다양한 가공 방법 알아보기 - ② 단조

안녕하세요, 뽀니입니다~

모형제작에 관심이 많아서 최근에는 시제품 제작이나 목업에 많이 활용되고 있는 3D프린터와 다양한 가공에 대해 자세하게 알아보고 있습니다.

지난 포스팅부터는 다양한 가공 방법에 대해 알아보고 있었는데요, 1탄에서는 주조란 무엇인지 그 특징과 장단점에 대해 알아보았습니다.

오늘은 제 2탄!!! 그와 짝지라고 할 수 있는 단조에 대해 알아보도록 하겠습니다.

1. 단조 Forging

단조는 다른 말로 단금이라고도 하는데 금속을 두들기고 둘러 물건의 모양을 만들어 내는 것을 말하는데요, 유기 등 황동을 가공하는 곳에서는 방짜라고도 합니다. 쉽게 말해 도구를 이용해 두드려 펴서 원하는 형태로 만드는 가공방법을 말합니다.

금, 은, 구리, 쇠 같은 연전성(가공하기 쉬운 성질. 쉽게 말해 늘어나기 쉬운 성질)이 큰 소재의 판을 당금 위에 놓고, 쇠망치로 때리면서 늘리거나 짜거나 해서 성형하는 기술로 무기를 비롯해 종교용구나 그릇 같은 일상적으로 많이 사용되는 도구를 만드는데 널리 사용되어왔습니다.

 

이방식은 주로 철에 사용되며 철은 적렬한 두 조각을 쇠망치로 치면 결합하고, 반복하여 때리면 단련이 돼서 강인하게 되는 성질이 있으며 예전에는 사람이 직접 망치 같은 도구로 두들겨 만들었는데요, 현재는 기계화되어 대부분 기계로 제작을 합니다.

그러나 아직까지도 기계가 아닌 수작업으로 이 가공법을 활용해 도구를 만드는 분들이 있는데 TV에 보면 아주 오래된 장인들이 철을 불에 달궈 망치로 두들기며 칼이나 호미, 그릇 등을 만드는 것을 한 번쯤 보셨을 텐데요, 그게 바로 단조라고 합니다.

 

현재는 웅형과 자형 사이에 판금을 넣고 압력을 가하면서 가공하는 프레스나 회전축에 부착시킨 판금을 회전시키면서 변형시키는 스피닝 등의 양산기술이 개발되고 있으며 자동차 차체나 그릇, 조명기구 등 금속제품의 대부분을 생산하고 있습니다.

이 가공법이 점점 자동화되고 있는 이유는 작업자의 안전과 작업속도, 생산성 향상, 육체피로의 경감, 고령화한 노동력과 젊은 기술자의 참여가 저조가 직종이라는 것이 거론되고 있습니다.

단조는 크게 냉간단조와 열간단조로 나눠집니다.

① 냉간단조(Cold forging)

- 상온에서 하는 단조를 말하는데 상온에서 철과 같은 금속을 금형에 압입하고, 밖에서 기계로 힘을 가해 성형하는 기술로 이를 받은 금속은 단조 시 소성변형으로 인해 조직 내부에서 전위가 추가적으로 이동할 여지가 제한되므로 경도와 강도가 증가되는 반면 전연성은 저하된다.

냉간단조의 장점은 품질이 향상되고, 상온에서 단조가 이루어지기 때문에 열을 가하는 시간과 비용이 절약되며 열을 가하지 않기 때문에 에너지 절약은 물론 용접 후 나오는 유해 가스가 없어 친환경적인 기술이라는 장점이 있습니다.

 

② 열간단조(Hot forging)

- 금속을 열로 가열해서 변형시키는 것을 말하며 이 열을 받은 금속은 소성변형이 일어나서 조직이 미세화되고 결과적으로 정밀도는 냉간 가공에 비해 떨어지는 편이지만 강도와 인성이 증가되고, 값이 싸고 범용성이 있다는 장점이 있습니다.

냉간 단조는 깨끗한 표면을 필요로 하는 것 등 가열 단계를 생략할 필요가 있을 때 사용하고, 열간 단조는 좋은 물성이 요구될 때나 전연성이 낮아서 성형하기 어려운 금속재료를 성형하기 쉽게 만들어줄 필요가 있을 때 사용합니다.

2. 단조 공정 종류

① 자유단조 – 특정한 금형을 사용하지 않고 성형하는 것으로 성형에 필요한 에너지가 형 단조에 비해 적게 소요되고, 대형단조품이나 소량 소형 제품 생산에 적합하다. 단 작업 속도가 느리고 치구가 정밀하지 못하다.

