자전거가 나아갈 방향을 직접 결정짓는 포크 만들기
포크(Fork)는 자전거의 앞바퀴와 앞브레이크가 장착되는 중요한 뼈대입니다. 그리고 라이더가 핸들 바를 회전시킬 때 포크가 회전하면서 원하는 방향으로 나아갈 수 있게 합니다. 포크는 핸들 바 스템과 연결되는 스티어러 튜브 그리고 11자 모양으로 길게 뻗어 나가는 포크 블레이드 끝으로 앞바퀴 축이 직접 고정되는 드롭아웃으로 구성되어 있습니다. 단순히 자전거의 방향 전환을 담당할 뿐만 아니라 승차감을 좌우하기도 하는데요, 이는 포크 블레이드의 형태와 각도 등에서 의해 영향을 받습니다.
일반적으로 프레임 빌딩을 할 때 제작되는 포크는 서스펜션(충격 흡수 장치)이 없는 경우가 대부분입니다. 또한, 포크의 재질이 철(스틸) 계열인 크로몰리나 티타늄이 아닌 경우 대규모 제작 공장에서 제작되어 판매되고 있는 기성품을 구매해서 장착합니다. 굳이 드롭아웃이나 포크 크라운 등과 같은 세세한 부분까지 자신의 원하는 형태나 재질을 고집하지 않는다면, 이미 만들어져 시중에 판매되고 있는 기성품이 비용과 시간 등을 고려했을 때 오히려 효율적입니다.
재료 준비
포크 제작을 해보겠습니다. 전통적인 형태(클래식) 크로몰리(Cr-Mo) 로드 사이클(로드바이크)용 포크를 만들기 위해서는 헨리 제임스(Henry James)의 포크 크라운과 드롭아웃, 트루템퍼(True Temper)의 1.0밀리 두께의 포크 블레이드 한 쌍 그리고 26.4mm 헤드셋을 사용하는 스티어러 튜브를 준비했습니다. 제작되는 포크의 수치가 도면처럼 정확한지 재차 확인하기 위해 설계도 역시 필수였죠.
캠버 스타일과 레이크 값 선택
포크 레이크는 승차감이나 핸들링 민첩성에 영향을 미치게 됩니다. 글쓴이는 일반적인 클래식 사이클이 선택하는 45mm의 수치로 설계했습니다. 이에 맞게 직선으로 곧게 뻗어있는 포크 블레이드 튜브를 휘게 해서(벤딩) 끝부분에 홈을 파낸 다음 드롭아웃을 정확하게 부착해야 합니다. 이 때문에, 이미 완성된 도면 외에 작은 도면을 다시 그렸습니다. 도면에 수치 확인을 하면서 튜브를 휘었죠. 45mm의 포크 레이크 수치는 굳이 굽힘 작업을 하지 않고서도 가능합니다. 포크 크라운과 가까운 윗부분 앞으로 휘어진 포크 블레이드를 사용하면 됩니다.
포크 블레이드를 구부린 형태를 칭하는 전문 용어는 캠버(Camber)라 합니다. 레이크 값과 별개로 블레이드의 외형을 기준으로 나눈 용어입니다. 제가 추구한 형태는 콘티넨털 캠버 스타일(Continental Camber Style)의 스트레이트 블레이드(Straight Blade) 스타일과 올드 스타일 브리티시 캠버(Old Style British Camber) 사이의 중간 형태이죠.
우선 튜브 세트가 준비되면 녹슮 방지를 하기 위해 코스몰린 등의 그리스가 발라져 있는 튜브는 세척제로 깨끗이 닦아내야 합니다. 튜브의 내외부의 그리스를 닦아내지 않는다면, 용접 도중 뜨거운 열로 인해 그리스가 타면서 연기가 발생합니다. 그리스를 닦아낸 튜브는 2주 이내에 빌딩 작업에 돌입해야 합니다.
