KR101477908B1 - 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법 - Google Patents

Abstract

PAD의 기계 가공에 대한 프로세스 개선으로 패드 홀 가공 시간을 단축할 수 있도록 한 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법에 관한 것으로, 패드 홀 릴리프 가공 설계를 위한 기본 데이터를 입력받는 단계; (b) 상기 입력받은 기본 데이터를 기초로 드릴 최대 하사 점을 산출하는 단계; (c) 상기 드릴 최대 하사 점을 기초로 드릴 지름을 선정하는 단계; 및 (d) 상기 드릴 지름 선정 후 홀 릴리프 NC 파일을 자동으로 작성하고, 워크시트(WORKSHEET)를 자동으로 작성하는 단계를 실행함으로써, 정확한 PAD 홀 깊이의 기계 가공이 가능하며, 이로 인해 가공 불량률을 감소시킬 수 있으며, 근접 가공 제거와 금형 반전 작업을 축소하여 이전 수동작업에 의한 불안정한 작업 환경과 안전 사고 위험을 사전에 제거할 수 있는 장점이 있다.

Description

프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법{Design method for machining hole relief of PAD}

본 발명은 프레스 금형(Press-die)의 패드(PAD) 홀 릴리프(hole relief) 가공 설계방법에 관한 것으로, 특히 PAD의 기계 가공에 대한 프로세스 개선으로 패드 홀 가공 시간을 단축할 수 있도록 한 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법에 관한 것이다.

최근 차량 개발 기간에서 금형 제작 시간이 차지하고 있는 부분은 점점 커지고 있다. 따라서, 금형의 제작 납기 일정의 단축은 차량 개발 기간을 단축할 수 있는 중요한 부분이다. 또한, 금형의 기계 가공 시간은 제작 일정 기간 내, 장시간 소요됨에 따라 금형 제작 일정에 무엇보다 중요한 요인이 되고 있다.

금형 일정 단축으로 인한 현장 작업자의 안전 사고 방지 또한 금형 제작의 중요한 요소임에 틀림없다.

최근 프레스 금형의 기계가공의 경향은 현장 작업자의 수동 작업을 배제한 모든 기계 가공을 자동으로 가공함으로써, 금형 기계 가공 시간을 줄이는 노력을 시행하고 있다.

프레스 금형(PRESS-DIE)에서 PAD의 역할은 패널(PANEL)을 성형하기 위해 패널을 고정하는 역할을 수행한다. 이러한 PAD는 홀 구조를 포함하는 PAD로서, PIERCE를 하기 위해 PIERCE주변을 패딩(PADDING) 하는 역할을 한다.

홀을 포함하는 TRIM공정에서의 일반적인 PAD 기계가공 프로세스는 도 1과 같다.

PAD의 기계 가공을 위해서는 총 4회의 기계 세팅(SETTING) 작업이 필요하다.

예컨대, PAD의 바닥 기준 면을 가공하는 바닥 면 가공(①), PAD와 상부 금형(UPPER-DIE)의 정확한 일치를 위해, 조립 후 PAD 상면에 기준 홀 가공을 하는 패드 기준 홀 가공(②), 상형의 제품 형상 가공 및 PIERCE 기계 가공을 하는 상형 형상 및 PIERCE 가공(③), PIERCE SCRAP의 원활한 추출을 위해 금형 반전 후 Relief Hole 기계 가공을 하는 패드 홀 릴리프 가공(PAD HOLE RELIEF 가공)(④)이 그것이다.

여기서 PAD 후면의 HOLE RELIEF 기계 가공은 현장 작업자에 의한 수동(Manual) 작업으로 이루어지고 있다. 이러한 수동 작업은 기계 작업자에 따라 가공 품질 및 기계 가공 시간의 차이가 있을 수 있으며, HOLE의 깊이를 눈어림으로 판단하기 때문에, 가공 불량이 발생한다.

