KR100701880B1

KR100701880B1 - 대변형 도입 가공방법과 캘리버 압연장치

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Publication number: KR100701880B1
Application number: KR1020057021978A
Authority: KR
Inventors: 타다노부 이노우에; 시로 토리즈카; 에이지로 무라마츠; 코토부 나가이
Original assignee: 도쿠리츠교세이호징 붓시쯔 자이료 겐큐키코
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2007-03-30
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: CN100430160C; TW200505601A; EP1637242A1; EP1637242B1; US20060260375A1; TWI269675B; WO2004103591A1; EP1637242A4; CN1791478A; JP3968435B2; KR20060012009A; US7647804B2; JP2004344969A

Abstract

연속하는 2패스 이상의 구멍형 압연에 있어서, 1패스째의 플랫형상의 구멍형에 의해 압연하고, 계속하여, 2패스째에서 각형 형상의 구멍형에 의해 압연하는 방법으로서, 1패스째의 플랫의 단축(2A₀₁)이 소재 대변치수(2A₀)에 대하여, A₀₁/A₀≤0.75가 되고, 2패스째의 상하 대각치수(2A_s1)이 1패스 후의 재료의 장축(2B₁)에 대하여, A_s1/B₁≤0.75가 되는 캘리버에 의해 압연하여 대변형을 도입하고, 1패스에서 도입한 변형 분포가 다음 패스의 변형분포와 형상에 부여하는 영향을 밝혀내어, 재료단면 전역, 특히, 재료중심에 대변형의 도입을 가능하게 한다.

Description

대변형 도입 가공방법과 캘리버 압연장치{LARGE STRAIN INTRODUCING WORKING METHOD AND CALIBER ROLLING DEVICE}

본 출원의 발명은, 대변형 도입 가공방법과 이것에 이용하기 위한 캘리버 압연장치에 관한 것이다.

봉강(棒鋼)의 제조방법으로서, 구멍형의 홈을 갖는 롤을 이용하여 압연을 행하는 캘리버 압연이 일반적인 것으로서 알려져 있다. 이 때에, 구멍형의 형상은 각형(스퀘어형, 다이아몬드형), 오벌형, 원형으로 크게 구별된다. 이들의 구멍형을 적당히 조합(패스 스케줄이라고 한다)시킴으로써, 효율 좋게 단면을 감소시켜, 소정 크기의 봉선재로 완성할 수 있다. 그 때, 어떻게 하면 효율 좋게 단면적을 감소시키고, 정밀도 좋게 소정의 형상으로 완성하는지가 중요하게 여겨져 왔다.

그러나, 종래 적용되고 있는 구멍형 설계에서는, 감면율과 단면 성형에 주의가 기울어지고 있는 점에서, 소재표면에 비해 중심에서는 금속조직은 조대하게 되어 있다는 문제가 있었다. 이것은, 소재중심부에서는 표면에 필적하는 변형이 도입되어 있지 않은 큰 원인이다. 이 때문에, 대변형을, 종래와 같이 혹은 종래에 비해 적은 감면율이나 패스수로, 재료전역에 도입할 수 있으면, 조직 균일성이 높아져서, 미세입자 조직을 갖는 금속재료의 제작이 공업적으로 가능해진다. 또한 지금까 지 검토되어 온 구멍형 설계는, 열간가공을 대상으로 하고 있고, 그 때에는 패스간에서의 조직의 회복ㆍ재결정에 의해, 1패스에서 도입한 변형이나 응력이 해방되기 때문에, 1패스 후에 도입된 변형 분포가 2패스 후의 변형 분포나 단면형상에 주는 영향을 상정하지 않는다는 문제도 있었다.

