단조 가공#2 (단조온도, 결함, 단조금형)

1. 단조온도 : 소재를 단조할 때는 산화작용, 단조 지느러미(Fin), 가공여유 등의 이유로 상당한 중량의 감소가 생긴다. 산화작용은 대체적으로 연료의 종류, 가열로의 종류, 가열시간, 가열속도에 의해 다르며 재료손실이 따른다. 단조성을 확보하고 단조제품의 품질을 위한 가열작업과 단조온도는 매우 중요하다. 단조 종료온도가 그 재료의 재결정온도 바로 위에 있는 것이 가장 이상적인 단조 온도이다. (가열된 색을 보고 측정 : 암갈색 < ... < 백색 < 휘백색)

 

   1) 재료 가열 시 주의사항

      ⓐ 재질이 변하기 쉬우므로 너무 급하게 고온도로 가열하지 말 것

      ⓑ 변형을 막기 위해 균일하게 가열할 것

      ⓒ 산화되어 변질되므로 필요 이상의 고온으로 너무 오래 가열하지 말 것

 

   2) 최고 단조온도 : 단조할 때 제일 높은 온도로 이 이상에서는 재료의 산화가 심하게 되고 또한 과열되면 버닝이 생긴다. 연소나 용융 시작온도의 100'c 이내로 접근하지 않도록 한다.

 

   3) 단조 완료온도 : 단조는 열간가공이므로 가공과 동시에 결정입자는 미세화되나 가공작업이 완료하여도 재결정온도 이상에 있을 때에도 결정입자는 다시 조대화된다. 그러므로 단조 완료온도는 재결정온도 근처로 하는 것이 좋다.

 

2. 단조작업

 

   1) 자유단조 

      ① 늘이기 (Drawing) : 굵은 재료를 때려 단면을 좁히고 길이를 늘이는 작업

      ② 굽히기 (Bending) : 재료의 바깥쪽은 늘어나고 안쪽은 압축된다. 응력과 변형이 없는 중립면은 안쪽으로 이동한다. 바깥쪽에 얇아지는 것을 방지하기 위해 덧살을 붙인다. 

      ③ 눌러붙이기 (Up-setting) : 늘이기의 반대로 긴재료를 축방향으로 압축하여 굵게 하는 작업으로 재료의 길이는 지름의 3배 이내로 한다. 

      ④ 단짓기 (Setting Down) : 재료에 단을 지우는 작업

      ⑤ 구멍뚫기 (Punching) : 펀치를 때려박아 구멍을 뚫는 작업

      ⑥ Rotary Swaging : 주축과 함께 Die를 회전시켜서 Die에 타격을 가해 단조하는 작업

자유단조

   2) 형단조 

      ① 형재료의 구비조건 : 내마모성↑, 내열성↑, 수명↑, 염가, 강도↑

      ② 형단조의 특징 : 대량 생산에 적합하고 제품을 빨리 만들 수 있다.

      ③ 종류 : 드롭형 단조, 업셋단조

   

   3) 단접 (Smith Welding) : 연강과 같은 재질은 고온에서 점성이 크고 금속 간에 친화력이 크게 되는데 이런 상태에서 두 소재를 서로 접촉시키고 해머로 충격을 가하여 접합시키는 것이다. (맞대기 단접, 겹치기 단접, 쪼개어 물리기 단접)

 

   4) 타이어 압연 : 기차 혹은 전차 타이어의 압연에는 특수전문기계로서 타이어압연기가 사용된다. 

 

3. 단조의 결함 및 대책

 

   1) 종류

구분	현상 / 원인
표면결함	단조품 표면의 균열 강괴 단조불량, 가열 중의 국부적 산화 및 과열, Blow hole및 과도한 압하
내부결함	Blow Hole의 미압착, 백점, Ghost Crack 원강괴의 불량

 

   2) 결함대책

구분	대책
강괴	원강괴 품질의 확보 (진공조괴법 등을 통한 결함의 제거)
단조 전 처리	강괴의 충분한 육안검사 균열상태로 가열되지 않도록 조치 균열제거 (기계 가공)
단조 중 처리	결함 발생 시 작업 주의, 열간에서 제거 (녹여없앰) 단조 종료 온도가 낮지 않도록 한다
단조 후 처리	열적 취급의 유의 급랭 방지

 

4. 단조 금형의 제작

 

   1) 개요 : 동일한 모양의 단조품을 대량 생산할 때는 형단조를 사용하면 치수정밀도가 높고 성형을 빨리할 수 있으므로 각종 기계부품의 제작에 많이 이용된다. 이와 같은 형 단조시 금형의 설계 및 제작은 매우 중요하다. 

