본문내용
1. 기계제작법
1.1. 주조
1.1.1. 주형과 주물사
주물사는 주형 내에서 모형이 잘 빠져나오도록 하는 구배(Draft)를 가져야 하며, 주형에서 제품이 잘 빠져나오도록 하는 것이 중요하다. 주물사는 성형성, 내열성, 통기성, 내화성, 내압성, 복용성, 신축성(가축성), 경제성이 있어야 하며, 열전도율이 좋지 않아 보온성을 가져야 한다. 또한 주물표면에서 이탈이 용이해야 한다. 주물사의 시험법에는 강도시험법, 점착력시험법, 입도시험법, 통기도시험법, 내화도시험법이 있다.
주물사의 입도는 메시(Mesh) 기준으로 표시하며, 통기도(K)는 공기가 주형을 통과하여 빠져나가는 정도로 입도가 크고 둥근 것이 좋다. 탕구계의 설계 시 고려해야 할 사항으로는 단위시간 당 주입량에 따라 크기를 결정하고, 단면은 원형으로 하여 단면이 좁아질수록 유동속도가 빨라지며, 응고속도와 주입속도를 조절할 수 있어야 한다. 또한 공기 배출이 어려워지므로 쇳물의 유동성이 좋은 경우 단위시간 당 주입량을 많게 하고, 쇳물의 온도가 낮을수록 주입량을 많게 한다. 그리고 탕구로부터 먼 곳부터 응고해 가도록 온도구배를 가지게 한다.
덧쇳물(압탕)은 주형 내의 쇳물이 응고 시 수축되므로 이를 보충하기 위해 설치되며, 주형 내 압력을 주고, 금속응고 시 체적감소로 인한 쇳물부족을 보충하며, 공기 제거와 주형 내 가스 방출, 불순물과 용제 일부를 배출하는 역할을 한다. 압상력은 주형에 쇳물을 주입하면 쇳물의 부력으로 윗 주형틀이 들리게 되는 힘을 말한다. 중추는 압상력에 의해 윗 주형틀이 들리므로 윗 주형틀 위에 올려놓는다.
1.1.2. 탕구계
탕구계는 쇳물받이 -> 탕구 -> 탕도 -> 주입구로 이어지는 시스템으로, 쇳물의 원활한 주입을 위해 매우 중요한 역할을 한다.
탕구계 설계 시 고려해야 할 사항은 다음과 같다. 첫째, 크기는 단위 시간당 주입량에 따라 결정된다. 둘째, 단면은 원형으로 하며, 단면이 좁아질수록 유동속도가 빨라진다. 셋째, 응고속도와 주입속도를 조절할 수 있어야 한다. 넷째, 단위 시간당 주입량이 많아질수록 공기 배출이 어려워진다. 즉, 쇳물의 유동성이 좋은 경우 단위 시간당 주입량을 많게 한다. 다섯째, 쇳물의 온도가 낮을수록 단위 시간당 주입량을 많게 한다. 여섯째, 탕구로부터 먼 곳부터 응고해 가도록 온도구배를 가지게 한다.
탕구비(S:R:G)는 탕구 단면적 : 탕도 단면적 : 주입구 단면적의 비율을 의미한다. 또한 탕구 높이와 주입속도는 v=c` sqrt {2gh} 의 관계가 성립한다. 여기서 c는 유량계수, h는 탕구 높이이다. 쇳물의 주입시간(T)은 T=S sqrt {W}로 계산할 수 있는데, S는 주물두께에 따른 계수, W는 주물의 중량이다. 이처럼 탕구계는 쇳물의 효율적인 주입을 위해 매우 중요한 요소이며, 다양한 설계 변수들을 고려하여 최적화된 시스템을 구축해야 한다.
1.1.3. 덧쇳물
덧쇳물은 용융금속이 응고 시 수축되므로 이로 인한 쇳물의 보충을 위하여 설치된 탕구 모양의 것이다. 덧쇳물의 역할은 다음과 같다. 첫째, 주형 내의 쇳물에 압력을 준다. 둘째, 금속응고 시 체적감소로 인한 쇳물부족을 보충한다. 셋째, 공기 제거해서 쇳물 주입량을 알 수 있다. 넷째, 주형 내 가스 방출시켜 수축공현상을 방지한다. 다섯째, 주형 내 불순물, 용제 일부를 밖으로 배출한다. 이처럼 덧쇳물은 주조 시 용융금속의 체적 수축을 보충하고 주형 내부의 결함을 방지하는 중요한 역할을 한다. 용융금속이 응고될 때 발생하는 체적 감소를 덧쇳물을 통해 보충함으로써 양질의 주물을 얻을 수 있다. 또한 덧쇳물은 주형 내부의 가스 배출과 불순물 배출 등에도 중요한 기능을 한다. 이처럼 덧쇳물은 주조 공정에서 없어서는 안 될 필수적인 요소라고 할 수 있다.