그래서, 본 출원의 발명은, 이상과 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고, 1패스에서 도입한 변형 분포가 다음 패스의 변형 분포와 형상에 주는 영향을 분명히 하고, 재료단면 전역, 특히 재료 중심으로 대변형의 도입을 가능하게 하는 새로운 기술수단을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

본 출원의 발명은, 상기 과제를 해결하는 것으로서, 제 1로는, 연속하는 2패스 이상의 구멍형 압연에 있어서, 1패스째의 플랫 형상의 구멍형으로 압연하고, 계속해서, 2패스째에서 각형 형상의 구멍형에 의해 압연하는 것을 포함하는 대변형 도입 가공방법으로서, 1패스째 플랫의 단축(2A₀₁)이 소재 대변치수(2A₀)에 대하여, A₀₁/A₀≤0.75가 되고, 2패스째의 상하 대각치수(2A_s1)이 1패스후의 재료의 장축(2B₁)에 대하여, A_s1/B₁≤0.75가 되는 캘리버에 의해 압연하는 것을 특징으로 하는 대변형 도입 가공방법을 제공한다.

또한 제 2로는 1패스째 플랫 구멍형의 단축(2A₀₁)과 장축(2B₀₁)의 비가, A₀₁/B₀₁≤0.4가 되는 캘리버에 의해 압연하는 상기의 대변형 도입 가공방법을, 제 3으로는, 1패스째의 플랫 구멍형의 곡률반경(r₀₁)은 소재 대변치수(2A₀)의 1.5배 이상인 캘리버에 의해 압연하는 대변형 도입 가공방법을, 제 4로는, 전 압연 패스수 중, 플랫-각의 구멍형의 조합을 1회 이상 포함하는 대변형 도입 가공방법을 제공한다.

그리고, 본 출원의 발명은, 제 5로는, 1패스째의 플랫 구멍형의 단축(2A₀₁)과 장축(2B₀₁)비가 A₀₁/B₀₁≤0.4가 되는 캘리버를, 또한, 2패스째의 상하 대각치수(2A_s1)가 1패스후의 재료의 장축(2B₁)에 대하여 A_s1/B₁≤0.75가 되는 캘리버를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 캘리버 압연장치를 제공한다.

제 6으로는, A₀₁/B₀₁≤0.4이며, 또한 플랫 구멍형의 곡률반경(r₀₁)은 소재 대변치수(2A₀)의 1.5배 이상인 캘리버를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 캘리버 압연장치를 제공한다.

제 7로는, 연속하는 2패스 이상의 구멍형 압연을 행하기 위한 장치로서, 상기의 캘리버를 구비하고 있음과 아울러, 이것과는 형상이 다른 비상사형의 캘리버도 구비하고, 양캘리버에 의한 압연을 행하도록 한 것을 특징으로 하는 캘리버 압연장치를 제공한다.

도 1은 본 출원의 발명의 캘리버와 압연에 대한 부호표시를 행한 도이다.

도 2는 실시예에 있어서의 캘리버의 형상과 치수표시를 행한 도이다.

도 3은 실시예에 있어서의 플랫 구멍형의 형상을 예시한 도이다.

도 4는 실시예 1에서의 2패스후의 단면형상과 변형 분포를 나타낸 도이다.

도 5는 2패스후의 z방향의 변형 분포를 나타낸 도이다.

도 6은 플랫 구멍형의 높이에 대한 각 패스에서 도입되는 재료중심에 있어서의 변형의 변화를 나타낸 도이다.

도 7은 스퀘어 압연후의 단면형상을 나타낸 도이다.

본 출원의 발명은 상기한 바와 같은 특징을 갖는 것이지만, 이하에 그 실시형태에 대해서 설명한다.

우선, 본 출원의 발명의 캘리버의 특징을 도 1에 따라 설명한다.

<1> 플랫 구멍형의 단축길이와 소재 대변길이의 관계

1패스째의 플랫 구멍형을 이용했을 때의 공칭 압하율(=(2A₀-2A₀₁)/2A₀)이 작으면, 재료중심까지 변형은 거의 도입되지 않기 때문에, 1패스째에 있어서의 변형을 재료단면에 도입하기 위해서는, 공칭 압축율을 크게 할 필요가 있다. 그 때문에 1패스째의 플랫 구멍형에서 이용되는 단축길이(2A₀₁)와 소재 대변길이(2A₀)의 비는 0.75이하가 아니면 안된다. 그 비가 0.75보다 크면, 다음 패스째의 각형 구멍형에서 압연했을 경우에, 롤갭에 재료가 유동해 버리고, 재료의 단면성형이 유지되지 않을 뿐만 아니라, 축적되는 변형도 작다. 또한, 단면성형을 우선해서 2패스째의 상하 대각치수(2A_s1)을 크게 하고, 1패스후의 재료의 장축(2B₁)과의 비(A_s1/B₁)를 크게하면, 이번에는 공칭 압축율이 작아져 버려, 성형은 만족할 수 있어도, 재료에 대변형을 도입 할 수 없다.

