가공방법 (압연과 압출)

가공방법 (압연과 압출)

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1. 압연(Rolling) 

압연(壓延) 가공은 두 개의 회전하는 롤(Roll) 사이에 소재를 통과시켜 단면의 형상이 일정한 판재나 형재 등을 성형하는 방법으로 연속적인 단조작업으로 볼 수 있으며 생산 단가가 저렴하게 드는 것이 장점이다. 제품의 단면 형상은 롤에 따라 결정되므로 롤 몸체의 형상을 여러 가지로 하여 소재가 통과한 공간, 즉 패스 (Pass : 孔型)의 형상이 결정되어 원하는 형재를 성형할 수 있다.

 

롤은 소재와직접접촉을 하여 마찰이 일어나므로 내마모성이 있는 재질을 사용하고 표면경화 처리를 한 탄소강등이 주로 쓰인다. 

왼쪽사진은 롤(Roll)기계사진 오른쪽 사진은 롤의 사용 방향을 표시

 

 2. 인발(Drawing)

 

인발(引拔) 가공은 다이의 안쪽에 소재를 부착시키고 다이 바깥에서 소재를 끌어내어 다이의 치소 치수로 가공하는 방법이다. 이때 소재를 당기는 인발력과 이에 대한 저항력으로 인해 인장 되면서 가공이 이루어지고 저항력을 다이에 작용하고 다이가 심한 마찰과 가공력을 받게 된다. 소재는 인장 되면서 지름이 축소되어 가는 것이 보통이므로 다이의 중심 안쪽으로 변형이 흐르며 따라서 가공 원리상 복잡하고 다양한 제품을 만들기는 곤란하다. 따라서 대부분 일정한 단면의 형상을 가지는 것으로 가공된다. 인발가공 종류로는 형재인발, 관재인발, 봉 또는 선과 같이 가는 제품을 만드는  신선(伸線) 인발 등이 있다.

 

인발가공은 대개가 냉간작업이며 열간작업은 압출가공에서 주로 사용한다. 인발시 표면의 정도는 냉간작업에서 더욱 정밀하며 다이의 마찰저항 때문에 윤활을 하는 것이 중요하다. 윤활은 인발속도에 따라 냉각 위주의 수용성 윤활제와 불수용성 윤 활 제가 있다. 인발가공할 때 소재의 흐름은 내부보다는 표면에서 다이와 마찰을 일으키므로 단순히 길이방향의 인장과 반경방향의 압축에 의한 변형이 일어나는 내부와 달리 외부는 전단응력이 작용하여 인장과 전단으로 변형이 이루어진다.

 

인발에서의 공구는 다이이므로 다이의 형상이나 치수 또는 가공된 정밀도는 곧 제품의 표면에 영향을 준다. 다이구조는 최초로 다이 안으로 소재가 들어오면 소재의 중심이 다이의 중심과 일치되도록 하기 위하여 도입부(Bell)를 지나 안내부 (Approach)를 거치게 된다. 안내부의 각도가 일반적으로 말하는 다이각으로서 소재의 변형을  최대한으로 유도하는 역할을 한다. 안내부를 지나면 변형된 소재는 가장 중요하고 정밀하게 다듬어진 정형부(Bearing)를 지나는데 이 부분에서 정확한 치수로 다듬어지면서 소성 변형이 완전히 이루어진다.       

 

다이의 재질은 고탄소강, 합금강 또는 초경합금과 다이아몬드가 있는데 직경이 아 주 작은 세선(細線 0.5mm 이하)의 경우에 다이아몬드 다이를 사용한다. 다이의 재질에 따라 안내각 즉 다이의 각도 달라지는데 동선용은 12~16°, 은이나 알루미늄은 15~18°, 초경합금 다이의 경우는 6~11 "로서 강재인발에 사용하고 소재가 연질일수록 다이 각이 커진다.

 

다이트러스트(Die Thrust)로 인하여 마모가 되지 않도록 마찰력을 감소시키고 냉각효과를 위해 윤활제를 사용한다. 윤활방식은 액체상태의 윤활제를 사용하는 습식과 건조상태의 윤활제를 사용하는 건식이 있다. 습식은 고속인발에서 냉각을 위해 주로 사용되는데 수용성계의 에멀젼(Emul sion)을 쓰고 건식은 작은 속도의 인발에서 마찰저항을 줄이기 위한 목적으로 석회, 그리스, 흑연, 인산염 피복과 같은 고체형의 윤활제를 사용한다.