또한, 기계 테이블(Table) 위에 가공할 금형의 4회 세팅 작업으로 인한 세팅 시간 손실도 발생한다. 세팅 작업 시, 가공 금형은 대물 금형으로, 2 ~ 3명의 세팅 인원이 필요하며, 1회 세팅 시 15 ~ 20분 정도의 작업시간이 소요된다.

아울러 PAD 후면의 홀 릴리프 기계 가공은 수동(Manual) 작업으로 이루어지므로, 기계작업 시, 제품 앞면(형상 면)에서 Pierce 한 홀과 관통이 되었는지 수시로 확인해야 하며, 근접 가공 실시로 인한 칩(Chip) 비산에 의한 노출과 불안정한 작업 자세로 인한 작업자의 안전사고도 발생한다.

특히, 도 1의 PAD 가공 프로세스에 도시한 바와 같이, ①→②, ③→④ 작업 진행 시, 금형의 반전 작업이 필요하므로, 반전 작업 진행 시 작업자의 안전 사고가 발생하는 위험도 있다. 여기서 금형 반전 작업은 금형을 회전하여 상면과 바닥 면을 교체하는 작업으로 크레인을 이용해서 작업을 실시한다.

여기서 제품 형상 면에 PIERCE 가공 완료 후, 패드 홀의 릴리프 가공을 동시에 하지 않고, 별도로 PAD의 네 번째 가공에 실시한다. 즉, 패드 홀 릴리프 작업이 수동(Manual) 작업이므로, 먼저 제품 형상 면에서 Pierce 가공한 부분(형상 면에서 7.0mm)을 관통하기 위해서 별도로 가공을 한다.

아울러 PAD 홀 릴리프 가공을 PAD 앞면의 홀 작업 이전에 기계 작업할 경우, 기계 작업자는 제품의 홀 깊이를 정확히 알 수 없기 때문에 드릴(Drill)을 얼마만큼 내려서 가공해야 하는지 알 수도 없다.

이러한 프레스 금형 작업에서 발생하는 제반 문제점을 조금이나마 해소하기 위해서 종래에 제안된 기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 등록특허 등록번호 10-0862378호(2008.10.13. 공고)에 개시된다.

개시된 <특허문헌 1>은 다이 레이아웃 정보와 프레스 사양정보, 설계 시방서 정보, 정규화된 참조정보에 따라 프레스 금형을 이루는 상측 홀더, 하측 홀더 및 블랭크 홀더에 대한 그래픽 설계 정보를 자동으로 생성하여, 프레스 금형 설계에 소요되는 시간과 노력을 현격하게 경감하게 된다.

아울러, 설계자가 프레스 금형의 구조 또는 부품의 위치, 수를 선택하는 것만으로도 프레스 금형의 구조 또는 부품의 위치, 수를 가변함으로써, 프레스 금형을 용이하게 변형할 수 있게 된다.

대한민국 등록특허 등록번호 10-0862378호(2008.10.13. 공고)

그러나 상기와 같은 종래기술들은 PAD의 기계 가공 시, 가공 불량으로 인한 재(再)가공 문제, 기계 세팅 시간의 증가 문제, 수 작업에 의한 안전 사고 위험 등의 문제가 발생하였다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, PAD의 기계 가공에 대한 프로세스 개선으로 패드 홀 가공 시간을 단축할 수 있도록 한 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 PAD 홀 릴리프 가공을 1차 바닥면 기계 가공과 동시에 시행할 수 있는 프로그램 개발로, 정확한 기계 가공과 가공 시간 단축, 안전사고 방지 환경을 구축할 수 있도록 한 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법은 (a) 패드 홀 릴리프 가공 설계를 위한 기본 데이터를 입력받는 단계; (b) 상기 입력받은 기본 데이터를 기초로 드릴 최대 하사 점을 산출하는 단계; (c) 상기 드릴 최대 하사 점을 기초로 드릴 지름을 선정하는 단계; (d) 상기 드릴 지름 선정 후 홀 릴리프 NC 파일을 자동으로 작성하고, 워크시트(WORKSHEET)를 자동으로 작성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (a) 단계는 (a-1) 금형 높이 값을 입력받는 단계; (a-2) 홀 센터 위치 값을 입력받는 단계; (a-3) 제품 홀 지름을 입력받는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (b) 단계는 하기의 수식을 이용하여 드릴 최대 하사 점을 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 S1은 홀 diameter, H1은 금형 높이에서 드릴 하사 점까지의 높이, H는 금형 높이, H2는 홀의 높이를 각각 나타낸다.

