금속성형

1. 일차원 곡선을 가진 제품
2. 곡선 플랜지를 가진 제품 - 인장 플랜지(stretch flange)와 수축 플랜지(shrink flange)를 가진 부품 포함
3. 2차원 곡면을 가진 부품
4. 디프 드로잉(deep drawing) 제품 - 벽이 수직 혹은 경사진 컵과 박스 포함
5. 얕은 (shallow)드로잉 제품 - 쟁반형, 비드형, 엠보스(emboss)형, 주름형 잡힌(corrugated)형의 변형을 수반하는 제품 포함.

그림 1. 대표적인 변형형태

작업의 형태에 따라서 박판 성형 공정을 굽힘, 전단(shear), 스트레칭(streching), 디프드로잉, 아이어닝(ironing)으로 분류하는 방법도 있다.

앞에서 성형공정과는 달리 박판성형공정은 판에 인장력을 가하므로서 변형을 유발한다는 것을 주의 해야 한다. 판에 압축력을 가하게 되면 좌굴, 접힘, 주름(wrinkling)현상이 유발되므로 피하고 있다. 체적성형에서는 피가공물의 두께감소를 유발하는 것이 중요하지만, 박판성형에서 두께감소는 네킹 혹은 파단을 유발할 수 있으므로 피한다. 박판성형과 체적성혀의 또 다른 차이점은 박판성형의 경우 박판재를 사용하므로 체적에 대한 표면적 비가 크다는 점이다.

● 가공방법

현재 박판금속의 수가공은 기계를 이용하는 가공에서 남은 결함을 사상하는 작업, 그리고 소량의 시작업무에 이용되고 있는 정도이다.

양산 박판 가공은 대부분 유압식 혹은 기계식 프레스에서 행한다. 기계식 프레스에서 에너지는 플라이 휠(fly wheel)에 저장되어 있다가 프레스가 하강할 때 움직이는 슬라이드(slide)에 전달된다.

금속가공에 사용되는 기본공구는 펀치와 다이이다. 펀치는 대체로 볼록한 면을 가졌고, 오목한 며을 가진 다이와 결합하게 된다. 펀치와 다이 간의 정확한 만남을 유도하기 위하여 그것을 보조 프레스 혹은 다이 세트에 장착하여 정확히 배열하여 놓고 그 전체를 프레스에 신속히 집어넣을 수 있도록 한다.

하나의 다이와 펀치에서 연속적으로 작업할 수 있도록 여러 개의 다이와 펀치를 갖추어서 작업하는 경우가 있고 이것을 순송식가공(progressive forming)이라 부른다.

복합다이(compound die)는 몇 개의 작업이 한번의 행정에서 동시에 작업될 수 있도록 설계된 것이다. 이 경우 다이가 복잡하므로 비싸고 개개작업에 비하여 작동이 좀 느리다. 한 개의 프레스내에서 각 행정마다 각 단으로 이동되는 이송식 다이(transfrt die)를 사용하기도 한다.

길고 좁은 베드(bed)를 가진 단동식 프레스를 프레스 브레이크(press brake)라 부른다. 이것은 채널(channnel) 및 파형의 판과 같이 좁고 긴 형태의 가공에 사용된다. 신 제품을 굽히는 작업에는 롤 성형(roll forming)이 이용된다.

고무 하이드로초밍(rubber hydroforming)은 다이 대신에 고무 혹은 폴레우레판을 사용하는 가공법으로 Guerin공법 혹은 러버 포밍(Rubber Forming)이라 부르기도 한다. 펀치 역할을 하는 성형 블록이 단동식 프레스의 베드에 고정되어 있고, 프레스의 상부 슬라이드에는 두꺼운 고무가 장착되어 있어서, 그 고무가 성형 블록을 감싸게 되면 판에 균일한 정수압이 전달되므로 성형하게 하는 방법이다. 부드러운 고무 주머니(back)에 내압을 가하는 방법을 이용하는 Verson-Wheelon고업이 있으며, 이 방법으로는 Guerin공법보다 4 ∼ 5배의 높은 기고 압력을 얻을 수 있으므로 복잡하고 깊은 제품의 가공에 이용된다.

원통형과 원뿔형의 부품을 만드는 데에는 굽힘롤(bending roll)이 사용된다. 곡면을 만드는 다른 하나의 방법이 랩 성형(wrap forming)이다. 이 방법에서는 성형 블록의 한쪽에서 판을 잡은 상태에서 인장력을 가하면서 굽히는 방법이다.

