3. (I) Bong-Kee Lee Chonnam National University Overview 단조 (forging) 금형세트로별개의제품을생산하며보통마무리공정이필요 주조나분말야금기술로도비슷한제품의제조가가능 열간에서이루어지는경우가많음 다이 ( 금형 ) 와장비가격이고가임 인건비는중간내지높은편이며, 중간혹은높은편의숙련도가요구됨
단조 (forging) 다양한다이및공구로소재에압축하중을가해주어소성변형을일으킴으로써개별부품을성형하는공정 전형적인단조제품 : 자동차엔진부품, 터빈디스크, 기어, 볼트, 각종기계와철도및수송기계에들어가는구조용부품들 (a) Schematic illustration of the steps involved in forging a knife. (b) Landing-gear components for the C5A and C5B transport aircraft, made by forging. (c) General view of a 445 MN (50,000 ton) hydraulic press. 단조 (forging) 결정구조 다이내부에서의금속흐름과금속재료의결정구조의조절이가능함 단조제품은뛰어난강도와인성을가지며, 큰하중이작용하거나극한상황에서의적용등에서신뢰성을가짐 (a) Casting, (b) machining from a blank, and (c) forging
단조 (forging) 일반적특성 상온에서이루어지거나 ( 냉간단조 ), 고온에서이루어짐 ( 온간단조혹은열간단조 ) 일반적으로추가적인마무리작업이요구됨 물성을변화시키기위한열처리또는치수정밀도와표면특성을얻기위한기계가공등 정형가공 (net-shape forming) 혹은준정형가공 (near-net shape forming) 의대표적인예인정밀단조 (precision forging) 기술을적용함으로써마무리작업을최소화할수있음 자유단조 (open-die forging) 가장간단한형태의단조 Process Advantages Limitations Open die Closed die Blocker Conventional Precision Simple and inexpensive dies; wide range of part sizes; good strength characteristics; generally for small quantities Relatively good utilization of material; generally better properties than open-die forgings; good dimensional accuracy; high production rates; good reproducibility Low die costs; high production rates Requires much less machining than blocker type; high production rates; good utilization of material Close dimensional tolerances; very thin webs and flanges possible; machining generally not necessary; very good material utilization Limited to simple shapes; difficult to hold close tolerances; machining to final shape necessary; low production rate; relatively poor utilization of material; high degree of skill required High die cost, not economical for small quantities; machining often necessary Machining to final shape necessary; parts with thick webs and larger fillets Higher die cost than blocker type High forging forces, intricate dies, and provision for removing forging from dies
자유단조 (open-die forging) 업세팅 (upsetting), 평판단조 (flat-die forging) 금속소재를두개의평판다이사이에서압축하여높이를감소시키는작업 배럴링 (barreling) 다이와소재사이의면에서발생하는, 소재의흐름에반대되는마찰력때문에주로발생함 효과적인윤활을도입함으로최소화될수있음 자유단조 (open-die forging) 코깅 (cogging) 막대모양의소재의두께를감소시키는자유단조공정 연속적인단조작업 ( 바이트, bite) 이특정간격으로이루어짐 (a) Schematic illustration of a cogging operation on a rectangular bar. (Blacksmiths use this process to reduce the thickness of bars by hammering the part on an anvil. Reduction in thickness is accompanied by barreling.) (b) Reducing the diameter of a bar by open-die forging (c) The thickness of a ring being reduced by open-die forging
형단조 (impression-die forging) 형상을가지고있는두개의다이사이에서소재를단조하여공동부 (cavities) 의형상으로소재를변형시키는공정 향상된연성 (ductility) 과단조에필요한힘을감소시키기위하여일반적으로고온에서공정이이루어짐 플래시 (flash): 금형외부로밀려나가는소재의일부 길이대두께비가커높은압력이발생 재료유동에대한마찰저항이높음 열간단조시빨리냉각되어변형저항이큼 형단조 (impression-die forging) 형단조다이의주요용어들 분리선 (parting line) 플래시 (flash) 드래프트각 (draft angle)
