TL;DR

고강도 강판의 스탬핑은 세 가지 주요 공학적 과제를 동반합니다: 높은 항복 강도로 인한 심각한 탄성 복귀 극심한 접촉 압력으로 인한 급속한 금형 마모 프레스 내부에 손상을 줄 수 있는 위험한 역톤티지 (스냅스루) 이러한 과제들을 극복하기 위해서는 전통적인 연강 소재 공정에서 벗어나 응력 기반 시뮬레이션을 통한 보상, 특수 코팅이 적용된 분말야금(PM) 공구강 사용, 저속에서 에너지를 제어할 수 있는 서보 프레스 기술과 같은 고급 완화 전략으로의 전환이 필요합니다. 성공적인 가공은 치수 정밀도를 유지하면서 장비 수명을 희생하지 않도록 다이 설계부터 윤활까지 전체 공정을 최적화해야 합니다.

과제 1: 스프링백 및 치수 제어

고강도 강판(AHSS) 및 고강도 저합금(HSLA) 소재를 스탬핑할 때 가장 흔히 발생하는 문제는 스프링백(springback)이다. 이는 성형 하중 제거 후 금속이 탄성적으로 회복되는 현상으로, 연강에 비해 AHSS는 항복강도가 훨씬 높아 성형 후 더욱 강하게 '튕겨 오르는' 특성이 있다. 이러한 형상 편차는 단순한 선형 복귀가 아니라 종종 사이드월 컬(sidebar curl) 및 왜곡(twist) 형태로 나타나 정밀 부품의 치수 제어를 극도로 어렵게 만든다.

기존의 시행착오 방식은 AHSS에는 비효율적이다. 대신 엔지니어들은 단순한 변형 기준이 아닌 응력 기반 예측 모델을 활용하는 첨단 기술에 의존해야 한다. 유한 요소 분석(FEA) 시뮬레이션을 통해 다이 설계자는 기하학적 보정(geometric compensation)을 적용할 수 있으며, 이는 부품이 스프링백된 후 정확한 최종 형상을 얻기 위해 고의로 다이 면을 과도하게 굽히거나 변형시키는 방법이다. 그러나 시뮬레이션만으로는 기계적 개입 없이는 종종 충분하지 않다.

실용적인 공정 조정도 마찬가지로 중요합니다. 다음과 같은 기술들이 회전 구부림 및 잠금 스텝 또는 '코인 비드(coined beads)' 사용은 재료 내 응력을 고정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 에 따르면 제작자 , 서보 프레스 기술을 활용해 스트로크 하단에서 '정지(dwell)'를 프로그래밍하면 하중 하에서 재료가 이완되도록 할 수 있으며, 이는 탄성 회복을 상당히 줄이는 데 기여합니다. 이러한 '형상 설정(set shape)' 접근 방식은 단순한 크래시 포밍(crash forming)보다 훨씬 효과적이며, 후자는 과도한 톤수를 필요로 하고 금형 마모를 가속화합니다.

과제 2: 금형 마모 및 다이 파손

고강도 강재(AHSS)의 높은 항복 강도—종종 600MPa를 초과하거나 1000MPa를 넘기도 함—은 프레스 성형 공구에 막대한 접촉 압력을 가합니다. 이러한 환경에서는 갈림(galling), 깨짐(chipping), 그리고 치명적인 공구 파손의 위험이 크게 증가합니다. 연강 처리에는 충분히 작동하는 D2나 M2와 같은 일반 공구강도 AHSS를 가공할 경우 재료의 마모성과 성형에 필요한 높은 에너지로 인해 종종 조기에 파손됩니다.

이에 대응하기 위해 제조업체는 분말야금(PM) 공구강 고강도 강판 가공량이 많은 작업에는 PM-M4 등급을 사용하면 마모 저항성이 뛰어나며, 고충격 응용 분야에서 파손을 방지하기 위해서는 PM-3V 등급이 필요한 강도를 제공한다. 재료 선택을 넘어서서, 표면 처리 또한 매우 중요하다. 윌슨 툴(Wilson Tool) 펀치의 경우 원통 연마 방식 대신 직선 연마 방식으로 전환할 것을 권장한다. 이와 같은 종방향 표면 처리는 스트리핑 시 마찰력을 줄여주고 후퇴 과정 중 갈링(galling) 발생 위험을 최소화한다.

표면 코팅은 마지막 방어선이다. 질화티타늄(TiCN)이나 탄화바나듐(VC)과 같은 첨단 물리증착(PVD) 및 열확산(TD) 코팅은 코팅되지 않은 공구에 비해 수명을 최대 700%까지 연장시킬 수 있다. 이러한 코팅은 고강도 강판의 변형 에너지로 인해 발생하는 극심한 열에도 견딜 수 있는 단단하고 윤활성 있는 보호막을 형성한다.

과제 3: 프레스 용량 및 스냅-스루 하중

고강도 강판을 프레스 성형할 때 숨겨진 위험은 프레스 자체에 미치는 영향인데, 특히 (스냅-스루) 현상과 관련이 있다. 에너지 용량 그리고 역톤티지 (스냅스루) 기계 프레스는 스트로크 하단 근처에서의 톤수를 기준으로 정격이 결정되지만, 고강도 철강소재(AHSS) 성형은 스트로크 초기부터 높은 에너지를 필요로 한다. 또한 소재가 파열(관통)될 때 저장된 위치 에너지가 갑자기 방출되며, 이로 인해 충격파가 프레스 구조물 전체로 되돌아간다. 이러한 '스냅-스루' 하중은 장비의 역방향 톤수 용량(일반적으로 정방향 용량의 10~20% 수준)을 초과할 경우 베어링, 연결 막대, 심지어 프레스 프레임까지 파손시킬 수 있다.

