1. ’14 년 프레스업종 기술세미나
자동차부품산업진흥재단
전문위원 장 치 수
2014 년 04 월 15 ~ 17 일
자동차부품산업진흥재단
2. 주제
1 고정밀 전단 가공
부가가치를 실현하
는
주제
2
금형 교환 시간 단축
(QDC)
생산성 향상을 위한
세미나 발표 주제
3. ▣. 주제 선정 배경
▣. 전단 금형 기본 개념
▣. 전단 가공 기술 STUDY
( 전단 가공 속도 , CRACK 대
책 ,
윤활 , 금형 수명 )
고정밀 전단 가공
부가가치를 실현하
는
주제
1
4. ▣. 주제 선정 배경
◈. 전단 가공은 프레스 가공의 50% 이상 활용하는 극히 단순한 가공이다 .
◈. 전단면이 기계 가공한 면과 비교하면 거칠은 단점이 있다 .
◈. 이를 개선하기 위해 FINE BLANKING 공법이 1923 년 스위스에 발명
발전되어 왔다 .
◈. 전단 가공 기술은 대량 생산 , 저 COST 화 등의 관점에서 중요 기술로
자리하고 있다 .
◈. 특히 자동차의 경량화의 필요성 및 전자 분야 접목이 진전되어
◎ 고장력 강판과 단자용 얇은 박판 등 가공이 어려운 소재 대응필요 .
◎ 전단 가공 기술 요소 별 특성을 알아보고 ,
전단 가공 문제점의 대처 방법 등을 생각해 보기로 한다 .
5. 드로잉으로 만들어진 형상 부위에서 불필요한 부분을 전단하는 금형을 말하며 TRIM 금형은
크게 보아 판넬의 위치를 잡아주는 부분 , 스크랩으로 버릴 부위 , 전단 작업 중
변형을 방지해 주는 부분 그리고 전단 상 . 하 날부로 구성된다
TRIM DIE
압력 SPRING & GUIDE PIN
( 추가 가압시 GAS TANK 부착 )PAD
RETURN PIN
상형날
하형날
LIFTER
SCRAP CHUTE
VIBRATER
SETT'G
BLOCK
GUIDE POST
SCRAP CUT
하형
상형
재료가 눌린 부분
전단면
(1/3t 이상이 적당 )
파단면
BURR
하형날
TRIM 부 구조
PAD
상형날
짤린부위 단면
▣. 전단 (TRIM) 금형 기본 구조
7. -CLEARLANCE
전단하는 상 . 하 날 사이의 간격을 말하며 적정한 간격 유지가 날의 마모 및 BURR 발생
,
전단하중 및 전단면 형상에 큰 영향을 미친다
재료별 적정 CLEARLANCE ( 두께 : t )
구 분 재 질 CLEARLANCE
연질 ( 연강 , 황동 ) (0.04~0.05) * t
금 속 중경질 ( 동판등 ) (0.05~0.06) * t
경질 ( 경강판 등 ) (0.05~0.07) * t
비금속
베크라이트 (0.01~0.03) * t
종이 0
CLEARLANCE
식입량
(2t+1)
▣. 전단 (TRIM) 금형 기본 개념
8. - TRIM 부의 전단력
P = τ x ℓ x t
P : 전단력 (kg) τ : 전단응력 (kg/mm²)
ℓ : 전단길이 (mm) t : 재료두께 (mm)
- PAD’G 력 ( STRIP’G 력 )
전단 가공시 제품의 변형 및 제품이 상형 STEEL 에 끼어 올라 가는 것을 막는 힘
F = P x ( 5 ~ 10% ) F : 패딩력 (kg)
PAD’G 력은 식입 완료상태가 아니라 전단 작업 개시 시점에 확보되어야 한다
▣. 전단 (TRIM) 금형 기본 개념
9. - PAD STROKE 결정 방법
패드 스트로크 = t + h + α
h : 상형의 전단 날이 하형의 전단 날에 식입되는 량
α : 전단 작업이 시작되는 시점에서 PAD’G 력이
나올 수 있도록 패드 스트로크 값을 정하며 , SPR’G 종류에 따라서도 달라짐
- SPRING 선도
Kgf/mm
α 식 입
PAD ST
자유장
K
DEFLECTION
α
- SPR’G 선도에 도시할 항목
* SPR’G 사양 및 수량 ( n ) , 상수 (K)
* DEFLECTION
* 작업 시점시 ST 및 PAD’G 력 ( F )
* 식입량 및 PAD ST
* 최종 작업 완료시 힘 ( F’ )
F’ = K x n x PAD ST
F = K x n x ST ( α )
▣. 전단 (TRIM) 금형 기본 개념
10. ▣. 고장력 강판의 전단 가공
◈. 초 고장력 소재로 높은 정밀도의 GEAR 등 기능부품의 전단 가공 시 , 가공 속도 V
에
따른 전단면의 상태는 아래 그림과 같다 .
