금속 단조 (forging) 가공

단조(Forging) 

해머로 열간 단조를 하기위해 설치된 잉곳 (ingot)

개요

쉽게 말해 큰 망치로 금속을 때리거나 꾹꾹 눌러서 가공하는 방법이다. 대장장이의 현대 기계판이라 보면 된다. 단조 제품의 가장 큰 장점은 망치로 때리다 보니 내부 결정구조가 튼실해져서 강도나 인성과 같은 기계적 성질이 우수한 제품을 얻을 수 있다. 보통 단조 제품은 주물제품과 비교되는 경우가 많은데 기계적 성질이 상대적으로 우수하다. 단조 제품에 사용되는 잉곳이 일종의 주조제품이라 본다면 단조는 주조 후에 기계적 성질을 개선하거나 형상을 변경하기 위해 수행하는 작업이라 볼 수도 있다.

좀 어렵게 말하면 금속을 소성 유동이 잘 되는 상태 (잘 변형이 되는 상태) 에서 압력을 가하여 결정립을 미세화시키고, 조직을 균일화 시키는 동시에 소정의 형상으로 성형하는 가공을 말한다.

일반적으로 금속은 고온에서 소성이 크므로 단조할 때는 고온으로 가열하며, 작은 규모에서는 hand hammer로 단조할 수 있으나, 현대에는 동력 hammer, press 및 die 등의 장비를 이용하는 것이 보통이다. 

연속된 판 및 단면재를 만들어 내는 압연(rolling)과는 달리 단조에서는 개개의 제품을 만들며, 금속유동과 결정립 구조를 조정할 수 있기 때문에 강도와 인성이 큰 제품을 얻을 수 있는 것이 특징이다. 단조에는 단조기계에 따라 press 단조와 hammer 단조, 단조온도에 따라 열간단조와 냉간단조, 단조형에 따라 자유단조와 형단조 등이 있다. 

단조 온도

다른 소성 가공들과 마찬가지로 가공을 쉽게하기 위해 일반적으로 고온에서 수행한다. 작은 구조물의 경우는 냉간에서도 할 수 있다. 

단조물의 온도는 재질, 단조물의 크기, 단조기계의 용량 등에 따라 다르고 일반적으로 순금속, 고온일수록 변형저항이 감소하므로 단조가 용이하나, 다음과 같은 제한을 받는다. 

재질이 변하기 쉬우므로 너무 고온으로 장시간 가열 하지 말 것.

변형될 염려가 있으므로 균일하게 가열할 것. 

너무 온도가 낮으면 내부응력이 잔류하게 되므로 적당한 온도로 가열 할 것. 

온도가 낮으면 조직은 미세하여져서 기계적 성질은 개선되나, 소성이 적어 가공시간이 많이 걸리고, 동력이 많이 들며, 잔류응력이 존재한다. 

단조의 종류

자유 단조 (Free Forging)

특정한 금형을 사용하지 않고 성형하는 것으로 형 단조와 구분된다. 자유 단조는 금형에 의한 제약을 받지 않으므로 성형에 필요한 에너지가 형 단조에 비하여 적게 소요된다. 따라서 금형을 사용할 수 없는 대형 단조품에 적합하며, 또한 별도의 금형이 필요하지 않으므로 소형 제품의 경우에도 수량의 많지 않은 경우에 적합한 단조 방법이다. 그러나 형단조에 비하여 작업 속도가 느리고, 치수 정도가 정밀하지 못하여 후공정에서 절삭 가공 시 많은 시간과 비용이 소요되는 단점이 있다.

