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Bong-Kee LeeSchool of Mechanical Systems Engineering

Chonnam National University

소성가공

9. Rolling (I)

School of Mechanical Systems Engineering소성가공

Overview

압연(rolling)– 평판 압연

• 길이가 긴 평판, 판재, 박판을 고속으로 가공함• 냉간 가공인 경우 표면 정도가 좋음• 대규모 초기 투자가 필요함

– 형상 압연• I-빔과 같은 각종 구조용재를 생산함• 나사의 전조도 포함함• 공형 롤과 고가의 장비가 필요함


Rolling

압연– 긴 소재를 롤 사이로 통과시키면서 압축력을 가해줌으로

써 소재의 단면을 감소시키거나 단면의 형상을 변화시키는 공정

• 후판(plate)– 일반적으로 6mm 이상의 두께를 가지는 판재– 구조용: 선체, 보일러, 교량, 기계구조물, 원자로 등

• 박판(sheet)– 일반적으로 6mm 이하의 두께를 가지는 판재– 후속 공정을 거쳐 판재 제품으로 가공: 자동차 차체, 가전 제품, 음식

및 음료 용기, 주방기기 등


Rolling

압연


Rolling

평판 압연(flat rolling)– 독립적으로 구동되는 두 개의 회전하는 롤 사이로 소재가

들어와서, 롤 간격(roll gap) 부분에서 압축력을 받아 그두께가 감소되는 공정

– 소재의 속도는 롤 사이를 지나면서 점점 증가함– 일반적으로 소재의 폭도 증가됨

Schematic illustration Friction forces Roll force and torque


Rolling

평판 압연(flat rolling)– 최대 압하량(maximum possible draft)

• 소재의 초기 두께와 압연 후 두께의 차이로 정의됨• 일반적으로 (a)소재와 롤 사이의 마찰계수(μ 및 (b)롤 반경(R)의

함수로 표현될 수 있음

• 마찰 및 롤 반경이 클수록, 최대 압하량의 값도 증가함

μ


Rolling

평판 압연(flat rolling)– 압하력(roll force), 롤 토크(roll torque), 동력(power)

• 압연 공정 중, 소재의 두께 감소를 위하여 롤은 평판에 압력을 가하게 되며, 따라서 압축 하중(압하력, F)이 작용함

– 평판 압연 압하력의 단순 예측

L: 롤과 소재의 접촉호의 길이, w: 소재의 폭, Yavg: 평균 유동응력

• 롤 토크– 압하력 F가 접촉호의 중간에 작용한다고 가정할 경우, 롤 하나의 토

크

2


Rolling

평판 압연(flat rolling)– 압하력(roll force), 롤 토크(roll torque), 동력(power)

• 롤 하나의 동력

(단위; F[N], L[m], N[rpm])

• 두 개의 롤을 구동하는 데 필요한 동력

ωπ60,000

2π60,000


Rolling

평판 압연(flat rolling)– 압하력의 감소 방법

• 소재와 롤 사이의 마찰력을 감소시킴• 작은 크기의 롤을 이용함: 접촉 면적의 감소• 두께 감소율(압하율)을 감소시킴: 접촉 면적의 감소• 고온에서 압연 공정을 수행함: 소재의 강도 감소• 소재에 장력을 가해줌

– 압연 방향으로 장력을 가함으로써 소재의 압축방향 항복응력을 감소시킬 수 있음

– 입구부(후방 장력, back tension)나 출구부(전방 장력, front tension), 또는 양방향에서 가할 수 있음


Rolling

평판 압연(flat rolling)– 롤의 배치

4단식(4-high rolling mill)

2단식(2-high mill)

3단식(3-high mill)

클러스터 형(Sendzimir mill)


Rolling

평판 압연(flat rolling)– 롤 변형(roll bending)

• 압하력에 의하여 압연 공정 중 롤의 탄성 변형이 나타남• 롤 재료의 탄성 계수(elastic modulus)가 클수록 롤 변형은 적음

압하력에 의한 직선 롤의 변형

캠버(camber)를 가지는 롤의 변형


Rolling

평판 압연(flat rolling)– 퍼짐(spreading)

