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Bong-Kee LeeSchool of Mechanical Systems Engineering

Chonnam National University

소성가공

3. Forging (I)

School of Mechanical Systems Engineering소성가공

Overview

단조(forging)– 금형세트로 별개의 제품을 생산하며 보통 마무리 공정이

필요– 주조나 분말야금기술로도 비슷한 제품의 제조가 가능– 열간에서 이루어지는 경우가 많음– 다이(금형)와 장비 가격이 고가임– 인건비는 중간 내지 높은 편이며, 중간 혹은 높은 편의 숙

련도가 요구됨


Forging

단조(forging)– 다양한 다이 및 공구로 소재에 압축하중을 가해주어 소성

변형을 일으킴으로써 개별부품을 성형하는 공정• 전형적인 단조제품: 자동차 엔진부품, 터빈 디스크, 기어, 볼트, 각

종 기계와 철도 및 수송기계에 들어가는 구조용 부품들

(a) Schematic illustration of the steps involved in forging a knife. (b) Landing-gear components for the C5A and C5B transport aircraft, made by forging. (c) General view of a 445 MN (50,000 ton) hydraulic press.


Forging

단조(forging)– 결정 구조

• 다이 내부에서의 금속 흐름과 금속 재료의 결정 구조의 조절이 가능함

• 단조 제품은 뛰어난 강도와 인성을 가지며, 큰 하중이 작용하거나극한 상황에서의 적용 등에서 신뢰성을 가짐

(a) Casting, (b) machining from a blank, and (c) forging


Forging

단조(forging)– 일반적 특성

• 상온에서 이루어 지거나 (냉간단조), 고온에서 이루어짐 (온간단조혹은 열간단조)

• 일반적으로 추가적인 마무리 작업이 요구됨– 물성을 변화시키기 위한 열처리 또는 치수 정밀도와 표면 특성을 얻

기 위한 기계 가공 등

• 정형가공(net-shape forming) 혹은 준정형가공(near-net shape forming)의 대표적인 예인 정밀단조(precision forging) 기술을 적용함으로써 마무리 작업을 최소화할 수 있음


Forging

자유단조(open-die forging)– 가장 간단한 형태의 단조

Process Advantages Limitations

Open dieSimple and inexpensive dies; wide range of part sizes; good strength characteristics; generally for small quantities

Limited to simple shapes; difficult to hold close tolerances; machining to final shape necessary; low production rate; relatively poor utilization of material; high degree of skill required

Closed die

Relatively good utilization of material; generally better properties than open-die forgings; good dimensional accuracy; high production rates; good reproducibility

High die cost, not economical for small quantities; machining often necessary

Blocker Low die costs; high production ratesMachining to final shape necessary; parts with thick webs and larger fillets

ConventionalRequires much less machining than blocker type; high production rates; good utilization of material

Higher die cost than blocker type

PrecisionClose dimensional tolerances; very thin webs and flanges possible; machining generally not necessary; very good material utilization

High forging forces, intricate dies, and provision for removing forging from dies


Forging

자유단조(open-die forging)– 업세팅(upsetting), 평판 단조(flat-die forging)

• 금속 소재를 두 개의 평판 다이 사이에서 압축하여 높이를 감소시키는 작업

• 배럴링(barreling)– 다이와 소재 사이의 면에서 발생하는, 소재의 흐름에 반대되는 마찰

력 때문에 주로 발생함– 효과적인 윤활을 도입함으로 최소화될 수 있음


Forging

자유단조(open-die forging)– 코깅(cogging)

• 막대 모양의 소재의 두께를 감소시키는 자유단조 공정• 연속적인 단조 작업(바이트, bite)이 특정 간격으로 이루어짐

(a) Schematic illustration of a cogging operation on a rectangular bar. (Blacksmiths use this process to reduce the thickness of bars by hammering the part on an anvil. Reduction in thickness is accompanied by barreling.)(b) Reducing the diameter of a bar by open-die forging(c) The thickness of a ring being reduced by open-die forging


Forging

형단조(impression-die forging)– 형상을 가지고 있는 두 개의 다이 사이에서 소재를 단조

하여 공동부(cavities)의 형상으로 소재를 변형시키는 공정– 향상된 연성(ductility)과 단조에 필요한 힘을 감소시키기

위하여 일반적으로 고온에서 공정이 이루어짐

• 플래시(flash): 금형 외부로 밀려 나가는 소재의 일부– 길이 대 두께비가 커 높은 압력이 발생– 재료 유동에 대한 마찰저항이 높음– 열간단조 시 빨리 냉각되어 변형저항이 큼


