챕터 2. 소성가공

챕터 2. 소성가공

 

1. 소성가공의 개론

 (1) 소성가공의 개요

   1) 소성가공

      1. 소성변형과 탄성변형

       ㄱ. 소성변형 : 재료에 외력을 가하면 재료내부에는 변형이 생긴다. 이러한 외력이 어느 정도이상 크게 되면 외력을 제거하여도

                        원상태로 완전히 복귀되지 않고 변형이 남게 된다. 

       ㄴ. 탄성변형 : 재료에 외격을 가하면 힘이 작용하는 방향으로 늘어나게 되며, 힘이 작은 경우에는 외력을 제거하게 되면 늘어났던

                        길이가 완전히 원상태로 돌아와 아무런 변형이 없게된다.

       ㄷ. 소성가공 : 재료의 소성을 이용하여 필요한 현상을 가공하거나 주조조직을 파괴하여 균일한 미세결정으로 강도, 연성 등의

                        기계적 성질을 개선하는 가공법.

      2. 소성가공의 장점

        - 주물에 비하여 성형되는 치수가 정확

        - 금속의 결정조직을 개량하여 강한 성질을 얻게 됨

        - 대량생산으로 균일한 제품을 얻음.

        - 재료의 손실량을 적게 가능

        - 가공시간을 짧게 가능, 수리가 용이

      3. 소성가공에 이용되는 재료의 성질

        ㄱ. 가단성 : 금속을 해머로 단련할 때 압축에 의하여 재료가 영구변형되는 성질.

        ㄴ. 연성 : 가느다란 선을 늘릴 수 있는 성질

        ㄷ. 가소성 : 재료에 하중을 가하면 고체상태에서 유동하는 성질로서 탄성이 없는 성질.

      4. 금속의 소성변형원리

        ㄱ. 슬립 : 금속에 인장력이나 압축력을 가하면 결정은 미끄럼 변화를 일으켜 어떤 방향으로 이동을 한다.

        ㄴ. 쌍정 : 변형전과 변형후의 위치가 어떤 면을 경계로 하여 대칭이 되는 것과 같은 변형을 한다.

        ㄷ. 전위 : 금속의 결정격자는 규칙적으로 배열되어 있는 것이 정상이지만 불완전하거나 결함이 있을 때 외력이 작용하면

                    불완전한 곳이나 결함이 있는 곳에서부터 이동이 생김.

   2) 재료의 변형과 가공경화 

       1. 바우싱거 효과 : 금속이 인장소성변형을 받은 뒤 하중이 제거된 후 반대 방향에서 똑같은 압축응력을 받으면, 먼저 보다 낮은 응력

                     으로 항복이 일어난다. 하중을 제거함으로서 결정방향의 다른 크기의 미시적인 잔류응력이 남아 있기 때문에 생기는 현상

       2. 가공경화(스트레인 경화) : 금속재료가 한번 어떤 방향의 소성변형을 받으면 그 방향으로 내부저항력이 증가한다.

                                           이것이 탄성한계의 상승, 경도의 증가로 나타난다.

   3) 재결정

       1. 재결정온도 : 재결정이 생기도록 가열하는 온도

       2. 재결정의 특징

          - 재결정 온도는 가공도 및 가열시간에 따라 달라진다.

          - 가공도가 큰 재료는 새로운 결정핵이 생기기 쉬우므로 재결정이 낮은 온도에서 생기며,

            가공도가 작은 재료는 결정핵의 발생이 어려워 높은 온도까지 가열하여야 재결정이 생긴다.

 (2) 열간가공과 냉간가공

    1) 열간가공 

        열간가공은 재결정온도 이상의 온도에서 작업하는 가공을 말하며, 대부분의 금속재료는 재결정온도 이상에서 소성이 커서 성향하기

        쉽고, 가공경화가 되지 않는 특성 때문에 큰 변형이 요구되는 소성가공은 주로 고온에서 이루어진다.

         - 특징

         1. 가공도가 커서 거친가공에 적합하다.

         2. 강력한 가공을 짧은 시간에 할 수 있다.

         3. 성형하는데 필요한 동력이 적게 든다.

         4. 가공경화가 생기지 않는다.

