[스크랩] 단조기술/ 냉. 온간 밀폐 단조기술<5회>

[3] 황지 및 황지성형

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(1) 황지 일반적으로 단조에 있어서 제품정밀도나 그 균일성을 결정하는 요인은 PRESS나 금형의 정밀도 및 강성, 금형의 변형이나 마모, 소래가열의 편차, 윤활조건등이 있으나 밀폐단조에서는 소재의 중량정밀도가 중요한 인자이다. 왜냐하면 반밀폐단조말이 FLASH부의 체적변화나 온도변화가 성형품의 정밀도에 영향을 미치는 것이 없는 대신에 여육을 FLASH로 배출 하지 않기 때문이다. 소재중량의 변동이나 윤활에 대해서는 다른 절에서 기술되어 있으므로 본 항에 있어서는 METAL-FLOW를 좋게 하고 결육이나 말려 들어감 등의 결함을 없애는 데다 중요한 황지와 그 성형법에 대해서 설명하기로 한다. 단조를 하는 경우의 황지성형은 사상형 내에서 단조흠이나 여분의 재료유실이 없고 소정의 치수정밀도로 만들기 위한 예비성형 작업이다. 따라서 황지는 소재에 가장 효율적으로 단계적인 변형을 주도록 하는 것이 필요하다. 일반의 형단조의 황지성형단계에 있어서 배려하지 않으면 안되는 점은 황지의 축방향, 폭방향의 체적배분을 어떻게 하는가에 않기 다음의 여러 가지 점들이 중요하다. ① 제품의 단면형상에 될 수 있는 한 가깝게 할 것. ② 제품과 황지의 체적중심을 일치시킬 것. ③ 축방향, 폭방향은 제품의 외주형상보다 조금 작게, 높이방향은 크게 설계할 것. ④ 황지의 R반경은 제품보다 크게 고르고 예각을 피해서 제품형상의 급격한, 체적변화에 대해서도 황지 형상에서는 SMOOTH한 변화가 되도록 할 것. ⑤ 황지는 금형 위에 안정되게 놓이게 할 것. ⑥ 단조 시에 황지와 금형의 접촉은 될 수 있는 한 동시에 이루어지도록 할 것. 주어진 제품형상에 대응하는 황지의 축방향, 폭방향 체적배분이 비교적 단순한 직선이나 곡선으로 나타나는 형상이라면 예비성형에서 황지를 가공할 수 있으나 이상적으로 체적 배분한 것의 형상이 복잡하면 황지의 예비성형에 경비가 요하게 되고 단조 그것의 TOTAL COST는 결코 낮아지지 않는다. 따라서 황지성형이 용이하고 다소 체적의 UNBALANCE는 사상단조시의 3차원적인 METAL FLOW로 되어야하는 필요가 있을 수 있다. 이 경우는 윤활제의 선정이나 3차원적인 METAL FLOW가 생기기 쉽도록 황지형상, 단조장치의 연구가 요구된다. 위에서 설명한 ①~⑥항의 요구를 될 수 있는 한 만족하는 황지형상을 결정하기 위해서는 단조시의 변형거동(METAL FLOW)을 충분히 알고있지 않으면 안 된다. 밀폐단조의 대상이 되는 것의 형상은 비대칭이 많기 때문에 변형과정을 간단히 아는 것은 어렵다. 이 이유는 METAL FLOW는 3차원적이고 금형 내의 마찰, 온도, 변형속도 등의 변형에 관련되는 많은 파라메터가 복잡하게 얽히기 때문이다. METAL FLOW을 시뮬레이트하는 수법에는 여러 가지의 이론해석법을 쓰는 방법과MODEL재료, 실용금속을 소재로 한 단조실험이 있다. 전자는 2차원적 변형이나 축대칭변형이 해석을 가능케 하고있고 수법으로는 스라브법, 유한요소법, UBET법 등이 있다. 스라브법은 형상변화나 마모가 적은 변형장에 대해서 압력분포나 하중을 구하는데에 유효하고 수치 각을 얻기 위한 계산시각은 짧다. 그림 67은 스라브법으로 TURBIN BLADE를 단조할 때의 METAL FLOW, 금형충만 상태 및 하중을 해석한 것으로 금형에 작용하는 수직방향 수평방향의 하중을 구해서 금형족가시의 위치결정 소재의 배치상태를 최적화하는 데에 활용된다. 