1.1.4. 압상력
주형에 쇳물을 주입하면 쇳물의 부력으로 인해 윗 주형틀이 들리게 되는 힘이 발생한다. 이를 압상력이라 한다. 압상력은 다음과 같이 계산될 수 있다.
압상력(P) = 주물의 윗면에서 주입구 표면까지의 높이(H) X 주물의 위에서 본 투영면적(A) - 윗 주형상자의 중량(G)
따라서 주형에 쇳물을 주입할 때 발생하는 압상력은 쇳물의 높이와 주물의 단면적에 비례하여 증가하게 되며, 윗 주형상자의 무게에 반비례하게 된다. 이러한 압상력은 윗 주형틀이 들리는 것을 막기 위해 중추를 사용하여 지지하게 된다. 중추의 무게는 압상력의 약 3배 정도가 되도록 설계된다.
1.2. 소성가공
1.2.1. 응력-변형률 선도
실제로 소성가공이 이루어지는 구간은 "항복구간"이다. 응력-변형률 선도를 나타내는 유동응력식에 영향을 주는 인자는 재료의 종류, 변형률 속도, 가공온도이다.
바우싱거 효과는 금속재료에 처음 한 방향으로 하중을 가하고, 다음에 반대 방향으로 하중을 가하였을 때, 전자보다는 후자의 경우가 탄성한도나 항복점이 저하되는 현상이다.
가공경화(변형경화)는 재결정온도 이하에서 가공(냉간가공) 시 내부응력이 증가하여 단단해지는 현상이다. 강도와 경도는 증가하고, 연신률, 단면수축률, 인성은 감소한다. 이를 없애려면 풀림처리 또는 재결정 온도 이상에서 가공하면 된다. 예를 들어 철사를 반복하여 구부리면 결국 굽혀진 부분이 부러진다.
냉간가공은 재결정온도 이하에서 가공하는 것으로, 가공면이 깨끗하고 아름다우며, 치수정밀도가 높고, 기계적성질 개선이 가능하다. 그러나 가공경화로 인해 인장강도, 항복점, 탄성한계, 경도가 증가하고 연신률, 단면수축률, 인성은 감소한다.
열간가공은 재결정온도 이상에서 가공하는 것으로, 작은 동력으로 큰 변형을 주며, 재질의 균일화가 이루어진다. 그러나 치수변화가 크고, 정밀가공이 어려우며, 가공경화가 발생하지 않는다.
이처럼 재료의 응력-변형률 관계를 나타내는 선도를 통해 재료의 성질과 가공법에 대한 이해를 높일 수 있다.
1.2.2. 가공경화
냉간가공에 의해 재료의 내부 응력이 증가하여 단단해지는 현상을 가공경화라 한다. 가공경화가 일어나면 강도와 경도는 증가하나 연신률, 단면수축률, 인성은 감소한다. 가공경화를 제거하려면 재결정온도 이상에서 가열하거나 풀림 열처리를 해야 한다.
가공경화가 일어나는 이유는 냉간가공 중에 재료의 결정립 내부에 전위가 증가하기 때문이다. 이러한 전위의 증가로 결정격자가 변형되면서 재료의 강도가 증가한다. 또한 결정립계에 전위가 집중되어 이동이 어려워지면서 변형 저항이 커진다.
결과적으로 냉간가공을 거친 재료는 강도와 경도가 높아지지만 동시에 연성이 떨어지게 된다. 이러한 가공경화 현상은 철사를 구부리면 결국 구부린 부분이 부러지는 이유이기도 하다.
열간가공의 경우에는 재결정온도 이상에서 진행되므로 가공경화가 일어나지 않는다. 열간가공에서는 결정립이 성장하여 조직이 균일해지기 때문에 강도는 낮아지지만 연성이 향상된다.
가공경화 현상을 이용하여 기계부품의 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어 볼트, 스프링, 날카로운 공구 등의 부품에 냉간가공을 적용하면 내구성과 내마모성이 크게 향상된다.
1.2.3. 냉간가공과 열간가공
냉간가공은 재결정온도 이하에서 가공하는 것이다. 냉간가공의 특징은 가공면이 깨끗하고 아름다우며, 치수정밀도가 높다. 기계적 성질 개선도 가능하나 가공경화로 인해 인장강도, 항복점, 탄성한계, 경도는 증가하지만 연신률, 단면수축률, 인성은 감소한다.
열간가공은 재결정온도 이상에서 가공하는 것이다. 열간가공의 특징은 작은 동력으로 큰 변형을 줄 수 있고, 재질의 균일화가 이루어지며, 가공도가 커서 거친 가공에 적합하다. 그러나 치수변화가 많아 정밀 가공이 어렵다. 가공경화가 생기지 않으므로 연신률, 단면수축률, 인성이 증가한다.
