본문내용
1. 일반기계기사 기계제작
1.1. 기계제작법
주조는 금속 제품을 만드는 가장 오래된 제조 방법 중 하나이다. 주조 과정에서는 주형과 주물사의 구비조건이 중요한데, 주형에서 모형이 잘 빠져나오도록 하는 구배(Draft)가 필요하다. 주물사는 성형성, 내열성, 통기성, 내화성, 내압성, 복용성, 신축성, 경제성 등의 조건을 갖추어야 한다. 또한 주물사의 입도와 통기도가 적절해야 한다.
탕구계는 쇳물을 주형으로 주입하는 부분으로, 크기와 단면적, 온도 조절 등이 중요하다. 단위시간당 주입량이 많아질수록 공기 배출이 어려워지므로 쇳물의 유동성을 고려하여 탕구를 설계해야 한다. 주조에서는 덧쇳물(압탕)을 설치하여 응고 시 수축되는 쇳물을 보충하고 가스를 배출한다.
쇳물의 용해에는 큐폴라(용선로), 도가니로, 전로, 전기로, 평로, 반사로 등 다양한 방법이 사용된다. 원심주조법은 고속 회전하는 금형에 쇳물을 넣어 원심력에 의해 주형 내면에 압착시켜 응고시키는 방법이다. 다이캐스팅은 용융금속을 금형 내에 높은 압력으로 빠르게 주입하여 압입하는 주조법이다.
소성가공에서는 재료의 응력-변형률 선도에 영향을 미치는 요인들을 고려해야 한다. 바우싱거 효과, 가공경화, 냉간가공, 열간가공 등의 개념을 이해할 필요가 있다. 단조는 재료를 기계나 해머로 두들려서 성형하는 가공법으로, 재료의 내부 결함을 제거하고 강도를 향상시킬 수 있다. 단조 재료의 구비조건, 단조 온도, 단조 계산식 등을 고려해야 한다.
압연은 재료를 회전하는 2개의 롤러 사이에 통과시켜 두께, 폭, 직경 등을 줄이는 가공법이다. 자립조건, 압하량 계산, 중립점 등이 중요하다. 인발은 금속 봉이나 관을 다이에 통과시켜 단면적을 줄이는 방법이고, 압출은 재료를 실린더 모양의 용기에 넣고 압력을 가해 밀어내어 일정한 단면의 제품을 만드는 방법이다.
제관은 관을 만드는 가공법으로, 천공법, 전조 가공 등을 이용한다. 전단 가공, 성형 가공, 압축 가공 등 다양한 기계 가공 기술이 사용된다.
1.2. 주조
1.2.1. 주형
주물 성형을 위해 금속 용탕이 주입되는 공간을 만드는 주형은 주물제조에 매우 중요한 부분이다. 주형은 크게 소모성 주형과 영구 주형으로 구분된다. 소모성 주형은 주조 시 모형으로 사용한 뒤 폐기되는 주형이고, 영구 주형은 반복 사용이 가능한 주형이다.
소모성 주형에서는 모형이 잘 빠져나올 수 있도록 구배를 둔다. 이는 모형과 주형 사이의 간격을 충분히 확보하여 모형이 쉽게 빠져나올 수 있게 하기 위함이다. 영구 주형에서도 제품이 잘 빠져나올 수 있도록 구배를 둔다.
주물사는 성형성, 내열성, 통기성, 내화성, 내압성, 복용성, 신축성, 경제성 등의 특성을 가져야 한다. 또한 열전도율이 낮아 보온성이 우수하고, 주물표면에서 이탈이 용이해야 한다. 주물사의 품질은 강도시험, 점착력시험, 입도시험, 통기도시험, 내화도시험 등을 통해 평가할 수 있다.
주물사의 메시 크기는 주물제품의 품질에 영향을 미치며, 통기도(K) 값이 클수록 공기 배출이 용이하여 양호한 주물을 얻을 수 있다. 탕구계는 단위시간당 주입량, 응고속도, 주입속도 등을 고려하여 설계해야 하며, 탕구비 관계(S:R:G)를 적절히 설정해야 한다. 탕구 높이와 주입속도는 쇳물의 유동 속도와 연관되므로 계산식을 이용하여 결정할 수 있다.
덧쇳물은 응고 시 수축되는 쇳물을 보충하고, 압력을 주며, 가스를 방출하는 등의 역할을 한다. 압상력은 주형에 쇳물을 주입할 때 발생하는 힘으로, 이를 통해 중추의 무게를 결정할 수 있다.