형단조 (impression-die forging) 다이인서트 (die insert) 다이인서트등여러부품으로구성되어진다이의설계와제작 복잡한모양의성형공정에적용 Die inserts used in forging an automotive axle housing 형단조 (impression-die forging) 형단조예비가공 (preforming operations) 소재블랭크 (blank) 의준비 압출이나인발된소재에서절단 예비성형품 (preform) 제작 : 분말야금, 주조, 예비단조 형단조공정에서재료가쉽게다이의공동부를채울수있도록미리시행하는작업들 룰러링 (fullering): 재료를분산시키는작업 에징 (edging): 재료를한곳으로모으는작업
형단조 (impression-die forging) 예. 내연기관의커넥팅로드의단조 환봉형태의소재 예비가공 : 에징 블록킹 (blocking): 블락커다이 (blocker die) 를이용한거친형상의성형 최종형상의단조 트리밍 (trimming) 다이캐비티에서높은미끄럼속도 ( 변형률 ) 혹은높은압력중하나만을받도록설계 형단조 (impression-die forging) 트리밍 (trimming) 단조된성형품에서플래시를제거
폐쇄단조 (closed-die forging) 다이가소재를완전히둘러싸서플래시를발생하지않는공정 소재의체적에대한정확한계량과적절한다이설계가요구 부족한소재 : 다이캐비티의미충전 과다한소재 : 과도한압력의발생과금형혹은기계의파손 정밀단조 (precision forging) 추가적인마무리작업을최소화하기위한정밀한단조공정 기어, 커넥팅로드, 터빈블레이드등 정밀단조에서요구되는점들 특별하고복잡한다이 소재의부피와형상에대한정밀한조정 다이캐비티내에서의정밀한소재위치조정
일반적인단조공정순서 소재의준비 : slug, billet, or preform ( 열간단조 ) 가열로에서소재가열및필요시표면처리 ( 열간단조 ) 다이의예비가열및윤활 ( 냉간단조 ) 블랭크윤활 다이를이용한단조수행및마무리작업 (trimming, machining, or grinding) 세척및치수측정 열처리, 표면처리등추가공정수행 내외부의결함점검 기타단조작업 코이닝 (coining) 폐쇄단조의한형태로동전, 메달, 장신구등의성형에주로이용됨 초기에는자유단조의형태로진행되었으나, 현재는폐쇄단조방식으로높은정밀도와윤곽의성형이가능함
기타단조작업 헤딩 (heading) 또는업셋단조 (upset forging) 환봉이나선재의한쪽끝에넓은단면부를형성하는데적용됨 볼트, 스크류, 못등의부품들 헤더 (header): 헤딩작업을고속으로수행하는장치 기타단조작업 천공 (piercing) 소재의표면에펀치를압입시켜공동부나압입된형상을만드는공정 예. 볼트의머리에압입형상을만드는공정 천공력 (piercing force) 은 (a) 단면의넓이와펀치의팁형상, (b) 소재의강도, (c) 접촉면에서의마찰력의크기에영향을받음
기타단조작업 예. 헤딩과천공을이용한다단핀의제작 자동차좌석의위치를조정하기위한롤러부의부속품 기타단조작업 허빙 (hubbing) 특정형상으로경화처리된펀치로소재표면을압입하여공동부를만드는작업 다른제품의성형을위한금형혹은다이의제작에이용 궤도단조 (orbital forging)
기타단조작업 인크리멘탈단조 (incremental forging) 작은변형을일으키는다수의과정으로구성 일반적인단조에비하여적은힘과단순하고저렴한다이의적용 등온단조 (isothermal forging) 가열된소재와같은온도로다이를가열하여성형 낮은강도및높은연성으로뛰어난치수정밀도를가지는복잡한부품의성형이가능 기타단조작업 로터리스웨이징 (rotary swaging)
기타단조작업 튜브스웨이징 (tube swaging) 튜브의내경 (internal diameter) 혹은두께를감소 맨드렐을이용하여내부에형상을가지는튜브의성형이가능 단조성 (forgeability) 소재가균열을일으키지않고겪을수있는변형능력과소요하중으로정의 단조성을정량적으로평가하기위한다양한시험법들이개발되었으나, 일반적으로두가지방법만이주로이용됨 업세팅 (upsetting) 시험 : 원기둥시편의압축 열간-꼬임 (hot-twist) 시험 : 원주시편의비틂 양호한단조성 : 알루미늄, 마그네슘, 구리와그합금들, 탄소강및저합금강 부족한단조성 : 초합금, 탄탈, 몰리브덴, 텅스켄과그합금들
단조결함 (defects) 표면의크랙 (crack) 이외에다른결함들이단조중다이내에서의재료의흐름에의해서발생함 웹부분의좌굴로인한겹침 소재가과대하여단조품에생기는내부결함 단조결함 (defects) 내부결함의주요원인 다이캐비티내부에서의재료의균일하지않은변형 단조공정중소재에서의온도구배 상변화에의한미세구조의변화
단조기계 단조력, 속도, 속도 - 행정 (stroke) 특성등에따라다양한단조기계들이존재함 Equipment m/s Hydraulic press 0.06-0.30 Mechanical press 0.06-1.50 Screw press 0.60-1.20 Gravity drop hammer 3.60-4.80 Power drop hammer 3.00-9.00 Counterblow hammer 4.50-9.00 단조기계 유압프레스 (hydraulic press) 일정한낮은속도로작동되고하중이제한됨 일정한하중으로소재에큰에너지를전달할수있음 자유단조및형단조에사용 기계프레스 (mechanical press) 크랭크프레스 (crank press) 혹은너클조인트프레스 (knuckle joint press) 행정이제한되며, 속도가행정의중간에서최대이며하사점에서는영이됨 ( 하사점부근에서하중이최대가됨 )
단조기계 나사프레스 (screw press) 수직나사를통하여플라이휠로부터에너지를전달 에너지가제한되며, 소량의정밀제품이나램속도를조절해야하는단조에적절함 해머 (hammer) 램의위치에너지를운동에너지로변환시켜에너지를얻는방식으로에너지가제한됨 동력해머 (power hammer, power drop hammer): 램의낙하중증기압이나공기압으로가속 해머가고속으로작동하여열간단조시냉각속도를최소화할수있어, 얇고깊은부분이있는단조품의단조에사용 단조기계 카운터블로우해머 (counterblow hammer) 동시에접근하는두개의고속램으로소재를단조 기계-공압식혹은기계-유압식을사용 고에너지단조 (HERF, high-energy-rate forging) 램을고압의불활성기체로가속 한번에빠른속도의소재단조가가능