1. 개요

굽힘 금형(BENDING)은 소재가 굽힘 변형을 받게 되면 중립면을 경계로 펀치측에는 압축응력이, 다이측에는 인장응력이 발생하면서 제품이 성형이 되는 금형을 말합니다.

판 두께 방향으로 응력의 방향이 반대가 되므로 두께 내부에는 반드시 응력이 제로가 되는 가상의 면이 존재하게 되는데 이를 중립면이라고 합니다.

2. 특성

(1) 중립면

1) 개요

굽힘 금형(BENDING)은 가공 시 굽힘부의 내측은 압축되는데 변형은 재료의 표면에서 가장 크고 두께의 중심에 가까울수록 작아짐.

따라서 인장이나 압축 변형이 전혀 발생하지 않는 가상의 면을 말함.

2) 특성

판 두께 방향으로 응력 변환이 생기면서 응력이 제로인 가상의 면.

길이 변화가 없는 중립면으로 굽힘 제품의 블랭크 전개 길이 설계 시 기준면으로 활용할 수 있음.

응력이 제로인 중립면 주위에는 탄성 영역이 미소하게 존재하여 스프링 백의 발생 원인이 됨.

굽힘 가공이 심하더라도 재료의 두께 내에서는 탄성과 소성변형이 공존함.

3) 중립면의 이동

(가) 굽힘 강도의 영향

굽혀지는 판 두께에 비해 굽힘 반지름이 클 때 중립면의 이동은 거의 없지만 더욱 가공하게 되면 중립면은 압축 변형을 받는 안쪽으로 점점 이동함.

(나) 판재 재료의 영향

황동이나 연강과 같이 연신율이 큰 재료는 다이와의 마찰 등에 의한 영향을 쉽게 받을 수가 있어서 경질 재료에 비해 중립면이 안쪽으로 이동하는 경향이 큼.

(다) 굽힘 각도의 영향

굽힘 각도가 작으면 플랜지부의 영향에 따라 굽힘 모서리의 변형이 완화되기 때문에 중립면의 이동이 적음.

(라) 가공방법의 영향

U 굽힘일 경우 펀치의 끝에서  좌우대칭으로 판재의 늘어남이 증가하는 경우 중립면은 압축 변형을 받는 안쪽으로 이동함.

(2) 굽힘 재료의 주의사항

1)재료상의 주의

(가) 재질

굽힘 금형(BENDING)은 가공 시 균일한 재료를 사용해야 하며 화학성분, 조직, 기계적 성질이 불균일하면 변형 시 미끄러짐이 발생하거나 스프링 백이 불균일함.

(나) 판 두께

허용 공차가 적은 두께가 균일한 판재를 사용하고 판 두께가 너무 두꺼우면 금형 및 기계에 무리한 힘을 가하게 되며 너무 얇으면 성형이 불충분해짐.

(다) 방향성(이방성)

압연된 소재는 압연 방향으로는 연성이 크고 압연 방향의 직각방향으로는 적어지므로 가능하면 압연 방향으로 굽힘선을 선정해서는 안됨.

판재의 이방성을 피하기 위해 블랭크 배열을 압연 방향과 각도가 지도록 선정할 것.

(라) 절단면 상태

블랭크 소재를 전단 시 파단면을 반드시 굽힘의 내측으로 할 것.

파단면의 표면에 버로 인해 외측으로 하여 굽히면 그 단면에 균열이 발생할 수 있음.

(마) 표면상태

표면에 결함이 없는 재료를 선정해야 하며 재료의 국부적인 흠집이나 결함은 가공 시 균열의 원인이 됨.

2) 형상상의 주의

(가) 제품 형상의 변형

굽힘 금형(BENDING)은 제품 형상에 따라 굽힘면에 응력이 집중하여 균열이 생기거나 잘 굽혀지지 않는 경우가 있으므로 굽힘선의 위치를 변경하거나 노치 등을 설치하여 가공해야 함.

