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(1)열간단조
열간단조의 특징은 1000℃~1250℃의 고온에 강을 가열해 변형 저항을 적게하여 작은 힘으로 큰 변형을 주어 조형을 쉽게 할 수 있도록 하는 것과 단련효과를 더해 재질의 개선강화를 꾀하는 단조방법의 하나이다.
열간단조는 생산속도가 빠르므로 생산성이 좋고 복잡한 형상의 성형을 쉽게할 수 있어 일반적으로 사용되고 있다.
열간단조에는 자유단조와 형타단조의 두가지 방법이 있으나 자유단조는 생략하고 형타단조에 관해 서술한다. 열간단조의 기술은 주변기술을 포함해 최근10년간에 급속히 개발되었다.
이것은 제품의 정밀화, 품질의 향상 및 작업의 자동화, 성력화가 진전되어 공해안전문제에서 공적의 제약을 받는 것과 OIL SHOCK에 의해 연료가 비싸져 성자원 성ENERGGY의 요구가 강하게 나타나 특히, 자동차산업은 공정재고 감소를 목적으로 한 성판방식을 채용해 생산시간의 감소에 의해 COST저감을 하는 어려운 문제 해결을 도모하고 있다.
그렇기 때문에 설비의 대형화와 고속화, 공정 및 설비의 복합화와 직결화가 채택되어져 작업속도의 향상, 품질의 향상, 작업환경의 개선 등이 진전되어 이제까지 주류였던 햄머에서 기계 PRESS나 유압 PRESS 혹은 복동 PRESS로의 교체의 경향이 강하게 되어 왔다. 이것은 금형교환시간 단축을 위한 합리화나 회수율 향상을 위해 밀폐 단조화가 진전되어 소음진동문제의 해결과 생산성향상, 정밀도의 확보가 될 수 있도록 되었기 때문이다.
열간단조는 복잡한 형상부품을 용이하게 성형할 수 있으나 고온이기 때문에 탈탄, 표면불량, SCALE에 의한 타흔흠 등의 결점과 고온작업 때문에 환경의 악화가 문제로 되고 있다. 그 상금형 (MPRESSION에 살을 충만시키기 위해 제품중량의 약 20~30%여분의 소재를 사용하여 FLASH를 발생시키고 있다. 이 FLASH는 SCRAP으로 싸게 매각된다.
이 때문에 소재와 가열에 불요한 비용이 드는 것과 아울러 운반작업도 고온이며 중량물이므로 타흔 등의 발생방지에 많은 설비를 필요로 하고 있다. 또 FLASH의 발생 때문에 투영면적이 크게되어 대형의 기계가 필요하게 되므로 고액의 설비비가 필요하게된다.
햄머에 의한 형타작업은 통상 일소단조법이 사용되고 있으나, 금형에 UPSET, KNECKING, 늘림, 황타, 사상타, 절단 등의 작업공정이 짜여져 있기 때문에 금형가공비가 높아져 다량생산에는 적합하나 금형비가 고가로 되어 COST에 점하는 비율이 높게 된다.
햄머는 구조상 진동의 발생, 제품의 형에의 밀착 햄머타격의 강약과 STROKE의 제어라고 하는 곤란한 문제로 자동화가 늦어지고 있다. 소량생산이나 시작품의 형타를 하는 경우에는 금형비를 싸게 하는 것과 황지형상등의 TEST를 위해 다른 햄머로 황지작업을 행해 이소단조법으로 사상타를 행하는 경우도 있다.
PRESS에 의한 열간단조는 통상 "3STAGE"의 기계 PRESS가 사용되고 있으나 복잡한 형상부품을 형타하는 경우는 예비성형에 REDUCE ROLL, UPSETTER, CROSS ROLL, TWISTER를 조합해 LINE을 만들고 있다.
최근에는 치차, BEARING-LACE등의 대칭부품에 관해서는 열간밀폐단조방식이 채용되어 회수율의 향상과 정밀도의 확보에 크게 공헌하고 있다. 또 같은 재질의 대소치차소재를 동시단조방식이라고 칭해지는 단조방법으로 동시 단조하는 방법도 행해지고 있다.