• 두께에 대한 폭의 비(width-to-thickness ratio)가 큰 경우, 압연 중소재의 폭은 일정하게 유지됨: 평면변형률 조건

• 두께에 대한 폭의 비가 작은 경우, 롤 사이를 지나면서 소재의 폭이 크게 늘어남: 퍼짐

– 두께에 대한 폭의 비가 작을수록, 마찰이 작을수록, 소재 두께에 대한 롤 반경의 비가 작을수록; 퍼짐량이 증가함

– 수직롤을 이용한 소재의 옆면을 구속


Rolling

평판 압연(flat rolling)– 진동(vibration)과 채터(chatter)

• 압연 공정의 품질과 생산성에 주요한 영향을 줌• 채터: 자려 진동(self-excited vibration)

– 압연뿐만이 아니라 압출, 인발, 절삭, 연삭 등 다른 금속 가공 공정들에서도 나타날 수 있음

– 매우 복잡한 현상으로 압연기 구조와 압연 작업의 동역학 간의 상호작용에 따라 나타남

– 압연 판재의 두께와 표면 정도에 편차가 발생하게 됨


Rolling

평판 압연(flat rolling)– 평판 압연 작업

• 압연은 고온에서 처음 시작됨(열간 압연): 잉곳(ingot)이나 연주(continuous casting)된 금속을 미세한 조직과 향상된 연성을 가지는 단련 구조(wrought structure)로 바꾸어 줌(취성 조직 경계의파괴와 기공과 같은 내부 결함의 제거)

– 슬래브(slab) 혹은 블룸(bloom)의 제작


Rolling


– 슬래브: 일반적으로 사각 단면을 가짐– 블룸: 일반적으로 최소 150mm 이상의 크기를 가지는 정사각 단면을

가짐– 빌렛(billet): 블룸과 마찬가지로 정사각 단면을 가지나 그 크기가 작

음; 형상 압연과 같은 후공정을 통하여 환봉(round rods)과 각봉(bars) 등 다양한 형상으로 가공됨

– 슬래브, 블룸, 빌렛의 열간 압연 전, 일반적으로 소재 표면의 청정작업을 수행함: 화염 가열(scarfing), 거친 연삭 등

• 냉간 압연(cold rolling)– 상온에서 수행됨– 열간 압연 제품에 비하여 매우 뛰어난 표면 정도, 치수 정밀도 및 기

계적 물성을 가짐


Rolling


• 겹침 압연(pack rolling)– 생산성 향상을 위하여 두 개 이상의 금속을 겹쳐서 압연함– 예. 알루미늄 포일

• 정직 롤(leveling rolls)– 압연된 제품의 평탄도(flatness) 향상을 위하여 수행함

압연 판재 정직 환봉 정직


Rolling


• 결함– 압연된 후판 및 박판의 표면(표면 결함) 혹은 내부(구조적 결함)에 발

생할 수 있음– 표면 상태의 저하 및 제품의 강도, 성형성, 제작 특성 등에 영향을 줌

파도형 결함(wavy edges) 중앙부 터짐(zipper cracks)

측면 균열(edge cracks) 입벌림 결함(alligatoring)


Rolling


• 잔류 응력– 롤 사이에서의 불균일한 변형으로 나타나며, 특히 냉간 압연에서 크

게 나타남– 작은 직경의 롤 혹은 압하율이 작은 경우에는 소재의 표면에서만 소

성 변형이 일어남: 표면의 압축잔류응력/내부의 인장잔류응력


Rolling


• 치수 공차– 냉간 압연된 박판의 두께 공차는 일반적으로 0.1에서 0.35mm로 나

타남: 열간 압연의 경우, 온도의 영향으로 공차가 더 크게 나타남– 평탄도 공차: 냉간 압연 15mm/m 이내, 열간 압연 55mm/m 이내

• 표면 거칠기– 냉간 압연된 박판은 매우 뛰어난 표면 정도를 보이기 때문에 추가적

인 표면 가공이 요구되지 않음– 열간 압연의 경우 사형 주조(sand casting)와 비슷한 정도의 표면 거

칠기를 보임


Rolling

압연기(rolling mill)– 2단 압연기(2-high rolling mill)

