판재 성형 기술

[금형박사]

3.1.1 굽힘 가공의 종류

굽힘 가공은 일반적인 가공형식에서 그림 3.1.2에 나타내듯이 분류된다.  그림 3.1.2(a)의 프레스 굽힘(press bending)은 펀치와 다이를 보통 프레스 또는 프레스 브레이크라 부르는 전용기를 사용하여 굽힘을 하는 방법으로, 위아래 서로 대응하는 금형을 이용하여 형굽힘(die bending)이라 부른다.  그림 3.1.3에 대표적인 형굽힘을 나타내며 그 과정을 그림 3.1.4에 나타낸다.

그림 3.1.2(b)의 접기(folding, wiper forming)은 형에 따라 이동하는 공구를 준비해서 꺽는 기계를 이용하여 굽히는 방식으로 꺽어 굽힘이라고도 부르고 파이프 형재등의 굽힘에 많이 이용된다.  그림 3.1.2(c)의 이송굽힘은 회전하는 롤에 재료를 보내는 연속적인 굽힘 가공을 행하는 방식으로, 3-4개의 롤을 이용하여 이송하는 방향으로 굽혀원통상의 제품을 만드는 롤굽힘(roll bending) 이송방향으로 나란히 여러조의 성형롤로 대판은 통합에 의해 순차적으로 폭방향으로 굽혀 긴 길이의 파이프재 및 형재등을 제조하는 롤성형(roll forming)이 있다. 또 굽힘선이 직선인가 곡선인가에
	그림 3.1.2 굽힘가공의 분류

따라굽혀진 부분   (플랜지부)의 변형이 다르고 그림 3.1.5와 같이 분류된다.  굽힘선이 직선인 경우에는 재료는 단순한 굽힘 변형만이 된다.  그러나 곡선인 경우에는 굽힘변형외에, 플랜지부는 굽힘변형의  굽힘선 방향으로 인장 또는 압축변형을 받는다.  인장변형을 받는 것을 연신 플랜지 성형(stretch-flanging) 압축 변형을 받는 것을 수축 플랜지 성형(shrink flanging)이라 부른다.  연신 플랜지 성형은 재료의 연신 한계에서 일어나는 플랜지 끝에서의 파단, 수축 플랜지 성형은 좌굴에 의한 주름이 성형한계에 영향을 미친다.  여기서는 굽힘선이 직선이어서 기본적인 굽힘에 대해 취급하고, 곡선에 따라 굽히는 플랜지 성형에 대해서는 2장에 취급한다.

그림 3.1.3 형 굽힘의 기본 양식
 

그림 3.1.4  각 형식의 굽힘의 성형 과정
 

그림 3.1.5 굽힘선의 다름에 의한 굽힘가공의 분류

3.1.2.판의 굽힘변형

3.1.2.1 응력과 변형률의 상태
 

판에 단순한 굽힘 변형을 주면, 그림 3.1.6에 나타내듯이 외장측면의 재료는 굽힘선에 직각방향으로 연신되고(늘어나고) 내표면측은 수축된다.  그래서 판 두께의 거의 중앙부근에 연신, 수축이 일어나지 않는 중립면(neutral plane)이 존재한다.  중립면의 곡율반경을  rho  로 하면 이면에서 y 만큼 떨어진 곡율 반경 r의 면에 일어나는 원주방향의 변형률은               (3.1.1) 로 주어지고, 중립면에서의 거리에 비례하고 중립면의 곡률반경에 반비례한다.  따라서 원주방향 변형률은 외표면,
	그림 3.1.6 판두께 단면내의 응력과 변형률 분포

