단조 가공 (forging), 단조 종류, 냉간단조, 열간단조, 형단조, 자유단조, 단조개념, 배럴링현상

<구분>

• 단조가공
  • 온도에 따른 구분
    • 열간단조
      • 해머단조
      • 프레스단조
      • 업센단조
      • 압연단조
    • 냉간단조
      • 콜드 헤딩 (cold heading)
      • 코이닝 (Coining)
      • 스웨이징 (Swaging)
      • 로터리 스웨이징 (Rotary Swaging)
    • 온간단조
  • 형태에 따른 구분
    • 자유단조
      • 늘리기
      • 굽히기
      • 눌러붙이기
      • 단짓기
      • 구멍뚫기
    • 형단조
      • 플래시 단조
      • 비를래시단조
    • 단접

<기출>

• 기계 21-3-1 단조 작업 시 발생하는 재료의 중량감소 원인을 설명하시오.
• 기계 16-3-4 아래 그림은 몇 가지 재료에 대한 단조압력-온도의 관계를 보여준다. To-8Al-1Mo-1V 합금이 1020 강이나 4340 강에 비해 어떤 특징을 갖고 있고, 1020 강이나 4340 강을 성형하는 일반 공정으로 성형하면 어떤 문제가 발생하는지 설명하고 이러한 문제를 해결하는 가공방법과 특징을 설명하시오.
• 기계 15-1-6  스웨이징 (swaging) 과 스피닝 (spinning) 을 설명하시오.
• 금속 23-1-4 금속재료 소성가공에서 단조 단류선(metal flow)의 금속미세조직 특성과 품질관리 방법에 대하여 설명하시오.
• 금속 21-4-1 열간단조, 온간단조 및 냉간단조에 대하여 설명하시오.
• 금속 20-2-4 형단조에 대하여 설명하고, 플래시 단조와 비플래시 단조를 비교하여 설명하시오.
• 금속 19-3-4 자유단조(Open-Die Forging) 공정에서 발생하는 배럴링(Barreling) 현상의 발생원인과 방지대책을 설명하시오.
• 금속 19-4-4 단조 해석 방법 중 유한요소법(Finite Element Method)을 설명하시오.
• 금속 18-4-1 단조작업에서 긴 소재의 업세팅(upsetting) 3원칙에 대하여 설명하시오.
• 금속 17-2-5 온간단조(Warm Forging) 기술의 개요, 특징, 가열장치에 대하여 각각 설명하시오.
• 금속 16-4-4 단조(forging) 공정을 설명하고, 단조제품에서 나타나는 대표적인 특징 3가지를 설명 하시오.
• 금속 15-2-3 자유단조 (open-die forging) 공정에서 배럴링 (barreling, 배부름) 현상이 발생하는 원인과 방지대책을 설명하시오.
• 금속 15-4-3 대형 부품을 단조공법으로 제조할 때， 단조해석 방법으로 사용하는 유한요소법 (finite element method)을 설명하시오

 

1. 개요

 

1) 단조(forging)의 정의

 단조(Forging)는 재료에 금형이나 공구로 압축력 또는 타격력을 작용시켜 성형하는 가공법 
해머로 동적 타격력을 가하거나 프레스로 정적 압력을 가함 

• (장) 단조작업은 재료의 조직을 미세화하고 균일화하며 기공을 제거함 → 재료의 기계적 성질 개선 
• (단) 금형이 고가, 산화에 의한 스케일이 발생(열간 단조 기준) → 복잡한 구조의 소재 가공에는 적합하지 않음 

2) 목적

• 외력을 가하여 목적에 맞는 형태로 성형
• 거칠고 큰 수지상 입자가 파괴되어 미세화
• 재료 내부의 기포를 압착시켜 균질화 
• 기계적 물리적 성질을 개선 

3) 단조의 기계적 성질이 좋은 이유 (단류선, 결함 제거) 

