프레스 금형설계

■ 목 차 교육 내용 월 주 1 10 2 3 4 1. 금형의 분류 2. 프레스 가공 방법의 종류, 특징 3. 전단 금형 평가 3.4 전단 금형 부품의 기능 및 설계 3.5 전단 금형 설계 3. 전단 금형 3.1 전단 금형의 종류 3.2 전단 가공 특성 3.3 전단 금형의 기본 구조 10 1. 금형의 분류 2. 프레스 가공 방법의 종류, 특징 교육 내용 월 4 3 2 1 주

3. 전단 금형 3.1 전단 금형의 종류 (1) 블랭킹 금형 (Blanking Die) 1) 고정 스트리퍼판 방식 그림 3-1은 전단선 윤곽이 닫혀 있는 관통형 다이로서 고정 스트리퍼 판 방식의 구조로 되어 있는 금형으로서 판 두께가 두꺼운 재료를 정밀하지 않은 부품 가공에 주로 사용되는 금형이다. 고정 스트리퍼판 방식의 금형 작업 과정은 다음과 같다.

3. 전단 금형 3.1 전단 금형의 종류 ① 소재가 다이 윗면으로 이동된다. ② 프레스 램에 장착되어 있는 상형 (펀치홀더, 펀치 등)이 하강한다. ③ 펀치에 의해 소재가 전단(블랭킹) 되면서 다이 속으로 침입한다. ④ 펀치가 펀치램과 함께 상승한다. 이때 펀치에 붙어 있는 소재(스 크랩)는 고정 스트리퍼 판에 의해 분리되고, 다이속에 있는 블랭킹 제품은 다이 밑으로 낙하된다. ⑤ ①-④의 과정이 계속 반복된다. 그림 3-1 블랭킹 금형 (고정 스트리퍼판)

3. 전단 금형 3.1 전단 금형의 종류 2) 가동 스트리퍼판 방식 그림 3-2는 가동 스트리퍼판 방식의 블랭킹 금형으로서 평탄하고 정밀한 부품 및 박판재를 전단 할때 주로 사용하는 금형이다. 그림 3-2 블랭킹 금형(가동 스트리퍼판)

3. 전단 금형 3.1 전단 금형의 종류 가동 스트리퍼 판 방식의 금형 작동 방식은 고정 스트리퍼판 방식과 달리 스트리퍼 판이 펀치 홀더에 장착되어 펀치와 함께 움직이면서 스프링에 의한 압력을 소재에 전달하는 것으로 다음의 작업 순서로 작동된다. ① 소재가 가이드 레일에 안내되어 다이 윗면으로 이동한다. ② 펀치, 가동 스트리퍼판, 펀치 홀더 등의 상형이 하강한다. ③ 가동 스트리퍼 판이 먼저 소재를 눌러, 소재를 평평하게 움직이지 못하게 한 상태에서 펀치가 순차적으로 내려오면서 소재를 블랭킹 한다. ④ 블랭킹된 소재는 다이 밑으로 낙하되어 취출되고, 펀치는 상승한다. ⑤ 초기의 펀치 상승구간에서는 스트리퍼 판이 소재를 누른 상태로 있으면 서 펀치에 붙은 스크랩을 스트리핑 하게 한다. ⑥ 스트리핑 후에 가동 스트리퍼 판도 펀치와 함께 상승한다. ⑦ ①-⑥의 과정이 반복된다.

3. 전단 금형 3.1 전단 금형의 종류 (2) 피어싱 금형 (Piercing Die) 그림 3-3은 가동식 스트리퍼판 방식의 피어싱 금형으로 판재에 주로 작은 구멍을 뚫는 작업으로, 전단된 쪽이 스크랩이 되고, 나머지가 제품이 되도록 하는 금형이다. 그림 3-3 피어싱 금형

