금속가공학
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■ 서 론 금속이 기계 혹은 구조물의 한 부분으로 사용될 시 이 금속재료가 어느 정도까지의 하중을 받을 수 있는가 또 금속을 주조 상태로부터 보다 유용한 형태로 소성가공시 보다 쉽게 작업 할 수 있는 온도 및 하중 속도 등의 조건 등을 야금학 적 측면에서 다루는 학문을 가공학이라고 한다. |
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● 탄성 및 소성가공 한 물체에 하중이 가해지면 변형하게 되고, 어느 정도까지의 하중을 가한 후에 그것을 제거하게 되면 그 물체는 원래의 치수를 다시 회복하게 된다. 이와 같이 하중을 제거하면 물체가 원래의 칫수로 되돌아가는 한계를 탄성한계라고 한다. 변형이 탄성한계를 초과하게 되면 힘을 제거하더라도 영구변형이 남아있게 된다. 이와 같이 힘을 제거하여도 회복이 되지 않는 변형을 소성변형이라고 한다. 하중이 탄성한계를 초고하지 않는 경우에는 대부분의 재료에 대하여 변형은 하중에 비례한다. 이 관계를 훅(Hook)의 법칙 σX = Eεx (E: Young's modulus) 을 통해서 알 수 있고 이것을 응력은 변형률에 비례한다고 표현하는 경우가 많다. |
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● 평균변형률과 변형률 ◆ 변형률 그림 1. 축방향의 하중을 받고 있는 환봉 변형전에 보의 표면에 두 표점을 찍고 그 사이의 거리를 L0라고 하고 봉으 한 쪽을 고정시키고 다른 한 쪽에 하중 P를 걸었을 때 표점간의 거리가 δ만큼 늘어났다고 하면 평균 변형률은 단위 거리당 길이 변화로 정의한다. 여기서 L0와 δ는 길이의 단위이므로 변형룰은 무차원의 양이다. 그림 2. 그림1의 자유물체도 외력 P가 내부반력 ∫σdA와 평형을 이루고 있다. 여기서 σ는 단면에 수직인 응력이고 A는 봉의 단면적이다. 평형방정식은 여기서 만약 응력이 면적 A에 균일하게 분포되어 있다면, 즉 σ가 일정하다면 이 식은 이 식은 평균응력을 나타낸다. 탄성한계내에서는 훅의 법칙이 적용 될 수 있으므로 평균응력은 평균 변형률에 비례한다. 여기서 상수 E 는 탄성계수 혹은 영(Young)률이라 부른다. |
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● 연성금속의 인장응력 적절히 실계된 시편에 축방향의 하중을 가하여 그 시편이 파단할 때까지 하중과 변형량을 측정함으로써 응력과 변형률간의 관계를 통해서 연한금속의 기계적 성질의 기본이 되는 자료를 얻을 수 있다. 그림 3. 전형적인 인장응력-변형률곡선 인장실험에서 얻은 자료는 보통 응력과 변형률의 곡선으로 나타낸다. 초기 직선부분 OA는 훅의 법칙이 적용되는 탄성영역이고, 점A는 탄성한계, 즉 응력제거시 영구변형을 우발하지 않는 한계이다. 탄성한계는 때로는 비례한계(A')에 의해서 대신하여 지기도 한다. 비례한계는 응력변형도 곡선이 직선으로부터 벗어날 때의 응력을 말하고, 이 영역의 응력-변형률 곡선의 기울기가 탄선계수이다. 항복점B까지를 탄성거동의 한계라 한다. 항복강도는 미소량의 영구변형을 유발 할 수 있는 응력으로 정의한다. 일반적인 공학설계에서는 그것을 0.002정도의 변형률에 해당하는 응력으로 정의한다. 소성변형은 탄성한계를 초과할 때 시작한다. 소성변형이 진행되면 금속은 가공경화하게 되므로 계속적인 변형을 위해서는 하중을 높여주어야 한다. 결국 그 하중은 최대값에 도달하게 되고, 그 최대값을 시편의 초기 단면적으로 나눈 값이 재료의 인장강도이다. |
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● 연성-취성거동 그림 4. (a) 완전 취성재료의 응력-변형률 곡선 하중을 받고 있는 금속의 일반적인 거동은 연성 혹은 취성으로 분류 할 수 있고 그것은 그 재료가 소성변형을 많이 유발 할 수 있느냐 그렇지 않느냐에 따라 달려 있다. 완전취성재료는 탄성한계에서 판단하게 된다. 취성재료에서는 항복강도와 인장강도는 같으므로 응력집중이 없더라도 파단은 갑자기 일어난다. |
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● 파단의 원인 기계나 구조물의 구성품은 사용중 그 기능을 상실하는 수가 있다. 그 유형은 일반적으로 다음 세가지로 분류된다. 1. 과다 탄성변형 기계부품의 과다한 탄성 변형은 완전 파단과 동일하게 기능적인 손상을 의미 할 수 있다. 예를 들면, 축(shaft)이 쉽게 휘어진다면 베아링의 빠른 마모를 유발 할 수 있고, 잘 조립된 부품들에서 한 부품의 과다한 탄성변형은 부품들간의 간섭을 유발하여 그 부위의 손상을 초래 할 수 있다. 항복 혹은 소성변형은 금속이 탄성한계를 초과하였을 때 일어나고, 그것은 부품의 기능 손상을 의미하기도 한다. 상온에서 정하중을 받고 있는 연성금속에서 항복이 파단을 유발하는 예는 드물다. 기계부품의 대부분의 파단은 피로에 기인한다. 피로파단은 계속적으로 변화하는 응력조건하에서 있을 때 일어난다. 작은 크랙이 한 부위에서 발생하게 되면 그 부분에서 응력집중이 일어나게 되고, 따라서 점진적으로 그 크랙이 전체 단면을 통과하게 되어 파단을 유발하게 된다. 피로파단은 재료의 강도보다 훨씬 낮은 응력에서 일어날 수 있고, 이 경우 파단전에 항복이나 파단을 감지 할 수 없다. 피로파단은 국부적인 임계 인장 응력에 의해서 일어나므로 그것을 추정하기는 어렵다. 지연파단은 고온에서 장시간 동안 정하중을 받는 금속에서 발생한다. 응력과 온도에서 관계하지만 파단전에 항복을 유발하지는 않는다. 강이 상온에 서 수소에서 노출된 상태에서 장기간 하중을 받고 있을 때에도 항복없이 지연파단하는 경우가 있다. 이와같이 예기지 않은 파단을 예방하기 위하여 허용응력은 항상 파단을 유발할 수 있는 것보다 낮아야 한다. 한 특정재료가 특정목적으로 사용될 때의 안전응력 값을 설계응력(working stress)σw라고 한다. 설계응력은 항복응력 혹은 인장강도를 안전계수로 나눈 값으로 생각할 수 있다. 여기서 σw = 설계응력 |
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● 응력의 개념 및 유형 그림 5. 응력의 분해 하중 P가 면적A를 가진 면의 수직선 Z와 이루는 각을 θ라 하고, 그 면의 수직벡타와 만드는 면이 면 A를 자르는 선을 점선으로 표시하였다. 여기서 총 응력을 ΔA에 수직인 성분(수직응력, σ)과 그면에 평형하게 작용하는 응력(전단응력, τ)으로 분해하여 생각하는 것이 편리하다. 점선 OC는 y축과 ψ만큼 기울어져 있다고 하면 수직응력은 다음고 같이 주어진다. 선 OC를 따라서 작용하는 전단 응력은 이 전단 응력은 다시 x축과 y축에 평행한 성분으로 나누어질 수 있다. 그러므로 보통 주어진 하나의 면에 작용하는 응력은 한 개의 수직응력과 두 개의 전단응력으로 나타낼 수 있다. |
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● 변형률의 개념과 변형률의 형태 변형률을 한 시점에서의 미소 길이의 변화로 표시하면 으로 나타 낼 수 있다. 이것을 자연 혹은 대수변형률이라 부른다. 이 것은 진변형률로도 불리우며 공칭변형률과 구별된다. 한 물체의 탄성변형이 길이 변형만 수반하는 것이 아니고 두 선이 이루는 초기 각에 있어서의 변화도 초래한다. 직각으로부터 각도변화를 전단변형률이라 한다. 전단변형률을 일반적으로 그 회전각으로 표시한다. |
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● 응력의 단위 영어권의 국가에서는 응력의 단위로 kips per square inch(ksi)를 사용하여 왔다.(1ksi = 1000psi) 보통 SI(for System International) 단위로 불리어지는 국게규격 체계에 의하면, 공식적인 응력의단위는 Newton per square meter, N/m2이다. N/m2은 아주 작은 응력(1N/m2 = 0.000145psi)이므로, meganewton per square meter(1MN/m2 = 106N/m2 = MPa = 145psi)의 단위를 주로 쓴다. |
탄성거동에 대한 응력과 변형률의 관계
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■ 탄성거동에 대한 응력과 변형률의 관계 ● 한점에 대한 응력의 표시 그림 6. 단위체적소에 작용하는 응력 σij i : 응력이 걸리는 평면, j: 응력이 작용하는 방향, 응력의 표시방법은 다음과 같은 여러 가지 방법이 쓰인다.
