제조용 설계 금속 프레스 가공: 엔지니어링 핸드북

TL;DR

금속 성형을 위한 설계 적합성(DFM)은 프레스 및 다이의 물리적 특성에 맞추어 부품 형상을 최적화하는 전략적 엔지니어링 기법입니다. 재료의 한계를 무시하고 설계하는 대신 이 한계를 고려하여 설계함으로써 엔지니어는 금형 비용을 최대 50%까지 절감하고 납기일을 단축하며 균열이나 스프링백과 같은 일반적인 결함을 제거할 수 있습니다.

성형 공정에서의 DFM 핵심은 입증된 기하학적 '황금 법칙'을 준수하는 데 있습니다. 주요 비율로는 구멍의 지름이 재료 두께 이상(1T)이 되도록 하는 것 , 파손을 방지하기 위해 최소 굽힘 반경을 1T로 유지하는 것 , 그리고 특징 요소들이 굽힘 구역에서 1.5T + 반경 만큼 떨어져 있도록 하는 것이 포함됩니다. 이러한 제약 조건을 CAD 설계 초기 단계부터 적용하는 것이 생산 가능성을 보장하는 가장 효과적인 방법입니다.

엔지니어링 비즈니스 사례: 왜 성형 공정에서 DFM이 중요한가

금속 스탬핑 공정에서 부품의 비용은 첫 번째 금속 시트가 주문되기 이전에 대부분 결정된다. 제품 최종 생산비의 약 70%는 설계 단계에서 이미 고정된다. 설계자가 제조업체와 사전에 상의하지 않고 설계도만 전달하는 '오버더월(Over-the-wall)' 방식의 엔지니어링은 종종 비용을 기하급수적으로 증가시키는 복잡한 금형 요구사항을 초래한다. DFM(설계를 고려한 제조) 없이 설계된 부품은 20개의 공정 스테이션과 고가의 슬라이드 액션이 포함된 복잡한 프로그레시브 다이를 필요로 할 수 있는 반면, DFM 최적화된 설계는 보다 간단한 12스테이션 도구로 제작할 수 있다.

협업형 DFM은 이상적인 기하학과 냉형철의 가혹한 현실 사이의 다리 역할을 합니다. "이런 일이 가능할까요?"라는 질문에서 "이런 일이 효율적으로 가능할까요?"라는 질문에 초점을 맞추는 것입니다. 제조 파트너와 조기에 협업함으로써 엔지니어들은 정밀 밀림이 필요한 긴 인자율이나 2차 퇴적 작업이 필요한 기능과 같은 비용 요인을 식별할 수 있습니다. 예를 들어 비비판적 구멍 내성을 ±0.002"에서 ±0.005"로 완화하면 도구 수명을 크게 연장하고 부품 가격을 줄일 수 있습니다.

이것은 특히 프로토타입에서 생산까지 확장할 때 중요합니다. 레이저 절단 (저용량) 에 적합한 디자인은 다른 스트레스 요인 때문에 스탬핑 프레스 (대용량) 에서 종종 실패합니다. 파트너와 같은 소이 메탈 테크놀로지 이 격차를 메우는데 전문화하여 프로토타입 단계에서 검증된 디자인이 고속, 대용량 스탬핑 라인용으로 충분히 견고하다는 것을 보장하는 엔지니어링 지원을 제공합니다. 이러한 전문 지식을 일찍 활용하면 많은 제품 출시에 걸린 비용이 많이 드는 "도구 재설계 루프"를 방지합니다.

재료 선택 및 곡물 방향 전략

스탬핑에 사용되는 재료 선택은 기능, 형성성, 비용 사이의 타협입니다. 기능이 기본 합금 (예를 들어, 부식 저항성 스테인리스 스틸 304 또는 무게에 알루미늄 5052) 을 결정하지만, 특정 열처리 그리고 입자 방향 제조성을 결정합니다. 더 단단한 재료는 더 큰 강도를 제공하지만 복잡한 형성 작업 중에 균열되기 쉽다.

곡물 방향 이 차지 하는 중요 한 역할

엽 금속은 롤링을 통해 생산되며, 이는 롤의 방향으로 금속의 곡물 구조를 길게합니다. 이 애니소트로피는 물질이 곡물과 비교하여 어떻게 형성되는지에 따라 다르게 행동한다는 것을 의미합니다.