포크 블레이드 벤딩
벤딩(굽힘질) 작업은 질벤딩 도구를 이용합니다. 튜브를 벤딩 툴 거치대에 고정하고 검은색의 긴 손잡이를 힘껏 내리누르면 됩니다. 그러나 저의 힘이 과했던 나머지 설계했던 수치 이상으로 포크가 휘어졌었습니다. 잠시 당황했었지만, 이미 휘어진 튜브를 반대로 고정해 벤딩 툴의 손잡이를 다시 내려 역으로 휘어 교정에 성공했습니다. 혹시 실수로 튜브가 더 많이 휘어졌다면 교정을 하세요. 한 번의 교정으로 내구성에 문제는 없습니다. 제가 직접 만든 자전거를 여전히 문제없이 잘 타고 있으니까요.
포크 레이크가 길어질수록 지면 충격을 더 잘 흡수할 수 있어서 장거리 여정에 알맞은 자전거가 됩니다. 반대로 짧아질수록 순발력이 좋아지기 때문에 승차감보다는 속도를 중시하는 레이싱 바이크에 적합합니다. 저의 경우 레이크 값은 장거리에 적합하게 했고, 헤드 튜브의 각은 급하게 형성해서 레이싱이 적합하게 하는 세상에 존재하지 않는 형태로 제작을 시도했죠. 양산형 자전거에는 결코 찾을 수 없는 지오메트리(Geometry)로 말이죠.
참고로 앞 타이어의 윗부분과 포크 크라운의 아랫부분 사이의 거리 즉, 타이어 클리어런스는 로드 사이클 기준의 최소거리 1cm를 주었습니다. 물(흙)받이(팬더) 장착할 생각이 없었기 때문이죠. 팬더를 장착할 경우 1.25cm가 최소 간격 확보 거리입니다.
포크 블레이드 가공
대부분의 포크 튜브는 필요한 부분보다 기므로 상단부를 잘라줘야 합니다. 설계도와 비교해가면서 필요한 길이만큼만 남긴 채 잘라줬습니다. 양쪽 튜브 길이가 같은지 단면은 평평한 지 등을 수직 각도 자로 확인했습니다. 높이를 측정할 수 있는 공구를 이용해 각 튜브 간의 오차를 측정하는 것도 있지 않았습니다. 포크 블레이드와 같이 단면이 평평해야 하는 튜브는 1mm 정도 길이의 여유를 두고 톱을 이용해 절단했습니다. 그리고 줄을 이용해 완벽하게 절단면을 평평하게 다듬었습니다.
드롭아웃을 위한 노치 작업
튜브를 휘었으니 드롭아웃 심의 굵기 그리고 높이를 측정해서 포크 블레이드 끝에 홈을 만들어야 합니다. 튜브를 알맞은 두께의 블록으로 잡아 준 뒤 바이스로 단단하게 고정했습니다. 측정한 넓이와 높이 값 만큼(일반적으로 약 6mm 정도) 깊게 파냈습니다. 이러한 과정을 거쳤더니 두 개의 흠이 생겼습니다. 이를 롱 노우즈 플라이어(Long nose plier)로 갈라진 튜브를 잡고 앞뒤로 흔들어 떼어내면 드롭아웃의 심이 들어갈 공간이 마련됩니다. 이를 통틀어 노치(Notch) 작업이라 합니다.
원했던 포크 블레이드 끝부분은 곡선이 가미된 둥근 형태였습니다. 그래서 적당한 굵기의 둥근 줄을 이용해 쉴새 없이 끝을 갈아 원하는 모양새가 될 때까지 반복 줄질을 했습니다. 이러한 섬세함은 라이더의 취향에 맞게 만들 수가 있습니다. 프레임 빌딩은 끊임없는 줄질과 사포질이 반을 차지한다고 해도 과언이 아닙니다. 형태가 완성되었으면 커다란 설계도에 튜브와 드롭아웃을 체결한 채로 정확한 수치대로 작업이 됐는지를 확인합니다. 원하는 드롭아웃의 각도가 형성되지 않는다면 45도 정도로 튜브를 블록에 물려 바이스에 고정해 한쪽을 더 깊게 파는 세부 마무리 과정을 거칩니다.