 

3. 압출(Extrusion)

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압출(押出) 가공은 인발가공과는 달리 다이안의 소재를 밀어내어 다이의 구멍형상으로 가공하는 방법이다. 가공법은 간단하고 인발과 흡사한 점이 많으나 다이 안에서 램(Ram)의 운동으로 플런저(Plunger)가 소재를 미는 압축력은 다이의 저항을 받아 결국 소재는 압축되면서 단면이 확장되는 방향으로 가공되어 가는 것이다. 따라서 소재가 가공되어 다이 외부로 나올 때는 다이의 구멍은 완전히 충만시키면서 방출되므로 다이의 형상을 여러 가지로 변화 있게 만들어 사용할  수 있고 제품에 대해서도 기계적 성질이 향상되는 장점이 있다. 그리고 분말재료 가입이나 이중 금속 간의 접합방법에도 이용되고 있다. 압출을 하기 위해서는 인발과는 달리 갖추어야 할 구조가 있는데 먼저 형상을 결정할 다이와 소재를 밀어주는 가압판(Plunger), 그리고 소재가 다른 방향으로 빠져나가지 못하도록 밀폐시켜 주 는 용기(Container)가 필요하므로 인발보다 설비에 비용이 많이 든다.

압출은 인발과는 달리 주로 열간작업을 하고 표면조도는 압연의 경우와 거의 비슷하나 정도 향상을 위하여 후에 냉간 인발을 하는 경우가 있다. 최초 압출 시에는 용기 내에 소재가 충만되기 시작하면서 압력이 급격히 상승하나 다이로 재료가 빠져나가면서 안정을 찾게 되고 서서히 감소하며, 재료가 거의 다 빠져나가게 되면 잔존하는 재료는 압축만 받을 뿐 더 이상 다이 외부로 방출되지 못하므로 다시 압력이 급격히 상승한다. 이와 같은 압력의 변화를 알면 압출가공의 작업 조건을 용이하게 하는 데 도움이 된다.

 

압출 방법의 설명(가압판을 밀어 소재를 압출하는 설명)

 

4. 윤활(Lubrication) 

 

알루미늄, 구리, 아연. 납. 주석 등의 연질금속은 윤활제를 쓰지 않으나 강재의 경우는 다이의 마모가 심하여 윤활제를 사용해야 한다. 강재의 경우는 산화피복 또는 봉사를 사용하고 강철관의 압출에는 유리를 윤활제로 사용한다. 냉간 압출의 경우는 산처리 (Pickling)를 통하여 윤활을 하거나 인산염으로 피복시킨 후 스테아린산 소다와 함께 사 용한다. 특수압출에는 충격압출(Impact Extrusion), 정수압출(Hydrostatic Extrusion), 분말압출(Powder Extrusion), 냉간압출(Cold Extrusion)이 있다.

   

5. 전조(Roll Forming)

전조(轉造)란 공구의 형상을 소재에 복사시키는 방법이며 가공방법은 공구(roll)나 소재, 또는 이 양쪽을 회전시키거나 왕복시킴으로써 공구의 형상을 찍어내는 것이다. 이 방법은 단조나 압출 등의 비합리적인 요소를 개선하기 위하여 개발한 가공법이라 할 수 있는데, 자동화가 편리하며 진동이나 소음이 제거되므로 양산에 적합하다. 전조 된 재료의 조직은 연속된 섬유상 조직을 갖기 때문에 절삭가공된 제품보다 강도와 기계적 성질이 개선되고 피로강도가 증가하고 충격에 강하며 재료의 절약에도 도움이 되는 가공법이다. 또한 전조가공은 주로 기어나 나사의 대량생산으로 많이 쓰인다.

 

6. 제관(Piping)

제관(製管)이란 관재, 즉 파이프를 제작하는 작업을 말하는데 크게 나누어 이음매 없는 관 (Seamless Pipe)의 제조와 이음매 있는 관(Seamed Pipe) 제조법이 있다. 전자는 천공법 (Piercing Process)과 밀어내기 법(Cupping Process)으로 나누고 후자는 주로 용접이나 단접에 의한 관제조법을 포함한다.

천공법은 다시 만네스만법Mannesmann Piercing Process), 압출법, 에르하르트법(Ehrhardt Process).으로 나뉘며, 이음매 있는 관은 단접관, 맞대기 용접관, 겹치기 용접관, 전기저항 고주파 용접관으로 구분된다. 만네스만 제조법은 이음매 없는 관제조에 일반적으로 이용되는데 가공원리는 소성 변형 이 일어나기 쉬운 재료에 회전 압축력을 주면 재료의 중앙에서부터 자연적으로 공극이 발생하면서 파이프가 만들어진다. 즉 회전운동은 롤의 회전에 의하고 공극이 발생하
면 심봉 (Mandrel)으로 유지하며 소재는 가열된 상태에서 가공된다.