절단 및 천공 다이 설계의 핵심 원리

TL;DR

트리밍 및 천공 다이 설계는 시트 메탈을 정밀하게 절단하고 펀칭하기 위한 견고한 프레스 공구를 제작하는 전문 엔지니어링 분야입니다. 성공적인 설계는 절단력에 대한 정확한 계산, 공구 재료의 전략적 선정 및 고급 설계 기법에 달려 있습니다. 주요 목표는 재료 응력을 효과적으로 관리하고, 버가 최소화된 깨끗한 절단을 보장하며, 다이 세트의 작동 수명과 정확도를 극대화하는 것입니다.

트리밍 및 천공 공정의 기본 원리

판금 가공 분야에서 트리밍(trimming)과 피어싱(piercing)은 부품의 최종 형상을 결정하는 기본적인 절단 공정입니다. 비슷한 공정들과 종종 함께 언급되지만, 이 둘은 서로 다른 기능을 수행합니다. 트리밍은 성형된 부품의 외곽 가장자리에서 과도한 재료를 제거하여 최종 외형을 얻는 공정입니다. 반면 피어싱은 부품 내부에 위치한 재료를 펀칭하여 구멍이나 슬롯과 같은 내부 형상을 만드는 것을 의미합니다. 두 공정 모두 펀치와 다이의 절단 에지에 극한의 응력이 집중되어 재료가 깨끗하게 파단되는 전단 작용(shearing action)에 의존합니다.

기계적 절단면의 품질은 롤오버(rollover), 번니쉬(burnish), 파단(fracture), 버(Burr)의 네 가지 영역으로 특징지어집니다. 이에 대한 자세한 내용은 AHSS Guidelines 고강도 강판의 경우 이상적인 컷팅 에지는 뚜렷한 버니시 영역과 매끄러운 파손 영역을 가져야 하며, 이는 후속 성형 공정에서 균열을 방지하는 데 중요합니다. 이러한 기본 원리를 이해하는 것이 일관되고 고품질의 부품을 생산할 수 있는 공구를 설계하는 첫 번째 단계입니다.

각 공정의 역할을 명확히 하기 위해 다른 일반적인 절단 공정들과 비교해 보는 것이 도움이 됩니다. 블랭킹은 피어싱과 유사하지만, 블랭킹에서는 잘려나간 재료(슬러그)가 목표 제품인 반면, 피어싱에서는 슬러그가 폐기물입니다. 전단(shearing)은 두 개의 블레이드 사이에서 시트 메탈을 직선으로 절단하는 일반적인 용어입니다. 각 공정은 원하는 결과와 제조 공정 내에서의 위치에 따라 선택됩니다.

다이 설계의 핵심 원리 및 주요 계산

효과적인 다이 설계는 공학 원리에 기반한 데이터 중심의 과정입니다. 모델링을 시작하기 전에 설계자는 도구가 작동 중인 하중을 견딜 수 있고 선택된 프레스 내에서 신뢰성 있게 작동할 수 있도록 중요한 계산을 수행해야 합니다. 가장 기본적인 계산은 프레스에 필요한 톤수를 결정하는 절단력 계산이며, 일반적으로 다음 식으로 표현됩니다. 절단력 (F) = L × t × S 여기서 'L'은 절단 둘레의 총 길이, 't'는 재료 두께, 'S'는 재료의 전단 강도입니다.

절단력의 정확한 산정은 일반적으로 20~30%의 여유율을 두고 적절한 톤수를 가진 프레스를 선정하는 데 필수적입니다. 또 다른 중요한 요소는 펀치와 다이 개구부 사이의 간격인 다이 클리어런스(die clearance)입니다. Jeelix 에 의해 제공된 포괄적인 가이드에서 설명한 바와 같이, 최적의 클리어런스는 일반적으로 양쪽 면에서 재료 두께의 5~12% 정도입니다. 클리어런스가 부족하면 절단력과 공구 마모가 증가하며, 지나치게 크면 버(burr)가 크게 발생하고 가장자리 품질이 저하될 수 있습니다. 고강도 첨단 강재(AHSS)의 경우, 관련 높은 응력을 관리하기 위해 이러한 클리어런스를 더 크게 설정해야 하는 경우가 많습니다.

다이 부품 자체의 재료 선정은 또 다른 핵심 원칙이다. 펀치와 다이 인서트는 마모 저항성을 위한 경도와 충격 하에서 파편 발생을 방지하기 위한 인성 간의 균형을 가져야 한다. 일반적인 용도에는 D2 및 A2 공구강이 흔히 사용되며, 대량 생산 또는 마모성이 강한 소재 가공 시에는 분말야금강 또는 초경합금이 요구될 수 있다. 이 선택 과정에서는 비용과 성능 간의 타협이 이루어지며, 다이 수명을 최대화하고 정비로 인한 가동 중단 시간을 최소화하는 것을 목표로 한다. 자동차 산업과 같은 복잡한 응용 분야의 경우 전문 지식 확보가 매우 중요하다. 예를 들어 Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. 은 자동차 스탬핑 다이 분야에 특화되어 있으며, 고급 시뮬레이션 기술과 재료 지식을 활용하여 견고하고 효율적인 금형 솔루션을 제공한다.

