06 제작공정의선택 학습목표이장을마치면다음과같은것을할수있을것이다. 기본적인제작공정의특징을말할수있다. 1, 2, 3차공정의선택과차이점을설명할수있다. 적합한제작공정을선택할수있다. 제작상의용어와개념을설명하고사용할수있다. 생산품을제작하는데드는비용을예상할수있다. 6.1 개요재료의형태에상관없이, 가장간단한생산품조차도많은공정을포함하고있다. 그림 6.1의산악용자전거에대해서살펴보자. 산악용자전거모델 4300은프레임, 앞뒤바퀴연결부, 완충장치를포함한조타부, 핸들바, 핸드조절부, 안장을포함한좌석기둥, 페달크랭크연결부, 그리고변속장치로구성되어있다. 생산품은몇개의하위조립부들로선적이된다. 생산품이전시되기전에소매인은앞바퀴, 핸들바, 좌석기둥과안장을연결한다. 또한소매인은 24변속기능을확인하고각바퀴의살의장력을조정한다. 그러나조립구성부품이소매상에의해서또는공장에서조립되었든지에상관없이우리는조립구성부품이중요하다는것을이해할수있다. 프레임하위조립품을만들기위해서몇가지다른제작공정들을거치게된다. 우선은, 위쪽과아래쪽튜브그리고안장과앞쪽바퀴지지부의튜브길이를예상하기위해서알루미늄튜브를기준길이로잘라야한다. 앞쪽바퀴지지부는휘는
140 제 6 장제작공정의선택 좌석기둥 안장 위쪽튜브 핸들바브레이크 포크 뒷브레이크 아래쪽튜브 앞브레이크 뒷변속기 페달 그림 6.1 여행용산악자전거 (binding) 공정을통해만들어진다. 각튜브의마지막부분은형상을만들고깨끗하게정리하게된다. 그후, 튜브들과지지부들은기체텅스텐아크용접 (Gas Tungsten Arc welding) 공정을통해서용접된다. 용접된프레임은깨끗하게정리하고최종적으로도색을한다. 품질확인또한이사이에완료된다. 공정의형태와그순서는매우중요함을명심해야한다. 사실 1차, 2차, 3차제작공정의적합한순서의결정은생산공정계획의일부이다. 자전거를제작하는데있어서다른공정들도사용된다. 예를들어, 몰딩 (molding)( 타이어 ), 크롬도금 (plating) 또는양극처리 (anodizing)( 핸들바, 휠의림 ), 형철 (swaging)( 좌석안장 ), 스탬핑 (stamping)( 톱니바퀴 ), 그리고금속주조 (casting, 캐스팅 )( 핸들조절기 ) 등이이에해당한다. 어떤생산품제작의계획을준비할때, 다음의질문사항을확인할필요가있다. 특정한제작공정을어떻게선택할것인가? 선택된재료가제작공정의선택에어떠한영향을미치는가? 생산품의기능이나성능이공정의선택에어떠한영향을미치는가?
6.2 제작공정 141 공정의선택에사용된기준은무엇인가? 공정선택의기준에서가장중요한것은무엇인가? 최종결정은누가할것인가? 남은단원에서는제작공정에서널리사용되는것들에대해서살펴볼것이다. 특정한물질들과의적합성, 복잡한형상의만드는방법, 최대또는최소부분의사이즈의제한점, 적절한생산량, 그리고전체적인경제적가능성에대해서논의할것이다. 그리고적합한제작공정을선택하는데있어서도움이될수있는일반적인방법에대해기술할것이다. 6.2 제작공정제작공정은원료를가공품으로바꾸는데사용된다. 공정은금속주조, 금속박막의구부림 (bending) 또는기계가공과같은과정을통해재료의형태를바꾸는데사용된다. 공정은냉각압연 (cold rolling) 또는열처리 (heat treatment) 를통해강철의항복강도 (yielding stress) 를증가시키는것처럼재료의물성치나미세구조를바꿀수있다. 공정은또한크롬도금 (chrome plating) 또는아연도강 (galvanizing steel) 처럼재료의화학적구성을바꿀수있다. 제작공정은그림 6.2에서처럼부피성형 (bulk deformation), 주조 (casting), 박막금속가공 (sheet metalworking), 폴리머공정 (polymer processing), 기계가공 (machining), 마무리 (finishing,), 조립 (assembly) 으로분류할수있다. 