[스크랩] 단조기술/ 냉. 온간 밀폐 단조기술<2회>

3. 온간밀폐단조의 동향

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[1]사용기계 (1)절단기 (가)환봉소재의 절단개요 단조용 소재를 만들 때에는 ①절단작업을 신속히 행할 것 ②절단공수가 적을 것 ③SCRAP량이 적을 것 ④절단시에 CRACK. 흠 등을 소재에 주지말 것 ⑤축면 혹은 표면에 대해서 절단면이 직각일 것 ⑥절단면에 변형을 일으키지 않도록 할 것. ⑦체적의 편차가 적을 것 등이 요구된다. 이상은 만들어지는 SLUG에 대한 요구이나 장치측에서 본 기술요소는 다음과 같다. a)피절단재료의 외경 혹은 두께의 정밀도가 좋을 것 b)재료경도에 편차가 없을 것 c)산화피막 등이 붙어 있지 않을 것 d)환봉소재의 경우에는 진원일 것 e)연성이 낮고 파단의 발생이 빠를 것 등이다. 이 외에도 절단장치의 강성 등의 기계적인 요건이나 절단속도 CLEARNCE등의 KNOW HOW적인 요소가 관계되어 절단작업이 이루어지므로 SLUG의 사용되는 조건에 따라서 절단방법의 선정도 어렵게 된다. 그래서 봉소재의 절단에 관계되는 제요소에 대해서 이하에 설명하기로 하니 금후의 개발에 참고하기 바란다. (나)환용전단법 단조용소재를 만드는 것은 전항에서 설명한 것처럼 많은 요건을 만족시킬 수 있는 재료, 장치, 절단기술을 구사하는 것이 바람직하나 모두가 경제성평가를 수반하므로 매우 이상적인 상태에서 생산을 할 수 있는 것은 곤란하다. 절단이라고 하는 것은 재료에서 소정의 치수소재를 물리적으로 분리하는 작업이나 그 분리방법에는 다음과 같은 것이 있다. ○전단(파단의 이용) ○절삭(절삭가공의 이용) ○톱절단(절삭가공의 이용) WIRE. CUT(방전가공의 이용) 이 중에서 가장 많이 사용되고 있는 것이 전단이고 다음으로 톱절단인데 절삭가공과 같이 많이 쓰여지지 않는다. WIRE. CUT은 단조용소재의 절단에는 쓰여지지 않으나 극히 얇은 소재나 고정밀절단에 널리 이용되고 있다. 전단법에 의해 소재를 자름녀 적삭, 톱절단 등의 절단법에 비교하여 작업시간이 짧고 그러면서도 공수 및 SCRAP량이 적은 이점이 있다. 그 반면에 가공조건이 나쁘면 단면에 BURR, CRACK등이 발생하고 또 전체적으로 비뚤어진 형상으로 되는 것이 많고 전단 그 자체 상태로는 소재로 사용하기 어려운 경우도 종종있는 결점이있다. 그러나 냉간단조용소재로서 사용되는 데는 장애가 되는 이러한 제결점이 개선되고, 최근에는 봉재전단에 적합한 가공조건으로 만들어진 소재로 개선되어 이 봉재전단법이 단조용소재가공작업에 널리 이용되고 있다. 이하에 이 범용전단법의 몇 개의 요건에 대해서 설명하기로 한다. a)전단공구 통상 봉재전단가공은 그림 1과 같은 공구를 사용하여 전단을 행한다. 여기에서 단조용소재로써 널리 쓰여지고 있는 환봉제를 대상으로 하여 재료의 KEEPING방법에 따라서 전단공구를 분류해 보면 그림 2와 같이 된다. 이러한 공구에는 이동 CUTTER와 고정CUTTER의 칼날면의 사이에 전단되는 재료에 적합한 CLEARANCE를 준다. 재료를 둥근구멍 속에 느슨하게 KEEPING하는 방식의 공구에는 CUTTER 구멍과 재료와의 사이에 적당한 틈새를 주기 위해 CUTTER구멍의 내경은 재료직경보다도 통상 0~0.3mm정도크게 한다. 그러나 환봉재의 전단에서는 보통판의 전단과는 달리 그림3처럼 전단높이 Y가 재료의 단면상에서 달라지기 때문에 CLEARANCE C와 이 전단고 Y와의 비 즉 CLEARANCE C/Y가 단면상에서 대촉으로 변화하고 특히 재료의 측변에서는 무한대로 된다. 