그림으로부터 한점의 응력을 표시하는데 필요한 성분은 9개이지만 τxy=τyx으므로 응력상태는 6개의 성분(6개의 수직응력과 3개의 전단응력)으로 표시할 수 있다. |
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● 2차원의 응력상태 그림 2. 빗면에서의 응력
SX와 Sy를 빗면에 작용하는 총 응력의 X 및 Y 방향의 성분이라고 하면 SX=σx cosθ + τxy sinθ , Sy=σy sinθ + τxy cosθ 이라고 표현 할 수 있다. 여기서 빗면에 작용하는 normal stress(SN)와 shear stress(SS)는 SN= SX cosθ + Sy sinθ 으로 정의 할 수 있다. 따라서 그 빗면에 수직으로 작용하는 응력은 σx'= (σx cosθ + τxy sinθ)cosθ + (σy sinθ + τxy cosθ)sinθ =σx cos2θ +2τxy sinθcosθ +σy sin2θ 이다. 그리고 shear stress는 normal stress + π/2 이므로 σy' = σx sin2θ +2τxy sinθcosθ +σy cosi2θ τx'y' = τxy (cos2θ - sin2θ) + (σx - σy )sinθcosθ 으로 정의 할 수 있다. 위의 식은 삼각함수를 이용하면 σx' = (σx + σy)/2 + cos2θ(σx - σy)/2 + τxy sin2θ σy' = (σx + σy)/2 - cos2θ(σx - σy)/2 - τxy sin2θ τx'y' = sin2θ(σx - σy)/2 + τxy cos2θ 으로 바꿀 수 있다. 이 식들은 xy좌표계에서 정의된 응력이 x축으로부터 반시계방향으로 θ만큼 기울어진 x'y'좌표계에서 응력으로 변환되는데 필요한 식이다. 전단응력이 없는 상태를 주응력상태(principle stress)라고 한다. 즉 τx'y' = 0인 상태이다. 위의 식에서 tanθ= 2τxy / (σx - σy)일 때 주응력상태가 된다. 일반적인 주응력상태에서는 세 개의 주응력(σ1 σ2 σ3)이 있다. 관례에 따라서 그 중 제일 큰 것을 σ1 그리고 가장 작은 것을 σ3라고 한다. |
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● 응력의 Morh원 - 2차원 그림 2. 수직성분에 대한 극을 이용한 무어원 xy좌표를 θ만큼 회전시킨 x'y'좌표계에서의 stress를 표현하면 전 장에서 나온 식으로부터 으로 나타낼 수 있다. 이 식은 (x - b)2 + y2 = r2 형의 원의 방정식이다. 따라서 Mohr의 원은 σx'과 τx'y'좌표에서 그 중심이 원점에서 (σx + σy )/2만큼 떨어져 있고 그 반경이 τmax인 원을 의미한다. 실제로 반시계방향으로 θ 만큼 돌리면 Mohr원에서는 시계방향으로 2θ만큼 돌린 것으로 나타난다. |
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● 3차원의 응력 상태 일반적인 3차원 응력상태는 한점에 작용하는 서로 크기가 다른 세 개의 주응력에 대표될 수 있다. 면적 OJK=l, OLK=m, OLJ=n 이라고 하면 SX=σxl + σxym + σzxn -----------① 그림 4. 자유물체도에 작용하는 응력 ①,②,③ → ⑤하면 SN = σxl2 + σym2 + σzn2 + 2(σxylm + σyzmn + σzx nl )-----------⑥ 한편 SX=σxl Sy=σym Sz=σzn 이므로 이것들을 ①,②,③에 대입하면 l(SN - σx) - σyzm - σzx m = 0 - σxyl + m(SN - σy) - σzyn = 0 - σxzl - σyz + (SN - σz)n = 0 ---------⑦ ⑦식이 l=m=n=0이 아닌 해를 갖기 위해서는 SN3 - (σx + σy + σz )SN2 + (σxσy + σyσz + σzσx - σxy2 - σyz2 - σzx2)SN - (σxσyσz + 2σxyσyzσzx - σxσy2 - σyσz2 - σzσx2) = 0 여기서 J1 = σx + σy + σz J2 = σxσy + σyσz + σzσx - σxy2 - σyz2 - σzx2 J3 = σxσyσz + 2σxyσyzσzx - σxσy2 - σyσz2 - σzσx2 라고 하면 SN3 - J1SN2 + J2SN - J3 = 0 ----------⑧ 이 식은 SN에 대해 3개의 근을 가진다. 그리고 Ss이면 SN은 주응력상태가 된다. 이 때 σ1>σ2>σ3이고 ④, ⑤, ⑧을 이용하면 Ss2 = (σ1 - σ2)2l2m2 + (σ3 - σ1)2n2l2 + (σ2 - σ3)2m2n2 여기서 J1 = diagonal의 합 = σx + σy + σz J2 = 행렬식의 값 J3 = 행렬식의 값 SN3 - J1SN2 + J2SN - J3 = 0 이 때의 근을 σ1,σ2,σ3라 하면 주응력 상태에서는 shear component = 0이므로 |
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● 3차원의 Mohr원 그림 5. 무어원에 의한 3차원 응력상태의 표시
그림 6. 여러 응력상태에 대한 3차원 무어원 |
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● 한 점에 대한 변형률의 표시 그림 7. Ω의 변위 그림 8. 1차원 변형 x, y, z축으로의 displacement를 각각 u, v, w라고 하면 수직변형(normal stran)은 전단변형(shear strain)은 그림 9. 면 요소의 각 변형 그림 10. 단순전단 γij(engineering strain) = 2εij(true strain) 3차원 일 때는 εN(Normal strain) = εx·ℓ2 +εy·m2 + εz·n2 + 2(εxy ·ℓm + εyz·mn + εzx·nℓ) SN (normal stress) = σx·ℓ2 + σy·m2 + σz·n2 + 2(σxy·ℓm + σyz·mn + σzx·nℓ) 이고 principle stress와 principle strain은 동일축이다. εN3 - I1εN2 + I2εN - I3 = 0 여기서 I1 = εx +εy + εz , I2 = -(여인수의 합) I3 = 행렬식의 값 이다. volume strian은 Δ = ε1 +ε2 + ε3 으로 표현할 수 있고 volume change가 없다면 Δ = 0이다. |
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● 탄성학 탄성응력은 훅의 법칙으로부터 시작된다. σX = Eεx 여기서 상수 E 는 탄성계수 혹은 영(Young)률이라 부른다. σz에 의한 x, y, z축으로의 strain을 보면 이다. 같은 방법으로 변형률이 0이라고 해서 반드시 그 방향의 stress가 0은 아니다. 전단 탄성계수 체적 상수 따라서 를 얻을 수 있다. ⑨,⑩에서 strain를 stress으로 표현한 식 을 얻을 수 있다. (⑨식에서 εx = 을 얻을 수 있다. 이것을 ⑪에 대입하면 stress를 strain으로 표시한 식을 얻을 수 있다. plane stress상에서는 σz = 0이다. 따라서 ⑨의 첫 번째 식으로부터 을 얻을 수 있다. ⑫을 ⑩에 대입하면 나머지 σx ,σy 의 값을 알 수 있다. 한 편 plane strain상태에서는 εz = 0 . 따라서 ⑨의 세 번째 식으로부터 나머지 εx , εy를 알 수 있다. |
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● 변형률의 Mohr원 그림 11. 변형률 게이지 로제(a), (b) 접촉응력을 포함하는 몇 가지 경우를 제외하고는 응력은 직접 측정할 수 있는 방법이 없다. 따라서 실험적인 응력 측정은 변형률 측정에 기본을 두고 있고, 측정한 변형률로부터 응력으로 환산한다. 널리 쓰이는 변형률 측정 장치는 접착식 저항선 게이지(bonded wire resistance gage)이다. 만약 주응력 방향을 알고 있다면 게이지를 그 방향으로 붙이므로 쉽게 그것을 측정 할 수 있다. 그러나 일반적으로 그 방향은 알 수 없다. 따라서 임의의 방향에서 변형률을 측정하여 주응력의 방향과 크기를 결정해야 한다. 그리고 변형률 게이지는 길이 변화에 의한 변형률만 측정할 수 있으므로 전단 변형률은 계산에 의해서 구해야 한다. εθ = εxcos2θ + εysin2θ + γxycosθsinθ 이 식을 이용하여 연립방정식을 이용한 산술적인 방법이외에도 무어원을 이용하는 방법이 있다. 그림 12. 주응력 측정에 대한 Mohr원 1. 먼저 임의의 축 x'x'을 긋고 그 위에 수직 변형률 εx , εy , εz에 해당하는 점을 지나는 축 x'x'에 수직인 선aa, bb 그리고 cc를 긋는다. 2. 중앙의 게이지에 해당하는 선 bb상의 임의의 한 점 D로부터 각도 α를 이루는 (게이지 배치 도의 방향으로) 직선을 그어서 aa와 만나는 점을 A라 하고, 같은 방법으로 각 β를 이루는 선 을 그어서 cc와 만나는 점을 C라 하자. 3. ACD를 지나는 원을 그린다. 원의 중심은 CD와 AD를 양분하는 선의 만나는 점으로 결정될 수 있다. 4. 그러면, 원주상의 점 A, B, C는 원의 중심 O를 지나는 새로운 X축에 대하여 세 게이지 방향에 해당하는 수직 변형률 성분 ε 및 전단 변형률 성분 γ / 2 의 값을 준다. 5. 주 변형률 값은 그 원이 O -축과 만나는 점에 의해서 결정된다. 최대 변형률 ε1이 게이지 a 와 이루는 각은 Mohr원상의 AOP의 반이고 방향은 시계 반대 방향이다. |
