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소성가공
소성가공(plastic working, 塑性加工)은 재료에 물리적인 힘을 가해 소성변형을 일으켜 재료를 원하는 형상으로 변형시키는 작업을 말한다. 소성가공의 종류에는 공정 방식에 따라 크게 단조, 압연, 압출, 인발 등이 있다. 가공 온도를 기준으로 열간가공과 냉간가공 등으로 구분할 수 있다.[1]
개요
재료에 탄성한계를 넘는 외력을 가하면 내부 응력에 의한 복원되지 않는 영구적인 변형이 남는 것을 소성변형이라고 하고 이런 성질을 이용한 가공법을 소성가공이라고 한다. 소성가공은 고체 재료에 힘을 가해 소성변형(塑性變形)을 이용해 갖가지 모양을 만드는 가공법이다. 금속 재료의 탄성 변형은 금속 조직에서 원자의 수축이완으로 원자 사이의 거리 변화로 일어난다. 하지만 더 항복점을 넘는 외력을 가하면 결정 내 인접한 평행한 격자면에 서로 미끄럼(Slip)이 생기고 이러한 미끄럼이 중복되어 결정의 변형이 일어난다. 소성가공은 고분자 재료의 가공에도 응용되지만 주로 금속 재료의 가공에 사용되는 가공법이다. 자동차 한 대를 만들 때 소성가공을 거치는 재료, 부품은 60%가 넘는다. 원가에서 차지하는 비율은 최소 35% 이상이다. 차체 섀시, 스티어링 휠, 범퍼 빔 등 구조물, 부품은 전부 소성가공을 거친다. 자동차뿐 아니라 항공기, 선박, 철도, 건설장비, 중공업, 발전소, 휴대폰, TV 등 거의 모든 산업기기, 부품에 활용된다.
소성가공은 가공하는 재료의 재결정온도를 기준으로 열간가공과 냉간가공으로 구분한다. 금속의 소성 가공에서 가공 온도에 따라 재결정 온도 이상에서 가공하는 것을 열간가공이라 하고 재결정 온도이하에서 가공하는 것을 냉간가공이라 한다. 열간가공은 금속을 가열하여 부드럽게 해서 가공하는 방법인데 작은 힘으로도 금속을 변형시킬 수 있고 같은 힘으로 한 번에 큰 변형을 줄 수가 있다. 즉 적은 공정으로 제품을 만들 수가 있어 경제적이다. 그러나 표면 다듬질이 아름답지 못하고 치수 정밀도 역시 좋지 않으므로 냉간가공의 소재(素材)로 하는 경우가 많다. 냉간가공은 상온에서 실시되어 정확한 치수의 것을 만들 수 있고 표면이 아름다운 것이 된다는 점이다. 매우 얇은 박(箔)이나 가느다란 선도 만들 수 있다는 장점이 있다. 가공경화를 이용해서 강력한 피아노선(線)을 만들 수도 있다. 또 냉간가공한 후 풀림(annealing)을 하여 결정입자의 방향을 가지런하게 하여 탄성률을 높일 수도 있다.[2][3][4]
장점
- 소성가공은 주물에 비하여 성형되는 치수가 정확하다.
- 금속의 결정 조직을 개량하므로 주조, 절삭 가공에 비해 강한 성질을 얻는다.
- 균일한 제품을 다량 생산할 수 있다.
- 절삭가공과 같이 칩이 발생되지 않고, 재료의 사용률을 높일 수 있다.
- 수리가 다른 가공법보다 용이하다.
종류
프레스
프레스(press)는 여러 가지 금형을 설치하여 압축력에 의해 금속 판재를 소요의 치수로 자르거나 원하는 모양으로 소성 변형시키는 기계를 말한다. 작동 방법이나 동력원에 따라 여러 가지 종류가 있으며 사람의 힘으로 작동하는 인력 프레스와 기계의 힘으로 작동되는 동력 프레스로 대별할 수 있다. 프레스는 원칙적으로 1개 이상의 서로 대응하는 공구(금형이나 전단 날 등)를 사용하여 그 공구 사이에 금속이나 플라스틱 등 소재를 놓고 공구가 소재를 강한 힘으로 압축시킴으로써 굽힘, 압축, 드로잉, 절단 및 천공 등 가공 작업을 하는 기계를 말한다. 프레스는 고정한 베드, 직선 왕복운동을 하는 슬라이드, 프레임, 원동기, 동력전도 기구 등으로 구성된다. 프레스의 종류는 구분하는 방법에 따라 여러 가지이지만 산업안전보건법에서는 슬라이드를 압출력을 발생시키는 구조에 기계프레스와 유압 프레스로 나눈다. 기계식 프레스는 전동기의 동력을 기어, 크랭크 등의 기구로 압축력을 발생시켜 가공 작업을 하는 것이다.[5][6]
단조
단조(forging, 鍛造)는 금속을 가열 또는 상온의 고체 상태에서 압력을 가해 제품을 만드는 것을 말한다. 쉽게 말해 딱딱한 금속 재료를 해머, 프레스 등으로 두들기거나 압력을 가해 기계적 방법으로 일정한 모양으로 만드는 것을 단조라고 부른다. 빨갛게 달아오른 금속을 대장장이가 망치로 두드려 갑옷, 칼을 만드는 것을 떠올리시면 쉽다. 단조의 장점으로는 충격 및 전단 강도에서 강한 결과물을 만들 수 있다. 주조로 만들어지는 제품보다 튼튼하다. 단조의 특성상 다공성, 수축, 공동 및 냉기 문제가 발생하지 않는다. 단조의 단단한 입자 구조는 기계적으로 강하기 때문에 고강도 구성 요소를 얻기 위해 고가의 합금을 적게 필요로 한다. 하지만 크기에 제한이 있으며 상대적으로 정밀도가 낮다. 이를 극복하기 위해 후가공이 필요하다.
