금속성형공정 - 단조 - 3. 형단조

형단조(closed-die forging)에서는 소재가 2개의 금형에 의해 압축되면서, 금형공동부(cavities)의 모양으로 만들어지는데, 전형적인 예는 다음 그림과 같다.

[플래시가 생성되는 형단조 공정의 개략도]

단조가 되는 동안, 재료의 일부는 밖으로 유동되어 플래시를 형성한다. 플래시는 길이 대 두께비(압력 분포식의 α/h비와 같음)가 크므로 높은 압력을 받고, 플래시 간극에서 재료유동에 대한 마찰저항 또한 높게 된다. 마찰이 크면 금형공동부에 있는 재료에 높은 압력을 가하여 금 형공동부를 충전시킬 수 있도록 해주므로, 플래시는 형단조시 재료의 유동에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 또한, 열간에서 가공할 때는, 두께가 얇은 플래시는 몸쳬부보다 빨리 냉각되므로 변형에 대한 저항이 커져서 금형공동부를 잘 채울 수 있도록 해준다.

형단조공정에서는 소재의 변형양상이 복잡하므로 하중을 정확하게 계산하기가 쉽지 않다. 소재 내의 재료는 위치에 따라서 각기 다른 변형률과 변형률속도를 갖게 되며, 재료의 변형저항은 변형률과 변형률속도 외에도 소재재료의 지수 n과 m에도 의존한다.

형단조에서는 하중을 계산하기가 어려우므로, 다음 표에 나타낸 것과 같은 압력배수인자 (pressure-multiplyingfactor) K_p를사용한다.

[형단조 하중계산에 사용되는 압력배수인자(Kp)]

A를 플래시를 포함한 단조품의 투영단면적, Yf를 재료가 겪는 변형률 및 변형률속도에서의 유동응력이라 할 때, 단조하중 F는 다음 식으로 계산한다.

 

F = K_pY_fA

 

전형적인 형단조 하중곡선의 금형행정에 대하여 다음 그림에 나타내었다.

[형단조의 전형적인 하중-변위곡선]

그림에 나타낸 것과 같은 축대칭 제품은 금형공동부가 채워질 때까지 하중이 완만하게 증가하다가 플래시가 생성되면서부터는 급격히 증가한다. 단조품에 구쳬적인 형상을 얻고, 최종치수에 달할 때까지 금형은 조금 더 움직이게 되며, 이 동안에 단조하중은 매우 급격히 증가한다.

 

형단조에서 플래시를 발생하지 않고 소재가 금형공동부를 완전히 채우는 공정은 진정한 의미의 형단조, 즉 폐쇄단조라고 한다.

형단조에서는 금형공동부를 채우고 남은 여분의 재 료가 플래시를 형성하지만, 폐쇄단조에서는 여분의 재료를 허용하지 않으므로, 원하는 치수를 얻으려면 소재의 쳬적을 정확히 계량하고 적절한 금형설계가 필수적이다. 부족하게 계량된 소재로는 금형공동부를 완전히 채울 수 없게 되고, 과다한 소재는 과도한 압력을 발생시켜 금형을 파손시키거나 기계를 고장나게 한다.

정밀단조(precision forging) 또는 밀폐단조(flashless forging)는 성형되는 제품이 원하는 최종제픔의 치수와 거의 같도록 하는, 준정형(準正形, near net-shape)가공이다. 단조 제품에 남는 여분의 재료는 보통 매우 적은 양이며, 트리밍이나 연삭으로 쉽게 제거된다. 정밀단조에서는 형단조에서보다 훨씬 높은 정확도로 기계가공하여 만든 특수한 금형을 사용한다.

정밀단조공정에서는 제품의 구쳬적인 최종형상까지도 얻어야 하므로 매우 높은 단조하중이 필요하여, 큰 용량의 기계가 필요하다. 알루미늄이나 마그네슘 합금은 단조하중과 온도가 낮으므로 정밀단조에 적합하다. 또한 이들 재료를 단조할 경우에는 금형마모가 작고 표면정도가 우수하다. 강이나 기타 합금은 정밀단조하기가 어려운 편이다. 일반단조와 정밀단조간의 선택은 경제성에 따라 이루어진다. 그러나 정밀단조에서는 재료의 낭비가 적 고 부차적인 절삭공정이 생략되어 제품이 원하는 최종제품의 형상에 거의 가깝게 만들어 진다.

 

등온단조(isothermal forging)는 가열금형단조(hot die forging)라고도 하는데, 금형은 가열된 소재와 같은 온도를 갖도록 가열된다. 단조가 진행되는 동안 소재가 냉각되지 않으므로，유동응력이 낮게 유지되고 금형공동부 내에서의 소재의 유동은 향상된다. 금형재료는 니켈이나 몰리브덴 합금이 보통 사용되며, 높은 치수정확도가 요구되는 복잡한 부품 도 유압프레스에서 1회의 행정으로 단조될 수 있다. 등온단조는 비싼 방법이지만, 티타늄이나 초합금과 같은 고가재료로 복잡한 형상의 제품을 만들어야 할 때, 금형가격을 보상 할 정도로 수량이 충분히 확보되면 경제성을 가질 수 있다.