소성이론
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■ 소성이론의 기초 소성이론은 훅의 법칙이 적용되는 범위를 넘어선 변형률 범위에서 배로의 변형 거동을 취급하는 학문이다. 소성변형 거동을 수학적으로 표시하는 것은 탄성변형일 때에 비하여 복잡하므로, 소성이론의 기본식들은 탄성론에서의 그것보다 복잡하다. 예를 들면, 소성변형은 탄성변형과 같이 가역적이 아니다. 즉 탄성변형은 초기와 최종의 응력상태에만 의존하지만 , 소성변형은 최종상태까지 가는 변형의 경로에 의존한다는 점이 다르다. 탄성론에서는 탄성계수에 의해서 응력 변형률을 관계지을 수 있지만, 소성론에서는 소성변형과 응력의 관계는 그와 같이 간단하게 측정될 수 있는 상수에 의하여 얻을 수 없다. |
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● 흐름곡선 그림 1. 연성재료의 대표적인 진응력-변형률 곡선 항복응력σ0까지는 훅의 법칙이 성립하고(이 σ0의 값은 변형률의 측정정확도에 크게 의존한다.), σ0를 지나면 금속은 소성변형한다. ε1 - ε2는 복원가능한 탄성변형률이다. 그런데 잔류 변형률이라 하여 그 전부가 소성변형률은 아니다. 금속에 따라서, 또는 온도에 따라서 작은 양의 소성변형 ε1 - ε2가 시간이 지남에 따라 사라지는 경우도 있다. 이것을 의탄성거동(anelastic behavior)라 부르고, 일반적으로 이러한 의탄성변형은 수학적인 소성이론에서는 무시된다. 진응력-진변형률 곡선을 통상 흐름곡선이라 부른다. 이 곡선을 수식으로 표시하는 것중에서 다음의 멱경화법칙(power law of hardening)이 가장 널리 사용되고 있다. σ = kεn 여기서 k는 ε = 0.1에서의 응력이고, n은 가공경화지수이며, 이 식을 log-log관계로 표시하였을 때의 기울기이다. |
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● 진응력과 진변형률 진변형률과 공칭변형률 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립한다. 진응력은 한 순간에서의 하중을 그것이 작용하는 단면적으로 나눈 값인데 비햐여 공칭응력은 그 하중을 초기의 단면적으로 나눈 값이다. 탄성거동을 생각할 대는 그 구별이 필요없다. 그러나 소성변형을 다루는 경우에는, 특히 인장시험의 결과를 수학적으로 취급하는데 있어서는 그 구별이 중요하다. 진 응력은 σ로 표기하고 공칭응력은 s로 표기하기도 한다. 진응력은 공칭응력과 다음과 같은 관계를 가지고 있다. 체적일정 조건으로부터 |
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● 연성금속의 항복조건 ◆ Von Mises조건 주응력이 어떤 combination이 critical값에 도달하면 항복한다. 즉, 둘째 응력불변량 J2가 어떤 일정값에 도달하면 항복이 일어난다. 단순인장일 경우를 생각해 보면 즉, 또, 순전단응력(torsion)일 때를 고려하면 인장일 때와 toersion일 때를 비교하면 Von Mises는 원래 이 조건식을 간단한 수학적 간단화를 위해서 제안하였으나, 후에 변형에너지가 어떤 일정한 값에 도달할 때 항복이 일어난다는 조건과 같은 의미를 가징다는 것을 증명하였다. |
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◆ Tresca 조건(최대전단응력 조건식) 이 항복 조건은 최대 전단응력이 단순 인장시험에서의 전단항복응력 값에 도달할 때 항복이 일어난다는 것이다. 즉, 이다. 단순인장일때는 이고, 순전단응력일때는 이다. 최대 전단 응력조건은 Von Mises조건에 비하여 수식적으로 간단하고, 그 대문에 공학적 설계에 많이 이용된다. 그러나 최대전단 응력 조건은 중간의 주응력을 고려하지 않고 있으며, 최대 주응력과 최소 주응력을 알아야 하는 어려움이 있다. 또 최대전단 응력 조건의 일반형인 식은 Von Mises의 일반형인 식에 비하여 더욱 복잡하다. 따라서 대부분의 이론 연구에는 Von Mises의 조건을 선택하고 있다. |
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● 복합응력에서의 재료시험 단순인장과 비틀림을 제외한 응력상태에서 항복에 대한 연구는 주로 박육원통(thin-wall tube)에서 행해져 왔다. 그림 2. 인장과 비틀림을 받고 있는 박육원통 최대전단응력항복조건은 다음과 같이 주어진다. 변형에너지 항복이론은 아래와 같이 표시한다. 두 식은 다같이 타원식이다. |
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● 항복곡선 그림 3. 평면 응력상태에서 항복조건의 비교 이축 응력 조건 이 것은 장방경이 최대 전단 응력 조건에 대한 항복 곡선은 Mises의 그것 내에 들어간다. 두 항복 조건은 단순 인장과 등이축 응력 상태(σ1 = σ3)에서 일치한다. |
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● Levy - Mises 식 (이상적인 소성체) 탄성 변형률이 무시되는 이상적인 소성체에 대한 응력-변형률 관계를 흐름의 법칙 혹은 Levy - Mises 식이라 부른다. 소성변형에서는 부피변화가 없다고 가정하면 이다 단순인장의 경우 σ1 ≠ 0, σ2 = σ3 = 0 그리고 σm = σ1/3 이고, 이다 . 이것과 체적 불변의 조건으로부터 Levy - Mises의 일반식을 얻을 수 있다. 이 식은 변형이 진행하는 순간 하나의 주응력 방향에서의 편차응력에 대한 변형률 증분의 비는 일정하다는 개념을 의미한다. 여기서 effective stress 이라고 정의하고 effective strain 이라고 했을 때 Levy-Mises 식은 으로 표현할 수 있다. |
금속의 가공
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■ 금속가공의 기본 공업분야에서 금속이 널리 이용되고 있는 것은 봉, 판, 튜브 등의 형상으로 쉽게 가공할 수 있기 때문이다. 필요한 형상을 만드는 데는 두 가지 방법이 있다. 1. 소성변형 공정: 재료의 체적과 질량을 한 부분으로부터 다른 부분으로 이동시키는 방법에 의해서 필요한 형상을 만드는 방법. 2. 기계가공: 필요한 형상을 만들기 위하여 불필요한 부분의 금속을 제거하는 방법. 소성변형에 의한 급속가공공정에는 수백가지의 공정이 이용되고 있지만 재료에 작용하는 하중의 상태를 기본으로 하여 나누어 보면 몇 가지의 범주로 좁혀진다. 1. 직접 압축형 공정 - 단조와 압연 2. 간접 압축형 공정 - 인발, 압출, 디이프 드로잉 3. 인장형 공정 - 스트레칭 4. 굽힘 공정 - 판재에 굽힘모멘트를 주므로써 행하여진다. 5. 전단 공정 - 판재 금속에 파단을 유발할 수 있을 정도의 전단하중을 가하므로써 재료를 절단 하는 방법 잉고트 및 빌릿으로부터 판, 박판, 봉재등 간단한 형상으로 가공하는 공정을 일차적 소성가공 공정(processing)이라 부르며, 최종의 요구 형상으로 만드는 가공공정을 이차적 소성가공 공정(tabrication)이라 부른다. 그림 1. 대표적인 가공공정 응력 변형률 곡선에서 탄성변형부분을 벗어나는 부분이 소성변형이다. 변형속도와 변형속도와의 관계는 변형속도가 빠라지면 유동곡선이 상승하고 연성은 감소한다. 반면에 온도가 올라가면 유동곡선은 낮아지고 연성은 증가한다. |
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● 취성 취성에는 청열취성(blue brittleness), 적열취성(red brittleness), 템퍼취성(temper brittlrness)등이 있다. 청열취성은 yield drop이 일어나는 취성이다. C와 N과 같은 interstitial atom이 칼날 전위와 상호 작용하여 전위의 움직임을 어렵게 하다가 어느 순간 서로 떨어져서 전위는 보다 쉽게 움직이므로 응력이 갑자기 떨어진다. 250 ∼ 400℃에서의 가공에서는 청열취성이 일어난다. 적열 취성은 고온으로 가열시 저융점 액상이 되어 결절립계로 편석되어 얇은 필름형태로 존재하여 온도가 내려가면 얇은 판상의 고체로 변한다. 이렇게 되었을 때는 충격을 받으면 입계를 따라 파괴되는 취성을 말한다. 템퍼 취성은 온도구역 450 ∼ 600℃에서 장시간 테퍼링하거나 이 온도구역을 천천히 지나며 냉각될 때 embrittling 원소들(Sb, P, As)등이 결정립계로 편석되어 결정립계가 취약해져 일어나는 취성이다. |
