전조 (금속)
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1. 개요
전조(금속)는 금속 제조 공정 중 하나로, 대형 금속 시트 코일을 언코일러에 지지하여 롤 세트를 통과시키면서 원하는 형상으로 성형하는 방식이다. 롤 성형은 다양한 기하학적 형상을 생산할 수 있으며, 생산 속도는 재료 두께, 굽힘 반경, 스테이션 수에 따라 달라진다. 공정 비용이 낮고 재료 특성에 미치는 영향이 적지만, 윤활, 안전 등의 사항을 고려해야 한다.
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| 전조 (금속) | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 정의 | 긴 금속 스트립을 연속적으로 구부려 원하는 단면을 만드는 공정 |
| 특징 | 일정한 단면을 가진 긴 부품 생산에 적합 |
| 적용 분야 | 건축, 자동차, 가전 제품 등 |
| 공정 | |
| 재료 준비 | 코일 형태의 금속 스트립 준비 |
| 성형 | 일련의 롤러를 통과시키면서 점진적으로 굽힘 |
| 절단 | 원하는 길이로 절단 |
| 후처리 | 필요한 경우 추가적인 표면 처리 또는 조립 |
| 장점 | |
| 높은 생산성 | 연속 공정으로 대량 생산 가능 |
| 정밀도 | 정확한 단면 형상 유지 |
| 재료 효율성 | 스크랩 발생 최소화 |
| 다양한 재료 | 다양한 금속 재료에 적용 가능 |
| 단점 | |
| 초기 투자 비용 | 롤러 설계 및 제작 비용이 높음 |
| 복잡한 형상 제한 | 매우 복잡한 단면 형상에는 부적합 |
| 잔류 응력 | 성형 과정에서 잔류 응력 발생 가능 |
| 재료 | |
| 강철 | 강철 |
| 알루미늄 | 알루미늄 |
| 스테인리스강 | 스테인리스강 |
| 기타 | 기타 연성 금속 |
| 설계 고려 사항 | |
| 단면 형상 | 롤 포밍에 적합한 형상 설계 |
| 롤러 설계 | 점진적인 굽힘을 위한 최적의 롤러 형상 설계 |
| 재료 특성 | 재료의 항복 강도, 인장 강도 등 고려 |
| 전조 (금속) | |
| 정의 | 회전하는 다이스 또는 롤을 사용하여 금속 소재의 표면에 나사산, 기어, 널링 등의 형상을 만드는 냉간 가공 공정 |
| 특징 | 절삭 가공에 비해 재료 낭비가 적고, 강도가 높음 |
| 적용 분야 | 나사, 볼트, 기어, 축 등 |
| 공정 | |
| 소재 준비 | 전조 가공에 적합한 크기와 형태로 소재 준비 |
| 전조 | 회전하는 다이스 또는 롤 사이에 소재를 넣고 압력을 가하여 형상 생성 |
| 후처리 | 필요한 경우 열처리, 표면 처리 등 추가 공정 |
| 장점 | |
| 높은 생산성 | 빠른 속도로 대량 생산 가능 |
| 우수한 표면 조도 | 매끄러운 표면 얻을 수 있음 |
| 높은 강도 | 냉간 가공으로 인해 재료의 강도 증가 |
| 재료 절약 | 절삭 가공에 비해 재료 낭비 감소 |
| 단점 | |
| 초기 투자 비용 | 다이스 또는 롤 제작 비용이 높음 |
| 복잡한 형상 제한 | 형상 복잡도가 높은 제품에는 적용 어려움 |
| 잔류 응력 | 가공 과정에서 잔류 응력 발생 가능 |
| 종류 | |
| 나사 전조 | 나사산 형성 |
| 기어 전조 | 기어 이빨 형성 |
| 널링 전조 | 널링 패턴 형성 |