탱크헤드(tank head), 텔레비젼 콘 그리고 축대칭의 깊은 부품을 가공하는데에는 스피닝(spinning)공정이 이용된다. 판재를 고속으로 회전하는 성형 블록에 부착하여 놓고 직경이 작은 롤 혹은 맨드렐에 의해서 점진적으로 블록 위로 성형해 나가는 공정이다.

소량의 대형물 가공에는 폭발 가공이 이용되기도 한다. 박판 블랭크를 다이 위에 놓고 블랭크로부터 수중 일정 거리에서 폭약을 터트리므로 얻어지는 충격파를 이용하여 마찰 없이 가종하는 방법이다.

● 전단 및 블랭킹 작업

전단(shearing)작업은 두 개의 날(blade)에 의해서 금속을 분리하는 작업을 말한다. 전단작업에서는 날과 접한 좁은 부분에서 심한 변형이 일어나서 파단하기 시작하고 그것이 전파되므로서 완전한 절단이 일어난다. 완전 절단을 위하여 펀치가 하강해야 하는 깊이는 재료의 연성에 좌우된다.

그림 2. 금속의 전단작업

전단작업에서는 두 날사이의 간격이 적절히 정하여 주는 것이 중요하다. 그 간격이 적절한 경우에는 날의 가장자리렛 크랙이 시작되어 판두께의 중심부분에서 두 크 랙이 만나서 깨끗한 파단면을 준다. 그 간격이 적절한 경우에도 전단면의 가장자리에는 비틀림 현상이 나타난다. 그 간격이 좁은 경우에는 단이 지는 파단면을 주게 되고 전단작업에 소요되는 에너기도 그 간격이 적절한 경우에 비하여 커지게 된다. 그 간격이 너무 크면 파단면 끝부분이 더욱 심하蕁 변형하게 되고, 그 소성변형 때문에 작업에 소요되는 에너지도 그만큼 커지게 된다. 이 경우에는 파단면 끝부분에 쇠가시(burr)가 형성된다. 또 절단기 날의 끝이 무딜수록 쇠가시가 나타나기 쉽다.

마찰을 무시하면 금속을 전단하는데 필요한 힘은 굼속의 전단강도, 판의 두께 그리고 전단면의 길이의 곱으로 표시될 수 있다. 실험적으로 얻어진 최대의 펀치력은

P_max = 0.7σ_uhL (σ_u = 인장강도, h =판의 두께, L= 전단면의 전체 길이)

이다.

전단작업은 박판성형의 기본작업이다. 칫수정도를 가지고 전단하여 절단된 것을 이용하는 경우를 블랭킹(blanking)이라 부르고, 그것을 버리는 경우를 펀칭(punching) 혹은 피어싱(piercing)이라 부른다. 판의 가장자리의 펀치로 찍어누른 자국을 노칭(notching)이라 부르며, 균형을 유지하면서 동시에 두 선을 자를는 작업을 파팅(parting)이라 부른다. 절단하여 버려지는 것이 없는 전단 작업을 슬리팅(slitting)이라 부르고, 가공이 끝난 후 잉여부분을 잘내는 작업을 트리밍(triming)이라 부른다

● 굽힘작업

굽힘작업이란 평판을 구부려서 곡면을 만드는 작업을 말하며, 팜재로부터 채널(channel), 드럼(drum), 탱크(tank)등을 만드는데 쓰이는 장 알려진 공정이다. 일반적으로 다른 박판성형 공정에도 굽힘 작업은 일부로서 포함되어 있다.

그림 3. 굽힘작업에서 사용되는 용어의 정의

굽힘작업에서는 변형이 "0"인 중립면이 판재의 두께의 중심에 위치하지만, 소성변형굽힘작업에서는 그 중립면이 안쪽으로 이동하게 된다. 소성변형률은 중립면으로부터 떨어져 있는 거리에 비례하므로, 굽힘면 바깥쪽 표면이 내측 표면보다는 큰 변형을 받게 된다. 판의 두게 중심부에서는 인장변형을 받게 되고, 이것은 전체 두게에 대한 평균이므로 굽힘 부분에서는 체적을 일정하게 유지하기 위하여 두께가 감소되어야 한다. 굽힘 반경이 작을수록 두께감소는 커지게 된다.

굽힘 이론에 의하면 변형률은 곡률반경이 감소하면 증가한다. 두께 변화를 무시한다면 중립면은 중앙층(center fiber)애 남아있고, 곡률외면의 원주방향 인장변형 e_a 와 내면의 압축변형 e_b 의 크기는 같을 것이다. 외내면의 공칭변형률은 다음과 같다.