그러나 밀폐단조를 행하는 경우에는 소재의 중량 BALANCE를 ±1% 이내로 막아 최종 성형전에 항지형상의 중량배분을 좋게 하고 편육으로 되지 않도록 밀폐형을 만드는 것이 바람직하다.
이 밀폐단조방식이 확립된것에 의해 제품의 회수율이 향상한 것과 PRESS의 자동화시에 FLASH가 없는 소재외경부를 TRANSFER로 이송시키는 것이 되어져 TRANSFER의 안정도가 향상되었다. PRESS의 자동화가 진척되고 있는 이유로서는
a)육체피로의 경감
b)작업자의 안전
c)작업속도와 생산성의 향상
d)작업공정의 안정화 품질의 안정 및 향상
e)고령화한 노동력과 젊은 기술자의 참여가 저조한 직종이라는 것이 거론되고 있다.
PRESS도 편심기계 PRESS보다도 가공시의 정밀도를 향상시키기 위해 별도의 구동기구를 갖는 PRESS가 개발되어 WEDGE PRESS와 SCOTCH PRESS라고 불리고 있고, 자동차의 CONNECTING ROD의 단조에 이용되고 있다.
또 전혀 FLASH를 내지 않고 고정밀도의 단조품이 얻어지는 PRESS도 개발되어 금형의 CLAMP와 성형의 가압기구를 각각 별도로 CONTROL될 수 있도록 한 복동 PRESS가 있다.
정밀도의 향상과 가공공수의 저감을 위해 열간단조와 냉간단조를 조합하는 방식이 채용되어 평활면과 치수결정에 이용되고 있다. 그러나, 열간단조는 면적의 편차가 크므로 단조시에 충분한 관리를 하지 않으면 변형이 생겨나온다.
또 복잡한 형상부푸에서 일체(한몸)로 하는 형타가 불가능한 제품을 분할단조후에 마찰용접을 하고 있는 예도 있다.
그외에 진동소음방지를 위함과 다종소량생산에 적합하므로 회전단조를 이용하는 곳도 있다.
최근에는 원가절감을 위해 단조후의 여열을 이용한 자열소둔법이나 바나듈(V), 니오브(Nb)를 함유한 소재를 사용하여 소입, 소려를 생략하는 강이 개발되어 공정의 생략에 의해 원가절감에 기여하고 있다. Cr-Mo강의 대신에 보론(B)을 함유시켜 소입성을 향상시키고 있는 강도 개발되어 있다.
이상 열간단조의 특징과 당면한 문제를 거론해보았으나 본문에서 빠진 품질면, 기계가공면, 다른성형법과의 조합에 의한 정밀도의 향상 등과 주변 기술분야의 개발에 대해서 많은 문제를 안고 있다.
(2)냉간단조
냉간단조가 도입된지 20여년이 경과되었지만 그간의 발달은 빠르게, 자동차 관계의 부품을 통해서 넓은 범위에서 채용되고 있다.
일반적으로 냉간단조라고 하는 것은 상온에 있어서 소성가공을 하여 성형하는 단조방법으로 , 그 때문에 통상의 열간단조와는 변형이론, 제조공정, 사용기계 제품의 기본등이 원천적으로 다르다.
냉간단조의 특징은
(가)재료의 절약: 가열에 의한 SCALE LOSS가 없는 것 및 제품의 던살이 없든가 있어도 극히 소량이기 때문에 재료회수율이 특히 좋다.
(나)제품의 치수정밀도가 좋다. 사상치수 정밀도가 좋으므로 후공정의 기계가공이 불필요하거나 또는 가공공수가 대폭으로 저감된다.
(다)표면사상층이 좋다: 평활한 상SCALE, 탈탄층등이 없으므로 가공이 불필요 또는 가공공수가 저감된다.
(라)가공경화에 의한 기계적 성질의 향상: 소성변형시의 가공경화를 이용하여 싼 재료를 열처리하지 않고 사용되는 경우가 있다.
