인발가공(drawing), 인발 가공 영향 요인, 인발력

<기출 정리> 

23-3-1 인발가공에 있어서 인발력에 영향을 미치는 요인들을 열거하고 설명하시오.

20-1-3 다음 소성가공에 대하여 설명하시오. 가. 압연가공 나. 압출가공 다. 인발가공 라. 프레스가공 마. 단조가공

16-2-2 인발 가공에 대해 설명하고 인발 가공에 영향을 주는 요인 5가지를 설명하시오.

 

인발가공, 실제로 이렇게 크지는 않다

 

1. 개요

 

1) 인발가공(Drawing) 정의

 인발은 다이(Die) 내의 테이퍼 구멍으로 소재를 잡아당겨 테이퍼 구멍과 동일한 단면의 봉재, 관재, 선재를 제작하는 가공법 
압연으로 가공이 곤란한 지름이 작은 봉재나 두께가 얇은 파이프의 가공 목적 

소재 1회 통과시 단면 감소율은 재질에 따라 10 ~ 40%로 하며, 제품의 형상과 크기에 따라 봉재인발, 선재인발, 관재인발로 나눌 수 있음 

좌측부터 봉재인발, 선재인발, 관재인발, HRD

(1) 봉재 인발 (solid drawing)

• 봉재 및 단면재로 드로잉 (사각 등)
• 인발기(drawing bench)를 사용함 

(2) 관재인발

• 관재를 인발하여 다이를 고정시키고 외경을 일정한 치수로 함 
• 관재를 인발, 심봉 혹은 맨드릴을 이용하여 내경을 일정한 치수로 함 

(3) 신선, 선재인발 (Wire Drawing)

• 지름 5mm 이하의 가는 선재들의 인발 

 

 

2) 인발용 기계 구성 

인발용 기계는 신선기, 인발대로 구분할 수 있으며 인발대는 인발차 , 다이, 척 등으로 구분할 수 있음 

인발대 구성, Youtube

(1) 신선기

지름이 5mm 이하의 가는 선재를 권선기의 코일 모양으로 감으면서 인발가공하는 장치 
단식 . 연속식 신선기가 있음
신선속도는 경질일경우 1 ~ 4m/s, 연질재료는 4~5m/s정도 수준이며, 가는 선재 인발시 신선속도가 40~50m/s 수준까지 가능 

연속신선기, Youtube

(2) 인발대 (Draw bench) 

선재는 신선기를 통해 코일형태로 만들 수 있지만 봉재나 판재는 권선기에 감을 수 없기 때문에 인발대를 사용하여 직선 형태로 인발함. 
소재의 선단을 척 (chuck)에 고정한 뒤 수평으로 이동하는데, 유압으로 이동하거나 체인을 통한 기계식으로 인발한다 
인발속도는 약 10 ~ 20 m/min 수준

인발대의 구성, HRD

 

 

3) 인발 공정

ingot - bloom - billet - strip 순으로 가공 (가공하며 가공경화됨)

• 연강선은 풀림, 경강선은 파텐팅 처리하여 소르바이트(sorbite)조직으로 변태 (냉간가공 용이성 확보)
• 묽은 염산 혹은 황산에 침지하여 산화막을 제거 (다이의 손상 방지) 
• 석회액을 통해 산을 중화시킴
• 이후 드로잉처리  (가는선 기준 단면감소율이 80%에 도달하면 다시 풀림처리 필요 (가공경화) 

가공열처리 (Thermo Mechanical Treatment), 오스포밍, 아이소포밍, 가공퀜칭, 제어압연

기본열처리 - 풀림(Annealing), 소둔

 

금속 조직별 일반적인 기계적 성질, 자성차이 - 마르텐사이트, 오스테나이트, 페라이트, 펄라이

파텐팅 열처리 (Patenting treatment), 블루잉 처리 (Bluing treatment)

 

 

2. 특징

 

1) 다이의 구성 

다이 내공 형상, [스테인리스강선 제조기술]

• 도입부(Entry zone)
  윤활재 공급 및 소재 안내 (선과 직접적인 접촉은 없음) 
  엔트런스 구간 높이는 전체 닙 높이의 30 ~ 40%로 관리 
• 신선구간(drawing zone)
  원뿔형, 소재를 감추시켜 실제 가공 시작(리덕션과 베어링 구간으로 구분됨) 
  직접적인 접촉이 발생하며, 신선하는 선의 품질 특성에 따라 맂덕션 구간의 각도와 길이가 달라짐 
  정형부 (bearing) - 선의 최종 선경을 결정하는 부분. 베어링 구간의 정확한 직경과 길이의 관리, 균일한 연마 상태가 중요. 베어링구간의 길이는 목표 선경의 20 ~ 50% 수준으로 관리 
• 여유부 (relief), 엑시트구간 (exit zone) 
  신선된 선이 베어링 구간에서 나올때 생기는 금속가루 발생을 줄이고, 정렬이 잘못되었을때 선깎임을 최소화하기 위한 구간.
  베어링과 백릴리프 경계는 둥글계 가공하는데, 신선기가 갑자기 정지하였을때 생기는 백텐션에 의해 생기는 흠집(링마크) 예방 
  엑시트존은 선이 최종적으로 다이를 빠져나오는 부분이며, 전체 닙 높이의 30 ~ 40%로 관리 

