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단조작업

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자유 단조 (Open-die-forging)

자유 단조는 간단한 단조 공정으로 소재를 2개의 평 금형 사이에 올려놓고 압축하여 높이를 감소시키는 것이다.
금형 표면에는 간단한 공동부를 만들어 비교적 간단한 모양의 단조품을 만들 수 있다. 작업 중에 체적이 일정하게 유지되므로 소재의 높이가 감소하면 지름이 늘어
나게 된다. 그러나 실제 작업에서는 소재가 균일하게 변형되지 않고, 제품의 옆면이 나오게 되는 버렐링 현상이 생긴다.

버렐링의 주된 이유는 금형과 소재간의 접촉면에서 재료가 바깥 방향으로 유동하는데 대하여 반대 방향으로 마찰력이 작용하기 때문이다. 따라서 버렐링은
효과적인 윤활제를 사용함으로써 최소화시킬 수 있다. 버바렐링은 고온의 소재를 냉각된 금형으로 업체팅할 때도 생긴다. 접촉부위에 있는 재료는 급속히
냉각하는 반면 소재의 나머지 부분은 비교적 고온으로 남아있으므로 소재의 양 끝면은 가운데 부분보다 변형에 대한 저항이 커진다. 결국, 소재의 가운데 부분이
양 끝면보다 많이 변형하게 된다. 열 효과에 의한 버렐링은 금형을 가열하여 사용하거나, 금형과 소재간의 접촉부에 유리 피복제 같은 열 차폐물을 둠으로써 감소
시키거나 없앨 수 있다.

자유 단조로는 간단한 모양의 단조품으로 만들 수 있다.

증기 터빈용 대형 축은 긴 주조 잉곳을 열간 단조하여 만들어 진다. 증기 터빈용 대형 축은 긴 주조 잉곳을 열간 단조하여 만들어 진다. 잉곳은 평 금형에 길게 놓여
매 타격마다 사용하여 조금씩부터 얻어진 소재의 미세 조직을 단련 조직으로 변화시켜 결정립을 균일하게 미세화하고 기계적 성질을 향상시킨다.

링 모양의 제품도 내무에 맨드릴을 사용하면 이와 같은 방법으로 두께를 줄일 수 있다. 대부분의 자유단도 제품은 15-1500kg정도이지만 때로는 100톤 이상의
초대형 단조품도 있다. 크기는 매우 작은 것으로부터 선박용 프로펠러축으로 쓰이는 길이 23n에 달하는 제품도 있다. 단지 작업(cogging or drawing out)은
연속적으로 소재의 두께를 감소시키는 자유 단조 작업이다.
1회 압착 당 접촉 면적이 큰 단조 하중이나 기계 없이도 길이가 긴 소재의 두께를 감소시킬 수 있다.

단조 (Impression-die and Closed-die forging)

형단조에서는 같이 소재가 2개의 단조형 금형에 의해 단조되면서, 금형 공동부의 모양으로 만들어진다.
단조가 되는 동안, 재료의 일부는 밖으로 유동되어 플래시를 형성한다. 플래시는 형단조 시 재료의 유동에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 플래시는 두께가
얇으므로 급속히 냉각되고 또한 마찰 저항으로 인해 금형 공동부에 있는 재료에 높은 압력을 가하여 재료가 금형 공동부를 채울 수 있도록 해주고, 단조 작업이
끝나면 제거된다.

일반적인 형단조 작업에서 소재는 처음에 긴 바이로부터 전단되어 하부 금형 위에 올려진다.
지지판을 사용하면 절단한 소재의 옆면이 더욱 직각에 가깝게 된다. 여러 단계의 단조 작업을 거치면서 소재의 모양은 점차적으로 변화된다.
풀러링(fullering)이나 에징(edging)과 같은 예비 성형 작업(preforming)을 하면 재료를 여러 구역으로 미리 분산시킬 수 있다.
풀러링 작업에서는 재료를 특정 부분에서부터 분산시키고, 에징 작업으로는 특정 부분으로 재료를 모으게 된다.

예비 성형 작업품에 소재는 블록커 금형(blocker-die)를 사용하는 블록킹(blocking)작업으로 대략적인 모양이 만들어진다.
마지막 작업은 단조품에 최종 형상을 주는 피니셔(finisher) 금형으로 최공 단조를 한다. 플래시는 트리밍 작업으로 제거되며, 내부의 얇은 부분은 펀칭으로
제거된다.

형단조에서 원하는 치수는 가공 오차를 얻으려면, 소재의 체적을 정확히 계량하고 금형을 적절하게 설계하여야 한다. 부적하게 계량된 소재로는 금형 공동부를
완전히 채울 수 없게 되고, 과다한 소재는 과도한 압력을 발생시켜 금형을 파손시키거나 기계를 고장나게 한다.