3. 전단 금형 3.1 전단 금형의 종류 (3) 복합 금형 (Compound Die) 그림 3-4는 복합금형으로서 프레스의 1스트로크(stroke)에 둘 또는 그 이상의 가공 공정(블랭킹, 피어싱)이 동시에 이루어 지도록 구성되어 있는 금형으로서 다음과 같은 장단점이 있다. 장 점 ① 제품의 평면도 정밀도가 우수하다 ② 제품의 버 방향이 같다. ③ 소재의 폭이 일정하지 않아도 된다. 단 점 ① 금형 구조가 복잡하다. ② 반드시 다이세트(Die-set)를 사용 해야 한다. ③ 금형 제작비가 비싸다. 그림 3-4 복합 금형

3. 전단 금형 3.1 전단 금형의 종류 (4) 트랜스퍼 금형 (Transfer Die) 연속 대량 생산 작업에 많이 사용되는 금형으로 각 공정 간의 금형 설계가 독립적이다. 즉 단공정 금형의 조합으로 생각할수 있으며, 이 작업은 그림 3-5에서와 같이 바피더(bar feeder)에 장착되어 있는 핑거(finger)에 의해 부품이 다음 공정으로 이동되면서 단계적으로 성형되는 것으로 주로 중대형 부품의 성형작업에 이용된다. 이 작업은 전용의 트랜스퍼 이송 장치가 부착되어 있는 프레스가 필요하며 보통 작업속도는 30~60 spm의 범위에 있다. ※ spm : 프레스의 1분당 스트로크 수를 의미함

3. 전단 금형 3.1 전단 금형의 종류 그림 3-5 트랜스퍼 작업

3. 전단 금형 3.1 전단 금형의 종류 (5) 프로그레시브 금형 (Progressive Die) 연속 대량생산 방식의 금형이라는 것은 트랜스퍼 금형과 비슷하지만 금형의 구성, 소재 이송방식 등에서는 아주 다른 특성이 있다. 이것은 복잡한 형상의 제품을 단순한 다수 공정으로 분할하여 순차적으로 가공을 완료하는 것으로 금형 강도와 수명 향상을 목적으로 하고 있으며 다음의 특징이 있다.

3. 전단 금형 3.1 전단 금형의 종류 ① 스트립 소재로부터 점진적으로 전단, 드로잉 등을 한단계씩 가공 하면서 최종의 완성품을 만드는 금형이다. 그림 3-6과 같이 여러 경우의 작업 방식이 있을 수 있으며, 이중 첫째 방식의 공정에 대 한 금형조립도가 그림 3-7에 주어져 있다. ② 중소형 제품 가공에 적합하며 일반 프레스에서 작업이 가능하다. ③ 고속 가공이 가능한 것으로 국내에서는 최대 1000spm 까지도 가 능하다. ④ 각 공정 간의 위치 정밀도가 상호 의존적인 것으로 금형 가공시에 누적 공차가 발생할 수 있기 때문에 정밀 가공을 필요로 한다.

3. 전단 금형 3.1 전단 금형의 종류 그림 3-6 프로그레시브 작업 그림 3-7 프로그레시브 금형

3. 전단 금형 재료의 전단은 다음의 3단계과정으로 이루어진다. 3.2 전단 가공 특성 3.2.1 전단 가공 개요 (1) 전단 가공 단계 재료의 전단은 다음의 3단계과정으로 이루어진다. 1) 소성 변형 단계 (Plastic deformation) 펀치가 재료에 닿으면서 재료의 탄성 한계를 넘어 소성 변형 (굽힘)이 시작된다. 그림 3-8 소성 변형 단계

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 3.2.1 전단 가공 개요 2) 전단 단계 (Penetration) 펀치가 재료 속으로 더 침입하면 굽힘에 의한 눌림 후에 전단이 발생하기 시작한다. 그림 3-9 전단 단계 3) 파단 단계 (Fracture) 전단변형이 진행됨에 따라 펀치, 다이 날끝의 응력집중이 파단을 초래하고, 양날끝에서의 균열이 서로 만나 소재가 분할된다. 그림 3-10 파단 단계