형 단조(Die Forging)

특정한 금형을 사용하여 성형하는 단조 방법으로 자유 단조와 구분된다. 형 단조는 재료를 변형시키기 위하여 많은 에너지를 필요로 하기때문에 보통 재료의 변형 저항이 가장 적은 고온 상태에서 성형하게 되며 이를 열간 단조라 하며 상온에서 성형하는 것을 냉간 단조라 한다. 형 단조는 압연 강재를 사용하여 다시 단련하게 되므로 우수한 단련 효과를 얻을 수 있으며, 동일 금형으로 많은 양의 단조품을 생산 할 수 있다. 따라서 정밀도가 우수한 단조품을 얻을 수 있으므로 후 공정에서 절삭 가공 시간과 비용을 절감할 수 있다. 그러나 형 단조는 자유 단조에 비하여 단조장비가 고가이며 소정의 금형을 제작해야 하므로 소량의 생산에는 적합하지 않고 자동차 부품이나 농기계 부품등의 대량 생산에 유리하다.

햄머 단조(Hammer Forging)

대장장이가 하던 바로 그거다. 원하는 형상을 얻기 위하여 수회의 타격을 해야 한다. 일반적인 형 단조의 경우에는 각 공정별로 1회 이상의 타격이 이루어진다. 예를 들어 연접봉(Connecting Rod)의 경우 먼저 I-Beam부를 위한 인발 작업이 이루어지고 다음은 브로커(Blocker), 피니샤(Finisher) 공정으로 이루어지며, 별도로 준비된 기계에서 트리밍(Trimming) 작업이 이루어지게 된다. 이러한 햄머 단조에서 단조품의 생산성과 품질은 작업자(Hammer Operator)의 숙련 정도가 크게 작용한다. 

프레스 단조 (Press Forging)

프레스 단조는 각 공정마다 한번씩의 작업으로 이루어진다. 또한 프레스 단조는 햄머 단조에 비하여 예비 성형 (황지) 작업을 할 수 있는 범위가 좁다. 따라서 황지가 필요한 경우에는 별도의 장비를 사용하여야 하는 경우가 많다. 예를 들어 연접봉(Connecting Rod)의 경우 I-Beam부의 인발 작업이 햄머 단조 보다는 원활하지 못하여 별도의 Forging Roll Machine에서 황지를 하고, 단조 프레스에서는 브로카, 피니샤 작업만을 실시하는 것이 일반적인 방법이다. (경우에 따라서는 트리밍 작업을 단조 프레스에서 실시하는 경우도 있음) 그러나 프레스 단조는 햄머 단조에 비하여 작업자의 숙련도에 의지하는 비율이 낮으므로 미숙련자도 작업이 가능하다는 장점이 있다.

업셋트 단조 (Upsetter Forging)

업셋트는 상하 또는 좌우로 개폐되는 그립다이(Grip Die)와 전후로 운동하는 펀치(Heading Tool)로 구성된 단조 기계이다. 업셋트는 긴축의 끝단에

플렌지(Flange)가 있는 형상의 단조에 가장 많이 사용되며. 중간 부분에 플렌지가 있는 제품, 관통된 구멍이 있는 제품. 관통하지 않은 큰 구멍을

가진 제품 등의 단조에 사용되며 파이프의 단조도 가능하다. 업셋트에 의하여 만들어지는 단조품으로는 자동차용 리어액슬샤프트(Rear Axle Shaft)가 대표적이다. 그리고 드라이브피니언(Drive Pinion), 허브케이싱(Hub Casing), 드래그링크(Drag Link), 스템(Stem) 등도 업셋트로부터 생산되고

있다. 또한 업셋트 단조는 햄머나 프레스 단조를 위한 예비 단계의 황지를 제작하는 데도 이용되고 있다.

롤 단조 (Roll Forging)

롤 단조는 서로 반대 방향으로 회전하는 한쌍의 롤(Roll) 사이에 롤의 회전방향과 직각 방향으로 환봉(Round Bar)이나 각재(Square Bar)를 통과시켜

소재의 단면적을 감소시키고, 길이 방향으로 인발하는 작업이다. 롤 금형은 보통 한개 또는 수개의 그루브(Groove)를 갖게 된다. 롤 단조는 자동차의 프론트액슬(Front Axle)과 같이 긴제품, 또는 연접봉과 같이 길이 방향으로 각 단면의 체적 변화가 심한 제품의 단조를 위한 예비 단조품(황지)의 체적 배분용으로 많이 사용되며, 리어액슬샤프트의 축부 인발용으로 사용되기도 한다.

