Kalpakjian 기계공작법 Ch.15 문제풀이(압출, 인발)

15.8 (a) 압출과 (b) 인발에서 발생하는 결함들의 종류는 무엇인가?

결함이 공작물을 생각했던 공정과는 맞지 않게 만드는 상황인 것임을 감안하면, 여러 결함이 발생할 수 있다. 압출결함은 낮은 표면정도나 표면균열 (대나무균열), 파이프결함, 셰브론 균열 등이 있다. 인발에서는 결함으로 낮은 표면정도와 셰브론 균열이 있다. 압출과 인발 모두 치수정확도 (특히 다이 마멸에 의한) 결함이 있다.

 

15.17 압출비, 다이형상, 압출속도, 빌렛온도들은 모두 압출압력에 영향을 준다. 그 이유를 설명하라.

 

압출비는 빌렛의 초기 단면적 대비 최종 단면적의 비로 정의된다. 과잉일을 무시하면, 진응력의 절대값은 e= ln(Ao /Af ) 이다. 즉, 압출비는 이상적 상황에서의 압출력에 직접적으로 영향을 준다. 다이 형상은 금속 유동에 영향을 주어 변형의 과잉일에 기여한다. 압출속도는 특히 고온에서 공작물의 변형률 민감도에 따라 변형률이 증가하면 유동응력이 증가한다. 반면 고온의 빌렛은 유동응력을 낮추어 압출력을 감소시킨다.

 

15.22 유리는 열간압출에서 좋은 윤활제이다. 형단조에서도 유리를 쓸 수 있는가? 설명하라.

유리는 여러가지 형태로 열간단조공정에서 사용된다. 하지만 형단조 공정에서는 얇은 막의 유리(유리는 비압축성유체이기 때문)라도 소재가 다이의 형상을 만드는데 방해할 것이다. 그리고 이는 품질의 저하로 이어지며 복잡한 형상을 성공적으로 단조하기 어려울 것이다. 만일 유리가 다이 깊게 파인 부분에서 응고되면 이를 제거하는데 어렵고 돈도 많이 들 것이다.

 

15.23 압출에서 중심부 균열을 어떻게 방지할 것인가? 방법을 설명하고 왜 그 방법이 효율적인지를 말하라.

 

중심부 균열은 다이 내에서 변형영역 중심선에 정수압 인장응력 상태에 기인한다. 다이각과 압출비는 정수압 인장력에 영향을 주는 주요 변수이다. 이러한 결함은 다이각을 줄여서 감소시키거나 제거할 수 있는데, 그 이유는 다이각을 줄이는 것이 동일한 압출비에서 접촉면적을 증가시키고 이에따라 변형영역이 증가하기 때문이다. 비슷하게 높은 압출비도 변형영역의 크기와 깊이를 증가시켜서 이러한 균열을 줄이거나 제거할 수 있다. 이것은 박판압연이나 봉재와 선재의 인발에도 적용된다.

 

15.33 가끔 강철선재는 구리나 납 같은 연한 금속으로 피복되어 인발된다. 이 피복의 목적은 무엇인가?

주된 이유는 강재 인발의 마찰응력을 줄이기 위해서이다. 공작물의 경도가 낮으면 마찰 응력의 작아진다. 다이의 접촉부를 피복으로 교체함으로써 연한 금속이 고체윤활제 역할을 하여 마찰 저항이 감소한다. 이는 인발력을 줄여서 인발성을 향상시킨다.

 

15.34 다발인발의 장점을 말하라.

(15.(구 6.54) 다이를 밀리미터단위 이하로 만들기 매우 어려운 점을 감안하면, 10 um의 와이어는 어떻게 제작할 수 있는가?)

매우 작은 선재를 인발하는 가장 일반적인 방법으로는 다발인발을 하는 것이다. 다발인발은 수많은 가닥(100가닥 이상)의 선재를 동시에 한 다이로 인발한다. 윤활에 있어서 특별한 고려가 요구되는데, 인발되는동안 선재들이 서로 붙을 수 있기 때문이다.

 

15.35 어떤 경우에 간접압출이 직접압출보다 좋은가?

