프레스 금형 7

제7장 드로잉 금형

1. 개요

드로잉 금형(DRAWING DIE)이란 1개의 블랭크로 소재의 변형과 이동에 의해 평판으로 바닥이 있고 이음매가 없는 용기 모양의 제품을 만드는 것을 말하며 제작된 제품의 모양은 원통, 각통, 이형으로 구분됩니다.

드로잉 가공은 플랜지부의 재료를 펀치에 의해 측벽부로 이동시키는 것을 주목적으로 하는 성형 가공법입니다.

2. 드로잉 가공 성형 과정

① 드로잉 다이 위에 블랭크를 올려놓음.

② 블랭크 홀더로 블랭크를 누름.

③ 펀치가 하강하여 블랭크를 다이 속으로 밀어 넣으면 소재 중심부는 천천히 드로잉 되고 소재 외주부는 다이 측면을 미끄러지면서 다이 속으로 유입됨.

④ 블랭크 외경이 줄어들면서 다이 윗면에 놓여 있는 플랜지는 원주 방향으로 압축됨과 동시에 펀치의 반지름 방향으로 인장을 받으며 다이 속으로 유입되고 블랭크 용기의 측벽부는 상하로 인장 되며 드로잉이 계속 진행됨.

⑤ 블랭크는 복합적인 힘을 받아 변형되면서 다이 속으로 깊이 유입되어 최종적으로 용기가 완성됨.

3. 드로잉 응력과 변형

(1) 플랜지부의 변형

드로잉 금형(DRAWING DIE)의 플랜지부는 펀치의 반지름 방향으로 작용하는 인장력에 의해 다이 속으로 유입되는 재료를 원주 방향으로 압축함.

원주 방향으로 작용하는 압축력에 의해 플랜지에 주름이 발생할 수 있기 때문에 블랭크 홀더의 압축력으로 주름의 발생을 억제하지만 동시에 재료가 다이 속으로 유입되는 것을 방해하는 마찰력으로도 작용함.

(2) 다이 코너(곡률) 반지름부의 변형

다이 코너 반지름부에서 재료는 반지름 방향의 인장응력 하에 원주 방향의 수축 변형과 반지름 방향의 굽힘 변형을 받아서 판 두께를 감소시키면서 측벽부를 형성함.

재료는 다이 코너 반지름부에서 강한 면압을 받아 발생한 마찰에 의해 유입된 저항이 인장력으로 작용하여 재료가 얇아지는데 이는 인장력의 크기와 측벽부의 재료에서 일어나는 가공경화의 정도에 의해 결정됨.

이때 측벽부의 클리어런스가 크면 펀치의 가압이 진행될수록 원주 방향으로 수축하고, 클리어런스가 작으면 원주 방향의 변형이 펀치에 의해 저지되어 드로잉 방향과 판 두께 방향만 평면으로 변형됨.

(3) 펀치 코너(곡률) 반지름부의 변형

펀치 코너 반지름부에서 재료는 측벽부에 작용하는 드로잉 방향의 인장응력에 의해 펀치 코너 반지름부를 누르면서 아래쪽 부분에서 측벽부로 이동하고 인장 변형에 의해 굽힘 변형을 받아 판 두께가 감소함.

펀치 바닥부에서는 반지름 방향에서 벽으로 전달된 인장력에 의해 재료를 외주 방향으로 이동시키기 때문에 원주 방향에도 인장력이 작용함.

용기의 바닥부가 평평할 경우에는 작용하는 응력이 적어서 두께의 변화가 거의 없음.

펀치 코너 반지름부와 측벽부 사이의 경계 부근에 끼워있는 재료는 블랭크가 펀치로 눌러지지 않기 때문에 플랜지부와 같이 마찰에 의해 재료 이동을 억제할 수 없고 굽힘 변형과  드로잉 방향의 인장 변형을 직접 받아 두께의 감소가 가장 큼.

재료의 유동이 이루어지려면 플랜지부와 다이 어깨부의 변형 저항을 이기는 힘이 작용할 때 가능하고 드로잉 성형의 가능 여부는 판 두께가 가장 얇아지는 펀치 코너 반지름부 부근에서 발생하는 변형을 억제하는 힘이 발생할 때임.