Forging

형단조(impression-die forging)– 형단조 다이의 주요 용어들

• 분리선(parting line)• 플래시(flash)• 드래프트 각(draft angle)


Forging

형단조(impression-die forging)– 다이 인서트(die insert)

• 다이 인서트 등 여러 부품으로 구성되어진 다이의 설계와 제작• 복잡한 모양의 성형 공정에 적용

Die inserts used in forging an automotive axle housing


Forging

형단조(impression-die forging)– 형단조 예비가공(preforming operations)

• 소재 블랭크(blank)의 준비– 압출이나 인발된 소재에서 절단– 예비 성형품(preform) 제작: 분말야금, 주조, 예비 단조

• 형단조 공정에서 재료가 쉽게 다이의 공동부를 채울 수 있도록 미리 시행하는 작업들

– 룰러링(fullering): 재료를 분산시키는 작업– 에징(edging): 재료를 한 곳으로 모으는 작업


Forging

형단조(impression-die forging)– 예. 내연기관의 커넥팅 로드의 단조

• 환봉 형태의 소재• 예비가공: 에징• 블록킹(blocking): 블락커 다이(blocker die)를 이용한 거친 형상의 성형• 최종 형상의 단조• 트리밍(trimming)

• 다이 캐비티에서 높은 미끄럼속도(변형률)혹은 높은 압력 중 하나만을 받도록 설계


Forging

형단조(impression-die forging)– 트리밍(trimming)

• 단조된 성형품에서 플래시를 제거


Forging

폐쇄단조(closed-die forging)– 다이가 소재를 완전히 둘러싸서 플래시를 발생하지 않는

공정• 소재의 체적에 대한 정확한 계량과 적절한 다이 설계가 요구

– 부족한 소재: 다이 캐비티의 미충전– 과다한 소재: 과도한 압력의 발생과 금형 혹은 기계의 파손


Forging

정밀단조(precision forging)– 추가적인 마무리 작업을 최소화하기 위한 정밀한 단조 공

정• 기어, 커넥팅 로드, 터빈 블레이드 등• 정밀단조에서 요구되는 점들

– 특별하고 복잡한 다이– 소재의 부피와 형상에 대한 정밀한 조정– 다이 캐비티 내에서의 정밀한 소재 위치 조정


Forging

일반적인 단조 공정 순서– 소재의 준비: slug, billet, or preform– (열간단조) 가열로에서 소재 가열 및 필요 시 표면 처리– (열간단조) 다이의 예비 가열 및 윤활 (냉간단조) 블랭크

윤활– 다이를 이용한 단조 수행 및 마무리 작업(trimming,

machining, or grinding)– 세척 및 치수 측정– 열처리, 표면 처리 등 추가 공정 수행– 내외부의 결함 점검


Forging

기타 단조 작업– 코이닝(coining)

• 폐쇄단조의 한 형태로 동전, 메달, 장신구 등의 성형에 주로 이용됨

• 초기에는 자유단조의 형태로 진행되었으나, 현재는 폐쇄단조 방식으로 높은 정밀도와 윤곽의 성형이 가능함


Forging

기타 단조 작업– 헤딩(heading) 또는 업셋 단조(upset forging)

• 환봉이나 선재의 한쪽 끝에 넓은 단면부를 형성하는데 적용됨• 볼트, 스크류, 못 등의 부품들• 헤더(header): 헤딩작업을 고속으로 수행하는 장치


Forging

기타 단조 작업– 천공(piercing)

• 소재의 표면에 펀치를 압입시켜 공동부나 압입된 형상을 만드는공정

• 예. 볼트의 머리에 압입 형상을 만드는 공정• 천공력(piercing force)은 (a) 단면의 넓이와 펀치의 팁 형상, (b) 소

재의 강도, (c) 접촉면에서의 마찰력의 크기에 영향을 받음


Forging

기타 단조 작업– 예. 헤딩과 천공을 이용한 다단 핀의 제작

• 자동차 좌석의 위치를 조정하기 위한 롤러부의 부속품


Forging

기타 단조 작업– 허빙(hubbing)