링 롤링 (Ring Rolling)

링 롤링은 Main Roll, Rolling Mandrel과 상하 각 하나의 Axle Roll로 구성된 단조 기계로서 링(Ring) 형상의 황지를 가압하여 링의 직경을 키워서

원하는 형상을 만드는 작업을 말한다. 작업 공정은 먼저 소재를 절단하고 이를 가열하여 햄머나 프레스에서 업셋팅(Upsetting) 하고 내경을 펀칭(Punching)하여 황지를 제작하고, 이를 링 롤링 기계에서 원하는 형상으로 직경을 키우는 작업을 하게 된다.

단조 용어

가공 여유 (Finish Allowance) : 단조품은 단조 상태 그대로 사용하기도 하지만, 일반적으로 전면 또는 부분적인 가공을 거쳐서 사용하게 된다. 이때

단조품은 가공을 위한 적당량의 덧살을 갖게되며 이를 가공여유라고 한다.

가공성 (Machinability) : 재료의 절단, 드릴, 기타 기계 가공이 상대적으로 쉬운 정도.

가소성 (Plasticity) : 금속이 파괴되지 않고 영구 변형할 수 있는 능력.

강괴 (Ingot) : 일련을 롤링, 단조, 압출 등을 하기 위한 주조품 덩어리.

거시 조직 (Macrostructure) : 연마 후 부식된 금속의 표면을 육안 또는10배 이하의 배율로 보는 조직.

경도 (Haedness) : 금속의 패임(Indentation)에 대한 저항을 말하며, 보통 브리넬(Bronell), 록크웰(Rockwell) 등의 측정으로부터 얻어지는 수치로

나타낸다.

경화 (Hardening) : 금속의 경도나 강도를 증가시키기 위하여 실시하는 작업으로 크게 열처리와 냉간 가공이 있다.

공기 햄머 (Air Lift Hammer) : 램(Ram)이 공기압(Air Cylinder)에 의해 올라가는 중력을 이용한 햄머.

그래인 플로우 (Grain Flow) : 단조 금형에서 금속의 성형에 의하여 형성되는 섬유질과 같은 Grain Pattern을 Grain Flow라하며, Grain Flow는 단조에

의해서 금속의 성질을 향상시킨다. 단조품이 주조품과 일반 절삭 가공품에 비하여 우수한 점 중의 하나가 바로 이 Grain Flow가 있다는 것이다. 주조품은 Grain Flow가 형성되지 않으며, 절삭 가공품은 기계 가공에의하여 Grain Flow가 절단되지만 단조품은 제품의 형상에 따라 Grain Flow가 형성된다.

금형 수명 (Die Life) : 금형의 형조부를 사용할 수 있는 수명을 말하며, 보통 금형의 마모에 의하여 단조품이 단조 공차를 넘어서기 직전까지의 생산 가능한 숫자로 표시한다.

금형 윤활 (Die Lubricant) 단조 : 작업 중에 마찰력을 줄이고 금형과 단조품간의 열전도를 방지하기하고 이형을 좋게 하기 위하여 특정 물질을 뿌리거나 바르거나 하는 작업.

냉간 가공 (Cold Working) : 금속의 재결정 온도 이하에서 행하는 소성가공 방법.

다이 세트 (Die Set) : 인서트 금형을 결합할 수 있는 모금형을 말하며, 형어긋남을 방지하기 위한 가이드를 가진다.

단조 소입 (Direct Quenching) : 단조시의 열을 이용하여 단조 후 급랭시켜 마르텐사이드를 얻는 소입 방법으로 특수강 보다는 소입성이 좋은 탄소강에

더 효과가 있다.

디스케일링 (Descaling) : 단조 작업 전이나 작업 중에 가열 작업 시 발생한 산화철을 제거하는 작업으로, 에어(Air), 와이어 브러쉬(Wire Brush), 물

분사(Water Spray) 등을 이용한다.

램 (Ram) : 햄머나 프레스에서 움직이는 쪽의 금형이 부착되는 부분.