| 사용 장비 | |
| 전조기 | 다이스 또는 롤을 회전시키고 압력을 가하는 장비 |
| 다이스 | 나사산, 기어 이빨 등의 형상이 새겨진 공구 |
| 롤 | 원통형 공구 |
| 기타 | |
| 관련 용어 | 냉간 단조, 소성 가공 |
2. 공정
롤 포밍은 다양한 단면 프로파일을 생산할 수 있지만, 각 프로파일은 세심하게 제작된 롤 도구 세트가 필요하다. 롤 성형된 단면은 압출보다 얇은 벽을 가질 수 있고, 냉간 가공으로 더 강하며, 마감 처리 또는 페인트 처리된 상태로 제작될 수 있다. 또한, 롤 성형 공정은 압출보다 빠르고 에너지를 덜 소비한다.[1][2]
롤 성형 기계는 동일한 롤을 사용하여 다양한 크기와 재료 두께의 모양을 생산할 수 있다. 크기 변화는 수동 조정 또는 컴퓨터 제어를 통해 롤 간의 거리를 가변적으로 만들어 신속하게 전환할 수 있다. 이러한 특수 밀은 경량 강철 프레임 산업에서 널리 사용된다. 예를 들어, 단일 밀은 다양한 게이지, 웹, 플랜지, 립 치수의 금속 스터드를 생산할 수 있다.
롤 성형 라인은 연속 작업에서 부품을 펀칭하고 절단하기 위해 여러 구성으로 설정할 수 있다. 부품을 길이로 절단하기 위해 사전 절단 또는 사후 절단 다이를 사용할 수 있다. 롤 성형 라인에서 펀칭하여 구멍, 노치, 엠보싱 또는 전단 형상에 기능을 추가할 수 있으며, 이는 사전 펀칭, 중간 라인 펀칭, 사후 펀칭으로 수행할 수 있다.
2. 1. 기본 원리
롤 성형은 금속 스트립을 일련의 롤러(롤 스탠드)를 통과시켜 점진적으로 원하는 형태로 변형시키는 공정이다. 각 롤러 세트는 금속에 특정 변형을 가하며, 이러한 변형 과정은 '플라워 패턴(Flower Pattern)'이라고 불리는 설계에 따라 진행된다.[1][2] 플라워 패턴은 각 롤 스탠드에서 금속 스트립이 변형되는 형태를 순서대로 나열한 것으로, 롤 설계를 위한 기본 도면 역할을 한다.롤 설계의 높은 비용 때문에, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 설계를 최적화하고 검증하는 과정이 자주 사용된다. 이를 통해 최종 제품에 필요한 롤 스탠드의 수를 최소화하고 재료에 가해지는 응력을 줄일 수 있다.[1][2]
2. 2. 공정 단계
롤 성형은 제조 공정 중 가장 단순한 공정 중 하나이다. 일반적으로 너비 약 2.54cm에서 약 50.80cm, 두께 약 0.01cm에서 약 0.32cm 사이의 대형 금속 시트 코일을 언코일러에 의해 지지한다. 금속 스트립은 입구 가이드를 통해 롤러에 공급되어 적절하게 정렬되며, 각 롤 세트는 재료가 원하는 모양에 도달할 때까지 점진적으로 구부림을 형성한다. 롤 세트는 일반적으로 스탠드에 의해 지지되는 한 쌍의 수평 평행 샤프트 위에 장착된다. 측면 롤 및 클러스터 롤은 더 큰 정밀도와 유연성을 제공하고 재료에 가해지는 응력을 제한하는 데 사용될 수 있다. 성형된 스트립은 롤 성형 밀 전면, 밀 사이 또는 롤 성형 라인 끝에서 원하는 길이로 절단할 수 있다.2. 3. 롤 설계 및 제작
롤 설계는 각 롤 스탠드에 대해 하나의 프로파일, 즉 프로파일 단면의 시퀀스인 ''플라워 패턴''으로 시작한다. 그런 다음 롤 윤곽은 플라워 패턴 프로파일에서 파생된다. 롤 세트의 높은 비용 때문에, 롤 설계를 개발하거나 검증하고 최종 제품의 스탠드 수와 재료 응력을 최소화하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 자주 사용한다.[1][2]3. 기하학적 가능성