(4) 측벽부의 변형

플랜지 코너부의 재료는 원주 방향으로 수축 변형을 받아 측벽부를 형성하는데 플랜지 드로잉 저항과 마찰 저항의 합력이 축 방향의 인장력으로 작용하기 때문임.

측벽부의 재료는 평행 이동을 하면서 측벽부를 형성하므로 측벽부의 재료가 코너부의 재료보다 빨리 다이 속으로 유입되어 플랜지의 코너부와 측벽부의 경계 부근에서 측벽부의 재료가 코너부의 재료를 다이 속으로 끌어당겨 변형이 일어나면 전단응력이 발생함.

용기의 위치에 따라 압축, 인장, 굽힘 등이 작용하여 두께가 불균일하게 분포되므로 두께를 일정하게, 외경 치수를 균일하게 하기 위해서는 아이어닝 가공을 시행해야 함.

4. 드로잉력

(1) 한계 드로잉력(Pmax)

Pmax ≤ π•dp•t0•σB

dp = 펀치의 직경(㎜)

to = 소재의 판두께(㎜)

σB = 소재의 인장강도(N/㎟)

드로잉 가공의 모든 공정에서 펀치와 다이 사이에 발생하는 가공력은 측벽부에 발생하는 인장강도 이하이어야만 성형이 가능함.

(2) 블랭크 홀더의 압력(H)

드로잉 가공 시 용기에 발생하는 주름은 소재 판에 블랭크 홀더 압력을 가하여 억제시킬 수 있으나 블랭크 홀더 압력이 필요 이상으로 커지면 블랭크 홀더와 다이 면상에 발생하는 마찰력이 커져서 파단이 발생할 수 있음.

주름 억제에 필요한 최저 블랭크 홀더 압력은

드로잉비가 클수록,

소재 직경에 대한 판 두께가 얇을수록,

재료의 변형 저항이 클수록,

플랜지부의 윤활 조건이 좋을수록 커져야 함.

다음은 단위면적당 최소 블랭크 홀더 압력을 구하는 공식임.

일반적으로 블랭크 홀더의 압력은 드로잉력의 20~50% 정도를 가하면 됨.

따라서 용기에 주름이 발생하지 않는 범위 내에서 최소 블랭크 홀딩력(Hp)을 산출해야 함.

Hp = H × S(kgf)

H = 단위면적당 최소 블랭크 홀더 압력(kg/㎟)

S = 블랭크 홀더의 접촉된 블랭크의 최소 면적(㎟)

5. 재드로잉

(1) 개요

드로잉 가공 시 펀치의 직경에 의해 깊은 용기를 한 번에 얻기 어렵기 때문에 공정을 몇 개로 나누어 드로잉을 하면 더 깊은 용기를 성형할 수 있는데 두 공정 이후의 가공을 재드로잉이라 함.

재드로잉 가공은 공정수가 증가함에 따라 한 공정당 플랜지부의 수축 변형량을 감소시키면서 펀치력이 측벽부의 내력을 상회하지 않는 범위 내에서 파단을 억제시켜 성형을 가능하게 하는 방법임.

(2) 필요성

드로잉 용기의 깊이가 지름의 70%를 넘을 때.

돔형이나 원뿔형의 드로잉 성형으로 주름 발생이 예상될 때.

소재의 지름에 비해 두께가 너무 얇을 때.

(3) 종류

1) 직접 재드로잉

1차 드로잉 가공 방향과 재드로잉 가공 방향이 일치하며 1차 성형 용기의 위치결정면은 블랭크 홀더의 외경이 됨.

2) 역 재드로잉

1차 드로잉 가공과 재드로잉 가공 방향이 반대이며 제품의 내측과 외측이 바뀜.

성형 하중의 감소로 드로잉성의 향상을 기대할 수 있지만 다이의 강도가 약해질 수 있음.

위치결정면은 다이의 외경이고 소재를 회전시키는 장치가 없으면 연속 작업을 시행하기 어려움.

6. 드로잉률과 드로잉비

(1) 개요

드로잉률과 드로잉비는 드로잉 가공의 난이도를 표시할 때 사용함.