• 곡물 을 세로 로 구부리다 가장 강한 방향성 이 재료는 곡물 구조가 찢어지지 않고 접혀지기 때문에 더 긴 반지름에 견딜 수 있습니다.
• 곡물 과 동행 으로 굽는 것 가장 약한 방향입니다. 곡물은 쉽게 분리되어 외부 반사선에 골절이 발생합니다. 특히 6061-T6 알루미늄이나 고탄소 강철 같은 단단한 합금에서요.

엔지니어들은 밀접한 곡선이 필요하다면 인쇄물에 곡물 방향을 지정해야 합니다. 부품 기하학이 여러 방향으로 구부러지는 것을 요구하면 곡물에 대한 45도 지향은 모든 특징에서 강성과 형식성을 균형 잡는 타협으로 종종 사용됩니다.

중요 기하학 지침: 구멍, 슬롯, 웹

펀치 앤 다이 인터페이스의 물리학은 절단 기능에 엄격한 수학적 한계를 부과합니다. 이 비율을 위반하면 약한 도어 섹션을 만들어서 조기에 깨지고, 정전 시간 및 유지보수 비용을 초래합니다. 아래 표는 표준 스탬핑 작업에 대한 합의 된 "손가락 규칙"을 요약합니다.

구멍-구부 근접: 가장 흔한 실수 중 하나는 구멍을 굽기에 너무 가까이 놓는 것입니다. 금속이 반지름 주위를 뻗어 나가는 동안, "변형 영역"의 모든 특징은 왜곡됩니다. 디자인 에 구부리 에 가까운 구멍 이 엄격 히 필요 한다면, 스탬퍼 는 그 구멍 을 뚫어야 한다 후 구부리거나 (정류/비용을 추가) 또는 특수 구부리 절단을 사용한다. 구멍은 둥글게 유지하기 위해 표준 공식은 적어도 그것의 가장자리를 배치하는 것입니다 1.5 배의 재료 두께 더 커브 반지름 곡선 접경에서 멀어집니다.

굽는 방법 과 모양 을 만드는 방법: 반지, 플랜지, 그리고 도형

굽는 것은 단순히 접는 것이 아니라 통제된 플라스틱 변형입니다. 고장 없이 일관된 구부러짐을 달성하기 위해서는 세 가지 매개 변수를 제어해야 합니다.

최소 굽힘 반경

날카로운 안쪽 코너는 스탬프 부품의 적입니다. 반지름 0 (카르트 코너) 는 필연적으로 균열을 초래하는 스트레스 집중점을 만듭니다. 냉장 롤 스틸 (CRS) 또는 부드러운 알루미늄과 같은 대부분의 유연 금속의 경우, 최소 내부 구부러짐 반지름은 ≥ 1T - 그래요 스테인리스 스틸과 같은 더 단단한 재료는 종종 ≥ 2T 또는 더 많은 것을 필요로합니다. 넓은 반지름으로 설계하면 도구의 수명이 길어지고 부품 고장 위험이 감소합니다.

최소 플랜지 길이

을 정확하게 굽기 위해서는, 재료가 도형 과정 내내 도형과 접촉해야 합니다. 만약 플랜지가 너무 짧다면, 굽기가 완료되기 전에 V-디어 오프닝으로 미끄러져 비평행 가장자리가 왜곡됩니다. 표준 규칙은 플랜지 길이는 재료 두께의 최소 3 ~ 4 배가 되어야 합니다. - 그래요 더 짧은 플랜지가 필요하다면, 스탬퍼는 더 긴 플랜지를 형성하고 후속 작업에서 잘라야하며 부품 비용을 추가 할 수 있습니다.

벤드 리리프

굽는 부분이 전체 너비를 넘지 않을 때, 굽는 선의 끝에있는 재료는 "굽는 구제"가 추가되지 않는 한 찢어집니다. 리리프 는 플랜지 밑에 잘라 놓은 작은 직사각형 또는 반 원형 인치이다. 이 톱니 는 휘어진 물질 과 휘어지지 않은 물질 을 분리 하여 찢어지고 변형 되는 것 을 방지 합니다. 리레얼리프의 깊이는 일반적으로 구부러진 반사 + 재료 두께를 초과해야합니다.

현실과 비용의 대립

용도 엄격성은 스탬핑 다이 비용의 가장 큰 단 하나의 운전자입니다. 현대 정밀 스탬핑은 ±0.001인치까지 긴 허용도를 달성 할 수 있지만, 전체 부분에서 이것을 요구하는 것은 불필요하고 비용이 많이 든다. 더 긴 허용 범위는 더 정밀한 도어 부품 (waya EDM cut), 더 빈번한 유지 (순화) 및 더 느린 인쇄 속도를 요구합니다.

