단조기계

단조기계(鍛造機械)는 증기 해머나 수압(水壓) 프레스처럼 금속 재료에 타격을 가하여 여러 가지 모양의 물건을 만드는 기계이다.

개요

단조장비의 일번적인 속도 범위

단조에도 다양한 용량, 속도, 행정 특성을 줄 수 있는 여러 가지 단조기계가 사용되고 있다. 단조기계는 대략 프레스와 해머로 구분한다. 단조기계의 선택에 있어서 중요하게 고려되어야 할 점은 소요 하중 및 에너지, 크기, 단조품의 형상 및 복잡성, 소재 재료의 강도, 재료의 변형 속도에 대한 민감도 등이다. 그 밖에 고려되어야할 인자로는 생산율, 정밀도, 유지 보수, 요구되는 작업 숙련도, 소음도 및 가격 등을 들 수 있다. 일반적으로 알루미늄 마그네슘, 벨릴륨, 청동 및 황동 등에서 프레스가 흔히 사용된다. 해머는 강, 티타늄, 구리 및 내열 금속 합금에 잘 사용된다. 한 개의 단조품이라 해도 두 종류 이상의 기계가 사용될 수 있다. 예로써, 해머에서 일단 가공된 후 유압 또는 기계 프레스에서 후속 가공되는 것을 들 수 있다.

프레스

각종 단조기계의 작동원리

기계프레스(mechanical press)

기계 프레스는 기본적으로 크랭크 기구나 편심형으로 속도는 행정의 중간에서 최대에 달하고 행정의 끝에서는 영이 된다. 램이 상하 운동하도록 편심축 대신 크랭크축을 사용할 수도 있다. 따라서 기계 프레스는 제한 행정을 갖게 된다. 기계 프레스에서는 전동기에 의해 회전하는 큰 플라이휠에 의해 에너지가 전달된다. 플라이휠과 편심축은 클러치를 통해 연결된다.

회전 운동은 커넥팅 로드를 통해 선형 왕복 운동으로 바뀐다. 너클 조인트 프레스는 특수하게 설계된 링크 기구에 의해 매우 높은 하중을 가할 수 있다. 기계 프레스에서 얻을 수 있는 하중은 행정위치에 따르고 하사점 부근에서는 하중이 매우 커지게 된다. 따라서 금형이나 장비의 부품 파손을 피하려면 적절하게 정렬시켜야 한다. 기계 프레스의 생산율은 매우 높으며, 자동화가 용이하고 다른 단조 기계에 비해 작업자의 숙련도가 덜 요구된다.

대략적인 작동 방식은 다음과 같다.

ⅰ) 전기모터에 의해 회전하는 대형 플라이휠로부터 에너지를 공급 받는다.

ⅱ) 클러치가 편심축을 플라이휠에 연결한다.

ⅲ) 커넥팅 로드가 회전 운동을 직선 왕복운동으로 변환시킨다.

위의 (b) 그림에서 나타난 너클조인트(knuckle joint) 기계 프레스는 링크절의 설계 덕분에 큰 하중을 작용할 수 있다. 기계 프레스는 행정 위치에 따라 하중이 달라진다. 하사점 부근에서 매우 큰 하중이 발생되고 금형이나 장비 부품의 파손을 막기 위해서는 배치가 중요하다. 높은 생산성을 가지며 자동화가 용이하고 낮은 숙련도를 요구한다. 높은 정밀도를 요구하는 단조품의 성형에 사용된다.

나사 프레스(screw press)

나사 프레스는 플라이휠로부터 에너지를 전달받으므로 제한된 에너지를 갖는다. 단조 하중은 수직으로 놓여진 나사를 통하여 전달된다. 플라이휠에 저장된 에너지가 모두 사용되면 램은 정지하게 된다. 한 주기가 끝나도 금형이 완전히 닫히지 않으면 단조가 완료될 때까지 작업이 반복된다. 나사 프레스는 여러 가지 자유 단조, 형단조에 사용되며 터 빈 블레이드와 같이 소량의 정밀한 제품의 단조에 적절하다.

