d_0 times d_2 / d_1 times · times ·times ·times d_n / d_n-1
이며,
d_1 / d_0 = m1 ,~~ d_2 / d_1 =m2 ,~~ d_3 / d_2 =m3 ·····d_n / d_n-1 =mn 라 하면
m = m1 times m2 times m3 times ····times mn
즉 전 드로잉(全 drawing) 율은 각 드로잉 율의 합(積)과 같다. 드로잉 율은 재질, 블랭크(blank) 두께(t)/do에 따라 다른다.
(5) 가공경화(加工硬化; work hardening):
드로잉(drawing) 깊이가 점점 커지고 드로잉 회수가 많아짐에 따라 가공재료는 소위 가공경화되어 소성변형이 어렵게되며, 잔류응력이 커진다. 이런 상태에서 계속 무리한 가공을 하면 가공재료가 파열되므로 풀림(annealing)하여 소성을 회복시켜 주어야 한다. 재료의 가공경화성은 재료와 가공정도 및 가공조건에 따라 다르나, 냉간 드로잉에서는 다음 가공경화곡선을 이용하고 있다. 각 곡선의 아래 부분에서는 가공재료가 연질상태이고, 위 부분에서는 경질상태 이다. 곡선의 기울기는 가공경화율의 척도로서 기울기가 클 수록 경화속도가 큰 것이 된다.
(6) 다이(die) 및 펀치(punch)의 nose 반지름:
그림 (a)에서 다이의 nose 반지름 rd와 펀치의 nose 반지름 rp가 커지면 블랭크(blank)의 굽힘 저항이 감소되어 드로잉이 용이하나, 너무 크면 블랭크가 빨리 끌려들어가 용기에 주름이 생기며, 너무 작으면 인장변형이 커져서 모서리가 얇아지고 인장이 너무 심하면 파열된다.
그림 (b)는 rp/t 및 rd/t와 drawing 률의 관계이며, rd/t와 rp/t가 커질 수록 드로잉 율 감소하므로 단면감소를 크게할 수 있다.
일반적으로 1회 드로잉에서
r_d 와 r_p 가 (4 ~ 6) * t ~ (10 ~ 20) * t
이며, 2회, 3회에서는
r_d 와 r_p 는 작아진다.
와 punch의 r_p 가 드로잉 율에 미치는 영향
(7) 다이와 펀치 사이의 간극(間隙):
다이와 펀치 사이의 간극은 소재의 두께와 다이와 펀치 사이의 마찰을 줄이기 위한 여유의 합이며, 이 여유는 소재두께의 7 ~ 20% 정도로서 소재의 강도 및 가공정도에 따라 다르다. 간극이 너무 작으면 천공 또는 전단가공이 될 수 있고, 간극이 너무 크면 블랭크(blank)의 외경부로 이루어 지는 림(rim) 근처의 벽 두께가 크게된다. 간극이 너무 커서 생기는 불균일한 벽 두께를 조정하기 위하여 그림과 같이 두꺼운 벽을 얇게하는 가공을 ironing 이라하며, 동시에 높이도 늘어나는 재 드로잉(redrawing)이 된다. 이 때 펀치와 다이의 간극은 벽의 두께보다 작게 취한다.
(8) 귀발생(earing):
압연재인 판재는 방향성을 갖고 있기 때문에 딥 드로잉(deep drawing)하면 아래 그림에서와 같이 연신의 차이로 파형의 단면(端面)을 갖게 된다. 이 현상을 귀발생(耳發生; earing)이라 하며, 이방성(異方性)이 적은 블랭크(blank)를 사용하면 귀(耳; ear)의 크기는 작아진다.
(9) 윤활제(潤滑劑; lubricant):
윤활제의 사용목적은 마찰을 감소시키고, 소재의 외부 및 내부에 발생하는 열을 냉각시키며, 성형을 깨끗이 하고 녹스는 것을 막는데 있다. 펀치와 블랭크 사이에는 마찰이 있음으로 해서 하중이 견인부(牽引部)에 집중되지 않고 분산되는 효과가 있어 유리하므로 윤활은 다이와 블랭크 사이에 하는 것이 좋다.