△. 가공 속도 V 가 크면 PIE 나 , BLANK 모두 전단면 상태는 양호하나 , 스프링빽의
영향으로 가공 치수 정밀도는 떨어지게 되고 , 이의 대책으로 세이빙 가공 한다 .
■. 전단 가공 속도의 영향
타발 속도
50SPM
(100mm/se
c)
1SPM
(2mm/se
c)
30SPM
(20mm/sec
)
70SPM
(140mm/se
c)
BLANK
HOLE
눌림
눌림
그림 : 정밀전단에서 전단 가공 속도의 영향 ( 다이 R 의
영향 )
980Y t=1.4mm
11. △. 아래 그림은 세이빙 전 , 후의 직경 치수의 변화를 표시한 것이다 .
△. 가공 속도 V =140mm/sec (70SPM) 일 때 직경이 세이빙 펀치와 가장 근접하다
▣. 고장력 강판의 전단 가공
■. 전단 가공 속도의 영향
12. ◈. 앞의 세이빙 가공의 시험을 토대로 SK85 소재를 열처리 ( 소입 , 소둔 , 강도 590HV)
하여
적절한 가공 조건을 설정 세이빙 가공하여 평활한 전단면을 얻은 것을 사진에 표시
하였다 .
△. 왓샤의 경우 소재→열처리→절삭또는 연삭 ⇒ 소재→열처리→전단가공 , 세이빙가공
으로 개선 COST 절감을 할 수 있었다 .
▣. 고장력 강판의 전단 가공
소재가공조건 세잉빙가공조건
펀치경 : Ф19.76
mm
(R=0.0 또는 0.3
mm)
펀치경 : Ф19.96 mm
(R=0.0 또는 0.3mm)
다이경 : Ф19.80
mm
(R=0.0 mm)
다이경 : Ф20.00mm
(R=0.0 mm)
CLEARANCE=1%t
가공여유 편측
0.13mm
사진 : 高强度材의 HOLE 세이빙
결과
재질 : SK85 열처리재 t = 2mm
590HV
소재
(Rp_=0mm)
세이빙
(Rp_=0mm)
세이빙
(Rp_=0mm)
소재
(Rp_=0.3mm)
■. 고장력 소재 전단면 성상
13. ◈. 아래 사진과 같은 시트 골조 부품 590 소재의 인장 flange 가공 시 발생한 crack 문제의
개선 내용 소개 한다 .
△. 성형공정은 9 공정의 PRO 금형으로 되어있고 , CRACK 은 FLANGE 공정에서 발생
△. 아래 현미경확대 사진에서 HAIR CRACK 이 많이 발생 되었고 , 이 것은 소재가 늘어남에
따른 CRACK 이라는 것을 알 수 있다 .
▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책
CRACK 부위
제품과 CRACK 부 사진
미세 HAIR
CRACK
확대 사진 : 미세 HAIR CRACK
■. CRACK 발생 현상
14. ◈. CRACK 발생 원인과 대책 방안의 상관 관계를 조사해 본 결과
△. 아래와 같은 CRACK 방지 대책 상관도로 정리 하였다 .
