성형 가공이란? 대표적인 성형 가공(단조 · 주조 · 프레스 · 수지 성형) 소개

제품을 제조하기 위해 우리는 다양한 재료를 다양한 방법으로 가공하고 있습니다. 예를 들어 재료를 자르거나 깎거나 하는 절삭 가공이나 재료 끼리를 연결하는 접합 등도 가공 방법 중 하나 입니다. 이번에는 가공법 중에서도 틀을 사용한 성형 가공 (단조·주조·프레스·수지 성형)에 대해 소개합니다.

성형 가공이란?

성형 가공이란 금속이나 모래로 만들어진 「틀」을 사용해, 금속이나 수지 등의 재료를 가공해 제품화하는 것입니다.성형 가공이라고 해도, 틀의 사용법은 다양하고, 재료를 틀로 눌러 변형시키거나, 뜨겁게 녹인 재료를 틀에 흘려 넣거나 하는 등의 방법이 있습니다.성형 가공은, 후에 소개하는 단조, 주조, 프레스, 사출 성형 외에, 수많은 가공법이 있어, 재료나 목표로 하는 형상 등에 의해 선택되고 있습니다.

성형 가공의 역사는 오래되어 기원전 4,000년 경에는 메소포타미아에서 주조가 이루어졌다고 합니다.과거 금속은 장식품 등으로 단조품이 약간 사용되는 정도였지만, 틀을 이용한 주조의 발명으로 금속제 무기나 농기구가 활발하게 만들어지게 되었습니다.
성형가공이 공업으로 변화한 것은 18세기 영국에서 일어난 산업혁명 때문입니다.공장의 발전에 수반해, 같은 형태의 제품을 대량으로 만들 수 있는 성형 가공은, 주조를 중심으로 세상이 기계화해 가는 과정에 크게 공헌했습니다.
이후 19세기에 들어서면서 플라스틱이 발명되고 성형가공으로 만들어지는 제품은 더욱 증가하게 됩니다.

성형 가공의 가장 큰 특징은 재료를 틀에 넣어 가공하는 것입니다.따라서 성형 가공으로 만들어지는 것은 마치 붕어빵처럼 틀을 깨고 제품을 만들 수 있는 것입니다.틀을 깰 때 걸리는 측면의 구멍이나 홈이 있는 형상은 기본적으로 만들 수 없습니다.또한 틀 안에 재료를 충전시키기 때문에 속이 빈 형태를 만들기 위해서도 특별한 연구가 필요합니다.

성형 가공의 장점과 단점

어떠한 가공법에도 장점과 단점이 있는 것 처럼,  성형가공에도 좋은 부분과 나쁜 부분이 존재합니다.성형가공의 장점과 단점에는 다음과 같은 것이 있습니다만, 「금형」에 기인하는 항목이 많은 것이 특징입니다.

장점

•  대량 생산에 적합하다
• 품질을 일정하게 유지하기 쉽다
• 복잡한 곡면의 가공도 할 수 있다

틀이 정해져 있기 때문에 같은 형상의 것을 많이 만드는 데 적합합니다.가공 조건을 동일하게 유지하기 쉽기 때문에 품질의 편차도 비교적 적을 수 있습니다.그 때문에 범용성이 있는 제품이나, 출하 개수가 많은 제품등의 제조에 적합합니다.
또한 환풍기 날개나 자동차 몸체처럼 복잡한 곡면을 가진 제품이라도 틀만 만들어버리면 비교적 간단하게 가공할 수 있는 것도 특징입니다.

단점

• 금형을 만드는 데 시간과 비용이 든다
• 만든 금형을 변경하는 것은 어렵고 자유도가 낮다
• 가공할 수 없는 형상이 있다

금형이든 모래형이든 기본적으로는 제품의 모양마다 전용 틀을 만들어야 합니다.범용성이 없고 개별적으로 만들어야 하기 때문에 틀 자체를 만드는데 시간과 비용이 많이 듭니다.따라서 소량 다품종 생산에는 적합하지 않습니다.