롤 포밍으로 생산 가능한 단면 형상은 매우 다양하며, 단면이 균일하다면 폐쇄형 모양도 만들 수 있다.[3] 롤 포밍으로 달성 가능한 형상 정밀도는 단면 형태의 너비에 대해 ±0.015inch, 깊이에 대해 ±0.06inch 이내이다. [3]
3. 1. 재료 두께 및 폭
일반적인 시트 두께는 0.004inch에서 0.125inch까지이지만, 이를 초과할 수도 있다. 길이는 압연 공정의 영향을 거의 받지 않는다. 부품 너비는 일반적으로 1inch보다 작지 않지만 20inch를 초과할 수 있다. 주요 제한 요소는 프로파일 깊이로, 일반적으로 4inch 미만으로 제한되며, 깊이에 따라 증가하는 롤로 인한 응력과 표면 속도 차이로 인해 6inch보다 큰 경우는 드뭅니다.[3]3. 2. 형상 정밀도
롤 포밍으로 달성 가능한 형상 정밀도는 일반적으로 단면 형태의 너비에 대해 ±0.015inch 이내, 깊이에 대해 ±0.06inch 이내로 유지할 수 있다.[3]4. 생산 속도
롤 포밍 공정에서 생산 속도는 재료의 두께, 굽힘 반경, 필요한 스테이션(단계) 수 등 여러 요인에 의해 영향을 받는다.
생산 속도에 영향을 미치는 요인과 속도 계산에 대한 자세한 내용은 하위 섹션에서 확인할 수 있다.
4. 1. 영향 요인
생산 속도는 재료 두께와 굽힘 반경에 따라 크게 달라지며, 필요한 스테이션(단계) 수에도 영향을 받는다. 저탄소강의 재료 두께가 0.7inch인 경우, 굽힘 반경이 재료 두께의 50배이면, 8개 스테이션을 거쳐 85ft/min, 12개 스테이션을 거쳐 55ft/min, 또는 22개 스테이션을 거쳐 50ft/min로 생산 속도가 달라질 수 있다.[3]하나의 제품이 형태를 갖추는 데 걸리는 시간은 간단한 함수로 나타낼 수 있다: t = (L + n⋅d) / V영어 여기서 L영어은 성형되는 조각의 길이, n영어은 성형 스탠드의 수, d영어는 스탠드 사이의 거리, V영어는 롤을 통과하는 스트립의 속도이다.[3]
일반적으로 롤 성형 라인은 적용 분야에 따라 5ft/min에서 500ft/min 이상으로 작동할 수 있다. 어떤 경우에는 펀칭 또는 절단 응용 프로그램이 제한 요소가 된다.
4. 2. 속도 계산
생산 속도는 재료 두께와 굽힘 반경에 따라 크게 달라지며, 필요한 스테이션(단계)의 수에도 영향을 받는다. 저탄소강의 재료 두께가 0.7inch인 경우, 굽힘 반경이 재료 두께의 50배이면, 8개 스테이션에서 85ft/min, 12개 스테이션에서 55ft/min, 22개 스테이션에서 50ft/min로 생산 속도가 달라질 수 있다.하나의 제품이 형태를 갖추는 데 걸리는 시간은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다: t = (L + n⋅d) / V. 여기서 L은 성형되는 조각의 길이, n은 성형 스탠드의 수, d는 스탠드 사이의 거리, V는 롤을 통과하는 스트립의 속도이다.[3]
일반적으로 롤 성형 라인은 적용 분야에 따라 에서 이상으로 작동할 수 있다. 어떤 경우에는 펀칭 또는 절단 응용 프로그램이 제한 요소가 된다.