-. 가공 경화 방지 , -. 전단면의 정밀도 . -. CLEARANCE
-. 정기 MAINTENANCE -. 품질 관리
▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책
■. CRACK 발생 대책 방안
가공 경화 방
지
전단면 개선 클리어런스
정기 유지 보수
품질 관리
CRACK 방지 상관도
15. ◈. 전단 가공 시 발생되는 열에 의해 전단면이 경화된다는 것은 당연한 현상이고 ,
전단열 감소 → 경화 감소 ,
△. CRACK 발생 부위를 블랭킹 작업 전에 SLITTING 작업 후 블랭킹 하므로 경화 감소 .
▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책
■. 가공 경화 방지
전 공정에서
SLITTING
편측 3 개
소
CRACK 방지 과
정
SLITTING 않는 경
우
SLITTING 하는 경
우
펀치
펀치
다이
다이
전 공정 SLIT
1 발 전
단
경화됨
경화 약함
BLANK 제
품
BLANK 제
품
가
공
방
향
가
공
방
향
16. ◈. SLITTING & BLANKING 한 것과 BLANKING 일발 작업 했을 때 전단 표면에서 부터의 경
도
변화 그래프는 아래와 같다 .
△. 전단면에서 0.3 mm 깊이 부근에서는 거의 동일한 경도 . 이나 , 단면에서는 HV 30 정도
감소되어 CRACK 발생이 감소됨 .
▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책
■. 가공 경화 방지 (SLITTING 효과 )
SLITTING 효과 ( 전단면으로 부터 내부로의 경도 변
화 )
단면에서의 깊이 / mm
깊이 0.3mm 근처에서 경도
동일
1 발 전단은 전단 표면 경도 높게 나타남 .
17. ◈. BLANK 금형의 STEEL 은 사상을 하고 있지만 , BLANK 재의 전단면인 DIE 면을 특별히 사
상한
DIE 면 정도가 BLANK 재에 전사되어 CRACK 발생을 “ ZERO” 화 시킬 수 있었다 .
△. DIE 의 전단면을 와이어 컷팅 했을 때 면조도가 Rz 1.2 정도인 것을 저석 (#4000) 및
다이아몬드줄 등을 이용하여 Rz 0.5 이하로 사상하고 표면처리 실시 .
▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책
■. 전단면 정밀도 향상
사상 작업과 부품
18. ◈. 금형 다이 면 정밀 사상 및 표면처리 전 , 후의 BLANK 전단면의 조도를 비교해 보면 아래
와
같다 .
△. 그리고 , CRACK 부위 전단면이 균일하게 되도록 CLEARANCE 조정하는 것도 CRACK
방지에
중요 하다 .
▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책
■. 금형 다이 사상 후 BLANK 단면 상
태
BLANK 금형 STEEL 정밀 사상 작
업 개선
개선
전
개선
후
개선전 단면 조
도
개선후 단면 조
도
19. ◈. 금형 STEEL 의 연마도 아래 그림과 같이 CRACK 면연 방향으로 하는 것이 필요 하다 .
△. BLANK 전단면을 안정화 시켜 , CRACK 발생 “ ZERO” 화에 도움이 된다 .
▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책
■. 금형 STEEL 의 연마 가공 방향
CRAC
K 부
위
연마
방향
CRACK 부위를 고려한 연마 방
향
20. ◈. 높은 정도 ( 조도 1.6Ra 이하 ) 요구되는 기능부품 ( 소재 t=12) 금형의 정밀도 향상 및 금
형
수명 연장을 위한 개선 사례
△. 아래 그림과 같은 잠금 장치 부품을 FB ( FINE BLANKING ) 으로 생산 .
파단면 방지를 목적으로 소재 압축응력 증가를 위해 V-RING 설치 및 CLEARANCE 최소
화 .
▣. 정밀 부품 금형 정밀도 & 수명
잠금 기능 부품 Fine Blanking 가공법
PUNCH 력
소재
PAD’G 력
V RING
■. 후판 고정도 부품 개선 사례
21. ◈. 금형 부품의 정도 향상을 위해 부품 가공 공정에 랲핑 공정 추가하고 랲핑 시간 단축을
위해 와이어 가공 , 방전가공 정밀도 향상 병행
△. 아래 그림과 같은 잠금 장치 부품을 FB ( FINE BLANKING ) 으로 생산 .
