기계공작법

3 편 소 성 가 공

[2] 전단가공(剪斷加工)(교과서 p.254)

[2-1] die와 punch

press 가공에서 보통 하형(下型)을 die, 상형(上型)을 punch라 하나, 때로는 상형이 die이고 하형이 punch인 경우도 있다. die와 punch의 형상 및 재질의 선택은 가공조건에 적합하도록 하여야 하며, press에 사용되는 die는 용도에 따라

전단용(타발 용, 타공용 등)

성형용(굽힘용, drawing 용, stamping 용 등)

이 있으나, 여기에서는 전단용 die만을 취급하며 전단용 die를 작동방법에 따라 분류하면 다음과 같다.

(1)단식 die(單式 die; single operation die):

그림과 같이 1회의 전단만으로 blank를 얻는 die로서 가장 간단하고 흔히 사용된다.

단식 die

(2) 복식 die(複式 die; compound die):

그림과 같이 동일 가공재에 대하여 press의 단일 행정으로서 타발(blanking) 및 타공(punching)을 동시에 하는 die이다.
본예에서는 상부 (hole)punch와 하부 die에 의하여 타공을 하고, 타공시의 die가 하부 punch로 되어 상부 die와 함께 타발을 한다.

복식 die

(3) 다단 die(多段 die; follow die):

소재가 각 행정에서 다음 station으로 이동됨에 따라 가공이 완성되어 가는 die로서, 본예에서는 처음 station에서 원형타공되고 strip이 좌측으로 이동되어 다음 station에서 pilot이 구멍에 들어간 후 타발 punch가 하강하여 타발하고 blank를 얻는다.

다단 die

(4) 다열 die(多列 die; multiple die):: press의 1회 행정에서 2개 이상의 가공물을 얻는 die로서, 이들이 서로 관련된 것일 수도 있고, 관련이 없을 수도 있으며, 때로는 동일가공이 이뤄질 수도 있다. 이때 punch 높이에 차이를 두어 충격과 소음을 적게 한다.

[2-2] 전단기구

그림과 같이 punch가 die 위의 소재를 가압하면 소재는 먼저 탄성변형을 거쳐 소성변형을 하고, 전단 과정을 거쳐 파단된다. 즉 소재 표면은 인장응력을 받으며, 그 응력은 punch와 die의 edge 부근에 집중되고, 가공이 진행됨에 따라 소재의 탄성한계를 넘어 소성변형에 들어가 소재를 압축한다.
가공이 더욱 진행되어 edge의 압축응력이 소재의 전단저항보다 크게 되면 그림 (b)와 같이 전단이 시작되고 마침내 그림 (c)와 같이 punch edge와 die edge의 전방에서 crack이 발생하여 그것이 서로 이어지면 파단되는 것이다. 이 때 그림 (d)와 같이 세로 및 가로 방향의 집중응력에 의한 굽힘 moment가 소재를 punch와 die의 측면에 밀착시킴으로써 전단면을 광택있는 깨끗한 면으로 하는 소위 ☞ burnishing 작용이 이루어진다.

전단 과정 및 edge의 작용력
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cold blanking(blanking은 소송변형에 속하는 일종의 전단가공이다.

아래 그림 (a)는 punch와 die의 각부 명칭을 보여주며, punch와 die 사이에 어느 정도의 간극이 필요하다. 간극이 너무 크면 소재가 굽힘을 받고, 너무 적으면 전단에 필요한 punch 력이 급증한다. 이 간극은 가공물의 재질 및 punch와 die의 상태에 따라 다르고, 그림 (b)는 어느 조건에서 소재 두께에 대한 punch와 die의 적정한 간극의 예이다.

punch와 die의 각부 명칭

punch와 die의 간극

아래 표는 각 재료에 대한 전단강도의 예이고, 윗식에서 k 값은 가공조건에 따라 다르며, edge가 마모된 상태에서는 15% 정도 증가한다.

[2-3] 전단가공방식

(1) 타발과 타공(打拔과 打孔; blanking and punching):

blanking과 punching은 소재에 전단응력을 발생시켜 소정의 형상 및 치수로 절단하는 가공으로서, blanking은 폐곡윤곽(閉曲輪廓)을 뽑아내는 가공이며, 이때 절단된 폐곡윤곽제품을 blank라 하고 남은 부분이 scrap이다. punch와 die 사이에 여유 간극이 있어야 하며, punch에 scrap이 끼워져 올라오지 않도록 stripper가 설치되어 있어야 한다. blanking에서는 그림 (a)에서와 같이 die를 소정 치수로 하고, shear도 die에 두어야 한다. punching은 blanking과 달리 구멍 뚫인 판이 제품이 되는 가공이며, punch를 소정 치수로 하고, shear를 punch에 둔다.

blanking과 punching
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(2) 재단(裁斷; shearing):

press 가공용 소재를 직선으로 자르거나 press 가공에 속하지는 않으나 원형전단기(circle shearing machine) 또는 ☞ nibbling machine을 사용하여 원형(圓形)이나 이형(異形)의 소재를 잘라내는 것을 재단이라 하며, 대개 punch에 shear를 둔다. 이는 절단 분리되는 부분(scrap)이 shear 각에 의하여 bending 되기 때문이다.

재단

(3) notching 또는 slotting:

재단(裁斷)은 한쪽 끝에서 다른 끝까지 완전히 분리 절단되나 notching에서는 한쪽 끝에서 시작하여 같은 쪽으로 개방(開放)되는 윤곽절단이다.

notching, slotting

(4) shaving:

전단면 또는 drawing 제품의 측면을 punch와 die의 간극을 작게 하여 깍아냄으로써 미려하고 정확한 치수가 되게 하는 가공이며, 2차 가공에 속한다.

shaving

(5) trimming:

punch와 die로써 ☞ drawing 제품의 flange를 소요 형상과 치수로 잘라내는 가공으로서, 2차 가공이다.

trimming

(6) 분단(分斷; parting):

제품을 분리하는 가공으로서, 전단에 의한 것과 chip을 발생하는 절삭에 의한 것이 있다. 제품에 bending이 생기므로 punch와 die에 shear를 둘 수 없고, 변형과 튀어오름을 방지하기 위하여 강력한 holder를 설치하여야 하며, 분단은 2차 가공에 속한다.

분단

(7) broaching:

☞ broaching은 절삭가공에 속하나 보통 press를 사용하며 판재를 겹쳐 놓고 구멍의 확대가공 등에 사용된다.

broaching broaching의 정의

(8) bridge:

소재의 이용률을 높이기 위해서는 blank의 외측 간격이나 blank 간의 간격을 작게 하는 것이 좋다. 그러나 간격이 너무 작으면 가공할 때 소재가 punch와 die 사이에 끌려 들어가게 되어 하중이 급증하고 불량품이 되는 수가 있으므로 최소한의 여유는 두어야 한다. 이때의 여유를 bridge라 한다.

press 가공에 속하지는 않으나 plate를 전단하는 다른 방법을 참고하기 바란다.