<2> 플랫 구멍형의 (단축길이/장축길이)

본 출원의 발명에서는, 대변형 도입과 단면성형의 양립을 만족시키도록 하고 있다. 재료에 도입되는 변형과 단면형상은, 1패스째의 공칭 압축율 뿐만 아니라, 플랫 구멍형의 장축방향의 형상에 의해 야기되는 구속에도 크게 의존한다. 플랫 구멍형의 단축길이와 장축길이의 비는 작을수록, 뒤의 2패스째에 있어서의 공칭 압하율을 크게 할 수 있는 점에서, 변형도입에 효과를 발휘한다. 그렇게 하기 위해서는, 플랫 구멍형의(단축길이/장축길이)는 0.4이하가 바람직하다.

<3> 플랫 구멍형의 곡률반경

플랫 구멍형의 곡률반경(r₀₁)이 작으면, 1패스당의 감면율은 크게 떨어지지만, 폭방향이 첨형(尖形)이 되어버리고, 예를 들면, 다음 패스째에서의 공칭 압하율이 커도, 재료 중심으로 변형이 도입되지 않는다. 따라서, 다음 패스후의 성형과 대변형 도입의 관점으로부터, 적절한 곡률반경(r₀₁)이 있고, 그 범위는 소재 대변치수(2A₀)의 1.5배가 바람직하다. 1.5배 이상에서, 성형과 대변형 도입의 양면이 효율 좋게 만족되고, 5배, 6배가 되면 영향에 거의 변화는 없다. 따라서, 상한은 없고, 하한인 1.5배 이상을 조건으로 하고 있다.

<4> 플랫 구멍형을 포함한 압연패스

제안한 플랫 구멍형을 이용함으로써 종래의 구멍형 계열인 오벌-스퀘어, 오벌-라운드와 조합시킴으로써 정밀도가 좋은 단면형상을 제작할 수 있고, 또한 소재 중심까지 대변형을 도입할 수 있다.

또한, 본 출원의 발명에 있어서는, 상기의 압연 가공방법을 적용할 수 있는 재료는, 금속재료에 의해 제한되지 않고, 홈 롤압연에 의해 만들어지는 봉선재 전반에 대하여 적용할 수 있는 것이다. 그 중에서도, 가공경화능이 우수한 금속재료 쪽이 대변형이 효율 좋게 광범위하게 도입되기 쉽다. 예를 들면, 저탄소강에 비해서 가공 경화특성이 우수한(n값이 큰) 스테인레스강 쪽이 대변형은 도입되기 쉽다. 대변형으로서는, 스퀘어-플랫-스퀘어 구멍형 계열(2패스)에서 단면중심에 적어도 1.0의 변형이 도입되어 있는 것이 필요하다. 또한, 재료단면의 60%이상의 영역에 1.0이상의 변형을 도입하는 것이 바람직하고, 그것에 의해서 금속재료의 미세 결정입자의 영역을 형성시킬 수 있다.

그래서, 이하에 실시예를 나타내고, 더욱 상세하게 실시형태에 대해서 설명한다. 물론, 이하의 예에 의해 발명이 한정되지 않는다.

실시예

24각의 봉강을 공시재로 했다. 그 성분은 0.15C-0.3Si-1.5Mn-0.02P-0.005S-0.03Al의 SM490강이다. 도 2에 나타내는 구멍형을 이용하여 2패스 홈 롤압연을 행했다. 초기의 재료 단면형상은, 도1(a)에 나타낸 24㎜×24㎜각의 봉강으로 하고, 도1(b)에 나타낸 플랫 압연(1패스째)후, 재료를 90°회전시키고, 도1(c)의 스퀘어 구멍형 형상의 압연에 의해 18㎜×18㎜의 봉강에 압연(2패스째)한다. 압연온도는 500℃ 일정하게 행하고, 롤직경은 모두 300㎜, 회전속도는 160rpm으로 했다. 또한, 도1에 나타낸 플랫 구멍형일 때의 롤갭은 3㎜, 스퀘어 구멍형일 때에는 2㎜로 했다. 압연에 의해 공시재에 도입된 소성 변형은 범용 유한 요소 코드일 때에는ABAQUS/Explicit를 이용하여 계산했다. 해석에서는, 재료의 특성으로서 실측에 기초한 온도와 변형속도에 의존한 응력-변형 관계를 이용했다. 롤과 공시재의 접촉조건은, 마찰계수μ=0.30의 Coulomb 조건을 채용했다. 또, 롤은 강체로 했다.

