단조란? - 정의, 공정 및 유형

단조란?

단조는 망치질, 압착 또는 압연을 통해 금속을 성형하는 제조 공정입니다. 이러한 압축력은 망치나 다이로 전달됩니다. 단조는 종종 냉간, 온간 또는 열간 단조가 수행되는 온도에 따라 분류됩니다.

다양한 금속을 단조할 수 있습니다. 단조에 사용되는 대표적인 금속에는 탄소강, 합금강, 스테인리스강이 있습니다. 알루미늄, 황동 및 구리와 같은 매우 부드러운 금속도 단조할 수 있습니다. 단조 공정은 최소한의 낭비로 우수한 기계적 특성을 가진 부품을 생산할 수 있습니다.

기본 개념은 원래 금속이 원하는 기하학적 모양으로 소성 변형되어 더 높은 피로 저항과 강도를 제공한다는 것입니다. 이 공정은 부품을 대량 생산하고 완제품에서 특정 기계적 특성을 달성할 수 있어 경제적으로 건전합니다.

단조는 수천 년 동안 대장장이에 의해 수행되었습니다. 전통적인 제품은 주방용품, 하드웨어, 수공구, 날이 있는 무기, 심벌즈 및 보석이었습니다.

산업 혁명 이후 단조 부품은 구성 요소에 고강도가 필요한 모든 기계 및 기계에 널리 사용됩니다. 이러한 단조품은 일반적으로 거의 완성된 부품을 얻기 위해 추가 가공(예: 기계가공)이 필요합니다. 오늘날 단조는 세계적인 주요 산업입니다.

 

단조의 역사

단조는 수천 년 동안 대장장이에 의해 수행되었습니다. 청동기 시대에는 청동과 구리가 가장 흔한 단조 금속이었다가 나중에 온도 조절 능력과 철을 제련하는 과정이 밝혀지면서 철이 주요 단조 금속이 되었습니다.

전통적인 제품에는 주방용품, 하드웨어, 수공구 및 날이 선 무기가 포함됩니다. 산업 혁명으로 단조가 보다 효율적이고 대량 생산 공정이 되었습니다. 그 이후로 단조는 장비, 로봇 공학, 전자 제어 및 자동화의 발전과 함께 발전해 왔습니다.

단조는 이제 다양한 크기, 모양, 재료 및 마감재로 고품질 금속 부품을 생산하는 현대식 단조 시설을 갖춘 세계적인 산업입니다.

 

 

단조 공정 유형

1. 드롭 단조
드롭 단조(Drop Forging)는 망치를 금속에 떨어뜨려 금형 모양으로 만드는 과정에서 이름이 유래되었습니다. 다이는 금속과 접촉하는 표면을 나타냅니다.
드롭 단조에는 개방형 단조와 폐쇄형 단조의 두 가지 유형이 있습니다. 다이는 일반적으로 모양이 평평하며 일부는 특수 작업을 위해 독특한 모양의 표면을 가지고 있습니다.

개방형 단조(스미스 단조)
개방형 단조는 스미스 단조라고도 합니다. 망치는 고정된 모루에 금속을 쳐서 변형시킵니다. 이러한 유형의 단조에서 금속은 금형에 완전히 구속되지 않으므로 금형과 접촉하는 영역을 제외하고는 금속이 흐를 수 있습니다.
원하는 최종 모양을 얻기 위해 금속의 방향과 위치를 지정하는 것은 작업자의 책임입니다. 플랫 다이가 사용되며 일부는 특수 작업을 위해 특수 형상의 표면을 가지고 있습니다. 개방형 단조는 단순하고 큰 부품과 맞춤형 금속 부품에 적합합니다.

개방형 단조의 장점
▷ 더 나은 피로 저항 및 강도
▷ 오류 및/또는 구멍의 가능성 감소
▷ 미세구조 개선
▷ 연속 곡물 흐름
▷ 더 미세한 입자 크기

폐쇄형 단조(인상형)
폐쇄형 단조는 인상형 단조라고도 합니다. 금속을 다이에 넣고 모루에 부착합니다. 해머가 금속에 떨어뜨려 흐르게 하고 다이 캐비티를 채웁니다.
망치는 밀리초 단위로 빠르게 연속적으로 금속과 접촉하도록 시간을 조정합니다. 과도한 금속이 다이 캐비티에서 밀려 나와 플래시가 발생합니다. 플래시는 재료의 나머지 부분보다 빠르게 냉각되어 다이의 금속보다 강합니다. 단조 후 플래시가 제거됩니다.
금속이 최종 단계에 도달하기 위해 다이의 일련의 공동을 통해 이동됩니다.
가장자리 인상(풀러링 또는 벤딩이라고도 함): 금속을 거친 모양으로 성형하는 데 사용되는 첫 인상.
충치 차단: 금속은 최종 제품과 더 유사한 모양으로 가공됩니다. 금속은 넉넉한 굽힘과 필렛으로 형성됩니다.
최종 인상 캐비티: 금속을 원하는 모양으로 마무리하고 디테일링하는 최종 단계.

폐쇄형 단조의 장점
▷ 최대 25톤의 부품 생산
▷ 소량의 마무리만 필요한 거의 그물 모양을 생성합니다.
▷ 대량 생산을 위한 경제성

 

2. 롤 단조
롤 단조는 원형 또는 평평한 봉재를 변형시키는 두 개의 원통형 또는 반원통형 수평 롤로 구성됩니다. 이것은 두께를 줄이고 길이를 늘리는 역할을 합니다.
이 가열된 막대는 각각 하나 이상의 모양 홈을 포함하는 두 롤 사이에 삽입 및 통과되며 기계를 통과할 때 점진적으로 모양이 형성됩니다. 이 과정은 원하는 모양과 크기가 될 때까지 계속됩니다.

