프레스 금형 4

제4장 전단금형 – 펀치 및 스트리퍼판 설계

1. 펀치 설계

(1) 개요

펀치는 소재를 가공하는 요소로 제품의 치수 정밀도에 직접적인 영향을 주고 금형의 구조, 형식 등에 따라 구조가 다르지만 전단 하는 날끝부와 정확한 위치에서 펀치 고정판과 직각으로 고정되도록 하는 스터드부, 펀치의 전체 길이를 조정하는 중간부로 구성되어 있습니다.

(2) 펀치 설계 시 고려사항

치우침이나 좌굴이 없을 것.

정확히 위치시키고 적합한 맞춤 핀을 사용할 것.

스크랩 제거는 펀치력의 5~20%를 적용할 것.

열처리를 하고 유지 보수가 쉽도록 분할할 것.

싱킹(SINKING) 현상이나 억압력을 고려할 것.

예리한 각에 의한 응력집중을 방지할 것.

☞ 여기서, 싱킹 현상이란 배킹 플레이트가 없는 금형에서 반복하중으로 인해 펀치가 뒤로 밀려 펀치 고정판이나 펀치 홀더를 움푹 파고 들어가는 현상을 말함.

(3) 펀치의 구조

날끝부에 좌굴이 발생하지 않도록 강성을 크게 하기 위해서 1단보다는 2단 펀치를 사용하는 것이 유리함.

1) 구조

(가) 날끝부

소재를 가공하는 부위.

(나) 중간부

날끝부와 스터드부의 중간에서 양쪽 부분을 연결하고 펀치의 전체 길이을 조정함.

(다) 스터드부

정확한 위치에서 펀치 고정판에 직각으로 고정됨.

2) 날끝부 길이

펀치의 단이 있는 펀치의 날끝부의 좌굴, 스트리퍼판의 운동량에 대한 여유, 재연삭 시 여유 등을 고려하여 선정함.

3) 펀치의 고정

펀치 고정판에 단이 없는 스터드부의 고정은 코킹, 접착제, 나사, 클램프, BALL ROCK, 핀 등을 이용하고 펀치 고정판의 두께는 금형 및 하중의 크기에 따라 다르지만 펀치 길이의 30-~40%, 펀치 생크 지름의 1.5배, 다이 두께의 60~80% 정도로 할 것.

(가) 플랜지 고정 방식

시중 구매품 펀치의 표준 고정 방법으로 펀치의 파손 시 교환이 용이함.

(나) 나사 고정 방식

플랜지 고정 방식의 특징과 정밀도 및 신뢰성이 높고 금형 수명이 짧은 펀치를 사용하는 경우 손쉽게 교환이 가능함.

(다) 접착제 고정 방식

데프콘 접착제를 도포하여 소량생산용 금형의 펀치의 고정 방법으로 적합하며 가격이 저렴함.

(라) BALL ROCK 고정 방식

볼에 의해 고정되는 방법으로 펀치의 교환 빈도가 높은 금형에 사용되나 높은 정밀도를 요하는 금형에는 적합하지 않음.

(4) 펀치 설계

1) 펀치의 직경(d)

여기서, σ = 펀치의 압축강도(kg/㎟), t = 소재의 두께(mm), P = 전단력(kg), ι = 전단길이(mm), τ = 소재의 전단강도(kg/㎟ ), k = 형상계수(원형 = 1).

2) 펀치의 길이(l)

펀치의 길이가 너무 길면 강성이 감소되어 가공 중에 압축응력에 의해 파손이나 좌굴이 발생할 수 있고, 너무 짧으면 재연삭 후 펀치의 길이가 지나치게 짧아져서 전단 시 펀치가 다이에 침입하지 못해 가공을 수행할 수 없음.

(가) 경험식

펀치의 길이 = 펀치 고정판 두께 + 스트리퍼판 두께 +  펀치가 다이 속으로 침입하는 깊이 + 여유 길이 (단, 침입 깊이는 소재 두께의 2배 전후, 여유 길이는 10~30mm)

(나) 오일러 좌굴식

ㄱ) 펀치의 전단력(P)

ㄴ) 펀치의 단면 2차 모멘트(I)

ㄷ) 펀치의 길이(ι)

여기서, E = 펀치의 탄성계수(22,000kgf/㎟), n = 펀치계수.

3) 펀치의 강도 보강

(가) 직경의 보강

펀치의 강도를 보강하기 위해 날끝부의 유효길이를 제외한 중간부의 직경을 증가시켜 보강한 것.

(나) 슬리브로 보강

직경이 작은 펀치를 슬리브에 의해 끼워맞추어 강도를 보강한 것.

(다) 날끝부를 안내하여 보강

스트리퍼판에 열처리한 부시를 끼워맞추어 가공 시 부시가 펀치를 안내하도록 한 것으로 스트리퍼판이 펀치의 안내를 겸용하면 펀치의 길이를 41% 정도 늘릴 수 있음.