내표면에서 최대로 되고 굽힘반경이 적을수록 커진다.  판두께 방향에 작용하는 원주방향 응력은 그림 3.1.6에 나타내듯이 각부의 원주방향 변형률에 대응한다.  탄성변형역에 있는 중립면 근방에는 증가하고, 외표면, 내표면에 최대로 된다.  판두께는 원주방향의 인장 변형과 압축변형에 의해 중립면에서 외측은 얇아지고, 내측은 두껍게 된다.  그러나 전체적으로는 외표면측의 원주방향 인장응력의 분력과 외표면측의 원주방향 압축응력의 분력에 의해 판두께 방향으로 압축되어 재료는 처음의 판두께 보다도 얇아지게되고, 중립면은 내표면측으로 이동한다.  그러므로 원주방향의 길이는 변형전에 비례 어느정도 길게된다.  판폭 방향은 판 두께방향과 같이 외표면측에는 원주방향의 인장변형에 의해 폭방향으로 수축하고, 내표면측에는 반대로 원주방향의 압축변형에 의해 폭방향으로 넓어진다.  그러므로 그림 3.1.7에 나타내듯이 안장형상으로 변형하고 캠버(camber)가 일어난다.

 

그림 3.1.7 굽힘가공에 의해 일어나는 캠버

 이 캠버는 재료의 폭방향의 움직임의 쉬움에 영향을 주므로, 비교적 판폭이 넓은 경우에는 판폭의 중앙부근의 변형이 구속되고, 캠버는 판폭의 끝단에 가까운 부분에만 보인다.  그러나 판폭이 판두께에 대해서 비교적 좁은 경우 및 프레스 브레이크를 이용한 굽힘에 보이는 굽힘선과 직각방향의 재료길이가 짧은, 긴 길이의 것의 굽힘 가공에 있어서는 전체적으로 캠버가 보이는 제품정도에 영향을 준다.

3.1.2.2 가공한계

굽힘가공은 식 3.1.1에 나타내듯이 외표면에 있어서 최대 인장변형을 받는다.  따라서 이 부분이 재료의 인장변형한계를 넘으면 판의 표면에 넥킹 및 거칠기가 생기고, 나아가 그림 3.1.8 과 같이 균열이 발생하는 가공한계에 이른다.  이때 인장 변형률은 일반적으로는 단축의 인장시험에서 얻어지어 일정 연신보다 크고, 파단부의 국부연신 보다도 작다.  이러한 굽힘 가공의 한계는 일반적으로 외표면에 균열이 일어나는가 아닌가에 굽힘 할 수 있는 최소의 내측반경을 나타내고 이것을 최소 굽힘반경(minimum bending radious) rmin 으로 부른다.  실용상의 비교치로서는 판두께와의 비 rmin /t0 를 이용하는 수가 많다.  최소굽힘 반경의 크기는 재료의 연성에 크게 영향을 받지만, 이외에도 재료의 판을 두는 방향, 판의 표면 및 절단의 상태에도 영향을 받는다.  압연방향과 굽힘선을 직교시키는데, 판의 표면 및 절단면을 양호하게 함에 따라 최소 굽힘 반경을 적게 할 수 있다. 표 3.1.1에 대표적인 재료의 최소 곡율 반경을 나타낸다.  우선 굽힘의 가공한계는 균열이 발생되어 캠버 및 스프링 백등의 치수정도에서 한계에 지는 수도 있다. 표 3.1.2는 굽힘시의 유의사항을 나타낸다.

 

그림 3.1.8 굽힘에 의한 균열 

표 3.1.1 각종재료의 최소 굽힘 반경
 

재   료	rmin /t0
	연질재	경질재
냉간압연강판 8-8스테인리스강 순알루미늄  구   리 황   동	0-0.4 0.5-1.0 0-0.2 0-0.2 0-0.5	0.2-0.8 1.0-1.8 0.3-0.8 1.0-2.0 2.0-12

3.1.2.3 스프링 백 (Spring back)

