단조의 종류와 특징

 

 

단조의 종류와 특징

 

 

1. 개요

 

해머 또는 프레스 등으로 앤빌 위에 있는 공작물에 충격력 또는 압력을 가해 원하는 형상으로 소성 가공 하는 방법으로 금속의 조대한 결정 입자를 미세화 하고 재질을 개선 할 수 있다.

 

 

2. 단조 작업의 종류

 

  1) 자유 단조 (Free Forging)

 

     가압력의 방향에 따라 소재의 변형 방향이 결정 되고 비교적 다른 쪽으로의 변형은 구속없이

     자유로운 상태에서 단조 작업이 이루어진다.

 

     ① 늘이기(Drawing Down) : 단면적을 감소 시켜 길이를 늘이는 작업.

     ② 업세팅(Upsetting) : 축방향으로 타력을 가하여 높이를 줄여 단면적을 넓게 하는 작업으로 일감의 높이는
         지름의 3배 이하일 것

     ③ 넓히기(Spreading) : 나비와 길이를 동시에 넓히는 것

     ④ 굽히기(Bending) : 원형이나 직각 등으로 구부리는 작업.

     ⑤ 절단(Cutting) : 재료를 자르는 작업.

     ⑥ 단짓기(Up setting) : 홈이나 단을 만드는 작업.

     ⑦ 펀칭(Punching) :펀치나 심봉을 이용 가열된 소재에 구멍을 뚫는 것.

     ⑧ 단접(Forge welding) : 2개의 소재를 적당한 온도로 가열하여 맞대놓고 타격하여 붙이는 방법.

 

  2) 형단조( Die Forging)

 

     ① 같은 제품을 대량으로 생산 할 때 상하 양측의 금형을 제작하여 그사이에 재료를 넣은 후 다이에     
         타격을 가하여 단조 하는 방법.

 

     ② 제품의 강도와 치수 정밀도가 높고 기계적 성질이 우수하나 금형 제작비가 비싸 소량의
         생산에는 비경제적이다.

 

     ③ 형단조 금형 설계 시 유의 시항

        ⓐ 생산 경비 저하와 재품 품질 향상에 중점을 둔다.

        ⓑ 가공 압력을 감소시키기 위해 내부의 불필요한 변형 등을 고려하여 블랭크 제품 및 공구 등을 결정한다.

        ⓒ 공구는 가능한 최소의 구속을 하도록 설계하며 표면을 매끄럽게 다듬질 하도록 한다.

        ⓓ 블랭크는 일부씩 성형 하며 가공 행정을 길게하여 압력 저하를 시킨다.

        ⓔ 가공 중 또는 가공 후 재료의 연성을 유지하기 위하여 공구의 구속정도를 증가시켜 인장응력을 제거하고
            정수압을 높인다.

        ⓕ 제품의 강도를 높이기 위해 블랭크 전체가 같은 크기로 변형 하도록 하며 국부적인 심한 변형,
            블랭크의 섬유 방향 절단 및 급격한 굽힘이 일어나지 않도록 설계한다.

 

     ④ 금형 재료의 구비 조건

        ⓐ 고온에서 큰 압력에 견뎌야 한다.

        ⓑ 내마모성 및 내열성이 커서 재료로 부터의 가열에 의해 연화 하지 않을 것.

        ⓒ 수명이 길고 염가 일 것

        ⓓ 전에는 탄소강을 많이 사용 하였으나 현재는 주로 특수강으로 대치되고 있다.

        ⓔ 수명은 약 50,000회의 형단조에 견딜 수 있어야 한다.

 

     ⑤ 형단조 작업 시 유의 사항

        ⓐ 소재 마련 시 제품의 크기, 개수, 정밀도 등을 생각하고 절단 방법, 비용 등을 생각한다.

        ⓑ 다이 벽과 심한 마찰로 형의 손상이 커지므로 미리 자유단조로 (적당한 모양으로) 예비 단조를 한다.

        ⓒ 윤활로 마찰을 줄인다.-- 흑연 콜로이드액, 황화몰리브덴 등의 고체 윤활유

       ⓓ 단조 시 형 내부가 열을 받아 열응력이 발생 하므로 200-300℃정도 예열한다.

       ⓔ 가공 종료 온도는 재료의 재결정 온도와 관계가 있다.

             탄소강 : 850℃, 저합금강 : 900℃, 고합금강 : 1000℃

        ⓕ 단조가 끝나면 플래시 등이 형성 되어 있으므로 프레스 등으로 트리밍 하고 다시 프레스로  
            가볍게 눌러 교정 한다.

 

     ⑥ 형단조 작업의 장점

        ⓐ 대량으로 균일한 제품을 제작할 수 있다

        ⓑ 자유단조 제품에 비하여 강도가 크다.