이러한 힘들을 완화하기 위해서는 정밀한 장비 선택과 다이 엔지니어링이 필요합니다. 펀치 길이를 계단식으로 배치하고 절단 에지에 전단 각도를 적용하면 돌파 하중을 시간에 걸쳐 분산시켜 최대 충격을 줄일 수 있습니다. 그러나 중장비용 구조 부품의 경우, 종종 프레스 자체의 성능이 병목 현상을 일으킵니다. 이러한 하중을 안전하게 처리하려면 전문 제조업체와 협력하는 것이 일반적으로 필요합니다. 예를 들어, 샤오이 메탈 테크놀로지의 포괄적인 스탬핑 솔루션 은 최대 600톤까지의 프레스 성능을 포함하여 작은 규모의 표준 프레스로는 감당할 수 없는 컨트롤 암 및 서브프레임과 같은 두꺼운 게이지 자동차 부품의 안정적인 생산이 가능합니다.

에너지 관리는 또 다른 중요한 요소이다. 전통적인 기계식 프레스를 느리게 운전하여 충격 하중을 줄이면 의도치 않게 플라이휠 에너지가 감소하게 되며(에너지는 속도의 제곱에 비례함), 이로 인해 정지 현상이 발생할 수 있다. 서보 프레스는 저속에서도 에너지를 완전히 유지함으로써 다이와 프레스 구동계 모두를 보호할 수 있는 느리고 제어된 천공이 가능하다.

과제 4: 성형성 한계 및 엣지 균열

강재의 강도가 증가함에 따라 연신율은 감소한다. 이러한 상충 관계는 가장자리 균열 특히 플랜징 또는 홀 익스펜션 공정 중에 두드러진다. 고강도강(AHSS)의 강도를 부여하는 미세조직 상(phase)들(예: 마르텐사이트)은 소재가 전단되는 경우 균열 발생 지점으로 작용할 수 있다. 연강에 일반적으로 사용되는 표준 커팅 클리어런스인 재료 두께의 10%는 종종 엣지 품질이 낮아지고 성형 중 후속 파손으로 이어진다.

다이 클리어런스 최적화가 주요 대응책이다. 다음에 따르면 MetalForming Magazine , 오스테나이트 스테인리스 강종의 경우 소재 두께의 35-40%에 달하는 클리어런스가 필요할 수 있는 반면, 페라이트계 및 이중상 강은 일반적으로 작업 경화 영역을 최소화하기 위해 두께의 10-15% 또는 최적화된 '설계 클리어런스'를 필요로 한다. 레이저 트리밍은 시제품 제작 시 대안이 될 수 있으나 양산에서는 엔지니어들이 종종 샤빙 공정(shaving operation)을 사용한다. 이는 최종 성형 단계 이전에 전단면의 가공 경화된 가장자리 부분을 제거하여 연성 복원 및 균열 방지를 위한 2차 절단 공정이다.

결론

고강도 강판의 성공적인 스탬핑은 단순히 더 큰 힘을 가하는 것을 넘어서며, 제조 공정에 대한 근본적인 재설계가 필요합니다. 스프링백에 대비하기 위한 시뮬레이션 기반 보정 기술 도입부터 PM 공구강 사용 및 고용량 서보 프레스 활용에 이르기까지, 제조업체는 고강도 강판(AHSS)을 별도의 소재 그룹으로 간주해야 합니다. 탄성 복원, 마모, 파손 역학의 물리적 특성을 사전에 해결함으로써 제작 업체는 과도한 부품 폐기율이나 장비 손상을 유발하지 않고도 더 가볍고 강한 부품을 생산할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

1. 고강도 강판 스탬핑 시 가장 큰 도전 과제는 무엇인가요?

가장 중요한 도전 과제는 일반적으로 탄성 복귀 스프링백 현상으로, 성형력 제거 후 재료가 탄성적으로 원래 형태로 되돌아오는 것입니다. 이로 인해 정밀한 치수 공차를 확보하기 어려워지며, 이를 교정하기 위해 고도화된 시뮬레이션과 다이 보정 전략이 필요합니다.

2. AHSS 스탬핑 시 공구 마모를 줄이는 방법은 무엇인가요?

분말야금(PM) 공구강(예: PM-M4 또는 PM-3V)을 사용하면 내인성과 마모 저항성이 우수하여 공구 마모를 완화할 수 있습니다. 또한 PVD나 TD(열확산)와 같은 첨단 코팅을 적용하고 펀치 연마 방향(종방향 대 원통형)을 최적화하는 것이 공구 수명을 연장하기 위한 필수적인 단계입니다.

3. 스탬핑 프레스에서 역톤티지가 위험한 이유는 무엇입니까?

역톤티지 또는 스냅스루(snap-through)는 소재가 파열될 때 프레스 프레임에 저장된 에너지가 갑자기 방출되는 현상입니다. 이 충격파는 연결 부위에 역방향 힘을 가하게 되며, 이 힘이 프레스의 정격 용량(일반적으로 전방 톤수의 10~20%)을 초과할 경우 베어링, 크랭크 및 프레스 구조물에 치명적인 손상을 일으킬 수 있습니다.