4가지 마크 없는 판금 절곡 기술

판금 가공 기술은 특히 스테인리스 스틸의 정밀 절곡, 장식용 스테인리스 스틸 부품 절곡, 알루미늄 합금 절곡, 항공기 부품 절곡, 동판 절곡과 같이 성형된 공작물의 표면 품질에 대한 요구 사항이 점점 더 엄격해지는 분야에서 지속적으로 발전해 왔습니다.

그러나 기존의 벤딩 공정은 금형과 접촉하는 표면에 눈에 띄는 홈이나 스크래치를 남기면서 공작물 표면이 손상되는 경향이 있습니다. 이는 최종 제품의 외관에 부정적인 영향을 미치고 사용자에게 인지되는 가치를 떨어뜨립니다.

굽힘 자국이 생기는 이유

이 문서에서는 판금 벤딩 프로세스의 복잡한 과정을 설명하기 위해 V자형 부품을 벤딩하는 예를 사용합니다.

판금 절곡은 펀치 또는 프레스 브레이크의 압력을 받아 금속판에 제어된 변형을 가하는 정밀 성형 작업입니다. 이 공정은 재료에 탄성 변형과 소성 변형을 모두 유도하여 영구적인 모양 변화를 가져옵니다.

벤딩 시퀀스는 펀치와 시트의 초기 접촉으로 시작됩니다. 펀치가 내려가면서 시트는 탄성 변형을 겪은 후 재료의 항복 강도를 초과하면 소성 변형이 발생합니다. 소성 굽힘의 초기 단계에서는 시트가 어느 정도 자유롭게 움직입니다. 펀치가 하향 스트로크를 계속함에 따라 시트는 다이의 V 홈으로 점진적으로 강제로 들어가면서 곡률 반경과 굽힘 힘 암이 점진적으로 감소합니다.

이 동적 프로세스는 펀치가 스트로크가 끝날 때까지 계속됩니다. 이 시점에서 시트는 V 홈 숄더를 따라 두 곳, 베이스에 한 곳 등 세 지점에서 다이와 완전히 접촉합니다. 이 3점 접촉 시스템은 원하는 V자 모양을 정확하게 형성할 수 있도록 보장합니다.

굽힘 작업 내내 금속판은 복잡한 응력 상태를 경험합니다. 외부 섬유는 인장 응력을 받는 반면 내부 섬유는 압축을 받습니다. 이러한 응력 분포는 스프링백이라는 현상으로 이어지며, 이는 툴링 설계 및 공정 파라미터에서 반드시 고려해야 합니다.

벤딩 사이클이 완료되면 일반적으로 "숄더 마크"라고 하는 세 개의 뚜렷한 움푹 들어간 선이 공작물에 뚜렷하게 나타납니다. 이러한 자국은 그림 1과 2에 표시된 것처럼 성형 공정 중에 다이 숄더와 V 홈의 바닥에 가해지는 국부적인 압력의 결과입니다.

숄더 마크의 형성과 특성은 재료 특성, 툴링 형상 및 공정 파라미터로 분류할 수 있는 여러 상호 연관된 요소의 영향을 받습니다. 이러한 요소를 이해하고 제어하는 것은 최적의 부품 품질을 달성하고 눈에 보이는 마킹을 최소화하는 데 매우 중요합니다.

그림 1 벤딩 프로세스의 개략도

그림 2 굽힘 표시

굽힘 방법

숄더 마크는 주로 벤딩 공정 중 판재와 V-다이 숄더 사이의 상호 작용과 관련이 있습니다. 펀치와 다이 사이의 간격은 판재의 압축 응력 분포에 큰 영향을 미치며, 그 결과 그림 3과 같이 다양한 수준의 압흔 발생 가능성과 심각도가 달라집니다.

일정한 V-다이 조건에서 굽힘 각도의 크기는 판금 변형의 정도 및 V-다이 숄더의 마찰 경로 길이와 직접적인 상관관계가 있습니다. 또한 굽힘 각도가 클수록 펀치에 더 오랜 시간 동안 굽힘력을 가해야 하므로 접촉 시간이 길어집니다. 이렇게 연장된 접촉 시간은 변형 및 마찰 증가와 함께 공작물 표면에 숄더 마크의 형성과 강도를 악화시킵니다.

간격, 굽힘 각도, 변형, 마찰, 접촉 시간 등 이러한 요소의 상호 작용에 따라 결과물인 숄더 마크의 특성이 종합적으로 결정됩니다. 정밀 판금 제작에서 표면 결함을 최소화하면서 고품질의 벤딩을 구현하려면 이러한 파라미터를 이해하고 최적화하는 것이 중요합니다.

