박판의 Z-굽힘가공에서 외측 굽힘반지름 치수의 최소화(샤프에지) 가공법에 관한 연구 A Research on the Processing Method to Minimize the Outer Radius(Sharp edge) in Sheet Metal Z-bending Work원문보기
프레스금형(press dies)에 의한 굽힘가공(bending work) 이라는 것은 평평한 블랭크(blank)를 필요로 하는 각도(角度)로 굽히는 것이다. 굽힘가공을 하면 굽혀진부분(flange)과 굽혀지지 않은 부분(web)으로 구분되며, 굽힘라인(bending line) 부분에는 굽혀진 각도(bending angle)와 굽힘반지름(bending radius)이 내측과 외측으로 성형된다. 이때, 내측 굽힘반지름의 크기는 제품의 재질별로 최소치수가 제시 된다. 제시된 최소치수 보다 작게 굽히면 절단면 굽힘부위에 덧살이 발생 하거나 외측 굽힘반지름 부위에는 균열(crack)이 생긴다. 굽힘가공에서의 외측 굽힘반지름은 자연적으로 생긴다. 그래서 외측 굽힘반지름 치수를 굽힘펀치와 다이블록으로 조정하면서 필요한 치수로 굽힐수 없다. 굽힘가공에는 V-굽힘, U-굽힘, Z-굽힘, O-굽힘, P-굽힘, 에지굽힘(edge bending), 트위스트굽힘(twist bending), 크림핑(crimping) 등이 있다.이 중에서 Z-굽힘은 굽힘라인이 2개로써 블랭크의 상면(上面)과 하면(下面)에 설정하여 상향(上向)굽힘이나 하향(下向)굽힘으로 작동되는 금형을 사용한다. Z-굽힘을 크랭크굽힘(crank bending) 이라고도 한다. 이런 구조의 금형으로 Z-굽힘가공을 하면 내측반지름은 표준치수로 굽혀진다. 표준치수라는 것은 굽힘가공에서 굽힐 수 있는 최소 굽힘반지름 치수로서 굽힘펀치의 각(角)반지름(Rp)를 뜻한다. 그런데 산업현장에서는 외측 굽힘반지름 치수를 굽힘펀치와 다이블록으로 굽힐수 없는 미세한 샤프에지(sharp edge) 형상인 매우 작은 치수(R=0.2mm)를 필요로하고 있는 바, 본 논문에서는 외측 굽힘반지름 치수를 0.2mm 이하로 굽힐수 있는 Z-굽힘가공 공법을 개발 하고자 하였다.
프레스금형(press dies)에 의한 굽힘가공(bending work) 이라는 것은 평평한 블랭크(blank)를 필요로 하는 각도(角度)로 굽히는 것이다. 굽힘가공을 하면 굽혀진부분(flange)과 굽혀지지 않은 부분(web)으로 구분되며, 굽힘라인(bending line) 부분에는 굽혀진 각도(bending angle)와 굽힘반지름(bending radius)이 내측과 외측으로 성형된다. 이때, 내측 굽힘반지름의 크기는 제품의 재질별로 최소치수가 제시 된다. 제시된 최소치수 보다 작게 굽히면 절단면 굽힘부위에 덧살이 발생 하거나 외측 굽힘반지름 부위에는 균열(crack)이 생긴다. 굽힘가공에서의 외측 굽힘반지름은 자연적으로 생긴다. 그래서 외측 굽힘반지름 치수를 굽힘펀치와 다이블록으로 조정하면서 필요한 치수로 굽힐수 없다. 굽힘가공에는 V-굽힘, U-굽힘, Z-굽힘, O-굽힘, P-굽힘, 에지굽힘(edge bending), 트위스트굽힘(twist bending), 크림핑(crimping) 등이 있다.이 중에서 Z-굽힘은 굽힘라인이 2개로써 블랭크의 상면(上面)과 하면(下面)에 설정하여 상향(上向)굽힘이나 하향(下向)굽힘으로 작동되는 금형을 사용한다. Z-굽힘을 크랭크굽힘(crank bending) 이라고도 한다. 이런 구조의 금형으로 Z-굽힘가공을 하면 내측반지름은 표준치수로 굽혀진다. 표준치수라는 것은 굽힘가공에서 굽힐 수 있는 최소 굽힘반지름 치수로서 굽힘펀치의 각(角)반지름(Rp)를 뜻한다. 그런데 산업현장에서는 외측 굽힘반지름 치수를 굽힘펀치와 다이블록으로 굽힐수 없는 미세한 샤프에지(sharp edge) 형상인 매우 작은 치수(R=0.2mm)를 필요로하고 있는 바, 본 논문에서는 외측 굽힘반지름 치수를 0.2mm 이하로 굽힐수 있는 Z-굽힘가공 공법을 개발 하고자 하였다.