랩 (Lap) : 단조 작업이나 롤 작업 중 재료의 겹침에 의하여 생기는 크랙(Crack) 형상의 결함.

미세 조직 (Microstructure) : 현미경으로 관찰되는 금속의 내부 조직으로 연마 후 부식된 면을 고 배율의 현미경으로 관찰함.

발구배, 빼기 기울기 (Draft Angle) : 단조품을 금형으로부터 분리하기 쉽게 하기 위하여 단조면(Forging Plane)에 직각 방향으로 주어진 각도를 말함. 보통 3~7°

방향 특성 (Direction Properities) : 소재 또는 단조품의 시험 시 그래인 플로우(Grain Flow) 등에 의한 각 방향에 따라 변화하는 기계적 특성을 말함.

배치 로 (Batch Furnace) : 모든 재료의 넣고 꺼냄이 하나의 문으로 이루어지는 금속을 가열하는 로.

벤드 구조 (Banded Structure) 금속 작업 : 방향과 평행하게 나타나는 조직 구조.

보드 햄머 (Board Hammer) : 램(Ram)이 판자(Board)에 의해 올라가는 중력을 이용한 햄머. Board는 롤(Roll)의 작용에 의하여 작동된다.

보스 (Boss) : 단조품의 표면에 상대적으로 돌출 된 부분.

브라스트 크리닝 (Blast Cleaning) : 고속의 연마용 입자로 금속의 표면을 때려서 깨끗이 하는 작업.

브로카 (Blocker) : 최종 형상의 금형에서 작업하기 전에 사용되는 이와 유사한 형상과 치수를 갖는 금형.

브로카 형태 단조(Blocker-type Forging) : 개략적인 가공 여유와 반경을 가진 최종 단조품과 유사한 형태의 단조품으로 적은 수의 단조품을 생산할때 금형 비용을 줄이기 위하여 사용한다.

블랭크 (Blank) : 단조에 의해 만들어진 재료.(Slug 또는 Multiple이라고도함)

리브 (Rib) : 단조면에 직각인 얇은 부분.

소둔 (Anneaing) : 금속을 일정 온도에서 일정 시간 동안 가열한 후 비교적 늦은 속도로 냉각시키는 열처리 방법으로, 금속의 경도와 강도를 낮추고 성형성을 향상시키고 요구하는 조직을 얻기 위하여 실시한다.

소성 변형 (Plastic Deformation) : 금속에 가해진 힘에 의하여 형상이 영구변형하는 현상.

스케일 (Scale) : 산소가 있는 분위기에서 금속을 가열할 때 철이 산소와 결합하여 생긴 산화철층. 단조시 스케일을 제거하지 않으면 금속 표면에 스케일 자국을 남기게 되지만 재료의 이동 중 보온의 역할도 한다.

스크루 프레스 (Screw Press) : 여러 형태의 구동 시스템에 의하여 작동하는 큰 나사(Screw)에 의하여 램이 작동하는 고속 프레스.

스팀 햄머 (Steam Hammer) : 햄머의 램이 증기 실린더에 의하여 작동하는 햄머

신척, 수축율 (Shrinkage) : 열간 단조 후 냉각되는 동안 금속이 수축하는 양을 말하며, 단조 금형은 이를 감안하여 치수 및 공차를 만족시킬 수 있도록 실제 제품의 치수보다 크게 만들어야 한다.

압셋터 (Upsetter) : 상하 또는 좌우로 개폐되는 그립 다이(Grip Die)와 전후로 운동하는 펀치(Heading Tool)로 구성된 단조 기계.

압축 강도 (Compressive Strength) : 금속이 영구 변형 없이 압축력에 견디는 최대 강도.

업셋팅 (Upsetting) : 금속의 단면을 증가시키기 위한 작업.

에어 드롭 햄머 (Ari Drop Hammer) : 압축 공기를 햄머의 Air Cylinder의 상하에 공급하여 피스톤을 움직이게하여 램(Ram)을 상하 운동 시켜 단조를

행하는 단조 기계.