유압 프레스(hydraulic press)

유압 프레스는 일정한 속도로 작동되고 최대 하중 또는 제한 하중을 갖고 있다. 다시 말하면, 기계의 용량을 초과하는 하중에 대하여는 프레스의 작동이 정지한다. 조절 가능한 전 행정 및 속도에 걸쳐 일정한 하중으로 소재에 큰 에너지를 전달할 수 있는 특징이 있다.

다른 단조 기계에 비하여 유압 프레스로 가공하는 데는 많은 시간이 소모되므로 가열된 금형을 사용하지 않으면 소재는 쉽게 냉각된다. 기계 프레스에 비하여 유압 프레스는 느리고, 초기 비용이 많이 들지만, 유지 보수는 용이한 편이다.

해머(hammer)

해머는 램의 위치에너지를 운동에너지로 변환하여 에너지를 얻기 때문에 에너지가 제한된다.(energy limited)

유압 프레스와 달리 해머는 고속으로 작동하므로 열간 단조에서 냉각을 최소화한다. 낮은 냉각 속도는 복잡한 형상, 특히 얇고 깊은 부분이 있는 제품의 단조를 가능하게 만든다. 일반적으로 단조를 완료하기 위해 같은 금형으로 여러 번의 타격을 가한다. 해머는 다양한 설계를 가능하게 하며 가장 다재다능하고 경제적인 단조 장비이다.

낙하 해머(power drom hammer)

낙하 해머는 램의 낙하 행정이 증기압, 공기압 혹은 수압에 의해 가속된다. 중력 낙하 해머(gravity drop hammer)를 이용한 단조 공정을 낙하 단조(drop forging)이라고 부른다. 중력낙하 해머에서는(즉, 낙하 단조의 경우), 자유 낙하하는 램으로부터 에너지를 얻는다. 이 종류의 해머에서 얻을 수 있는 에너지를 램의 중량과 낙하 시 들어 올리는 높이의 곱이 된다. 램의 중량은 180kg에서 4,500kg에 이르고, 에너지 용량은 최대 120KJ에 이른다.

카운터 블로우 해머

카운터 블로우 해머는 제품을 단조하는데 동시에 서로 수평 혹은 수직으로 접근하는 2개의 램을 갖는다. 자유 단조 작업에서는 소재가 원하는 형상이 되도록 매 타격 사이마다 소재를 일정 각도씩 회전시킨다. 카운터 블로우 해머는 고속으로 작동되지만 지지대에 진동을 많이 주지 않는다. 용량은 최대 1,200KJ까지이다.

고에너지 단조 기계

고압의 불활성 기체를 이용하여 램을 급속히 가속시키는 단조 기계로서 한 번의 고속 타격으로 소재를 단조한다. 유지보수, 금형 파손, 안전 문제 등으로 산업 현장에서는 사용이 제한적이다.

서보 프레스(servo press)

비교적 최근에 개발된 단조 기계이다. 기계 프레스, 너클 조인트 프레스, 나사 프레스 등에서 사용되는 링크절과 서보 장치가 함께 사용된다.

서보프레스의 개략도

클러치나 브레이크가 없는 대신 서보 모터를 통해 속도를 조절한다. 속도, 행정 등의 조절이 가능하기에 다양한 재료나 제품에 대한 최적의 단조 공정을 수행할 수 있다.

참고자료

• 〈단조 기계 鍛造機械〉, 《네이버국어사전》
• 대원단조, 〈단조 기계-1 (프레스)〉, 《서강플랫폼》
• 대원단조, 〈단조 기계-2 (해머)〉, 《서강플랫폼》
• ssseramic, 〈기계공작법 14장 - 단조 공정과 장비〉, 《네이버 블로그》, 2022-10-27

같이 보기

• 단조
• 프레스
• 해머

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