<실시예 1>

도2(b)에 나타낸 플랫 구멍형의 높이 2A₀₁=12㎜, 폭 2B₀₁=47.1㎜, 곡률반경r₀₁=64㎜를 이용했다.

<실시예 2>

도2(b)에 나타낸 플랫 구멍형의 높이 2A₀₁=16㎜, 폭 2B₀₁=47.1㎜, 곡률반경r₀₁=46㎜를 이용했다.

<실시예 3>

도2(b)에 나타낸 플랫 구멍형의 높이 2A₀₁=18㎜, 폭 2B₀₁=47.1㎜, 곡률반경r₀₁=40.8㎜를 이용했다.

<실시예 4>

도2(b)에 나타낸 플랫 구멍형의 높이 2A₀₁=12㎜, 폭 2B₀₁=32.7㎜, 곡률반경r₀₁=32㎜를 이용했다.

<비교예 1>

도2(b)에 나타낸 플랫 구멍형의 높이 2A₀₁=20㎜, 폭 2B₀₁=47.1㎜, 곡률반경r₀₁=36.94㎜를 이용했다.

<비교예 2>

실시예 1의 플랫 구멍형 형상으로, 1패스후의 변형을 해방하고, 무응력ㆍ무 변형 상태로 한 후(단면형상 만이 연결된다), 스퀘어 압연했다.

표 1은, 실시예 1-4, 비교예 1의 플랫 구멍형에 있어서의 구멍형 형상을 정리한 것이며, 도 3은 그들의 경우에 있어서의 소재 단면형상과 플랫 구멍형 형상의 기하학적 관계를 나타낸 것이다.

	플랫구멍형 형상				소재와의 관계
	높이 2A₀₁	폭 2B₀₁	곡률반경 r₀₁	구멍형비 A₀₁/B₀₁	A_s1/B₁	A₀₁/A₀	r₀₁/A₀
실시예 1	12	47.1	64	0.25	0.61	0.50	2.67
실시예 2	16	47.1	46	0.34	0.69	0.67	1.92
실시예 3	18	47.1	40.8	0.38	0.74	0.75	1.70
실시예 4	12	32.7	32	0.37	0.60	0.50	1.33

비교예 1	20	47.1	36.94	0.42	0.78	0.83	1.54

도 4는, 실시예 1의 재료 단면상에 있어서의 변형의 분포를 나타내고 있다.

이 도 4의 중앙의 경사된 십자형으로 나타내지는 부분은, 변형이 1.5이상의 영역을 나타낸다. 24각의 소재로부터의 감면율은, 53%이며, 감면율로부터 산출되는 통상의 변형이면 0.87이지만, 플랫 구멍형을 사이에 넣음으로써, 1.5라는 매우 큰 변형이, 단면적의 70%의 영역에 도입되어 있다. 그 확대는, 단면 중심으로부터 4변을 향해서 보여진다. 또한, 1.0이상의 변형은 99%, 1.8이상에서는 9%의 영역에 도입되어 있다. 또, 단면중심의 변형은 1.81로 상당히 크다.

표 2는, 실시예 1-4와 비교예 1의 플랫 구멍형을 사용했을 때의 단면 중심으로 도입된 변형과 단면적 중에 있어서의 변형 1.0과 1.8이상이 차지하는 비율을 나타낸다. 실시예 1-4에서는, 대변형 1.0이 중심으로 도입되어 있고, 그것이 차지하는 비율은 80%이상으로 극히 광범위하게 넓어지고 있다. 비교예 1에서는, 중심의 변형이 1.0 이상으로 되어 있지 않고, 또한 1이상이 차지하는 비율도 60%이하이다.