단조는 자유단조와 형단조로 분류할 수 있다. 여기서 자유단조란 평탄한 공구 사이에 소재를 놓고 적당히 돌리거나 위치를 바꾸며 두들기면서 원하는 모양의 제품으로 만드는 공정을 말한다. 또 형단조란 가열된 금속재를 금형에 맞춰 성형하는 방식의 공정을 말합니다. 형단조는 특정 형상의 금형 다이 2개 사이에 금속 재료를 집어넣고 위아래 다이로 압착해 특정 형상의 단조품을 만드는 것을 말한다.
압연
압연(rolling, 壓延)은 밀가루 반죽을 방망이로 밀어내는 것과 같은 원리이다. 회전하는 2개 이상의 롤러 사이로 금속 재료를 높은 압력으로 눌러주며 단면을 밀어내 만드는 방식을 말한다. 이렇게 만들어진 제품을 압연 강재라고 부른다. 단조, 압출, 인발, 전조 등에 비해 단순한 형상의 제품을 만들어 낸다. 롤러에 가해지는 압축응력의 발생을 조절하며 두께를 변형할 수 있다. 열간압연 공정은 슬래브를 압연하기에 적당한 온도 1,100℃~1,300℃ 까지 가열한 후 원하는 두께와 폭으로 압연한다. 특히 가소성이 양호한 상태에서 압연이 진행되기 때문에 변형이 쉽게 일어난다. 또 산화가 발생하기 때문에 표면이 지저분한 스케일이 발생하며 강도도 낮고 얇게 만들 수 없는 것이 단점이다. 냉간압연 과정을 거치게 되면 열간 압연된 판을 더 얇게 만들 수 있다. 또 금속표면을 미려하게 만들고 금속 재료의 기계적 성질을 더 좋게 만들어준다. 이런 냉간압연을 통해 만들어지는 제품으로는 박판, 후판, 자동차, 가전제품, 기계구조물, I-빔, 철도 레일, 환봉 등 다양하다.
압출
압축(extrusion, 壓出)은 금속재료를 높은 압력을 주며 다이(틀)의 구멍으로 밀어내며 단면을 수축시키는 공정을 말한다. 다이에 뚫린 구멍의 형상에 맞는 막대나 관 등을 생산할 수 있다. 공정은 주로 재료의 변형 저항이 작은 온도 조건인 열간에서 진행되고 봉이나 관의 생산에 주로 이용된다. 하지만 연한 재료를 이용하면 불규칙적인 단면을 가진 긴 제품의 제작할 수도 있다. 쉽게 방앗간에서 가래떡을 뽑는 원리와 같다고 생각하시면 된다. 압출로 만들어지는 제품으로는 봉재, 선재, 관제 등이 있으며 주로 구조 및 건축용 형상재로 사용되는 것들이다.
인발
인발(drawing, 引拔)은 선재나 가는 파이프를 만들기 위한 금속가공법 중 하나이다. 영어로는 드로잉(Drawing)이라고 부르며 금속을 다이(틀) 사이로 통과시켜 원하는 형상과 크기로 변형시키는 작업을 말한다. 인발에 대한 사전적 뜻은 일정한 모양의 구멍으로 금속을 눌러 짜서 뽑아내어 자른면이 그 구멍과 같고 길이가 긴 제품을 만들어 내는 일을 말한다. 쉽게 국수를 뽑는 기계를 상상하시면 된다. 인발 공정은 단조, 압연, 압축 등의 소성가공 중에서 재료에 가장 많은 변형을 주는 공정이다. 인발을 통해 생산되는 제품으로는 봉재, 선재, 관재, 볼트, 구조재 등 다양하다.