또 유한요소법은 응력이나 변형 등의 분포를 아는데 좋은 수단으로 되어 있다. 강성유한요소법이 개발되어 대변형 문제가 단시간에 계산 처리된다. 그림 68은 후방압출을 유하요소법으로 해석한 결과로 PUNCH압송량과 METAL FLOW관계가 명확하게 나와 있다. 또 상계법은 경계조건가 체적일정의 조건을 만족하는 동적가용속도장을 결정하여 ENERGY소비를 구하는 방법이나 단조같은 복잡한 형상의 변형을 해석하는데는 변형전체를 COVER하는 단일속도장을 구성하는 것이 곤란하게 된다. 이것에 대처하는 수법으로 UBET법이 개발되어 해석에 사용되고 있다. 이상과 같이 수치해석법에 의해 METAL FLOW를 예측하는 것은 가능하나 복잡한 형상에 대해서는 적용되지 않는 경우가 많다. 거기서 단조품을 부분, 부분으로 절단하여 축대칭문제로 취급하여 좋은 부분, 2차원변형문제로 취급하여도 좋은 부분을 나누어 각각을 해석하여 뒤에 총합하여 소정의 단조품의 황지를 결정하는 방법이 있다. 그림 69는 CONNECTING ROD를 단조하는 경우의 변형을 나타낸 것으로 양단분는 반경방향으로 흘러 접합부는 폭방향으로 흐른다고 상정하면 그것에 따른 각부분의 METAL FLOW의 해석이나 채적배분을 하면 적정한 황지가 설계된다. 한편 이론해석이 곤란한 형상이나 각부에의 국부적인 유동에 관해서는 PLASTICENE이나 납을 이용한 MODEL시험이 활용된다. 단면내에 무자모양을 그려 단조시의 격자의 변형을 추적하는 것에 의해 METALFLOW를 아는 방법으로 격자의 변형을 해석하는 것에 의해 변형분포나 응력상태를 알 수가 있다. 황지형상의 적정한 시행착오에 의한 것도 다용된다. 이것은 이론해석이나 MODEL시험에서는 재현되지 않은 인자가 실제로는 존재하기 때문이다. 그림 70은 경제적으로 알려져 이는 H단면 단조품의 황지현상이다. 그림중의 h와 b의 값에 의해서 황지형상이 현저하게 달라져 있는 것을 알 수 있다. 또 그림은 71은 상형단조품과 그 황지이다. 이것은 MODEL재료를 써서 시행착오적으로 결정 되어진 것으로 실험은 PLASTICINE, 납, 실용재료의 순으로 진척시켜 결정된 것이다. 이상에서 설명한 것과 같이 황지의 결정은 해석과 시행착오를 반복하여 행하지만 전산기의 활용에 의해 황지결정은 종래보다도 능률적으로 할 수 있도록 되었다. 그림 67, 그림 70에 나온 예는 CAD(COMPUTER AIDED DESIGN)에 의해 하고 있다. 금후 CAD는 황지설계에 넓게 활용될 것이나 그것을 위해서는 변형에 관한 기초적인 정보와 그것을 확보하기 위한 실험적인 정보를 축적하는 것이 필요하다. (2) 황지성형 황지성형은 소재에 가장 효과적으로 단계적인 변형을 주어 축방향 또는 폭방향의 체적배분과 단면성형을 하는 것이고 온간밀폐단조에 쓰이는 황지의 성형법으로는 당연히 성씨ENERGY, 성자원을 가능케 하고 황지의 형상에 대응하여 선택할 필요가 있다. 현재 많이 채용되고 있는 황지성형방법에 대해서 설명하기로 한다. ① 단조 ROLL 단조 ROLL가공법에서는 재료의 늘림, 넓힘을 균일하면서도 신속하게 해야하므로 충분한 생산회수가 있는 경우에는 HAMMER와 조합해서 능률좋게 ONE-HEAT로 제작할 수가 있기 때문에 황지성형에 많이 이용되고 있다. 1회의 PASS에 의해서 축소될 수 있는 양은 가공의 전과 후와의 단면적비에서 통상 1.45이하이라고 말해지고 이 수치를 넘게되면 미끄러짐이 많아지므로 소요의 형상을 얻기 위해서는 그것에 맞는 PASS수가 필요하다. 단면의 축소율이 크면 PASS횟수도 증가하여 생산성의 면에서 불리하게 된다. 