 

3. 고찰

 

1) 인발 결함 

인발 결함은 균열과 심(seam)결함이 있음 

① 균열 

다이각, 단면감소율, 마찰이 클수록, 소재에 불순물이 많을수록 잘 발생함 

 

② 심결함

소재의 길이방향으로 생긴 긁힌 자국, 접힌 자국을 의미하며 인발가공 소재를 후속성형시 발생함 (업세팅, 헤딩, 굽힘 등)

 

 

2) 인발 가공에 영향을 주는 요소

다이각, 단면수축량, 마찰계수, 역장력, 인발속도

소재가 다이를 통해 선재로 인발될때 필요한 힘을 인발력이라 하며, 인발력의 일부는 다이에 의해 재료에 압축하는 힘으로 작용하고, 마찰력의 작용에 의해 인발변형이 진행됨 

인발력은 다이각, 단면수축, 마찰계수, 재료의 내력등에 따라 달라짐
(인발력 층정은 스트레인 게이지나 압열계를 설치하여 측정) 

 

① 다이각 (angle of die)

다이각이 줄어들면 재료 내부의 슬립 에너지는 줄어들지만 재료와 다이 사이 마찰이 증가해 마찰저항이 증가한다, 최적 다이각을 찾아야함

단면 감소율이 증가하면 가장 적당한 다이의 각도 또한 증가함 (재료 내부 슬립 에너지 증가, 마찰력 감소) 
역장력 적용시 다이각 영향을 줄일 수 있음

 

② 단면수축량

단면수축량이 커질수록 인발력(인발응력) 증가

단면감소율을 크게 하면 인발 횟수를 줄일 수 있어 능률이 올라가나 인발 응력이 증가하여 인발이 아예 불가능할 수 있음 

 

③ 마찰계수, 마찰력

마찰이 커질수록 인발력이 증가하며, 꼭 윤활이 필요함

작을수록 좋으며 다이의 압력, 다이 표면 상태, 윤활제 및 윤활방법에 따라 달라짐 

 

④ 역장력 (back tension)

인발방향과 반대로 가해지는 힘 

역장력이 가해지면 다이의 마찰력이 줄어 다이 수명이 증가하고 다이 변형이 감소, 열 생성 감소

다이의 마멸이 적고 수명이 길어지며 정확한 치수의 제품을 얻을 수 있음 역장력이 커지면 인발력도 증가하나, 최종 다이 추력은 감소됨 소성 변형이 중심부와 외측부가 비교적 균등하게 이루어져 발생열 또한 적어짐 (슬립 에너지에 의한 발열)제품 내부 잔류응력이 작아지며 다이 온도 상승 또한 작아짐 

 

⑤ 인발속도

인발속도가 증가하면 인발력 증가 (저속)

속도가 어느정도 이상이 되면 인발력에 대한 속도의 영향은 적어짐 
고속도일경우 내부에 고온이 발생되며, 내외부 온도차에 따른 잔류응력이 발생 

 

 

3) 다이 윤활 

선재가 다이를 통과하며 변형시, 마찰열과 슬립에너지로 인해 상당히 높은 면압과 온도가 발생하며, 이는 신선제품의 품질을 저하시키며 에너지를 추가로 소비함. 따라서 선재 표면에 피막처리를 하거나, 다이스 내 윤활제를 넣어 선재 표면에 부착시키는 과정 필요

윤활유는 다이의 마모를 적게하고, 마찰력을 감소시키며 냉각효과를 가짐. 
사용 중 안정상태 (점도 등의 물성이 변하면 안되며)를 유지해야하고 사용 후 쉽게 제거할 수 있어야함 

(1) 건식 윤활제

금속 비누와 무기물질로 구성되며, 첨가제를 배합 
고형 윤활제 -  석회, 그리스, 식물유, 에멀션, 흑연 등 

강철용 감마제 : 물 + 석회(or 인산염 피복) + 비눗가루를 묻힌 뒤 건식법 

• 칼슘계 건식 윤활제 (수산화칼슘, 스테아린산칼슘 + 황산, 이황화몰리브덴) 
• 나트륨계 건식 윤활제 (스테아린산 나트륨, 붕산나트륨 등 + 이황화 몰리브덴, 흑연, 극압첨가제 등) 

(2) 유성 윤활제

표면 광택성이 요구될때, 스테인리스 강선이나 특수 합금 강선 마무리 신선에 활용 
광물유, 동식물유 및 합성유로 된 윤활제가 있음

• 광물유 윤활제 : 터빈유, 기계유, 스핀들유) 
• 동식물유 윤활제 : 우지, 돈지, 고래기름 
• 합성유 윤활제
• 에멀션 : 비누 + 식물유(광유 등), 구리합금 및 알루미늄 합금 인발시 사용

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