드로잉률이 작으면 제품의 직경에 비해 높이가 큰 제품이 성형되므로 어느 한계를 넘어가게 되면 파단이 발생되어 가공이 불가능해짐.

판단이 발생되지 않고 가공할 수 있는 최소 드로잉률을 한계 드로잉률이라 하고 한계 드로잉률이 작을수록 드로잉 가공이 용이하다는 의미이며 드로잉비는 드로잉률의 역수임.

(2) 드로잉률의 영향

드로잉 하는 소재의 판 두께가 얇아질수록 특히 0.5mm 이하인 경우에는 블랭크 홀더의 압력이 증가하여 가공이 어려움.

드로잉 지름이 커질수록, 다이의 코너 반지름이 작아질수록 드로잉의 한계가 저하됨.

재드로잉을 할 때 지름의 감소율은 균일하지 않고 점점 감소율이 줄어둠.

재드로잉비는 1.2~1.4 정도에서 이루어지며 중간 어닐링을 하면 재드로잉 한계를 크게 할 수 있음.

7. 드로잉 금형의 주요 구성부와 특징

(1) 블랭크 홀더

1) 역활

드로잉 가공 중 용기의 측벽에서 발생하는 주름을 억제하고 단면 감소를 증가시킴.

2) 종류

(가) 고정형 평판 블랭크 홀더

가장 간단한 형식으로 플랜지가 없는 원통형 용기를 드로잉 가공할 때 사용함.

다이 표면과 블랭크 홀더 사이에 클리어런스를 유지하는 것이 중요한데 보통 용기 두께의 50~70% 정도를 줌.

(나) 고정형 테이퍼 블랭크 홀더

다이와 접촉부에 테이퍼가 있는 형식으로서 가공을 시작할 때 블랭크의 끝부분을 단단하게 고정할 수 있음.

(다) 압력 조정형 평판 블랭크 홀더

블랭크를 누르는 압력을 유압 또는 공압에 의해 정밀하게 제어할 수 있으며 원통형이나 플랜지가 있는 원통형 용기를 성형할 때 주로 사용함.

(2) 스트리퍼

1) 역활

드로잉 가공으로 펀치 또는 다이에 밀착되어 있는 용기를 배출할 수 있도록 하는 장치.

직경이 ø100mm 이하인 작은 원통형 용기는 압축 공기의 분출로 배출할 수 있으나 이보다 큰 용기는 기계적인 방법을 이용함.

2) 종류

드로잉 링 스트리퍼.

스프링 작용 스트리퍼.

(3) 비드

1) 역활

드로잉의 마찰저항을 부분적을 증가시키고 용기 전체의 미끄럼저항의 균형을 이루어 드로잉률을 향상시킴.

비드의 폭은 블랭크 두께의 10~15배 이하로 하고 높이는 폭의 1/2~1/3  이하로 할 것.

2) 종류

둥근 비드.

각 비드.

스텝 비드.

(4) 에어 벤트

딥 드로잉 가공의 경우 펀치와 용기가 분리될 때 용기 바닥면과 펀치 끝면 사이에는 진공이 형성되어 분리하기가 어렵고 심한 경우 용기가 변형될 수 있어서 이를 방지하기 위해 펀치 중심에 ø5 ~ ø8mm 정도의 구멍을 뚫어서 공기를 배출시킴.

8. 드로잉의 영향을 주는 인자

(1) 다이의 곡률 반지름(Rd)

1) 영향 요인

다이의 곡률 반지름이 클수록 드로잉 한계는 커지지만 주름이 발생하기 쉬움.

다이의 곡률 반지름이 작으면 블랭크는 급격한 굽힘과 수축을 동시에 받게 되어 블랭크 홀더력이 증가하는데 이때 용기는 파단됨.

2) 다이의 곡률 반지름 적정치

(4~ 6)•t ≤ Rd ≤ (10 ~ 20)•t

(2) 펀치의 곡률 반지름(Rp)

1) 영향 요인

펀치의 곡률 반지름이 크면 드로잉 성형은 잘 되지만 어느 이상이 되면 주름이 발생하기 쉬움.

펀치의 곡률 반지름이 작으면 극단적인 굽힘이 되어 용기 모서리 부분에 응력이 집중되어 파단이 발생하기 쉬움.