후방압출과 직접압출의 주요한 차이는 후방압출은 빌렛이 정지해 있고 직접압출은 용기 벽에 상대적 운동을 한다는 점이다. 이 장점은 열간압출에서 공작물과 다이 사이에 유리윤활을 할 때 명확하게 나타난다. 반면 공작물과 용기 사이의 마찰이 큰 경우 마찰에 관련한 일 손실을 후방 압출로 피할 수 있다. (공작물과 용기 사이의 움직임이 없기 때문)

 

15.37 정수압 압출에서 램과 용기 사이에 복잡한 기밀이 사용되지만 다이 사이에는 사용되지 않는다. 왜 그런가?

빌렛의 끝단부가 다이와의 기밀 역할을 하여 기밀이 따로 필요가 없다. 빌렛과 다이 사이의 간극은 매우 좁아서 용기 안의 유압유가 크게 새어나오지 못한다. 압출 시작시에는 문제가 될 수 있겠지만 제품이 다이 형상에 맞춰 나오기 전의 문제이다.

 

15.38 그림 15.1의 직접압출에서 용기의 라이너의 용도를 말하라. 간접압출에서의 라이너의 용도는 무엇인가? 정수압압출에서는 라이너가 사용되지 않는 이유는 무엇인가?

직접압출과 간접압출 모두 용기의 라이너는 자동차의 디스크 브레이크 패드와 비슷하게 희생마모 부품으로서 사용되는 것이다. 라이너가 닳으면 용기 전체를 교환하기보다 라이너만 교환하는 것이 저렴하다. 정수압 압출에서 빌렛은 용기와 접촉하지 않아서 마모는 고려하지 않아도 된다.

 

15.51 길이를 따라서 단면적이 증가하는 단차가 있는 제품을 압출하려 한다. 가능한가? 그 방법이 경제적이고 대량생산에 적합할 것인가? 설명하라.

제품이 직경이 증가하는 단차가 있는 원형 축과 같은 단차가 있는 형상이라면 보다 작은 직경부터 압출시킨다. 이때 다이를 좀 더 큰 구경의 것으로 교환하고 추가적으로 더 압출한다. 더 큰 직경이 있으면 다이를 더 큰 구경의 것으로 교환하여 압출한다. 이 공정은 대량생산에서는 명백히 비경제적이다. 작은 피스의 경우에는 단차가 있는 다이를 만들어서 짧은 스트로크로 압출하면 가능할 것이다.

 

15.(구 6.37) 다이에서 랜드는 무엇인가? 그 기능은 무엇인가? 장점과 단점은 무엇인가?

랜드는 인발에서 설명했지만 압출에서는 그림이 너무 작아서 보이지 않는다. 랜드는 공작물과 평행한 부분이며 공작물을 지지한다. 랜드는 공작물의 치수를 조절하도록 한다. 다이의 마멸은 주로 다이 입구부에서 발생하기 때문에 치수에 영향을 주지 않는다. 랜드의 단점은 공작물의 표면이 랜드에 의해 긇혀 손상될 수 있다는 점이다. 일반적으로 랜드가 짧을수록 공작물 표면 상태가 좋다.

 

15.(구 6.40) 봉재와 선재 인발에서 최대 다이 입력이 다이 입구에서 발생하는 이유는 무엇인가?

다이 입구에서 최대 압력이 나타나는 이유 등이축압력의 평면응력 상태이기 때문이다. 즉, 다이 입구에서는 항복 기준에 따라 응력의 상태가 삼사분면에 위치하고 따라서 압력이 항복응력(Y) 값을 갖는다. 반면, 다이 출구에서는 길이방향 인장력과 다이와의 접촉에 의한 이축압력이 작용한다. 이때 항복 기준에 따라 인장응력이 존재하기 때문에 다이 압력이 다이 입구의 압력보다 낮다.

 

15.(구 6.41) 습식 인발과 건식 인발의 각각 어떤 조건에서 합당한지 서술하라.

습식 인발은 윤활제에 완전히 담글 수 있는 큰 코일에 적합한 반면, 건식 인발은 직선의 짧은 봉재에 적합하다.

 

15.(구 6.42) 인발에서 주요 공정 변수를 나열하고 이들이 인발 공정에 어떠한 영향을 주는지 설명하라.

(a) 항복응력; 항복응력은 인발응력과 다이 수명에 직접적으로 영향을 준다.

(b) 다이각; 다이각은 변형영역에서 과잉일에 영향을 준다. 입구부분에서 다이각은 윤활제를 주입시키는데 중요한 역할을 한다.

(c) 마찰계수; 마찰계수는 마찰 요소들의 일과 인발응력에 영향을 준다.

