기계공작법 (Making Machinery) 담당교수 : 이태홍
주조 (Casting) 개요 주조 ( 鑄造 casting): 금속을녹여서주형에주입하여응고시킴으로서목적하는형상으로성형 주물 ( 鑄物, casting product)
1. 주조가공의필요성 1) 기계, 자동차, 선박및각종부품소재 : 주물 공작기계 : 81%, 전기기계 : 80%, 섬유기계 : 50%, 선박기계 : 99.2%, 자동차 13% 2) 국내 - 회주철, 가단주철, 구상흑연주철 현재, 합금주물, 비철주물 ( 주물소재의고급화 ) 파이프, 자동차실린더블록, 항공기엔진, 피스톤, 피스톤링, 공작기계베드, 프레임, 휠, 크랭크샤프트등과같은복잡한모양과다양한크기의제품에직접적용.
2. 주조의공정 : 모형의제작 주형 ( 鑄型 mold, mould) 의조형 금속의용해 금속의주입 ( 주탕 ; 鑄湯 ) 응고와냉각 주형을헐어주물을얻고표면다듬질 검사출하
3. 주물재료
4. 주조제조방법 작업의종류 설명 1. 주조방안의결정주물투입방법, 용탕속도등을결정. 2. 모형의제작 3. 주물사의조제 4. 주형의제조 - 조형과증자 5. 용해 주물의도면에따라가공여유, 허용오차, 용탕의수축등을고려하여나무, 금속, 수지등으로 model 을만든다. 주형을만드는데적절한배합으로적당한 점결제를넣어혼사기로잘섞으면서 련한다. 손또는기계를써서목적하는형상의주형을만든다. 필요에따라주형에중자를넣는다. 재료를적당히배합하여용해로속에서연료, 전력등으로녹여적당한온도의용탕을만든다. 혼
6. 주입적당한방법과속도로용탕을주입. 7. 주물상자해체, 절단, 청정 8. 열처리 9. 다듬질, 보수, 도금 10. 검사, 시험 응고후주물을꺼내어모래를털고탕구를제거후표면을청소. 필요에따라성질향상, 응력제거를위해소둔등의열처리를실시. 주물의불필요한부분을깎아내고절삭하여치수를맞춘다. 결함부는용접, 납땜으로보수한다. 주문에따라도금. 외관, 치수, 조직및재질등이치수에맞는가검사하고여러가지결함을찾아낸다.
4. 주요주물법 원심주조법 : 주형을고속회전시킨상태에서쇳물을주입하면원심력에의해주형내면에균일하게압착응고되어코어없이도주물을제작 ( 제품 : 수도관, 피스톤링, 실린더라이너등 ) 다이캐스팅 : 쇳물을정밀금속주형에고속고압으로주입하여표면이우수한주물을얻는주조방법으로금속주형 (die) 에주로경합금의쇳물을압입한다. 치수정밀도가높고주물표면이깨끗하며대량생산에적합, 자동차부품에많이적용 ( 제품 : 전기기구, 사진기, 재봉틀, 사무용기구, 자동차미션등 ) 셀몰드법 : 금형을만들고 (150~200 로가열 ), 레진샌드 ( 규사와페놀수지 5% 혼합 ) 를뿌려피복시킨것을모형과함께 250~300 의노안에 12~14 초경화시켜모형이녹게만들어피복된셀을만들어주형으로사용하는방법 ( 일명크로닝 (Croning) 법또는 C-Process 라고함 ) 숙련공필요치않으며완전기계화가가능하여, 셀을만들어놓고일시에대량생산할수있음
4. 주요주물법 인베스트먼트주조법 : 주조하려는제품과동일한모형을왁스파라핀등으로만들어주형재에파묻고다진후에가열로에서주형을경화시킴과동시에모형재인왁스파라핀을유출시켜주형을완성하는방법주물의치수가매우정확함. 정밀한작은부품생산하는데유리함 탄산가스 (Co 2 ) 주조법 : 규사에규산나트륨을 4~6% 첨가하여조형을한후탄산가스를주형내부에불어넣어서규산나트륨과탄산가스의반응으로주형을경화 진공주조 : 금속을용해할때공기의차단을위해진공상태에서용해작업과주조작업을하는방법 연속주조 : 용탕이냉각수가순환하는금형을통과하면서표면이급속히응고되어연속적으로빌렛등을주조하는방법
4. 주철과주강의차이 주철 (cast iron) 1) 1.7% 이상의탄소를함유하는철을의미 2) 주철을녹이기위해서큐폴라라고하는용해로가사용되며, 고로 ( 高爐 : 용광로 ) 에서얻은선철을여기에넣고, 코크스를연료로용해 3) 주조되어응고된상태의주철에는철과시멘타이트 (Fe3C) 가층상 ( 層狀 ) 을이루고늘어선펄라이트라는조직을바탕으로해서편상 ( 片狀 ) 의흑연이산재 4) 흑연부분에서는강도를기대할수없으므로, 강도를필요로할때에는시멘타이트의분해를가감하여흑연이나오는것을조절 ( 예 : 구상흑연주철 ) 주강 (cast Steel) 1) 주물용강또는주조한강으로 C: 0.1 0.5%, Mn: 0.4 1.0%, Si: 0.2 0.4%, P: 0.005% 이하, S: 0.006% 이하조성의강 2) 구조재중에서단조로는만들수없는형상의제품이나, 주철로는좋지않을경우에사용 3) 흔히사용되는것은탄소강주강