포크 크라운 가공
스티어러 튜브(Steerer Tube)와 한 쌍의 포크 블레이드를 이어줄 포크 크라운(Fork Crown)을 준비합니다. 헨리 제임스와 같이 러그(Lugs)를 전문적으로 만들어 판매하는 업체의 홈페이지에는 다양한 형태가 새겨진 러그들이 있습니다. 원하는 디자인의 러그로 나만의 개성을 표출할 수가 있죠. 이미 완성된 포크 크라운은 톱을 이용해 수치에 맞게 자를 필요가 없었습니다.
게다가 앞브레이크를 장착할 수 있게끔 구멍이 생성되어 있었고, 크라운 레이스(Crown Race)를 위한 표면도 처리되어 있었죠. 하지만 상당히 두꺼워 무거운 무게를 자랑하고 표면이 미끈하지 못했기 때문에 사포와 줄을 이용해 깔끔하게 가공해야 했습니다.
접합될 포크 튜브와 크라운 부분은 더욱더 신경을 써야 했습니다. 사포와 줄로 접합되지 않는 다른 부분보다 더욱 깔끔하고 정교하게 가공했습니다. 그리고 결합을 해보면서 용접물이 원활히 스며들 수 있는 공간이 마련됐는지 확인했습니다.
용접을 위한 고정
이제 용접을 할 차례입니다. 스티어러 튜브, 포크 블레이드, 크라운이 하나에 포크가 되기 위한 중요한 과정이죠. 사실 포크 블레이드와 크라운을 용접할 때는 자재를 고정해주는 고정장치가 필요 없습니다. 그러나 전용 공구는 많을수록 작업 능률이 오릅니다. 그래서 저는 픽스쳐를 사용했습니다. 픽스쳐를 이용하면 설계도에서 그렸던 그 수치 그대로 정확한 값을 지정해 고정할 수가 있었습니다. 이 밖에, 드롭아웃을 고정할 때에는 더미(Dummy)를 이용해 작업 중 방향이 틀어지는 것을 방지하는 것도 잊지 말아야 합니다.
표면 이물질 제거
참고로 용접하기 전에는 솔벤트 또는 산(acid)으로 세척 과정을 거처야 합니다. 그리고 오일류가 표면에 묻어 있다면 접착성이 감소하고 많은 연기가 발생합니다. 검은 코팅이 되어 있는 튜브는 사포나 샌드 블라스터로 표면 처리를 해야 합니다. 또한, TIG 혹은 실버 브레이징만 가능한 스테인리스 스틸의 경우 표면에 니켈 옥사이드가 있을 수 있습니다. 이를 반드시 제거해야 합니다.
드롭아웃 용접을 위한 봉과 플럭스 선택
포크 블레이드와 드롭아웃 용접은 그사이에 존재하는 상당히 많은 간격을 메우는 작업입니다. 속이 텅 비어 있는 포크 블레이드 튜브와 비교하면 드롭아웃은 내부가 꽉 차있는데요, 그래서 70에서 80%의 열을 드롭아웃 위주로 가해줘야 합니다. 바이스에 물리고 작업할 경우 포크 블레이드를 블록에 물린 채 반드시 수직으로 향하게 고정해야 합니다. 이때 45%의 카드뮬 무함량 실버 용접봉을 사용합니다. 그러나 저는 동(Brass) 용접봉을 포크 드롭아웃 용접에 사용했습니다. 사용될 용접봉은 용접 전 수세미와 같은 도구를 이용해 깨끗이 닦아 줍니다.
플럭스 역시 동을 위한 제품을 사용했죠. 자전거 프레임 빌딩에 적합한 페이스트 플럭스(반죽상태의 플럭스, Paste Flux)는 흡수력은 떨어지지만, 물에 잘 녹아서(수용성) 용접 후 제거 작업이 불필요합니다. 접합부에 플럭스를 바를 때의 주의할 점은 과하다 싶을 정도로 몇 센티 정도 더 넓게 발라야 한다는 것입니다. 또한, 뜨거운 접합부위에 새로운 젖은 플럭스를 바르면 절대 안 됩니다. 이 때문에 플럭스가 용접 중 부족하지 않게 충분히 바르는 걸 잊지 말아야 합니다.