② 형단조 – 특정한 금형을 사용해 성형하는 방법으로 동일한 금형으로 많은 양의 제품 생산이 가능하고, 정밀도가 우수하지만 재료를 변형시키기 위해서는 많은 에너지가 필요하고, 별도의 금형이 필요하며 장비가 비싸다.

③ 프레스단조 – 형상을 얻기 위해서는 1회 이상 타격해야 하고, 단조품의 생산성과 작업자의 숙련 정도에 따라 제품의 품질이 크게 달라진다.

④ 업셋단조 – 상하, 좌우로 개폐되는 그립 다이와 전후로 운동하는 펀치로 구성되어 있으며 긴 축의 끝단에 플랜지가 있는 형상의 단조에 가장 많이 사용된다.

⑤ 롤단조 – 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 롤 사이에 롤 회전 방향과 직각 방향으로 환봉이나 각재를 통과시켜서 소재의 단면적을 감소시키고, 길이 방향으로 인발하는 작업이다.

⑥ 스웨이징 – 파이프의 한쪽 끝을 반원 형태로 막거나, 원뿔 형상으로 막아 뾰족하게 하거나 지름을 줄여 축관을 만들 수도 있는 부피를 성형하는 것이다.

3. 특수 단조 공정

① 용동단조

② 분말단조

③ RR단조

④ TR단조

⑤ 코아드, 포징

⑥ 폐쇄단조

⑦ 고에너지단조

4. 특징

① 취성이 높은 금속들은 이 방법으로 가공할 경우 그대로 깨진다.

② 단조 과정을 픽션에서는 과정의 묘사를 생략하기 위해 대장장이나 드워프가 모루와 망치로 대충 두드리면 제품이 만들어진 것으로 묘사되고, 단조가 아닌 다른 과정을 나타내는 담금질로 잘못 표현되기도 하는데 실제로는 매우 복잡하고, 시간이 오래 걸리는 작업이다.

 

<장점>

① 주조품보다 일반적으로 강하다.

② 특성상 다공성, 수축, 공동 및 냉기 문제가 발생하지 않는다.

③ 단단한 입자 구조는 기계적으로 강하기 때문에 고강도 구성 요소를 얻기 위해 고가의 합금이 덜 필요하다.

④ 구성과 구조의 균일성으로 충격이나 전단 강도 측면에서 강한 결과물을 제공한다.

⑤ 단조 부품은 캐스트 부품보다 인장 강도가 더 높아서 더 낮은 중량으로 더 강한 결과물을 얻을 수 있다.

⑥ 피로 강도도 높아 피로 수명이 6배 더 길어져 더 오랫동안 품질 유지가 가능하다.

 

<단점>

① 주조에 비해 상대적으로 정밀한 제품을 얻기는 어렵고, 정밀한 제품을 얻기 위해서는 별도의 후가공이 필요하다.

② 크기 제한이 있고, 크기가 클수록 단조가 어렵다.

5. 주조와 단조의 차이점

주조와 단조의 차이를 보면 전자는 금속을 가열해서 걸쭉한 상태로 녹여 높은 온도인 상태에서 미리 제조해 놓은 금형에 부어 제품을 제조하는 방법이고, 후자는 금속재료를 불에 달궈 망치 같은 도구를 이용해 여러번 두드려 제품의 형태로 만들어 내는 방법입니다.

주조는 소재를 냉각시켜서 빠르게 굳히고, 금형을 통해 제품을 신속하게 제조할 수 있다는 특징이 있고, 단조는 소재를 두드리면 두드릴수록 금속의 결정이 정돈되기 때문에 제품의 강도가 더 강해진다는 장점이 있습니다.

그리고 꼭 망치로 두드리는 방법 외에도 형을 사용해서 압축하는 방법으로 제품을 제조하는 방법도 있는데 이 방법을 사용할 경우 짧은 시간 안에 대량 생산이 가능하다는 장점이 있습니다.

 

이 방법들의 눈에 띄는 차이는 결과물에 있는데요, 주조는 틀에 찍어내는 방법을 사용하기 때문에 원하는 형태를 만들어서 모양의 일관성이 높고, 단조는 불에 달궈서 두드려 모양을 잡기 때문에 부드러운 소재를 사용한다는 차이가 있습니다.

 

두 가지 방법 중 어떤 가공 방법이 더 좋다고 딱 잘라 말할 순 없습니다.

사용 용도나 목적, 크기에 따라 달라지기 때문에 어떤 제품을 만드느냐에 따라서 단조로 제작하냐, 주조로 제작을 하냐 선택해야 합니다.

 

지금까지 다양한 가공 방법 중에서 단조에 대해 알아보았는데요, 주조와 단조의 특징과 장단점, 차이점까지 알게 되니 이 방법을 사용해 시제품제작 시 사용 용도와 목적, 그리고 제품 특성에 따라 선택해 제작하면 좋을 것 같습니다.