▣. 정밀 부품 금형 정밀도 & 수명
■. 금형 부품 정도 향상 및 수명
기계가공 열처리가공 연삭가공 와이어가공
방전가공표면처리
종전의 가공 공정
기계가공 열처리가공 연삭가공 와이어가공
기계가공표면처리
개선 가공 공정
랲핑가공
22. ◈. 부품 가공 방법 개선 전 , 후의 금형 STEEL 가공 정밀도 비교 .
와이어 가공 ( 종전방법 ) → 랲핑 가공 ( 개선 방법 )
면 조도 향상 2.5 Rz → 0.4 Rz
▣. 정밀 부품 금형 정밀도 & 수명
■. 금형 부품 정도 향상 및 수명
종전가공
공정 제작
와이어가
공
면조도 :
2.5Rz
개선 가공 공정 제작
랲핑가공 면조도 : 0.4Rz
23. ◈. 개선 전 , 후 금형 수명 , RUNNIG COST 는 2 배 향상 효과를 얻음 .
#. 실제 이와 같은 개선의 전제 조건으로 부품 가공 기술력 ( 랲핑기능 포함 ) 측정 능력의
확보와 금형 , 설비 , 재료의 기본 관리를 필요 하다 .
▣. 정밀 부품 금형 정밀도 & 수명
■. 금형 부품 정도 향상 및 수명
수명 비교
개선전 개선후
비용 비교
개선
전
개선
후
24. ◈. 전단면의 확대 등 고정도의 전단 가공 시 , CLEARANCE
를
좁게하면 유용하게 되지만 , 금형 수명이 저하된다 .
◈. 금형 수명이 저하되는 원인은 , CLEARANCE 가 적게되
면
전단력이 크게 되어 날부에 부하가 크게 걸리고 , 전단
시
전단면이 넓어져 펀치가 늘어붙기 쉽게 되고 , 펀치가
식입 후 올라 갈 때 펀치 측면에 마찰력이 증대되어
날부에 인장력이 작용되어 펀치 날부 손상이 쉽다 .
◈. 따라서 내소착성 향상을 위해 윤활유가 필요한 것이다 .
◈. 재료 두께가 두꺼운 강판 , 고장력 강판 , 스테인레스 강
판
등의 경우 윤활유를 도포해도 펀치가 식입 시에는 윤활
기능을 해도 , 펀치가 올라 갈 때는 윤활 기능이 저하되어
▣. 전단 가공에서의 윤활
■. 전단 가공에서 윤활의 중요성
25. ▣. 전단 가공에서의 윤활
■. 전단 가공 문제점의 윤활 기술 시각에서 대책
문 제 점 대 책 방 안
파단
두꺼운 소재는 재료의 구상화 정
도 , 금형 정도가 주요 요소 이다
-. 다이 펀치의 응착 방지 , 재료 결 방향 고려
-. 내긁힘성 높고 , 고점도 윤활유 사용 좋음
눌림
PAD 나 STRIPPER 의 압력 밸
런스에 따라 차이 남 .
클리어런스 작게 , 금형 수명 단
축
-. 다이 , 펀치 측면 소착 → 부분적 윤활유 추가 급유
-. 내긁힘성 높고 , 고점도 윤활유 사용 좋음 .
BURR
적정 클리어런스 확보 미흡
마모로 클리어런스 증대 원인
-. 금형 수명 원인의 경우 , 금형 표면처리 시 내소착
성만이 아니라 내마모성도 고려 .
-. 내긁힘성 만이 아니라 내마모성이 좋은 윤활유 .
두꺼운 소재
성형 하중이 높고 , 클리어런스에
의해 다르지만 , 파단면 흠 ,
BURR 가 많이 발생
-.BURR 대책은 위의 내용 참고 .
-. 마찰 거리가 길어 고점도이고 내긁힘성 윤활유
PIE 스크랲
상승
제품 불량 , 금형 파손 -. 점도 낮은 윤활유가 좋음 .