• 소재 내부에 존재하는 기공 등 불량이 압착 제거되어 안정성이 높음
• 불균일 조대조직이 파괴되거나 미세화되어 인성이 증가함
• 압축력, 충격력을 가하여 재질이 치밀하고 단단함 

 

2. 단조 가공의 종류 (온도에 따른 구분)

재결정 (recrystallization), 재결정온도, 냉간가공, 열간가공

 

1) 열간 단조

재료를 재결정 온도 이상으로 가열하여 실시

• 온간단조나 냉간단조에 비해 정밀도는 떨어짐
• 재작비가 저렴하고, 단조품 형상에 제약이 적어서 일반적으로 널리 사용됨

(1) 업셋 단조 (Upset forging)

긴 재료를 축방향으로 압축하여 굵게 하는 단조 

<업셋팅 3원칙>

단조 - 자유단조 작업 종류, 업셋팅 3원칙

 

(2) 압연 단조 (Roll forging) 

압연단조는 공형(shaped grooves)을 가진 한 쌍의 로울 사이에 소재를 통과시켜 단면적을 줄이거나 형상을 만드는 작업

테이퍼진 축이나 겹판 스프링, 공구 등을 만드는데 사용됨 

 

 

2) 냉간 단조

재료를 가열하지 않고 상온 또는 상온에 가까운 온도에서 실시하는 단조

• 정밀도에서는 변형저항이 크므로 단조용 소재는 중, 저탄소강 또는 저합금강으로 한정 
• 대부분 형상 또는 축대칭으로 형상에 제약을 받게 됨 
• 상온에서 재료의 성질을 개선하면서 조형 (단조단류선이 선명하고 가공경화가 발생)
• 후공정이 거의 불필요하고 바로 제품화 가능 → 대량생산에 적합하고 졍제적임 (열간단조시 절삭, 연삭이 필요)

(1) 콜드 헤딩, 냉간압조 (cold heading)

냉간에서 볼트, 리벳의 두부를 단조 성형하는 작업 

(2) 코이닝, 압인가공 (Coining)

밀폐 또는 반밀폐형 내에서 성형

(3) 스웨이징 (Swaging)

단조 작업의 일종으로, 재료의 길이방향으로 압축하여 그 일부 또는 전체 단면을 변형시키는 작업

파이프나 환봉을 축소하는데 사용

공작물의 재질, 경도, 인장력에 따라 감면율 결정 (탄소량이 0.2% 이내 연강이 작업성 우수)

스웨이징에 의해 횡단면의 70%까지 축소 가능 

(4) 로터리 스웨이징 (Rotary Swaging)

 

3) 온간 단조 

열간단조와 냉간단조의 중간온도에서 실시
정밀도에서는 열간단조보다 우수하고 냉간단조보다는 떨어짐

냉간단조는 소재의 변형저항이 높아 단조에 큰 힘이 필요하고, 열간단조는 변형저항이 낮아 큰 변형이 쉽지만 표면 스케일이 발생하고 치수 정밀도가 나쁨
온간단조는 냉간과 열간 중간온도까지 가열하여 변형 저항을 낮추고 스케일 발생이 거의 없는 단조를 하는 방법

• 온도 : 재결정온도 부근 (강의 경우 6~700도)
• 강의 경우 300도 부근에서 청열 취성 현상이 있으므로 해당 온도를 피해서 가공
• 윤활제는 고온에서 안정된 흑연을 주로 사용 
• 기계는 헤더나 기계프레스 사용 
• 가열방법 : 전기, 가스, 기름을 사용하는 방법 (전기로 가열로, LNG 가열로 등) 
  소재를 가열하여 온도를 높인 뒤 가공함

전기유도가열로, HRD

단조는 일반적으로 금형의 예열이 필요함

 

2. 단조 가공의 종류 (형태에 따른 구분)

 

1) 형단조 (die forging) 