이 때문에 환봉재의 전단에서는 이 배율 즉 CLEARANCE를 일정하게 하는 목적에서 그림 4처럼 이동 CUTTER측면에 원호형 내지는 대형의 홈을 판 측면홈붙이 CUTTER가 쓰여지는 수도 있다. b) 전단저항과 비측압력 전단방법의 어떤 것을 취해도 그림 5와 같이 큰 측압력이 가해지는 전단공구는 이러한 가공력에 충분히 견디어 낼 수 있도록 제작해야하는 것은 물론이다. 특히 이동 CUTTER는 초기에 설정한 CLEARANCE가 전단시의 측압력에 의해서 변화하지 않도록 설계하지 않으면 안된다. 이 주변의 조건이 전단된 소재의 정밀도에 큰 영향을 준다. 그림 5는 전단하중과 측압력이 이동CUTTER날의 면이 재료표면에 접촉하고 나서의 이동CUTTER의 STROKE, 말하자면 전단 STROKE에 의해서 어떻게 변화하는가를 나타낸 것이다. 이 그림에서 전단하중과 측압력은 전단 STROKE가 재료직경의 10~15%까지 진행했을 때 최대치에 달하고 이후 전단 STROKE의 증가와 함께 감소하는 것을 알 수 있다. 또 직경의 약 30%라고 하는 빠른 시기에 각 압력은 급격히 강하하고 전단은 끝난다. 그림 6에 전단저항 비측압력과 CLEARANCE의 관계를 나타내고 전단저항, 비측압력과 측면홈의 깊이의 관계가 그림 7에 나와 있다. 이와 같이 전단저항과 비측압력은 가공조건에 의해서 다소변화하는 것이지만 전단저항은 재료의 인장강도의 약60~70% 비측압력은 전단저항의 15~30%정도가 일반적이다. c)전단재의 전단면 및 측면의 형상전단된 면의 성상은 판재의 전단과 유사한 부분과 저혀 다른 상태인 부분이 있다. 환봉의 전단에 관해서는 많은 소개가 있으므로 그것들을 종합해서 간단히 설명하기로 한다. CLEARANCE 및 측면홈의 영향판재는 전단선의 어디를 취해도 전단두께는 같기 때문에 전단선전체에 걸쳐서 CLEARANCE는 일정하나 환봉의 경우는, 중심부는 직경이 전단두께이며 최외측(중심서 반경 떨어진곳)은 전단두께 "0"으로 되어 그 사이는 이차곡선같이 전단두께가 변화하기 때문에 CLEARANCE가 설정되기 어렵다. 이 전단두께의 변화에 대응한 CLEARANCE를 가진 CUTTER로 전단한 예가 그림 8이다. 단조용소재는 전단단면이 CRACK, 물어뜯긴 흠이 없음은 물론 절단면이 전단방향에 대해서 직각일 것이 요구된다. 금형내에 놓고 단조가공에 들어갈 때에 재료가 기울거나, 넘어질 경우와 혹은 위치가 움직이지 않도록 하기 우해서 그것이 필요하며 특히 가압공정에서 PUNCH에 작용하는 BENDING MOMENT를 피하기 위해서는 직각도가 높아야 된다. 전단시의 BENDING MOMENT를 극소화 하기 위해서는 CLEARANCE는 가능한 한 작은 쪽이 좋다. 재료 KEEPING방법 및 절단길이와 재료직경의 영향 환혈형CUTTER 혹은 바환형 CUTTER의 반경과 환봉의 반경과의 차가 크게 되면 CUTTER날과 재료와의 유격이 많게 되어 이것도 절단면의 직각도에 크게 영향을 줌과 동시에 재료외형이 날형상에 닮기 위해서는 원형이 아니고 계란형으로 변형을 받는다. 이것은 성형금형 장입할 때에 TROUBLE의 원인으로 된다. 직각도에 영향을 주는 조건의 하나로 절단길이와 재료직경의 비가 있다. 일반적으로는 직경의 1/2의 길이 이하로 되면 내려앉음. 굽읍변형이 크게 되나 실험적으로는 25%정도까지 실용가능하다고 하는 호결과를 얻고 있다. 그림 9는 단면의 휨과 절단길이의 관계를 나타낸 것이다. i)재료 및 절단속도의 영향 강한 재료와 연한 재료를 비교해보면 경한 재료(연성이 낮은 재료)쪽이 정밀도, 단면형상, 흠, 내부 CRACK등의 면에서 좋은 결과를 얻고 있다. 그래서 경한 재료의 쪽이 가공조건의 편차허용 범위가 넓으므로 절단된 소재의 편차가 적다. 경한 소재가 좋은 결과를 얻어지는 것을 이용하여 열한 재료의 절단하는 부분만을 경화시켜 절단하자하는 공법이 개발되고 있다. 