        ⓒ 제품의 정밀도가 높다.

        ⓓ 작업자의 숙련도가 자유단조보다 낮아도 가능하다.

        ⓔ 제작시간이 단축된다.

        ⓕ 특수한 윤동접촉운동 부분을 제외하고는 절삭가공이 필요없다.

 

     ⑦ 형단조 작업의 순서

        ⓐ 금형의 검사: 제품과의 비교검사에 의한다.

        ⓑ 금형의 장치 : 상하형이 정확하게 장치되어야한다.

        ⓒ 시제품의 제작 : 시제품은 보통 납을 사용

        ⓓ 단조 작업 : 시제품이 정확할 경우 본 작업을 한다.

        ⓔ 제품의 검사 : 설계도와 맞는지 여부를 검사한다.

 

  3) 기타 단조

 

     ① 코이닝(Coining): 폐쇄단조로 동전 등을 성형 하는 방법. 소재의 유동응력의 5-6배의 높은 압력이 필요하다.  
         윤활제 사용금지-표면에 미세한 형상이 복사됨.

     ② 헤딩(Heading) : 기본적으로는 업세팅이며 헷더라는 기계에 의해 둥근봉이나 선 한쪽 끝에
         단면적이 큰 머리를 만드는 작업. ex) 볼트, 못, 리벳등

     ③ 천공(Piecing) : 소재의 표면에 펀치를 압입 시켜 공동부나 압입된 형상을 만드는 작업.   
         천공 압력은 유동 응력의 3-5배.

     ④ 허빙(Hubbing) ; 소재의 표면을 특정한 형상을 가진 경화 처리된 펀치로 압입 하는 작업.

     ⑤ 코깅(Cogging) : 단신 작업 이라고도 하며 연속적으로 각재의 두께를 줄여 나가므로
        길이가 긴소재의 두께도 줄일수 있다.

     ⑥ 압연단조(Roll forging) : 형상을 가진 한 쌍의 로울러 사이에 소재를 통과 시켜 단면적을 줄이거나
         형상을 만드는 작업. 테이퍼축, 겹판스프링, 칼, 수공구등.

     ⑦ 강구전조작업(Skew rolling) : 압연 단조와 비슷한 공정으로 회전하는 로울러에 의해
         연속적으로 구모양의 소재를 대강 성형한다.

 

 

3. 단조방식

 

  1) 열간 단조

 

     ① 가장 일반적인 방식으로 자유 단조 또는 프레스 단조 , 형단조, 스웨이징 등에 두루 쓰인다.

     ② 자유단조에서는 속도가 낮으므로 숙련이 필요하다.

     ③ 재결정 온도 이상에서 가공하면 가공 경화되지 않고 결정 조직이 미세화되나
         너무 온도가 높으면 산화, 탈탄이 된다.

     ④ 최적온도는 재질, 크기, 사용하는 단조기계 등에 따라 달라진다.

     ⑤ 고온일수록 단조가 용이하나 결정 입자 성장 , 가열 등을 고려 최고 온도를 결정 하여야한다.

 

  2) 냉간 단조

 

     ① 열간 작업 후 2차 작업 또는 제품의 완성 가공을 목적으로 한다.

     ② 기계적 강도 증가와 치수 정밀도의 기대 할 수 있다.

     ③ 열간 단조 보다 치수 정밀도가 뛰어나고 표면이 매끄러우나 큰변형 저항 때문에 연성이 좋은 재료에 적당 하다.

     ④ 보통 생산량이 1000개 이상, 자동화일 때는 10만-100만개 이상일 때 경제적이다.

     ⑤ 코어 R는 0.1-1.0mm 이상이어야 한다.

 

  3) 로타리 스웨이징

 

     ① 다이를 회전 시키면서 소재에 연속적으로 타격을 가하는 방법을 로타리스웨이징이라고 한다.

     ② 회전하는 햄머에 램이 부착 되어있고 중심부에 다이가 연결 되어있다. 램바깥 주위를 둘러  
         유성롤이 배열되어 있어 램과 롤이 부딛히는 순간 다이는 중심으로 움직이고 내부에 삽입된 재료를 타격한다.
         램이 롤과 롤사이를 지날 때는 원심력에 의해 벌어지며 다이는 소재에서 떨어진다

     ③ 타격수는 로울러의 회전수에 따라서 결정되며 1분간 수천회의 타격이 가능하다.

     ④ 단조 표면이 매끈하고 단면감소에 유리하고 테이퍼 가공도 가능하다.    
         외형이 축대칭인 제품으로 ∅25mm 까지가 적당하다.

 

  4) 온간 단조

 

     ① 냉간 단조 보다는 높고 재결정 온도 보다는 낮은 온도에서 단조 하는 것을 말한다.