재료에 소성변형을 준 후에 힘을 제거하면 탄성회복에 의해 어느정도 원래 형으로 돌아온다.  특히 굽힘 가공에 있어서는 그림 3.1.9에 나타내듯이 이 현상이 굽힘부의 곡율반경 및 각도의 변화로 되어 나타나므로 제품의 형상정도에 직접 관계한다. 이 현상은 스프링 백(spring back)이라 부르고, 굽힘가공에 있어서 가장 중요한 문제의 하나이다.  여기서 탄성회복을 이해하기 위하여 단순한 일축 응력의 변형에 대해서 생각해 본다. 그림 3.1.9에 나타낸 응력-변형률 선도에 있어서 B점까지 변형시켜 외력을 제거하면 OA에 평행하게 BC의 경로를 통해 응력, 변형률이 감소하고 OC가 영구변형률로 남는다.  이때의 DC가 탄성회복하는 변형률로 된다.  이 회복변형률은 OA의 경사, 즉 재료의 탄성회복이 적을수록 또 같은 변형률을 주는데 필요한 응력이 높은 재료일수록 커진다.

 

그림 3.1.9 스프링 백
 

또 같은 재료라도 최초에 준 변형률이 클수록 탄성회복하는 변형률의 비가 적게 된다.  이것은 굽힘가공에 있어서 스프링 백  에 대해서도 같다고 말할 수 있다.  즉 탄성계수가 작은데 변형저항이 큰 재료일수록 스프링 백은 커진다.  또 원주방향 변형률이 클수록 즉 굽힘 반경이 작고 판 두께가 두꺼울수록 스프링 백은 적게 된다.  스프링 백은 그림 3.1.6에 나타난 판두께 단면에 작용하는 응력과 변형률의 불균일한 분포가 원인이다.

 

그림 3.1.10  V굽힘 가공에 있어서 판의 변형

따라서 이를 적게 하는데는, 단면내의 변형률을 균일하게 하는 것으로 굽힘선과 직선인 방향에 인장력을 주면서 굽히는 인장굽힘(stretch bending)을 하는데, 판두께 방향으로 강제적으로 가압하는 등의 방법을 들 수 있다.  우선 형굽힘 등에 있어서는 필히 탄성회복에 의해 외측으로 열리는 것에 한정되지 않고, 그림 3.1.10에 나타내듯이 금형의 구속등에 의해 굽힘부 이외에도 변형이 일어나고, 전체적으로 내측으로 변형하는 스프링 고우(spring-go)를 나타낼 수도 있다.  이러한 탄성 회복현상을 완전히 억제하는 것은 어렵고, 일반적으로 탄성회복을 고려해서 미리 형에 굽힘각도 및 굽힘반경을 보정을 한다.
 

 

그림 3.1.11 일축응력 상태에 있어서 변형의 탄성회복

그리고 이러한 스프링 백을 방지하기위하여서는 각 공정에 따라 과대 굽힘을 가하거나 보토밍공정에 의한 스프링 백의 복원을 이용하거나 저감을 한다
 

V 다이 및 펀치의 각도를 88o과대 굽힘	스프링백에 의한 복원

(a) V 형 굽힘
 

과대 굽힘

(b) L 형 굽힘

스프링백을 허용할 수 있는                           과대 굽힘

스프링 백을 방지할 수 있는      보토밍

(c) U 형 굽힘

그림 3.1.12  스프링 백의 방지

	3.1.3 파이프 형재의 굽힘 가공
	금속가구 제작에 있어서 파이프를 많이 사용한다. 파이프의 굽힘 가공에 사용하는 일반적인 방법들에 대하여서는 그림 3.1.13(a)에 나타내며,내부에 넣는 만드렐 형상을(b)에 나타낸다.  파이프 및 형재를 굽힘 가공하는 경우 균열발생이외의 굽힘변형에 따르는 단면형상의 변화, 주름의 발생과 같은 것에 의해 가공한계에 이르는 수가 많다.  예를 들면, 원형파이프를 굽히면, 단면은 편평화해서 타원형으로 되고, 또 두께는 외측이 얇아지고 내측이 두꺼워지는 한쪽으로 두꺼워지는 현상이 일어난다. 나아가 굽힘 변형을 심하게 하면, 굽힘의 내측에 좌굴에의한 주름의 발생이 보인다.  이 현상은 형재에 있어서도 같은 것이 일어나고, 단면형상에 각이 틀어지거나 굽힘 내측의 플랜지부에 좌굴에 의한 주름이 발생한다.  이것을 막는데는 강제적으로 단면형상을 구속해서 굽힘을 행할 필요가 있다.  이 방법으로는 외형형상을 한 홈을 가진 형을 이용해서 단면의 변형을 외측에서 구속하거나 또는 파이프 등에 있어서는 내측에 베어링과 같은 변형이 자유로운 안쪽의 금속 또는, 가는 모래 형태의 물질을 넣거나 납 등의 저용융물을 흘려서 굳게하여 굽힘가공을 행하는 방법을 사용한다.
	스트레치 굽힘          드로우 굽힘            압축굽힘
	프레스 굽힘                       롤 굽힘                      롤 익스트루젼
	(a)   파이프 굽힘의 종류
	플러그                     볼                   라미네이션           케이블
	(b)파이프 굽힘용 만드렐
	그림 3.1.13  파이프 굽힘