모형제작 (Pattern) 1. 모형재료와종류 (1) 목형 연질의목재 ( 제작개수가적을때 ): 소나무, 이깔나무, 낙엽송등침엽수류 경질의목재 ( 제작개수가많을때 ): 느티나무, 박달나무, 벚나무등활엽수류 고급목재류 : 티크재또는마호가니등 ( 고가격 ) 목형제작 : 수작업에의한공작, 목공기계 ( 띠톱, 둥근톱, 실톱, 자동대패, 목공선반, 연마기등 ) 목편의조립 : 재료의절약과가공의편리성을위해, 다수의목편으로조립하는것이보통 조립시, 아교, 못, 나무나사등사용
모형제작 목형 - 가장많이사용 장점 : 1) 금속에비하여재료비, 가공비가싸며, 특별한정밀도를요구하지않는경우에유리. 2) 석재, 시멘트등에비하여가볍고가공성이좋으며취성이적다. 3) 합성수지에비하여값이싸고, 소량의경우에는가공비가싸다. 가장저가이다. 단점 : 1) 재료가불균질하며건조에의한수축으로치수변화가많다. 2) 대량생산에부적합. 3) 강도가약하고, 정밀성을유지못한다.( 수분흡수 )
모형제작 (2) 목형이외의재질 - 금형 : 마멸과파손이적고변형량이적음, 대량생산일경우이용 ( 알루미늄합금이주류, 황동, 주철, 연합금등도사용 ) 내마멸성우수하나비용이고가임 - 석고형 : 응고후수축변형없어복잡한형상얻기에용이, 파손쉽고고가격 - 합성수지형 : 폐놀계수지류사용, 수축변형이거의없고제작비가금형에비해저렴하며, 제작기간이짧고취급이용이하여장기간보존할수있다. - 시멘트형 : 시멘트를점결제로모래를썩어사용. 무거우며, ingot 케이스의모형등에사용 - 풀모드형 : 발포성수지를재료로하여만든모형이것을주형속에넣고그대로용융금속을주입시키면발포성수지가연소, 소실되어생긴공간에주물.
모형제작 2. 모형의종류 현형모형 제품의실제현상과동일한모형 부분모형 회전모형 주물의형상이어느축에대하여회전대칭일경우, 형상의일부분이연속되어전체를이룰때
모형제작 골격모형 목재비를절약하기위하여중요부의골조를만들고공간은점토등을채워현형의대용이되는모형 고르개모형 직관이나곡관과같이길이방향으로일정하고동일한단면일경우긁기판을만들어모래를채우고안내판에서긁어서주형을완성
모형제작 매치플레이트 (match-plate) 모형 모형양면에제품의상하면을만들고주형상자에서주형을만든후이형판을제거하여제품형상의주형을만드는것 코어모형 Core 는주물에중공부 ( 中孔部 ) 를두기위하여주형의공동부에삽입하는주형으로서강도 ( 强度 ), 내열성 ( 耐熱性 ), 가축성 ( 可縮性 ) 등을고려
모형제작 3. 모형제작주의사항 (1) 목형여유 (pattern allowance) 수축여유 (shrinkage allowance): 용융금속이주입후응고되는동안의수축에대한여유치수 주물의형상, 코기, 코어형상, 냉각의완급등에영향 - 금속의수축에대한여유를고려한주물자사용 기계가공여유 (machining allowance): 주물의표면을기계가공할것으로고려한여유 다듬질정도와주물크기에영향 (2) 목형구배 (pattern draft): 모형을주형으로부터뽑아낼때를고려한테이퍼구배 목형의형상, 주형제작방법등에따라차이가있으나보통 1/4~2 정도줌
모형제작 (3) 코어프린트 (core print): 코어를지지하기위한여분의돌기 4) 라운딩 (rounding): 주물모서리의석출 ( 결정립 ) 을방지하기위한둥글기
모형제작 (5) 덧붙임 (stop-off, Rib): 목형두께가고르지않을경우, 주물의변형이나균열을방지하기위해주물과무관계한목형조각을덧붙임 (6) 보정여유 : 주물수축이전체적으로고르지않을경우, 치수의정확성을위하여수축여유와기계가공여유이외에추가로다시여분의재료를추가보정
모형제작 (7) 잔형 : 모형을주형에서뽑기어려운부분을고려하여모형을조립식으로별도로만들어주형제작시본체모형을먼저뽑고잔형은주형속에남겨두었다가나중에뽑는다.