5. 기타 고려 사항
롤 성형 공정을 다룰 때는 윤활, 공정이 재료 특성에 미치는 영향, 비용, 안전 등을 고려해야 한다.
5. 1. 윤활
윤활은 롤 다이와 공작물 표면 사이에 필수적인 장벽을 제공하여 공구 마모를 줄이고 작업 속도를 빠르게 하는 데 도움을 준다.[3] 다음 표는 다양한 종류의 윤활제, 적용 방법 및 사용하기에 이상적인 금속을 보여준다.| 작업 재료 | 롤 윤활제 | 적용 |
|---|---|---|
| 비철금속 | 염소화 오일 또는 왁스, 광유 | 스프레이, 와이핑 롤러 |
| 철금속 | 수용성 오일 | 와이핑, 드립, 스프레이 |
| 스테인리스강 | 염소화 오일 또는 왁스 | 와이핑 롤러 |
| 광택 표면 | 플라스틱 필름 | 캘린더링, 커버링, 스프레이 |
| 사전 코팅된 재료 | 필름 또는 강제 공기 |
5. 2. 재료 특성 변화
롤 성형 공정이 재료의 특성에 미치는 영향은 크지 않다. 물리적 및 화학적 특성은 거의 변하지 않지만, 이 공정은 가공 경화, 크레이징, 또는 굽힘 부위의 얇아짐을 유발할 수 있다.5. 3. 비용
롤 성형의 비용은 상대적으로 낮은 편이다. 공정 비용을 계산할 때는 설정 시간, 장비 및 공구 비용, 적재/하역 시간, 직접 노동률, 간접비율, 장비 및 공구의 감가상각 등을 고려해야 한다.[3]5. 4. 안전
롤 포밍 공정을 다룰 때 안전은 중요한 고려 사항이다. 주요 위험 요소는 다음과 같다.6. 롤 포밍의 장점 (압출과의 비교)
롤 포밍된 단면은 유사한 모양의 압출보다 장점이 있을 수 있다. 롤 포밍 부품은 압출 공정보다 훨씬 더 얇은 벽을 가질 수 있고, 냉간 상태에서 가공 경화되었기 때문에 더 강할 수 있다. 부품은 마감 처리 또는 페인트 처리된 상태로 제작될 수 있다. 또한, 롤 포밍 공정은 압출보다 빠르고 에너지를 덜 소비한다.[1][2]
7. 응용 분야
전조는 다양한 산업 분야에서 널리 활용되는 롤 포밍 기술을 통해 만들어진다. 롤 포밍은 금속 코일이나 스트립을 일련의 롤러를 통과시켜 원하는 형태로 점진적으로 성형하는 공정이다. 이 기술은 높은 생산성과 정밀도, 다양한 형태의 제품을 만들 수 있다는 장점 덕분에 여러 분야에서 사용된다.
7. 1. 경량 철골 구조 (Light Gauge Steel Framing)
롤 성형 기계는 롤 간의 거리를 조정하여 다양한 크기와 재료 두께의 모양을 생산할 수 있다. 이러한 특수 밀은 표준화된 프로파일과 두께의 금속 스터드와 트랙이 사용되는 경량 강철 프레임 산업에서 널리 사용된다.[1] 예를 들어, 단일 밀은 아연 도금 강판의 다양한 게이지(예: 20~12 GA)에서 다양한 웹(예: 약 7.62cm ~ 약 35.56cm), 플랜지(예: 약 2.54cm ~ 약 5.08cm), 립(예: 약 7.62cm ~ 약 12.70cm) 치수의 금속 스터드를 생산할 수 있다.참조
[1]
서적
Manufacturing Processes Reference Guide
https://books.google[...]
Industrial Press Inc.
[2]
서적
Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems
https://books.google[...]
John Wiley & Sons
[3]
서적
Manufacturing Processes Reference Guide
Industrial Press Inc.
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