본 발명에 따르면 홀 릴리프 프로그램의 개발 및 적용으로, 정확한 PAD 홀 깊이의 기계 가공이 가능하며, 이로 인해 가공 불량률을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 근접 가공 제거와 금형 반전 작업을 축소하여 이전 수동작업에 의한 불안정한 작업 환경과 안전 사고 위험을 사전에 제거할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 PAD 기계 가공에 대한 프로세스 개선으로 세팅 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 자동 NC 작업으로 인한, 정확한 가공 시간 예측이 가능하며, 기계 작업자의 만족도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 PAD 기계 가공 프로세스 공정도,
도 2는 본 발명이 적용되는 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계장치의 블록도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법을 보인 흐름도,
도 4는 본 발명에서 PAD 홀 릴리프 하사 점 계산을 설명하기 위한 설명도,
도 5는 본 발명에 적용된 홀 사이즈별 드릴 결정 테이블,
도 6은 본 발명에서 작성된 NC 코드 예시도,
도 7은 A150 HOOD INR OP20 PAD의 효과 분석 결과도,
도 8은 A150 Rail Roof CTR OP20 PAD의 효과 분석 결과도,
도 9는 A150 Rail Roof CTR OP40 PAD의 효과 분석 결과도,
도 10은 PAD 기계 가공 프로세스 개선 후 결과 비교도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명이 적용되는 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계장치의 블록구성도로서, 메모리부(10), 디스플레이부(20), 사용자 인터페이스부(30), 제어부(40) 및 외부기기 인터페이스부(50)를 포함한다.

제어부(40)는 사용자 인터페이스부(30)를 통해 입력되는 기본 데이터(금형 높이 값, 홀 센터 위치, 제품 홀 지름)를 기초로 드릴 최대 하사 점을 산출하고, 이를 기반으로 드릴 지름을 선정하며, NC 코드를 산출하고, 워크시트(worksheet)를 산출하는 역할을 한다.

메모리부(10)는 상기 제어부(40)의 처리 프로그램을 포함하는 다양한 정보를 저장하는 역할을 한다.

디스플레이부(20)는 상기 제어부(40)의 제어에 따른 정보를 출력하는 역할을 하며, 사용자 인터페이스부(30)는 설계자가 입력하는 각종 정보를 상기 제어부(40)에 전달해주는 역할을 한다.

또한, 외부기기 인터페이스부(50)는 외장형 저장장치 등의 외부기기와 제어부(40) 간을 인터페이스 해주는 역할을 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법을 보인 흐름도로서, S는 단계(step)를 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법은 (a) 패드 홀 릴리프 가공 설계를 위한 기본 데이터를 입력받는 단계(S10 ~ S30); (b) 상기 입력받은 기본 데이터를 기초로 드릴 최대 하사 점을 산출하는 단계(S40); (c) 상기 드릴 최대 하사 점을 기초로 드릴 지름을 선정하는 단계(S50); (d) 상기 드릴 지름 선정 후 홀 릴리프 NC 파일을 자동으로 작성하고, 워크시트(WORKSHEET)를 자동으로 작성하는 단계(S60)를 포함한다.