(나) 구멍 있는 판의 굽힘

블랭크에 있는 구멍은 굽힘 가공 시 찌그러질 수 있으며 이를 방지하기 위해 보조 구멍을 별도로 만들거나 굽힘 가공 후 구멍을 나중에 가공해야 함.

(다) 보강 리브

얇은 판의 굽힘 시 외력에 의해 변형되기 쉬우며 정밀도도 떨어지므로 리브를 붙여 보강해야 함.

(3) 굽힘 작업 시 주의사항

1) 금형의 설치

굽힘 금형(BENDING)의 하중 중심을 프레스 기계의 중심에 맞출 것.

상하의 금형은 평행하게 정확히 맞추고 작업 중 어긋나지 않도록 설치할 것.

2) 스토퍼

스토퍼는 작업 중에 밀려서 어긋나지 않도록 하고 가공 재료도 판 두께가 균일한 것을 사용해야 원활한 굽힘 가공이 가능함.

3) 다중 굽힘

같은 판을 여러 군데 굽힘 가공 시 그 굽힘의 순서가 틀리면 금형이나 기계가 판재와 접촉하여 굽힘 가공이 불가능할 수 있기 때문에 가공 순서를 잘 검토해야 함.

(4) 최소 굽힘 반지름

1) 개요

굽힘 가공 시 어떤 값 이하로 굽힘 반지름을 취하면 굽힘의 외측 표면에 균열이 발생하게 되는데 이때의 한계를 최소 굽힘 반지름이라 함.

최소 굽힘 반지름이 작을수록 스프링 백 현상이 적어지므로 제품의 정밀도를 향상시킬 수 있음.

2) 영향인자

최소 굽힘 반지름은

재질이 연할수록,

판 두께가 얇을수록,

L 굽힘보다 U 굽힘일 경우,

재료의 폭이 좁을수록 크기가 작아짐.

3. 굽힘 가공의 종류

(1) V 굽힘

V자형으로 굽히는 것으로 대표적인 굽힘 가공으로 가장 많이 사용하는 방법임.

(2) L 굽힘

피가공재의 한쪽을 클램핑하고 L자형의 제품을 얻을 수 있는 굽힘 가공법임.

(3) U 굽힘

1공정으로 U자형 제품을 성형하는 것으로 펀치 밑에 패드를 설치하여 굽힘 가공을 하기도 함.

4. 굽힘하중

(1) 굽힘하중의 원칙

굽힘하중은 피가공재의 인장강도에 비례함.

굽힘하중은 피가공재의 두께의 제곱에 비례함.

굽힘하중은 피가공재의 폭에 비례함.

굽힘하중은 굽힘 가공이 예리할 때 증가함.

보터밍을 수반할 경우에는 자유 굽힘의 5~10배의 힘이 필요함.

(2) 굽힘하중의 계산

1) V 굽힘하중

(가) 자유 굽힘하중

(나) 보터밍하중(BOTTOMING LOAD)

2)  U 굽힘하중

(가) 자유 굽힘하중

(나) 보터밍하중

3) L 굽힘하중

(가) 하향 굽힘하중

(나) 상향 굽힘하중

5. 굽힘 가공 전개 길이

(1) 전개 길이 계산 기본 원칙

굽힘 제품을 직선부와 곡선부로 분할하여 계산할 것.

곡선부에서의 중립면 길이 계산식은 다음과 같음.

각각 계산한 직선부와 곡선부 길이를 모두 합한 값이 최종 전개 길이임.

(2) 일반적인 전개 길이 계산

(3) 도표에 의한 전개 길이 계산

굽힘 각도가 직각일 경우 위의 표에서 재료의 두께와 내측 반지름을 통해서 x 값을 구하고 굽힘 가공 부위가 다수이면 그 수량만큼 x 값을 더해야 함.

그러고 나서 구한 x 값과 직선부 길이의 총합을 더해서 전개 길이를 구함.

굽힘 각도가 둔각이거나 예각일 경우에는 위의 표에서 x 값에 해당 각도 값을 90으로 나눈 값을 이용해야 함.

