[논문]캐리어 플레이트 성형을 위한 프로그레시브 파인 블랭킹 공정의 설계

김종덕; 강정진; 홍석관; 김병준; 김흥규

doi:10.5228/kspp.2005.14.3.207

문제 정의

본 연구에서는 자동차 자동변속기 내에 사용되는 부품인 캐리어 플레이트(carrier plate)를 대상으로 이러한 프로그레시브 방식의 파인 블랭킹 공정 및 금형을 개발하고자 한다. 이를 위해 파인 블랭킹 공정의 특성을 고려하여 프로그레시브 공정을 위한 전체 스트립 레이아웃 (strip lay out) 을 설정하고 개별 단계에서의 금형 설계 변수들을 결정하였다.
파인 블랭킹 기술은 최대 두께 18mm의 두꺼운 판재를 한번의 공정으로 매끄럽게 전단하는 기술로서 일반적인 프레스 작업에서의 파단면 제거를 비롯한 후가공 공정을 생략할 수 있는 금형 기술이다. 이에 본 연구에서는 자동차 자동변속기에 사용되는 캐리어 플레이트의 요구 위치 공차를 만족하면서 생산 비용 절감이 가능한 프로그레시브 파인 블랭킹 금형을 유한요소 해석과 병행하여 설계하였고 실제 부품 성형 공정에 성공적으로 적용하여 설계의 타당성을 검증하였다.

제안 방법

1 단계에서 2개 0>4 홀과 4 개 010.6 홀 부위의 코이닝 가공을 위한 공간을 확보하기 위하여 우선 홀을 피어싱 가공하고, 2 단계에서 2개 10.6 홀 부위의 코이닝 성형을 한 후 3 단계에서 코이닝한 홀 부위를 재성형하여 완성한 후 4 단계에서 전체 외형의 블랭킹과 내측 형상을 홀(0>88)를 피어싱 한다.
2단계 공정은 카운터 싱크 코이닝 공정으로 Fig.3에 명시된B-B 단면에 대하여 해석을 수행하였다. 코이닝 공정의 공정 후의 형상을 Fig.
3 단계는 카운터 싱크 홀 파인 블랭킹 공정으로 Fig. 3에 명시된C-C 단면에 대하여 해석을 수행하였다. 흘을 성형할 때 카운터 싱크 부위가 변형될 가능성 때문에 재료의 일부에 경계 조건을 부여 하여 해석하였고, 최종 형상을 Fig.
4단계는 카운터 싱크 코이닝 및 홀 성형을 완료한 후 전체 형상을 파인 블랭킹하는 공정으로서 Fig. 3에 명시된D-D 단면에 대하여 해석을 수행하였다. 하형은 내측 피어싱 펀치, 이젝터, 다이 플 레이트로 구성되어 있으며, 상형은 내측 이젝터, 펀치, 비링을 포함한 가이드 플레이트로 구성되어 있다.
이를 위해 파인 블랭킹 공정의 특성을 고려하여 프로그레시브 공정을 위한 전체 스트립 레이아웃 (strip lay out) 을 설정하고 개별 단계에서의 금형 설계 변수들을 결정하였다. 또한 설계된 금형에 의한 성형 공정eDEFORM-2D를 사용한 유한요소해석(finite element analysis)을 통해 검증되었다. 마지막으로 실제 프로그레시브 파인 블랭킹 금형을 가공하고 시험 성형을 수행함으로써 개발된 금형 설계의 타당성을 확인하였다.
열처리한 후 wire cut 가공을 수행하여 금형의 정밀도를 높였다. 마지막으로 와이어컷 가공 후 탄화 층을 제거하기 위하여 폴리싱(polishing)하였다.
열처리한 후 wire cut 가공을 수행하여 금형의 정밀도를 높였다. 마지막으로 와이어컷 가공 후 탄화 층을 제거하기 위하여 폴리싱(polishing)하였다.
본 연구에서는 자동차 자동변속기 내에 사용되는 부품인 캐리어 플레이트(carrier plate)를 대상으로 이러한 프로그레시브 방식의 파인 블랭킹 공정 및 금형을 개발하고자 한다. 이를 위해 파인 블랭킹 공정의 특성을 고려하여 프로그레시브 공정을 위한 전체 스트립 레이아웃 (strip lay out) 을 설정하고 개별 단계에서의 금형 설계 변수들을 결정하였다. 또한 설계된 금형에 의한 성형 공정eDEFORM-2D를 사용한 유한요소해석(finite element analysis)을 통해 검증되었다.
또한, 금형의 수명을 고려하여 다이 치수는 제품의 최소 치수보다 공차의 25% 더 크게 설정하였고, 펀치는 작게 설정하였다. 이와 같이 제시된 클리어런스의 타당성을 평가하기 위하여 전단 시뮬레이션을 통해 절단면의 처짐, 파단면, 버, 다이 롤(die roll) 등의 형상을 예측하였다.
캐리어 플레이트는 형상이 복잡하며 코이닝 (coining) 성형이 동시에 이루어져야 하기 때문에 복합 성형 파인 블랭킹 공정으로 구성된 4 단계 프로그레시브 금형으로 설정하였으며 최대한 재료를 절감하기 위하여 스트립폭 130mm, 피치 117mm로 설정하였다. 1 단계에서 2개 0>4 홀과 4 개 010.