기술의 향상과 같이 복잡한 형상의 제품이 만들어질 수 있게 되어 냉간단조는 정밀도가 높은 치차, SPLINE등의 분야에도 적용되고 있다.
냉간단조를 행하는 경우에는 사용재료, 제조설비 제조방법에 대해서 특별한 배려가 필요하여 그 요점을 설명하기로 한다.
(가)재료 : 냉간에서 성형하는 경우, 연성이 있는 재료이면 가공과 경화제거 ANNEALING을 반복하는 것에 의해 어떤 재료라도 성형가능하다고 말하고 있다.
그러나 PRESS회수나 중간소둔의 회수가 증가하면 COST면에서 그만큼 불리하게 된다.
일반적으로 구조용탄소강의 경우 S25C이하이면 가공경화가 적고 연성이 충분하여 성형이 용이하다.
P.S 그외의 불순물 및 개재물을 낮게 억제하는 것도 냉간단조법에 있어서는 중요하다.
고탄소강이나 합금강은 압연 그대로는 경도가 높고 연성도 부족하므로 구상화소둔을 하여 가공성을 향상시킨다.
압연재는 흑피제도 그대로 사용되나 미세한 표면흠을 피하는 경우나 절단후의 중량의 편차를 적게 하기 위해 필링제 또는 CENTERLESS가공재, 인발재도 사용된다.
(나)절단 : 통상 SAW 또는 SHEAR가 쓰여진다.
냉간성형후의 던살을 극력 적게하고 치수정미도가 좋은 제품을 얻기 위해서는 단중의 편차가 적은 단면형상의 양호한 재료가 필요하다. 절단면은 직각에 가깝고 흠이 있어서는 안된다.
예리한 CORNER나 BURR는 단조시에 금형을 손상시키든지 제품에 흠을 남기든지 하므로 바렐연마 또는 SHOT BLAST로 매끄럽게 한다. SHEAR절단의 경우 단면의 평행도를 얻기 위해 예비성형으로 UPSET를 할 수가 있다.
(다)윤활: PRESS 성형시에 재료와 금형과의 금속접촉을 피하기 위한 윤활로서 처음부터 재료 BONDE처리라고 불리는 표면처리를 행한다.
재료표면에 인산피막을 만들어 이것과 금속비누를 피응시켜 표면에 지방산을 화학적으로 부착시키는 것이다.
그때에 재료의 표면을 청정하기 위해서 탈지, 산세 등의 전처리가 필요하고 이러한 일련의 작업은 연속하여 DEEPING을 행하는 장치를 사용한다.
(라)PRESS: 재료의 변형저항이 크기 때문에 높은 가공압력이 필요하게 되어 PRESS에는 높은 강성과 정밀도가 요구된다.
PRESS의 종류는 압박식, 기계식, COLD FORMER등이 있고 목적에 따라서 사용된다.
유압식은 기계식보다 생산성은 떨어지나 긴 STROKE가 가능하고 임의의 위치에서 FRLL LOAD를 걸 수 있으므로 축붙이제품, 중공축등의 장척품을 제조하는데는 적합하다.
소물부품 GEAR. BLANK등 STROKE가 짧아도 좋은 것은 능률이 좋은 기계식 PRESS가 쓰여진다.
이전에는 BOLT제조에 전문으로 쓰여진 COLD, FORMER도 여러 가지의 자동차부품의 단조에 많이 쓰여지게끔 되었다.
그외에 1회의 PRESS작업에 FLASH가 없는 제품을 만들 수가 있고 혹은 CUP, 전방압축, PIERCING의 3공정을 1회로 가능하게 된 복동 PRESS도 채용되어오고 있다.
(마)금형: 냉간성형시에 극히 높은 가공압력을 받기 때문에 파손, 마모에 견딜 수 있는 소재가 아니면 안된다.
적절한 소재의 선정, 합리적인 금형의 설계제작이 무엇보다도 중요하다.
PUNCH, DIES, KNOCK. OUT에는 고속도강이나 금형용강이 쓰여지나 일부 초경합금을 쓰는 경우도 있다. 또 금형의 표면에 각종 COATING을 함으로해서 그 수명을 늘리는 기술도 개발되어 있다.