• 특정 형상으로 경화 처리된 펀치로 소재 표면을 압입하여 공동부를 만드는 작업

• 다른 제품의 성형을 위한 금형 혹은 다이의 제작에 이용

– 궤도 단조(orbital forging)


Forging

기타 단조 작업– 인크리멘탈 단조(incremental forging)

• 작은 변형을 일으키는 다수의 과정으로 구성• 일반적인 단조에 비하여 적은 힘과 단순하고 저렴한 다이의 적용

– 등온 단조(isothermal forging)• 가열된 소재와 같은 온도로다이를 가열하여 성형• 낮은 강도 및 높은 연성으로뛰어난 치수 정밀도를 가지는복잡한 부품의 성형이 가능


Forging

기타 단조 작업– 로터리 스웨이징(rotary swaging)


Forging

기타 단조 작업– 튜브 스웨이징(tube swaging)

• 튜브의 내경(internal diameter) 혹은 두께를 감소• 맨드렐을 이용하여 내부에 형상을 가지는 튜브의 성형이 가능


Forging

단조성(forgeability)– 소재가 균열을 일으키지 않고 겪을 수 있는 변형능력과

소요하중으로 정의– 단조성을 정량적으로 평가하기 위한 다양한 시험법들이

개발되었으나, 일반적으로 두 가지 방법만이 주로 이용됨• 업세팅(upsetting) 시험: 원기둥 시편의 압축• 열간-꼬임(hot-twist) 시험: 원주 시편의 비틂

• 양호한 단조성: 알루미늄, 마그네슘, 구리와 그 합금들, 탄소강 및저합금강

• 부족한 단조성: 초합금, 탄탈, 몰리브덴, 텅스켄과 그 합금들


Forging

단조 결함(defects)– 표면의 크랙(crack) 이외에 다른 결함들이 단조 중 다이 내

에서의 재료의 흐름에 의해서 발생함

웹 부분의 좌굴로 인한 겹침

소재가 과대하여 단조품에 생기는 내부 결함


Forging

단조 결함(defects)– 내부 결함의 주요 원인

• 다이 캐비티 내부에서의 재료의 균일하지 않은 변형• 단조 공정 중 소재에서의 온도 구배• 상 변화에 의한 미세구조의 변화


Forging

단조 기계– 단조력, 속도, 속도-행정(stroke) 특성 등에 따라 다양한 단

조 기계들이 존재함

Equipment m/s

Hydraulic press 0.06-0.30

Mechanical press 0.06-1.50

Screw press 0.60-1.20

Gravity drop hammer 3.60-4.80

Power drop hammer 3.00-9.00

Counterblow hammer 4.50-9.00


Forging

단조 기계– 유압 프레스(hydraulic press)

• 일정한 낮은 속도로 작동되고 하중이 제한됨• 일정한 하중으로 소재에 큰 에너지를 전달할 수 있음• 자유단조 및 형단조에 사용

– 기계 프레스(mechanical press)• 크랭크 프레스(crank press) 혹은 너클 조인트 프레스(knuckle

joint press)• 행정이 제한되며, 속도가 행정의 중간에서 최대이며 하사점에서는

영이 됨(하사점 부근에서 하중이 최대가 됨)


Forging

단조 기계– 나사 프레스(screw press)

• 수직나사를 통하여 플라이휠로부터 에너지를 전달• 에너지가 제한되며, 소량의 정밀 제품이나 램 속도를 조절해야 하

는 단조에 적절함

– 해머(hammer)• 램의 위치에너지를 운동에너지로 변환시켜 에너지를 얻는 방식으

로 에너지가 제한됨• 동력해머(power hammer, power drop hammer): 램의 낙하 중 증

기압이나 공기압으로 가속• 해머가 고속으로 작동하여 열간단조 시 냉각속도를 최소화할 수

있어, 얇고 깊은 부분이 있는 단조품의 단조에 사용


Forging

단조 기계– 카운터블로우 해머(counterblow hammer)

• 동시에 접근하는 두 개의 고속 램으로 소재를 단조• 기계-공압식 혹은 기계-유압식을 사용

– 고에너지단조(HERF, high-energy-rate forging)• 램을 고압의 불활성 기체로 가속• 한 번에 빠른 속도의 소재 단조가 가능

3. Forging (I)elearning.kocw.net/contents4/document/lec/2012/ChonN… · · 2013-07-19and C5B transport aircraft, made by forging. (c) General view of a 445 MN (50,000 ton) hydraulic

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