(10) blank holder의 지지력(支持力):
드로잉 중 제품에 주름이 생기지 않도록 블랭크 홀더(blank holder)로 블랭크를 눌러 준다. 블랭크 홀더의 압력이 너무 크면 펀치의 하중이 커지고 블랭크가 파열될 수 있으므로 블랭크 홀더의 압력은 제품에 주름이 생기지 않을 정도의 범위에서 최소로 하는 것이 좋다. 블랭크 홀더에는 고정식(固定式)과 정압식(定壓式)이 있는데 전자에서는 다이 상면과 홀더의 간격을 일정히 하며, 가공 중 약간의 주름이 발생하나 펀치와 다이 사이에서 제거된다. 드로잉할 때 주연부(周緣部)의 두께가 약간 증가하므로 다이 상면과 홀더와의 간극은 (1.1 ~ 1.3) * t 정도로 하는 것이 좋다. 정압식의 경우에는 고무, 스프링(spring), 유압, 공기압 등으로 가공 중에 일정한 힘 H로 가압한다.
블랭크(blank)의 지름을 d_0 , 다이의 지름을 d_d , 블랭크 홀더의 압력을 h_s 라 하면 h_s 는 블랭크 인장강도의 5 ~ 6%로서, 5 ~ 35 kg/cm^2
정도 이다. 아래 표는 블랭크 홀더의 압력이다.
(11) 펀치(punch)의 작용력:
펀치의 작용력 계산에서 흔히 사용되는 것은 블랭크가 파열되는 응력을 드로잉 압력의 기준으로 하나, 실제의 작용응력은 이보다 작다.
그림과 같이 용기의 평균지름을 d, 판의 두께를 t, 블랭크의 인장강도를 σ라 하면 펀치력 P는
[4] 압축가공(壓縮加工)
본 압축가공에서는 상하(上下)의 다이(die) 사이에 판재를 넣고 압축력을 가하여 판에 凹凸을 내는 압인가공(coining)과 부조가공(embossing)만을 취급한다.
그림과 같이 소재를 상하면(上下面)에서 압축할 때 압축면적을 A, 단위면적의 압축저항을 kf라 하면 압축력 P는 다음과 같다.
P= K_f times A
K_f
는 재료 및 가공조건에 따라 다르고, 압축변형률
( h_0 - h_1 ) / h_0
의 함수이다.
(1) 압인가공(壓印加工; coining):
그림과 같이 소재면에 요철(凹凸)을 내는 가공으로서, 가공면의 형상은 이면(裏面)의 것과는 무관하며, 판두께의 변화에 의한 가공이다. 화폐(貨幣), 메달(medal), 뱃지(badge), 문자 등을 압인가공하는 경우가 많으며, colsed-die forging의 일종으로서 윤활을 하면 윤활유가 공간을 차지하여 성형이 제대로 되지 않는다.
(2) 부조가공(浮彫加工; embossing):
그림과 같이 요철이 있는 다이와 펀치로 판재를 눌러 판에 요철을 내는 가공으로서, 일종의 shallow drawing이며, 판의 이면(裏面)에는 표면과는 반대의 요철이 생기어 판의 두께에는 변화가 거의 없다. 이가공법은 장식품의 가공 또는 판의 강성을 높이는데 사용된다. 따라서 분류상 굽힘가공이나 드로잉에 속할 수 있으나 압인가공(coining)과 대조가 되어 여기에서 소개한다.
[5] 박판특수성형가공(薄板特殊成形加工)
(1) 고무압에 의한 성형(rubber forming):
앞에서는 다이가 강성이 큰 고체로 되어 있으나, 고무압력에 의한 성형에서는 어느 한쪽이 고무로 되어 있기 때문에 고무에 접하는 측의 성형제품에 scratch 또는 기타 손상이 없으며, 복잡한 형상의 성형도 가능하는 등, 사용범위의 융통성이 크다.