또 성형중에 귀가 나오면 다음의 PASS에서는 90°회전시키므로 그것이 부러져 흠이 되는 수도 있으니 주의를 요한다. ② CROSS-ROLL 가공법 CROSS-ROLLING가공법은 2개 ROLL 또는 2매의 평판 DIE에 쐐기상의 돌기를 만들어 이것을 소재에 대해서 원주방향으로 상대적으로 이동시켜 소재를 전동시켜 성형하는 전조법이다. CROSS-ROLLING에 있어서 주된 변형은 소재축에 직각방향의 압축에 의한 단면축소와 축방향 늘림의 2가지이다. 이 압축은 1대의 ROLL돌기의 양측사면에 의해서 소재에 주어지는 축방향의 인장력도 단면감소를 도운다. 이 CROSS-ROLLING가공법은 앞에서 설명한 단조ROLL에 비해서 작업속도가 빠르고 축방향수치정밀도가 좋은 것이 특징이다. 그림 73참조. ③ UPSET법 UPSETTER는 횡형 CRANK PRESS의 일종이고 FLYWHEEL과 CRANK SHAFT에 의해서 작동하는 SLIDINGHEAD에 취부된 PUNCH에 의해서 피가공물을 압축 성형한다. CRANK PRESS와 상이한 점은 하형에 상당하는 부분이 2개로 나뉘어져 있어 소재를 잡기 위한 GRIP기구가 설정되어 있는 점이다. UPSET법에서는 밀폐식의 금형을 사용하는 것이 많고 FLASH가 극히 적고 또 발구배에 의한 여육을 거의 없앨 수 있으므로 재료의 대폭 절약이 된다. 위에서 설명한 ①, ②, ③중에 ①, ②의 회전성형과 ③의 UPSET법을 비교해 본다. 회전성형의 장점은 국부가공이므로 공구나 기계에 가하는 하중이 낮게되어 COMPACT한 설비로 큰 제품을 가공할 수 있다. 또 UNDERCUT, 긴 TAPER등 다른 방법에서는 성형이 곤란한 가공이 가능하다. 단순형상의 공구를 써서 STROKE제어가 가능한 기계의 경우에는 다른 치수형상의 제품을 동일공구로 성형될 수 있는 점이다. 다른 쪽은 국부가 고이기 때문에 가공시간이 길고 역변형이 생기는 때문에 ENERGY효과가 낮다. 또 전면이 하나의 형에서 규정되어 있지 않으므로 치수정밀도나 표면사상이 양호하지 않는 등의 단점이 있다. UPSET법의 장점은 긴축의 단면 혹은 중간 부에 FLANGE나 단을 붙이는 가공 관통구멍, (?모름?)구멍을 만드는 가공이 가능하다. FLASH의 발생이 극히 적으므로 회수율이 좋은 점이 있다. 한편 설비비가 비싸고 축대칭이외의 단조가 곤란한 점이 단점이다. 또 온간밀폐단조용의 화지성형법으로서 분말단조도 최종사상 형상에 극히 가까운 형상을, METAL FLOW의 형성곤난, COSTUP등의 문제가 있는 것의 주목되고 있는, 공업적으로 이용되고 있는 예도 있다.(그림 74) [1] 요구특성 현재 온간 단조는 일부에서 정착되기 시작했고 밀폐기구를 조합시킨 SYSTEM에 대해서는 매발도상중에 있는 가공법이고 금형설계나 윤활법등 기술체계는 확립되어 있지 않다. 그러한 만큼 금형의 마모나 변형에 대한 평가도 구구하여 수명은 짧은데 긴 것이 10,000개, 통상 4,000~8,000개 정도이다 온간밀폐단조의 경우 금형에 부하되는 압력온냉간 단조보다는 작으나 온간고온역에서는 가열소재에 의한 소려경화, 국부적 성변형에 의한 금형형상의 내려 앉음 등에 의한 정밀도저하는 냉간단조보다 과격하다. 이 경우 윤활을 겸한 금형냉각, 가공품과 금형의 접촉 시간의 단축등 온간 단조의 특징을 살려서 금형수명의 향상을 도모하는 것이 중요하다. 금형수명의 현상으로는 변형 마모 CRACK등으로 구분되고 이러한 것들에 관련하여 금형재에는 다음과 같은 성질이 요구된다. (1) 고온에 있어서(400~800℃)강도, 경도 인성 및 피로강도가 클 것. (2) 고온에서 내마모성이 클 것. (3) 고온에서 연화되기 어려울 것. (4) 내 HEAT-CHECK성이 클 것 그 외에 소입성 등 열처리성질이 좋을 것, 피삭성 등 가공성이 좋을 것 등도 중요하다. 