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 (2) 절단면의 구성 3.2.1 전단 가공 개요 1) 절단면 절단면은 Roll-over(눌림면), Burnish(전단면), Fracture(파단면). Burr(버)로 구성된다. ㆍ눌림면 : 재료 두께의 10~30%를 차지함 (틈새가 발생 원인) ㆍ전단면 : 보통 재료 두께의 20~50%를 차지함 ㆍ유효 전단면 : Roll-over + Burnish ㆍ버 : 날끝의 무딘 정도와 소재의 연성에 비례하여 버 높이가 커지고 이 값이 금형 수정 시기의 판단 척도가 됨

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 3.2.1 전단 가공 개요 그림 3-11 절단면의 구성

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 3.2.1 전단 가공 개요 2) 버 한계 높이 재료 두께 버 높이 (mm) 정밀 부품 표준 허용 한계 0.04 0.05 0.06 ~0.8 0.8~1.6 2.0~3.2 0.08 0.10 0.20 0.15 0.30

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 (3) 틈새 (Clearance) 3.2.1 전단 가공 개요 1) 정의 펀치와 다이 사이의 편측 갭량을 나타내는 것으로 재료 두께의 상대적인 %로 표시 한다. 예를 들면 1mm 두께 강판의 틈새 10%라면 틈새는 0.1mm가 됨 따라서 원형 블랭킹의 경우 다이직경 = 펀치직경 + 2 x 틈새 그림 3-12 틈새

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 2) 재질별 적정 틈새 (c/t %) 3.2.1 전단 가공 개요 재질 금속 비금속 정밀 블랭킹 또는 극박판 일반 블랭킹 또는 박판, 중후판 금속 비금속 순 철 연 강 고 탄 소 강 규소강판(T급) 규소강판(B급) 스테인리스강 구 리 황 동 인 청 동 양 은 알루미늄 (연질) 알루미늄ㆍ알루미늄 합금(경질) 아연ㆍ납 퍼 멀 로 이 에보나이트 셀룰로이드 베이클라이트 종이 ㆍ천 2~4 2~5 4~8 5~6 4~5 3~6 1~3 1~4 2~5 2~5 1~3 2~5 1~3 2~4 4~8 5~10 8~13 7~12 6~10 7~11 3~7 4~9 5~10 5~10 4~8 6~10 4~6 5~8 1~3 ㆍ두께가 클수록, 정밀도가 낮을수록 큰값을 선택한다. ㆍ아주 두꺼운 소재는 10~20% 범위에서 선택하는 것이 바람직하다.

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 (4) 전단 하중 - 변위 선도 3.2.1 전단 가공 개요 1) 절단위치별 하중 분포 절단면 위치에 따른 하중 변화는 주로 파단이 시작될 때 최대 하중을 표시하고, 파단 후의 하중선도는 재질의 연성, 틈새에 따라 다양한 경사를 나타낸다. 그림 3-13는 연성이 작은 재료의 하중-변위 그래프를 나타내는 것으로 파단후에는 하중이 거의 작용되지 않음을 알 수 있다. 그림 3-13 대표적인 하중-변위 선도

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 2) 재질, 틈새에 따른 하중 곡선의 변화 3.2.1 전단 가공 개요 a b c d 구분 재질 틈새 a b c d 취성 재료 연성 재료 〃 〃 적정 적음 적정 과대 그림 3-14 재질, 틈새에 따른 하중 곡선

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 1) 절단면 형상 (1) 틈새 변화 효과 3.2.2 전단 가공 특성 a) 틈새 과소인 경우 : 2차 전단면(secondary shear)이 발생한다. 그림 3-15 틈새에 따른 균열 발생 형태

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 3.2.2 전단 가공 특성 b) 틈새에 따른 절단면 형상 그림 3-16 절단면의 틈새 효과

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 3.2.2 전단 가공 특성 c) 절단면 구성비 비교 틈새가 클수록 눌림면과 버는 증가하고, 파단면은 감소한다. 그림 3-17 틈새에 따른 절단면 구성

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 3.2.2 전단 가공 특성 2) 전단 저항 비교 그림 3-18 틈새에 따른 전단력(전단저항) 변화 ㆍ틈새 증가할수록 전단 저항이 감소한다. ㆍ고정식 스트리퍼판을 사용하면 전단 저항이 감소한다. ㆍ공구각이 감소하면 전단 저항은 감소하지만 공구의 마모가 촉진된다.