Marform 방법은 Marform에 의하여 개발된 것으로서, 그림과 같이 펀치를 아래쪽에 , 고무 등의 흡압재(吸壓材)로 된 다이가 위쪽에 놓여 있다. 이방법의 특징은 플랜지(flange)가 작아져 소재가 파열될 가능성이 적어지므로 모서리 반지름을 작게 할 수 있다는 것과 가공 중 펀치의 측면에 수평압력이 작용하는 것 등이다. 따라서
Guerin 방법은 그림과 같이 다이 위에 블랭크(blank)를 놓고 고무 다이로 가압하여 성형하는 방법이며, 고무가 밑으로 밀려나오지 않도록 retainer가 설치되어 있다. 특징은 다이 값이 싸다는 것과 다이를 고정할 필요 없이 놓기만 하면 된다는 것 등이다. Marform 방법과 다른 점은 압판이 없고 얕은 드로잉에 이용된다는 것이다.
(2) 액압성형법(液壓成形法: hydroforming):
Cincinnati Milling and Grinding Machine Inc.에서 개발한 성형법으로서, Marform 방법에서 고무 대신에 액체를 사용한 것이다. 그림과 같이 2개의 고무막 중 하나는 액체밀폐용이고, 다른 하나는 블랭크(blank)와 접촉하는 성형용이다. 펀치가 상승하여 액압을 조절하며, 1000kg/cm2까지 압력을 얻을 수 있다. 또는 펀치의 운동에 의하지 않고 액압실의 압력을 독자적으로 600kg/cm2까지 올릴 수 있다. 이 방법의 특징은 작업 중 압력을 자유로이 조절할 수 있다는 것이다.
(3) bulging:
그림과 같이 최소 지름으로 성형된 용기에 고무를 넣고 압축하는 고무 확관(bulging)과 액체를 넣는 액체 확관(bulging)이 있다.
고무 확관(bulging)은 그림과 같이 고무를 넣고 압축하면 고무가 가로 방향으로 팽창하면서 원용기(原容器)를 다이 형상으로 성형한다. 이 방법에서는 다이를 최대 지름부에서 분리할 수 있게 되어야 한다. 이방법으로 용기뿐 아니라 뚜껑에 나사를 성형할 수 있다.
액체 확관에서는 앞에서 설명한 고무 확관에서 고무 대신에 액체를 고무주머니에 넣어 사용한다. 이 방법에 의하여 딥 드로잉의 난관인 플랜지(flange) 주름살이 해결된다. 그림 (c)는 등반사경 이다.
(4) beading:
그림과 같이 요철이 있는 한쌍의 다이 또는 롤러를 사용하여 판에 홈과 돌기를 성형하는 가공으로서, 보강(補强)이나 장식이 목적이다.
(5) spinning:
선반의 주축과 같은 회전 축에 다이를 고정하고 그 다이에 블랭크를 심압대로 눌러 블랭크를 다이와 함께 회전시키면서 spinning stick이나 롤러로 원통형 제품을 성형하는 가공법으로서, 도자기의 성형법과 유사하다. 다이로는 금속 또는 경목재(硬木材)를 사용하며, 블랭크와 스틱(stick)은 마찰이 심하므로 비누 등으로 윤활하는 것이 필요하다. spinning은 보통 상온에서 시행하나 전성이 낮은 금속 또는 두께가 큰 블랭크에 대하여는 가열하여 가공한다. 공구인 stick 또는 롤러(roller)는 수동이나 자동으로 작동시킨다. 그림 (a)와 같이 얇은 블랭크(blank)를 다이에 눌러대며 성형하는 것을 convential spining 이라하고, 그림 (b)와 같이 판두께를 초대 직경을 유지하면서 벽의 두께를 얇게하는 것을 shear spinning이라 한다.