	변형의 면적율(%)		중심의 변형
	1.0이상	1.8이상	중심의 변형
실시예 1	99.2	8.5	1.81
실시예 2	99.4	0.0	1.34
실시예 3	84.7	0.0	1.09
실시예 4	100.0	16.0	1.62

비교예 1	54.8	0.0	0.86

도 5는, 실시예 1-3과 비교예 1의 플랫 구멍형을 사용했을 때의, 스퀘어 압연후의 단면 중심선 상의 z방향에 대한 변형 분포를 나타낸다. 실시예 1-3에서는, 단면 중심에서 변형은 최대로 되어 있고, 실시예 1에서는 1.81, 실시예 2에서는 1.34, 실시예 3에서는 1.09로 상당히 크다. 한편 비교예 1에서는 변형은 거의 0.86으로 균일하며, 실시예 1-3에 비해서 작다. 소재로부터 2패스후의 감면율은, 실시예 1,2,3에 대하여 각각 53%, 49%, 51%, 비교예 1에 대하여 47%이며, 큰 차이는 없지만, 실제로 재료내에 도입된 변형은 다르다.

도 6은, 스퀘어-플랫 압연(1패스)후, 그 후의 플랫-스퀘어 압연(2패스) 뒤에 재료중심으로 도입된 변형과 스퀘어 구멍형의 높이 관계를 나타낸다. 또한, 이 도 6에 있어서는,

수 1

는, 1패스 후에 도입되어 있는 변형을 나타내고,

수 2

는, 2패스 후에 도입되어 있어 변형을,

수 3

은 2패스후의 변형으로부터 1패스후의 변형을 뺀 변형, 즉 2패스째에서 도입된 변형을 나타내고 있다. 이 도 6으로부터, 플랫 구멍형의 높이가 20㎜이상에서는, 2패스째에 의해 도입되는 변형에 변화가 없는 것을 알 수 있다. 종래, 감면율이 크면 그 만큼 가공이 행하여지고 있으므로, 큰 변형이 재료 내에 도입되어 있어야 하지만, 2패스째에 있어서의 감면율은 플랫 구멍형의 높이 2A₀₁=12, 14, 18, 20, 22, 24에 대하여, 각각 28%, 32%, 34%, 41%, 41%, 41%, 41%로 되어 있다. 즉, 감면율이 작은 쪽이 변형 증가가 커지고 있다. 이것은, 1패스째에서 도입된 변형 분포가 크게 영향을 주고 있다. 플랫 구멍형의 높이 2A₀₁=18㎜이상에서는, 감면율은 41%로 일정하며, 또 2A₀₁=20㎜ 이상에서는 변형 증가는 거의 0.58로 일정하다. 감면율 41%는, 균일하게 변형이 도입되었다고 가정했을 경우, 산출하면 0.60이며, 2A₀₁=20㎜ 이상일 때의 도입된 변형과 거의 같다. 이것은, 1패스째에서 도입된 변형 분포가, 2패스째에서의 변형 도입에 대하여 기여하지 않고 있는 것을 의미하고 있다. 이번의 조건에서는, 실시예 1의 높이 12㎜가 효율 좋게(적은 감면으로) 변형을 증가시키고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 실시예 1의 조건은 2패스째에 도입되는 변형에 대하여, 1패스째에 도입된 변형 분포가 효과적으로 작용하는 것을 나타낸다.