단, 중심부까지 경화시키는 것이 어려우므로 홈을 만들어 그 효과를 이용하는 것도 있는데 그림 10과 같은 방법도 있다. 2차효과로서는 단면의 면취를 한 형탤 되고 여분의 미세 CRACK도 생기기 어렵고 BURR도 부착되기 어렵다. 동도에는 그 응용예로서 BREARING-LACE의 전조 및 절단면도 나와 있다. 다음 절단속도의 영향에 대해서도 최근 고속절단기가 개발됨에 따라 환봉절단의 속도효과도 좋아졌다. 일반적으로 절단속도를 크게 하면 연질재료도 경질재료와 닮는 경향을 나타내게 됨에 따라 절단편의 절단면은 개선된다. 특히 절단속도가 10m/sec정도에서는 그림 9에서 나타나 것처럼 절단왜곡이 적게 된다. 절단면은 이동날과 고장날이 연결되어 일직선으로 달린다고 말해진다. 속도효과가 좋아진다는 것은 보통 5m/sec이상이지만, 고속화에 의한 날의 손상을 고려한다면 무턱대고 속도를 높일 수는 없다. 하한은 정밀도 절단면과의 안배에서 결정되나 1m/sec정도라고 어느정도 효과가 있다고 한다. 이 속도효과는 재질 및 경도에 의해 영향을 받고 비철계금속재료나 연질철금속재료에는 현저하게 나타나지 않느다. 또 절단부의 관성도 직각성에 관계하고 절단길이가 직경의 10배이상이 되면 현저하게 된다. 고속절단기로서는 기계 PRESS식 AIR HAMMER식등이 이용되고 있으나 고속을 될수록 진동, 소음 BLADE의 손상 등 MINUS요인이 강하게 되기 때문에 현재는 고속화 이외의 방법으로 고정밀도, 고품질의 절단을 행하는 방법이 추구되고 있다. ii)절단부의 온도의 영향 온도를 가하는 것의 효과는 절단저항의 저하, 온도범위에 따라서는 청열취성의 연성저하의 이용등이다. 일반적으로 이용되는 온도는 강재의 경우 대략 200~500℃인데 때로는 100℃이하나 역으로 저온취성을 이용하기 위해 MINUS 70℃이하까지 냉각시키는 등의 방법도 있다. 온도를 올림으로해서 앞에서 설명한 효과외에 연성상승에 의해 CRACK등의 바람직하지 못한 것의 발생을 억제하는 것도 가능하다. 온도상승에 의한 절단부변형의 정도와 BURR높이의 관계를 그림 11 및 그림 12에 나타내보았다. 이러한 그림과 같이 효과가 있는 온도범위는 좁으므로 온도제어가 중요하다. 온도의 영향은 CUTTER나 절단기에도 미침고 동시에 산화피막의 발생을 억제하기 위해서는 INDUTION 가열을 행할 필요가 있고 수 100W의 전원의 설치, INDOCTION HEATER의 설치 등 경제서에 대해서 불리한 요소가 많아 주로 이용하고 있는 것은 INLINE가열이 필요한 열간 FORMER등이 있다. (다)기타의 절단 방법 a) 압축 절단 통상 판이나 봉을 절단하는 경우에 1대의 공구를 상호교착시킨다. 날 끝이 재료에 어느정도 파먹어들어가면 대부분의 경우 PUNCH의 선단 혹은 DIE의 선단에서 내료내에 CRACK이 들어가는데 이것이 절단현상이기는 하지만 이 CRACK이 절단면의 성상을 나쁘게 하는 요소가 된다. 이 CRACK발생을 제어하자는 것이 압축절단이다. 일반 금속 재료에서는 높은 정수아이 작용하고 있는 응력장내에서는 재료는 변 형태이나 연성이 증가하여, 즉 파괴가 일어나기 어려운 상태로 된다. 이 성질을 잘 응용하면 CRACK 발생을 CONTROL 할 수 있어 양호한 절단면과 고정밀도의 SLUG를 얻을 수가 있다. 이러한 생각으 응용한 것이 압축절단법인데 그림 13에 나와있다. 이 절단은 CRACK의 발생을 억제하기 위해서 큰 내부압축응력을 발생시킬 필요가 있으므로 재료에 큰 충방향력을 가하지 않으면 안된다. 그 결과 재료의 CUTTER가 높은 면압에서 접촉해가면서 약동하기 때문에 소부현상이 숩게 발생하게 된다. 