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● 열간가공 열간가공이란 재결정이 일어나는 조건이상의 온도와 변형률 속도 조건에서 변형을 주는 공정으로 가공경화를 수반하지 않고 큰 변형률을 얻을 수 있다. 열간가공의 장점은 -작은 힘으로 가공할 수 있다. 등이 있고 반면에 단점으로는 -표면이 산화한다. 등이 있다. 열간가공에서 온도가 너무 높으면 red shortness가 일어날 수 있고 너무 잦으면 위의 장점을 이용하지 못한다. 따라서 가능한 한 낮은 온도에서 가공한 후 빠른 속도로 냉각해야 한다. 트? l마자막 공정은 낮은 온도에서 많은 deformation을 해주어야 작은 재결정립을 얻을 수 있다. 열간가공의 기구(mechanism)은 동적회복과 동적재결정으로 나눌수 있다. 동적회복은 크리프 변형에서 처럼 크로스 슬립과 클라임에 의해서 잘 형성된 서브그레인 조직을 형성하므로 일어난다. 반면에 격자 결함에너지가 낮은 금속에서는 열간가공에서 연화를 위한 활성화에너지가 크리프의 그것보다 낮다. 따하서 이러한 금속에서는 연호가 동적 재결정에 의해서 일어난다. |
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● 냉간가공 재결정온도를 기준으로 냉간가공과 열간가공을 구별하는데 열간가공이 적은 힘을 필요로 하고 표면이 거칠며 성형이 목적인 반면에 냉간가공은 많은 힘을 필요로 하고 표면이 깨끗하며 강도상스이 목적이다. 냉간가공은 재료의 경도와 강도의 증가와 연성의 감소를 수반하다. 냉간가공으로 한꺼번에 많은 소성변형을 하면 파단이 일어나게 된다. 따라서 어닐링을 도중에 행하여 회복을 시키거나 재결정을 시킨 뒤 다시 소성변형을 시켜야 한다. |
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● 마찰 및 윤활 ◆ 마찰 그림 2. 원판압축에서의 응력 원판의 상하면의 마찰조건은 쿠롬마찰계수(coefficient of Coulomb friction)에 의해서 아래와 같이 표시된다. 여기서 τ는 계면에서의 전단응력, p는 계면에 수직한 응력이다. 반경방향의 힘의 평형으로부터 의 식을 얻을 수 있다. 여기서 τ는 계면에서의 전단응력, p는 계면에 수직한 응력이다. 그런데 을 얻을 수 있다. 여기서 σz , σθ , σr 을 주응력으로 가정한다면 von Mises조건으로부터 σz , σr 간의 관계를 얻을 수 있다. σ0 = σr - σz 그리고 P를 계면에 수직인 양의 압축응력으로 취하면 P= - σz 그리고 σ0 = σr - P, 따라서 dσr = -dp를 위의 식에 대입하면 를 얻을 수 있고 이것을 적분하면 여기서 원판의 r=a에서는 σr = 0,그리고 p=σ0 이므로 대입하여 정리하면 으로 나타날 수 있다. 압력의 분포는 원판의 중심선에 대하여 대칭이며, 그 중심에서 정점을 이루고 있다. 이와같은 변형압력의분포를 마찰언덕(friction hill)이라 부른다. 평균압력(마찰언덕의 평균높이)은 아래식으로 주어진다. 금속가공에 마찰을 취급하는데 있어서 쿠롬 마찰 개념 대신에 스틱킹 마찰과 같은 개념을 쓰는 것이 편리한 경우가 많다. 공구와 접하고 있는 피가공물의 성질을 재료상수-즉 전단강도 τi-에 의해서 표시할 수 있기 때문이다. 계면의 전단강도를 항복강도의 일전분율 m으로 나타낼 수 있다. 여기서 m은 계면마찰계수(interface friction factor)라고 부르고 0에서 1까지 변한다. |
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◆ 윤활 계면 윤활제란 금속의 표면에 무리적으로 혹은 화학적으로 흡착되어 막을 형성하는 유기질을 말한다. 윤활의 목적은 1. 가공하중을 줄인다. |
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● 변형정도의 측정 plane strain case는 두께를 잰다 bar의 경우는 단면적을 잰다 |
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● 정수압 소성가공 공정에서 정수압이 걸리면 항복응력은 변하지 않지만, 인장응력은 크랙을 유발하는 임계값이하로 낮추어주는 결과가 된다. 따라서 정수압은 물체의 연성을 높히고 damage를 적게 준다. 결과적으로 많은 소성변형이 가능하다 압출의 경우 다이반각이 크면 tenssile stres가 커지고 작으면 정수압이 커져 많은 가공이 가능하게 된다. 너무 각을 줄일 경우 변형량이 작아져 작업능률이 저하되므로 보통 45°를 많이 사용한다. |
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● 가공도 가공도는 소성변형이 얼마나 쉽게 되는지 즉 균열없이 가공할 수 있는 정도를 말한다. 가공균열이 생기는 원인은 1. 기계와 물체사이에 생기는 temp. gradient에 의한 inhomogeneous deformation 등이다. 금속가공에서 나타나는 크랙은 크게 세 가지 종류로 나누어질 수 있다. 1. 원판의 평다이 압축에서 배부름이 일어나는 자유표면에서 혹은 평판 압연의 모서리 자유표면에서 나타나는 크랙 |
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● 잔류응력 외력이 작용하지 않는 물체에 존재하는 응력을 잔류응력이라 한다. 이러한 잔류응력은 불균일한 소성변형에 기인하고, 표면부는 늘어나려고 하는 반면 내부는 영향을 받지 않으면서 전체적으로 연속을 유지하려고 한다. 이 잔류응력은 응력제거 소둔 처리에 의해서 제거될 수 있다. 그림 3. 평판압연에서의 불균일 변형(a)과 그에 따른 두께방향에 대한 길이 방향의 응력분포(b) |
단조
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■ 단조 단조 작업은 크게 자유단조와 형단조로 나누어진다. 자유단조는 평다이 혹은 간단한 모양의 다이에서 행하여지고, 대형물 혹은 생산수량이 적은 경우, 또는 형단조를 위한 예비형상(preform)의 단조에 이용된다. 형단조는 형상을 가진 다이에서 행하여지고, 단조중에 밀폐된 다이 공간내에서 금속은 높은 압력하에서 변형하게 된다. 비교적 정밀한 정밀한 칫가 요구되는 단조품의 생산에 이용된다. 형단조는 정밀하게 가공한 잘 짜맞추어진 상하금형에 의해서 칫수정도가 요구되는 단조품을 생산하는데 이용된다. 이 방법은 생산량이 많을 때 적합하다. 그림 1. 형단조의 단면도 형단조에서의 Flash의 역할은 1.과다한 양의 물체가 빠져나가게 한다.. 2. die내부의 압력을 증가시켜 정확한 모양을 만들게 한다. |
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● 단조 설비 ◆ 평면변형단조 Friction hill과 결과가 비슷하다. ◆ 자유단조 그림 2. 자유단조에 의한 코깅작업 자유단조는 유압프레스나 파워해머에서 비교적 간단한 형상의 다이로서 크고 간단한 형상의 제품을 단조하는 것을 말한다. 먼저 퍼짐계수(coeff. of spread)S를 정의하면 그러나 시편이 barrelling되기 때문에 w1을 재는데 많은 오차가 있을 수 있기 때문에 다음과 같이 생각해 보자. 성형전과 후의 부피가 일정하다는 것에서 그런데 그런데 ℓ1을 재는데 생기는 오차는 w1을 재는데 생기는 오차에 비해 훨씬 작다. 여기서 S = 0 → 모든 높이 변화의 변형은 전부 길이 변형으로 나타남. S = 1 → 모든 높이 변화의 변형은 전부 폭변화(spread)로 나타남. 또한 모든 압축비 h1/h0는 1.3을 초과하지 않도록 한다.(inhomogeneous한 변형을 방지) |
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◆ 형단조 형단조에서의 단조공정을 성공적으로 최적설계하기 위해서는 재료의 흐름응력, 마찰조건, 재료의 유동등을 잘 이해하여야 한다. 찬 금형에 의한 소재의 빠른 냉각을 방지하는 것도 고려해 주어야 한다. 예비형상(preform)의 설계가 단조설계에서 어렵고 중요하다. 적절한 예비형상의 설계로서 결함이 없고, 살채움이 좋으면서 플래시에 의한 소재손실도 최소화시킬 수 있다. 단조에서의 재료의 흐름에는 크게 두가지형- 즉, 압출형(다이 진행방향과 동일한 방향의 흐름)과 어프세트형(다이 진행 방향에 대한 수직방향의 흐름)-이 있다. 통상 한 단조과정에서 이 두 가지의 흐름이 동시에 일어난다. 재료는 중립면에서부터 양쪽으로 다이 진행방향에 대하여 수직으로 흐르게 된다. 예비형상의 설계시 고려되어야 할 사항은 다음과 같다. 1. 같은 단면을 가진 부분의 체적은 최종 제품의 그것과 플래시를 포함한 것과 일치해야 한다. 최종단계 설계에 있어서 재료의 이상적인 흐름형태는 공구계면에서의 전단변형이 없는 압축수직방향의 흐름을 유도하여 다이공간을 채우는 것이다. 이러한 형태의 흐름은 마찰, 단조력, 다이마모를 최소화시킬 수 있다. |