도 7은, 플랫 구멍형 형상이 동일한 실시예 1과 비교예 2 시의 단면형상을 나타내고 있다. 도7(a)는 1패스(플랫 압연) 후의 재료의 단면형상을, 도7(b)는 2패스(스퀘어 압연) 후의 단면형상(실시예 1)을, 도7(c)는 1패스(플랫 압연) 후에 조직이 회복ㆍ재결정하고, 도입된 변형과 응력이 제로가 된 후(형상만이 연결된다), 2패스(스퀘어 압연)된 후의 단면형상(비교예 2)을 나타낸다. 1패스째의 플랫 압연에서 재료 내부에 도입된 변형 분포가, 2패스째에 도입되는 단면형상에 큰 영향을 주지 않는 것이라면, 스퀘어 압연후의 재료의 단면형상은 바뀌지 않지만, 도7(b), (c)로부터 큰 차이점이 있는 것을 알 수 있다. 즉, 스퀘어-플랫-스퀘어 압연과 같은 구멍형 계열에서는, 1패스째에 도입된 변형 분포에 의해, 2패스 후의 단면형상에 크게 영향을 준다. 따라서, 각 패스에서의 변형이 재료 내에 축적할 경우에는, 종래의 재료형상과 스퀘어 구멍형의 관계 결과는 적용할 수 없고, 1패스째에 도입된 변형 분포를 고려한 스퀘어 구멍형의 설계가 단면성형에 있어서 대단히 중요하게 되는 것을 의미하고 있다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 출원의 발명에 의해, 종래 기술의 문제점을 해결하고, 1패스에서 도입한 변형 분포가 다음 패스의 변형 분포와 형상에 주는 영향을 밝히고, 재료단면 전역, 특히 재료 중심에 대변형의 도입을 가능하게 한 다.

즉, 본 출원의 발명에 의해, 소재중심에의 대변형 도입이 가능해 지고, 단면 균일한 조직을 갖는 금속재료의 제작이 가능해진다. 또한, 대변형이 필수적인 초미세입자 조직을 갖는 금속재료의 제작에 유용하다. 또한, 1패스째에 도입한 변형 분포가, 2패스후의 변형의 크기나 분포, 또한 단면형상에 영향을 주는 것을 나타낸 사실은, 단면성형과 조직 제작의 2개를 동시에 만족시키는 신기술이 되고, 이후의 구멍형 계열의 설계에 크게 공헌하게 된다.

Claims

연속하는 2패스 이상의 구멍형 압연에 있어서, 1패스째의 플랫 형상의 구멍형으로 압연하고, 계속해서, 2패스째에서 각형 형상의 구멍형에 의해 압연하는 것을 포함하는 대변형 도입 가공방법으로서, 1패스째 플랫의 단축(2A₀₁)이 소재 대변치수(2A₀)에 대하여, A₀₁/A₀≤0.75가 되고, 2패스째의 상하 대각치수(2A_s1)가 1패스후의 재료의 장축(2B₁)에 대하여, A_s1/B₁≤ 0.75가 되는 캘리버에 의해 압연하는 것을 특징으로 하는 대변형 도입 가공방법.
제 1항에 있어서, 1패스째 플랫 구멍형의 단축(2A₀₁)과 장축(2B₀₁)의 비가, A₀₁/B ₀₁≤O.4가 되는 캘리버에 의해 압연하는 것을 특징으로 하는 대변형 도입 가공방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 1패스째의 플랫 구멍형의 곡률반경(r₀₁)은 소재 대변치수(2A₀)의 1.5배 이상인 캘리버에 의해 압연하는 것을 특징으로 하는 대변형 도입 가공방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 전 압연 패스수 중, 플랫-각의 구멍형의 조합을 1회 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 대변형 도입 가공방법.
1패스째의 플랫 구멍형의 단축(2A₀₁)과 장축(2B₀₁)비가 A₀₁/B₀₁≤0.4가 되는 캘리버를, 또한, 2패스째의 상하 대각치수(2A_s1)가 1패스후의 재료의 장축(2B₁)에 대하여, A_s1/B₁≤0.75가 되는 캘리버를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 캘리버 압연장치.
플랫 구멍형의 단축(2A₀₁)과 장축(2B₀₁)비가 A₀₁/B₀₁≤0.4이며, 또한 상기 플랫 구멍형의 곡률반경(r₀₁)은 소재 대변치수(2A₀)의 1.5배 이상인 캘리버를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 캘리버 압연장치.
연속하는 2패스 이상의 구멍형 압연을 행하기 위한 장치로서, 제 5항 또는 제 6항에 기재된 캘리버를 구비하고 있음과 아울러, 이것과는 형상이 다른 비상사형의 캘리버도 구비하고, 양 캘리버에 의한 압연을 행하도록 한 것을 특징으로 하는 캘리버 압연장치.