모형제작 4. 모형검사 (1) 모형의검사 모형의현도검사 : 치수공차, 형상공차, 거칠기공차, 수축여유, 가공여유, 구배, 라운딩, 덧붙임, 코어프린트, 모형뽑기용이성등 (2) 모형의도장 : 목형은래커나와니스등, 금속형은페인트나에나멜 모래주형으로부터의분리성, 내마모성, 표면정밀도증진, 습기에의한변형이나녹또는부식으로부터의방지 (3) 모형의관리 : 환기가잘되는곳 ( 부패변형방지 ) 제품번호, 목형번호, 주문번호, 제작일자등을기록
5. 목형제작용공구와기계
활용예 6. 주물사례
활용예 7. 공작기계사례
주조 (Casting) 주형 (Mouding) : 준비된모형을모래주형에묻고성형한후모형을뽑으면모형과같은형상의공간이만들어짐.
1. 주형재료와종류 1.1 주형재료는기본적으로모래 (Sand) 이다 ( 주물사로불리운다 ) 1) 주형주요구비조건. 성형성이좋을것. 용융금속에대한내화성이있을것. 입도가적당할것. 값이싸고구입이용이할것 2) 주형재료. 천연사 : 하찬사, 산사, 해변사, 점토. 인공사 : 규사암석분쇄
2) 주형재료의화학성분. 석영, 장석, 점토 석영 : 이산화규소 (SiO2) 로이루어져있음, 풍부한광물. 장석 : 알루미나를포함한규산염지각에 60% 존재
3) 주형재료의종류및특징 3-1) 모래주형 (sand mould) 종류및특징 구분제작방법특징 생형 (green) 산사로규사, 점토, 수분, 석탄분말혼합사용 소형제품주물에주로사용급냉에의해주물재질이불균일하다수증기발생및기포가생기기쉽다 건조형 (Dry) 석영이주성분이고첨가성분으로점토, 석탄함유 큰강도의주형을요하는것에적합복잡한형상에적합, 가수발생과균열이적다 표면건조형 ( 반건조형 ) 생형과건조형중간정도로표면만 gas 불꽃로건조 생형의강도부분을보완
3-2) 금속형주형 (Metal mould) 종류및특징. 모래가아닌금속으로제작된주형. 다이케스팅, 중력주조, 저압주조법에적용. 비철금속주형에접합하다. 특징 1) 사형에비해치수정밀도가좋다 2) 소형대량생산에적합 3) 영구주형 3-3 특수주형특징. 반영구적으로주물사를벽돌, 세멘트로조형하여만듦. CO2 주형, 인베스트멘트주형, 풀모드주형, 쇼주형, 셀주형등
4. 주물사시험법 4-1) 주물사시험목적 : 강도, 통기성, 내화성등주물제품품질에영향을주는주요인자에대하여시험 4-2) 시험방법 1) 강도시험 :. 주물사에작용하는쇳물의압력을견딜수있는지평가. 표준시편제작 (Ф50.8 Х 50.8) 제작후인장, 압축, 굽힘강도평가 http://www.daesp.co.kr/board/index.php?doc=program/doc.php&do_id=32 주물사압축강도, 전단강도, 인장강도및항복강도를측정하는데사용된다
2) 점착력시험 ( 수분함유량 ) :. 수분의과다괴소로인하여강도의저하요인. 주물사의점착력은모래입자, 점토의양, 수분함유량. 시료 50g을 105도에서 1~2시간가열후무게를달아유리수분을측정 수분함유량 = 건조시료전 건조후시료 Х100 건조전시료 3) 입도시험 : 모래의크기평가. 입도가클경우주물표면이거칠며, 소착되기쉽다.. 작을경우통기성이불량, 기공 (Blow Hole) 이발생이쉽다. 입도표시는조립 (50mesh 이하 ), 중립 (50~70), 세립 (70~140), 미립 (140 이상 ) 으로구분 모래입도 = 체위에남아있는모래양 Х100 시료량