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◆ 형단조에서 단조력의 계산 형단조에서 단조력과 단조압력을 예측하는 데에는 세가지 방법이 사용되고 있다. 첫 번째 방법은 경험에서 단조력을 추정하는 방법이다. 이것보다 좀더 합리적인 방법으로 경험식을 이용하는 방법으로 Schey는 단조력을 다음과 같은 식으로 표시하였다. 여기서 C1 = 형상 난이 계수 평다이에서 실린다를 어프세팅할 때 C1 = 1.2 ∼ 2.5 세 번째 접근법은 형단조공정을 간단화하여 슬랩해석을(slab analysis)을 하는 방법이다. 이 해석에서 불균일 변형은 무시될지라도, 실제 상황을 잘 고려하게 되면, 실험결과와 비교적 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있다. 기본적인 접근방법은 실제 단조물의 형상을 슬래해석이 가능하도록 간단한 형사의 조합으로 나누는 것이다. |
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◆ 단조결함 표면크랙은 너무 낮은 온도에서 과도한 변형을 준 경우 혹은 온도가 너무 높아서 적열취성에 의해 발생할 수 있다. 형단조에서 플래시부위의 크래킹(cracking)이 일어날 수 있는데, 플래시를 제거하더라도 모재까지 크랙이 전파되어 있을 수 있다. 이러한 크랙은 플래시의 두께가 재료의 원래 두께에 비하여 얇을 경우 일어나기 쉽다. 이 결함은 플래시의 두께를 두텁게 하던가, 그 위치를 바꾸므로 방지할 수 있다. 콜드 셧(cold shut) 혹은 접힘(fold)도 형단조에서 자주 발생하는 결함의 하나이다. 접힘이란 두 금속표면이 완전히 용접되지 않고 서로 겹쳐진 상태를 말한다. 이것은 금속의 흐림이 이미 살채움이 끝난 부분이나 칠링(chilling), 뾰족한 코너 혹은 높은 마찰등으로 인하여 살채움이 미완된 부분으로 다시 흐르게 되므로서 발생하게 된다. 금형 형상 반경(die radius)이 너무 작을 때 이 결함이 자주 발생하게 된다. 단조 중에 재료내부에는 인장응력이 유발되고 이것이 내부크랙을 유발할 수 있다. 이 결함은 원주형의 피단조물을 어프세팅(upsetting)할 때 재료 내부에 원주방향의 인장응력이 발생하여 일어나기 쉽다. 적절한 금형설계로서 이 형태의 결함은 최소화시킬 수 있다. |
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◆ 분말 단조 분말야금학적으로 준비된 예비현상으로부터 형단조하는 분말야금단조법이 새로이 빠르게 발전하고 있는 영역의 하나이다. 이 분말단조의 장점은 많은 가공단계가 필요없고 복잡한 형상을 만들 수 있으며 조직이 homogeneous하다는 것이다. 단점은 기공이 없어 ductility가 떨어지고 oxide같은 불순물이 들어갈 수 있다. |
압연
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■ 금속의 압연 롤(roll)사이를 통과시키므로 소성변형을 유도하는 공정을 압연이라 부른다. 생산속도가 높고 칫수 정도의 제어가 용이하기 때문에 가장 널리 이용되는 소성가공공정의 하나이다. 그림 1. 압연기의 유형별 분류 P.219 그림 6-3 압연은 casting → ingot → bloom → billet, slab → sheet, strip 의 순서로 행하고 ingot → bloom, bloom → billet, slab에는 hot working한다. |
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● 열간 압연 철강제품의 첫 번째 열간가공과정은 일차 조압연기(primary roughing mill)에 의해서 행하여진다. 1. scale을 없앰 열간압연에서는 edge를 보호하기 위해서 가끔 90°회전시켜 pass시키고(cross pass), edge roller를 사용한다. 온도는 반드시 재결정 온도 이상에서 행하여야 uniform equiaxed grain을 얻을 수 있다. |
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● 냉간 압연 냉간 압연 제품의 표면은 열간압연의 그것에 비하여 훨씬 좋다. 또 냉간압연에 따른 강도의 증가도 이용할 수 있다. 냉간압연에서의 마지막 pass는 대개 작은 reduction으로 행하여 좋은 dimension, flatness, surface finish를 얻을 수 있다. skin pass-stretcher strain현상을 막기 위해 아주 작은 reduction으로 압연한다. |
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● 압연에서의 힘과 기하학적 형상의 관계 그림 3. 압연에서 작용하는 힘 그림은 압연에서 롤의 기하학적인 형상과 압연에 필요한 힘간의 관계를 도식한 것이다. 여기에서 폭의 증가가 없다고 가정하면 두께의 감소는 길이의 증가로 나타날 것이다. 압연전과 압연후의 부피가 같다고 생각하면 bh0v0 = bhfvf (b:박판의 폭, v:두께가 h일 때의 속도) 이다. 그리고 그림에서 N은 roll의 속도와 metal의 이동속도가 같은 점이고 중립점(neutral point)또는 미끄러지지 않는 점(no slip point)이라고 부른다. 이 점을 중심으로 왼쪽에서는 마찰력이 오른쪽으로(rool의 속도가 재료가 들어오는 속도보다 빠르다) 오른쪽에서는 마찰력이 왼쪽으로 작용한다.(roll의 속도가 재료가 나가려는 속도보다 느리다.) 접촉면에서는 두가지의 힘이 작용하는데 그 중 하나는 반경방향의 힘 Pr이고 다른 하나는 접선방향의 마찰력 F이다. 힘 Pr의 수직성분을 Prv라고 하면 비롤압력(specific rolling pressure)은 압연력을 접촉면적(판의 폭 b와 접촉호의 투영길이 Lp의 곱)으로 나누어준 값이다. 이다. 여기서 Lp는 이므로 이다. 재료가 roll에 들어올 때를 보면 roll은 재료를 밖으로 밀어내려는 힘 = Pr sinα 따라서 재료가 roll안쪽으로 들어오기 위해서는 그런데 이고 앞에서 즉, 이고 여기서 △h(높이의 변화량)를 크게 하기 위해서는 roll과 재료 사이의 마찰이 커야 하고 R이 작아야 한다. |
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● 압연력의 간단한 해석: 압연변수 압연력(P)은 롤압력(p)에 접촉면적을 곱하면 얻을 수 있다. 마찰으 무시하므로서, 압력은 재료의항복강도로 그리고 접촉면적은 접면의 투영길이에 판의 복을 곱한 것으로 단순하게 생각하면, 이다. (σ0'은 평균항복응력) 그런데 으로 나타낼 수 있다. 한편 압연에서의 변수는 1. 롤의 직경: 2. 재료의 흐름응력 3. 롤과 피가공물 사이의 마찰: 높은 μ → P↑ 4. 롤의 전방 및 후방 장력 등이다. |
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● 압연제품의 결함과 문제점 압연에서 피가공물이 소성변형하는 동안 롤과 압연기도 탄성변형을 한다. 그 상호작용에 따라소 압연기술상의 여러 가지 문제가 발생하고, 그에 따름 결함들이 발생한다. 압연하는 중에 롤의 간격은 완전히 평행이어야 한다. 그렇지 않은 경우에는 판의 양쪽의 두께가 서로 다르게 될 것이며, 체적불변의 법칙에 따라서 양측의 길이도 다르게 될 것이다. 그림 4. 롤의 휨에 기인하는 판가장자리가 길어지는 현상 그림a와 같은 롤의 결함에서는 판의 가장자리 부분이 중앙부분보다 더 많이 늘어나게 되어서 그림b와 같은 형태로 될 것이다. 그러나 판은 연속을 유지해야 하기 때문에 그림c와 같이 중앙부는 인장응력을 가장자리는 압축응력을 받게 된다. 따라서 가장자리 부분의 주름 현상이 발생하게 된다. 롤의 휨을 방지하는 하나의 방법으로서 롤의 양단보다 중앙부의 직경을 약간 크게 가공하여 롤이 휜 후에 평행이 맞게 하는 경우도 있다. 이것을 캠버(camber) 혹은 크라운(crown)이라 부르고, 열팽창에 의해서 형성되는 경우도 있다. 가장자리의 파단은 두께방향의 변현에 의해서도 발생한다. 압연의 비가 작은 경우 판재의 단면에는 다른 방햐의 힘이 작용하게 되고 파단이 일어난다. 그 후의 압연 패스에서 튀어나온 부분은 직접 압축되지 않고, 중심부의 변형에 의해서 강제로 늘어나게 된다. 외부 균열외에도 주괴생산 및 압연에 기인하는 결함들이 발생할 수 있다. 피셔(fissure)라고 부르는 내부의 금은 주괴에 존재하는 기공이 압연동안에 완전하게 용접되지 않아서 나타나는 결함이다. 비금속개재물 혹은 펄라이트(perrlite)가 길이방향으로 배열되어 있는 결함은 용해와 응고에서 기인하는 결함이다. |
압출