전조
전조가공(forming rolling, 轉造)은 다이(틀) 사이에 소재를 넣고 상온에서 소성 변형시켜 원하는 모양으로 만드는 가공 방식을 말한다. 전조가공은 주로 나사나 기어를 만드는데 이용되고 있다. 전조에 사용되는 다이는 금형강, 베어링강, 합금공구강 등으로 만들어지며 나사 또는 기어의 모양으로 되어있어 작업에 용이하도록 설계되어 있다. 전조가공의 종류에는 왕복식과 회전식이 있습니다. 왕복형은 나사의 모양을 판상으로 만든 평판형 다이 1쌍 사이에 가공할 소재를 끼우고 압력을 가하면서 다이를 왕복 운동시켜 나사산을 만드는 방식이다. 왕복형은 소형 나사의 대량생산에 특화된 방식이다. 회전식은 나사의 모양에 따라 둥근 형태로 만들어진 원형 다이 2개를 회전시켜 사이에 소재를 끼우고 나사산 만드는 방식이다. 주로 정밀한 나사를 제작하는데 이용한다. 전조가공은 모두 가공시간을 효율적으로 줄여주는 것이 장점이다. 전조를 통해 만들어진 나사가 절삭을 통해 만들어진 나사보다 정밀도가 더 높고 체결력 또한 우수하다.
오스포밍
오스포밍은 가공 열처리 방식 중 하나로써 탄소강이나 고탄소강을 오스테나이트 상태에서 소성가공을 하고 이후에 냉각 중에 마르텐사이트화하는 열처리 방법을 말한다. 오스포밍은 가공열처리 시 제품의 마르텐사이트는 미세해져 강도가 증가하는 것에 비해 연신율이나 연성이 저하되지 않는 것이 가장 큰 특징이다.[7]
관련 뉴스
소성가공(塑性加工)은 척박한 국내 뿌리기술 업계에 핀 꽃이다. 국내 소성가공 기술력은 주물, 금형, 용접 등과 달리 세계 4위권이다. 규모도 일본, 독일, 미국에 이어 네 번째다. 소성가공은 매출액 기준 전체 뿌리기술에서 차지하는 비율(15.5%)이 세번째로 높다. 국가뿌리산업진흥센터에 따르면 2013년 소성가공 매출액은 14조 82억 원 수준이다. 총 5만 5000여 명이 5300개 업체에서 일한다. 소성가공은 물체 소성(외부의 힘을 받은 물체가 힘을 제거한 이후에도 원래 형태로 돌아가지 않으려는 성질)과 압력을 이용해 일정 형태의 제품을 만드는 기술이다. 단조, 압출, 압연, 신선, 전조 등이 해당된다. 주로 금속 가공에 쓰였지만 최근엔 알루미늄, 세라믹 등 여러 재료에 응용된다.[8]
각주
- ↑ 〈소성가공〉, 《위키백과》
- ↑ 〈소성가공〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 대구공돌이, 〈(소성)소성가공과 재결정〉, 《네이버 블로그》, 2021-08-11
- ↑ 〈소성가공(plastic working)〉, 《사이언스올》
- ↑ 바람, 〈프레스(PRESS)란?〉, 《네이버 블로그》, 2008-12-23
- ↑ 유진종합기계, 〈프레스의 정의〉, 《네이버 블로그》, 2014-03-21
- ↑ 판금기계설계, 〈소성가공의 종류 총정리!/단조,압연,압출,인발,전조,오스포밍이란?〉, 《티스토리》, 2020-05-21
- ↑ 송병우, 〈(뿌리기술이 힘)③ 소성가공(塑性加工), 뿌리기술의 꽃〉, 《조선비즈》, 2014-12-24
참고자료
- 〈소성가공〉, 《위키백과》
- 〈소성가공〉, 《네이버 지식백과》
- 대구공돌이, 〈(소성)소성가공과 재결정〉, 《네이버 블로그》, 2021-08-11
- 〈소성가공(plastic working)〉, 《사이언스올》
- 바람, 〈프레스(PRESS)란?〉, 《네이버 블로그》, 2008-12-23
- 유진종합기계, 〈프레스의 정의〉, 《네이버 블로그》, 2014-03-21
- 판금기계설계, 〈소성가공의 종류 총정리!/단조,압연,압출,인발,전조,오스포밍이란?〉, 《티스토리》, 2020-05-21
- 송병우, 〈(뿌리기술이 힘)③ 소성가공(塑性加工), 뿌리기술의 꽃〉, 《조선비즈》, 2014-12-24
같이 보기