냉간가공과 열간가공의 차이는 가공온도에 따른 재료의 미세조직과 기계적 성질 변화에 있다. 냉간가공은 변형경화가 일어나 강도와 경도가 증가하지만 연성이 감소하는 반면, 열간가공은 재결정과 결정립 조대화로 인해 강도는 낮아지지만 연성이 증가한다. 이러한 특징들을 고려하여 냉간가공과 열간가공을 적절히 활용하면 다양한 기계 부품을 제작할 수 있다.
1.2.4. 단조
단조는 가열된 금속을 해머나 프레스로 두들려 성형하는 가공법이다. 단조는 재료 내부의 기포나 불순물을 제거하여 조직을 치밀하게 만들고 강도를 증가시킨다. 단조 과정에서 산화에 의한 스케일이 발생할 수 있다. 단조 방법에는 자유단조와 형단조가 있다.
자유단조는 해머나 손공구를 이용하여 간단한 제품의 소량 생산에 적합하다. 자유단조 방법에는 업셋팅, 늘리기, 단짓기, 굽히기, 구멍뚫기, 절단, 비틀기 등이 있다.
형단조는 프레스를 이용하여 정밀한 소형 제품의 대량 생산에 적합하다. 형단조 방법에는 라운딩, 플래시, 파팅라인, 빼기경사, 안내장치 등이 있다.
열간단조와 냉간단조로 나뉘는데, 열간단조는 재결정온도 이상에서 단조하여 동력 소모가 적고 표면이 거칠며, 냉간단조는 재결정온도 이하에서 단조하여 강도가 크고 치수가 정확하며 표면이 매끄럽다. 단조용 재료는 강괴의 조직이 미세할수록, 편석이 있어도 무관하며, 취성재료는 불가능하다. 최고단조온도는 용융점 100도 이내, 단조완료온도는 800도 내외가 적절하다.
단조 계산식에는 프레스 용량 계산식, 단조해머의 효율 계산식, 해머 타격에너지 계산식 등이 있다. 단조 공구로는 앤빌, 정반, 이형공대, 단조용탭, 다듬개, 정, 집게, 쇠망치 등을 사용한다.
1.2.5. 압연
압연은 재료를 회전하는 2개의 롤러 사이에 통과시켜 두께, 폭, 직경 등을 줄이는 가공법이다. 압연은 재료의 주조조직을 파괴하고 재료 내의 기포를 압착하여 우수한 조직을 얻을 수 있다. 또한 압연 속도가 높아 작업 속도가 빨라 생산비용이 낮다. 압연은 재료의 수지상 조직을 미세화하여 재질이 균일해지는 장점이 있다. 열간압연은 재료에 방향성이 없지만 냉간압연은 방향성이 생기므로 풀림 처리를 거쳐야 한다. 압연 롤러의 구성요소는 몸체, 넥, 웨블러이다. 자립조건은 마찰계수와 접촉각에 따라 결정된다. 압하량, 압하율, 중립점, 단면감소율, 가공도 등의 공식을 통해 압연 과정을 계산할 수 있다. 이처럼 압연은 재료의 두께, 폭, 직경 등을 줄이는 효과적인 가공법으로, 재료의 조직을 향상시키고 생산성을 높일 수 있다.
1.2.6. 인발
금속의 인발가공은 금속재료를 실린더 모양의 컨테이너에 넣고 한쪽 끝에서 압력을 가하여 재료를 다이의 구멍으로 밀어내어 일정한 단면의 제품을 제작하는 가공법이다. 인발가공에는 직접압출, 간접압출, 충격압출, 정수압압출 등의 방식이 있다.
직접압출은 램과 소재가 같은 방향으로 압출하는 방식으로, 마찰저항이 커 동력소모가 많지만 압출재의 길이에 제한이 없는 장점이 있다. 간접압출은 램과 소재가 반대 방향으로 압출하는 방식으로, 마찰저항이 적어 동력소모가 적지만 압출재의 길이에 제한이 있다. 충격압출은 디에 소재를 넣고 램으로 타격하여 압출하는 방식이다. 정수압압출은 컨테이너 안의 유체에 압력을 가하여 소재를 압출하는 방식이다.
인발가공에 영향을 미치는 주요 인자로는 단면감소율, 다이각, 윤활, 인발속도, 인발재료 등이 있다. 이들 인자를 적절히 조절하여 제품의 품질과 생산성을 높일 수 있다. 또한 인발된 제품의 치수정밀도와 표면특성을 높이기 위해 후속적으로 열처리 등의 재료처리 공정을 거치기도 한다.
인발가공은 봉재, 관재, 선재 등의 제조에 널리 사용되는 대표적인 소성가공 기술이다. 특히 구리, 알루미늄과 같은 연성 금속재료의 가공에 효과적이며, 다양한 단면형상의 제품 생산이 가능하다. 자동차 부품, 건축자재, 전자기기 등 광범위한 분야에서 인발제품이 활용되고 있다.
1.2.7. 딥드로잉
딥드로잉은 가압성형의 일종으로, 편평한 판금재를 펀치로 다이 구멍에 밀어 넣어 이음매가 없고 밑바닥이 있는 ...