또 그 큰 축방향력에 견딜 수 있는 강도와 강성이 이 전단장치에 필요하다. b) 구속 절단 봉재의 축방향에 압축력을 가해서 절단하는 압축절단에 의해 정밀한 절단면이 얻어지는 것은 알았으나 그후 특히 축방향에 압축력을 가하지 않아도 봉재의 축방향의 이동을 구속하면 절단시에 생기는 높은 정수압 때문에 거의 압축절단법과 같은 뛰어난 절단면이 얻어지는 것이 밝혀졌다. i)가공기구 CLEARANCE가 극히 작은 경우의 절단시에 재료의 움직임은 절인선을 중심으로 하여 공구축과 직각방향으로 떨어져가려는 거동을 나타내고, 이 이동을 구속하는 것에 의해서 봉재의 축방향에 압축응력이 발생한다. 이때 발생하는 내부응력은 압축절단법에서 가해지고 거의 일치한다. 이것은, 강제적인 외부력은 일반적으로 불필요하다는 의미이다. ii)구속절단법의 종류 1) 상호구속에 의한 다수동시절단법봉재를 다수면에서 동시에 절단하는 것에 의해 절단을 행하는 각 절단날에서 서로 구속하는 방법이다. 가공기구와 절단효과가 그림 14의 (a),(b)에 나와 있다. 2) 단붙이구속법: 그림 15와 가이 절단면과 같은 PITCH로 도중까지 절단을 행하면서 봉재에 단차 I를 붙여 그 단붙이면에서 축방향의 이동을 구속하는 방법이다. 이 방법은 단차를 적당히 고르는 것에 의하고 또 단붙이용의 공구로 가압한 상태에서 절단함으로해서 절단면의 향상이 가능할 것이다. 그림 15참조 3) CLAMP법: 봉재절단시의 후퇴를 CLAMP력에 의해 저지하는 방법으로 상당히 큰 CLAMP력을 필요로하나 실요화는 용이하다. 절단기구와 절단소재의 관계는 그림 16에 나와있다. 이상에서 절단에 관한 공구, 가공조건 등에 대해서 설명해 왔으나 그 외에도 품질을 저해하는 많은 요인이 있고 특히 소재의 단면형상정밀도나 외경정밀도의 영향이 크다. 따라서 소재 절단장치, 절단조건이라고 하는 여러 가지 면에서 추구, 개선이 필요하다. (2) 현용단조기: 현재, 열간, 온간, 냉간단조에 가장 넓게 사용되고 있는 단조기는 편심 PRESS, KNUCKLE-JOINT PRESS, SCREW PRESS 등이 있다. 여기에서 이러한 PRESS의 특징을 설명하기로 한다. 이러한 PRESS를 써서 냉간밀폐단조를 행하는 예는 공구의 항을 참조하면 된다. (가) 편심 PRESS 편심 PRESSSMS는 MOTOR로 구동되는 FLYWHEEL에서 회전 ENERGY를 ECCEN축에 전해서 CENNECTING ROD를 통하여 SLIDE의 상하운동으로 바꿔 단조성형을 행하는 PRESS로 현재 형단조에 가장 일반적으로 쓰여지고 있는 PRESS이다. 편심PRESS는 SLIDE를 CRACK기구에서 구동시키고 있으므로 ECCEN축의 TORQUE를 일정하게 한 경우의 발생능력은 SLIDE위치에 의해 변한다. 이 변화의 상태가 그림 17에 나와있다. STROKE중앙부근에서 소량, 불사점에서 무한대로 된다. 하사점상 몇㎜의 곳에서 공칭능력을 낼 수 있을까 하는 요소는 구동축, 치차, CLUTCH 및 ECCEN축등의 회전전도부력의 TORQUE용량에 의해 결정된다. 이 값은 편심 PRESS에 의해 다르나 통상 하사저상 3~7㎜에서 공칭능력을 내도록 설계되어 있다. 형단조에 쓰여지고 있는 대표적인 편심 PRESS의 구조예가 그림 18이다. FRAME은 TIEROD로 강고하게 열박음되어 있고 ECCEN축은 FRAME의 좌측에는 1행정동작을 종류한 후, SLIDE를 사상점에서 정지시키기 위한 BRAKE가 설정되어 있다. 편심PRESS는 VERTICAL형이기 때문에 SLIDE, CONNECTING-ROD등의 이동부분은 자동으로 ECCEN축에서 밑으로 붙는다. 일방단조시에는 단압력에 의해 이러한 부분은 위로 압상된다. SLIDE, CONNECTING-ROD가 각부의 CLEARANCE분만큼만 상하로 움직이도록 되나 이것을 막기위해 COUNTER-BALANCER에 의해 매달려 있다. 편심PRESS에는 부속품으로 SLIDE측, BED측에 각각 KNOCK-OUT장치가 되어 있다. 최근의 편심PRESS는 생산성을 높이기 위해 자동화, DIE-CHANGE의 용이화등이 진전되고 있다. TRANSFER-FEED 장치에 의해 20~30SPM의 자동PRESS도 이미 가동되고 있다. 