타흔 ( 찍
힘 )
BURR 나 마모가루에 의해 불균
일
에 의한 찍힘 불량 발생
-. 점도 낮은 윤활유가 좋으나 , 날부 마모가 문제
이므로 내마모성이 높은 것이 좋음 .
26. ▣. 전단 가공에서의 윤활
■. 고온에서 마찰력 감소 성능 윤활유 필요성
◈. 고장력 강판의 사용 , 고정밀도의 프레스 제품 요구 됨에 따라 전단 가공 시 금형 온도가
상승 한다 .
◈. 온도 10 도 상승 되면 점도가 40~70% 낮아진다 ,
따라서 고온에서 점도가 유지되어 전단 가공 시 마찰력을 감소 시킬 필요성 있다 .
△. 일본 회사에서 개량한 윤활유 시험 내용 하기에 소개 .
마찰시험결과 ( 상
온 :23℃)
마찰시험결과 ( 가
온 :200℃)
개량전 윤활
유개량후 윤활
유
개량전 윤활
유개량후 윤활
유
하중
(N)
하중
(N)
27. ◈. 최근에는 환경 보호를 위해 타발유 없는 전단가공 ( 무급유 전단가공 ) 이 대두되고 있다 .
DLC (Diamond Like Carbon) 코팅한 펀치로 AL 소재를 무윤활로 PIE 하여 양호한 결과를
얻었다 . < 아래 그림 >
△. 더 나아가 SUS 304 t=1mm 소재를 초경판에 1,5mm 의 소결 Diamond ( PCD : Polycry-
stalline Diamond) 층을 형성하여 다른 모재와 접합 펀치로
무윤활 조건에서 14 만 타발한 시험 보고된 문헌도 있다 .
▣. 무급유 전단 가공 ( AL 소재 )
그림 : 5,000 타발 시험 후의 HOLE 측 단면 형상
( Ф 5mm HOLE, C = 10% t , 소재 : AL 판 , t = 1mm )
(a) NON-COATING
펀치 사용
(b) DLC-COATING
펀치 사용
타발 방향
DLCÄÚÆÃ
28. ▣. 고장력 강판 금형 수명
■. 고장력 강판 금형의 손상 형태
◈. 고장력 강판의 금형에 통상적 냉간다이스강 ( SKD11) + 표면처리 하여 사용 하고 있다 .
그러나 , 기존 강재 + 표면처리로는 금형 수명 개선에 충분하지 못한 것이 현실이다 .
△. 금형 손상 형태에 대해 알아 보자 .
소재 : 고장력 강판
(980 Mpa t=2.0mm)
금형 : SKD11 + VC
(VC: 고주파 확산처
리 )
Flange 금형 손상 형태
제품표
면
금형표
면
손상개
소
긁힘발
생
29. ▣. 고장력 강판 금형 수명
■. 고장력 강판 금형의 손상 형태
1. 입자 큰 탄화물에 의한 요인 .
-. 탄화물이 SKD11 의 내마모성 인자
.
-. 입자 큰 탄화물 부위 경도가 높다 .
*. 일반부 : 700 HV,
*. 탄화물 : 1800~2800 HV
-. 표면처리 피막의 경우 왼쪽 그림과
같은 과정으로 금형의 수명 저하
요인이 된다 .
#. CHIPPING 현상도 탄화물 요인 多
모재의 입자 큰 탄화물에 의한 피막
손상
피막 손상부에 입자
큰 탄화물
피막 : PVD
피막
탄화물
습동방향
CRACK 발
생
피막이
탈
●. 긁힘 ( かじり ) 발생 요인을 보면 다음의 3 가지 경우가 있
다 .
1. 금형 모재의 입자가 큰 탄화물에 의한 요인 .
2. 금형에 걸리는 면압 ( 面壓 ) 에 의한 요인 .
3. 가공 발열 ( 發熱 ) 에 의한 요인 .
30. ▣. 고장력 강판 금형 수명
■. 고장력 강판 금형의 손상 형태
큼
금형표면 (SKD11+TIC) ( X
200)
면압
적
음
면압에 의한 피막 손상
2. 금형에 걸리는 면압 ( 面壓 ) 에 의한 요인 .
