1. 단조의 개요
단조 가공의 장점을 알아보도록 하겠습니다. 단조 가공은 가공품을 필요한 모양과 크기로 직접 만들기 때문에 나중에 자르고 깎는 공정이 생략되며, 재료의 절약이 가능하게 됩니다. 또한 재료를 강하고 질기게 하므로 같은 크기와 무게로써 더욱 큰 하중에 견딜 수 있습니다.
단조 작업에 사용되는 중요한 장비가 있는데 바로 해머에 의한 충격 단조와 프레스 단조가 그것입니다.
해머에 의한 충격 단조란 해머가 재료를 때리는 순간에는 압축력이 가장 크지만 금속이 변형함과 동시에 그때의 충격 에너지를 흡수함으로 곧 감소하여 결과적으로 재료의 표면층에만 변형이 일어나게 되는 단조입니다.
프레스 단조는 재료에 압축력이 서서히 가해지게 되므로 재료의 변형과 더불어 압축력도 증가하여 재료의 깊은 곳까지 변형이 생기게 됩니다.
2. 단조의 특성
단조의 특성을 알아보기 위해서는 먼저 단조 재료의 성질을 이해해야 합니다. 단조한 재료는 주조한 재료나 기계 가공, 냉간 프레스 가공한 재료에 비하여 단련하기 때문에 재료의 입자가 미세화 합니다. 또 입자의 크기는 균일화되므로 강인한 성질을 얻을 수 있습니다.
재료의 조직으로 보면 단조된 재료의 조직은 흐름이 이상적이고, 강도가 큽니다. 단조된 재료는 제조할 때 힘을 가하는 방법이나 냉각 방법에 따라서 재료의 조직을 만들고 있는 입자의 배열이나 결합의 강도 등이 한 방향으로 되고 올실의 방향과 같은 흐름이 되는 단류선(flow line)이 생기게 됩니다. 따라서 재료가 경제적이고, 재료 내부 응력이 남지 않고, 강도도 크게 됩니다. 두들겨서 늘리므로 소재는 작아도 되기 때문에 경제적일 뿐만 아니라 재료를 소성이 극히 큰 상태에서 가압하므로 내부 응력은 남지 않게 됩니다.
3. 단조 작업의 분류
단조 작업은 재료의 힘에 따라 분류할 수 있는데 먼저 재료에 힘을 가하는 방법에 따른 분류를 할 수 있고 재료가 힘을 받아서 변형되는 형태에 따른 분류를 할 수 있습니다.
1) 재료에 힘을 가하는 방법에 따른 분류 -
손단조(hand forging), 해머 단조, 낙하단조(drop forging), 업셋 단조(upset forging), 수압 단조(hydraulic forging)
2) 재료가 힘을 받아서 변형되는 형태에 따른 분류 -
풀러링(fullering), 드로윙(drawing), 피어싱(piercing), 에지(edging), 펀칭(punching), 스웨이징(swaging), 업세팅(upsetting)
4. 자유 단조(free forging)
자유 단조는 상하 2개의 앤빌(anvil) 사이에 피단조재를 끼워 넣어 압축 성형하는 방법으로 누르는 방향과 직각으로는 피단조재가 조금도 구속을 받지 않는 것으로 이것을 자유 단조 또는 개방형 단조(open die forging)라고도 합니다. 자유 단조품은 그 종류가 다양하며, 다종 소량 생산의 경우가 많으며, 중량이 큰 것을 취급하는 경향이 많습니다.
단신단련은 자유 단조에 있어서 가장 중요한 작업이며, 두 가지 목적이 있습니다. 첫째 목적은 강괴에 강한 압하력을 가하여 단신(鍛伸)하는 작업으로 큰 단련효과를 얻을 수 있는 것이고 두 번째 목적은 완성된 성형 작업은 강괴를 강압 단신함으로써 내부 결함을 단압착시킬 수 있고, 내부의 건전성을 유지할 수 있는 것입니다. 이는 피단조재를 압축하여 그 단면적을 감소시키고, 길이를 늘이는 작업입니다.
건축 단련(upsetting)이란 소재를 축방향으로 단조하여 그 단면적을 크게 하고 길이를 감소시키는 것을 말합니다.
전신 단련(flattening)은 비뚤어진 면을 편평하게 바로잡는 작업으로 폭이 넓은 공구로 각재를 한쪽 방향으로 압축하고, 압축 방향에 직각인 두 방향의 변형도에 차이를 생기게 하는 것입니다.
관공 단련은 펀치에 의한 천공 작업을 관공 단조라 하고 중공 단련(mandrel forging)이란 중공체를 단조하여 중공(中) 그대로의 상태에서 단면적을 감소시키고 길이를 늘리는 것 입니다.
공광 단련(enlarging forging) 이란 중공체를 단조하여 그 중공부를 넓히는 경우의 단조를 말하고 대형 단조용 프레스를 이용하여 형입 단조를 하게 됩니다.
5. 형단조(die forging)
형단조란 두 개의 압축공구면에 오목형(凹)을 조각한 단조형을 단조 기계에 설치하고 그 사이에 소재를 넣고 압축 성형하는 방법으로 같은 형태의 제품을 대량 생산하는 단조 가공법을 말합니다.
단조 설비와 공구를 살펴보면 단조용 가열로가 있는데 이는 직접식 가열로와 간접식 가열로, 가열로의 가열방식 등에 따라 분류가 됩니다.
1) 직접식 가열로
가열할 재료에 연료가 직접 접촉되는 가열로이며 그 종류로는 고정식 벽돌 화덕(fire brick smith hearth), 이동식이 있습니다.
2) 간접식 가열로
간접식 가열로는 가열할 재료에 연료가 간접으로 높은 온도의 공기 연소, 가스, 전기 저항열 또는 전기 유도열을 이용한 가열로입니다. 그 종류로는 반사로, 가스 및 중유로, 전기저항로, 염욕로 등이 있습니다.
3) 가열로의 가열 방식
직접식과 간접식 가열로 외에도 작업 방법에 따라 단식 가열로와 연속식 가열로로 분류할 수 있습니다. 단식 가열로(in-and-out type) 란연소해서 생긴 연소물이 가열된 재료와 직접 접촉하며 가열 가공품이 적은 양일 때 사용하고 연속식 가열로(continuous)는 여러 가지의 종류와 크기 또는 많은 양의 가열가공품을 처리해야 할 경우에는 자동식 컨베이어(conveyer)를 이용한 연속식 가열로가 사용됩니다. 사용하는 연료에 따라 석탄, 중유 등을 사용하는 일반 연료로와 전기 가열로로 분류할 수 있습니다.
전기 저항식 가열로는 일반 가열로보다 높은 온도를 얻기 힘들고 가열품의 단위 무게당 연료비가 비싸기 때문에 단조용 가열로로는 널리 사용하지 않지만 장점으로는 열의 소모가 적고 재료의 내부로부터 가열되므로 가열이 균일하게 진행됩니다. 하지만 일반 가열로보다 가열 속도가 빠르지 못한 것이 단점입니다.
전기 유도식 가열로(고주파로)는 고주파의 전기 유도 작용에 의한 전열을 이용한 것으로 국부 가열이 가능하며, 가열품 표면에 산화에 의한 스케일이 생기지 않고 가열 속도가 대단히 빠른 것이 그 특징입니다.