제조를 위한 핵심 단조 설계 원칙

TL;DR

부품을 단조 양산성을 위해 설계할 때는 금속 단조 공정을 용이하게 하기 위해 형상을 전략적으로 계획해야 합니다. 이를 위해서는 분할선, 드래프트 각도, 모서리 반경, 벽 두께와 같은 주요 특징들을 정밀하게 조절하여 재료의 원활한 흐름을 보장하고 결함을 방지하며 다이에서 부품을 쉽게 탈형할 수 있도록 해야 합니다. 적절한 설계는 비용을 최소화하고 후가공 공정을 줄이며 단조 부품이 지닌 본래의 강도를 극대화합니다.

단조 양산성 설계(DFM)의 기본 원리

단조 제조성 설계(DFM)는 부품의 설계를 단조 공정에 맞게 최적화하는 특화된 엔지니어링 기법입니다. 주요 목표는 기능적인 부품을 만드는 동시에 생산 효율성과 비용 효과성을 높이는 것입니다. 설계 초기 단계에서 단조 공정의 제약과 능력을 고려함으로써 엔지니어들은 생산 비용을 크게 절감하고, 최종 제품의 품질을 향상시키며, 가공 등의 2차 공정 필요성을 최소화할 수 있습니다. 전문가들이 설명한 바와 같이, 단조는 금속의 결정립 흐름을 부품 형상에 맞게 정렬시켜 피로 저항성 및 충격 인성과 같은 기계적 성질을 향상시킵니다. 이 공정은 주조나 가공에 비해 우수한 강도와 내구성을 가진 부품을 생산합니다 .

단조를 위한 DFM의 핵심 목적은 다음과 같습니다:

• 복잡성 감소: 간단하고 대칭적인 형상은 단조하기 쉬우며, 덜 복잡한 금형이 필요하고 결함 발생도 줄어듭니다.
• 재료 흐름 보장: 디자인은 금속이 매끄럽게 흐르면서 다이 캐비티를 완전히 채우되, 공극이나 겹침 결함을 생성하지 않도록 해야 합니다.
• 부품의 표준화: 가능한 경우 표준 치수와 특징을 사용하면 금형 비용과 생산 시간을 줄일 수 있습니다.
• 폐기물 최소화: 초기 빌릿 크기와 부품 형상을 최적화하면 단조 후 절단되는 '플래시(flash)'를 포함한 재료 폐기물을 줄일 수 있습니다.

이러한 원칙을 무시하면 심각한 문제에 직면할 수 있습니다. 설계상 잘못된 선택은 제조 결함, 금형 마모 증가, 재료 폐기물 증가, 궁극적으로는 더 약하고 비용이 높은 최종 제품으로 이어질 수 있습니다. 자동차 및 항공우주와 같은 엄격한 산업 분야의 기업들은 전문 지식을 갖춘 제조업체와 협력하는 것이 매우 중요합니다. 예를 들어, 소이 메탈 테크놀로지 과 같은 자동차 열간 단조 전문 기업은 금형 제작 및 생산 공정에 대한 전문성을 활용하여 프로토타입에서 대량 생산에 이르기까지 성능과 효율성 모두를 고려해 설계를 최적화합니다.

핵심 기하학적 고려사항 1: 분할선 및 드래프트 각도

단조 설계에서 가장 중요한 요소 중 하나는 분할선과 드래프트 각도입니다. 이러한 특징들은 다이의 복잡성, 재료 흐름, 그리고 완성된 부품을 금형에서 얼마나 쉽게 제거할 수 있는지에 직접적인 영향을 미칩니다. 이러한 측면에 대해 철저히 계획하는 것은 성공적이고 효율적인 단조 공정의 핵심입니다.

분할선

분할선은 단조 다이의 두 반쪽이 만나는 표면입니다. 이 위치는 설계 과정에서 매우 중요한 결정 사항이며, 단조 도면상에 명확하게 표시되어야 합니다. 이상적으로 분할선은 하나의 평면 위에 위치하고 부품의 가장 큰 투영 면적 주위에 배치되어야 합니다. 이를 통해 균형 잡힌 재료 흐름을 보장하고 부품을 성형하는 데 필요한 힘을 최소화할 수 있습니다. 이는 engineers Edge의 가이드라인에 따르면 , 적절한 위치에 배치된 분할선은 곡물 흐름 방향을 제어하고 언더컷을 방지하여 다이에서 부품을 이탈시키는 것을 가능하게 한다.