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 3.2.2 전단 가공 특성 3) 만곡 (dish shape) 현상 그림 3-19 틈새에 따른 만곡현상 비교 ㆍ틈새가 증가될수록 양단 고정의 가동식 스트리퍼판을 쓸수록 곡률이 증가되어 만곡현상이 커진다.

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 3.2.2 전단 가공 특성 (2) 전단 하중의 계산 1) 전단 하중 = 전단 면적 X 전단 강도 = 전단 윤곽 길이 X 소재 두께 X 전단 강도 그림 3-20 전단 하중의 계산

납 주 석 알루미늄 듀랄루민 아 연 구 리 황 동 청 동 양 은 3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 3.2.2 전단 가공 특성 2) 전단 강도의 예측 ㆍ알루미늄 합금 : 인장강도의 50~80% 선택 ㆍ저탄소강 : 인장 강도의 70~80% 선택 재료 납 주 석 알루미늄 듀랄루민 아 연 구 리 황 동 청 동 양 은 전단저항 (kgf/mm2) 인장강도 (kgf/mm2) 연질 경질 2~3 3~4 7~11 22 12 18~22 22~30 32~40 28~36 - - 13~16 38 20 25~30 35~40 40~60 45~56 - - 17~22 48 25 30~40 40~60 50~75 55~76 2.5~4 4~5 8~12 26 15 22~28 28~35 40~50 35~45

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 3.2.2 전단 가공 특성 재료 철 판 디프드로잉용 강판 강 철 판 강철 0.1%C 강철 0.2%C 강철 0.3%C 강철 0.4%C 강철 0.6%C 강철 0.8%C 강철 1.0%C 규소강판 스테인리스 강판 니 켈 전단저항 (kgf/mm2) 인장강도 (kgf/mm2) 연질 경질 32 30~35 45~50 25 32 36 45 56 72 80 45 52 25 - 32~38 - 33 40 45 56 72 90 100 55 65~70 44~50 40 - 55~60 32 40 48 56 72 90 105 56 56 - 45 - 60~70 40 50 60 72 90 110 130 65 - 57~63

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 (3) 측방력 (Side thrust) 3.2.2 전단 가공 특성 ㆍ전단 가공시 틈새에 의한 측방향 하중 발생 ㆍ전단선 윤곽 - 폐곡선(Closed line cut) : 평형유지 - 개곡선(Open line cut) : 측방력 발생 ⇒ back up 장치 필요 ㆍ Cut-off, notching, flanging 등에 적용 ㆍ 일반적으로 측방력(F1) = (0.08~0.15)P ㆍ 틈새 3% 일때의 F1= kP에서 k값 - 강판 : 0.28~0.38 - 규소강판 : 0.17 - 황동 : 0.24 - 순수 알루미늄 : 0.08 그림 3-21 측방력 발생의 금형설계 대책

3. 전단 금형 3.2 전단 가공 특성 (4) 스트리핑력 (Stripping force) 3.2.2 전단 가공 특성 1) 발생 원인 ㆍ전단 초기의 눌림에 의한 스프링 백 현상 ㆍ측방력에 의한 냉간 압접 현상의 발생 2) 스트리핑력 (F2) ㆍ재질이 강하고 얇을수록 스트리핑력이 적어진다. ㆍ일반적으로 F2 = (0.05~0.2)P 또는 = 0.1P 제품의 평면도가 중요할때 F2 = (0.3~0.4)P 그림 3-22 금형치수와 제품치수 관계

3. 전단 금형 3.2 전단 금형의 기본 구조 그림 3 - 23는 전단 금형의 가장 기본적인 구조를 나타낸 것이다. 그림에 나타난 금형 부품들의 기능과 종류, 설계 방법 등은 다음절에서 자세히 설명한다. 그림 3-23 전단 금형의 기본 구조