금형의 파손을 막기 위해서는 집중응력을 피하는 연구나, 과대한 응력을 견디어 낼 수 있는 금형조립구조로 하는 것이 대단히 중요하다.
냉간단조는 성자원, 성ENERGY에 따른 유효한 제조방법으로 금후 나날이 발전해 나갈 것이다.
그러나 설비비가 높고 공정수가 많으므로 최종제품의 용도 사상상황 등을 고려하여 합리적인 냉간단조품으로 교체하는 것이 COST저감의 POINT가 된다고 생각한다.
(3)온간밀폐단조의 특징과 문제점
온간단조라고 하는 것은 냉간과 열간의 중간온도로 성형하는 단조방법으로 온도역은 200℃~800℃의 범위에서 일반적으로 이루어지나 경우에 따라서는 1000℃까지 확대시키는 수도 있다.
또 밀폐단조라고 하는 것은 FLASH를 발생시키지 않는 금호구조를 채용하는 형단조법이다. 따라서 냉간폐색단조라고 하는 것도 상기한 온도범위에 실시하는 FLASH가 없는 밀폐단조를 의미하게 된다. 냉간, 열간단조와 비교한 냉간밀폐단조의 특징은 다음과 같다고 할 수 있다.
(가)제품정밀도가 냉간단조급으로 높다는 점
온간단조품의 정밀도는 종래의 열간단?무과는 비교가 안되는 정도로 개선되어 냉간단조와 거의 같은 정도로 올릴 수가 있다.
또 산화막의 발생이 적은 것.
금형의 마모도 열간단조에 비해서 적은 것 등으로부터, 표면도도 10~60㎛ CLA로 좋으므로 이 때문에 제품으로서 단조시의 흑피표면 그대로 절삭없이 사용하는 예도 많다.
열간단조에서 생기는 소재표면의 탈탄도 냉간단조에서는 생기지 않으므로 단조후의 열처리면에서도 상기 흑피사용의 가능성은 확대된다.
또 절삭 내지 연삭이 후가공으로써 필요한 경우에도 그 가공값은 소재정밀도가 높으므로 최소로 하는 것이 가능하여 절삭공정의 합리화가 용이하다.
(나)재료의 회수율이 좋은 점
열간단조에서는 SCRAP으로 되는 FLASH가 투입재료의 20~30%나 발생한다. FLASH가 생기지 않는 밀폐단조에서는 이러한 LOSS가 없고 투입소재는 거의 100%조형재로 이용된다.
또 확구배등 절삭공정에서 여분의 가공값으로 되는 부분이 적고 소재의 가열온도가 높으면 발생하는 산화막에 의한 소감량도 거의 무시되는 점도 있어서 소재단계에서의 재료회수율이 열간단조품에 비해서 현저하게 향상된다. 또 전술한 바와 같이 절삭값의 저감이나 흑피사용까지를 고려한 완성품에서의 회수율은 더욱 좋아진다.
(다)ENERGY의 절약
열간단조에 비해서 온간단조에서는 가열온도가 낮은 만큼 가열용의 ENERGY가 적게 든다. 또 밀폐단조에서는 FLASH가 되어서 버리게되는 SCRAP분의 가열이 불필요하게 되므로 성ENERGY효과는 증대된다. 소재가열에 필요한 ENERGY에 비하여 변형저항증가에 의한 성형용 ENERGY의 증가분은 적으므로 단조공정만으로도 충분한 성ENERGY효과가 발생한다. 또 절삭공정의 생략에 의한 효과까지 감안한다면 ENERGY의 절감은 늘어나게 된다.
열간단조와 비교해보면 냉간단조공정에 필요한 가공전과 가공중간의 연화소둔과 온간단조용의 가열 ENERGY가 비슷해지지만 구상화 THENS에서는 A1점 부근에서의 가열을 장시간하게 되므로 필요 ENERGY는 가열용보다도 크게 된다.