1차제작공정 (primary manufacturing processes) 은원칙적으로재료의모양이나형태를바꾸는데사용된다. 예를들어, 사각형모양의강철주괴를원통모양의브레이크드럼으로바꾸는데주조 (casting) 를사용할수있다. 폴리에틸렌의펠렛 (pellet) 을전화기의송수화기로바꾸는데사출성형 (injection molding) 을사용할수있다. 강철의판을피는데롤링 (rolling, 압연 ) 이사용되며, 강철박막을냉장고틀로구부리는데박막가공이사용된다. 2차제작공정 (secondary manufacturing processes) 은기본형태로부터형상적인모양을추가하거나제거하는데사용된다. 예를들어, 브레이크드럼주조는돌리기
142 제 6 장제작공정의선택 제작공정 변형 금속주조 박판금속 폴리머공정 기계가공 마무리 조립 추출단조압연봉재인발선재인발 원심주조금형주조정밀주조영구성형모래거푸집주조 벤딩블랭킹드로잉펀칭시어링스피닝 블로우몰딩금속주조압축성형압출성형사출성형열성형이송성형 보링드릴링페이싱그라인딩밀링플래닝터닝소잉 ECM, EDM 양극처리연마도색도금광택 자동화본딩브레이징 ( 놋쇠납땜 ) 수동리벳팅솔더링 ( 납, 주석합금납땜 ) 웰딩 ( 용접 ) 그림 6.2 제작공정의유형 (turning) 와마찰표면의그라인딩 (grinding) 과같은기계가공과정을거치게된다. 냉장고틀은자주드릴과정이나홀펀치 (hole-punch) 과정을거치게된다. 사출성형부분은잔여물을제거하는과정을거치게된다. 3차제작공정 (tertiary manufacturing processes) 은광택, 도색, 열처리, 결합과같은표면처리와관계가있다. 자전거프레임과같은부분은완성품처럼조립되기전에많은공정과작업을거치게된다. 6.2.1 부피성형부피성형 (bulk deformation) 은거대한압축또는인장응력을통해서원재의모양이나형태를바꾸는것을말한다. 벌크재료는박막재료와비교할때빌렛 (billet), 블룸 (bloom), 슬라브 (slab) 를포함한다. 광석 (ore) 은초기에고체화한주괴로되는과정을거친다. 잉곳 (ingot) 은실제적으로작은사각블룸으로압연되고, 더작은사각빌
6.2 제작공정 143 추출금형 단면 램 빌렛 그림 6.3 금속의추출 렛이된다. 잉곳과블룸은평평한사각슬라브로압연된다. 더욱일반적인부피성형과정들이아래에설명되어있다. 압출성형 (Extrusion) 그림 6.3에나타난것처럼압출성형은가열된금속을다이 (die) 를통해밀어서물리적으로만들어낸다. 일정한단면을가지는긴부분들을생산할수있다. 사각형, 원형, 삼각형, L형상, U형상의단면들이일반적이다. 튜브와관또한중앙이빈심축을사용하여제작할수있다. 전형적으로압출성형은트렉터트레일러와같은길이는 40피트길이안으로선적될수있다. 단면은직경으로 1/4 2인치까지가능하다. 경제적생산량은 1,000 100,000개이다. 압출성형은알루미늄, 강철, 아연, 구리, 마그네슘과같이연성이좋은금속에적합하다. 단조 (Forging) 그림 6.4에서처럼단조는재료를유체의압력이나망치의상하운동에의해서다이 (die) 의두반쪽사이에서소성적으로압축하는것을말한다. 닫혀있는다이단조 (die forging) 에서는재료가모든면에서압축이되고, 열린다이단조에서는시편이재료의측면흐름을막는두다이반쪽사이에서망치질이된다. 종종벌크물질은블록커금형 (blocker die) 에서공정이이루어지며, 전형적으로단조는작업을수월하게하기위해서금속을가열한상태에서이루어진다. 대체적으로복잡한형상은최대사이즈가대략 36인치까지작업이가능하다. 경제적인생산량은 1,000