드래프트 각도

드리프트 각도는 프레스의 움직임 방향과 평행한 단조의 모든 수직 표면에 적용되는 작은 경사입니다. 주요 목적은 성형 후 부품을 다이에서 쉽게 제거하는 것입니다. 충분한 드리프트 각도가 없으면 부품이 끼울 수 있으며, 이로 인해 부품과 고가의 다이 모두 손상될 수 있습니다. 필요한 드리프트 각도는 부품의 복잡성과 단조되는 재료에 따라 달라지지만 강철 단조물의 경우 일반적인 드리프트 각도는 3도에서 7도 사이이다 . 드리프트 각도가 부족하면 결함이 발생하고 다이의 마모가 증가하며 생산 사이클이 느려질 수 있다.

핵심 기하학적 고려사항 2: 리브, 웨브 및 곡률 반경

전체적인 형상 외에도 리브, 웹, 모서리 및 곡면부의 반경과 같은 특정 특징들의 설계는 제조 가능성을 위해 필수적입니다. 이러한 요소들은 원활한 재료 흐름을 유도하고 일반적인 단조 결함을 방지하면서 최종 부품의 구조적 무결성을 보장할 수 있도록 설계되어야 합니다.

리브와 웹

리브는 과도한 중량 증가 없이 부품에 강도와 강성을 더하기 위해 자주 사용되는 좁고 돌출된 특징입니다. 웹은 리브 및 기타 특징들을 연결하는 얇은 재료 부분입니다. 이러한 요소들을 설계할 때는 비율 관리가 매우 중요합니다. 높고 좁은 리브는 재료로 채우기 어려워 결함을 유발할 수 있습니다. 일반적인 경험 법칙으로, 리브의 높이는 그 두께의 6배를 초과해서는 안 됩니다. 또한 가공 문제를 방지하기 위해 리브의 두께는 이상적으로 웹의 두께와 같거나 작아야 합니다.

모서리 및 곡면부 반경

단조 설계에서 가장 중요한 규칙 중 하나는 날카로운 내부 및 외부 모서리를 피하는 것이다. 날카로운 모서리는 금속의 흐름을 방해하여 재료가 접히는 부분에서 랩(laps)이나 콜드 셧(cold shuts)과 같은 결함이 발생할 수 있다. 또한 다이와 최종 부품 모두에 응력 집중을 유발하여 피로 수명을 단축시킬 수 있다. 충분한 필렛(내부 곡률)과 모서리(외부 곡률) 반경을 사용하는 것이 필수적이다. 이러한 둥근 모서리는 금속이 다이 공동의 모든 부분으로 원활하게 흐르도록 도와주며, 완전한 충진을 보장하고 응력을 더 고르게 분산시킨다. 이는 부품의 강도를 향상시킬 뿐 아니라 다이의 마모를 줄이고 균열 위험을 낮춤으로써 단조 다이의 수명을 연장하는 데도 기여한다.

재료 흐름 관리: 단면 두께 및 대칭성

단조의 기본 물리 원리는 고체 금속을 두꺼운 유체처럼 흐르게 하여 원하는 형태로 성형하는 것이다. 따라서 이러한 재료의 흐름을 관리하는 것이 결함 없는 부품을 만드는 데 가장 중요하다. 이를 위한 핵심은 균일한 두께를 유지하고 가능한 한 대칭 구조를 활용하는 것이다.

벽 두께의 급격한 변화는 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 금속은 항상 저항이 가장 적은 경로를 따라 흐르기 때문에, 두꺼운 부분에서 얇은 부분으로 급격히 전환되면 흐름이 제한되어 얇은 부분이 완전히 채워지지 않을 수 있다. 또한 냉각 과정에서 열적 기울기를 유발하여 휨이나 균열을 초래할 수도 있다. 이상적인 단조 설계는 부품 전체에 걸쳐 균일한 벽 두께를 유지하는 것이다. 불가피하게 두께를 변경해야 할 경우, 매끄럽고 점진적으로 좁아지는 전이부를 사용하여 서서히 변화를 주어야 한다. 이를 통해 압력이 고르게 분포되고 금속이 다이의 모든 영역에 균일하게 흐를 수 있도록 보장할 수 있다.