4) 통기도시험 : 가스와공기의통과정도비교평가. 기공을방지하기위해서. 일정한압력으로 2000cc의공기를주입공기통과시간및압력측정. 통기성표준은주철용생형 (10~30cm/sec), 주강용생형 (50~150) 건조형 (2~80) 통기도 K = Qh PAt cm/sec 여기서 Q= 시편통과공기량, h= 시험편높이 P= 공기압력, A= 시험편단면적, t= 통과시간 5) 내화성시험 : 주물사가쇳물에녹지않고견디는성질평가. 최고내화온도는 2450~1550 도, 주강용 1650 도 6) 경도시험 : 주형의다지기정도를나타낸다. 너무강하면통기성문제.. 약하면강도의문제
참조 > 각종주물사시험기
5. 주물사처리시설 1) 모래건조기 : 수분조절
2) 분쇄기 : 일정한입자크기분쇄 3) 자기분리기 : 철성분제거
4) 기계체 : 일정한입도분별및불순물제거 5) 혼사기 : 모래의여러성분을균일하게혼합 6) 분리혼사기 : 모래의여러찌거기제거
5. 주형제작법및주조방안 5.1 주형의종류 1) 바닥주형법 (floor moulding) : 주물의상면이정확할필요가없어서주형의상형이필요없는주형제작법 2) 혼성주형법 (pit moulding) : 하형에주형상자를사용하지않고주조공장바닥에모형을박아서 (pit) 공동부를만들고상형에만주형상자를사용 3) 조립주형법 (bench molding 또는 turn over moulding): 상하 2 개또는그이상의주형상자를사용 4) 회전주형법, 고르게주형법, 중자주형법이있다.
6. 주형용공구및시설 6-1. 주형용공구및제작기계 주형상자 손작업법 : 모형둘레에모래를다져나가는작업을수작으로실시 각종수작업공구와경험에의해제작
죨트법 (jolting, 진동충격법 ): 주형틀에모래를넣고상하로요동 스퀴즈법 (squeezing, 압축법 ): 공압기구를써서주형들속의모래에압력을가하여압축하는방법 졸트법과병행하여사용하는경우가많음
슬링거법 (slinging, 투사법 ): 모래를회전분사시켜서주형틀을다짐 블로우법 (blowing, 압축공기분사법 ): 주물사를압축공기와함께거의밀폐된암형에불어서형틀에모래를채움 주로코어의제작에사용
6. 주형설계및제작방안 ( 주조방안 ) 주조방안 : 주형을만들때, 탕구 (gate), 라이저 (riser), 냉각쇠, 가스뽑기등의위치, 크기, 개수, 주입시의쇳물온도, 주입조건등을선정, 설계, 제작하는방안 주물의품질과직결 지나가다한마디 ^^
1) 탕구계 ( 湯口系, gating system) 탕구 (gate) 또는탕구계 (gating system): 쇳물을흘려넣기위해만든통로 탕구의구비조건 1 적정온도로주형의각부분에동시에신속하게채워질것 2 유동이층류상태를유지할것 3 주물에양호한온도구배를주어, 응고의진행과수축공, 균열등의발생방지 4 슬래그, 먼지등이주형에유입되지않고도중에배출될수있을것등 탕구계 (gating system) 의구성 : 쇳물받이 ( 탕류, pouring cup) 탕구봉 (sprue, 수직통로 ) 탕도 ( 湯道, runner, 수평으로마련한쇳물안내통로 / 홈 ) 게이트 (gate, 갈라져서주형으로들어가는통로 ) 주입구 (choke, 주형공동부로의입구 ) 로구성
탕구의형상 : - 쇳물받이형상 : 용재나불순물들어가지않도록하는구조 쇳물받이단면적 = 탕구봉단면적 (30~80 배 ) < 직경으로 5~9 배 > 깊이 > 탕구봉직경의 2 배
2) 라이저 ( 압탕구, riser 또는 feeder) 라이저 ( 압탕구, riser 또는 feeder): 수축으로인한쇳물부족을보충하기위하여주형공동부위에마련한탕구모양의것 가스배출또는슬래그배출효과도주며, 수축공이나편석등의발생을방지 ( 라이저내에고인쇳물은주물보다도응고가더디어야함 )
주요주조 ( 鑄造 casting) 생산업체및연구 :