상기에서 (a) 단계는 (a-1) 금형 높이 값을 입력받는 단계(S10); (a-2) 홀 센터 위치 값을 입력받는 단계(S20); (a-3) 제품 홀 지름을 입력받는 단계(S30)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 설계자는 사용자 인터페이스부(30)를 통해 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공을 위한 설계 프로그램을 구동시킨다. 이러한 프로그램은 기계 가공시 드릴의 하사 점을 자동으로 계산하기 위한 프로그램이다. 상기 설계 프로그램이 구동되면 디스플레이부(20)에 PAD 홀 릴리프 프로그램 창이 팝-업된다.

상기 설계 프로그램이 구동된 상태에서 설계자는 단계 S10 내지 S30과 같이 홀의 정보를 입력한다. 예컨대, 도 4의 PAD 홀 릴리프 하사 점 계산을 위한 설명도에 기재한 바와 같이, 시작점(start-point)에서 pad bottom line까지의 높이인 금형 높이 값(H)을 입력한다(Z높이). 이어 홀 센터(hole center)의 위치(X, Y, Z)값을 입력하고, 홀 지름(pie) 값(S1)을 입력한다.

이후 단계 S40에서 홀 지름별 드릴이 최대 내려갈 수 있는 최적의 하사 점을 하기의 <수식1>을 통해 계산한다.

여기서 S1= hole diameter, S2 = hole relief diameter, H1 = Die-Height에서 Drill 하사 점까지의 높이, H2 = Hole의 높이(from start-point), H3 = Hole Center 위치와 Drill Point와의 높이, 7 = 홀 깊이(mm)를 각각 나타낸다.

Drill 선단 각(Drill Point Angle)은 118˚이다.

상기 드릴 선단 각은 드릴 축과 두 개의 절삭 날에 평행한 평면에 투영된 절삭 날 사이의 각을 의미한다. 선단 각은 보통 118°이며 공작물의 재질에 따라 선단 각을 바꾸는 것이 보통이다. 프레스 금형에서 주재료로 사용하는 주철이나 강은 선단 각 118°를 사용하고 있으며, 패드 홀 릴리프 설계방법에서도 선단 각은 중요한 인자로 작용한다.

그리고 드릴이 작용하는 절삭 저항은 회전할 때의 비틀림 모멘트(twisting moment)와 피드 방향의 트러스트(trust)로 나눌 수 있다. 2개의 절인을 갖는 트위스트 드릴(twist drill)에서 1개의 절인이 깎는 절삭 깊이는, 드릴의 직경에 대한 1회전당의 피드를 S라고 할 때, S/2가 된다.

실제 작업에서는 웨브(web)의 부분은 직접 절삭이 잘 되지 않고 트러스트를 증가시키며, 또한 랜드(land)부분의 마찰 영향도 있기 때문에, 실제 값과 이론적인 값에 차가 크다. 일반적으로 2개의 절인이 형성하는 각, 즉 첨단 각 2θ를 크게 하면, 모멘트(moment)는 감소되나, 트러스트는 크게 된다. 따라서 가공물의 재질에 따라 적당한 값을 선정해야 한다. 일반적으로 연강에서는 드릴 선단 각 2θ = 118°를 사용하는 것이 보통이다.

경사각의 영향은 바이트의 경우와 같은 작용을 하며, 경사각의 증가와 더불어 절삭 저항은 점차 감소되고, 경사각이 어떤 값의 상이 되면 절삭 저항이 일정하게 된다.

그리고 상기와 같이 홀 지름별 드릴이 최대 내려갈 수 있는 최적의 하사 점을 계산하면, 다음 단계로 S50에서 드릴 지름을 선정한다.

여기서 드릴 지름은 단계 S30에서 입력한 홀의 지름에 따라 드릴의 Pie(지름) 값이 결정된다.

홀의 크기별 드릴 지름 결정은 도 5와 같은 테이블에 따른다. 도 5는 홀 사이즈별 드릴 사용 표준을 나타낸 것이다.

이러한 단계를 거쳐 홀 크기에 따라 드릴 지름이 선정되면, 단계 S60으로 이동하여 NC 코드를 자동으로 생성한다. 그리고 작업을 위한 워크시트가 자동으로 작성되어 출력된다.