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■ 압출 압출이란 금속블럭을 고압하에서 작은 다이 공(hole)을 통하여 밀어냄으로서 단면을 수축시키는 공정이다. 이 공정은 주로 재료의 변형 저항이 작은 온도 조건, 즉 열간에서 행하여 지고,봉이나 관의 생산에 주로 이용되지만, 연한 재료에 대해서는 불규칙적인 단면을 가진 긴 제품의 생산에도 이용된다. 그림 1. 압출형태 압출에는 직접 압출법과 간접압출법이 있다. 직접압출법은 금속 빌릿을 컨테이너에 놓고 램(ram)에 의해서 다이 공사이로 밀어내는 방법이다. 간접압출에서는 컨테이너 벽과 소재사이에 운동이 없기 때문에 그 만큼 마찰력이 감소하므로 직접압출법에 비하여 낮은 압출력이 소요된다. 그러나 튜브형의 램으로는 지지할 수 있는 하중에 한계가 있기 때문에 간접압출에서는 한계가 있다. 치약튜브와 같은 짧은 형의 관을 생산하는데는 충격압출(impact extrusion)이 이용된다. 직접 혹은 간접으로 압출할 수 있고, 고속의 기계식 프레스를 사용한다. |
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● 압출장비 대부분의 압출은 유압프레스에서 행하여 진다. 유압식 압출기는 램이 움직이는 방향에 따라 수직형과 수평형으로 나누어 진다. 수직형은 300∼2,000톤 용량정도가 빠르고 면적을 작게 차지하는 점등의 장점이 있다. 그러나 긴 제품의 생산을 위해서는 장비가 높아지므로 바닥을 깊게 파야할 필요가 있다. 수직압출기에서는 컨테이너 속의 소재가 균일하게 냉각되므로 군일한 변형을 얻을 수가 있다. 그러나 수평식 압축기에서는 소재가 컨테이너 하부와 접촉하고 있는 부분은 상부에 비하여 빠르게 냉각하므로 컨테이너 내부를 가열하여 주지 않을 경우 불균일한 변형이 일어난다. 그림 2. 대표적인 압출다이(a), (b) 압출다이에는 두 가지 형이 있다. 평면형(flat faced)다이를 사용하면 컨테이너 속의 재료는 변형하지 않는 영역을 형성하여 스스로 적절한 다이각을 형성하게 된다. 다이 출구의 평형부는 다이를 보강하고 있으며, 다이 입구면을 재가공하더라도 다이 공의 크기가 변하지 않으므로 재사용이 가능하도록 고려된 것이다. 좋은 윤활상태를 유지하면서 콘형의 다이에서 다이 각을 작게 하면서 압출하게 되면 보다 균일한 변형을 얻을 수 있다. 그러나 다이 각이 어느 각 이하가 되면 마찰력이 너무 커지게 된다. 대부분의 압출작업에서 최적 다이 각은 45 ∼ 60°사이에 있다. 압출공장에서는 압출기 외에도 빌릿 가열장치, 가열된 빌릭을 컨테이너로 자동이송하는 장치등이 필요하다. |
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● 열간압출 압출력에 영향을 주는 중요한 인자는 (1)압출형식(직접 대 간접), (2)압출비, (3)작업온도, (4)변형속도, (5)다이와 컨테이너에서의 마찰조건등이다. 직접압출과 간접압출에 대하여 램의 행정거리에 따라 압출압력이 변한다. (압출압력은 압출력을 빌릿의 단면적으로 나눈 값이다.) 직접압출에서는 최대 압력 - 즉, 압출시작 압력 -에서 압출되기 시작한다. 압출이 진행되면서 빌릿의 길이가 줄어들어감에 따라 압출압력도 줄어든다. 간접압출에서는 빌릿간의 상대운도이 없기 때문에, 압출압력은 램의 행정에 대하여 거의 일정하게 유지된다. 압출비는 압출전후의 단면적의 비, R = A0 / Af 이다. 그 비는 강의 열간압출에서는 40:1 그리고 알루미늄의 경우에는 400:1이다. 압출압력은 압출비의 자연대수 값에 비례한다. 따라서 압출력은 여기서 κ는 압출상수로서 흐름응력, 마찰력, 불균일 변형등의 전체 영향을 대표하는 값이다. 대부분의 금속은 열간에서 압출된다. 열간에서는 재료의 흐름응력, 즉 변형에 대한 저항이 낮아지기 때문이다. 그러나 열간 작업에서는 여러가 지 문제가 발생할 수 있으므로 적절한 소성을 얻을 수 있는 최적 온도에서 작업하는 것이 중요하다. 적절한 압출속도와 온도는 주어진 재료와 빌릿의 크기에 대하여 시행착오법으로 결정되고 있다. 주어진 압출압력에 대하여 온도가 높아질수록 가용 입출비는 증가한다. 동일 온도 조건에서는 압출압력이 클수록 압출비는 증가한다. 빌릿의 최고 가열온도는 압출에서 용융 혹은적열취서이 일어나는 온도까지로 결정된다. 압출품의 압출에 의하 온도 상승은 압출속도와 변형량(압출비)에 따라 결정된다. 압출속도가 낮아질수록 열의 손실은 커지고, 주어진 예열온도데대하여 가용 압출비는 높아진다. 가용 압출 영역은 일정 압력 및 온도에 대한 곡선의 아랫부분이다. |
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● 압출에서의 변형, 윤활 및 결함 압출변형에서 빌릿과 컨테이너 사이의 마찰이 낮은 경우에는 균일한 변형이 나타난다. 빌릿의 변형은 다이 입구 부근까지 거의 균일하다. 컨테이너 벽의 마찰이 커지게 되면 다이의 코너(corner)에서 변형이 거의 일어나지 않는 영역(dead zone)이 형성되고 그 부분고 변형부 사이에서 그릿드의 찌그러짐이 크게 나타난다. 빌릿의 중심부는 순수 인장변형을 받지만, 표면부는 심한 전단 변형을 받는다. 효과적인 열간압출 윤활제는 낮은 전단강도를 가져야 하고 고온에서도 파단되지 않고 안정하여야 한다. 강과 니켈 합금의 고온 열간압출에는 용융유리가 윤활제로 사용된다. 윤활의 성패는 빌릿-다이 사이에 유리를 계속 공급하는 방법이다. 윤활제의 두께는 그것의 전단응력보다는 윤활제가 녹는 속도에 관계되어 있다. 램의 속도, 소재 온도, 최적 윤활제 사이에는 복합적인 상호작용이 존재한다. 속도가 너무 늦으면 윤활제의 두께가 두꺼워져서 압출압력을 낮게 한다. 그러나 윤활제가 빨리 없어지기 때문에 압축길이에 제한을 받는다. 만약 속도가 아주 빠르면, 윤활제의 두께가 아주 얇아지게 된다. 이 방법을 개선한 것이 빌릿의 표면에만 두꺼운 유리막을 만들어서 정수압 윤활을 생성하는 방법이다. 이 경우에는 윤활제의 점도가 압출압력에 큰 영향을 준다. 마찰이 큰 직접압출에서 빌릿 표면의 변형속도에 비하여 중심부의 변형속도가 빠르기 때문에 빌릿의 표피부분에 흐르지 않는 부분(dead metal zone)이 형성된다. 빌릿의 2/3정도가 압출된 후에는 빌릿의 외부표피가 중심부에 따라 들어가게 된다. 이때 표면부의 산화피막이 재료의 내부에 따라 들어가서 내부결함(internal pipe)을 유발하게 된다. 이것을 압출결함(extrusion defect)이라 부른다. 압출품의 단면에 링형태의 산화물이 나타나게 되고, 계면의 마찰이 클수록 이 결함은 조장된다. 컨테이너의 온도가 낮을수록 표면에 의하여 내부가 빠르게 압출되므로 이와 같은 형태의 결함이 증가하게 된다. 이 압출결함을 방지하는 하나의 방법이 표면 산화물이 재료의 중심부에 혼입되기 전에 압출을 중단하고 나머지를 버리는 방법이다. |
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● 압출 공정의 해석 마찰과 잉여변형을 고려하지 않은 이상압출압력을 으로 표현 할 수 있다. 단위 체적당의 실제 일에 대한 이상적인 경우의 그것의 비로 나타나는 효율 η를 정의하면, 실제 압출압력 Pe는 으로 표현 할 수 있다. Dipierre에 의해서 압출력이 정밀하게 측정되었고, 그 결과 총압출력Pe는 다이 힘 Pd, 커테이너라이너와 비릿간의 마찰력Pfb 그리고 컨테이너라이너와 밑판(follower)사이의 마찰력Pff의 합으로 나타남을 보여주었다. 열간 압출에 대한 다이압력을 계산하는 식을 아래와 같이 제안하였다. 여기서 압출에서의 재료의 흐름 상태는 비릿에 그릿드(grid)를 넣어서 측정하여 왔다. 이 기법을 소성가시화법이라 부른다. 이것을 이용하여 압출품내의 변형 및 변형률 속분포 그리고 온도 및 응력분포를 알 수 있다. 압출에서 변형률속도는 통상 재료가 빌릿 직경과 압출품 직경으로 정의되는 변형영역을 통과하는 속도로 정의된다. 다이반각이 45°인 경우 여기서 h = (Db - De ) / 2 따라서 램속도 υ에 대한 단위 시간당 압출되는 체적은 변형 영역을 채우는 시간은 그리고 t = Db / 6υ 시간 평균 변형률속도(time average mean rate)는 그리고 일반적인 다이 반각에 대하여 으로 나타내어 진다. |
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● 냉간 압출, 정수압 압출 및 튜브의 압출 냉간압출은 봉재로부터 스파크 프러그 몸체, 축, 핀등의 작은 기계부품 혹은 중공튜브를 만드는 냉간가공공정의 하나이다. 이 가공법의 장점은 높은 생산성, 칫수정도 및 양호한 표면상태등에 있다. 가공경화를 이용하므로서 비교적 값싼 재료를 이용하여 요구 강도를 얻을 수 있다는 점도 있다. 냉간가공한 저합금강 제품이 자동차 산어벵 널리 쓰이고 있다. 정수압 압출에서는 빌릿이 균일한 정수압하에 놓이게 되므로, 일반 압출에서 처럼 컨테이너 공간에 전체가 빌릿으로 채워질 필요가 없다. 이것은 빌릿의 직경에 대한 길이의 비가 커도 좋다는 것을 의미한다. 컨테이너- 빌릿 계면에 마찰이 존재하지 않기 때문에 낮은 다이반각(α≒20)을 사용할 수 있고, 따라서 잉여변형을 줄일 수 있다. 정수압압출은 열간 가공에는 이용할 수 없고, 현대 실용화되고 있는 유압의 한계는 약 250, 000psi이다. 튜브의 압출에서는 압출램 끝에 맨드렐이 부착되어 있고, 그것은 다이 입구까지 연장되어 있다. 따라서 다이 공과 맨드렐 사이의 간격에 따라 튜브 벽의 두께가 결정된다. 일반적으로 중공의 빌릿이 소재로 사용된다. 동심도를 유지하기 위해서는 램, 맨드렐, 컨테이너 및 다이 간의 축배열이 정확해야 한다. 기술의 발달과 함께 압출에서 만들어진 칫수정도가 냉간 드로잉 튜브의 그것만큼 높은 정도를 얻을 수 있게 되었다. |