1.2.2. 주물사
주물사는 주조 공정에서 주형을 만드는 데 사용되는 모래이다. 주물사는 성형성, 내열성, 통기성, 내화성, 내압성, 복용성, 신축성(가축성), 경제성 등의 구비조건을 갖추어야 한다. 또한 열전도율이 불량하여 보온성이 있어야 하고, 주물표면에서 이탈이 용이해야 한다.
주물사의 시험법으로는 강도시험법, 점착력시험법, 입도시험법, 통기도시험법, 내화도시험법 등이 있다. 입도는 메시로 표시되는데, 메시란 1 inch 길이의 정사각형 내에 있는 체눈의 수를 의미한다. 통기도(K)는 공기가 주형을 통과하여 빠져나가는 정도를 나타내는 것으로, 입도가 크고 둥근 것이 좋다.
1.3. 소성가공
1.3.1. 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.
열간가공(고온가공)은 재결정온도 이상에서 가공하는 것으로, 작은 동력으로 큰 변형을 줄 수 있고 재질의 균일화, 치수변화가 많아 정밀가공이 어렵다는 특징이 있다. 반면 냉간가공(상온가공)은 재결정온도 이하에서 가공하는 것으로, 가공면이 깨끗하고 아름다우며 치수정밀도가 높고 기계적 성질 개선이 가능하지만 가공경화가 일어나 인장강도, 항복점, 탄성한계, 경도가 증가하고 연신률, 단면수축률, 인성은 감소한다.
이처럼 소성가공에서는 재료의 변형 정도에 따른 응력-변형률 특성이 매우 중요하며, 가공 방법에 따라 재료의 기계적 성질과 가공성이 크게 달라지므로 적절한 가공방법 선택이 필요하다.
1.3.2. 가공경화
재료의 내부응력이 증가하여 단단해지는 현상을 가공경화라고 한다. 재결정온도 이하에서 가공(냉간가공)을 하면 내부응력이 증가하여 재료의 강도와 경도가 증가하게 된다. 그러나 연신률, 단면수축률, 인성은 감소하게 된다. 이러한 가공경화를 제거하려면 풀림처리를 하거나 재결정온도 이상에서 가공하면 된다. 예를 들어 철사를 반복적으로 구부리면 결국 구부린 부분이 부러지게 되는데, 이는 가공경화가 일어나서 취성이 증가하였기 때문이다. 즉, 냉간가공을 하면 가공방향으로 섬유조직이 형성되어 강도가 증가하지만 연성이 감소하게 된다. 이러한 가공경화를 제거하기 위해서는 풀림처리나 열간가공을 해야 한다.
1.3.3. 열간가공과 냉간가공
재료를 재결정온도 이상의 고온에서 가공하는 것을 열간가공이라 하고, 재결정온도 이하의 저온에서 가공하는 것을 냉간가공이라 한다. 열간가공은 재결정온도 이상에서 이루어지므로 동력 소모가 적고 1회 가공효과가 크다. 하지만 표면이 거칠고 정밀도가 낮다는 단점이 있다. 반면 냉간가공은 재결정온도 이하에서 이루어지므로 가공경화가 일어나 강도와 경도가 증가하고 치수 정밀도가 높다는 장점이 있다. 그러나 동력 소모가 크고 마찰 방지를 위한 윤활제가 필요하다. 냉간가공으로 인해 발생한 가공경화는 풀림처리나 재결정온도 이상의 열처리를 통해 제거할 수 있다. 금속의 가공경화 특성을 활용하여 철사, 판금, 봉재 등의 냉간가공을 통해 기계적 성질을 개선할 수 있다. 이처럼 열간가공과 냉간가공은 가공온도, 가공경화, 표면 상태, 가공 동력 등의 차이를 가지고 있어 재료와 가공 조건에 따라 적절한 방법을 선택하여 활용하고 있다.