Bending work using press dies involves bending a flat blank to a desired angle. The bending produces a flange (the bent part) and a web (the unbent part). The bending line will have a bending angle, and there is an inner and outer bending radius. The minimum inner radius size is determined by the ma...
Bending work using press dies involves bending a flat blank to a desired angle. The bending produces a flange (the bent part) and a web (the unbent part). The bending line will have a bending angle, and there is an inner and outer bending radius. The minimum inner radius size is determined by the material used. When the inner radius size is too small, there will be excess metal welding, which will cause a crack in the outer radius part. The outer bending radius size cannot be controlled by a bending punch and die block. Types of bending include V-bending, U-bending, O-bending, edge bending, twist bending, and crimping. Z-bending involves two bending lines, which are set on the upper side and under surface of the blank, respectively, and upward or downward bending is used. Z-bending is also called crank bending. Z-bending using this type of die structure will produce a standard inner bending radius. The standard size is the minimum bending radius that represents the angle radius of the bending punch. In industry, there is a need for a sharp edge shape with a very small size (R=0.2mm), but that is not possible when using bending punch and die block. The purpose of this research is to meet the need by development.
Bending work using press dies involves bending a flat blank to a desired angle. The bending produces a flange (the bent part) and a web (the unbent part). The bending line will have a bending angle, and there is an inner and outer bending radius. The minimum inner radius size is determined by the material used. When the inner radius size is too small, there will be excess metal welding, which will cause a crack in the outer radius part. The outer bending radius size cannot be controlled by a bending punch and die block. Types of bending include V-bending, U-bending, O-bending, edge bending, twist bending, and crimping. Z-bending involves two bending lines, which are set on the upper side and under surface of the blank, respectively, and upward or downward bending is used. Z-bending is also called crank bending. Z-bending using this type of die structure will produce a standard inner bending radius. The standard size is the minimum bending radius that represents the angle radius of the bending punch. In industry, there is a need for a sharp edge shape with a very small size (R=0.2mm), but that is not possible when using bending punch and die block. The purpose of this research is to meet the need by development.
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문제 정의
기구 설계자들이 제품도를 설계할 때 내측반지름을 작게 하려고 한다. 굽힘 후에 발생되는 스프링백(spring back)을 방지하고 평탄도 및 상대부품과의 조립을 용이하게 하기 위해서 이다.
굽힘라인이 2개인 Z-굽힘가공을 1스트로크에서 행할 때 내측 굽힘반지름의 최소치수는 표준값의 범위 내에서 굽힐 수 있으나 외측 굽힘반지름의 최소값으로는 굽힐 수 없다. 따라서, 본 논문에서는 Z-굽힘의 외측 굽힘반지름 치수를 샤프에지로 굽히기 위하여 3벌의 선행금형에 예비굽힘을 도입하여 트라이아웃 한 결과 다음과 같은 결론을 얻게 되었다. 1) 제1공정은, 굽힘라인을 3개 설정하고 예비굽힘각도를 13도로 하여 예비굽힘과 Z-굽힘을 동시에 한다.
