1. 압출 가공의 개요
압출 가공의 정의를 먼저 살펴보도록 하겠습니다. 압출 가공 이란 덩어리 상태의 금속 재료에 압력을 가하여 작은 구멍을 통과시킴으로써 그 재료의 단면적을 줄이는 금속 가공의 한 방법을 압출 가공이라고 합니다.
압출 가공법의 특징은 압출 가공 할 때는 큰 압출력이 필요하므로 대부분의 금속은 변형 저항이 작은 상태인 높은 온도에서 가공해야 합니다. 또 압출 공정에서 빌릿은 다이 나 압출용기 와의 상호작용에서 압출에 의한 응력을 받기 때문에 빌릿제조 과정에서 생긴 재료의 균열이 없어지는 효과를 얻을 수 있습니다. 보통 방법으로 가공하기 어려운 스테인리스강, Ni 합금강 또는 Mo합금강등은 압출 가공 방법으로 많이 가공하고 다른 가공법으로는 제조하기 힘든 중공품(中空) 또는 단면이 불규칙하며 비대칭적인 형상의 것이라도 간단하게 얻을 수 있습니다.
2. 압출 가공의 종류
압출 가공에는 직접 압출법과 간접 압출법의 2가지 기본형태가 있습니다.
1) 직접 압출법(direct extrusion, 전방 압출)
- 금속 빌릿이 압축 용기 속에 놓여 있고 그것은 램(ram)의 방향과 제품이 압출되어 나오는 방향이 같을 때를 직접 압출이라 합니다.
2) 간접 압출법(indirect extrusion, 후방압출, 역압출)
- 2개의 램 끝에서 압출 다이가 붙어 있고 압출용기의 다른 쪽 끝은 막음판으로 막혀 있으며 제품이 램의 진행 방향과 반대 방향으로 압출되는 방법입니다.
다음으로는 열간 압출, 냉간 압출, 충격 압출을 살펴보도록 하겠습니다.
열간 압출 가공에서는 대부분 직접 압출이 많이 이용되는데 열간 압출 가공에서는 높은 압력과 온도에 견딜 수 있는 내열성의 금형과 심봉으로 하여야 합니다. 또 열간 압출된 제품의 용도는 항공기용 부품에서부터 가전제품, 수도, 차량, 선박용 등 다양하게 사용되고 있습니다.
냉간 압출은 열간 압출에 비하여 가공압력이 대단히 높으며, 공구에 가해지는 압력도 커지게 됩니다. 냉간 압출은 선재, 봉재 및 판재를 사용한 소형의 기계부품 등의 제조에 사용되어지고 Al, Cu 및 Cu합금, Mg 등의 냉간 압출에 사용됩니다.
충격 압출 가공은 다른 방법으로는 접을 수 있는 치약 튜브와 같이 속이 빈 짧은 용기를 만드는데 흔히 사용하는 충격 압출 방법이 있습니다. 짧은 시간 이내에 압출 가공하는 방법으로 고속의 기계 프레스로써 냉간 가공하는 경우가 많습니다. 디프트 드로잉 (deep drawing)에 비해 공정이 짧고 빠르며 치수 정밀도가 높고 깨끗하게 이루어집니다.
3. 압출 가공의 기초
(1) 무윤활 압출법 및 윤활 압출법
무윤활 압출법(자체 운활 압출법, 난류 압출법) 이란 AI 및 Al 합금의 압출에는 윤활제(lubricant)를 사용하지 않는 것이 보통입니다. 가공성이 매우 좋고, 가공 온도에서 윤활성이 좋은 표면 산화막이 생기는 일이 없기 때문에 컨테이너나 다이스 등의 공구에 대하여 높은 접착성을 가진 재료의 압출에 적용되어집니다. 하지만 무윤활 압출법은 Al, Pb, Zn 등과 같은 저 융점 금속 및 Cu 합금에 한정됩니다.
Al이나 황동 등을 제외한 모든 금속 재료의 압출은 윤활 압출에 의해서 행해집니다. 변형시의 흐름이 균일하며, 국부적인 응력 집중이 없으므로 Mg 합금과 같은 저온 가공재는 물론 철강, Ti합금, Zr합금, Ni합금, Be청동, W 등의 고온 가공재도 이용됩니다. 압출법의 원리는 압출 방향에 대하여 적당한 경사를 가진 곡면다이스를 사용하여 경사를 붙인 빌릿을 장입하고 빌립과 공구면 사이에 충분한 양의 윤활제를 공급한 뒤 압출하는 것입니다.
(2) 압출에 필요한 힘
단면적 A의 빌릿을 다이스를 통해 압출하여 단면적 2의 재료를 가공할 경우의 A단위면적에 대한 압출 변형 압력 P는 P = log A/a 로 표시합니다. 여기서 K는 재료의 변형 저항을 의미합니다.
실제의 압출 가공시에는 변형으로 인한 압출 압력 P 이외에 빌릿의 표면에 있어서의 마찰력 R를 고려해야 합니다. 따라서 R = CL마찰계수 K의 식이 성립하게 됩니다. 여기서 C는 컨테이너 내벽 둘레의 길이이고 ㄴ은 빌릿의 유효 길이(다이 스면 부근에서 실제 변형이 시작되는 위치에서 압판에 닿은 말단까지의 길이)를 뜻합니다.
압출에 필요한 힘 F은 이 두 종류의 힘의 합계이므로 F = P + R 입니다. 변형에 필요한 힘 P는 온도 변화가 없는 한 압출의 과정은 거의 일정하나 마찰력 R은 빌릿의 유효길이에 관계되므로 압출 중에 변화하게 됩니다.
무윤활의 경우 길이 L의 빌릿을 압출할 때의 램의 행정과 압축력의 관계를 살펴보도록 하겠습니다. 압출 초기에 압출력 F는 높은 값을 표시하나 마찰력의 저하와 더불어 점차 저하하여 압출 말기에는 마찰력 R이 0에 접근함에 따라 변형력 P에 가까워지게 됩니다. 최후에는 램의 선단이 부동 영역에 도달하여 이 부분도 변형한 것이 되므로 또다시 압출력 F는 상승하게 됩니다.
윤활 압출의 경우의 램의 행정과 압출력의 관계를 살펴보면 마찰력 R은 윤활제에 의해서 좌우되는데 유효한 윤활제를 사용할 때는 변형량 P에 비하여 훨씬 작으므로 마찰력을 무시할 수가 있습니다. 압출력 F는 항상 변형 소요력 P와 거리가 동일하고 압출 곡선은 압축의 각 시기를 통해서 수평하게 되므로 가공 온도는 변형 저항 K와 마찰계수의 쌍방에 영향을 지니므로 온도 변화로 인해 압출 변형 압력 P 및 마찰력 R이 변화하고 압출의 소요력 F가 변동한다고 볼 수 있습니다.
(3) 압출 가공의 가변량
압출 방법을 먼저 살펴보도록 하겠습니다. 압출 방법은 압출 가공에 필요한 압출력을 좌우하는 중요한 조건입니다.
압출 방법, 압출비, 압출 온도, 변형 속도, 다이와 용기의 마찰 이 바로 그 조건들 입니다.
압출 압력이란 압출력을 빌릿의 단면적으로 나눈 값으로 직접 압출에서 가공 금속은 압출 압력이 최대값일 때 다이를 통해 나가기 시작합니다.