1.4. 단조
1.4.1. 단조 작업 방식
자유단조는 해머나 손공구를 이용하여 제품의 형태가 간단하고 수량이 적을 때 적합하다. 업세팅은 소재를 축방향으로 압축하여 길이를 짧게 하고 단면을 크게 하는 것이다. 늘이기, 단짓기, 굽히기, 구멍뚫기, 절단, 비틀기 등의 작업이 있다. 형단조는 프레스를 이용하여 소형이고 치수가 정확한 제품을 대량생산할 수 있다. 라운딩, 플래시, 파팅라인, 빼기경사, 안내장치 등의 작업이 포함된다. 열간단조는 재결정온도 이상에서 단조하는 것으로, 1회 단조에 의한 효과가 크고 동력소모가 적으며 표면이 거칠다. 냉간단조는 재결정온도 이하에서 단조하는 것으로, 강도가 크고 치수가 정확하며 표면이 매끈하지만 마찰 방지용 윤활제가 필요하고 높은 가공압력이 필요하다. 단조 재료는 강괴의 조직이 미세할수록 좋고 강괴 내부의 편석은 무관하며 취성재료는 불가능하다. 최고단조온도는 용융점의 100도 이내로, 최저단조온도는 800도 이상으로 한다. 단조 계산식에는 프레스 용량, 단조해머의 효율, 해머 타격에너지 등이 포함된다.
1.4.2. 단조 재료 및 온도
단조 재료는 강괴의 조직이 미세할수록 좋다. 강괴 내부에 편석이 있어도 무관하다. 다만 취성재료(주철 등)는 단조가 불가능하다. 탄소(C)와 황(S)의 함량이 적어야 한다.
최고단조온도는 단조를 시작하는 데 적합한 온도로, 강의 경우 1200℃이다. 이 온도 이상으로 올라가면 재료의 산화가 심해져 용불가능하다. 따라서 용융점의 100℃ 이내로 한다.
최저온도(단조완료온도)는 이 온도 이하에서는 단조를 하지 말라는 뜻이다. 강의 경우 800℃이다. 낮으면 가공경화되어 조직이 미세해지고 내부응력이 발생하여 국부적인 취성이 생긴다. 높으면 결정입자가 조대해진다. 결국 재결정온도 근처~약간 높게 하는 것이 좋다.
1.5. 압연
1.5.1. 압연 원리
압연은 재료를 회전하는 두 개의 롤러 사이에 통과시켜 두께를 줄이고 길이를 늘리는 가공법이다. 재료의 주조조직이 파괴되어 치밀한 조직이 형성되며, 재료의 내부에 포함된 기포나 불순물이 제거된다. 따라서 강도가 증가하고 내부 결함이 감소한다. 압연은 재료의 두께, 폭, 길이를 조절할 수 있으며 대량생산이 가능하다는 장점이 있다. 압연 시 재료는 롤러와의 마찰력에 의해 압하되며, 압하는 재료의 유동특성에 따라 달라진다. 압연 시 재료와 롤러 사이의 마찰계수는 압하량과 가공성에 큰 영향을 미친다. 마찰계수가 클수록 압하량이 증가하며, 가공성이 향상된다. 따라서 윤활제 사용으로 마찰계수를 낮추어 압연 공정을 원활하게 할 수 있다. 또한 롤러의 크기와 회전수는 압연 성능에 큰 영향을 미치는데, 롤러 직경이 크고 회전수가 높을수록 압연 효율이 높아진다.
1.5.2. 압연 계산식
<압연 계산식>
압연 시 다양한 계산식이 적용되는데, 그중에서도 중요한 것은 압하량, 압하율, 공작물의 이송속도, 그리고 압연 동력 계산식이다.
압하량 계산식은 H_0 - H_1로 표현되며, 여기서 H_0는 압연 전 두께, H_1은 압연 후 두께이다. 압하율은 이 압하량을 압연 전 두께로 나누어 백분율로 나타낸다.
압연 공작물의 이송속도 V는 d/2 × 2πN/60의 공식을 통해 구할 수 있다. 여기서 d는 공작물의 지름, N은 회전수이다.
마지막으로 압연 동력 L은 FV/η의 관계식으로 표현되는데, F는 주분력, V는 절삭속도, η는 기계 효율을 의미한다.
이러한 압연 관련 주요 계산식들은 압연 가공 시 필수적으로 고려해야 할 요소들을 정량적으로 나타내고 있다.
1.6. 인발
1.6.1. 인발 가공 요소
인발 가공은 금속의 봉, 관 등을 만들기 위해 주로 사용되는 가공법이다. 인발 가공 시 고려해야 할 주요 요소는 다음과 같다.
단면감소율은 인발 전후의 단면적 변화율을 나타낸다. 단면감소율이 크면 가공도가 크다고 할 수 있다. 일반적으로 단면감소율은 60~90% 수준이다. 가공도가 클수록 인발력이 증가하고 내부결함이 발생할 가능성이 높아진다.
다이각은 다이의 선단부 형상을 나타낸다. 다이각이 작을수록 인발력이 증가하고 표면이 거칠어...