가설 설정
도출된 문제점을 요약하면, 1) 내측 굽힘반지름 치수와 외측 굽힘반지름 치수 0.2mm는 일반적인 Z굽힘에서는 굽힐 수 없는 치수이며,2) 굽힘선이 휘어지는 것이고, 3) 평탄도 불량이다.제품도에서 요구하는 내・외측 굽힘반지름 치수는 샤프에지(sharp edge) 형상의 치수이다.
4) 플래트닝가공을 하는 것은, 예비 굽힘라인을 없애어 평탄도를 얻고, 리스트라이킹은 상․ 하면(上․下面)의 외측 굽힘반지름 치수를 1차로 작게 줄이기 위함 이다. 5) 사이징가공을 하는 것은, 상․하면 굽힘라인 부위의 평탄도 교정과 외측의 굽힘반지름 치수를 샤프에 지로 최소화시키기 위함이다. 이를 통해 굽힘가공 된 제품외관에 깔끔하게 정리된 느낌을 주는 샤프한 라인을 구현 할 수가 있어 차별화된 디자인 경쟁력 구현이 가능해졌다.
제안 방법
Z-굽힘가공 공법을 다음과 같이 제시 하였다. 굽힘방향을 상향(上向) Z-굽힘가공으로 하며, 굽힘선을 3개 설정하여 제1공정을 예각(銳角 acute angle)굽힘과 Z-굽힘을 동시에 하고, 제2공정은 예각굽힘 부위의 플래트닝(flattening) 가공과 리스트라이킹(restriking)으로 Z-굽힘을 동시에 하며, 제3공정을 사이징(sizing work)가공으로 공정을 완료 하도록 하였다. 따라서, 선행금형을 A,B, C 3종류로 하고, A금형의 예비 굽힘각도 10도, B금형의 예비 굽힘각도 13도, C금형의 예비 굽힘각도 15도로 선행금형을 제작한 후 T/O(trayout)로 수정보완 하기로 하였다.
더욱 외측의 최소굽힘반지름 치수는 굽힘가공 방법에 따라 다르고 금형으로 조정하기 어렵다. 그래서 제1공정을 예비굽힘과 Z-굽힘을 동시에 하기 위하여 예비굽힘각을 각각 10도, 13도, 15도로 결정하고, 선행금형을 제작하여 트라이아웃 하였다[9, 10]. 따라서, 2개의 굽힘라인을 갖는 Z-굽힘 방법을 배제 시키고, 제1공정에서 굽힘라인을 3개로 하여 예비굽힘과 Z-굽힘을 동시에 하였으며, 제2공정에서 예비굽힘 부위를 프래트닝(fiattening)과 리스트라이킹 가공을 동시에 하는 Z-굽힘을 하였다.
일반적인 Z-굽힘은 굽힘라인이 2개 이지만, 문제점을 해결하기 위하여 굽힘라인을 3개 설정하여 예비굽힘을 하고 Z-굽힘가공으로 공법을 모디파이(modify) 하였다. 그래서, 예비굽힘 각도를 3종류로 설정하여 선행금형을 제작한 후 트라이아웃을 실시하였다. 통상의 예비굽힘각도는 15도, 30도, 45도, 60도를 선택하고 있다.
그래서 제1공정을 예비굽힘과 Z-굽힘을 동시에 하기 위하여 예비굽힘각을 각각 10도, 13도, 15도로 결정하고, 선행금형을 제작하여 트라이아웃 하였다[9, 10]. 따라서, 2개의 굽힘라인을 갖는 Z-굽힘 방법을 배제 시키고, 제1공정에서 굽힘라인을 3개로 하여 예비굽힘과 Z-굽힘을 동시에 하였으며, 제2공정에서 예비굽힘 부위를 프래트닝(fiattening)과 리스트라이킹 가공을 동시에 하는 Z-굽힘을 하였다. 그리고 제3공정에서 사이징(sizing)가공으로 Z-굽힘을 마무리 하였던 것이다.