2) 펀치의 곡률 반지름 적정치

(4~ 6)•t ≤ Rp ≤ (10 ~ 20)•t

(3) 클리어런스

1) 영향 요인

클리어런스가 블랭크 두께보다 작거나 약간 큰 경우에는 아이어닝이 되어 드로잉 가공에 필요한 힘이 급격히 증가하나 펀치와 소재 간에 파단을 저지하는 마찰력이 증가되는 효과도 있음.

클리어런스가 너무 크면 블랭크가 펀치에 충분히 접촉되지 않아 주름 및 귀가 발생하는 원인이 됨.

2) 클리어런스 적정치

(가) 용기 형상이 원통형이고 일정한 두께로 아이어닝할 경우

C = (1.1 ~ 1.2)•t

(나) 아이어닝을 하지 않을 경우

C = (1.4 ~ 2.0)•t

(4) 윤활

드로잉 가공 중 다이와 재료 사이에 강력한 접촉압력으로 인해 생산성의 저하 및 다이의 수명 저하, 성형 불량 등에 원인이 되는 열이 발생하는데 극압제가 첨가된 윤활유를 다이에 도포하여 냉각시키면 이를 방지할 수 있음.

소재가 연강이거나 소형 제품을 성형할 경우에는 드로잉 속도가 빠르기 때문에 점도가 낮은 윤활유를 사용해야 함.

윤활성이 너무 좋으면 반지름 방향의 장력이 감소되어 주름이 발생할 수 있기 때문에 펀치의 반지름 부분은 다이의 곡률 반지름에 비해 상대적으로 윤활을 나쁘게 하여 마찰력을 증대시킴으로써 재료의 이동을 저지시켜야 함.

9. 이형대물 성형 금형

(1) 개요

드로잉 변형과 장출 변형이 공존하는 불규칙한 형상을 성형하는 복합 성형을 시행하는 금형으로써 자동차의 차체를 성형할 때 주로 사용함.

(2) 특징

1) 비드 설치

외주부의 변형 저항이 동일하지 않기 때문에 균등한 블랭크 홀더력만으로는 부분적으로 발생하는 주름을 방지할 수 없기 때문에 비드를 설치해야 함.

2) 단드로잉법 이용

비드를 처음부터 사용하여 과중한 장력을 공급하면 부분적으로 집중응력이 발생하여 소재가 파단될 수 있으므로 성형이 완료되기 직전에 부가 장력을 이용하는 단드로잉을 시행하여 성형함.

3) 스프링백 억제

전체적으로 얇은 드로잉 가공의 경우에는 소성변형이 충분하지 않아서 스프링 백이 발생하기 쉬우므로 이를 제거할 방법을 제시해야 함.

4) 대칭형으로 드로잉 가공 시행

대칭형으로 좌우 나란히 드로잉 가공을 시행하면 드로잉력의 균형이 보장되기 때문에 재료의 신장을 균일하게 가져갈  수 있음.

(3) 금형 구조

1) 단동식 드로잉 금형

작업이 능률적이고 평면적인 구조에 제약이 적음.

금형 제작비가 저렴함.

여러 개의 쿠션 핀으로 지지되어 있는 구조로 불안정하고 파손의 우려가 있음.

2) 복동식 드로잉 금형

펀치의 작동과 블랭크 홀더의 작동이 다른 구동에 의해 이루어지는 금형.

블랭크 홀더력은 펀치의 하강력에 영향을 주지 않고 임의의 조절이 가능함.

10. 아이어닝

드로잉 된 용기는 드로잉 가공 특성으로 인해 두께가 일정하지 않기 때문에 이를 일정하게 하기 위해서는 클리어런스를 작게하여 측벽을 훑어 주는 공정이 필요한데 이를 아이어닝이라고 함.

아이어닝 가공을 시행함으로써 측벽 두께가 얇고 균일하게 되며 제품 높이가 높게 성형됨.

1회에 아이어닝 할 수 있는 두께 감소율은 다음과 같음.

이상으로 프레스 금형 중에서 드로잉금형에 대한 연재를 마치고 다음에는 굽힘금형에 대해서 다룰 예정입니다.