단조(Forging) 완벽 가이드: 종류, 기술, 작업 공정, 장단점

단조(Forging)란?

일반적으로 철 관련 작업을 대장장이(blacksmithy)라고 합니다. 단조란 금속을 가열하거나 냉각한 후 일반 망치로 치거나 이 목적을 위한 특수 기계를 사용하여 원하는 형상을 부여하는 것을 의미합니다.

작은 단조 작업은 망치로 쳐서 할 수 있지만, 큰 단조 작업은 기계로만 수행합니다. 단조는 세 가지 다른 방식으로 수행할 수 있습니다.

단조 방법의 종류

다음은 세 가지 단조 방법입니다:

1. 수단조(Hand forging)
2. 기계 단조(Machine forging)
3. 드롭 단조(Drop forging)

1. 수단조(Hand Forging)

망치로 쳐서 공작물에 형상을 부여하는 것을 수단조 또는 대장장이 작업이라고 합니다.

2. 기계 단조(Machine Forging)

단조 기계를 사용하여 공작물에 원하는 형상을 부여하는 것을 기계 단조라고 합니다. 프레스 기계, 압연 기계, 다양한 종류의 파워 해머가 이 범주에 포함됩니다.

3. 드롭 단조(Drop Forging)

동일한 크기와 유사한 형상의 공작물에 드롭 단조 공정을 사용합니다. 상부 다이를 기계 장치로 적절한 높이까지 올린 다음 바닥 다이에 놓인 뜨거운 금속을 치도록 떨어뜨립니다. 이렇게 하면 뜨거운 금속이 다이의 형상을 취하게 됩니다. 렌치와 기타 일반 용품은 드롭 단조로 제작됩니다.

금속이 차가울 때 형상을 변경하는 것은 불가능합니다. 따라서 화로에서 금속을 가열해야 합니다. 금속을 가열하면 부드러워지고 소성(plasticity) 특성을 얻어 구부리거나 어떤 형상으로든 성형할 수 있습니다.

단조의 종류

다음은 두 가지 주요 단조 유형입니다:

1. 열간 단조(Hot forging)
2. 냉간 단조(Cold forging)

기타 단조 유형:

1. 자유 단조(Open die forging)
2. 금형 단조(Closed die forging)
3. 프레스 단조(Press forging)
4. 업셋 단조(Upset forging)
5. 롤 단조(Roll forging)

단조 작업(Operations)

다음은 다양한 단조 작업 유형입니다:

1. 절단 작업(Cutting operation)
2. 업셋팅 작업(Upsetting operation)
3. 인발 작업(Drawing out operation)
4. 점핑 작업(Jumping operation)
5. 굽힘 작업(Bending operation)
6. 풀러링 작업(Fullering operation)
7. 에징 작업(Edging operation)
8. 펀칭/드리프팅 작업(Punching or Drifting operation)
9. 세팅 다운 작업(Setting down operation)
10. 단조 용접 작업(Forge welding operation)
11. 스웨이징 작업(Swaging operation)

단조와 관련된 다른 작업을 수행하기 전에 도면에 따라 금속에 마킹하는 것이 필수적입니다. 이를 위해 황동 자, 직각자, 센터 펀치 등을 사용합니다.

1. 절단 작업(Cutting Operation)

긴 금속 봉과 판을 작게 만드는 것을 절단이라고 합니다. 이는 냉간 또는 열간 상태에서 모두 가능합니다. 냉간 금속에는 절단 각도의 끌을 사용합니다. 열간 금속에도 절단 각도의 끌을 사용합니다. 20mm 이상의 두께 금속은 가열 후 절단해야 합니다.

2. 업셋팅 작업(Upsetting Operation)

길이 방향 연장 대비 단면적을 증가시키기 위해 적용되는 작업입니다. 길이 방향 평행 방향의 업셋팅 힘을 사용하여 길이를 달성합니다. 예: 볼트 헤드 형성.

3. 인발 작업(Drawing Out Operation)

금속 길이를 늘리는 것을 인발이라고 합니다. 금속을 적정 온도로 가열한 후 모루의 부리 부분에서 망치로 칩니다. 풀러(fuller)도 이 목적으로 사용됩니다.

