TL;DR

금속 스탬핑에서 주름 현상은 주로 플랜지 영역에서 블랭크 직경이 컵 직경으로 줄어들 때 발생하는 압축 원주 응력 때문에 발생합니다. 재료가 자체적으로 압축될 수 없을 때, 이는 좌임현상(좌굴)을 일으킵니다.

가장 효과적인 예방 방법은 찢어짐을 유발하지 않도록 적절한 블랭크 홀더 힘(BHF) 압력을 가하여 재료 흐름을 제한하는 것 2.5 N/mm² 이 스틸의 경우 표준 기준입니다. 보조적인 제어 방법으로는 복잡한 영역에서 재료 흐름을 기계적으로 억제하기 위한 드로우 비드(Draw Beads) 드로아웃(드로아웃 요소) 다이 반경 가 최적화되어(너무 크지 않도록) 인장을 유지할 수 있도록 하는 것

주름의 물리학: 왜 금속이 좌는지

주름을 효과적으로 방지하기 위해 엔지니어는 먼저 주름 발생 메커니즘을 이해해야 한다. 압축 불안정성 딥 드로잉 공정에서 평면 블랭크가 3차원 형상으로 변형된다. 블랭크의 외부 가장자리에서 다이 캐비티로 재료가 흐를수록 둘레가 감소하게 된다. 이 감소는 재료가 접선 방향으로 압축되도록(호응력) 만든다. 만약 이 압축 응력이 재료의 임계 좌굴 응력을 초과하면 금속이 파형을 이루거나 주름이 생기게 된다.

이 현상은 성형 한계 비율(LDR) 블랭크 지름과 펀치 지름 간의 관계인 플랜지 여유율에 의해 결정된다. 펀치에 비해 블랭크가 너무 클 경우, 플랜지에서 '모여드는' 재료의 양이 통제 불가능해지고, 심한 두께 증가를 유발한다. 다이 면과 블랭크 홀더 사이의 갭이 이 두께 증가를 적절히 수용하도록 철저히 관리되지 않으면(일반적으로 명목 두께보다 10~20% 정도의 여유만 허용), 재료는 빈 공간 안으로 좌굴하게 된다.

주름은 주로 두 가지 형태로 나타난다. 플랜지 주름 (1차형)은 바인더 아래 영역에서 발생하며, 월 주름 (2차형)은 다이 라디어스와 펀치 라디어스 사이의 지지되지 않은 영역에서 발생한다. 주름이 어디서 시작되는지를 파악하는 것이 진단의 첫 번째 단계이다: 플랜지 주름은 바인더 압력이 부족함을 시사하며, 월 주름은 대개 다이 라디어스가 너무 크거나 재료의 적합도가 낮음을 나타낸다.

주요 해결책: 블랭크 홀더 힘(BHF) 최적화

그 블랭크 홀더 (또는 바인더)는 주름을 방지하기 위한 주요 제어 변수이다. 그 기능은 플랜지에 충분한 압력을 가해 버클링을 억제하면서도 재료가 다이 안으로 유동할 수 있도록 하는 것이다. 압력이 너무 낮으면 주름이 생기고, 너무 높으면 재료가 파열(균열)되어 유동할 수 없게 된다.

산업 표준에 따르면, 필요한 비압력(specific pressure)은 재료 종류에 따라 크게 달라진다. 초기 설정을 위한 실용적인 경험 법칙은 다음과 같다:

• 강철: ~2.5 N/mm²
• 구리 합금: 2.0 – 2.4 N/mm²
• 알루미늄 합금: 1.2 – 1.5 N/mm²

엔지니어는 바인더 아래의 플랜지의 투영 면적을 기준으로 필요한 힘을 계산해야 합니다. 설계 단계에서 프레스의 압력을 낮추는 것보다 더 많은 힘을 발생시키는 것이 어렵기 때문에, 약 30%의 안전 계수 를 이 계산에 추가하는 것이 바람직합니다.