동 용접은 은보다 높은 온도에서 가열해야 합니다. 그래서 산소와 아세틸렌을 적절히 조절해 속 불이 은 용접보다 짧지만, 화력이 강하고 뜨겁습니다. 불꽃이 가해지는 부위가 광택이 나기 시작하면 동(brass) 용접봉 하나를 다 쓸 정도로 삽입하기 시작합니다. 이때 용접물이 흘러내리는 방향은 수직이 되도록 고정합니다.
우선 포크 드롭아웃의 측면 두 부분 총 4곳을 간단하게 접합니다. 튜브 끝을 둥글게 깎아서 다듬은 중심부를 기준으로 용접봉의 삼 분의 일 정도의 동을 튜브 안으로 밀어 넣어 메꿔줍니다. 튜브 내부가 일정 부분 메꿔지면 처음보다 좀 더 윗부분을 기준점으로 삼아 용접봉을 녹여 부드러운 경사면이 형성되도록 마무리합니다.
금속에서 작고 밝은 푸른 빛이 보이면 과열됐다는 신호이므로 주의합니다. 가열된 부분에서 동이 녹을 때 주변 역시 충분히 열을 가해주지 않으면 용접물이 그냥 덮어지는 포켓(Pocket) 형태가 되어 내구성이 떨어지게 되므로 이 역시 주의합니다.
작업이 끝나면 포크 블레이드는 여전히 수평으로 고정한 체 혹시 메워지지 않은 공간이 있는지 확인하면서 확실히 마무리합니다. 모든 작업이 완료되면 고정장치에서 바로 분리하지 말고 몇 분 정도 여유를 가지며 식혀줍니다.
통기구멍 확보
드롭아웃을 용접했으니 포크 크라운과 블레이드 그리고 스티어러 튜브를 결합해야죠. 이때 용접 과정 중 발생하는 가스를 배출하기 위해 크라운과 블레이드가 결합하는 상단 블레이드에 두 개의 작은 구멍을 그리고 반대편 끝에도 통기구멍을 확보해 줘야 합니다. 드릴을 이용하면 더욱 깔끔하고 쉽게 작업 할 수 있습니다.
포크 크라운과 스티어러 튜브 용접
픽스쳐에서 접합될 포크 블레이드와 크라운 그리고 스티어러 튜브를 설계된 수치에 맞게 고정합니다. 이때 양쪽 포크 블레이드 간격의 오차 범위는 0.5밀리 이내여야 합니다. 포크는 물구나무를 슨 형태인 뒤집힌 형태로 고정해야 틈새로 은을 골고루 흘려내려 보낼 수가 있습니다. 스티어러 튜브는 튜브가 포크 크라운의 경계에서 1mm 더 돌출되게 공간을 확보해서 고정해야 은이 크라운과 스티어러 튜브 사이로 쉽게 스며들 수 있습니다.
은 용접은 1,800도 이하 그리고 플럭스 선택
은 용접(실버 블레이징)은 매우 낮은 온도(1,800도 이하)에서 작업해야 합니다. 금속이 빨갛게 달궈지면 안 되죠. 1,800도가 넘은 상태에서 천천히 금속을 식히게 되면 구부러지거나 내구성이 떨어져 부서지기 쉬운 성질을 가지게 되기 때문입니다. 또 온도가 높으면 플럭스의 이물질 세척력이 떨어져 금속이 산화되면서 점도가 높아집니다. 결국, 용접봉이 충분히 스며들지 못해 용접부위가 약해지는 것입니다. 플럭스가 오염이 되면 분해 후 다시 처음부터 작업해야 하므로 항상 주의를 필요로 합니다. 또한, 은 용접을 할 때 물에 녹는 플럭스를 사용하면 용접 후 남아있는 플럭스를 쉽게 제거할 수 있습니다. 동 용접에 사용되는 플럭스는 녹는점이 높아 1,800도 이하의 불 세기로는 플럭스가 녹지 않으므로 주의합니다.