주어진 굽힘 작업에서 굽힘 곡률반경이 어떤 값 이상으로 유지해야 한다. 그렇지 않으면 외면의 섬유(fiber)가 인장에 의해서 파단하게 된다. 최소굽힘반경은 일반적으로 두께의 배율로서 표시한다. 굽힘반경 3T란 곡률반겨이 판두께의 3배 이상이면 외면섬유의 파단없이 굽힐 수 있다는 의미이다. 그로므로 최소 곡률반경이란 하나의 성형한계이고, 재료에 따라서 그 값이 크게 변하며, 냉간가공에 의해서는 항상 증가한다.

주어진 두께의 재료에 대하여 최소굽힘반경은 인장시험에서의 단면 수축률로부터 비교적 정확하게 예측할 수 있다. 만약 q값이 0.2이하라면 중립면의 이동이 무시될 수 있으므로 R_min값은 다음과 같이 주어진다.

q값이 0.2보다 큰 경우에는 중립면의 이동을 고려해주어야 하고, 최소굽힘 반경은 다음과 같이 주어진다.

◆ 탄성복원현상

굽힘작업에서 일어나는 다른 하나의 어려운 문제가 탄성복원현상이다. 탄성복원(spring back)이란 굽힘작업을 준 후 공구를 제거하게 되면 성형품의 칫수가 변하는 현상을 말한다. 이것은 재료의 탄성복원 변형에 기인하는 것이다. 탄성복원량은 항복강도가 클수록, 탄성계수가 작을수록 그리고 소성변형량이 클수록 증가한다. 주어진 재료와 변형량에 대하여 탄성복원은 판의 두께에 대한 길이방향의 칫수가 클수록 증가하게된다.

공구에서 제거하기 전의 굽힘반경을 R₀ 그리고 제거한 후의 곡률반경을 R_f라 하면 탄성복원 전후의 굽힘여유(bend allowance)는 같다. 따라서

그러면 탄성복원비, 는 다음과 같이 주어진다.

또 다음과 같은 탄성복원비 추정식도 주어져 있다.

탄성복원을 상쇄시키는 가장 일반적인 방법은 굽힘작업에서 요구되는 곡률반경보다 작은 곡률로 굽혀서 탄성복원 후에 요구되는 반경을 얻는 방법이다.

한편 굽힘반경 R 주위를 길이 L만큼 굽히는데 소요되는 힘P_b는 다음식으로 추정될 수 있다.

● 스트렛치 성형

스트렛치 성형이란 재료를 공구 혹은 폼블럭(form block)상에 올려 놓고 판에 인장력을 가하므로 요구하는 형상으로 성형하는 공정을 말한다. 이 공정은 압연 판재의 인장교정(stretch leveling)이 발전한 형태이다. 스트렛치 성형은 항공산업에서 곡률반경이 큰 제 품의 생산에 주로 이용되고 있다. 스트렛칭(streching)에 의해서 판두께 방향으로 위치에 따른 변형률 분포가 상대적으로 균일하기 되기 때문에 탄성복원량이 크게 줄어드는 것이 이 공정의 특징이다. 한편 판면의 인장응력에 의해서 가공하게 되므로 재료가 연한 경우가 아니면 큰 변형률을 얻을 수 없다는 점이 있다.

● 디프드로잉

디프드로잉이란 욕조, 탄피, 자동차 패널등 컵 형상의 제품을 박판으로부터 성형하는 금속가공이다. 즉 적절한 크기의 평판을 다이 위에 올려놓고 펀치로 누르면서 재료를 다이 안으로 끌어들이는 공정이다. 이대 주름현상(wrinking)을 방지하기 위하여 블랭크를 잡아주는 장치(blank holder)가 필요하다. 디프드로잉에서 공정을 좌우하는 인자는 많지 않지만 그들이 서로 복잡적으로 공저에 영향을 주므로, 간단한 수식으로 이 공정을 정확하게 표시하는 것은 어렵다.

● 박판성형 제품의 결합

박판 성형품에 나타나는 대표적인 결함에는 파단, 국부적인 네킹과 혹은 두께 감소, 판면에 평행하게 작용하는 압축응력에 기인하는 좌굴 혹은 주름현상들이 있다. 그 외에도 탄성복원에 기인하는 칫수정도 불량도 하나의 결함이다.