프레스 소성가공에 대하여

 

1. 소성가공 이란? 

 

재료에 외력을 가하면 재료는 변형하는데, 이때 외력을 제거하면 재료는 원형으로 복귀하거나 영구변형으로 남는다.

원형으로 복귀하는 성질을 탄성(elasticity)이라 하며, 그 변형을 탄성변형, 그 물체를 탄성체라 한다. 그중에서도 완전히 원형으로 복귀하는 물체를 완전탄성체라 하는데, 재료를 파괴하지 않고 영구히 변형시킬 수 있는 성질을 소성(plasticity)이라 하며, 그 변형을 소성변형(plastic deformation)이라 한다. 이 소성의 성질을 이용하여 재료를 가공하는 것을 소성가공이라 한다. 소성변형의 특징은 다음과 같다.

 

1. 주물에 비하여 성형되는 치수가 정확하다.

2. 기계가공에 비하여 금속의 조직을 개량하여 강한 성질을 만들 수 있다.

3. 다량 생산으로 균일한 제품을 얻을 수 있다.

4. 재료를 경제적으로 얻을 수 있다.

5. 제품의 치수 정밀도, 표면 상태에서는 다소 떨어지나 가공법의 개선으로 차차 좋아지고 있다.

 

1.1 응력(stress)

 

재료에 외력을 가하면 외력에 대응하여 재료 내부에 생기는 저항력(resistivity)을 응력이라 한다.
1. 작용하는 외력의 종류에 따라 인장응력, 압축응력, 굽힘응력, 전단응력 및 비틀림응력 등으로 분류한다.
2. 응력의 크기는 단위 면적당 작용하는 외력의 크기로 나타낸다.
3. 재료가 외력에 대하여 견딜 수 있는 힘을 강도(strength)라고 하며, 작용하는 외력에 따라 인장강도(tensile strength), 압축강도(compressive strengh) 및 비틀림강도(torsional strengh) 등으로 분류한다. 이 강도의 크기는 단위 면적당 가할 수 있는 외력의 세기로 나타낸다.
4. 재료의 단위 면적당 가할 수 있는 최대의 외력의 세기를 최대 강도 또는 파괴강도라 하고 재료에 외력을 가하여 사용할 수 있는 한계의 강도를 허용 강도라 하며, 프레스 금형에서는 재료의 파괴강도를 이용하여 소재를 소성가공한다.
5. 하중-연신량 선도로서 항복점(yield-point:PS), 최대강도(Pb), 파단강도(P), 등을 나타낸다. 소성가공에서는 재료가 영구적으로 변형해야 하므로 재료의 탄성한계(elastic limit:Ts) 이상의 힘을 가하여 변형시켜야 하며, 일반적으로 최대 강도를 많이 이용한다.
6. 재료에 가한 응력을 제거한 후에도 남아 있는 응력을 잔류응력(residual stress)이라 하고, 잔류응력이 원인이 되어 소성가공에 의하여 완성된 제품이 변형되는 것을 막기 위해 잔류응력을 제거하여야 한다.

 

1.2 변형(deformation)

 

소성가공이 가능한 재료에 힘을 가하면 재료에 응력이 발생하며 외력이 증가하면 재료는 변형하나, 외력의 크기가 재료의 탄성한계보다 약하면 외력 제거와 동시에 원래의 모양으로 돌아간다. 그러나 외력의 크기가 탄성한계를 넘어서면 외력을 제거하여도 변형이 남아 있게 되는데 이것을 영구변형(permanent set)이라고 하며, 소성가공은 재료를 영구 변형시킨 것이다.

 

1.3 가공경화(work hardening)

 

소성가공이 가능한 재료를 상온에서 소성가공하면 재질이 단단해지고 항복점이 높아지는 현상을 가공경화 또는 변형경화라고 한다. 가공경화의 정도는 가공 내용 및 재질에 따라 다르며, 가공도가 높을수록 경화도가 크고, 재질에 대해서는 알루미늄과 그 합금, 동과 그 합금, 스테인리스강 등이 심하고, 저탄소강은 거의 가공경화가 되지 않으며, 상온보다 낮은 재결정온도를 가진 금속은 가공경화가 되지 않는다. 이러한 재료를 완전 소성체(perfectly plastic exponent)라 한다. 가공 경화성이 큰 재료를 여러 공정으로 소성가공할 때는 중간에 풀림(annealing) 공정을 한 다음 가공을 계속하는 등의 특별한 가공법을 이용해야 한다.

 

1.4 시효경화(age hardening)

 

시간이 지남에 따라 금속재료의 특성이 변하는 것을 시효(age)라 하며, 재료가 시간이 지남에 따라서 경화되는 성질을 시효경화라 한다. 시효경화가 빠른 재료는 작업 공정이 많고, 시간이 오래 걸리는 소성가공에서는 시효경화에 의한 강도의 증가로 가공력이 많이 소요되고 가공성이 나빠지므로 시효경화를 방지하면서 가공하여야 한다.