중력과 열을 이용
은 용접봉과 포크 블레이드와의 간격은 최소 1㎝ 정도를 유지하면서 불꽃을 문지르듯 움직이면서 작업합니다. 우선 포크 드롭아웃의 측면 두 부분 총 4곳을 간단하게 접합해서 고정한 다음 나머지 부분은 중력과 열을 이용해 용접물을 상단부에서 녹여 아래로 흐르도록 하는 방법으로 메꿨습니다. 은 용접봉은 열을 따라 흘러내리는 성질을 가졌습니다. 이렇듯 은이 충분히 녹아들어야 할 곳은 충분히 가열해 용접물을 끌고 오면 됩니다.
열이 가해질 포크 크라운과 스티러어 튜브 그리고 포크 블레이드에 플럭스를 충분히 도포 한 다음 가열을 시작합니다. 목표물에 열을 가하는 동안 플럭스는 반죽 모양에서 껍질처럼 굳어갑니다. 열을 더 가하게 되면 거품이 생기게 되고 곧 거품이 작아집니다. 거품이 거의 없어지는 단계가 용접을 시작할 시기이죠. 흘러내리는 플럭스는 은(실버) 주걱을 이용해서 체결 부위에 다시 부어줍니다. 절대 식은 것이나 새로운 플럭스는 금지입니다.
선택한 포크 크라운은 썩 화려한 편은 아니지만, 양옆 쪽에 3개의 둥근 문양이 길게 늘어져 있는 형태를 지녔습니다. 그래서 저 같은 초보에는 골고루 용접하기가 쉽지가 않았죠. 결국에는 빈틈이 보여 용접을 한번 다시 해서 메워주는 작업을 했습니다. 스티어러 튜브를 용접할 때에는 은을 틈새에 둥글게 메워주면서 크라운 레이스 쪽을 가열해 끌어다 주는 게 요령입니다. 모든 작업이 완료되면 고정장치에서 바로 분리하지 말고 몇 분 정도 여유를 가지며 식혀줍니다.
불필요한 용접물 제거
용접이 끝났다면, 굳은 플럭스와 불필요하거나 보기 좋지 않게 돌출된 용접물들을 제거하는 작업을 거칩니다. 종류에 따라 물로 제거 가능한 플럭스가 있고 아닌 것이 있습니다. 물로 제거가 쉽지 않을 경우 다양한 형태의 줄(file)과 사포를 이용해 갈아서 제거해줍니다.
사실, 이 과정을 얼마큼 줄일 수 있느냐가 프레임 빌더의 숙련도를 나타내는 척도라 할 수 있을 만큼 많은 시간을 필요로 하는 작업입니다. 주의할 점은 너무 과하게 갈아내서 용접이 완료된 용접물(필렛)과 플럭스를 넘어 튜브의 표면까지 갈아내면 안 된다는 것입니다. 이를 언더 커팅이라 칭하는데요, 추후 도색 시 눈에 띄는 자국이 생기게 되므로 주의합니다.
나사산 생성과 페이싱
저의 경우는 더욱 전통적인 형태의 퀼 스텝(Quill Stem)을 사용하고자 했습니다. 그래서 나사산 방식의 헤드셋을 체결하기 위해 이미 형성되어 있는 것보다 더 많은 나사산을 스티어러 튜브에 형성해 주었습니다. 도면을 참고해서 스티어러 튜브가 잘려나갈 길이를 고려하고 필요한 만큼이었습니다.
방법은 간단합니다. 스티어러 튜브 굵기에 맞는 블록을 이용해 바이스에 단단히 고정 후 커팅 오일(절삭유)를 발라 반복적으로 반 바퀴 후진 한 바퀴 전진하는 식으로 나아가면 나사산이 형성됩니다. 또한, 포크 크라운 레이스를 페이싱하는 작업도 잊지 말아야 합니다. 용접하면서 이물질이 크라운 레이스에 묻었기 때문이죠. 방법은 전용 공구에 절삭유를 날에 바른 다음, 한 바퀴 빙 돌리면서 표면을 정리해줍니다.