         5. 유동성이 좋으며, 연신율이 증가한다.

         6. 가공면이 거칠고, 치수변화가 많으므로 정밀가공은 곤란하다.

         7. 기계적 성질인 단면수축률, 충격값 등은 개선되나, 섬유조직 및 방향성과 같은 가공성질이 나타난다.

     2) 냉간가공

          재결정온도 이하의 온도에서 작업하는 가공을 말하며, 가공물의 성형완성을 정밀하게 하고, 동시에 강도를 크게 할 목적.

           - 특징

         1. 제품의 치수를 정확히 할 수 있고, 가공면이 아름답다.

         2. 기계적 성질을 개선

         3. 인장강도, 항복점, 탄성한계, 경도는 증가하지만 연신율, 단면수축률은 감소한다.

         4. 가공방향으로 섬유조직이 되어 가공방향에 따라 강도가 달라진다.

 (2) 소성가공의 종류

     1. 인발 : 금속의 봉이나 관을 다이에 넣어 축방향으로 통과시켜 외경을 줄이는 가공법

     2. 압출 : 재료를 실린더 모양의 컨테이너에 넣고 한쪽에서 압력을 가하여 압축시켜 가공하는 방법

     3. 전조 : 전조공구를 사용하여 나사, 기어, 볼 등을 성형하는 가공법

     4. 프레스가공 : 판과 같은 재료를 절단하거나 굽혀서 제품을 가공하는 방법

     5. 압연 : 재료를 회전하는 2개의 롤러 사이에 통과시키면서 연신하여 두께, 폭, 직경 등을 줄이는 가공법

     6. 단조 : 재료를 기계나 해머로 두들겨서 성형하는 가공법

     7. 제관 : 관을 만드는 가공법

 

2. 단조

 (1) 단조의 개요

     1) 개요

         금속재료를 소성유동하기 쉬운 상태에서 금형이나 공구로 압축력 또는 충격력을 가하여 성형하는 가공법

     2) 단조의 특징

         1. 재료내부의 기포나 불순물이 제거된다.

         2. 거친입자가 파괴되어 미세하고 치밀하고도 강인하게 된다.

         3. 한방향으로 가공하면 섬유상 조직이 나타나어 강도가 증대

         4. 산화에 의한 스케일이 발생

         5. 복잡한 구조의 소재 가공에는 적합하지 않다.

  (2) 단조가공의 종류

     1) 단조방법에 따른 분류

          1. 자유단조 : 가열된 단조물을 앤빌 위에 놓고 해머나 손공구로 타격하여 목적하는 형상으로 제품을 생산하는 방법으로 금형을

                          사용하지 않는다.

          2. 형단조 : 상하 2개의 단조다이 사이에 가열된 소재를 넣고 순간적인 타격이나 높은 압력을 가하여 소재를 단조다이

                        내부의 형상태로 성형가공하는 방법

     2) 단조재의 온도에 따른 분류

          1. 열간단조 : 재결정온도 이상에서의 단조작업으로 1회 단조에 의한 단조효과가 크며, 단조에 소요되는 동력소모가 적으나,

                           표면이 거칠다.

            (해머단조, 프레스단조, 업셋단조)

          2. 냉간단조 : 재결정온도 이하에서의 단조작업으로 강도가 크고 표면상태가 매끈하고, 치수정밀도가 높다.

            (콜드헤딩, 코이닝, 스웨이징)

 (3) 단조용재료와 단조온도

     1) 단조용재료

            재료의 항복점이 낮고 연신율이 큰 재료일수록 소성변형이 잘 일어나므로 단조가 용이하다. 주철은 불가능하고

            탄소함유량이 증가할수록 단조하기 곤란해진다.

     2) 단조온도

            가열로에서 소재를 꺼내어 가공을 개시할 때의 온도로부터 가공이 끝날 때까지의 온도

            단조완료온도는 재결정온도 근처로 하는 것이 좋다.