인발
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■ 봉, 선 및 튜브의 인발 금속을 다이 공을 통하여 출구쪽으로 당기므로서 단면수축을 얻는 방법을 인발이라 한다. 연속적인 인발에 의해서 봉의 직경을 감소시키는 방법을 봉 혹은 선 인발이라 부르고, 맨드렐없이 튜브의 직경을 줄이는 방법을 튜브 싱킹(tube sinking)이라 부르고, 맨드렐을 사용하는 경우를 튜브인발이라 부른다. |
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● 봉 및 선의 인발 그림 1. (a)인발기의 개략도 (b) 인발기의 단면도 봉과 튜브는 감는 장치없이 인발 벤치(drawbench)에서 생산한다. 콘형의 인발 금형의 단면이 그림에 도시되어 있다. 그 입구는 선의 장입과 윤활이 용이하도록 종의 형상으로 되어있다. 접근각(approach angle)은 실제 단면수축이 일어나는 부분이다. 다이 반각 α는 하나의 중요한 공정인자이다. 베아링 부분(bearing region)은 단면수축을 유발하지 않고 마찰저항을 일으킨다. 베아링 부분을 두는 주된 이유는 콘형의 접근각 부분이 마모 될 경우 재가공하여 사용할 수 있도록 남겨둔 것이다. 백릴리프(back relief)는 인발된 선이 약간 팽팡하는 데 그것을 수용하기 위한 것이다. 인발이 중단되거나 정렬이 잘 되지 않은 경우 그것이 있으므로 해서 일어날 수 있는 마찰 저항을 최소화 시킬 수 있다. 인발 금형은 대체로 탄화물 혹은 공업용 다이아몬드(세선 인발에서)로 표면 처리되어 있다. 다이니브(die nib)는 두꺼운 주강으로 보호되어 있다. 선의 인발은 보통 열간압연 봉 코일을 소재로 하여 인발한다. 산화물이 존재하게 되면 인발된 선의 표면에 결함을 남기거나 다이를 심하게 마모시키는 결과를 초래하므로 먼저 봉을 산세하여 표면의 산화물을 제거해야 한다. 봉의 직경이 감을 수 있을 정도로 충분히 작은 경우에는 인발 벤치에 비하여 바닥 면적이 적게 차지하는 블록 인발을 많이 사용한다. 한단의 드로잉에서 얻을 수 있는 단면 수축이 30 ∼ 35%를 초과하기 어렵기 때문에 필요한 단면 수축을 얻기 위해서는 여러개의 인발 단이 필요하다. 인발에서는 열발생이 하나의 큰 문제가 된다. 냉간 드로잉에서도 소성변형과 마찰에 의해서 선의 온도가 수백도까지 올라가는 경우도 있다. 이 열은 각 단 사이의 냉각에 의해서 혹은 열량이 크지 않을 경우에는 다이에 흡수되므로 온도상승은 그리 크지 않다. 인발된 제품의 결함은 이음부, 슬리버(sliver), 파이프등 소재의 결함 혹은 가곡공정 자체에서 기인하는 것이 있다. 인발에서 가장 자주 나타나는 결함은 중심부의 파단(center burst) 혹은 세브론형 균열(chevron cracking)이다. 중심부의 파단은 다이 반각과 단면수축률이 작을 때 일어나고, 다이 반각(α)이 증가하면 그것이 방지된다는 것이 알려져 있다. 또 주어진 단면 수축률과 다이각에 대해서 마찰이 커질수록 그 파단이 피할 수 있는 임계 단면수축률이 증가한다. |
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● 인발해석 인발공정이 가장 간단한 금속가공 공정의 하나이지만 해석에 의하여 측정값을 계산하는 것은 어려운 일이다. 먼저 인발응력은 의 식에 의해서 계산할 수 있다. (여기서 평면 변형에서의 항복 조건은 σx + P = σ0'이고 B = μcot α) 그림 2. 평면변형 인발에서 한 요소에 작용하는 응력 그런데 선의 인발은 콘 형의 다이에서 행하므로 다음과 같은 결과가 얻어진다. 유사하지만 조금 다른 마찰을 고려한 선 압출해석이 Johnson과 Rowe에 의해서 주어져 있다. 이들은 마찰이 존재하는 경우에 로 나타냈다. 이 식은 균일변형에너지 및 마찰에너지 항을 포함하고 있다. 잉여변형에 의해 증가되는 인발응력은 Φ라는 계수를 도입하여 고려해 줄 수도 있다. 잉여일 계수는 다음과 같이 정의된다. 여기서 Φ = 잉여일 계수 ε* = 기본 흐름응력 곡선에서 인발 변형률 ε에 부합하는 흐름응력과 동일한 흐름응력 을 얻을 수 있는 변형률 이 공식은 다시 으로 나타낼 수 있다. 한편 인발과 인장에서의 최대 변형값의 비교는 이다. 여기서 η은 변형공저의 효율, n은 가공경화지수이다. |
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● 튜브인발공정 튜브 인발 공정은 싱킹(singking), 프러그(plug)인발, 맨드렐 인발 등 세 가지 형으로 크게 나누어진다. 싱킹에서는 튜브의 내벽이 지지되지 않기 때문에 벽의 두께 감소는 조금이고 내면은 균일하지 않게 된다. 다이 입구와 출구에서 전단변형이 타 공종에 비하여 크므로 그만큼 변형한계도 타 공저에 비하여 낮다. 플러그를 사용하여 인발하게 되면 튜브의 내외면의 직경이 잘 제어된다. 플러그로는 원주형 혹은 콘형이 사용된다. 플러그는 내경부의 형상과 결정한다. 인발에서 긴 맨드렐을 이용하게 되면 마찰을 크게 줄일 수 있다. 강하고 긴 봉 혹은 선상의 맨드렐을 튜브속에 넣어서 튜브오 함게 인발하는 방법이다. 이와 같이 움직이는 맨드렐을 이용하게 되면, 축구 쪽에서 끌러당김과 튜브 -맨드렐 계면의 마찰력의 감소에 의해서 요구 인발력이 줄어든다. |
금속성형
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■ 박판금속의 성형 박판금속으로부터 여러 가지 형태의 제품을 고속으로 생산할 수 있게된 것은 20세기의 기술진보의 결과이다.박판성형 제품을 아래와 같이 5가지로 분류 할 수 있다. 1. 일차원 곡선을 가진 제품 그림 1. 대표적인 변형형태 작업의 형태에 따라서 박판 성형 공정을 굽힘, 전단(shear), 스트레칭(streching), 디프드로잉, 아이어닝(ironing)으로 분류하는 방법도 있다. 앞에서 성형공정과는 달리 박판성형공정은 판에 인장력을 가하므로서 변형을 유발한다는 것을 주의 해야 한다. 판에 압축력을 가하게 되면 좌굴, 접힘, 주름(wrinkling)현상이 유발되므로 피하고 있다. 체적성형에서는 피가공물의 두께감소를 유발하는 것이 중요하지만, 박판성형에서 두께감소는 네킹 혹은 파단을 유발할 수 있으므로 피한다. 박판성형과 체적성혀의 또 다른 차이점은 박판성형의 경우 박판재를 사용하므로 체적에 대한 표면적 비가 크다는 점이다. |
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● 가공방법 현재 박판금속의 수가공은 기계를 이용하는 가공에서 남은 결함을 사상하는 작업, 그리고 소량의 시작업무에 이용되고 있는 정도이다. 양산 박판 가공은 대부분 유압식 혹은 기계식 프레스에서 행한다. 기계식 프레스에서 에너지는 플라이 휠(fly wheel)에 저장되어 있다가 프레스가 하강할 때 움직이는 슬라이드(slide)에 전달된다. 금속가공에 사용되는 기본공구는 펀치와 다이이다. 펀치는 대체로 볼록한 면을 가졌고, 오목한 며을 가진 다이와 결합하게 된다. 펀치와 다이 간의 정확한 만남을 유도하기 위하여 그것을 보조 프레스 혹은 다이 세트에 장착하여 정확히 배열하여 놓고 그 전체를 프레스에 신속히 집어넣을 수 있도록 한다. 하나의 다이와 펀치에서 연속적으로 작업할 수 있도록 여러 개의 다이와 펀치를 갖추어서 작업하는 경우가 있고 이것을 순송식가공(progressive forming)이라 부른다. 복합다이(compound die)는 몇 개의 작업이 한번의 행정에서 동시에 작업될 수 있도록 설계된 것이다. 이 경우 다이가 복잡하므로 비싸고 개개작업에 비하여 작동이 좀 느리다. 한 개의 프레스내에서 각 행정마다 각 단으로 이동되는 이송식 다이(transfrt die)를 사용하기도 한다. 길고 좁은 베드(bed)를 가진 고무 하이드로초밍(rubber hydroforming)은 다이 대신에 고무 혹은 폴레우레판을 사용하는 가공법으로 Guerin공법 혹은 러버 포밍(Rubber Forming)이라 부르기도 한다. 펀치 역할을 하는 성형 블록이 원통형과 원뿔형의 부품을 만드는 데에는 굽힘롤(bending roll)이 사용된다. 곡면을 만드는 다른 하나의 방법이 랩 성형(wrap forming)이다. 이 방법에서는 성형 블록의 한쪽에서 판을 잡은 상태에서 인장력을 가하면서 굽히는 방법이다. 탱크헤드(tank head), 텔레비젼 콘 그리고 축대칭의 깊은 부품을 가공하는데에는 스피닝(spinning)공정이 이용된다. 판재를 고속으로 회전하는 성형 블록에 부착하여 놓고 직경이 작은 롤 혹은 맨드렐에 의해서 점진적으로 블록 위로 성형해 나가는 공정이다. 소량의 대형물 가공에는 폭발 가공이 이용되기도 한다. 박판 블랭크를 다이 위에 놓고 블랭크로부터 수중 일정 거리에서 폭약을 터트리므로 얻어지는 충격파를 이용하여 마찰 없이 가종하는 방법이다. |