상하 2개의 단조 다이 사이에 가열된 소재를 넣고 순간적인 타격이나 높은 압력을 가해 소재를 단조 다이 내부의 형상대로 성형 가공하는 단조 

플래시 단조, 형단조, HRD

(1) 특징

• 자유단조에 비해 성형이 빨라 대량 생산이 가능 
• 정밀도가 높고 기계적 성질이 양호
  : 단조품 상태가 양호하고 신뢰성이 있어 중요한 기계부품에는 단조품이 많이 사용됨
• 다이 제작이 힘들고 가격이 비쌈 → 소량 생산에는 경제성이 없고 대형 제품은 가공이 어려움 
• 균일하게 압력을 가할 수 있어서 균일한 제품이 만들어짐
• 제품의 형상치수가 일정해서 중량차가 매우 작고, 경제적임

(2) 용도

• 스페너 등 내마모성 공구 
• 자동차 커넥팅로드, 크랭크샤프트, 차축 등 

단조로 제작한 부품들, HRD

(3) 형단조 구분

• 개방형
• 밀폐형 (일반적)
• 플래시 단조 : 상형과 하형 다이 사이로 흘러나온 것을 플래시라고 함, 단조 후 즉시 제거 
• 비플래시 단조 플래시가 생기지 않는 단조 

플래시 단조

 

(4) 플래시 단조 ,비플래시 단조 구분

플래시의 역할은 다음과 같다

① 파팅라인 상에서 금형 사이로 재료가 흘러나오는 것을 방지

② 상형과 하형의 타격 완화 역할

③플래시 두께가 작을수록 하중이 커짐 (재료 손실과, 하중 정도에 따른 적절한 두께 선정 필요 

플래시 단조	비플래시 단조
플래시 형성	플래시 형성 X (다이가 소재를 완전히 둘러싸고 있음)
플래시만큼 재료의 손실이 발생	재료가 부족하면 다이 공동부를 완전히 채울 수 없음
재료의 양에 따른 문제가 없이 균일한 품질확보가능	재료가 많으면 다이 내부에 과도한 압력 발생으로 다이나 기계가 파손됨

 

2) 자유단조 (Free forging)

1쌍의 공구 또는 금형 사이에 금속의 소재를 놓고 공구를 서로 접근시켜 소재를 압축하여 필요한 형상으로 성형하는 방식
이때 사용하는 금형을 개방 형 (open die)라 함

• 일정 형태의 제품을 소량 생산하는데 용이
• 금형이 필요 없으므로 경제적이며 
• 제품의 형태를 비교적 자유롭게 제작 가능

자유 단조와 형단조 구분1

배럴링 (Barreling) 현상
자유단조시 다이와 재료간의 마찰로 인해 재료의 옆면이 불룩하게 변형되는 현상

 

단조 - 배럴링 (Barreling) 현상

단조는 일반적으로 금형의 예열이 필요함, 배럴링 대책 중 하나, HRD

 

3) 단접 (forge welding)

금속 용접법 중 하나로, 접합하는 부분을 외부로부터 가열하고 압력 또는 타격을 가하여 접합

 

 

3. 단조 기계(forging machine)의 종류와 특징 

• 단조프레스
  • 수압프레스
    • 순수압
    • 증기수압
    • 공기수압
    • 전기수압
  • 기계프레스
    • 크랭크 프레스
    • 너클조인트프레스
    • 마찰프레스
    • 업셋단조기
    • 트리밍 프레스
• 단조해머
  • 드롭해머
    • 벨트 드롭 해머
    • 로프, 체 드롭 해머
    • 판 드롭 해머
    • 봉 드롭 해머
    • 증기 드롭 해머
    • 압축 드롭 공기 해머
  • 단조해머
    • 증기 해머
    • 압축 공기 해머
    • 공기 해머
    • 더블 스웨이징 해머
  • 스프링해머
    • 판 스프링 해머
    • 고무 스프링 해머
    • 증기 스프링 해머 