  (4) 탄조공구와 단조기계

     1) 단조공구

             - 엔빌 : 금속을 타격하거나 가공변형시키는데 사용

             - 정반 : 측정기준면으로 사용

             - 이형공대 : 각종형상의 성형가공의 받침대로 쓰임

             - 단조용탭 : 스웨이지 공구라고 함, 형틀형상을 갖는 공구

             - 다듬개 : 가공물의 표면에 대로 위에서 때려 가공물을 다듬어 형상을 만드는데 사용

             - 정 : 재료를 절단할 때 사용하는 공구

             - 집게 : 가공물을 집는 단조용공구

             - 쇠망치 : 경강으로 만들며, 3~10kg의 것을 해머라 함

      2) 단조기계

             - 공기해머 : 압축공기를 실린더 내의 피스톤에 작용시켜 재료에 강한 타격을 가함.

             - 증기해머 : 단동식은 해머를 상승할 때만 증기가 작용, 복동식은 해머가 낙하할 때에도 증기력이 작용

             - 스프링해머 : 크랭크의 회전운동에 의한 기계적 타격을 반복 계속하는 방법

             - 드롭해머 : 해머를 일정한 높이에서 낙하시켜 강력한 타격으로 형단조 하는데 사용

3. 압연

 (1) 압연의 개요

     1) 개요

           회전하는 한쌍의 롤러 사이로 재료를 통과시키며, 압축하중을 가하여 두께를 줄이고 단면의 형상을 변형시켜 각종

           판재, 봉재, 단면재를 생산하는 가공법

     2) 작업온도에 따른 압연의 구분

           1. 열간압연

              ㄱ. 재결정온도 이상에서 작업

              ㄴ. 변형저항이 적어 동력소모가 적고, 짧은시간에 강력한 가공 가능

              ㄷ. 소재표면에 산화피막 발생

              ㄹ. 재질의 방향성이 생기지 않음

           2. 냉간압연

              ㄱ. 재결정온도 이하에서 작업

              ㄴ. 가공표면이 깨끗하고, 정확한 치수로 가공할 수 있다.

              ㄷ. 동력소모가 크다.

              ㄹ. 강도, 경도가 증가

              ㅁ. 재질의 방향성이 생김

              ㅂ. 주로 박판가공이나 비철금속의 완성가공에 이용

      3) 압연제품에 따른 분류

            1. 분괴압연 : 강괴를 제품의 중간재로 만드는 압연

            2. 현재압연 : 분괴압연에서 제작된 빌렛을 2단 또는 3단 롤에서 수회 또는 수십회 통과시켜 형재 또는 선재로 완성

            3. 판재압연 : 열간압연에서 잉곳을 슬랩, 시트바로 압연하고 판재로 압연하는 작업. 주로 후판이나 박판을 만드는 압연

 (2) 압연작용

     1) 중립점

           압연시 재료의 속도는 롤의 원주속도에 비하여 롤로 들어갈 때에는 느리고, 나올때는 빠르다. 따라서 압연도중에

          롤의 속도와 같은 속도와 같은 속도가 되는 점을 중립점 또는 등속점이라 한다.

     2) 압하율

         압하율을 크게하려면

         - 지름이 큰 롤러를 사용

         - 롤러의 회전속도를 늦춘다.

         - 소재의 온도를 높인다.

         - 압연재를 뒤에서 밀어준다.

         - 롤축에 평행인 홈을 롤 표면에 만들어 준다.

     3) 폭증가

         폭증가에 영향을 주는 요소는 압연기의 지름, 압하량, 압연속도, 재료의 단면형상 및 치수의 크기, 압연온도, 롤러표면상태

 4. 인발

 (1) 인발의 개요

    1) 개요

         다이내의 테이퍼 구멍으로 수재를 잡아당겨서 테이퍼구멍과 동일한 단면의 봉재, 관재, 선재를 제작하는 가공법

    2) 인발가공의 분류

         1. 봉재인발 : 봉재 또는 단면재 등을 인발하는 것

         2. 관재인발 : 관재를 인발하여 바깥지름을 일정한 치수로 할 때에는 다이를 고정시키고, 안지름도 일정한 치수로 인발할 때에는 

                         심봉을 사용

         3. 선재인발 : 지름 6mm이하의 가는 선재들의 인발

         4. 딥인발 : 펀치와 다이를 사용하여 두께가 얇고 긴 통을 가공하는 공정

 (2) 인발에 관계되는 인자 

     1) 단면감소율 

     2) 역장력

     3) 다이각도

     4) 인발률과 인발력

     5) 윤활

 