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● 전단 및 블랭킹 작업 전단(shearing)작업은 두 개의 날(blade)에 의해서 금속을 분리하는 작업을 말한다. 전단작업에서는 날과 접한 좁은 부분에서 심한 변형이 일어나서 파단하기 시작하고 그것이 전파되므로서 완전한 절단이 일어난다. 완전 절단을 위하여 펀치가 하강해야 하는 깊이는 재료의 연성에 좌우된다. 그림 2. 금속의 전단작업 전단작업에서는 두 날사이의 간격이 적절히 정하여 주는 것이 중요하다. 그 간격이 적절한 경우에는 날의 가장자리렛 크랙이 시작되어 판두께의 중심부분에서 두 크 랙이 만나서 깨끗한 파단면을 준다. 그 간격이 적절한 경우에도 전단면의 가장자리에는 비틀림 현상이 나타난다. 그 간격이 좁은 경우에는 단이 지는 파단면을 주게 되고 전단작업에 소요되는 에너기도 그 간격이 적절한 경우에 비하여 커지게 된다. 그 간격이 너무 크면 파단면 끝부분이 더욱 심하蕁 변형하게 되고, 그 소성변형 때문에 작업에 소요되는 에너지도 그만큼 커지게 된다. 이 경우에는 파단면 끝부분에 쇠가시(burr)가 형성된다. 또 절단기 날의 끝이 무딜수록 쇠가시가 나타나기 쉽다. 마찰을 무시하면 금속을 전단하는데 필요한 힘은 굼속의 전단강도, 판의 두께 그리고 전단면의 길이의 곱으로 표시될 수 있다. 실험적으로 얻어진 최대의 펀치력은 Pmax = 0.7σuhL (σu = 인장강도, h =판의 두께, L= 전단면의 전체 길이) 이다. 전단작업은 박판성형의 기본작업이다. 칫수정도를 가지고 전단하여 절단된 것을 이용하는 경우를 블랭킹(blanking)이라 부르고, 그것을 버리는 경우를 펀칭(punching) 혹은 피어싱(piercing)이라 부른다. 판의 가장자리의 펀치로 찍어누른 자국을 노칭(notching)이라 부르며, 균형을 유지하면서 동시에 두 선을 자를는 작업을 파팅(parting)이라 부른다. 절단하여 버려지는 것이 없는 전단 작업을 슬리팅(slitting)이라 부르고, 가공이 끝난 후 잉여부분을 잘내는 작업을 트리밍(triming)이라 부른다 |
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● 굽힘작업 굽힘작업이란 평판을 구부려서 곡면을 만드는 작업을 말하며, 팜재로부터 채널(channel), 드럼(drum), 탱크(tank)등을 만드는데 쓰이는 장 알려진 공정이다. 일반적으로 다른 박판성형 공정에도 굽힘 작업은 일부로서 포함되어 있다. 그림 3. 굽힘작업에서 사용되는 용어의 정의 굽힘작업에서는 변형이 "0"인 중립면이 판재의 두께의 중심에 위치하지만, 소성변형굽힘작업에서는 그 중립면이 안쪽으로 이동하게 된다. 소성변형률은 중립면으로부터 떨어져 있는 거리에 비례하므로, 굽힘면 바깥쪽 표면이 내측 표면보다는 큰 변형을 받게 된다. 판의 두게 중심부에서는 인장변형을 받게 되고, 이것은 전체 두게에 대한 평균이므로 굽힘 부분에서는 체적을 일정하게 유지하기 위하여 두께가 감소되어야 한다. 굽힘 반경이 작을수록 두께감소는 커지게 된다. 굽힘 이론에 의하면 변형률은 곡률반경이 감소하면 증가한다. 두께 변화를 무시한다면 중립면은 중앙층(center fiber)애 남아있고, 곡률외면의 원주방향 인장변형 ea 와 내면의 압축변형 eb 의 크기는 같을 것이다. 외내면의 공칭변형률은 다음과 같다. 주어진 굽힘 작업에서 굽힘 곡률반경이 어떤 값 이상으로 유지해야 한다. 그렇지 않으면 외면의 섬유(fiber)가 인장에 의해서 파단하게 된다. 최소굽힘반경은 일반적으로 두께의 배율로서 표시한다. 굽힘반경 3T란 곡률반겨이 판두께의 3배 이상이면 외면섬유의 파단없이 굽힐 수 있다는 의미이다. 그로므로 최소 곡률반경이란 하나의 성형한계이고, 재료에 따라서 그 값이 크게 변하며, 냉간가공에 의해서는 항상 증가한다. 주어진 두께의 재료에 대하여 최소굽힘반경은 인장시험에서의 단면 수축률로부터 비교적 정확하게 예측할 수 있다. 만약 q값이 0.2이하라면 중립면의 이동이 무시될 수 있으므로 Rmin값은 다음과 같이 주어진다. q값이 0.2보다 큰 경우에는 중립면의 이동을 고려해주어야 하고, 최소굽힘 반경은 다음과 같이 주어진다. |
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◆ 탄성복원현상 굽힘작업에서 일어나는 다른 하나의 어려운 문제가 탄성복원현상이다. 탄성복원(spring back)이란 굽힘작업을 준 후 공구를 제거하게 되면 성형품의 칫수가 변하는 현상을 말한다. 이것은 재료의 탄성복원 변형에 기인하는 것이다. 탄성복원량은 항복강도가 클수록, 탄성계수가 작을수록 그리고 소성변형량이 클수록 증가한다. 주어진 재료와 변형량에 대하여 탄성복원은 판의 두께에 대한 길이방향의 칫수가 클수록 증가하게된다. 공구에서 제거하기 전의 굽힘반경을 R0 그리고 제거한 후의 곡률반경을 Rf라 하면 탄성복원 전후의 굽힘여유(bend allowance)는 같다. 따라서 그러면 탄성복원비, 또 다음과 같은 탄성복원비 추정식도 주어져 있다. 탄성복원을 상쇄시키는 가장 일반적인 방법은 굽힘작업에서 요구되는 곡률반경보다 작은 곡률로 굽혀서 탄성복원 후에 요구되는 반경을 얻는 방법이다. 한편 굽힘반경 R 주위를 길이 L만큼 굽히는데 소요되는 힘Pb는 다음식으로 추정될 수 있다. |
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● 스트렛치 성형 스트렛치 성형이란 재료를 공구 혹은 폼블럭(form block)상에 올려 놓고 판에 인장력을 가하므로 요구하는 형상으로 성형하는 공정을 말한다. 이 공정은 압연 판재의 인장교정(stretch leveling)이 발전한 형태이다. 스트렛치 성형은 항공산업에서 곡률반경이 큰 제 품의 생산에 주로 이용되고 있다. 스트렛칭(streching)에 의해서 판두께 방향으로 위치에 따른 변형률 분포가 상대적으로 균일하기 되기 때문에 탄성복원량이 크게 줄어드는 것이 이 공정의 특징이다. 한편 판면의 인장응력에 의해서 가공하게 되므로 재료가 연한 경우가 아니면 큰 변형률을 얻을 수 없다는 점이 있다. |
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● 디프드로잉 디프드로잉이란 욕조, 탄피, 자동차 패널등 컵 형상의 제품을 박판으로부터 성형하는 금속가공이다. 즉 적절한 크기의 평판을 다이 위에 올려놓고 펀치로 누르면서 재료를 다이 안으로 끌어들이는 공정이다. 이대 주름현상(wrinking)을 방지하기 위하여 블랭크를 잡아주는 장치(blank holder)가 필요하다. 디프드로잉에서 공정을 좌우하는 인자는 많지 않지만 그들이 서로 복잡적으로 공저에 영향을 주므로, 간단한 수식으로 이 공정을 정확하게 표시하는 것은 어렵다. |
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● 박판성형 제품의 결합 박판 성형품에 나타나는 대표적인 결함에는 파단, 국부적인 네킹과 혹은 두께 감소, 판면에 평행하게 작용하는 압축응력에 기인하는 좌굴 혹은 주름현상들이 있다. 그 외에도 탄성복원에 기인하는 칫수정도 불량도 하나의 결함이다. |
기계가공
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■ 금속의 기계가공 고체상태에서 재료를 필요한 형상으로 가공하는데는 두가지방법이 있다. 그 하나는 필요없는 부분을 제거하므로서 요구하는 형상을 얻는 기계가공공정이고 다른 하나는 재료의 손실없이 소성변형에 의하여 가공하는 공정이다. 대부분의 절삭작업은 공구와 소재간의 상대운동에 의하여 국부적인 변형집중을 유발하여 재료를 국부적으로 파단시키므로 이루어진다. 절삭은 높은 칫수정도, 양호한 표면 그리고 복잡한 형상의 제품을 생산하는데 주로 이용된다. 절삭가공은 통상 열간압연, 단조 혹은 주조와 같은 1차 공정에 의해서 만들어진 소재에서 수행되어지므로 2차 가공공정이라 부른다. 생산부품의 80%이상은 완제품이 되기전에 절삭가공을 거친다. 그림 1. 일반적인 절삭가공의 개략도 |
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● 공작기계 형태 소수의 예외를 제외하면, 공작기계는 크게 두가지 형태로 나누어진다. 회전운동에 의하여 절삭면을 생성시키는 것과 직선운동에 의하여 절삭면을 생성시키는 그것이다. 주공정인자는 절삭속도ν, 절삭깊이 d, 송입량 f이다. 길이 Lw인 원주표면을 가공하기 위하여 소재를 Lw / f만큼 회전시켜야 한다. 만약 분당소재 회전수가 nw이면 그때 한 패스(pass)에 소요되는 시간은 t = Lw / fnw.중공실린더의 내부를 가공하는 경우를 보링(boring)이라 부른다. 아주 큰 작업물의 경우에는 축에 대하여 수직으로 회전하는 수직 보링기위에 올려놓고 작업한다. 쉐이핑은 하나의 끝을 가진 공구가 작업물 표면을 직선적으로 왕복운동하는 공정이다. 평평한 표면을 만드는 가장 효과적인 방법중의 하나가 밀링공정이고, 밀링커터는 여러 개의 날을 가진 공구이다. |