또, 열간단조에서는 재료의 변형능의 향상, 변형저항의 저감에서 냉간단조보다 적은 성형공정으로 제품을 완성시키는 경우가 많아서 이점까지 감안한다면 ENERGY절약은 크다.
(라)변형저항의 저감, 변형능의 향상
상온에서 소재를 단조하는 경우에 비해서 온간단조의 온도역에서는 소재의 변형저항이 내려가서 변형능이 향상된다. 이 때문에 냉간단조에서는 금형에 걸리는 면압이 과대하여 변형능부족으로 제품에 CRACK이 발생하는 등의 이유로 성형되지 않는 복잡형상의 제품이나 고탄소강 등의 난가공재도 온간단조에서는 적은 공정수로 성형이 가능하게 된다.
(마)설비, 공장의 LAY. OUT
냉간단조에서는 필요한 가공전이나 가공중간의 전용로에 의한 구상화소둔이나 윤활처리가 온간단조에서는 불필요하게 되기 때문에 공장의 설비수는 감소하고, 이 때문에 LAY OUT는 간결하게 되어 제품의 흐름도 부드러워서 운반의 LOSS가 적은 공정으로 할 수가 있다.
또 변형능이 향상되기 때문에 중간소둔없이 다단의 성형이 이루어지므로 TRANSFER PRESS나 온간용 PARTSFORMER1대만으로 전단조공정을 자동으로 완료시킬 수가 있다.
이 점도 상기의 합리화에의 기여도가 높고 단조온도를 엄하게 관리하는 점에서도 자동화 PRESS사용의 필요성은 높다. 또 열간단조와 비교하면 밀폐단조는 FLASH의 제거가 불필요하므로 TRIMMING, PRESS를 생략할 수가 있다. 또 FLASH가 없으므로 TRANSFER, PRESS내에서의 자동반송이 용이하게 되는 이점도 생긴다.
이처럼 온간밀폐단조의 MERIT는 많고 완성품까지의 총합적인 COST저감을 기할 수 있기 때문에 주조, 소결등의 다른 경쟁기수과의 경쟁에서 볼 때에도 단조업계에서는 그 확대가 기대디고 있다.
그러나 실상은 생각하는 만큼 진전되지 않고 있으며 그 이유는 종래기술인 열간냉간단조에 비해서 SYSTEM전반의 조건 CONTROL을 상당히 엄겨가게 해야 한다는 필요가 있기 때문이라고 사료된다. 이하에 SYSTEM성립을 위한 문제점을 열거해 보기로 한다.
(가)사용소재
밀폐단조를 하기 위해서는 사용소재의 중량편차는 전체중량의 ±0.5~1%로 억제해야할 필요가 있다. 이 때문에 사용재는 일발재 아니면 필링재를 쓰고 그러면서도 SHEARING시의 재료 CRACK이나 절단장을 결정하는 STOPPER의 강성에 특별한 배려를 한 전용 SHEARING PRESS가 필요하게 된다.
또 온간단조에서 열간단조 정도의 대변형을 행하고자 할 경우에는 의외로 큰문제로 되는 것이 소재의 변형능이다.
실용상의 문제점은 UPSET변형부의 외경에 CRACK이 생기는 것 같은 냉간단조에서도 종종 보이는 결함이 생기나, 이것이 발생하면 그 발생율을 낮게 억제해도 목시 또는 자기탐상이라는 귀찮은 검사공정이 필요하게 된다.
CRACK의 방지를 위해서는 재료중의 S량의 규제등에 의해서 연성을 높이는 대책, 소재의 외경을 필링하여 강재의 외경에 남아 있는 미세한 흠을 제거하여 단조시에 CRACK의 기점을 없애두는 등의 사용 재료상의 대책이 필요하다.
또 변형능은 단조온도에 의해서 큰 영향을 받으므로 제품형상에 의해서 정해지는 변형능을 양상하기 전에 충분히 파거하여 단조온도를 설정하고 또 그 온도편차를 상당히 엄격하게 CONTROL할 필요가 있다.