(6) 인장성형법(引張成形法; stretch forming):
판금의 가장자리를 clamping하여 인장하고 성형 다이 또는 성형 블록(block)을 성형기에 따라 압상, 하강 및 측면으로 이송하여 시켜 소재를 항복응력 이상까지 인장하는 가공법으로서, 항공기, 지붕 panel 등의 성형에 많이 이용된다. 그림 (a)에서는 성형 펀치 다이가 수직으로 이동할 때 인장 턱(jaw)이 수평으로 작용하여 성형하고, 그림 (b)에서는 인장된 상태에서 펀치가 하강하여 드로잉한다.
대부분의 합금은 2 ~ 4% 연신(延伸)되었을 때 의외로 연성이 커져서 신연되지 않은 상태에서의 성형력의 1/3 정도로 성형이 가능하다. 판재는 대부분 4각형으로서 길이방향으로 인장하고 폭방향향으로의 수축을 허용한다. 다이의 재료는 는 비철금속, 강 및 목재가 사용되며, 윤활제는 거의 사용하지 않는다. 인장성형법에서는 소재의 파열을 피하는 것이 중요하며, 예리한 모서리를 갖는 제품은 가공할 수 없다. Boeing 767의 aluminum skin도 인장성형법에 의하여 성형되며, 그 크기는 12m * 2.5m * 2.5mm이고, 인장력은 9MN 정도이다.
9장. 고 에너지 성형법
[1] 폭발성형법(explosive forming method):
고 에너지 화약을 점화 시켰을 때의 충격파를 이용하는 성형법으로서, 그림과 같이 열린 다이(open die)를 사용하는 경우와 닫힌 다이(closed die)를 사용하는 경우가 있다.
열린 다이(open die) 식에서는 다이가 1개이며 블랭크(blank)를 clamping한 상태에서 충격력을 가하며, 다양한 형상의 제품을 얻을 수 있다. 소재의 전성이 크기만 하면 가공품의 크기에는 제한이 없으며, 강판에 대하여 두께 25mm, 지름 3.6m까지 성형한 예가 있다.
닫힌 다이(closed die) 식은 소재가 얇고 소품일 때 주로 사용되며, 확관(bulging)의 경우 두께 25mm까지도 성형을 한 예가 있다.
충격 에너지는 폭약에서 블랭크까지의 거리와 다이 스팬(die span)에 관계하며, 발생 에너지의 일부만 이용하기 때문에 비경제적이나 물 또는 Al 용액 속에서 폭발시키면 에너지의 손실을 다소 줄일 수 있다.
[2] 방전성형법(spark-discharge forming method):
앞에서의 폭약 대신에 10 ~ 20kv의 고압으로 충전된 condenser가 大電流로 액중의 전압에서 방전시켜 6 ~ 172kJ의 높은 에너지로 액체를 급격히 가열하여 기화시킬 때 물이 팽창하고, 그 충격으로 인하여 성형된다. 보통방법으로 성형이 되는 것은 거의 어느 것이나 액중방전성형이 가능하며, 광범위한 치수범위에 대하여 가공할 수 있고, 항공기 제작회사 등에서 성형(forming), beading, drawing, blanking 등에 많이 이용된다.
[3] 자력성형법(electromagnetic forming method):
도전성(導電性)이 좋은 가공재에 대해서 전자력(電磁力)을 이용하여 직접 성형하고, 도전성이 불량한 가공재에 대하여는 도전성이 좋은 재료를 보조로 사용하여 성형한다. condenser에 충전된 고압의 전류를 단시간에 방전할 때 생기는 고밀도의 자장이 생겨 그림과 같이 강력한 힘으로 성형하게 된다. 이때 I1과 I2가 같은 방향이면 인력이 생기고, 반대 방향이면 반발력이 생기며, 작용력은 I1, I2의 크기에 비례한다.
[4] 가스(gas) 성형법(gas forming method):
그림과 같이 고 에너지 연료 가스에 점화하여 폭발압력을 이용하는 방법으로서, 폭발이 안정되어야 하고, 연료 가스는 독이 없어야 하며, 정해진 온도 및 압력하에서 가스 체를 유지하고 있어야 한다. 이에 사용되는 연료에는 H2, ethane, methane 등이다.
10장. 가상 해석 기술
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