 (3) 인발용 기계 

     1) 신선기 

          1. 단신 신선기 : 다이를 통하여 뽑은 선을 직접 드럼에 감는 방법

          2. 연속식 신선기 : 다이를 통하여 인발된 선재가 연속적으로 다음 다이에 들어가 한대의 신선기에 연속작업할 수 있는 방법

     2) 인발기

          일정한 치수의 다이를 사용하고, 또한 맨드릴을 사용하여 파이프를 인발하는 시설

     3) 롤러다이인발기

     4) 초음파 인발가공

5. 압출

 (1) 압출의 개요

    1) 개요

         압출용기 즉 컨테이너내에 알루미늄, 구리, 아연, 마그네슘 등의 연질소재를 넣고 램에 압력을 가하여, 다이의 구멍을 통과시킨 가공

    2) 압출방법

         1. 직접압출 : 랩과 소재가 같은방향으로 압출되며 전방압출이라고 한다.

         2. 간접압출 : 랩과 소재의 진행방향이 서로 반대방향으로 압출되어 가공되며, 후방압출 또는, 역식압출이라 한다.

         3. 충격압출 : 다이 내에 Cu, Al, Zn, Sn, Pb 등의 연질금속을 넣고 펀치로 타격을 가한다.

         4. 정수압압출 : 컨테이너안의 유체속에 압출가공 소재가 있고, 램으로 유체를 가압하면 높은 압력이 유체를 통해 소재에

                            전달되어 압축

6. 제관

 (1) 제관법의 분류

    파이프제조법 : 이음매 없는관 - 천공법 ( 만네스맨법, 압출법, 에르하르트법, 스티펠법) , 커핑방법

                        이음매 있는 관 - 맞대기 용접관, 겹치기용접관, 전기저항용접관

 (2) 천공법

    1) 만네스맨법

         회전압연기의 일종으로 가공물의 양쪽으로부터 회전압축력을 받을 때 중심에는 공극이 생기는 원리는 이용

    2) 스티펠법

         파이프의 지름을 확대하는데 이용한다.

    3) 에르하르트법

         천공기에서 구멍 뚫린 소재를 유압프레스에서 점차적으로 적은 치수의 다이를 통과시켜 외경을 축소

 

7. 전조

 (1) 전조의 개요

     1) 개요

          성형공구 사이에 소재를 넣고 가압한 상태에서 직선운송이나 회전운동을 시켜 성형공구와 같은 형상으로 소재 표면에

         압축성형하는 가공법

     2) 전조의 특징

          - 소재가 소성변형으로 경화된다.

          - 조직이 미세하게 되어 인장강도, 피로강도가 증가하고 충격에도 강하다.

          - 균일한 제품을 대량생산할 수 있다.

          - 숙련된 기술을 요하지 않는다.

          - 재료의 손실이 적다.

          - 나사면이 깨끗하고 정도가 높은 제품을 만들수 있다.

 (2) 전조의 종류

     1) 나사전조

           전조공구사이에 소재를 넣고 가압한 상태에서 이동 평다이를 직선왕복시켜 소재의 표면에 다이의 피치와 같고 산과골이 반대인

          나사를 성형가공하는 가공법

     2) 기어전조

            나사전조와 같은 원리로 전조공구에 의하여 소재의 표면에 기어치형을 압축성형하는 가공법

     3) 볼전조 

            환봉이나 선재를 800~1000°C 정도의 온도로 가열한다음 서로 교차되어 회전하는 롤러사이로 이송시켜

            영구적으로 강구를 전조가공

 

8. 프레스 가공

 (1) 프레스가공의 개요

     1) 개요

          펀치 및 다이로 소재인 판재에 전단력 또는 압축력을 가하여 가볍고 정확한 치수의 형상으로 전단 또는 압축하여 성형하는 작업

     2) 특징

          - 제품의 강도가 높고 경량

          - 재료 사용률이 높고, 가공속도가 빠르며 대량생산 가능

          - 제품의 정도가 높고, 품질이 균일

          - 숙련된 기능을 요하지 않는다.