     ② 연강의 경우 대략 700℃ 정도이며 청열 취성이 생기는 온도는 피하는 것이 좋다.

     ③ 냉간 가공에 비해 단조 가공력이 반밖에 들지 않고 공정도 훨씬 단축 할 수 있으며
         가공이 어려운 것도 할 수 있다.

     ④ 열간 단조에 비해 가열 설비 및 비용을 줄일 수 있고 스케일을 없앨 수 있으며 제품의 정밀도가 훨씬 개선된다.

 

  5) 고속단조

 

     ① 해머에 의한 단조 에너지는 타격 속도의 제곱에 비례 하므로 해머 속도를 크게 할수록
         에너지 질량이 커지는 장점을 이용한 것.

     ② 보통단조로 어려운 재료도 쉽게 할 수 있다.

     ③ 고압가스를 이용한 고속 단조가 있다.

 

 

4. 단조용 재료

 

  1) 재료의 항복점이 낮고 연신율이 큰 재료일수록 소성 변형이 유리 하므로 탄소강, 특수강, 동합금, 경합금 등은
      대개 단조가 가능하나 주철은 곤란하다.

 

  2) 탄소강이라도 탄소가 증가할수록 곤란해지며 특수강, 동합금 중에서도 단조가 곤란한 것도 있다.

 

  3) 구리의 함량이 적고 황과 망간의 량이 적당 하고 탄소량이 0.05-0.6%인 기계구조용 탄소강이 가단성이 좋고
      가격이 싸므로 많이 이용된다.

 

  4) 탄소강에서 C가 가장 현저한 영향을 미치며 고탄소강 일수록 단조가 곤란 하며 P는 냉간 취성,
     S는 적열 취성을 일으킨다.

 

 

5. 단조온도

 

냉간, 열간, 온간 단조로 나누어진다.

 

  1) 단조온도

     ① 형상, 재질 및 작업온도에 따라 달라진다.

     ② 재결정 온도 이상에서 가공하면 가공 경화가 일어나지 않고 결정 조직이 미세화 되나
         너무 온도가 높으면 산화, 질화, 탈탄, 연소가 되고 취약해 진다.

     ③ 결정입자 성장, 과열 등을 고려하여 최고 온도를 결정 하여야 한다.

     ④ 보통 연소 되거나 용융되는 온도보다 100℃정도 낮은 온도가 좋다.

     ⑤ 작업 시기는 표면온도가 중심온도가 일치한 후에 행한다.

 

  2) 단조 종료온도

     ① 단조 종료 온도가 낮으면 결정 입자는 미세해지나 내부응력이 잔류하며 국부적인 취성을 가지게 된다.

     ② 단조 종료 온도가 높으면 변태점 까지 냉각하는 동안 재결정이 일어나므로 단조 후 조직이 조대화 하므로
         열처리를 해야 할 필요가 있다.

 

  3) 가열법

     ① 균일하게 가열 하여야 한다.

     ② 급속히 가열 하여야한다.( 산화, 탈탄 방지)

 

 

6. 단조 기계의 종류

 

    순간적으로 타격을 가하는 기계해머류와 정적으로 강대한 압력을 장시간 가하는 액압 프레스로 대별 할 수 있다

 

  1) 기계해머

 

      기계해머의 크기는 (용량은) 낙체(해머를 포함한 낙체)의 총중량을 Kg 또는 Ton으로 표시한다.

 

     ① 증기해머

        ⓐ 비교적 큰 용량을 가진 단조기로 20Ton 이하이다

        ⓑ 해머의 상승 시 혹은 상승 하강 시 모두 증기압이 작용한다.

        ⓒ 운전이 간편하고 수동작업이 가능. 일정한 압력을 유지하는 것이 유리하다.

 

     ② 공기 해머(Air Hammer)

        ⓐ 압축공기의 압력을 이용하여 램을 상승 시겨 타격하는 해머

        ⓑ 조직이 간단하고 중간 정도 이하의 공작물에 적당.

        ⓒ 최대용량 5Ton, 타격속도 100-200회/min

 

     ③ 스프링 해머(Spring Hammer)

        ⓐ 행정이 짧고 타격 속도가 빠르므로 (탄력 이용 연속 타격) 소형물 단조에 작합

        ⓑ 램의 행정은 편심판의 홈을 운송하는 핀 위치에서 가감.

        ⓒ 크랭크 회전수 (대형 70회/min - 소형 200-300회/min)

        ⓓ 해머용량 25-250Kg (1/4Ton이하)

 

     ④ 드롭해머(Drop Hammer)

        ⓐ 램의 수직 이동 방법은 벨트형과 판형의 두 가지가 있다.

        ⓑ 어느 구동 방식을 막론하고 소정의 높이 까지 상승한 램은 자유 낙하 한다.