또 금형만의 교환, DIE-HORDER의 교환을 단시간에 용이하게 하는 신속금형교환장치도 개발되어 생산성의 향상에 기여하고 있다. (나) KNUCKLE JOINT PRESS 재료의 압축가공을 행하는 경우, 일반적으로 완속압축을 하면 가공에 필요한 ENERGY는 적게들어가 끝나고 2차적으로는 금형의 마모나 파손도 피할 수 있다. 한편 실제의 가공에서는 SLIDE에 취부되어 있는 상금형은 피가공물에 도달하기까지의 예비STROKE에 있어서는 빠른 속도로 움직이고 실제으 가공STROKE에 들어가서는 속도를 떨어뜨려 완속가공의 상태로 들어가도록 요구된다. 이 요구에 가까운 작동은 ARM기구에 의한 KNUCKLE JOINT PRESS에 의해서 이루어진다. KNUCKLE JOINT PRESS의 구조예가 그림 19에 나와있다. KNUCKLE JOINT PRESS는 편심PRESS와 동칭, MOTOR의 회전을 감속시켜 이것을 CRANK를 통하여 왕복동(往復動)으로 바꿔놓아 ARM기구에 의해서 그 열비를 증대시켜 SLIDE에 일정의 직선적인 압축가공을 행한다. 편심PRESS와 비교해본 KNUCKLE JOINT PRESS의 STROKE선도가 그림 20에 나와있다. 그림에서 밝혀졌듯이 KNUCKLE JOINT PRESS에 적합하 작업, 즉 SLIDE의 STROKE종단가까이의 일정범위 내에서의 압축가공의 부분에서는 KNUCKLE JOINT PRESS의 CRANK축의 쪽이 편심PRESS에 비해서 많은 회전각도를 필요로 하고 있다. 바꾸어 말하면 매분의 STROKE 수가 같은 때에는 KNUCKLE JOINT PRESS쪽이 편심PRESS보다도 압축가공시간이 길게 되어 평균 압축속도가 적은 완속압축가공이 된다. (다) SCREW PRESS SCREW PRESS는 편심PRESS에 이어서 단조기로써 넓게 쓰여지고 그 성능적특성은 편심PRESS와는 기본적으로 달라 HAMMER에 가까운 것이 있다. 일반적으로 SCREW PRESS라고 하는 경우는 FLYWHEEL 식SCREW에 접속된 FLYWHEEL이 이 형식의 PRESS의 특징으로 대표적인 구조예가 그림 21에 나와있다. 이 FLYWHEEL은 적당한 구동장치, 예를들면 FRICTION구동, 유압MOTOR부 GEAR구동, SCREW직결식입형전동기에 의해서 회전된다. FLYWHEEL식 SCREW PRESS에 있어서 ENERGY전달은 먼저 STROKE에 개시시점에 있어서 구동장치에 의해서 FLYWHEEL이 소정이 속도까지 가속되는 것에 의해 시작된다. FLYWHEEL이 움직이기 시작하면 SLIDE도 STROKE를 개시하고 양자는 가속됨에 따라서 구동원에서 공급된 ENERGY를 운동ENERGY의 형으로 비축된다. 성형공정에 있어서 운동ENERGY의 형으로 비축되어 있던 ENERGY를 일기에 방출하여 FLYWHEEL은 정지한다. 편심 PRESS의 움직임은 이것과 다르다. FLYWHEEL은 상시전동기에서 ENERGY의 공급을 받고 있다. 단조공정의 사이, 실제로 필요한 양의 ENERGY가 FLYWHEEL에서 내고 있고 FLYWHEEL은 감속은 해도 정지하지는 않는다. SCREW PRESS의 이점은 금형의 높이의 조정을 필요로 하지 않는 것, 제품에 2회째의 타격을 하여 정밀도를 높일 수가 있는 것, 큰 성형ENERGY를 필요로 하는 살(肉)이 큰제품을 단조할 수 있는 것등이다. 결점은 편심하중에 약한 것, 생산성이 낮은 것 등이다. SCREW PRESS는 ENERGY를 기본으로 한 기계이나 편심PRESS는 힘을 기본으로 하는 기계라고 말할 수 있다.

출처 : 프레스금형 카페

글쓴이 : 금형박사 원글보기

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