144 제 6 장제작공정의선택 램압력 성형전상태 플래쉬 거터 ( 홈통 ) 그림 6.4 폐쇄금형단조 100,000개이다. 롤링 (Rolling) 박막, 바, 원통형막대를만들기위해서두개이상의실린더형롤러는재료를소성적으로압축을가한다. 롤링 ( 압연 ) 은잉곳으로부터빌렛, 블룸, 슬라브를생산하는데사용된다. 빌렛은사각이나원형바로압연된다. 슬라브는평판이나박막형의금속으로압연된다. 블룸은 I빔, 채널빔, 각형, 넓은플랜지빔을포함한구조적형상으로압연된다. 그림 6.5는잉곳을다양한형상으로바꾸는공정을보여주고있다. 열연 (hot rolling) 은냉연 (cold rolling) 보다재료를형상화하는데더적은일이들지만, 최종표면을산화시킬수있다. 냉연은더많은힘이들지만, 재료의강도를높이고, 좋은최종표면을얻을수있다. 봉재인발 (Bar Drawing) 그림 6.6에나타난것과같이, 봉재인발은바스톡 (bar stock) 이축소된단면을통해당겨진다. 냉각인발은재료의강도를높이고, 최종표면을향상시킨다. 원형또는사각형의바스톡의곧은길이가만들어질수있다. 단면의크기는 1/8 6인치까지가능하다. 선재인발 (Wire Drawing) 선재인발은바스톡이연속된좁은다이를통해당겨지고, 연속된과정으로실감개에서감겨지는철사의긴실타래를만든다. 단면의크기는 0.001에서대략 3/8인치에해당하며, 알루미늄, 강철, 구리와같은연성이좋은금
6.2 제작공정 145 블룸 구조물 잉곳 슬라브 시트 코일 빌렛각봉환봉 그림 6.5 롤링 ( 압연 ) 공정은초기에블룸, 슬라브, 빌렛형태로변형한다. 롤링공정이반복되어 구조물, 시트, 코일, 각봉, 환봉형태를만든다. 드로잉다이 ( 인발금형 ) 단면 빌렛 인상력 그림 6.6 봉재의인발
146 제 6 장제작공정의선택 속에사용된다. 6.2.2 주조주조 (casting, 캐스팅 ) 는녹은금속을고형화시키기위해서주조 (cast) 에붓는, 수천년동안사용되어온가장오래된공정중에하나이다. 주조는넓은허용오차를포함한복잡한형상을만들수있다. 형상의정확도에있어서주조는전형적으로 2차적인작업에서가공된다. 일반적으로사용된다는주조공정의세가지에는모래거푸집주조, 금형주조, 정밀주조가있다. 모래거푸집주조 (Sand Casting) 모래거푸집주조 ( 샌드캐스팅 ) 에서는녹은금속을모래주형 (mold) 에서고형화시킨다. 일반적인주형은주조가되기위한부분으로같은외형을가지는패턴으로포장된모래로만들어진다. 그패턴은주조전에제거되고다시사용한다. 그림 6.7에나타난것처럼, 녹은금속은스프루 (sprue) 에서런너 (runner) 로흘러들어가고게이트 (gate) 라불리는주조될부분의입구부를통해형상의빈공간을이루는부분으로들어간다. 라이저 (riser) 는주조형상이냉각되어수축할때, 공급할액체상태의금속의작은저장고이다. 코어 (core) 는실린더의구멍과같이공간을형성하기위해서주형안에배치할수있다. 열린주형주조는한면이 코프 플라스크 코어 라이저 스프루 런너 드래그 게이트 그림 6.7 폐쇄주형샌드캐스팅 ( 모래거푸집주조 )
6.2 제작공정 147 평평한표면을가지는형상에사용된다 ( 예를들어, 맨홀뚜껑, 보석 ). 폐쇄주형주조는코프 (cope) 나드래그 (drag) 의반쪽에사용되고, 플라스크 (flask) 로밀봉된다. 주형은주조형상을꺼내기위해서파괴한다. 분리선은두주형의반쪽이만나는곳에위치한다. 모래거푸집주조의크기는수인치에서 1피트에해당하며, 산업용엔진블록은단면이 12피트에길이가 30피트인주조를가지기도한다. 경제적인생산량은 1 10개로매우적다. 모든비철과철금속이사용될수있다. 어느정도복잡한형상도가능하다. 