대칭성은 디자이너에게 또 하나의 강력한 도구이다. 대칭적인 부품은 균형 잡힌 재료 흐름을 촉진하고 다이 설계를 단순화하기 때문에 본질적으로 프레스 성형이 더 용이하다. 힘이 더욱 고르게 분포되며, 프레스 성형 중 및 이후 냉각 과정에서 부품의 변형 가능성이 줄어든다. 응용이 허용하는 한, 간단하고 대칭적인 형상을 설계하면 거의 언제나 보다 견고하고 비용 효율적인 제조 공정과 더 높은 품질의 최종 부품을 얻을 수 있다.

후속 가공 계획: 가공 여유치 및 허용 공차

프레스 성형은 최종 형상에 매우 근접한 부품(거의 완제품에 가까운 형태)을 생산할 수 있지만, 정밀한 허용 공차, 특정 표면 마감 또는 프레스 성형으로 만들 수 없는 특수 구조를 얻기 위해 종종 2차 가공이 필요하다. 제조 용이성을 고려하여 설계할 때 중요한 것은 이러한 후속 가공 공정을 초기 단계부터 계획하는 것이다.

'가공 여유량'은 나중에 가공될 표면에 의도적으로 단조품에 추가되는 여분의 재료를 말합니다. 이를 통해 최종 정확한 치수를 얻기 위해 제거할 충분한 재료를 확보할 수 있습니다. 일반적인 가공 여유량은 각 표면당 약 0.06인치(1.5mm) 정도이지만, 부품의 크기와 복잡성에 따라 달라질 수 있습니다. 설계자는 이 여유량을 지정할 때 가장 열악한 경우의 공차 누적과 드래프트 각도를 고려해야 합니다.

단조 공정의 허용오차는 정밀 가공에 비해 자연스럽게 더 널슨할 수밖에 없습니다. 단조 후 그대로 사용되는 부품에 대해 현실적인 허용오차를 설정하는 것은 비용 관리 측면에서 매우 중요합니다. 불필요하게 엄격한 단조 허용오차를 요구하면 금형 비용과 폐기율이 크게 증가할 수 있습니다. 대신 설계 시 가공이 필요한 중요한 표면과 그대로 두어도 무방한 비중요 표면을 구분해야 합니다. 도면에 이러한 요구사항을 명확히 표기함으로써 설계자는 원자재 단조품과 완성 부품 사이의 갭을 해소하면서 기능적이며 경제적으로 생산 가능한 부품을 만들 수 있습니다.

자주 묻는 질문

1. 단조 설계 시 고려해야 할 사항은 무엇입니까?

단조 설계 시 주요 고려 사항으로는 적절한 재료 선택, 금속 흐름을 용이하게 하기 위한 부품 형상 정의 및 핵심 특성 명시가 포함됩니다. 여기에는 분할선 위치, 부품 탈형을 위한 충분한 드래프트 각도, 응력 집중을 방지하기 위한 넉넉한 필렛 및 모서리 반경, 균일한 벽 두께 유지 등이 포함됩니다. 또한 설계자는 후속 가공 공정을 고려하여 가공 여유와 현실적인 허용오차를 계획해야 합니다.

2. 제조를 위해 부품을 어떻게 설계합니까?

제조를 위한 부품 설계(DFM)는 복잡성과 비용을 줄이기 위해 설계를 단순화하는 것을 의미합니다. 주요 원칙으로는 총 부품 수를 줄이고, 가능한 경우 표준 부품을 사용하며, 다기능 부품을 설계하고, 가공이 쉬운 재료를 선택하는 것이 있습니다. 특히 단조의 경우, 균일한 재료 흐름을 위한 설계, 날카로운 모서리 회피, 2차 가공 공정의 필요 최소화를 의미합니다.

3. 제조용 설계(Design for manufacturability)의 특징은 무엇인가?

제조용 설계(DFM)는 설계 초기 단계에서 제조 공정을 조기에 고려하는 능동적인 접근 방식이 특징이다. 그 핵심 원칙은 가공의 용이성, 비용 효율성 및 품질을 위해 설계를 최적화하는 것이다. 이는 최종 제품이 신뢰성 있고 효율적으로 생산될 수 있도록 보장하기 위해 재료 선택, 공정 능력, 표준화 및 복잡성 최소화와 같은 요소에 집중하는 것을 의미한다.