금형의 손모현상에 대해서 NEW SHEF FIELD LABORATORY는 그림 75와 같은 분류를 하고 있다. 이처럼 하나의 금형을 예로 해도 그 손모현상은 다기복잡하게 걸치므로 금형재료의 선정과 적절한 열처리는 물론이고 금형설계나 가공, 기계의 정밀도나 강성 윤활 냉각 등의 사용조건 등 여러 가지 면에서 검토를 하는 것이 필요하다. 그림 76은 금형의 수명인자에 관한 특성요인도인데 금형의 수명에 대해서 금형재료를 검토하는데 있어서는 수많은 요인과 밀접한 관련이 있으므로 검토할 필요가 있다. [2] 현재사용금형재료 온간단조의 온도범위는 200~300℃의 저온영역에서 600~800℃의 고온영역까지의 넓은 범위가 있다. 따라서 저온영역에서는 냉간단조에서 쓰여지는 금형재를 BASE로 하고 또 고온영역에서는 열간단조에서 쓰여지는 금형재가 기본으로 한다. 표 3은 현상온간단조에 있어서 가열온도 금형재료와 그 경도 및 금형수명에 관한 구체적인 예이다. 온간단조의 금형은 열에 견디면서도 강도 인성이 있어야 되는 것이 필수적이다. SKD-61 및 62로 대표되는 종래의 열간단조금형재에서는 단조면압이 높으면 내마모성이나 압축강도가 부족하여 금형에 내려앉든가 변형되는 경향이 있고 한편 SKH-9이나 SKD-11같은 고탄소계의 고속도강이나 DIES강은 인성면에서 문제가 생기기 쉽다. 이상 표 3에 나온 것을 보고 알 수 있듯이 열간단조에 사용되는 대표적 금형재로서의 SKD-61, 62 및 냉간단조에 많이 사용되는 SKH-9가 각각 열간단조를 BASE로 하여 온간단조에도 사용되고 있으나 양대표 각종의 성질의 차이는 크고, 그러한 점에서 SKH-9를 BASE로 하고 보다 인성을 개량하는 방향에서 마트릭스계의 고속도강(YXR3, YXR4) 및 SKD61, 62를 BASE로 하여 보다 내마모성, 내압강도를 높인 열간DIES강(MDC-K, MDC-K3)등이 온간단조용 금형재로써 주목되어 표와 같이 일부 채용되기 시작했다. 그림 77은 단조금형재의 종류를 인성과 내마모성, 고온강도와의 상관관계를 나타낸 것이다. 열간DIES강이 갖는 온간에서의 고인성과 고속도강급의 고강도 내마모성을 겸비한 특성이 온간밀례단조 금형재의 수명향상에 필수적이라고 생각된다. 그림 78에 각 강종의 경도와 인성(충격치)의 관계가 나와있다. 금형의 크기, 형조형상의 복잡성 피가공재의 재질과 가공 온도등의 제인자를 검토하여 형재의 재질 경도와 인성의 겸비를 고려하지 않으면 안된다. 표 4는 주된 금형재질에 대해서 필요한 제성질을 지수로 비교한 것이다. 단조 LOT나 전기와 같은 제인자로부터 금형재의 특성외에 범용성 가격도 중요한 선정조건이 된다. [3] 금형수명과 문제점 COST면에서 금형수명을 감안한다면 금형재의 선정과 열처리(경도)가 적절해야 한다. 금형재의 선정에 대해서는 앞에서 설명한 대로이지만 이것을 잘 쓰는 데는 열처리가 중요하다. 어떤 뛰어난 금형재라도 열처리가 부적절하면 금형재의 성능을 충분히 살릴 수가 없다. 금형의 수명이 다되는 현상을 크게 나누면 ①변형 ②마모 ③CRACK이다. 이러한 손상현상에 대한 요인과 대책을 정리해보면 표 5와 같다. 변형은 단조면압에 대해서 금형의 강도 내력이 불충분한 것이 그 원인이 된다. 그림 79는 경도와 압축강도의 관계이나 내력은 경도의 증가와 함께 향상된다. 단조하중이 높고 금형의 변형이 있는 경우에는 압축 내력 즉 경도의 증가가 필요하게 된다. 