모래코어는내 / 외부의언더컷 (undercut) 을만드는데사용될수있다. 모래거푸집주조에의해만들어진형상은입상표면처리 (granular surface finish) 를거치게된다. 금형주조 (Die Casting) 금형주조 ( 다이캐스팅 ) 에서는녹은재료가보통강철로만들어진영구적인틀안으로고압으로주입된다. 강철주형은재사용이가능하기때문에, 금형주조는모래거푸집주조보다빠르다. 그러나강철틀은가공하는데더많은비용이소요된다. 금형주조의최종표면은모래거푸집주조보다매끄럽다. 그림 6.8에나타난것처럼, 녹은금속의발사는입구로주입된다. 그후플런저 (plunger) 에의해서주형의두반쪽안으로유압으로가압한다. 훨씬더자동화되어있는열가압식금형주조또한사용된다. 고형화된형상은방출핀 (ejector pin) 에의해주형밖으로밀어진다. 최대주조형상크기는전형적으로 30 30인치이고, 주입기계의용적에의해제한된다. 어느정도복잡한형상도가능하며, 경제적인생산량은일반적으로 10,000조각이상이다. 강철주형이녹지않게하기위한일반적인금형주조재료는알루미늄, 아연, 마그네슘, 황동과같이낮은녹는점을가진다. 정밀주조 (Investment Casting, Lost-Wax Process) 정밀주조는녹은금속을액체슬러리를가지는왁스패턴을코팅하고, 건조하여만들어진세라믹주조에서굳힌다. 왁스는주조전에녹게된다. 그림 6.9에나타난것처럼, 왁스의패턴은금속주형에서만들어진다. 여러개의주조형상들은패턴가지에서혼합될수있다. 왁스는녹고세라믹주형밖으로배수된다. 녹은금속은세라믹주형으로부은후굳으면, 주형은파괴된다. 복잡한형상과생산량은금형주조와비슷하다. 주조재료는알루미늄합금, 아연, 마그네슘, 황동, 강철, 스테인리스강을포함한다. 정밀주조는전형적으로
148 제 6 장제작공정의선택 정지다이 구동다이 융해된금속 플런저 배출용핀 스프루 분리선 그림 6.8 냉가압다이캐스팅 ( 강철금형주조 ) 10,000 개이하로생산하는데사용된다. 6.2.3 폴리머공정폴리머공정 (polymer processing) 은생산품의형상이열가소성수지또는열경화성수지의고형화에의해서만들어진다. 열가소성과열경화성재료로만들어진생산품은원재의낭비가적고, 많은형상과크기로만들수있다. 만약필요하다면마감처리를하지만, 거의필요가없다. 더일반적인공정으로는블로우성형, 사출성형, 압축성형, 이송성형, 열성형, 주조등이있다. 블로우성형 (Blow Molding) 블로우성형은그림 6.10에나타난것처럼, 열가소성물질의녹은덩어리가공기와함께주입되고, 주형의형상으로확장된다. 블로우성형은얇은벽을가지는속이빈형상을만드는데사용된다. 병과같이확보된공간형상도가능하다. 크기는직경이대략 3피트로제한된다.
6.2 제작공정 149 네부품이패턴된트리 세라믹 ( 경화슬러리 ) 금형 왁스패턴이주조된다. 왁스를녹여제거한다. 융해된금속을주조안에서응고시킨다. 세라믹금형을제거한다. 그림 6.9 정밀주조 융해된패리슨의압출주형으로감싼다. 패리슨에공기를주입한다. 압출기공기분사기 주형을제거한다. 패리슨 그림 6.10 압출중공성형
150 제 6 장제작공정의선택 가열된주형 램압력 투입된원료 부품 그림 6.11 압축성형 압축성형 (Compression Molding) 압축성형은수지가경화되는동안가압하에가열된주형사이에서열경화나고무가형성된다. 그림 6.11에나타난것처럼압축성형은사출성형보다더간단하고, 스프루, 런너, 라이저와같은복잡한시스템을필요로하지않는다. 압축성형은일반적으로자동차타이어나레코드음반에사용된다. 이송성형은주형삽입물이가능한공간에수지를주입한다. 그러나그림 6.12에나 램압력 램 가열된주형 스프루 투입된원료 부품 그림 6.12 이송성형