-. 제품 성형 시뮬레이션에서 면압이 많이 걸리는 부분에 CRACK 발생을 보인
다 .
-. 일정 면압 이상 걸리면 피막이 견디지 못하고 , 손상이 발생 된다 .
SKD11+TIC 처리 했지만 고장력 강판에 의한 강도 보다 피막 강도가 약함 .
31. ▣. 고장력 강판 금형 수명
■. 고장력 강판 금형의 손상 형태
피막의 산화 현상
손상된 주변 ( X
2000)
건전부 ( X
2000)
3. 발열 ( 發熱 ) 에 의한 요인 .
-. FLANGE 등 긁힘 현상 발생된 부위의 금형 (SKD11+VC) 표면을 확대한 사
진
-. 손상된 주변에는 O ( 산소 ) 가 많이 검출 되었다
-. VC 피막이 산화 되었다는 것을 알 수 있다
-. 통상 VC 는 450℃ 아상에서 산화 되는데 , 고장력 강판 사용으로 성형 온
도가
그 이상임을 알 수 있다
-. 피막은 산화에 의해 경도가 떨어진다 . 결국 가공열에 의해 성능 저하 됨
32. ▣. 고장력 강판 금형 수명
■. 금형 수명 개선 대책
●. 앞에서 설명한 문제점 개선의 포인트는
△. 소재의 탄화물 감소 . 피막면이 고온에서 내마모성 향상 , 고압에서 피막 손상 개선 필요
.
#. 결국 새로운 금형 소재가 필요하게 되고 , 모든 나라에서 신소재 연구가 진행 중이다 .
-. 문헌에 올라온 一例를 소개 한다 .
△. 개선된 ‘신소재’는 탄화물 제거 , 경도는 SKD11 과 같이 HRC 60 .
개발된 신소재와 SKD11 조직
신소재 SKD11
입자 큰 탄화
믈
적
음
많
음
33. ▣. 고장력 강판 금형 수명
■. 금형 수명 개선 대책
△. 개선된 ‘신소재’는 탄화물 제거 , 경도는 SKD11 과 같이 HRC 60 .
TRIM 금형 CHIPPING 상태
SKD1
1
신소재
TRIM 금형 인선부 상태
SKD1
1
신소재
미세한
CHIPPING
34. ▣. 고장력 강판 금형 수명
■. 금형 수명 개선 대책
△. 개선된 ‘신소재’에 신표면처리 적용으로 내열온도 450℃ → 1000℃ 로 향상 .
BENDING 시험 결과
피막
모재 신소재
신공법
기
존
수
명
향
상
제품에 긁힘 발생을 수명으로
함
△. TRIM 금형 수명 향상
기존 : 5000 SHOT
→ 183,000 SHOT
로 향상 되었다고 보고
되어 있음 .
35. ▣. 정리 요약
◈. 금형 구조 강도 강화 . ( 재질 , RIB 두께 , 인부 ( 刃部 ) BACK-UP
등 )
◈. 성형 제품과 금형 형상 밀착도 확보 . ( 성형 제품의 형상 데이터 )
◈. 재질과 소재 두께 형상에 따라 적정 CLEARANCE ( t x 5~7% 정
도 )
◈. 전단 가공 시 제품 유동 방지 . → 충분한 PAD’G 력 확보
( 전단력의 최소 20~40% 압력 )
◈. 충격이나 식입 단락없는 SHARE 각 설정 .
◈. CHIPPING 현상 방지를 위해 인부 ( 刃部 ) 0.2R 정도 .
◈. 인부 ( 刃部 ) 조도 사상 . ( 가능하면 랲핑까지 )
◈. 재질 특성에 맞는 표면처리
◈. 인부 ( 刃部 ) 소재 UP GRADE (SKD11 → 신소재 )
( 탄화물 미세화 , 내면압성 ( 內面压性 ), 내열성 ( 耐熱性 ) )
고장력 강판 사용에 따른 품질 및 금형 내구성 향상 방안 정리