4) 펀치의 회전방지

(가) 나사로 고정

펀치 고정판이 없을 때 펀치의 스터드부를 나사로 고정하여 회전을 방지함.

금형 파손이 발생하여 수리 후 위치결정이 용이하지 않음.

(나) 키로 고정

펀치 스터디부의 플랜지 일부와 펀치 고정판의 일부에 키 홈을 파고 키를 삽입하여 회전을 방지함.

(다) 핀으로 고정

펀치의 머리 플랜지에 핀 구멍을 뚫어 고정하여 회전을 방지하는 방법으로 펀치의 머리와 펀치 고정판 사이를 핀으로 고정함.

2. 배킹 플레이트(BACKING PLATE) 설계

(1) 개요

가공 중에 펀치에 하중이 발생하면 펀치의 머리부에 압력이 전달되어 펀치 홀더와 펀치의 파손이 유발되는 것을 방지하기 위해 설치합니다.

(2) 배킹 플레이트 두께

1) 펀치 머리부에 작용하는 압축응력에 의한 배킹 플레이트 설치 여부

펀치의 머리부에 작용하는 압축응력(P)을 계산하여 압축응력이 4kgf/㎟ 이상일 경우 배킹 플레이트를 설치해야 함.

여기서, F = 펀치의 하중(kgf) ,  A = 펀치 머리부의 표면적(㎟).

2) 배킹 플레이트 길이에 따른 두께 결정

단위:mm

3. 펀치 고정판 설계

(1) 개요

각종 펀치를 다이 구멍에 수직으로 침입할 수 있도록 펀치를 고정해 주는 부품입니다.

(2) 설계 시 고려사항

펀치 고정판의 두께는 금형의 크기 및 작용 하중에 영향을 받지만 일반적으로 펀치 길이의 30~40% 정도로 할 것.

펀치 가이드부는 펀치의 직경(d)에 1.5배 이상으로 할 것.

펀치의 직경과 펀치 고정판의 끼워맞춤공차는 H7m5로 하고 정밀도가 높을 경우에는 H6m5로 할 것.

다이 두께의 60~80% 정도로 할 것.

(3) 펀치 고정판의 두께

단위:mm

4. 스트리퍼판 설계

(1) 개요

프레스 가공 시 피가공재의 고정 및 위치 결정과 펀치로부터 스크랩 제거와 펀치를 안내하고  보호하는 부품이며 드로잉 가공 시에는 블랭크 홀더 역활을 하여 주름이 발생하는 것을 방지하기도 합니다.

스트리퍼판의 종류에는 고정식과 가동식이 있습니다.

(2) 종류 및 특징

1) 고정식 스트리퍼판(SOLID STRIPPER PLATE)

(가) 사용 목적

두꺼운 소재 및 정밀하지 않은 부품을 가공할 때 사용됨.

(나) 특징

설계 및 제작이 용이하며 제작 비용이 적게 듦.

고속 프레스 가공에 유리함.

스트리핑 하중이 큰 경우에 사용함.

2)가동식 스트리퍼판(SPRING STRIPPER PLATE)

(가) 사용 목적

평탄하고 정밀한 부품 및 박판 소재를 가공할 때 사용됨.

(나) 특징

스트립을 평탄하게 하기 위해 가압.

박판 소재를 변형 없이 정밀하게 가공함.

펀치 및 파일럿 핀을 스트리퍼판에서 안내해 주는 기능을 함.

버 발생이 적음.

(3) 스트리퍼판 설계

1) 고려사항

스트리퍼판 압력은 전단력의 5~20%를 적용할 것.

전단력에 변형이 생기지 않도록 강도와 내마멸성이 충분할 것.

스프링 압력이 균일하게 작용되도록 배치할 것.

정밀도가 높은 제품 가공이나 고속 블랭킹, 피어싱 가공 시에는 부시를 사용하여 서브 가이드 포스트를 안내할 것.

2) 스트리퍼판의 크기

(가) 소재 안내홈 길이(h)

h = 0.7 + 1.5t

(나) 스트리퍼판의 두께

가동식 스트리퍼판의 두께는 다이 두께의 60~80% 정도로 할 것.

소재의 두께에 따른 스트리퍼판의 두께

3) 고정식 문형 스트리퍼판의 홈

(가) 홈형

소재 홈의 폭 치수가 50mm 이하의 작은 폭일 경우 터널 홈 형상으로 가공함.

(나) 평판형

소재의 폭이 크고 생산량이 많을 경우 공구강을 담금질을 한 후 연삭하여 소재와의 마찰로 인한 마모를 감소시킴.

(다) 오프셋형

소재의 폭이 크고 두께가 얇은 경우에 사용하며 터널 폭의 조절과 가이드 플레이트를 교환할 때 사용함.

이상으로 펀치와 그와 관련된 부품 그리고 스트리퍼판의 설계를 마치고 다음에는 체결기구와 같은 부속 부품에 대한 설계를 연재할 예정입니다.