정밀 단조

오늘날의 단조는 경제적인 이유로 인해 보다 정밀하게 작업되어 부차적인 마무리 작업을 줄이는 방향으로 가고 있다. 성형되는 제품이 원하는 최종 제품의 치수와
거거 같도록 하는 단조 방식을 준정형(near net-shape)단조라고 한다. 정밀단조 후 단조품에 붙어 있는 여분의 재료는 보통 매우 적은 양이며, 트리밍이나 연삭으로 쉽게 제거된다.

정밀단조에서는 평단조에서보다 높은 정밀도로 제품이 가공되도록 한다. 정밀단조공정에서는 제품의 구체적인 최공 형상까지도 얻어야 하므로 매우 높은 단조
하중이 필요하여, 큰 용량의 기계가 필요하다.
알루미늄이나 마그네슘 합금은 단조 하중과 온도가 낮으므로 정밀 단조에 적합하다. 또한 이들 재료를 단조할 경우
에는 금형 마모가 적고 펴면 정도도 우수하다. 강이나 기타 합금은 정밀 단조하기가 어려운 편이다.

정밀단조를 하려면 특수한 금형이 필요하고 소재의 부피 및 모양의 적절한 조절, 소재를 금형 공동부내에 적절하게 배치하는 것이 필요하다. 그러나 재료나 낭비가
적고 부차적인 절삭 공정이 생략된다. 따라서 일반단조와 정밀단조 간의 선택은 경제성을 분석하여 이루어진다.

코이닝

코이닝은 동전, 메달, 장신구 등을 만드는데 사용되는 형단조의 한 유형이다. 소재는 완전히 밀폐된 금형 공동부 내에서 변형된다.
최종 형상을 만드는 데는 소재의 강도보다 5~6배 높은 앞력이 필요하다. 코이닝에는 윤활제가 사용되지 않는데, 그 이유는 윤활제가 소재와 금형 사이에
완전히 갇히게 되어 금형 표면의 형상이 소재에 정밀하게 만들어지지 않기 때문이다.

코이닝 작업은 단조제품이나 기타제품 표면 정도를 높이고 정확한 치수로 제작할 때에도 사용된다.
이때의 공정은 사이징(sizing)이라고 하며, 이때는 소재의 모양에 거의 변화가 없으면서도 높은 압력이 필요하게 된다. 문자나 숫자를 제품에 표시하는 것도
코이닝과 유사한 공정으로 신속하게 작업될 수 있다.

헤딩 Heading

헤딩은 기본적으로는 업세팅 작업이며, 둥근 봉이나 선의 한 쪽 끝에 단면적이 큰 부분을 만드는데 적용된다.
이 방법으로는 볼트, 스크루, 리벳, 못 기타 체결용 부품들의 머리 부분을 제작할 수 있다. 헤딩 작업은 냉간, 온간, 열간에서 헤더(header)라는 자동화된 기계에서
이루어진다.

헤딩 작업은 냉간 압출 공정과 조합되어 여러 가지 제품을 생산하는데 사용된다. 헤딩 작업 시 소재의 구속되지 않은 부분의 길이가 지름에 비해 너무 길면 소재에
좌굴이 일어나기 쉽다. 이 부분의 이 부분의 비는 보통 3:1 이내로 제한되지만, 금형의 형상에 따라 더 커질 수도 있다. 예를 들면 금형 공동부의 지름이 소재 지름의
1.5배 이내이면 더 큰 비도 가능하다.

천공(Piercing)허빙(Hubbing)

천공은 소재를 완전히 관통하지 않고 소재의 표면에 펀치를 압입시켜 공동부나 압입된 형상을 만드는 공정이다.
천공 작업에서는 소재를 금형 공동부내에 구속시키거나, 금형을 사용하지 않고 그대로 천공하기도 한다. 천공 작업 후에는 펀치를 반대방향에서 압입하여 완전하게
구멍을 만들 수 있다. 천공 하중은 천치의 단면적과 끝 부분의 형상, 재료의 강도, 마찰 등에 따라 결정된다.

허빙은 금속 소재의 표면에 특정한 형상을 가진 경화 처리된 펀치로 압입하는 작업이다.
만들어진 공동부는 식기류와 같은 제품을 성형하는데 쓰일 금형으로 사용 된다. 금형 공동부는 보통 얕은 편인데, 깊은 공동부를 만들 때는 허빙 전에 재료의 표면을
적당한 치수로 미리 절삭 가공하여야 한다.

압연단조(Roll forging)전조

압연 단조는 공형(shaped grooves)을 가진 한 쌍의 로울 사이에 소재를 통과시켜 단면적을 줄이거나 형상을 만드는 작업이다.
이 방법은 테이퍼진 축이나 겹판 스프링, 공구 등을 만드는 데 사용된다. 또한 다른 단조 공정 전에 행해지는 1차 성형 작업으로도 사용된다.