(4) 반원 U 굽힘에서의 전개 길이 계산

(5) 컬링에서의 전개 길이 계산

(6) 해밍에서의 전개 길이 계산

1) 외곽치수 기준

2) 중립면 기준

6. 스프링 백

(1) 개요

소성변형에 의해 재료는 굽혀지나 탄성변형도 존재하므로 외력을 제거하면 원래의 상태로 되돌아가려는 성질을 스프링 백이라 함.

외측에 인장응력이, 내측에 압축응력이 작용하는 굽힘 가공에서 더 두드러지며 탄성한도가 높고 경질일수록 그 현상이 심해짐.

(2) 현상

1) 재질의 영향

탄성한도, 인장강도가 높은 것일수록 스프링 백 현상이 크고 연성이 큰 것일수록 가공성이 좋고 스프링 백 현상이 작음.

스프링 백 현상을 줄이기 위해 필요에 따라서는 풀림 열처리를 고려해볼 수 있음.

2) 굽힘 반지름의 영향

판 두께에 대한 굽힘 반지름의 비 R/t가 클수록 스프링 백 현상이 커지는데 같은 판 두께에 대하여 굽힘 반지름이 클수록 스프링 백의 양이 많아지고 굽힘 반지름이 작을수록 적어짐.

3) 다이 어깨폭의 영향

다이 어깨폭이 작아지면 스프링 백의 양이 증가하여 제품의 각도가 불균일해지고 어깨폭이 넓어지면 스프링 백의 양이 감소하나 형상 불량이 발생할 수 있음.

같은 어깨폭에 대해서는 굽힘 반지름이 크면 클수록 스프링 백 현상이 증가되며 대체로 어깨폭/판두께 비가 8 이상이 되면 거의 일정한 값으로 감소함.

4) 패드 압력의 영향

V 굽힘 시에는 대체로 사용하지 않지만 U 굽힘 시에는 패드 압력을 이용하여 스프링 백 현상을 억제해야 함.

(3) 스프링 백의 양

판재의 경도가 높을수록 탄성한도가 높을수록 스프링 백의 양이 커짐.

같은 판재에서 굽힘 반지름이 같을 때에는 두께가 얇을수록 스프링 백의 양이 커짐.

같은 두께의 판재에서는 굽힘 반지름이 클수록 스프링 백의 양이 커짐.

같은 두께의 판재에서는 굽힘 반지름 각도가 작을수록 스프링 백의 양이 커짐.

(4) 스프링 백 방지법

1) V 굽힘의 경우

펀치의 각도를 다이의 각도보다 작게하여 과굽힘을 시행할 것.

굽힘판의 중앙 반지름에 강한 압력을 가하기 위해 다이에도 반지름을 설치할 것.

펀치의 끝에 돌기를 설치하여 보터밍에 의한 압력을 집중시킬 것.

2) U 굽힘의 경우

펀치의 측면에 3°~ 5° 정도의 테이퍼를 설치할 것.

펀치의 바닥면에 돌기를 설치하여 보터밍이 되게 할 것.

다이 어깨부에 라운드나 테이퍼를 설치하여 스프링 고 효과를 줄 것.

펀치의 바닥면을 오목하게 제작하여 굽힘 밑면의 탄성회복에 의해 발생하는 스프링 백 현상을  방지할 것.

굽힘 반지름부에 면압력을 가하는 방법으로 펀치와 다이의 클리어런스를 작게하여 제품 측면에 아이어닝 효과를 줄 것.

다이의 측면을 힌지에 의한 가동식으로 제작하여 과굽힘을 시행할 것.

패드 압력의 조정을 통하여 스프링 백과 스프링 고를 상쇄시킬 것.

이상으로 프레스 금형 중에서 굽힘 금형에 대한 연재를 마치고 다음에는 전단가공의 특징과 프레스 가공의 부적합 사례에 대하여 다룰 예정입니다.