대상 데이터

본 연구에서 프로그레시브 파인 블랭킹 금형으로 개발하고자 하는 부품은 자동차 자동 변속기에 사용되는 캐리어 플레이트로서 Fig. 1과 같은 형상을 갖고 있다. 캐리어 플레이트에 요구되는 정밀도 조건으로 홀(hole) 위치 정밀도는 ±0.
따라서 파인 블랭킹 재료를 검토할 때 고려해야 할 성질은 인장 강도, 탄성한계, 연신율, 경도, 시멘타이트 조직의 확산 등인데, 연성 또는 가단성이 양호하고, 인장 강도와 경도가 낮고, 탄성 한계가 낮고, 연신률과 단면 수축률이 큰 재료이어야 한다. 이와 같은 기준으로 본 연구에서 캐리어 프레이트 성형을 위해 사용된 재료는 SAPH440(JIS 규격)으로서 Table 2와 같은 기계적 특성을 갖고 있다.
캐리어 플레이트의 파인 블랭킹 금형 요소 중주 펀치는 분말 합금 고속도강인 CPM REX M4 를 사용하였고 다이 및 피어싱 펀치는 HSS 인 SKH51 를 사용하였으며 대개의 중요한 부품은 합금 공구강인 SKD11 을 사용하여 강도를 증대시켰 다.

성능/효과

0 피어싱 홀 클리어런스는 (kOlmm로 설정하였다. 또한, 금형의 수명을 고려하여 다이 치수는 제품의 최소 치수보다 공차의 25% 더 크게 설정하였고, 펀치는 작게 설정하였다. 이와 같이 제시된 클리어런스의 타당성을 평가하기 위하여 전단 시뮬레이션을 통해 절단면의 처짐, 파단면, 버, 다이 롤(die roll) 등의 형상을 예측하였다.
또한 설계된 금형에 의한 성형 공정eDEFORM-2D를 사용한 유한요소해석(finite element analysis)을 통해 검증되었다. 마지막으로 실제 프로그레시브 파인 블랭킹 금형을 가공하고 시험 성형을 수행함으로써 개발된 금형 설계의 타당성을 확인하였다.

후속연구

(2) 파인 블랭킹에서의 금형 설계 변수는 높은 수준의 정밀도를 요구하므로 실제 공정에서 이를 구현하기 위해서는 서보 프레스의 적용을 비롯한 프레스 장비 기술 측면에서의 연구도 필요하다.
실제 파인블랭킹 공정 및 금형의 설계는 개별 부품의 재료 및 형상 특성에 따라 결정되어야 한다. 따라서 다른 종류의 부품 성형을 위한 파인 블랭킹 금형 설계를 위해서는 본 연구에서 행하여진 절차에 따른 접근이 이루어져야 할 것이다. 향후 파인블랭킹 금형 기술에서는 다음과 같은 요소 기술에 대한 연구, 개발이 필요하다.

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