 (2) 프레스 가공의 분류

     1) 전단가공

          1. 블랭킹 : 판재에서 펀치로서 소정의 제품을 뽑아내는 가공으로 남은 쪽이 폐품, 뽑아낸 것이 제품

          2. 펀칭 : 판재에서 소정의 구멍을 뚫는 가공으로 떨어진 쪽이 폐품, 남은 쪽이 제품

          3. 전단 : 재료의 한쪽끝에서 다른쪽 끝까지 직선 또는  곡선으로 절단하는 작업

          4. 트리밍 : 판재를 인발가공으로 만든 다음 소정의 형상이나 치수로 둥글게 자르는 작업

          5. 세이빙 : 가공된 제품의 각진 부분을 깨끗하게 다듬질 하는 작업

          6. 노칭 : 다양한 모양으로 따내기 하여 제품으로 가공하는 작업

          7. 분단 : 가공제품을 중심선에 따라 또는 제품사이를 절단하여 동일형상의 제품을 2개이상으로 나누는 가공

          8. 정밀블랭킹(파인블랭킹) : V돌기를 설치하여 펀치날 끝부위에 높은 압축응력을 발생시킴으로서 깨끗한 전단면을 얻도록 함

          [전단작용]

          1. 전단시 펀치와 다이 사이의 간극이 적당하면 상하에서 나타난 균열이 꼭 만난다. 

             틈새가 좁으면 균열이 서로 어긋나 2차 전단을 일으킴. 틈새가 크면 깨끗한 전단면을 얻기 어렵다.

          2. 간극은 연성재료는 좁게, 경강재료는 넓게

          3. 시어 : 펀치나 다이면을 기울이게 하는 것

          4. 전단각이 크면 절단된 판재의 끝면이 고르지 못하며, 일반적으로 박판에는 작게, 후판에는 크게

     2) 굽힘가공

          필요한 형상으로 굽히는 작업으로 박판은 냉간가공, 후판은 열간가공

          1. 굽힘가공의 종류

            ㄱ. 형굽힘 : 펀치와 다이를 사용하는 프레스굽힘

            ㄴ. 폴더굽힘 : 소재의 한쪽만 고정하고 그 반대쪽을 눌러 굽힘.

            ㄷ. 롤굽힘 : 롤을 사용하여 굽힘

          2. 스프링백

            ㄱ. 모든 재료는 탄성계수를 어느 정도 갖고 있기 때문에 소성변형 후에 하중을 제거하면 일부 탄성복원이 일어나게 되는 현상

            ㄴ. 스프링백의 양이 커지는 원인 

               - 탄성한계, 항복강도, 경도가 높을수록 커짐

               - 구부림 반지름이 같을 때에는 두께가 얇을수록 커짐

               - 같은 두께의 판재에서는 구부림 반지름이 클수록, 구부림 각도가 작을수록 크다.

            ㄷ. 스프링백의 양을 줄여주는 방법

               - 판재의 온도를 높여서 굽힘작용 수행

               - 판재에 인장력이 걸리도록 신장굽힘

               - 굽힘 부위 압축

               - 과도굽힘

     3) 딥드로잉가공(오무리기가공)

             편평한 판금재를 펀치로 다이구멍에 밀어넣어 이음매가 없고 밑바닥이 있는 용기를 만드는 작업

     4) 압축가공

             - 압인가공 : 상하형이 서로 관계없는 요철을 가지고 있으며 두께변화가 있는 제품을 얻을 때 이용된다.

             - 엠보싱 : 소재의 두께변화가 없는 제품을 만들 때 압축가공하는 작업

             - 스웨이징 : 소재판의 코기에 비하여 상대적으로 아주 작은부분만을 압축가공하는 작업

     5) 성형가공

             - 스피닝 : 선반의 주축에 몰재나 금속으로 제작된 다이를 고정하고 여기에 소재판을 심압대로 누른 상태에서 회전시킨다.