2mm 이므로 내측은 가능할지 모르나 외측은 어렵다. 따라서, Z-굽힘가공 공법을 제시하고 트라이아웃(tryout)용 선행(先行) 굽힘금형을 제작하여 트라이아웃을 수행 하면서 수정보완하기로 하였다.
굽힘방향을 상향(上向) Z-굽힘가공으로 하며, 굽힘선을 3개 설정하여 제1공정을 예각(銳角 acute angle)굽힘과 Z-굽힘을 동시에 하고, 제2공정은 예각굽힘 부위의 플래트닝(flattening) 가공과 리스트라이킹(restriking)으로 Z-굽힘을 동시에 하며, 제3공정을 사이징(sizing work)가공으로 공정을 완료 하도록 하였다. 따라서, 선행금형을 A,B, C 3종류로 하고, A금형의 예비 굽힘각도 10도, B금형의 예비 굽힘각도 13도, C금형의 예비 굽힘각도 15도로 선행금형을 제작한 후 T/O(trayout)로 수정보완 하기로 하였다.
그리고 제3공정에서 사이징(sizing)가공으로 Z-굽힘을 마무리 하였던 것이다. 예비굽힘 각도 10도, 13도, 15도의 조건으로 Z-굽힘된 제품을 다음과 같이 비교 검토 하였다. 검토 1 : 제1공정의 예비굽힘가공과 Z-굽힘가공의 예비굽힘 각도 10도 및 예비굽힘선 위치 9.
대상 데이터
즉, 샤프에지(sharp edge) 형상의 제품이다. 이 제품은 굽힘라인의 길이가 상변 125㎝, 코너 반지름(Rc=5.0mm)으로 굽혀져 좌우 각각 80㎝인 Z-굽힘을 3개의 변에서 하고, 나머지 하변은 하향 L-벤딩 형상으로 되어 있는 직4각형 이다. 일반적인 Z-굽힘은 굽힘라인이 2개 이지만, 문제점을 해결하기 위하여 굽힘라인을 3개 설정하여 예비굽힘을 하고 Z-굽힘가공으로 공법을 모디파이(modify) 하였다.
트라이아웃용 프레스는 국내산(2015년 제작)으로 공칭압력 800톤의 2포인트 싱글액션 프레스를 사용하였다. 각각 10매씩 스탬핑 하였다.
성능/효과
2mm)를 만든다. 4) 플래트닝가공을 하는 것은, 예비 굽힘라인을 없애어 평탄도를 얻고, 리스트라이킹은 상․ 하면(上․下面)의 외측 굽힘반지름 치수를 1차로 작게 줄이기 위함 이다. 5) 사이징가공을 하는 것은, 상․하면 굽힘라인 부위의 평탄도 교정과 외측의 굽힘반지름 치수를 샤프에 지로 최소화시키기 위함이다.
예비굽힘 각도 10도, 13도, 15도의 조건으로 Z-굽힘된 제품을 다음과 같이 비교 검토 하였다. 검토 1 : 제1공정의 예비굽힘가공과 Z-굽힘가공의 예비굽힘 각도 10도 및 예비굽힘선 위치 9.32의 조건에서는, 하면내측 R=0.6, 하면 외측 R=1.6, 높이 H=4.47이었으며, 예비굽힘 각도 13도 및 예비 굽힘선 위치 9.34 조건에서는, 하면내측 R=0.6, 하면외측R=1.6, 높이 H=4.03이었으며, 예비굽힘 각도 15도 및 예비 굽힘선 위치 9.35 조건에서는, 하면내측 R=0.6, 하면외측 R=1.6, 높이 H=3.75 이었다. 검토 2 :제2공정의 플래트닝가공과 리스트라이킹가공에서는, 예비굽힘 각도 10도일, 때 H=4.