매트릭스 V-그루브의 구조

구부릴 때 금속 시트 두께가 다르면 선택한 V 홈 폭도 달라집니다.

펀치에 대해 동일한 조건에서 매트릭스의 V 홈 크기가 클수록 압입 폭이 커집니다. 반대로 금속판과 매트릭스 V 홈의 숄더 사이의 마찰이 작을수록 압흔 깊이가 줄어듭니다.

플레이트가 얇을수록 V 홈이 좁아져 자국이 더 눈에 띄게 됩니다.

마찰 측면에서 고려해야 할 또 다른 요소는 마찰 계수입니다. 매트릭스의 V 홈 숄더의 반경이 다르면 굽힘 과정에서 시트의 마찰 수준이 달라집니다.

매트릭스의 V 홈이 시트에 가하는 압력 측면에서 매트릭스 V 홈의 반경이 클수록 시트와 금형 V 홈의 숄더 사이의 압력이 줄어들어 굽힘 자국이 줄어듭니다.

매트릭스 V-홈의 윤활 정도

앞서 매트릭스의 V 홈 표면이 시트 소재와 접촉할 때 마찰을 일으킬 수 있다고 언급했습니다.

금형이 마모됨에 따라 V-홈과 시트 사이의 접촉이 거칠어지고 마찰 계수가 증가합니다. V 홈 표면에서 시트가 미끄러지면 무수히 많은 거친 돌기와 표면이 접촉하여 시트 표면에 압력이 증가하고 움푹 들어간 부분이 더 눈에 띄게 됩니다.

또한 작업물을 구부리기 전에 V 홈을 청소하지 않으면 V 홈에 잔류한 이물질이 시트에 가해지는 압력으로 인해 뚜렷한 홈이 생길 수 있습니다. 이는 아연 도금 시트나 탄소강 시트와 같은 공작물을 구부릴 때 흔히 발생하는 문제입니다.

적용 마크 프리 벤딩 기술

굽힘 자국의 주요 원인이 시트와 매트릭스의 V 홈 숄더 사이의 마찰이라는 점을 고려할 때, 가공 기술을 사용하여 이 마찰을 줄일 수 있습니다.

마찰력 공식(F=μ×Fn)에 따르면 마찰력에 영향을 미치는 요소는 마찰 계수(μ)와 압력(Fn)이며, 이 두 요소는 마찰력에 비례한다는 것을 알 수 있습니다.

따라서 다음 네 가지 솔루션을 사용하여 자국 없는 굽힘을 달성할 수 있습니다:

1. 매트릭스 V 홈의 숄더에 사용되는 비금속 소재입니다.

그림 3 굽힘 유형

단순히 V자 홈 숄더의 반경을 늘리는 기존의 접근 방식은 굴곡진 홈을 줄이기 위한 신뢰할 수 있는 솔루션이 아닙니다.

마찰 쌍의 압력을 낮추기 위해 더 부드럽고 비금속 소재 나일론이나 우레탄(PU 엘라스토머)과 같이 필요한 압출 효과가 유지되는 한 V 그루브 숄더에 사용할 수 있습니다. 하지만 이러한 소재는 마모되기 쉽고 자주 교체해야 한다는 단점이 있습니다.

현재 그림 4와 같이 이러한 소재를 활용한 다양한 V-홈 구조가 존재합니다.

그림 4 비금속 V-홈 구조의 개략도

2. 매트릭스 V-그루브 숄더를 볼과 롤러로 변경합니다.

또한 시트와 V-홈 사이의 마찰 계수를 줄이기 위해 시트와 V-홈 숄더 사이의 슬라이딩 마찰 쌍을 롤링 마찰 쌍으로 변환하여 시트에 작용하는 마찰력을 크게 줄일 수 있습니다.

이렇게 하면 구부러짐을 효과적으로 방지할 수 있습니다.

현재 이 방법은 금형 산업에서 널리 사용되고 있으며, 볼 마크가 없는 벤딩 금형(그림 5)이 일반적인 적용 사례입니다.

그림 5 볼 마크 없는 벤딩 몰드

볼 마크가 없는 벤딩 몰드 롤러와 V 홈 사이의 단단한 마찰을 방지하고 롤러의 회전과 윤활을 용이하게 하기 위해 볼을 추가하여 압력과 마찰 계수를 줄입니다.

결과적으로 볼 마크 프리 벤딩 몰드로 가공된 부품은 일반적으로 눈에 보이는 마크가 나타나지 않지만, 알루미늄이나 구리와 같은 부드러운 소재에는 마크 프리 벤딩 효과가 최적화되지 않습니다.