압연 단조와 비슷한 공정으로 강구 건조 작업(sken rolling)이 있는데, 선재가 로울 사이에 이송되어, 회전하는 로울에 의해 연속적으로 구모양의 소재로 대강
성형된다. 구 모양의 소재는 둥근 봉재를 전단한 뒤, 반구형 금형 공동부를 가진 두 개의 금형 사이에서 업세팅하여 만들어질 수도 있다. 이때는 플래시가 생기며
베어링용으로 사용되기 위해서는 연삭 및 광택 작업을 하여야 한다.

궤도 단조 (Orbital forging)

궤도 단조는 상부 금형이 특수한 기계장치에 의해 정해진 궤도를 따라 움직이며 점차적으로 성형해 나가는 작업이다.
이 공정은 마치 적구와 절구공이의 움직임과 같다. 이 공정으로 제조되는 제품으로는 판 모양의 부품과 베벨 기어와 같은 원추형 부품을 들 수 있다.
들형의 접촉은 항상 소재의 작은 영역에서만 국한되므로 단도하중은 비교적 작은 편이다. 또한 소음도 비교적 적으며 금형이 10-20회 궤도 운동하면 제품이
성형된다.

등온 단조 (Isothermal forging)

등온 단조는 가열금형 단조라고도 하는데, 가열된 소재와 같은 온도를 갖도록 금형도 가열 된다. 단조가 진행되는 동안 소재가 고온으로 유지되므로 강도가 낮고
연성이 풍부하도록 유지되어 단조 하중은 작고 금형 공동부 내에서의 소재 유동은 향상된다. 정밀한 차수가 요구되는 복잡한 부품도 유압 프레스를 사용하여 1회의
행정으로 준정형 가공되도록 단조될 수 있다.

금형 재료는 니켈이나 몰리브덴 합금이 보통 사용된다. 등온 단조는 비싸고 생산속도가 낮은 편이다. 그러나 복잡한 형상의 제품을 티타늄이나 초내열 합금과 같은
재료로 만들어야할 때, 금형 가격을 보상할 정도로 수량이 충분히 확보되면 경제성을 가질 수 있다.

회전 스웨이징 (Rotary swaging)

회전 스웨이징은 간단히 스웨이징 또는 방향 단조(radial forging)라고도 하며, 왕복 운동하는 금형으로 봉재나 관재에 반경 방향으로 타격력을 가하는 작업이다.
금형의 움직임은 마치 롤러 베어링처럼 틀 속에 들어 있는 롤러들에 의하여 얻어지는 것이 보통이다. 소재는 움직이지 않고 금형 세트가 회전하며 초당 20회 정도의
고속으로 소재에 타격을 가한다.

금형 밀폐형 스웨이징 기계(die-closing swaging machine)에서는 금형의 운동이 왕복 하는 쐐기의 운동으로부터 얻어진다. 회전 스웨이징기에 비해 금형이 넓게
벌려지므로 지름이 크거나 고르지 않은 제품도 단조할 수 있다. 또 다른 유형으로는 금형이 회전하지 않고 반경 방형으로 왕복 운동만 하는 것도 있다.

관재의 스웨이징에서는 관의 내벽과 두께가 조절되는데, 내부 맨드릴을 사용하는 방법과 사용하지 않는 방법이 있다. 내부 맨드릴을 사용하면 관의 벽 두께를 조절
할 수 있다. 길이 방향으로 형상을 가진 맨드릴을 사용하면 내벽에 성상이 있는 관도 제조할 수 있다. 예를 들면 포신의 강선은 나선 현상을 갖는 맨드릴에 관을
스웨이징하여 만들어진다. 지름이 작은 관의 제조에는 고장력 선이 맨드릴로 사용된다. 포신 및 기타 제품을 가공하는데 쓰이는 특수 기계는 지름이 350nm에
달하는 것도 있다.

스웨이징은 케이블이나 철사 위에 접합 물을 직접 부착하여 조립하는데도 이용된다.

이러한 공정에는 원형부품의 끝을 테이퍼지게 하는 포인팅(pointing)과 부품의 치수를 최종적으로 마무리하는 사이징(sizing)이 있다. 스웨이징으로 가공할 수
있는 소재의 최대 지름은 150nm정도이고, 최소 지름은 0.5nm정도이다. 가공 오차는 0.05nm에서 0.5nm 정도이다.

스웨이징은 생산 속도가 높은 편으로 제품의 복잡한 정도에 따라서 매 분당 50개까지의 비율로 가공하는데 적절한 공정이다. 맨드릴을 사용하는 경우에는 소재의
길이가 맨드릴 지지봉의 길이에만 제한되므로, 이 공정은 유연성이 높은 공정이라 할 수 있다. 스웨이징에 의해 제조된 제품은 다른 냉간 가공법과 마찬가지로
소재의 기계적 성질이 개선된다. 보다 우수한 표면정도를 얻고 금형 수명을 늘리기 위해서는 윤활제가 사용된다. 상온에서는 연성이 부적한 재료는 고온에서
스웨이징을 할 수 있다.