75 이었다. 검토 2 :제2공정의 플래트닝가공과 리스트라이킹가공에서는, 예비굽힘 각도 10도일, 때 H=4.50, 외측 R=0.6 진직도편차=1.1 이며, 예비굽힘 각도 13도일 때, H=4.55, 하면외측 R=0.3, 진직도편차=1.2 이며, 예비굽힘 각도 15도일 때, H=4.55, 하면외측 R=0.3, 진직도편차=1.2로 나타났다. 검토 3 : 제3공정의 사이징가공에서는, 예비굽힘 각도 10도일, 때 H=4.
1로 나타났다. 상기와 같이 트라이아웃 결과에서의 제품들을 검토한 결과, Table 2에서와 같이 13도의 굽힘각도로 예비굽힘한 선행금형 B로 굽힘된 제품이 외측 굽힘반지름(샤프에지) 치수가 제품도에서 요구한 치수와 동일 하였고, 굽힘 높이 H도 일직선으로 가공 되어 도출된 3개의 문제점을 해결할 수 있었다. 검토 4 : 본 논문에서와 같이 금형에 의한 트라이아웃 결과와 문헌[1~6]조사에서 나타난 굽힘가공의 이론과 실무는 적절 하였다.
2). 동일 재료를 같은 굽힘 가공을 할 때 재료가 두꺼워지면 바깥쪽이 많이 인장되어 얇은 재료는 파단되지 않지만 두꺼운 재료는 파단 된다. 이 일은 최소 굽힘 반지름은 두꺼운 판일수록 크다는 것이고 또 이것을 재료별로 보아도 대부분의 재료가 판두께 (t)에 대하는 최소 굽힘 반지름(R)의 비(R/t)는 판두께가 클수록 크게 되는 비례적 경향이 있다.
Z-굽힘의 외측 굽힘 반지름 치수를 샤프에지로 굽히기 위하여 3벌의 선행금형에 예비굽힘을 가하는 공정의 순서는?
따라서, 본 논문에서는 Z-굽힘의 외측 굽힘반지름 치수를 샤프에지로 굽히기 위하여 3벌의 선행금형에 예비굽힘을 도입하여 트라이아웃 한 결과 다음과 같은 결론을 얻게 되었다. 1) 제1공정은, 굽힘라인을 3개 설정하고 예비굽힘각도를 13도로 하여 예비굽힘과 Z-굽힘을 동시에 한다. 2) 제2공정에서는, 예비굽힘 부위에 플래트닝가공과 리스트라이킹으로 Z-굽힘을 동시에 한다. 3) 제3공정에서는, 사이징가공으로 샤프에지(R=0.2mm)를 만든다. 4) 플래트닝가공을 하는 것은, 예비 굽힘라인을 없애어 평탄도를 얻고, 리스트라이킹은 상․ 하면(上․下面)의 외측 굽힘반지름 치수를 1차로 작게 줄이기 위함 이다.
참고문헌 (10)
S-H Kim, Press Die Design Engineering, Daekwang Surim, 2013.
S-H Kim, Press Die Design Data Book, Daekwang Seolim, 2004
T. Oota, press processing and mold technology, Nikkan Kogyo Shimbun, 1990.
H. Yoshida, press bending process, Nikkan Kogyo Shimbun, 2006.
E-J Lee and six others, Mold Technical Engineer's Way, Daekwang Surim, 2012.
K. Lange, Lehrbuch der Umformtechnik, Volume 3 Sheet metal forming, Berlin Springer, 1975.
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K-K Choi, D-C Lee, "Study on the Design of Bracket Strip Layout Using Cimatron Die Design", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 9, no. 5, pp. 1113-1118, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2008.9.5.1113
K-K Choi, K-H Kim, D-C Lee, "Study on the 3D Design of Bracket with Automatic Module", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 10, no. 6, pp. 1164-1169, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2009.10.6.1164
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