재정적 관점에서 볼 때 볼 마크가 없는 벤딩 금형의 구조는 이전 금형 설계보다 더 복잡하여 가공 비용이 더 많이 들고 유지 관리가 어렵습니다. 기업 관리자는 툴링을 선택할 때 이러한 요소를 고려해야 합니다.

3. 매트릭스 V-그루브 숄더를 플립 구조로 변경합니다.

그림 6 역V자 홈 구조의 개략도

현재 업계에는 피벗 회전 원리를 사용하여 매트릭스 숄더를 회전시켜 부품 굽힘을 달성하는 또 다른 유형의 금형이 있습니다.

이 금형 디자인은 기존의 V 홈 구조에서 벗어나 V 홈 양쪽의 경사진 표면을 가역적인 구조로 변형합니다.

펀치로 시트를 누르는 동안 펀치의 압력에 의해 펀치 양쪽의 회전 메커니즘이 활성화되어 그림 6에 표시된 것처럼 시트가 구부러지고 성형됩니다.

이 작동 조건에서는 시트와 매트릭스 사이의 슬라이딩 마찰이 최소화되고 시트가 선삭 평면 근처의 펀치 정점에 더 가깝게 이동하여 부품에 자국이 남지 않도록 합니다.

이 유형의 금형은 텐션 스프링과 플립 플레이트 구조로 이전 디자인보다 구조가 복잡하여 유지 보수 및 처리 비용이 더 많이 듭니다.

4. 매트릭스 V 그루브와 시트 사이의 격리

앞서 설명한 방법은 모두 벤딩 몰드를 수정하여 자국 없는 벤딩을 달성하는 데 목적이 있습니다.

비즈니스 관점에서 볼 때 개별 부품의 마크 없는 벤딩을 위해 새로운 금형 세트를 개발 및 구매하는 것은 불가능할 수 있습니다.

마찰 접촉의 관점에서 볼 때 금형이 시트에서 분리되어 있는 한 마찰은 발생하지 않습니다.

따라서 벤딩 다이를 변경하지 않고도 부드러운 필름을 사용하여 V-홈과 시트 사이의 접촉을 방지함으로써 자국 없는 벤딩을 구현할 수 있습니다.

자국이 없는 벤딩 필름이라고도 하는 이 부드러운 필름은 일반적으로 고무, PVC(폴리염화비닐), PE(폴리에틸렌), PU(폴리우레탄) 등의 재료로 만들어집니다.

고무와 PVC는 원자재 비용이 저렴하지만 내압성이 부족하고 보호 성능이 떨어지며 사용 수명이 짧습니다.

반면 PE와 PU는 우수한 엔지니어링 소재입니다. 이 소재를 기판으로 사용한 벤딩 및 프레싱 필름은 인열 저항성이 우수하고 수명이 길어 우수한 보호 기능을 제공합니다.

굽힘 보호 필름은 공작물과 금형 숄더 사이의 완충 역할을 하여 금형과 시트 사이의 압력을 완화하여 굽힘 중에 공작물이 긁히는 것을 방지합니다.

사용 중에는 벤딩 필름을 매트릭스 위에 올려놓을 수 있어 비용이 저렴하고 간편하게 사용할 수 있습니다.

현재 시중에서 판매되는 마크가 없는 벤딩 필름의 두께는 일반적으로 0.5mm이며, 필요에 따라 크기를 맞춤화할 수 있습니다.

2t 압력 조건에서 마크가 없는 벤딩 필름은 일반적으로 약 200회 벤딩 사이클의 수명에 도달할 수 있으며 강한 내마모성, 우수한 인열 저항성, 우수한 벤딩 성능, 높은 인장 강도 및 연신율, 윤활제에 대한 내성, 지방족 탄화수소 용매에 대한 내성을 자랑합니다.

이 문서에서는 마크 없는 굽힘을 달성하기 위한 몇 가지 방법을 설명했으며, 표 1은 이러한 방법을 비교한 것입니다.

표 1 마크 없는 벤딩 공정 비교

최종 생각

경쟁은 판금 가공 업계는 경쟁이 치열하며, 경쟁력을 유지하기 위해 기업은 가공 기술을 지속적으로 개선해야 합니다. 제품의 기능뿐만 아니라 가공성, 외관, 가공 경제성까지 고려해야 합니다. 보다 효율적이고 비용 효율적인 가공 방법을 활용함으로써 기업은 제품을 더 쉽게 가공하고, 더 경제적이고, 더 매력적으로 만들 수 있습니다.