자유단조는 평다이 혹은 간단한 모양의 다이에서 행하여지고, 대형물 혹은 생산수량이 적은 경우, 또는 형단조를 위한 예비형상(preform)의 단조에 이용된다. 형단조는 형상을 가진 다이에서 행하여지고, 단조중에 밀폐된 다이 공간내에서 금속은 높은 압력하에서 변형하게 된다. 비교적 정밀한 정밀한 칫가 요구되는 단조품의 생산에 이용된다.
형단조는 정밀하게 가공한 잘 짜맞추어진 상하금형에 의해서 칫수정도가 요구되는 단조품을 생산하는데 이용된다. 이 방법은 생산량이 많을 때 적합하다.
그림 1. 형단조의 단면도
형단조에서의 Flash의 역할은
1.과다한 양의 물체가 빠져나가게 한다..
2. die내부의 압력을 증가시켜 정확한 모양을 만들게 한다.
● 단조 설비
◆ 평면변형단조
Friction hill과 결과가 비슷하다.
◆ 자유단조
그림 2. 자유단조에 의한 코깅작업
자유단조는 유압프레스나 파워해머에서 비교적 간단한 형상의 다이로서 크고 간단한 형상의 제품을 단조하는 것을 말한다. 먼저 퍼짐계수(coeff. of spread)S를 정의하면
그러나 시편이 barrelling되기 때문에 w1을 재는데 많은 오차가 있을 수 있기 때문에 다음과 같이 생각해 보자. 성형전과 후의 부피가 일정하다는 것에서
그런데
그런데 ℓ1을 재는데 생기는 오차는 w1을 재는데 생기는 오차에 비해 훨씬 작다. 여기서
S = 0 → 모든 높이 변화의 변형은 전부 길이 변형으로 나타남.
S = 1 → 모든 높이 변화의 변형은 전부 폭변화(spread)로 나타남.
또한 모든 압축비 h1/h0는 1.3을 초과하지 않도록 한다.(inhomogeneous한 변형을 방지)
◆ 형단조
형단조에서의 단조공정을 성공적으로 최적설계하기 위해서는 재료의 흐름응력, 마찰조건, 재료의 유동등을 잘 이해하여야 한다. 찬 금형에 의한 소재의 빠른 냉각을 방지하는 것도 고려해 주어야 한다.
예비형상(preform)의 설계가 단조설계에서 어렵고 중요하다. 적절한 예비형상의 설계로서 결함이 없고, 살채움이 좋으면서 플래시에 의한 소재손실도 최소화시킬 수 있다. 단조에서의 재료의 흐름에는 크게 두가지형- 즉, 압출형(다이 진행방향과 동일한 방향의 흐름)과 어프세트형(다이 진행 방향에 대한 수직방향의 흐름)-이 있다. 통상 한 단조과정에서 이 두 가지의 흐름이 동시에 일어난다. 재료는 중립면에서부터 양쪽으로 다이 진행방향에 대하여 수직으로 흐르게 된다.
예비형상의 설계시 고려되어야 할 사항은 다음과 같다.
1. 같은 단면을 가진 부분의 체적은 최종 제품의 그것과 플래시를 포함한 것과 일치해야 한다.
2. 오목한 부위의 단면은 최종 제품의 그것에 비하여 항상 커야 한다.
3. 예비형상의 단면은 최종 제품의 그것에 비하여 높고 좁게하여 어프세팅형 흐름을 조절하고 압출형 흐름을 최소화시켜야 한다.
최종단계 설계에 있어서 재료의 이상적인 흐름형태는 공구계면에서의 전단변형이 없는 압축수직방향의 흐름을 유도하여 다이공간을 채우는 것이다. 이러한 형태의 흐름은 마찰, 단조력, 다이마모를 최소화시킬 수 있다.
◆ 형단조에서 단조력의 계산
형단조에서 단조력과 단조압력을 예측하는 데에는 세가지 방법이 사용되고 있다. 첫 번째 방법은 경험에서 단조력을 추정하는 방법이다. 이것보다 좀더 합리적인 방법으로 경험식을 이용하는 방법으로 Schey는 단조력을 다음과 같은 식으로 표시하였다.
여기서 C1 = 형상 난이 계수
평다이에서 실린다를 어프세팅할 때 C1 = 1.2 ∼ 2.5
플새시를 가지는 간단한 형상의 형단조에서는 C1 = 3∼8
플래시를 가지는 복잡한 형상의 형단조에서는 C1 = 8∼12
세 번째 접근법은 형단조공정을 간단화하여 슬랩해석을(slab analysis)을 하는 방법이다. 이 해석에서 불균일 변형은 무시될지라도, 실제 상황을 잘 고려하게 되면, 실험결과와 비교적 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있다. 기본적인 접근방법은 실제 단조물의 형상을 슬래해석이 가능하도록 간단한 형사의 조합으로 나누는 것이다.
◆ 단조결함
표면크랙은 너무 낮은 온도에서 과도한 변형을 준 경우 혹은 온도가 너무 높아서 적열취성에 의해 발생할 수 있다. 형단조에서 플래시부위의 크래킹(cracking)이 일어날 수 있는데, 플래시를 제거하더라도 모재까지 크랙이 전파되어 있을 수 있다. 이러한 크랙은 플래시의 두께가 재료의 원래 두께에 비하여 얇을 경우 일어나기 쉽다. 이 결함은 플래시의 두께를 두텁게 하던가, 그 위치를 바꾸므로 방지할 수 있다.
콜드 셧(cold shut) 혹은 접힘(fold)도 형단조에서 자주 발생하는 결함의 하나이다. 접힘이란 두 금속표면이 완전히 용접되지 않고 서로 겹쳐진 상태를 말한다. 이것은 금속의 흐림이 이미 살채움이 끝난 부분이나 칠링(chilling), 뾰족한 코너 혹은 높은 마찰등으로 인하여 살채움이 미완된 부분으로 다시 흐르게 되므로서 발생하게 된다. 금형 형상 반경(die radius)이 너무 작을 때 이 결함이 자주 발생하게 된다.
단조 중에 재료내부에는 인장응력이 유발되고 이것이 내부크랙을 유발할 수 있다. 이 결함은 원주형의 피단조물을 어프세팅(upsetting)할 때 재료 내부에 원주방향의 인장응력이 발생하여 일어나기 쉽다. 적절한 금형설계로서 이 형태의 결함은 최소화시킬 수 있다.
◆ 분말 단조
분말야금학적으로 준비된 예비현상으로부터 형단조하는 분말야금단조법이 새로이 빠르게 발전하고 있는 영역의 하나이다. 이 분말단조의 장점은 많은 가공단계가 필요없고 복잡한 형상을 만들 수 있으며 조직이 homogeneous하다는 것이다. 단점은 기공이 없어 ductility가 떨어지고 oxide같은 불순물이 들어갈 수 있다.
단조 
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