볼트의 설계 및 제조과정공학기술레포트

1) 원재료 공급
우선 원재료를 공급하는 것에서부터 제조공정이 시작된다. 원재료로는 주로 제철사에서 제조한 열간용 BAR 재료나 선재를 이용한다. 열간이란 금속 따위를 재결정 온도보다 높은 온도로 달구어서 조작하는 조건을 말하고 그 반대의 개념이 냉간이다. 볼트의 용도에 따라 다른 선재를 이용한다. 보통 냉간압조용 선재를 이용하지만 고강도의 볼트제조가 요구될 때는 Cr, Ni, Mo 등의 합금원소가 첨가된 고강도 제품인 기계구조용 합금강 선재등의 특수강의 원재료를 이용한다.

<삼진금속 볼트류의 주원료>
1.SCM440-QT : Cr-Mo 합금 특수강
2.ASTM A453 Gr.660 : 오스테나이트계 스테인레스강과 유사한 고온 볼트재(ASTM-미국재료시험협회)
3.INCONEL718 : 니켈을 주체로 하여 15%의 크로뮴, 6∼7%의 철, 2.5%의 타이타늄, 1% 이하의 알루미늄·망가니즈·규소를 첨가한 내열합금. 내열성이 좋고, 900℃ 이상의 산화기류 속에서도 산화하지 않고, 황을 함유한 대기에도 침식되지 않는다.

이 외 B5F5B31, ASTM A193등등

2)원재료 검사
원재료의 품질이 안 좋으면 완성품에 많은 결함을 가져온다. 그 결함들을 살펴보면 치수허용차, 치수편경차, 접힘, 줄흠, 긁힘, 표면부식 등의 결함을 가져온다. 그래서 원재료의 검사는 상당히 중요한 부분이라 할 수 있다. 다음 원재료를 조사하는 과정이다. 외관검사와 함께 원재료에서 시편을 채취하여 분석한다. 검사에는 경도테스트, 인장테스트, spectrometer, 피로검사, 조직검사 와 elongation등을 검사한다. 다음은 검사에 이용되는 다양한 측정기기들이다.

로크웰 경도기

Leeb 경도기

Spectrophotometer

인장검사기

Impact test

금속 조직 검사기

3)Cutting
라는 이송장치를 이용하여 원하는 길이를 자르는 과정이다.

4)냉간단조
냉간가공이란 앞에서 언급했듯이 낮은 온도에서(일반적으로 상 온) 금속을 성형하는 것을 말한다. 열간가공에 의해 생산된 제품 보다 마무리가 윤택하고 기계적 가공이 적게 들어가 그만큼 변형 및 균열이 적어 더 정확하다. 냉간가공은 결정립 크기는 변화시키 지 않고 단지 변형만 시키며 재료의 항복강도 및 극한강도 그리고 경도를 강화시키지만 연성은 감소시킨다. 그 중 냉간단조란 금속재료에 공구로 압력을 가하여 공구형상에 따라서 밀어내거나 충만시켜서 바라는 형상을 만드는 가공법이다. 냉간단조를 하기 전에 검토할 사항은 수량, 재질, 모양 및 크기 등이 있다. 이것은 냉간단조가 대량생산에 유리하고 큰 힘이 들어가기 때문에 원재료가 강해야하며 주로 제작이 용이하게 하기 위해 축대칭모양을 제작하기 때문이다. 냉간단조 가공법에는 업세팅, 압출등의 주성형작업과 코이닝, 아이어닝, 피어싱, 트리밍등의 보조성형작업이 있다. 볼트 제조에는 볼트의 머리 부분을 만드는 헤딩과 트리밍등이 주로 이용된다. 헤딩작업은 앞선 공정에서 절단된 선재를 헤딩금형다이스로 이동시킨 다음 람슬라이드장치에 장착된 펀치금형의 강한 압조력으로 소성변형을 일으켜 연구변형시키는 공정이다. 트리밍은 헤딩공정으로 다듬어진 재료에 원형, 사각등의 형상으로 머리부를 따내는 공정이다. 트리밍다이스에 머리부 안쪽을 안착시키고 트리밍펀치로 원하는 형상으로 자른다.