 

1.5 금형의 용도

 

금형은 운송용 기계, 가정용 전기 전자제품, 산업기계, 사무용기계, 전자기기, 광학기계, 유리 용기, 완구류, 건축 재료 등 일상생활에 필요한 대부분의 제품에 다양하게 이용된다.

 

1.6 금형의 장점

 

최소의 공정으로 제품을 가공할 수 있고 제품의 정도가 균일하고 호환성이 좋으며 대량생산이 가능하다. 또한, 제품의 가공할 때 자동화가 용이하다.

 

1.7 소성가공의 종류

 

금속의 소성가공에 있어서 온도의 높고 낮음에 따라 열간, 온간, 냉간가공으로 분류한다. 장점으로는 첫 번째, 재료 이용률이 높다(90% 정도도 가능) 두 번째, 제품 한 개에 가공 시간(Cycle time)이 짧아 가공비가 절감되고 세 번째는 숙련공이 필요치 않다. 마지막은, 작업의 성력화, 무인화가 비교적 용이하다는 점이다.
단점으로는 첫 번째, 가공 정밀도 향상이 어렵고 두 번째, 가공 준비시간이 길다. (다종 소량 생산에 부적합) 마지막은, 위험을 수반하는 장소나 기회가 매우 많다는 점이다.

 

(1) 열간가공

금속을 재결정온도 이상에서 가공하는 것을 말한다. 즉, 온도의 영향에 의해 금속의 결정 입자가 변형하고, 미세화하지만 새로운 결정이 생겨 유연해진다. 따라서 쉽게 큰 변형을 줄 수 있는 가공이다.
- 가공도와 가공 속도를 크게 할 수 있어 큰 잉곳(ingot)에 적당하다.
- 주조 조직의 불균일을 제거하여 미세하고 균일한 결정 조직을 얻을 수 있다.
- 변형 저항을 작게 하여 가공력을 낮게 할 수 있다.
- 산화막이 발생하여 표면 상태 및 두께 치수의 정밀도가 좋지 않다.

 

(2) 냉간가공

재결정온도 이하(상온)에서의 가공을 말한다.
- 제품의 경도와 강도를 높일 수 있다.
- 제품의 치수 정밀도가 높은 제품을 얻을 수 있다.
- 열간가공에 비해 가공력 및 변형저항이 크다.
- 제품의 강도가 커 표면 및 두께 정밀도가 양호하다.
- 가공경화에 의해 강도는 증가하지만 신장은 감소한다.
- 항복점 및 내구력이 급증한다.
- 결정 입자는 미세화, 전위 밀도와 결정격자 변형은 증대한다. 따라서 press 가공의 대부분이 냉간가공의 범위에 있다.

 

(3) 온간가공

열간가공과 냉간가공 사이의 온도에서 가공하는 것을 말한다. 즉, 철강에서의 청열취성(Blue shortness) 범위의 전위 밀도가 가공에 의해 급증, 파괴를 초래하기 때문에 청열취성을 방지하거나 이 영역을 피한 온도에서의 가공, 다시 말해서 변태점 이하에서의 가공이라 할 수 있다. 따라서 열간에서 냉간까지 동일한 오스테나이트(Austenite) 상의 스테인리스강 등에서 크게 이용되고 있다.
- 단조(forging) : 보통은 열간가공에 속하며, 단조프레스로 소재에 힘을 가하여 필요한 모양으로 변형시키는 가공이다.
- 압연(rolling) : 상온 또는 고온에서, 회전하는 롤러 사이에 재료를 연속적으로 통과시켜 그 속성을 이용하여 핀재 또는 형재 등으로 성형하는 가공이다.
- 인발(drawing) : 상온 또는 고온에서, 회전하는 롤러사이에 재료를 연속적으로 통과시켜 그 소성을 이용하여 판재 또는 형재 등으로 성형하는 가공이다.
- 압출(extrusion) : 실린더에 소재를 넣고 램으로 압축력을 가하여 다이 구멍의 모양과 치수와 같은 단면 모양의 봉재를 밀어내는 가공이다.
- 전조(form rolling) : 소재를 회전시키면서 형을 눌러대고, 형의 요철에 대응하는 요철을 소재에 생기게 하는 것으로, 나사나 기어 등을 제조하는 경우에 쓰이는 가공이다.
- 판금가공(sheet matal working) : 판재를 자른다든지, 굽힌다든지 오므려서 뽑아낸다든지 하는 가공으로서, 냉간가공으로 주로 많이 가공한다.