(나)사용 PRESS. 금형구조
단조온도에 의해서 사용PRESS의 RAM속도선정이 변할 수 있다. 제품형상이 복잡하고 단조온도를 700℃부근으로 높게 설정하는 경우에는 소재와 금형의 접촉시간이 길게되면 조기에 금형에 열변형이나 HEATCRACK이 생겨서 금형수명이 극단적으로 짧게 된다.
이 때문에 사용 PRESS는 KNUCKLE, JOINT. PRESS 보다도 CRAND PRESS처럼 RAM. SPEED가 빠른 PRESS를 선정하는 것이 좋다.
가열온도 300℃정도까지의 저온측의 온도단조에서는 위의 걱정이 없으므로 냉간단조와 같이 금형에 주는 충격면에서 볼때에 KNUCKLE. JOINT, PRESS의 사용이 바람직하다.
이형도가 높은 부품을 단조하는 경우에는 열간단조정도의 금형에의 충만성이 좋지않기 때문에 적은 공정수의 성형에서는 무리가 생기게 된다. 이 대책으로써 유효한 것은 복동 PRESS 또는 복동장치를 그 구조내에 장착한 BOLSTER의 사용이다. 이 효과는 복동 PUNCH를 충만성이 나쁜 방향에 금형을 접촉시킨 후에 압입하면 충만성이 현저하게 개선된다.
기존의 단동 PRESS에 복동 BOLSTER를 취부하여 단조될 수 있는 제품에 대해서는 신규투자가 적게 들게 되므로 앞으로 기대되고 있다. 복동 PRESS는 그 구조상, 설비가 고가라고 하는 결점이 있으나 전기한 BOLSTER만의 장착으로는 대응될 수 없는 제품이 많으므로 이러한 것을 감안하여 도모하면 충분히 그 결점을 보완할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 이미 이러한 작업의 실용화가 많이 보이고 있고 수년내에 가동대수가 급격히 증가할 것으로 판단되고 있다.
(다)윤활제, 윤활방법
온간단조가 그 이점에도 불구하고 생각하는 만큼 증대되지 않는 이유중의 하나는 냉간단조의 BONDE처리와 같이 안정된 효과를 발휘할 수 있는 윤활제가 없었던 점을 들 수 있다. 이 때문에 금형의 소부현상, 마모등의 조기에 발생하여 충분한 금형수명을 얻을 수 없었다.
이 원인은 BONDE. 이류화 MOLYBDEN, 흑연 등 기존의 윤활제로는 온간단조영역속의 고온측으로 되면 산화가 시작되어 냉간 내지는 300℃정도까지의 양호한 윤활성을 잃어버리기 때문이다. 그러므로 현상황에서는 이러한 기존의 윤활제의 불충분한 내열성을 보완하는 사용방법의 개발에 의하여 한정된 범위내에서 온간단조는 실시되어질 것이라고 말할 수 있다.
(라)금형재
온간단조용의 금형재로써는 고속도강 내지는 열간 DIES강이 쓰여지고 있다. 그러나 고속도강은 인성이 부족하여 금형 CRACK이 발생하기 쉽고 내열성부족 때문에 사용중의 금형온도를 낮게 유지할 필요가 있는 등의 결점이 있다. 한편 DIES강은 경도가 불충분하기 때문에 마모가 빨리 일어나서 금형수명을 저하시키는 등 각각 일장일단이 있다. 금후의 온간단조의 진전을 위해서는 적정한 금형온도나 윤활조건등 사용조건의 표준화와 같이 상기한 결점을 없앤 금형재의 개발이 불가결하다.
온간단조는 OILSHOCK등의 환경변화를 대비하고 이상에서 설명한 특성을 잘 살펴서 소재에서 완성품까지의 전공정을 통해서 원가절감을 기하게 되면 금후 크게 진전될 것으로 판단된다. 그러기 위해서는 문제점을 빨리 해결하여 온간단조라고 하는 시스템분야를 체계화해 갈 필요가 있다.
▶ 온간단조 : 200~1,000 ℃ 단조,
▶ 열간단조 : 1,000 ~1,250 ℃ 단조,복잡한형상,탈탄.표면불량.타흔발생
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