        ⓒ 낙하 거리 2-4m, 타격횟수 15-60회/min, 램의 중량 100-200Kg.

        ⓓ 램의 높이는 임의로 조정할 수 있고 따라서 타격량을 미세하게 조정할 수 있다.

 

  2) 프레스 단조기

 

      해머에 비하여 타격 작용이 내부에 까지 잘 전달 되므로 에너지 손실이 적고 기계 및 부근 구조물의 진동을
      적게 할 수 있다.

 

     ① 액압 프레스(Hydraulic press)

        ⓐ 일정한 속도로 작동되고 제한 하중을 갖고 있다.

        ⓑ 램의 속도는 행정이 진행 되는 동안 변화 시킬 수 있다.

        ⓒ 형단조, 자유단조에 사용되고 대형단조에 쓰인다.

        ⓓ 용량은 최대 75,000Ton까지 있다.

 

     ② 기계프레스

        ⓐ 제한 행정을 가지고 있으며

        ⓑ 램의 속도가 행정 중앙에서 최대가 되고 하사점이 0이다.

        ⓒ 하중은 행정 위치에 따라 다르고 하사점 부근에서 매우 커지게 된다.

        ⓓ 프레스 용량은 최고 12,000Ton 정도 된다.

 

 

7. 단조기계의 용량

 

  1) 단조 프레스 용량

 

     ① 램에 부착된 피스톤의 가압력(Ton)으로 나타낸다.

     ② 압력P(kgf/cm2), 램의 유효단면적 A(cm2)라 하면 용량P(Ton) 는 

                  P = pA / 100

     ③ 프레스 효율이 η이면 위의 값은 효율로 나누어 계산한다.

                보통 η = 0.7 - 0.8 정도의 값을 갖는다.

 

  2) 해머의 용량

 

     ① 공기해머의 용량은 낙하부분의 총중량으로 나타내므로 kg.f, ton 으로 표시한다.

               WT= Wr + Wh + Wd + Wu

               낙하중량=램중량+피스톤중량+피스톤로드중량+상부단조형중량

     ② 드롭 해머의 용량

              WT= Wr + Wh + Wd

              낙하중량=램중량+피스톤중량+피스톤로드중량

 

 

8. 업세팅 법칙(Up setting)

 

단조에서 소재의 길이 방향 단면 보다 수직 방향 단면이 더 크게 되도록 직경을 확대하는 작업을 엎 세팅(Up-Setting)이라고 하고 이 작업을 수행 하는 단조기를 업 세터(Up Setter)라고 한다. 그런데 업셋을 행할 때 1회 업셋량이 어느 한계를 넘게되면 소재의 좌굴로 인하여 정상적인 작업을 할 수 없게 된다. 이러한 좌굴 방지 조건을 단조에서 업셋 3법칙이라 한다.

 

 

  1) 업셋 3법칙

 

     ① 제 1법칙(자유단조)

          자유 단조의 경우 업셋이 되는 소재의 길이는 직경의 3배 이하 이어야 하고 소재를 구속 하는
          다이의 직경이 1.5배 이상 이면 자유 단조와 같은 조건을 지켜야 한다.

           L ≤ 3 d0 , 1.5d0 < D ( L= 소재의 길이, d0 = 소재의 직경, D=다이 경)

     ② 제 2법칙(형단조)

         다이의 직경이 소재의 1.5배 이하 일 때 다이 안의 소재 길이가 직경의 6배 이하이면 양호한 작업이 이루어진다.

          D≤1.5d0 일 때 L ≤ 6 d0 , 이어야한다.

     ③ 제 3법칙(돌출길이)

         다이의 직경이 소재의 1.5배 이하이고 소재의 길이가 직경의 6배 이하 일 때 다이 외면 바깥으로
         소재가 돌출 되는 길이는 소재 직경 보다 작아야 한다.

          L ≤ 6 d0 ,이고 D≤1.5d0 일 때 L“ ≤ d0 이어야한다.

 

 

9. 단조 시 유의 사항

 

  1) 소재 중량의 감소

 

     ① 단조 작업시 여러 가지 이유로 중량이 감소 하는데 견적시 이 감소량을 고려 하여야한다.

     ② 열간 단조시 스케일의 발생 - 최고 손실 10%

     ③ 형단조시 플래시(flash) 트리밍으로 중량 감소 - 심할땐 50%

     ④ 기타 후가공 감소

 

  2) 단조 결함

 

     ① 재료결함 - 편석, 균열 등 재료가 균일 하지 못한 경우

     ② 가열 결함 - 산화, 탈탄, 균열 및 부적당한 온도.

     ③ 가공방법 결함 - 죅 흐름 불량, 조대 조직, 균열, 치수불량, 어긋남 등.