그러나 이처럼 압축내력, 경도는 가공되는 온도에 있어서 KEEPING 되는 것이 필요하게 되고 SK나 SKS에서는 연화저항이 작고 온도가 상승하는 것에 따라 급속히 연화한다. 따라서 금형재는 통상 500℃이상에서 TEMPERING되는 열처리조건이 바람직하고 고속도강이나 열간DIES강은 그것에 합치하는 높은 연화저항을 갖는다. 마모는 금형재의 경도에 관계한다. 내마모성을 향상시키는데도 내력과 같이 경도를 높이는 것외에 열처리 조직의 탄화물형태와 그 분포가 기여하고 고탄솔르 함유하여 탄화물생성원소(Cv, Mo, W, V)를 다량으로 함유하는 SKD-11이나 고속도강은 내마모성이 현저하게 높다. (그림 80참조) 한편 경도나 조직중의 탄화물의 량이 증대하면 인성의 저하를 초래하여 금형의 CRACK이 발생하는 위험이 크게된다. 따라서 인성이 크고 내마모성이 높은 금형재가 바람직하고 동시에 표면처리의 채용에 의한 표면층의 내마모성향상도 유효한 수단이다. 일반적인 표면경화법으로는 (1) 질화(GAS연질화, 타프트라이드, 이온질화) (2) 크롬도금을 들 수 있다. 그러나 채용에 있어서는 재질이나 표면처리조건에 의해 취성층이나 생기는 경우도 많고, 역으로 금형의 조기손상을 초래하는 경우도 있으므로 신중한 대처가 필요하다. 또 Ti나 V의 탄화물피복을 이용한 TD처리나 TINCOATING은 극히 높은 내마모특성을 가지나 온간에서의 사용에 있어서는 산화나 열팽창 등의 문제가 있으므로 사용조건과의 관계를 잘 검토하지 않으면 안된다. CRACK은 금형의 강도부족 인성부족, 피로강도부족등이 원인으로 이 대책은 원인에 따라 달라지므로 용이하지는 않다. 강도부족에는 경도를 높이는 것이 필요하나 인성이 부족하여 금형의 예각CONER에서 깨지는 현상에 대해서는 역으로 경도를 낮추는 것이 필요하다. 이것은 강도부족과는 전혀 역의 대책으로 된다. 따라서 보다 높은 인성과 강도를 겸배한 재질과 그것에 적합한 열처리 및 경도의 선정이 필요하다. 피로파괴에서는 경도를 올리는 것이 일반적이지만 피로강도는 어떤 경도 이상이 되면 마모흠 등이 응력집중원인이 되어 역으로 저하되는 것이 되므로 마모에 의한 금형표면의 손상이나 금형형상을 보고 피로강도가 저하하지 않는 범위에서 높은 경도로 하는 것이 필요하다. CRACK의 기인은 상기와 같이 강도, 인성 및 피로강도의 부족이 기본이지만 금형의 설계나 가공의 조건이 그것을 수반하는 중요한 조건이 된다. 특히 가공면에서의 배려가 부족함에 따라서 금형의 조기파손을 초래하는 수가 많다. 이것의 중요한 인자로서는 (1) 금형구석각부의 CORNER-R (2) TOOLMARK의 잔존, 면조도 (3) 방전가공(E.D.M) WIRECUT(MEDM)의 변질층잔존을 들 수 있다. 이것들은 극히 높은 응력집중원이나 취약층을 만들어 그것이 CRACK의 기점이 된다. 그림 81은 방전기공에 따르는 표면층의 재질의 상황을 나타낸 것으로 표면층의 가공에 수반하여 재응고층을 포함하여 20μ정도의 영향층을 만들므로 이러한 층의 연마제거가 중요하다. 또 그림 82는 응력집중의 정도나 파괴의 상관관계를 주는 것으로 금형의 면조도나 CORNER의 R, 면취가 얼마나 중요한가를 알 수 있다. 이상 금형재를 중심으로 설명했으나 금형수명은 금형재만으로 해결되는 것이 아니고 금형의 구조설계, 가공 및 윤활 등에 의해서 크게 좌우되며 윤활의 역할은 크게 금후의 온간밀폐단조금형수명의 향상에는 총합적인 대응을 면밀히 검토하는 것이 필요하다.

출처 : 프레스금형 카페

글쓴이 : 금형박사 원글보기

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