트리밍 및 피어싱 다이 세트의 구성

다이(die)는 단일 덩어리의 강철 블록이 아니라 각각 특정 기능을 가진 상호 의존적인 구성 요소들로 정밀하게 조립된 구조물이다. 이러한 구조를 이해하는 것은 효과적인 금형 설계, 제작 및 유지보수를 위해 필수적이다. 전체 조립체는 다이 세트 내에 장착되며, 이 다이 세트는 가이드 핀과 부싱에 의해 정렬되는 상부 및 하부 다이 슈(또는 플레이트)로 구성된다. 이 기본 시스템은 고속 작동 중 도구의 상하부 절반 사이에서 마이크론 수준의 정렬을 보장하여 손상을 방지하고 부품의 일관성을 유지하는 데 중요하다.

주요 작업 부품은 펀치와 다이 블록(또는 다이 버튼/삽입부)입니다. 상부 다이 샤에 장착된 펀치는 절단을 수행하는 남성형 부품이며, 하부 샤에 장착된 다이 블록은 펀치가 삽입되는 개구부를 가진 여성형 부품입니다. 이 두 부품 사이의 정밀한 형상과 간격은 천공된 구멍이나 트림된 가장자리의 최종 형태를 결정합니다. 이들의 재질, 경도 및 표면 마감은 공구 수명과 부품 품질에 있어 매우 중요합니다.

또 다른 중요한 구성 요소는 스트리퍼입니다. 펀치가 소재를 절단한 후, 판금의 탄성 회복으로 인해 소재가 펀치에 붙어 있는 현상이 발생합니다. 스트리퍼는 프레스의 상승 동작 시 소재를 펀치에서 강제로 분리하는 역할을 합니다. 스트리퍼는 고정형 또는 스프링 부하형일 수 있으며, 후자의 경우 절단 공정 중 소재를 평평하게 유지하기 위한 압력을 제공함으로써 부품의 평탄도를 향상시킵니다. 연속 다이의 경우, 파일럿도 필수적입니다. 이들은 스트립에 미리 뚫린 구멍에 맞물려 다음 각 공정 위치에서 정확한 정렬을 보장하는 핀입니다.

다이 구성 요소 점검 및 유지보수 체크리스트:

• 펀치 및 다이 버튼: 절단 에지의 둥글어짐, 깨짐 또는 과도한 마모 여부를 정기적으로 점검하십시오. 깨끗한 절단을 유지하고 절단력을 줄이기 위해 필요 시 연마하십시오.
• 가이드 핀 및 부싱: 적절히 윤활이 되었는지 확인하고 갈림 현상이나 마모 징후를 점검하십시오. 마모된 가이드는 정렬 오류 및 심각한 다이 충돌을 유발할 수 있습니다.
• 스트리퍼 플레이트: 스프링(해당되는 경우)에 적절한 압력이 가해지고 있는지 확인하고 파손 여부를 점검하십시오. 접촉면의 마모 상태를 확인하십시오.
• 다이 세트: 다이 쉐이브(die shoes)에 균열이나 손상이 없는지 점검하십시오. 모든 체결 부품들이 정확한 토크 규정에 맞게 조여졌는지 확인하십시오.
• 일반적인 청결 상태: 슬러그, 슬리버 및 기타 잔해가 다이에 남아 있지 않도록 관리하여 부품 결함이나 공구 손상을 방지하십시오.

고급 다이 설계 기술 및 소재

기본 원리를 넘어서, 고급 다이 설계는 성능 최적화, 어려운 소재 처리 및 대량 생산을 위한 공구 수명 연장을 중심으로 합니다. 가장 중요한 발전 중 하나는 프로그레시브 다이(Progressive dies)의 사용인데, 이는 단일 공구 내 여러 공정 위치에서 천공, 트리밍, 벤딩 등의 다양한 작업을 순차적으로 수행합니다. Eigen Engineering 의 전문가들이 설명한 바와 같이, 프로그레시브 다이 설계 기술을 완성하기 위해서는 재료 사용률을 극대화하고 스트립이 다이를 통과할 때 안정성을 보장하기 위한 정교한 스트립 레이아웃 계획이 필요합니다.