또 한 번 금형을 완성시켜 버리면 그다지 큰 변경은 할 수 없습니다.양산 후에 불량이 발생한 경우 등도 금형에 미치는 영향을 고려하면서 개선책을 모색해야 하는 등 양산 개시 후의 자유도는 낮아집니다.

또한 성형 가공에서는 기본적으로 틀 안에 재료를 넣어 가공하고 틀을 열어 재료를 꺼내는 사이클이 반복됩니다.따라서 형의 개폐에 지장이 없는 형상이 아니면 가공을 할 수 없습니다.

단조

단조로 아주 유명한 것은 일본도(日本刀)의 가공입니다.일본도에서는 새빨갛게 달 때까지 가열한 재료를 망치로 두드려 길게 늘이지만, 공업적으로는 망치가 아닌 ‘틀’로 두드려 제품의 형상을 만듭니다.

단조란, 두드린 압력을 이용하는 성형법

단조는 철강과 알루미늄 합금 등 금속 재료의 소성을 이용한 가공법입니다. 잉곳 모양이나 원기둥 모양의 금속 덩어리를 망치나 틀로 두드려 큰 힘을 가하여 소성 변형시켜 모양을 만듭니다.

단조는 크게 ‘열간 단조’와 ‘냉간 단조’의 2종류가 있으며, 가공할 때 재료의 온도에 따라 분류되어 있습니다. 열간 단조는 재료에 따라 다르지만, 철계 재료라면 약 1,100℃~1,250℃, 알루미늄 계 재료라면 400℃ 정도로 가공됩니다.반면 냉간 단조는 기본적으로 상온하에서 가공되지만 변형에 따른 열로 재료의 온도가 상승하기 때문에 수백 도 정도의 온도가 되는 경우가 대부분입니다.
단조에서는 두드리는 것으로 소재 내부의 금속 조직이 치밀해져 결정의 방향이 모아지는 효과가 있습니다. 일본도가 단조로 만들어지는 것은 이에 따라 재료의 강도가 증가하기 때문입니다.따라서 단조는 강한 힘이 드는 부품의 제조에 적합합니다.
한편, 틀을 사용하여 강한 압력을 가할 필요가 있기 때문에 프레스하는 기계도 큰 것이 필요합니다. 그 때문에 대규모 설비가 필요하게 되는 등의 단점도 있습니다.

단조의 주된 용도

단조로 만들어진 제품은 다음과 같은 부분에 많이 사용되고 있습니다.

• 자동차 부품(엔진의 크랭크 샤프트 등)
• 항공기 부품(엔진 터빈 등)
• 발전소 부품(터빈의 주축 등)
• 공구(식도나 펜치 등)

주조

주조도 철이나 알루미늄 등의 금속에 대해 실시되는 가공입니다.주조는 인류의 금속 가공 역사에서 가장 오래전부터 이용된 가공법 이라고도 합니다.

주조란, 액체로 만든 금속을 틀에 부어 넣는 성형법

주조란 가열하여 액체로 만든 금속을 틀에 부어 식혀 굳히는 가공 방법입니다.틀에는 금속을 사용한 금형이나 모래를 이용한 모래형, 석고를 이용한 석고형 등이 사용됩니다.액체가 된 금속을 흘려 넣기 때문에 단조에 비해 틀 안 전체에 재료가 충전되기 쉬워 더욱 복잡한 형상을 만들 수 있습니다.금형을 사용하는 경우에는 틀에 드는 비용도 비싸지지만, 모래형이나 석고형이면 비교적 저렴하게 준비할 수 있기 때문에 전통 공예품과 같은 소량 생산에도 대응하기 쉬운 것도 특징 중 하나입니다.
한편으로 금속을 녹을 때까지 가열해야 하기 때문에 가열 설비를 비롯해 재료를 취급하는 설비도 대들보가 되기 쉬운 것이 단점입니다.또한 제품 내부에 ‘둥지’라고 불리는 공동이 발생하는 경우도 있습니다.또한 주조에 사용되는 철은 주철이라고 불리며 탄소량이 비교적 많은 철입니다.따라서 주조로 만들어진 제품은 비교적 취약하고, 그다지 높은 강도를 가지고 있지 않습니다.
틀을 이용하여 (가열된) 금속을 가공한다는 의미로 주조와 단조가 비교되는 경우도 많습니다.재질이나 형상에 따라서도 다르기 때문에 절대는 아니지만 단조 쪽이 튼튼한 제품을 만들 수 있는 한편 주조 쪽이 저렴하고 복잡한 형상을 만들 수 있다는 장점이 있습니다.