복잡한 부품의 경우, 균일한 압력으로는 종종 부족합니다. 고급 설정에서는 가변 압력 시스템 (유압 또는 질소 쿠션)을 사용하여 스트로크 동안 힘을 조절할 수 있으며, 플랜지를 고정하기 위해 처음에는 높은 압력을 가하고 부품의 깊이가 깊어질수록 압력을 낮춰 찢어짐을 방지합니다. 스탠드오프 또는 이퀄라이저 블록 (스톱 블록)을 사용하는 것은 재료보다 약간 두꺼운 정확한 간격을 유지하여 바인더가 시트를 단순히 압축하는 것이 아니라 제어할 수 있도록 하는 데 중요합니다.

공구 설계 제어: 드로우 비드 및 라운딩 반경

압력만으로는 재료 흐름을 제어할 수 없을 때—비대칭 자동차 부품의 경우 흔히 발생하는 상황— 드로우 비드(Draw Beads) 필수적인 공학적 해결책입니다. 드로우 비드(Draw beads)는 바인더에 형성된 돌출 리브로서, 소재가 다이 캐비티로 들어가기 전에 굽히고 펴는 동작을 강제합니다. 이 기계적 작용은 마찰력과 무관하게 구속력을 생성하여 정밀한 국부적인 유동 제어를 가능하게 합니다.

기하학적 특성의 다이 반경 너무 크면 플랜지에서의 접촉 면적과 유효 인장력을 감소시켜 소재가 지나치게 자유롭게 흐르며 주름이 생기는 것을 유도합니다. 다이 반경은 인장의 '최적 상태(sweet spot)'를 유지하기 위해 완벽하게 연마되고 기하학적으로 정확해야 합니다. 너무 큼 다이 반경은 마찬가지로 중요합니다. 너무 작은 반경은 유동을 제한하고 파열을 유발하지만, 반경이 너무 큰 경우

공구 자체의 강성도 중요합니다. 만약 다이 쇼 두께가 충분하지 않으면 톤수 하에서 휘어져 압력 분포가 고르지 않게 될 수 있습니다. 가이드 핀은 상부 및 하부 공구의 측면 이동을 방지할 만큼 견고해야 하며, 그렇지 않으면 갭이 일정하지 않고 국부적으로 주름이 생길 수 있습니다.

공정 변수: 윤활 및 소재 선정

프레스 성형에서 마찰은 양날의 검과 같다. 비록 윤활 갈림 및 긁힘 방지를 위해 윤활이 필수적이지만, 지나친 윤활성(너무 미끄러운 상태)은 실제로 주름 발생을 악화시킬 수 있다 만약 BHF를 보상하기 위해 증가시키지 않는다면 말이다. 소재가 너무 쉽게 흐르기 때문에 바인더가 주름 저항에 충분한 마찰력을 생성할 수 없게 된다. 윤활제는 일정하게 도포되어야 하며 노즐은 고정된 위치에 설치되어야 한다.

재료 특성 또한 공정 창에 영향을 미친다. 스테인리스강 적용 시 일반적인 304- 304L 재료를 대체하면 성형성을 크게 개선할 수 있다. 304L은 낮은 항복강도(약 35KSI로 304의 42KSI보다 낮음)를 가지므로 흐름에 대한 저항이 적고 가공경화 속도가 느려 평탄하게 유지하는 데 필요한 힘이 감소한다. 이방성을 최소화하기 위해 항상 원자재가 "딥 드로우 퀄리티(DDQ)"로 명시되었는지 확인해야 한다.

완벽한 설계가 있더라도 제조 파트너의 물리적 역량이 제한 요소가 될 수 있습니다. 컨트롤 암(Control Arms)이나 서브프레임(Subframes)과 같은 대량 생산 자동차 부품의 경우 정밀도는 절대적으로 요구됩니다. 제조업체들은 소이 메탈 테크놀로지 최대 600톤 용량의 프레스와 IATF 16949 인증을 활용하여 급속 시제품 제작에서부터 대량 생산까지의 격차를 해소합니다. 전문 업체와 협력하면 이론적인 BHF 계산값이 실제 장비 성능과 일치하여 조립 라인에 결함이 도달하기 전에 이를 방지할 수 있습니다.