• 블록 허용량: 비비판적인 특징 (예를 들어, 공백 구멍, 공기 출구) 에 대해서는 표준 블록 허용량 (일반적으로 ±0.005"에서 ±0.010") 에 의존한다.
• 특징별 차원 조정: 크기가 중요한 특징은 부분 가장자리에서가 아니라 서로에서 가장자리는 종종 뚫린 구멍보다 본질적으로 더 많은 변동성을 가진 절단 작업으로 생성됩니다. 구멍에서 구멍으로 크기를 조정하면 중요할 때 용인 체인이 더 단단해집니다.
• 중요한 특징만: GD&T (Geometric Dimensioning and Tolerancing) 를 가동할 때만 조립에 꼭 필요한 경우만 사용한다. 플랜지 각도 허용이 ±1°에서 ±0.5°로 강화되면 스탬퍼는 스프링백을 제어하기 위해 다이에 재타격 스테이션을 추가해야 할 수 있으며, 도구 투자를 증가시킵니다.

일반적인 결함 및 예방 (DFM 체크리스트)

엔지니어들은 CAD 모델을 완성하기 전에 빠른 DFM 체크리스트를 실행함으로써 일반적인 고장 모드를 예측하고 설계할 수 있습니다.

• 버러: 모든 스탬프 가장자리는 "브레이크" 쪽에 이 있습니다. 화면에서 "버러 방향"이 지정되어 있어서 날카로운 가장자리가 사용자 조작 표면에 없도록 확인하세요. 표준 허용되는 높이 는 재료 두께의 10%입니다.
• 스프링백: 굽힘 후 탄성 회복은 각도가 벌어지는 현상을 유발한다. 프레스 금형에서 스탬퍼가 이를 보정할 수 있지만, 동일한 재료 등급(예: 특정 고강도 저합금 강)을 사용함으로써 일관성을 유지하는 데 도움이 된다. 생산 중에 재료 공급업체를 변경하지 않아야 변동을 방지할 수 있다.
• 오일 캐닝: 얇은 금속의 넓고 평평하며 지지되지 않은 부분은 오일 캔처럼 처지거나 '딸깍' 소리와 함께 휘어질 수 있다. 리브, 엠보싱 또는 계단 구조를 추가하면 무게를 늘리지 않고도 부품의 강성을 높여 이러한 결함을 방지할 수 있다.

효율을 위한 설계

금속 스탬핑에서 제조 용이성을 위한 설계(DFM)를 완성한다는 것은 설계 의도를 타협하는 것이 아니라 현실에 맞게 다듬는 것이다. 최소 비율을 준수하고, 적절한 재료 입자 방향 전략을 선택하며, 허용오차를 신중하게 적용함으로써 스탬핑 공정의 물리적 특성을 존중함으로써 엔지니어는 비용을 절감하고 장기적인 양산 안정성을 확보할 수 있다. 프레스에 최적화된 부품은 곧 이윤과 품질, 속도에 최적화된 부품이다.

자주 묻는 질문

1. 금속 스탬핑에서 최소한의 구멍 크기는 얼마인가요?

일반적으로 펀칭된 구멍의 지름은 재료 두께(1T) 이상이어야 합니다. 스테인리스강과 같은 고강도 재료의 경우, 펀치 파손을 방지하기 위해 1.5T 또는 2T 비율을 권장하는 경우가 많습니다. 더 작은 구멍이 필요한 경우, 별도의 후속 공정으로 드릴 가공이나 기계 가공이 필요할 수 있습니다.

2. 재료의 입자 방향이 굽힘에 어떤 영향을 주나요?

금속의 입자 방향은 시트를 압연하는 과정에서 형성됩니다. 입자 방향에 수직으로(가로지르는 방향으로) 굽히는 것이 강도가 높고 균열 없이 더 작은 곡률 반경을 구현할 수 있습니다. 입자 방향과 평행하게 굽히는 것은 약하고 외부 곡률 부분에서 균열이 발생하기 쉬워집니다. 중요한 구조적 굽힘은 항상 입자 방향에 수직이 되도록 해야 합니다.

3. 블랭킹과 피어싱의 차이점은 무엇인가요?

블랭킹은 금속 스트립에서 부품의 전체 외형을 절단하는 작업이며, 제거된 조각이 유용한 부품이다. 피어싱(또는 펀칭)은 내부 구멍이나 형상을 절단하는 작업으로, 제거된 조각은 스크랩(슬러그)이다. 두 작업 모두 절단 공정이지만 다이 공정 순서 내에서 서로 다른 목적을 가진다.