(d) 단면감소율; 단면감소율은 인발력에 영향을 주며 인발을 위한 한계가 존재한다.

(e) 윤활조건; 효과적인 윤활은 마찰을 감소시키지만 오렌지-필 효과때문에 거친 표면을 야기하기도 한다.

 

15.(구 6.43) 봉재인발이 1 패스나 2 패스로 수행될 수 있다고 가정하자. 다이각과 총 단면감소율이 같다면 인발력이 다른가?

봉재의 표면이 환경이나 추가적인 윤활 등의 외부 영향때문에 다이 사이에서 변화가 없는 한 인발력은 같을 것이다. 인발력이 다르지 않은 이유는 여러 단계의 인발 공정을 하나의 다이에서 이루어지는 것으로 볼 수 있기 때문이다. 이상적으로는 다이를 여러 조각으로 나눠서 일련의 공정으로 만들 수 있기 때문이다. 각각의 다이 조각들의 거리가 줄어들면 하나의 다이 형상에 근접해가며 한쪽의 전방 장력이 다른 한쪽에서는 후방장력이 되는 점을 명심하라.

 

15.(구 6.46) 인발에서 다이 출구로 갈수록 압력이 감소하는 이유는 무엇인가?

다이 출구로 갈수록 인발응력이 증가하므로 항복 조건에 의해서 반경방향의 압축응력을 구성하는 다이 압력은 감소해야 한다.

 

15.(구 6.47) 패스당 최대단면감소를 수행하는 인발가공에서 다이 출구에서의 다이 압력 크기는 얼마인가?

이 조건에서 다이 출구에서 다이 압력은 0일 것이다. 그 이유는 이 조건은 항복조건에서 단축응력 상태이 되어야 하기 때문이다. 일반적인 공정에서는 다이 출구에서 압력이 0이 될 수 없기 때문에 다이 출구에서는 단축응력 상태가 되지 않는다. 따라서, 실제로는 다이 출구에서의 인발응력은 재료의 단축항복응력보다 낮다.

 

15.(구 6.48) 인발에서 패스 당 최대단면감소율이 가공경화지수 n 이 증가할수록 왜 증가해야 하는지 설명하라.

그 이유는 재료가 연속적으로 다이 출구에 이를 때까지 변형경화를 하기 때문이다. 결과적으로 다이 출구에서 더 강하기 때문에 항복될 때까지 높은 응력에 저항할 수 있다. 또한, 가공경화재료는 한 패스당 더 큰 단면감소가 가능하다.

 

15.(구 6.49) 식 (6.74)를 유도할 때 마찰을 고려하면 패스당 최대단면감소율이 같은가 증가하는가 감소하는가? 설명하라.

마찰을 추가하면 인발응력은 더 커질 것이다. 결과적으로 패스당 최대단면감소율은 63%보다 더 감소할 것이다. 다시 말하면, 배출되는 소재의 단면이 마찰때문에 증가한 인발응력을 지지하기 위해서 이상적인 경우보다 더 클 것이다.

 

15.(구 6.50) 선재와 봉재 인발에서 후방장력이 다이 압력에 미치는 영향을 설명하라.

후방장력의 효과는 압연에서 전방장력의 효과와 비슷하다. 즉, 다이 압력을 낮춘다. 이는 장력이 증가하면서 소재의 겉보기 압축항복응력이 감소하기 때문이다.

 

15.(구 6.52) 스웨이징이 개발된 이유를 설명하라.

주요 이유는 아래와 같다.

(a) 다양한 부품을 상대적으로 단순한 공구로 생산할 수 있다.

(b) 긴 공작물에 내부 형상을 만들 수 있다.

(c) 장비가 작다.

(d) 표면정도와 치수정확도가 좋다.

(e) 냉간가공으로 기계적 성질이 향상된다.

 

15.(구 6.55) 어닐링된 금속이 다이를 통해 인발된 이후 강도와 경도, 연성과 이방성은 어떻게 변화하는가?

이 공정이 상온에서 수행되었다고 가정하면 재료의 항복응력이 증가할 것이다. 이는 강도와 경도에도 직접적으로 관련이 있기 때문에 이들도 증가한다. 재질이 가공경화되기 때문에 연성은 감소할 것이다. 변형하면서 선택적 방향성 때문에 냉간인발존재에서는 등방성이 있을 수 있다.