문제 해결 체크리스트: 단계별 프로토콜

생산 라인에서 주름이 발생할 경우, 근본 원인을 식별하기 위해 다음의 체계적인 진단 절차를 따르십시오.

1. 프레스 점검: 마모된 기브(Gibs) 또는 램(Ram)의 비평행 여부를 확인하십시오. 램이 수직으로 내려오지 않으면 압력 분포가 고르지 않게 됩니다.
2. 재료 사양 확인: 재료 두께가 일정한가요? 코일 가장자리를 측정해 보세요. 0.003인치 정도의 미세한 차이도 바인더 갭에 영향을 줄 수 있습니다.
3. 스탠드오프(Standoffs) 점검: 스톱 블록이 올바른 간격을 설정하고 있는지 확인하세요. 스톱 블록이 마모되었거나 느슨한 경우, 시트에 힘을 가하기 전에 바인더가 '바닥에 닿는' 현상이 발생할 수 있습니다.
4. BHF를 점진적으로 조정: 바인더 압력을 소량씩 증가시켜 나가세요. 주름이 지속되지만 균열이 시작된다면, 공정 창을 너무 좁게 설정한 것입니다—드로우 비드나 윤활제 변경을 고려해 보세요.
5. 윤활제 점검: 플랜지 영역에 윤활제 혼합물이 과도하게 농거나 도포량이 너무 많은지 확인하세요.
6. 공구 표면 점검: 드로우 비드나 라운딩 부위에 갈링(galling)이 발생하여 불균일한 저항을 유발하지는 않은지 확인하세요.

플로우 제어의 정수

주름 방지는 힘을 제거하는 것이 아니라 정밀하게 관리하는 문제입니다. 이는 후프 응력의 물리학과 바인더 압력, 공구 형상, 소재 선택 같은 공학적 제어 요소들을 균형 있게 통합적으로 고려해야 합니다. 성형 공정을 고립된 단계가 아닌 상호작용하는 변수들의 시스템으로 다룬다면, 제조업체는 일관되고 결함 없는 딥 드로잉 부품을 달성할 수 있습니다.

성공은 세부 사항에 달려 있습니다: N/mm² 압력의 정확한 계산, 드로우 비드(Draw Beads)의 전략적 배치, 프레스 및 공구 상태를 유지하기 위한 철저한 관리. 이러한 제어 조건이 확보된다면 가장 복잡한 형상도 신뢰성 있게 성형할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

1. 블랭크 홀더 힘(Blank Holder Force)을 올바르게 계산하는 방법은 무엇입니까?

기본 계산은 플랜지(Flange) 면적(바인더 아래)에 재료별 요구되는 특정 압력을 곱하는 것입니다. 저탄소강(Mild Steel)의 경우 약 2.5 N/mm² (MPa)를 사용합니다. 트라이아웃(Tryout) 중 조정을 위해 여유를 두어야 하므로 항상 프레스 용량 요구사항에 안전 마진(예: +30%)을 추가해야 합니다.

2. 윤활제를 너무 많이 사용하면 주름이 생길 수 있습니까?

네. 윤활제는 마찰을 감소시키며, 이 마찰은 재료 흐름을 억제하는 힘 중 하나입니다. 블랭크 홀더 힘을 상응하게 증가시키지 않은 채 마찰이 크게 줄어들면 재료가 다이 캐비티(Die Cavity)로 지나치게 자유롭게 유입되어 좌굴과 주름이 발생할 수 있습니다.

3. 주름(Wrinkling)과 파열(Tearing)의 차이는 무엇입니까?

주름과 파열은 서로 반대되는 결함 모드입니다. 주름은 과도한 압축 과 흐름 제한이 부족할 때(느슨한 소재) 발생합니다. 파열(균열)은 과도한 인장 과 흐름 제한이 지나칠 때(단단한 소재) 발생합니다. 프레스 성형 작업자의 목표는 이 두 가지 결함 사이의 '공정 창구(process window)'를 확보하는 것입니다.