엔빌 (Anvil) : 크고 무거운 금속 받침으로 기계 구조물을 지지하고, 단조 햄머의 고정 금형을 체결하는 부분. 또는 단조 시 받침대로 사용되는 크고 무거운 금속 받침.

열간 가공 (Hot working) : 금속의 재결정 온도 이상에서 하는 가공으로서 냉간 가공에 비하여 1회에 많은 양의 변형을 얻을 수 있음.

열간 검사 (Hot Inspection) : 단조품의 공정 중 검사로 단조품의 품질을 보증하기 위하여 게이지, 템플레이트 또는 다른 기구를 사용하여 행하는 비파괴 검사.

열처리 (Heat Treatment) : 금속의 요구하는 성질을 얻기 위하여 행해지는 일련의 가열과 냉각 작업.

온간 가공 (Warm Working) : 재결정 온도 보다 낮은 온도에서 행하는 작업으로 냉간 가공 보다 적은 힘으로 가공이 가능함.

웨브 (Web) : 단조면(Forging Line)과 평행한 얇은 부분.

응력 제거 (Stress Relieving) : 조직의 변화 없이 가열과 냉각 시 발생한 응력(Stress)을 감소시키는 것.

응력 제거 처리 (Stress Relief Annealing) : 단조, 주조, 기계 가공 등을 한 후 생기는 잔류응력을 제거하기 위하여 적당한 온도로 적당한 시간 유지후 냉각하는 작업.

자분탐상검사 (Magnetic Particle Inspection) : 금속을 자화시킨 후 미세한 금속 가루를 도포 하여 결함 부위에서 자기 흐름의 변화에 의하여금속 표면의 결함을 발견하는 비파괴 검사 방법.

전성 (Malleable) : 단조 작업이나 롤 작업 시 변형될 수 있는 특성.

절단 (Cutting, Shearing) : 단조 작업에 필요한 재료를 적정 중량 또는 길이로 자르는 작업으로 톱(Saw)에 의한 방법과 Billet Shearer에 의한 방법

등이 있다.

초음파 시험 (Ultrasonic Testing) : 초음파를 이용하여 금속의 내부 결함 여부를 확인하기 위하여 실시하는 비파괴 검사.

카운터블로우 단조 기계 (Counter Blow Forging Equipment) : 공작물의 양방향에서 동시에 힘을 가하는 단조 기계.

코이닝 (Coining) : 보다 정밀한 공차와 매끄러운 표면을 얻기 위하여, 또는 발구배(Draft Angle)을 없애기 위하여 단조품의 전면 또는 일부분에

압력을 가하는 작업.

콜드 샷 (Cold Shut) : 단조 작업 시 금속 자체가 말려들어 가서 생기는 결함으로 수직과 수평이 만나는 점에서 일어난다.

타격 (Blow) : 단조 장비에 의해 한번에 주어지는 힘이나 충격.

트리밍 (Trimming) 단조품으로부터 프레쉬 : 또는 여분의 금속을 제거하는 작업. 트리밍은 대개 열간 상태에서 실시 하지만 냉간 상태에서 하는 경우도

있다.

펀치 (Punch) : 트리밍 프레스나 압셋타에서 움직이는 쪽의 공구.

평 금형 단조 (Flat Die Forging, Open Die Forging) : 완전한 평면이거나 간단한 형상을 가진 금형에서 반복적인 스트로크에 의하여 피 가공물을 돌려가면서 행해지는 단조로서 “Hand”또는 “Smith”단조로 알려져 있음.

프레스 단조 (Press Forging) : 기계식 또는 유압식 프레스를 사용하여 작업하는 단조.

피니샤 (Finisher or Finishing Impression) : 단조품과 동일한 형상 및 치수를 갖는 형조부.

헤딩 (Heading) : 볼트나 리벳처럼 축의 끝 부분을 크게 만드는 작업.

형조 (Die Sinking) : 다이 블록 또는 인서트 금형에 단조품 부위를 조각하는 작업.

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참고 싸이트

https://cms.kut.ac.kr/common/downLoad.action?siteId=me&fileSeq=10424