1) 단조 프레스

프레스는 타격을 가하지 않고 저속 운동으로 압력을 가하여 단조
소재 내부까지 압력 전달이 잘되며 진동도 적음 
크게 수압 프레스와 동력 프레스로 구분되나 단조에서는 수압 프레스가 많이 사용됨 

단조용 프레스

프레스가공 (전단, 압축, 굽힘, 드로잉, 파인블랭킹, 프레스 종류, 프레스 이론, 파단면 형상, 프

 

2) 단조 해머 

해머는 고속으로 타격력을 작동시킴
작업시간이 짧아 열간 단조시 복잡한 형상의 단조품 단조에 사용 

해머의 용량은 램, 피스턴 로드, 피스턴 헤드, 상부 다이 블록의 낙하 중량 또는 일량으로 표시 

단조 해머의 종류

3. 단조 가공 결함 및 대책

단조품의 결함은 단조 소재인 강괴의 결함과 구별하기 어려운게 특징 
단조는 가열해서 변형하고 냉각시키기 때문에 열의 영향과 변형의 영향이 나타남 

가열냉각의 부적합 : 소손, 탈탄, 내부응력, 균열 
변형상태 불량 : 덮어씌움(lap), 균열(crack) 

(1) 단조 결함 종류

① 표면 결함

현상 : 단조품 표면의 균열 

원인 : 강괴 단조 불량, 가열 중 국부적 산화 및 과열(열간단조), 블로우 홀 및 과도한 압하

 

② 내부 결함

현상 : blow hole의 미압착, 백점, Ghost Crack (황화물에 의한 국부적 균열)

원인 : 원강괴의 불량

 

(2) 결함 대책

구분	대책
강괴	강괴상태에서 품질 확보 (진공조괴법 등)
단조 전	작업 전 충분한 육안검사 균열상태로 가열되지 않도록 조치  균열 제거 (기계 가공 등)
단조 중	결함 발생시 작업 중지 후 열간에서 제거  단조 종료 온도 유지
단조 후	열적 취급의 유의 급랭 방지 (crack 방지)

 

(3) 결함 확인 방법 (★: 단조 결함 확인에 가장 많이 사용)

• 치수검사
• 비파괴검사
  • 자분탐상검사(MT) ★
  • 초음파탐상검사(UT) ★
  • 침투탐상검사(PT) ★
  • 방사선투과검사(RT) ★
  • 와전류탐상검사 (ET)
  • 누설검사 (LT)
  • 중성자투과검사(NRT)
  • 음향방출시험(AET)
  • 육안검사(VT) 

 

4. 단조 가공에 대한 고찰

 

1) 단조해석과 유한요소법 (FEM)

단조 후 소재가 어떻게 변형될 것인지를 유한요소법을 기반으로 해석 / 예측함 

• 아래 예시는 소재의 반경이 품질에 미치는 영향을 확인
• 점 C의 빈공간이 사라지는 순간의 최대 반경이 최소로 하는 것이 바람직 (후가공에서 제거되므로) 

유한요소법을 활용한 단조 예측

 

유한요소법(FEM; Finite Element Method), 단조 해석, 단조의 유한요소법

 

 

2)  단조 작업 시 발생하는 재료의 중량감소 원인을 설명하시오.

• 열간단조시 스케일 발생으로 인한 손실(약 10%, 스케일 제거가 필요하므로) 
• 형단조시 플래시의 트리밍으로 인한 중량 감소
• 단조 후 추가 가공(절삭, 연삭 등)으로 인한 중량 감소

 

3) 단조 단류선 (Metal flow, Grain flow)

금속은 입자간 서로 연결된 선을 가지고 있음 → 이를 단류선 (grain flow)라고 함 
단조로 인해 생기는 단류선을 단조 단류선이라 함 

단조, 전조 제품의 결정립 배열로, 형상에 따라 재료의 강도와 내구성에 영향을 미침 
(따라서 단조 단류선의 적절한 제어는 부품 성능 향상에 필수적임) 

단조 - 단조 단류선 (metal flow)