3.1.4.해밍과 커링

(a) 해밍

해밍은 판의 끝단을 반원형으로 만들어서 안전성을 얻으며,보기좋게 하며 2중으로 하여 보강할 수 있는 목적으로 많이 사용된다. 그림 3.1.14에 캐비닛의 문에 적용된 해밍의 적용사례 이다.
 

 

그림 3.1.14 해밍 사례
 

그림 3.1.15에는 해밍공정을 나타낸 것이다.
 

 

그림 3.1.15

그림 3.1.16에는 해밍의 사례를 나타낸다.
 

 

그림3.1.16 해밍
 

(b)커링

판의 끝단을 둥글게 굽어진 형상으로 성형하는 것을 말한다. 커링은 해밍과 같이 안전성,외관,보강의 의미외에 둥글게 말아넣은 안으로 지지 도구를 넣을 수 있는 점이 있다.그림 3.1.17(a)에는 컬링으로 제작한 경첩의 사례를 나타내며,(b)에는 서랍의 끝단을 손으로 잡는 경우의 안전을 위하여 커링 처리한 사례를 나타낸 것이다.

 

(a)
 

 

(b)
 

그림 3.1.17 커링 사례
 

그림 3.1.18은 2,3개의 공정으로 제작되는 커링 공정을 나타낸다.
 

(a) 2공정 타입	(b) 3공정 타입

그림 3.1.18 커링 공정

그림 3.1.19은 커링가공의 종류를 나타낸다.
 

 

그림 3.1.19 커링 가공의 종류

	3.1.5 판의 교정
	판재를 이용하여 성형가공을 하는 경우, 요구되는 치수정도를 얻기 위해서는 이 재료의 평탄도가 문제로 되는수가 많다.  특히 코일재로서 출하되는 박판에 있어서는 권취를 위해서는 교정(leveling, straightening)은 꼭 필요한 작업이다.  판의 굽힘을 교정하는 데는 그 굽힘과 반대 방향에 스프링 백을 고려하여 굽힘을 없애는 변형을 주면 좋다.  그 방법의 하나로 롤굽힘을 이용한 롤러 레벨러(roller leveler)에 의한 방법이 있다.  이 방법은 그림 3.1.20에 나타내듯이 엇갈리게 배열된 롤사이에 판을 넣어, 반복해서 굽힘을 반복하여
	그림 3.1.20 롤에 의한 판의 교정
	주는 것에 의해 굽힘을 수정한다.  이 방법에 의하면 판은 최초에 강하게 굽히고, 그후 굽힘 변형량을 순차적으로 적게하여 판의 굽힘의 불균일을 시정하고, 마지막으로는 판 전체를 평탄하게 한다.  기타의 교정법으로는 판의 양단을 인장, 판 두께 방향의 응력을 일정한 인장응력으로 함에 따라 평판을 얻는 stretcher, 굽힘과 인장을 조합한 텐션 레벨러(tension leveler), 판의 양면에서 공구로 압축해서 처음 굽힘과 역방향으로 돌아오는 굽힘 되돌림 교정 프레스에 의한 방법 등이 있다.