따라서 단조 금형 재료의 구비조건으로는 내열, 내마모성이 커야하고, 충격에 강하고 강인해야 하며, 열처리와 기계 가공이 용이해야 한다.

 

   2) 금형의 종류

구분	특징
밀폐형	플래시(Flash)부에 재료의 유출저항을 증가시켜 형내에 재료가 완전히 충만되어 성형
개방형	재료가 횡방향으로 자유로이 흐르게 한 형식 자유단조와 밀폐형 단조의 중간
1회 가열형	하나의 형에 마무리형, 절단형, 늘리기형 등을 조합하여 만든 것 소재를 한번 가열한 상태에서 성형하여 마무리 가공함

 

5. 단조 금형의 구성 및 제작요점

 

   1) 열간 단조 금형

      ① 플래시(Flash)

         ⓐ 플래시는 금형의 파팅라인상에서 금형 사이로 재료가 흘러나오는 것을 방지하고 상형과 하형의 타격을 완화시키는 역할을 한다.

         ⓑ 플래시 홈의 체적은 금형설계방안 및 가열온도, 스케일, 수축 등의 작업조건에 따라 결정한다.

         ⓒ 보통 플래시의 두께가 작을수록 하중이 커지므로 프레스 용량에 알맞은 플래시 두께를 설정해야 한다.

 

      ② 파팅라인 (Parting Line)

         ⓐ 단조작업, 금형가공이 용이하도록 1평면으로 한다.

         ⓑ 형조각 깊이를 낮게 한다.

         ⓒ 파팅라인의 경사를 작게 하여 플래시 제거가 용이하게 한다.

         ⓓ 다듬질 여유를 가능한 작게 하고 경사지지 않도록 한다.

 

      ③ 빼기경사

         ⓐ 빼기경사는 단조품에서 금형을 빼내기 쉽게 하고 재료의 흐름을 좋게 한다.

         ⓑ 빼기경사가 크면 재료의 소비가 많아지고 후 가공의 절삭여유가 커지므로 가능하면 작게 한다.

         ⓒ 내측의 빼기경사는 금형의 블록부에 접하므로 외측보다 2~3' 크게 한다.

         ⓓ 빼기 경사의 값은 형조각의 깊이가 깊을수록 크게 한다.

 

      ④ 라운딩 (Rounding)

         ⓐ 재료의 흐름을 좋게 함과 동시에 균열을 방지하여 금형 수명을 연장시키는 역할을 한다.

         ⓑ 모서리부의 라운딩이 작은 경우에는 접힘이 발생하거나 눌림이 심해지고 라운딩이 작으면 타격시 응력의 집중과 균열이 발생될 수 있다.

 

      ⑤ 안내장치

         ⓐ 상하 금형의 어긋남을 방지하기 위해 위치결정의 기능이 있는 안내장치를 설치한다.

         ⓑ 안내장치는 블록, 오목부를 가공하여 안내하거나 가이드 포스트, 가이드 부시에 의한 안내방식이 있다.

         ⓒ 안내장치는 단조품의 형상이 불균일하거나 해머정밀도가 나쁜 경우에만 적용한다.

 

      ⑥ 가공 여유 : 정밀한 Die 제작시 기계가공의 여유를 둔다.

 

   2) 냉간 단조 금형

      ① 펀치의 강도 : 펀치가 가늘고 긴 모양이 되면 좌굴파괴를 일으키므로 이를 방지 하기 위해 펀치길이는 일반적으로 지름의 4.5배 이하 대량 생산일 경우 지름의 3배 이하가 적합하다.

      ② 펀치의 형상 

         ⓐ 전방 압출펀치의 선단은 각도를 약간 주거나 평면인 것이 좋으나 후방 압출 펀치는 선단의 형상이 압출압력에 영향을 준다.

         ⓑ 압출압력은 선단의 각도가 120'일 때가 가장 적고 평면일 때가 가장 크나 보통 5~15'의 원추형으로 한다.

         ⓒ 재료와의 마찰을 적게 하기 위해 선단에 평행부를 만들고 그 후방에 지름의 여유를 두는 경우가 있는데 평행부의 길이는 보통 1~3mm 로 한다.

 

      ③ 다이의 보강 : 냉간단조작업에서는 원주방향의 높은 하중이 걸리므로 다이를 외부에서 보강링을 열박음 또는 억지 끼워 박음으로 보강해서 사용한다. 

      ④ 다이의 분할 : 다이 구멍의 모서리는 응력집중에 의한 균열방지를 위해 라운딩을 한다. 라운딩을 주지 않을 경우에는 다이를 가공방법을 고려하여 가로, 세로, 혼합분할 등을 하여 응력집중을 피한다.