4. 점핑 작업(Jumping Operation)

가열 후 금속 조각을 짧고 두껍게 만드는 것을 점핑 또는 업셋팅이라고 합니다. 점핑으로 금속 길이를 거의 절반으로 줄일 수 있습니다. 점핑은 세 가지 방식으로 수행됩니다:

1. 헤드 점핑(Head jumping): 원형 봉의 한 끝을 점핑하는 것. 예: 리벳 헤드.
2. 센터 점핑(Centre jumping): 원형 금속 봉의 양 끝이 아닌 다른 부분에서 점핑. 예: 탭 핸들.
3. 풀 점핑(Full jumping): 금속을 완전히 가열하고 길이를 줄이는 것.

5. 굽힘 작업(Bending Operation)

금속 조각을 원형 또는 각진 형태로 돌리거나 구부리는 것을 '굽힘'이라고 합니다. 원형 링 등은 이 작업으로 만듭니다.

6. 풀러링 작업(Fullering Operation)

뜨거운 금속과 함께 하부 풀러를 모루 구멍에 놓고, 상부 풀러를 금속 위에 놓은 다음 대망치를 통해 상부 풀러에 힘을 가하는 단조 작업입니다.

7. 에징 작업(Edging Operation)

금속 판을 원하는 형상으로 치거나 강제하는 단조 작업입니다. 공작물을 두 다이 모서리 사이에 강제로 넣습니다.

8. 펀칭 작업(Punching Operation)

펀치로 뜨거운 금속에 구멍을 뚫는 작업입니다. 펀칭을 위해 작업물을 모루의 펀치 구멍이나 너트 등에 놓고 펀치로 구멍을 뚫거나, 드리프트로 기존 구멍을 확대합니다.

9. 세팅 다운 작업(Setting Down Operation)

마무리 공정입니다. 단조 금속의 끝단과 모서리를 평평하게 하고 이음매가 닫힐 때 둥근 모양을 만듭니다. 스웨이지와 셋 해머를 사용합니다. 이 외에도 꼬임을 주어 작업에 강도를 부여할 수 있습니다.

10. 단조 용접 작업(Forge Welding Operation)

이 공정에서 금속 부품을 로에서 적절한 온도로 가져온 후 압력이나 타격으로 용접합니다. 단조 용접을 위해 금속 조각의 끝단을 점핑을 통해 스카프(scarf) 형태로 만듭니다.

11. 스웨이징 작업(Swaging Operation)

원하는 형상과 크기(보통 원형 또는 육각)로 작업을 줄이고 완성하기 위해 수행됩니다. 이 작업에서는 소형 작업용 상하 쌍이 추가되고, 대형 작업용으로는 스웨이지 블록을 사용할 수 있습니다.

단조의 장점

1. 금속의 인장 강도가 감소하고 소성 특성을 얻어 원하는 형상을 부여할 수 있습니다.
2. 소성과 연성 특성으로 인발, 점핑, 굽힘 작업을 쉽게 수행할 수 있습니다.
3. 단조품은 형상이 거의 완성되어 있어 마무리가 쉽고 시간이 덜 걸립니다.
4. 단조 후 금속에 다른 기계 가공을 쉽게 수행할 수 있습니다.
5. 금속 낭비가 적습니다.
6. 열간 단조를 통해 금속 조직이 적절해집니다.
7. 금속에 응력과 균열 발생 가능성이 적습니다.

단조의 단점

1. 금속 가열 시 산화가 발생하여 금속에 해를 끼칩니다.
2. 취성 금속은 단조할 수 없습니다.
3. 단조 공정에서 마무리가 불가능합니다.
4. 작업 크기에 변화가 생깁니다.

결론

이제 단조에 대한 모든 의문점이 해소되었기를 바랍니다. 여전히 '단조 또는 단조 종류'에 대한 궁금한 점이 있다면 댓글로 문의해 주세요. 이 기사가 마음에 드시면 친구들과 공유해 주세요. 읽어주셔서 감사합니다. 주제에 대한 질문이 있으면 아래 댓글 섹션에 남겨주세요. 새 글 알림을 받으려면 뉴스레터를 구독하세요.