5)열처리

일반적인 금속재료들은 대부분 연하기 때문에 기계적으로 사용 하기 어렵기 때문에 열처리를 하는데 열처리란 금속재료(주로 철 강재료)에 요구하는 기계적, 물리적성질을 부여하기 위해 가열과 냉각을 시행하는 열적 조작기술이며, 크게는 재료를 단단하게 만 들어 기계적, 물리적 성능을 향상시키는 기술과 재료를 무르게하여 가공성을 개선시키는 기술이 있다. 공정을 자세히 보면 우선 재료를 가열하여 오일 또는 물로 급냉시켜 소입경도를 높인다. 이 과정을 담금질이라고 부른다. 담금질 과정을 거치면 경도가 높아져 있지만 인성이 없다. 이것은 잘 부러진다는 것을 의미한다. 그래서 재가열해서 공냉, 유냉, 수냉, 방청등의 냉각조작을 하는데 이것이 템퍼링이다. 이 템퍼링 과정에서 금속의 종류에 따라 취성이 발생하는 온도 구간이 있는데 이 온도구간을 피하여 템퍼링을 해야 한다.

6)분쇄공정

분쇄공정은 CNC선반을 이용하여 볼트의 대략적인 형상을 잡아 간다. CNC가공에 대해 알아보기 전에 NC에대해 먼저 살펴보면 NC란 Numerical Control의 약어로 `부호와 수치로써 구성된 수 치정보로 기계의 운전을 자동제어 하는 것’ 을 의미한다. 최근 컴퓨터의 발달로 NC공작기계에 컴퓨터를 내장한 CNC 공작기계가 널리 이용되고 있다. CNC는 여러 분야의 기계에 적용되어 사용되고 있으며 현재 다품종 소량생산 체제가 요구되고 원가절감 및 생산성 향상으로 경쟁력을 갖추기 위해 CNC공작기계가 널리 사용되고 있으며 특히 여러 대의 CNC공작기계에 공작물이나 공구 등을 운반하는 자동 반송 장치와 자동화 창고, 로봇 등과 연결해서 이들을 컴퓨터로 관리하는 공장 자동화도 급속도로 보급되고 있다.

7)방전가공

방전현상을 인공적으로 설정하여 그 에너지를 이용하는 가공방법 이다. 방전가공은 가공전극과 공작물을 절연액에 담그고 50V~300V의 전압과 0.1A~500A의 전류를 걸어주면 표면에서 방전이 일어나는데 이 때 공작물 표면이 용융하고 증발하여 용융 부의 대부분은 날려버리는데 이 현상을 반복하는 공정이다. 이 방전가공의 특징은 경도에 관계없이 도전체면 모두 가공가능하고 담금질 후에도 가공이 가능하며 기계가공으로 인한 균열 열변형 현상들이 없으며 복잡한 가공도 가능하다.

8)finishing process
CNC가공으로 마무리 공정을 한다. 이 공정이 끝나면 거의 완성 된 볼트의 형태가 나온다.

9)Rolling
나사전조용롤링다이스를 2~3개 이용하여 강력한 소성변형을 일 으켜 나사산을 만드는 과정이다. 로링은 나사산 성형전 치수와 세 팅의 정도에 따라 나사의 품질이 결정되므로 매우 중요한 공정과 정이다.
10) 표면처리
볼트의 부식을 방지하고 내마모성 내열성을 위해 표면처리를 한다. 최근 들어 외관을 좋게 하려는 목적으로도 이용되고 있다. 표면처리의 종류에는 전기 화학 용융도금 세 가지로 나눌 수 있다. 전기도금은 피물체인 볼트를 음극, 도금하고자하는 금속(니켈, 금, 은, 동등)을 양극으로 하여 전기분해를 일으켜 양극의 금속이 용해되고 음극의 피물체에 석출되게 하는 방식이다. 화학도금은 PCB등의 전기과 통하지 않는 피물체에 하는 방법이다. 용융도금은 피물체보다 낮은 녹는점을 가지는 물체를 용융시켜 고온에서 짧은 시간 침적시켜 피물체와 철화합물을 형성하도록 하는 방법이다.

11)완성품검사
완성된 제품을 다양한 방법으로 검사하여 불량인 제품을 제거하는 과정이다. 표준 규격 검사, 비파괴 검사, 3D 검사 등을 실시한다. 표준규격검사는 규격화된 도구를 이용하여 측정하면 된다. 다음 비파괴검사에 대해 알아보자. 비파괴 검사는 소재의 물리적인 성질을 이용하여 결함의 존재와 정도를 추정해 낸다. 즉, 햇빛, 열, 방사선, 음파, 전기 및 자기에너지 등을 시험체에 적용하여 소재의 조직 이상이나 결함의 존재로 인한 에너지의 성질 및 특성이 변화하는 것을 측정함으로써 조직의 이상여부나 결함의 존재를 파악하는 검사이다. 비파괴 검사는 크게 표면결함 검사와 내부결함 검사 둘로 나눌 수 있다.