주조의 주된 용도

주조는 복잡한 형상을 대량 생산하는데 적합하기 때문에 아래와 같은 제품에 널리 사용되고 있습니다.

• 자동차 부품(엔진이나 변속기의 케이스, 타이어 휠 등)
• 전자제품 부품(컴퓨터나 카메라 케이스 등)
• 일용품 (철병, 프라이팬, 맨홀 등)

프레스

프레스(press)는 영어가  의미하는 바와 같이 틀로 재료를 눌러 압축하며 가공하는 방법입니다.프레스 가공의 예를 들면 골판지 안에 끼워져 있는 파판이나 아크릴 후드와 같이, 종이나 수지등에 대해서도 행해지고 있습니다만, 여기에서는 금속에 대한 프레스 가공에 대해 설명 하겠습니다.

프레스란, 얇은 판에 금형에 붙이는 성형법

프레스 가공은 SPCC와 같은 얇은 금속판에 금형을 눌러 변형시키는 가공법으로 금속의 소성변형을 이용한 가공의 일종입니다.금형의 형상에 따라 금속판을 절단하거나 굽힘이나 절곡 등을 실시합니다.단조와의 큰 차이는 재료의 형상에 있으며 단조에서는 원기둥 등 덩어리 형태의 재료를 사용하는 반면 프레스 가공에서는 판 형태의 재료를 사용합니다.또 프레스에 사용되는 금속판의 재질은 철강이나 알루미늄 합금 등이 많이 사용됩니다.재료가 얇기 때문에 단조에 비하면 큰 힘이 필요 없고 기본적으로 상온에서 가공됩니다.
프레스 가공과 유사한 가공에 판금 가공이 있습니다.모두 얇은 금속을 금형으로 변형시키는 가공이지만, 프레스 가공과 판금 가공에는 다음과 같은 차이가 있습니다.

• 프레스 가공
  전용 금형을 사용하고 프레스기를 사용하여 가공합니다.동일한 형상의 부품의 대량 생산에 적합하며, 기계에 의한 자동 이송이나 깊은 조리개와 같은 복잡한 형상에도 대응 가능합니다.
• 판금 가공
  직선적인 범용 금형을 사용하여 프레스 브레이크라고 하는 기계를 사용하여 가공합니다.금형에 범용성이 있어 소량 다품종 제조에 대응할 수 있으며, 설계 변경에도 유연하게 대응할 수 있는 것이 특징입니다.반면 부품을 수작업으로 한 점씩 가공하기 때문에 대량생산에는 잘 적합하지 않습니다.

프레스의 주요 용도

기본적으로 금속판에 대해 이루어지는 가공이기 때문에 금속판만의 가벼움이 요구되는 제품에 이용되는 경우가 많습니다.

• 로켓이나 항공기 부품 (외장 등)
• 자동차 부품 (바디나 도어 등)
• 가전제품의 부품 (세탁기 드럼이나 형광등 고정 장치 등)
• 일용품 (스푼이나 동전 등)

마무리하며

성형 가공이란 「틀」을 사용한 가공 방법으로, 단조와 주조 외에 프레스 가공이 금속 가공의 수단으로서 많이 이용되고 있습니다.플라스틱 등의 수지에 대해 실시되는 사출 성형도 성형 가공의 동반자입니다.
틀을 사용하여 가공하므로 동일한 형태로 동일한 품질의 제품을 대량 생산하는 데 적합합니다.그러나 틀 준비에 비용이나 시간 등 많은 비용이 들기 때문에 소량 다품종 생산으로는 틀에 드는 비용을 고려하면 적합하지 않습니다.