                          스틱이나 롤러를 소재중심부에서 가장자리로 이동시키면서 가압하여 다이와 같은 형태로 성형가공하는 방법

             - 시밍 : 여러겹으로 소재를 구부려 두장의 소재를 연결하는 가공방법

             - 컬링 : 원통용기의 끝부분을 말아 테두리를 둥글게 만드는 가공법

             - 벌징 : 원통형 재료의 일부를 볼록나오게 하여 플라스크형으로 성형하는 가공

             - 비딩 : 오목 및 볼록형상의 롤러사이에 함석판 또는 양철판을 넣고 롤러를 회전시켜 홈을 만듬

             - 마폼법 : 용기모양의 홈안에 고무를 넣고 고무를 다이 대신 사용하는 것

             - 하이드로폼법 : 마폼법의 고무 대신 2중 고무막으로 밀폐된 액체와 베드에 설치된 펀치 사이의 소재를 펀치로 액체고무막에 

                                  밀어넣어 성형 가공

     6) 플라스틱 성형방법

             - 압축성형 : 캐비티내의 열 경화성 수지에 열과 압력을 가하여 일정시간동안 유지되면 화학변화에 따른 경화현상에 의해서

                            제품이 성형

             - 트랜스퍼성형 : 입자 또는 분말상태의 열경화성 수지를 성형기의 가소화실에 넣어 가열하여 유동상태로 만든다음 플러저로

                                  금형의 캐비티내에 주입한후 가열

             - 사출성형 : 용융플라스틱을 사출기의 노즐과 금형의 게이트를 통해서 캐비티내에 주입시켜 성형

             - 압출성형 : 열경화성 수지를 연속적으로 다이구멍을 통해서 캐비티내에 주입시켜 성형

             - 블로우성형 : 연화한 열가소성 수지 튜브 내에 압축공기를 불어넣어 금형의 안쪽에서 팽창시켜 각종 플라스틱 용기를 성형

             - 강화플라스틱 성형 : 열가소성수지에 유리섬유를 사용하여 튼튼한 성형품을 만드는 방법

              

     7) 사출성형 불량의 원인

             - 충전불량 : 성형품의 일부분이 성형되지 않는 현상

             - 플로마크 : 용융수지가 금형 캐비티내에 충전되면서 유동궤적이 생겨 나타나는 현상 

             - 기포 : 성형품 내부에 생기는 공간

             - 은줄 : 성형품의 표면에 수지의 흐름방향으로 생기는 가는 선과 같은 줄모양

             - 제팅 : 성형품의 표면에 뱀이 지나가는 것과 같이 구불구불한 모양

             - 싱크마크 : 성형품의 표면에 부분적으로 발생하는 오목현상

             - 웰드마크 : 용융된 수지가 금형 캐비티내에서 분류하였다가 합류하는 부분에 생기는 가느다란 선모양

             - 휨, 뒤틀림 : 사출 후 이젝팅시 대기중에서 생기는 변형

             - 흑줄 : 성형품의 내부가 고열에 의해 산화되거나, 수지중의 첨가제 및 윤활제가 과열 되면서 태움에 의해 검은 줄무늬로

                      나타나는 현상

 (3) 프레스의 종류

     1) 동력프레스

             - 크랭크프레스 : 플라이휠의 회전을 직선운동으로 바꿈으로 프레스에 필요한 펀치에 상하운동을 준다.

             - 너클프레스 : 플라이휠의 회전운동을 크랭크기구에 의하여 직선운동으로 바꾸고 이를 너클기구를 이요하여 일정행정의

                               직선운동을 시킴

             - 토글프레스 : 플라이휠의 회전운동을 크랭크장치에 의해 왕복운동으로 변환, 다시 토글기구로 직선운동을 하도록 하여

                                램이 상하운동을 한다.

             - 마찰프레스 : 마찰력과 나사를 이용한 프레스

             - 액압프레스 : 수압 또는 유압에 의해서 작동하는 것

     2) 인력프레스

             - 나사프레스 : 핸들을 돌리면 직결된 나사부가 회전하여 그 선단에 있는 램이 상하운동

             - 편심프레스 : 핸들을 돌리면 핸들 축에 직결된 편심축이 회전하여 램이 상하운동

             - 발프레스 : 페달을 밟으면 레버조작에 의해서 램이 상하운동