표면결함
자분탐상검사
소재에 전류를 흘려 자석의 성질을 갖게 한 다음 소재 표면에 자석에 반응하는 가루(자분)를 뿌린다. 그럼 표면에 흠이 있는 부위에는 자기장의 변화로 인해 자분이 집중하게 되는데 이것을 이용하여 결함을 검출한다. 단 300계 스테인리스와 같이 자석에 붙지 않는 강은 이 방법이 불가능하다.
액체침투탐상검사
소재의 표면에 특수한 침투액을 뿌리면, 모세관현상에 의하여 표면결함부에 침투액이 스며들게 된다. 여기에 현상액을 뿌리면 스며든 침투액과 반응하여 결함부위를 육안으로 확인할 수 있다.
와전류탐상검사
특수한 코일에 전류를 흘리고 그 속으로 소재를 통과시킨다. 이때 소재 표면에 결함이 있으면 전류의 흐름에 변화가 생기고, 센서가 이를 감지하여 결함을 검출해낸다.
내부결함
방사선투과검사
건강검진 때 하는 X-ray 촬영과 같은 원리로, 소재에 방사선을 투과시켜 소재 내부의 모양을 관찰한다. 내부결함의 크기나 형태를 판단하기 쉬운 장점이 있으나 인체에 유해한 방사선 때문에 전문가 이외는 사용이 제한된다.
초음파탐상검사
초음파를 소재 내부로 쏘면, 결함부 또는 반대편 경계면에 부딪혀 음파가 반사되는데 이 반사되는 신호를 분석하여 결함이 존재하는 깊이와 크기를 평가한다.

규격 검사도구

치수검사

비파괴검사
(액체침투탐상검사)
3D 검사

12)마킹 및 포장

모든 검사를 통과한 제품에 이름을 새 기는 공정이다. 이 마킹도 냉간단조의 한 공정이다. 마지막으로 최종 완성품을 포장한다.

<고찰>
이번 과제를 받고 처음에 정말 막막했다. 어디서부터 접근을 해야 할지 도무지 감이 안 왔다. 처음에 소총탄을 하려다 자료 수집에 애로사항이 많아 볼트로 주제를 바꾸어 자료를 모았다. 정말 다양한 내용이 많았지만 어디서부터 어떻게 정리해야할지 난감했다. 정보의 바다에서 살고 있지만 헤엄칠 줄은 모르고 허우적대기만 해온 것 같다. 그리고 자료들을 살펴보니 명색이 기계공학도인 내가 실무적인 부분에 너무 문외한이었던 것 같다는 생각이 들었다. 이번에 볼트에 대해 조사하면서 볼트의 종류가 용도 및 치수에 따라 이렇게 많이 있고 구분되는지 알 수 있었고, 그리고 많은 공정들과 그 공정들의 특징이나 목적에 대해 간략하게나마 알 수 있었다. 그리고 이러한 전문자료 검색할 때 포털 사이트만 찾을 것이 아니라 국회도서관이나 우리학교 도서관등 전문기관 등을 검색해보는 것도 좋은 방법이라는 것을 알게 되었다. 아쉬운 점은 좀 더 깊이 있게 이해하지 못하고 좀 더 자세한 조사를 하지 못한 점이 아쉽다. 그리고 자료수집 및 선정하는데 너무 많은 시간을 보내서 정작 정리하고 보고서 쓰는 데는 시간을 많이 할애 못하여서 내용이 많이 부실해진 것 같다. 시간활용성 및 시간 분배를 잘 못했던 것이다. 그래도 나의 문제점을 잘 알게 되었고 산업에서 없어서는 안 될 가장 중요한 볼트라는 녀석의 탄생과정 및 여러 공정에 대해 조금이나마 알 수 있게 되어 얻는 것이 많은 과제였다. 이제 틈틈이 실무적인 분야에 대한 지식도 쌓아야겠다.

<참고문헌>
1)http://blog.daum.net/richard/13870001
2)http://blog.daum.net/boltnara
3)http://blog.naver.com/leeegun?Redirect=Log&logNo=80006877032
4)http://www.poscoss.co.kr/
5)http://www.samjinmetal.com/
6)삼진금속 브로슈어
7)송성우, “볼트류 제품에 관한 공정설계 및 금형설계 자동화 시스템”, 석사학위논문, 부산대학교(2002)
8) Shigley, Mischke, Budynas , Mechanical Engineering Design , McGraw-Hill(2005)
9)http://blog.naver.com/shiba153?Redirect=Log&logNo=30041466159
10)http://100.naver.com/100.nhn?docid=129762