• 잉곳 혹은 연주 제품의 열간 압연에 이용됨• 롤 직경: 0.6~1.4m

– 3단 압연기(3-high rolling mill, reversing mill)• 한 번의 압연 공정 후, 소재의 이송 방향이 변경됨• 이송기(elevator) 및 다양한 작동기구(manipulator)가 요구됨


Rolling

압연기(rolling mill)– 직렬형 압연기(tandem rolling)

• 판재가 다수의 스탠드(stand)를 연속적으로 통과함• 각 스탠드는 독립적인 제어가 가능한 롤 세트로 구성되어 있음• 트레인(train): 스탠드들의 군(group)


Rolling

압연기(rolling mill)– 롤 재료

• 기본적인 요구 조건: 강도, 내마모도(마모 저항)• 주철(cast iron), 주강(cast steel), 단조강(forged steel)• 초경합금(tungsten carbide): 클러스터 압연기의 작업 롤(working

roll)과 같은 작은 직경의 롤에 주로 이용됨

– 윤활• 철 합금의 열간 압연은 윤활이 없이 주로 진행되나, 흑연(graphite)

이 이용되기도 함• 롤의 냉각 및 압연된 판재의 표면 스케일 제거를 위하여 수용성

냉각수가 이용됨


Rolling

기타 압연 작업– 형상 압연(shape rolling, profile rolling)

• 다양한 모양의 단면재, 채널 강, I-빔, 철도 레일 등과 같이 길이가길고 직선인 구조재

• 특수 설계된 일련의 롤사이를 블룸을 통과시켜열간 압연함• 다양한 단면 형상을 가지는 선재를 이용한 냉간 형상 압연도 이용될 수 있음


Rolling

기타 압연 작업– 압연 단조(roll forging, cross rolling)

• 그루브 형상을 가지는 롤 사이에서 원형 단면의 소재가 압연되는공정

– 강구전조작업(skew rolling)• 선재나 봉재 형태의 소재가 롤 사이로 이송이 되어 회전하는 롤에

의해 연속적으로 구형으로 성형됨

압연 단조의 개략도 강구전조작업(베어링용 강구 제조)


Rolling

기타 압연 작업– 링 압연(ring rolling)

• 두꺼운 링 형상을 이용하여 직경을 늘리고 두께를 줄이는 공정• 링 소재가 두 개의 롤 사이에 놓이고, 하나의 롤이 회전하며 롤 간

격을 줄이면서 두께를 줄여 나감• 로켓이나 터빈 용 대형 링, 기어바퀴 림, 베어링의 레이스, 플랜지,

파이프 보강 링 등의 제작에 이용함


Rolling

기타 압연 작업– 나사 전조(thread rolling)

• 원형 봉재나 선재의 표면에 직선 또는 테이퍼진 나사산을 성형하는 냉간 가공 공정

• 왕복하거나 회전하는한 쌍의 다이 사이로소재가 압연됨


Rolling

기타 압연 작업– 나사 전조(thread rolling)

• 기타 나사 가공 공정보다 우수함: 재료 손실이 없고, 치수 공차 및강도가 양호함; 표면 정도가 좋으며, 소재 표면의 압축잔류응력으로 인하여 피로 수명이 증가됨

– 나사 절삭: 소재의 단류선(grain-flow line)을 절단– 나사 전조: 냉간 가공을 통하여 나사의 강도를 높이는 단류선 양상을

얻을 수 있음


Rolling

기타 압연 작업– 회전 천공(rotary tube piercing, Mannesmann process)

• 두꺼운 벽을 가지는 길고 이음매가 없는 관을 제조하는 열간 가공공정

– 주기적인 압축응력에 의하여 중심부에 공동부가 생김– 내부 맨드렐: 구멍을 확대하고 내벽을 다듬는 역할


Rolling

기타 압연 작업– 관재 압연(tube rolling)

• 튜브와 파이프의 직경과 두께를 줄이는 압연 공정

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