자동 롤 단조의 장점
▷ 재료 낭비가 거의 또는 전혀 발생하지 않음
▷ 금속에 유리한 결정립 구조 생성
▷ 금속 단면적 감소
▷ 테이퍼 엔드 생성

3. 프레스 단조
프레스 단조는 드롭 해머 단조에 사용되는 충격 대신 느리고 지속적인 압력이나 힘을 사용합니다. 더 느린 램 이동은 변형이 더 깊이 도달하여 금속의 전체 부피가 균일하게 영향을 받는다는 것을 의미합니다.
대조적으로, 드롭 해머 단조에서 변형은 종종 금속의 내부가 다소 변형되지 않은 상태로 유지되는 동안 표면 수준에서만 발생합니다. 프레스 단조에서 압축률을 제어함으로써 내부 변형도 제어할 수 있습니다.

프레스 단조의 장점
▷ 대량 생산을 위한 경제성
▷ 0.01–0.02인치 이내의 공차 정확도 향상
▷ 다이는 더 나은 치수 정확도를 허용하는 드래프트가 적습니다.
▷ 다이의 속도, 압력 및 이동이 자동으로 제어됩니다.
▷ 공정 자동화 가능
▷ 프레스 용량 범위는 500–9000톤입니다.

4. 업셋 단조(Upset forging)
업셋 단조는 금속의 길이를 압축하여 직경을 증가시키는 제조 공정입니다. 특수 고속 기계인 크랭크 프레스는 업셋 단조 공정에 사용됩니다.
크랭크 프레스는 일반적으로 효율성을 높이고 한 스테이션에서 다음 스테이션으로 금속을 빠르게 교환하기 위해 수평면에 설치됩니다. 수직 크랭크 프레스 또는 유압 프레스도 옵션입니다.

업셋 단조의 장점
▷ 시간당 최대 4500개 부품의 높은 생산 속도
▷ 완전 자동화 가능
▷ 단조 드래프트 및 플래시 제거
▷ 폐기물이 거의 발생하지 않거나 전혀 발생하지 않음

5. 자동 열간 단조
자동 열간 단조에서는 상온에서 밀 길이의 강철 막대를 단조 기계의 한쪽 끝에 삽입하고 다른 쪽 끝에서 열간 단조 제품을 나옵니다. 바는 고출력 유도 코일로 60초 이내에 2190–2370°F 범위의 온도로 가열됩니다.
바는 롤러로 스케일을 제거하고 블랭크로 공유합니다. 이 시점에서 금속은 고속 냉간 성형 작업과 결합될 수 있는 여러 성형 단계를 통해 전달됩니다. 일반적으로 냉간 성형 작업은 마무리 단계로 남아 있습니다. 이렇게 하면 자동 열간 단조의 고속을 유지하면서 냉간 가공의 이점을 얻을 수 있습니다.

자동 열간 단조의 장점
▷ 높은 출력 속도
▷ 저가 재료 수용
▷ 기계 작동에 필요한 최소한의 노동력
▷ 재료 낭비가 거의 또는 전혀 발생하지 않음(재래식 단조에 비해 재료 절약 20~30%)

6. 정밀 단조(그물형 또는 그물형에 가까운 단조)
정밀 단조에는 최종 가공이 거의 또는 전혀 필요하지 않습니다. 단조 후 공정에서 발생하는 비용과 낭비를 최소화하기 위해 개발된 단조 공법입니다. 재료 및 에너지 절감과 가공 감소로 비용 절감이 달성됩니다.

 

7. 등온 단조
등온 단조는 금속과 금형을 동일한 온도로 가열하는 단조 공정입니다. 단열 난방이 사용되며 시스템과 외부 환경 사이의 순 질량 전달 또는 열 교환이 없습니다.
이러한 변화는 모두 내부 변화로 인해 고도로 제어된 변형률이 발생합니다. 열 손실이 적기 때문에 이 단조 공정에 더 작은 기계를 사용할 수 있습니다.

 

단조의 응용

엔진 및 변속기 부품 외에도 단조품은 다양한 기어, 스프로킷, 레버, 샤프트, 스핀들, 볼 조인트, 휠 허브, 롤러, 요크, 액슬 빔, 베어링 홀더 및 링크에 사용됩니다.

▷ 주로 단조 제품은 모든 기계 산업에서 사용됩니다.
▷ 터빈로터, 발전기로터 등은 단조품입니다.
▷ 피로강도가 높아 크랭크샤프트, 캠샤프트 기어 등 대부분의 가동부가 단조가공으로 만들어집니다.
▷ 냉간 단조는 끌, 볼트 등을 생산하는 데 사용됩니다.
▷ 주로 수공구 및 하드웨어 제조에 사용됩니다.
▷ 각종 구조물 작업의 선박 건조에 사용됩니다.

 

단조의 장점

단조는 이 공정이 조각의 모양에 따라 입자 흐름을 미세화하고 지시하기 때문에 더 나은 기계적 특성, 연성 및 피로 및 내충격성을 제공합니다. 거의 모든 금속, 철 및 비철을 단조할 수 있습니다.

▷ 단조로 제조된 부품이 더 강력합니다.
▷ 더 안정적이고 비용이 적게 듭니다.
▷ 열처리에 대한 더 나은 응답을 제공합니다.
▷ 보다 일관되고 우수한 야금 특성을 제공합니다.
▷ 그것은 제품의 넓은 크기 범위를 제공합니다
▷ 더 적은 보조 작업이 필요합니다.
▷ 설계 유연성이 뛰어납니다.

 

단조의 단점

▷ 열간 단조에서는 2차 작업을 수행하기 어렵습니다.
▷ 자본 비용이 큼
▷ 숙련공 필요 및 물질적 안전 절차를 따라야 함