접합된 스티어러 튜브로 인해 막혀버린 포크 크라운의 앞브레이크 장착 구멍을 확보해주는 것도 잊지 말아야 할 작업이었습니다. 크기에 맞는 드릴을 이용해 수직으로 정확히 힘을 가해 구멍을 만들면 됩니다.
포크 교정(얼라이먼트)
모든 작업이 다 완료되었으면 수치에 맞게 포크가 잘 만들어졌는지 확인하기 위한 교정(Alignment) 작업이 필요합니다. 스티어러 튜브를 평평한 정반 위에 고정된 단단한 블록에 고정합니다. 그리고 드롭아웃의 간격을 측정하는 공구를 이용합니다. 저의 경우 로드 사이클이기 때문에 100mm의 드롭아웃 간격이 필요했습니다. 우선 공구를 스티어러 튜브와 일치하게 설정한 다음, 그 수치 그대로 드롭아웃 간의 오차가 없는지 확인합니다. 이렇게 스티어러 튜브 한 쌍의 포크 블레이드의 수평값 등을 확인하고 필요에 따라 손을 이용해 벌려주거나 오므려 손쉽게 교정할 수 있습니다.
초보 빌더에게 선행되어야 할 포크 빌딩
포크는 확실히 프레임에 비하면 제작이 쉽습니다. 과정 또한 비교적 단순하지요. 그래서 프레임을 만들기 이전에 숙련도를 쌓기 위해 선행해서 진행하기를 권합니다. 비록 프레임 외에 포크만 완성되었다 하더라도 다른 프레임과 조합이 가능하고, 앞바퀴도 장착해 굴려볼 수 있어 생에 처음 맛보는 성취감 또한 남다릅니다. 더불어 프레임 빌딩을 하면서 지칠 때 한쪽에 걸려있는 이미 완성된 포크를 보면서 나만의 자전거를 상상하며 다시금 동기 유발하기에도 좋습니다. 다음 편에는 눈에 띄지 않지만 많은 손길이 필요로 하는 체인 스테이(Chainstay)를 제작해보겠습니다.
http://bikeacademy.co.kr/ (프레임 빌딩교육의 표준, 바이크아카데미)
유기농 자전거 프로젝트
2. 설계 - 전문 프로그램으로 나만의 프레임을 설계하기 (BikeCAD 이용과 프레임 도면)
3. 공구 - 자전거 프레임 빌딩에 반드시 필요한 공구와 픽스쳐(Tools & Fixtures) 알아보기
5. 체인스테이 - 겉과 다르게 자전거에서 중요한 역할의 Chainstay 손질하고 용접하기
6. 앞 삼각 - 자전거의 성능과 외형에 가장 큰 영향을 미치는 앞 삼각 자르고 손질하기
관련 문화평
자전거의 역사 : 두 바퀴에 실린 신화와 열정 (2008, 프란체스코 바로니)
사진보고 따라하는 자전거 정비 (2007, 한국자전거미캐닉협회, 자전거생활 편집부)
로드 바이크의 과학 : 사이클의 원리를 알면 자전거가 더 재미있다 (2009, 후지노 노리아키)
바이시클 테크놀로지 (2013, 롭 반 데르 플라스, 스튜어트 베어드)
관련 글타래
바이크 아카데미 : 자전거 '정비(미캐닉),창업,사업,자격증' 교육기관(학원) 수료기
흥아 인도네시아(슈발베) 현장 : 고무에서 세계 최고의 자전거 타이어 되기까지
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서울 한복판에 자전거 공방 <두부공>을 열어 불을 피우는 청년, 프레임 빌더 김두범
자전거 도색을 예술로 승화시키고 싶은, 풍류커스텀(PUNGNEW CUSTOM) 이승기