부품의 뛰어난 평탄도를 확보하기 위해 파인블랭킹(fineblanking) 및 컷앤캐리(cut-and-carry)와 같은 기술이 사용됩니다. 파인블랭킹은 고압 패드와 V-링을 사용하여 소재를 단단히 고정함으로써 거의 균열 영역이 없는 완전히 전단된 직선 에지의 부품을 만드는 특수 공정입니다. 마찬가지로, 컷앤캐리 방법은 제작자 에 의해 설명되는데, 스트립의 일부만 절단하고 압력 패드로 부품을 평평하게 고정한 후 이후 공정에서 이탈시키는 방식입니다. 절단 중 소재에 대한 이러한 제어는 변형을 유발하는 내부 응력을 최소화합니다.

고강도 강재(AHSS)를 설계할 때는 높은 인장강도와 낮은 연성으로 인해 독특한 어려움이 따릅니다. 이로 인해 다이 간격을 넓게 설정하고, 더 견고한 공구 구조와 분말야금강 또는 탄화물과 같은 고품질 공구 재료를 사용하여 극심한 하중과 마모에 견딜 수 있도록 해야 합니다. 또한 프레스 톤수와 충격을 줄이기 위해 펀치 형상을 조정할 수 있습니다. 절단면을 전단 또는 경사지게 설계하면 절단 동작이 약간 긴 시간 동안 분산되어 필요한 힘이 크게 감소하며, 다이와 프레스 모두에 손상을 줄 수 있는 강력한 '스냅-스루(snap-through)' 현상도 줄일 수 있습니다.

프로그레시브 다이 대 단일 공정 다이

• 프로그레시브 다이의 장점: 매우 높은 생산 속도, 낮은 노동 비용, 높은 반복 정밀도, 여러 공정을 하나의 공구로 통합 가능
• 프로그레시브 다이의 단점: 매우 높은 초기 금형 비용, 복잡한 설계 및 제작 과정, 대형 부품이나 심하게 드로잉되는 부품에는 유연성이 낮음
• 단일 공정 다이의 장점: 금형 비용이 낮고 설계가 간단하며 소량 생산이나 매우 큰 부품 제작에 유연성이 뛰어납니다.
• 단일 공정 다이의 단점: 생산 속도가 훨씬 느리고, 부품당 노동 비용이 더 높으며, 반복적인 취급과 위치 결정으로 인해 일관성 없는 결과가 발생할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

1. 다이 설계 규칙이란 무엇인가요?

특정한 하나의 "규칙"이 있는 것은 아니지만, 다이 설계는 확립된 원칙들을 따릅니다. 여기에는 재료 특성에 기반한 절단력 계산, 펀치와 다이 사이의 적절한 간격 설정(일반적으로 재료 두께의 측면당 5~12%), 다이 세트의 구조적 강성 확보, 스트립 레이아웃 내에서 작업 순서의 논리적 계획 수립 등이 포함됩니다. 궁극적인 목표는 안전하고 신뢰할 수 있으며, 항상 품질 사양을 충족하는 부품을 생산하는 도구를 만드는 것입니다.

2. 트림 공구 다이캐스팅이란 무엇인가?

다이 캐스팅에서 트림 공구는 시트 금속 스탬핑에서 사용하는 트림 공구와 유사한 목적을 수행하지만, 다른 유형의 부품에서 작동한다. 부품이 다이 캐스팅(용융된 금속을 몰드에 주입하는 방식)으로 제작된 후에는 러너(runner), 오버플로우(overflows), 플래시(flash)와 같은 불필요한 잔여 물질이 남게 된다. 트림 다이(trim die)는 2차 프레스 공정에서 이러한 불필요한 재료를 전단하여 깨끗하고 완성된 주조 부품을 만드는 데 사용되는 공구이다.

3. 다이 커팅용 스틸 룰(steel rule)이란 무엇인가?

스틸 룰 다이 커팅은 일반적으로 종이, 골판지, 폼 또는 얇은 플라스틱과 같은 부드러운 재료에 사용되는 다른 방식의 공정이다. 이 방식은 원하는 형태로 굽힌 날카로운 얇은 강재 블레이드(이른바 "스틸 룰")를 평평한 기반(대개 합판)에 삽입한 후 재료에 가압하는 방식이다. 비금속 또는 매우 얇은 시트 금속 응용 분야에서 형상을 절단하는 데 경제적인 방법이다.

4. 다이 커팅의 다양한 유형은 무엇인가?

다이 커팅은 다양한 소재와 생산량에 맞춰 여러 가지 방법을 포함한다. 금속판 가공에서 주로 하드 공구(펀치 및 다이 세트)를 사용하는 천공, 블랭킹, 트리밍과 같은 스탬핑 공정을 의미한다. 그 외의 형태로는 두꺼운 소재용 플랫베드 다이 커팅, 라벨이나 개스킷의 고속 생산을 위한 회전식 다이 커팅, 그리고 물리적인 다이를 사용하지 않는 디지털 커팅 방식인 레이저 또는 워터젯 커팅이 있다.