그리고 상기와 같이 작성된 워크시트가 가공 기계에 전송되면, PAD 홀 릴리프의 NC 기계 가공이 이루어지게 되는 것이다.

즉, 기계 작업자는 드릴 자동 선택을 보고 해당 TOOL을 사용하여 기계 가공을 하면 되는 것이다.

본 발명자는 상기와 같은 PAD 홀 릴리프 가공 설계방법을 A150 HOOD INR OP20(홀의 개수 30개), RAIL-ROOF-CTR OP20(홀의 개수 8개), RAIL-ROOF-CTR OP40(홀의 개수 18개)과 같은 조건을 갖는 차량에게 실제 적용하였다.

PAD의 1차 면삭 기계 가공 후, PAD를 기계에서 탈거하지 않고, 키 좌면을 기준으로 RELIEF HOLE을 가공하였다.

NC 데이터 작성은 1차 면삭 가공 전에 PAD HOLE RELIEF PROGRAM을 이용해서, HOLE RELIEF의 DRILL이 가공할 수 있는 최적의 하사 점을 계산하고, DNC를 통해 기계에 연결하였다.

Drill의 최적 깊이 가공으로, PAD 상면 HOLE 가공 결과, HOLE 깊이가 7.0mm 가 확보된 것을 확인할 수 있었다.

상기 ITEM A150 HOOD INR OP20(홀의 개수 30개), RAIL-ROOF-CTR OP20(홀의 개수 8개), RAIL-ROOF-CTR OP40(홀의 개수 18개) PAD에 대해 실제 적용 효과를 분석하였다.

도 7은 A150 HOOD INR OP20 PAD의 효과 분석 결과도이고, 도 8은 A150 Rail Roof CTR OP20 PAD의 효과 분석 결과도이며, 도 9는 A150 Rail Roof CTR OP40 PAD의 효과 분석 결과도이다.

이전의 가공 방법에서는 현장의 기계 작업자가 직접 도면을 해독하고, 직접 기계에 홀 위치정보를 작성하는데 15 ~ 20분 정도 소요된다. 반면, 본 발명에 따른 PAD 홀 릴리프 설계방법을 이용하면 NC 작업자가 홀의 기본 정보만 입력하면 되므로, 5 ~ 10분 정도 소요되어 이전의 가공 방법에 비해 작업시간을 절반 이상 단축할 수 있다.

기계 가공 시간에 있어서도, 이전의 가공방법은 작업자의 감으로 하는 수동 작업으로 실시하였기 때문에, RELIEF HOLE 1개당 10분 정도 소요되었으나, 본 발명을 이용할 경우 개당 2 ~ 3분 정도 밖에 소요되지 않으며, 자동 가공으로 정확한 가공뿐만 아니라, 안전하게 가공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 가공 프로세스 변경(PAD의 4번째 기계 세팅 후 가공→1번째 1차 면삭 후 가공)을 통해서 얻어지는 효과를 도 10에 도시하였다.

Hole 10개 가공 기준이며, 형상 및 면삭 기계 가공시간은 동일하다고 전제하였다.

PAD 가공 프로세스 변경을 통해 얻어지는 효과는 HOLE 10개를 기준으로 약 100% 정도의 기계 가공 시간 절감 효과가 있다. HOLE 개수가 많은 ITEM 일수록 그 효과는 더욱 커짐을 알 수 있다.

상기 나타난 적용 효과 이외에도, 금형 반전 작업 축소 및 자동화 작업으로 작업 환경이 개선된 것도 큰 효과라고 할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10 : 메모리부 20 : 디스플레이부
30 : 사용자 인터페이스부 40 : 제어부
50 : 외부기기 인터페이스부

Claims (3)

1. 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법에 있어서,
   (a) 패드 홀 릴리프 가공 설계를 위한 기본 데이터를 입력받는 단계;
   (b) 상기 입력받은 기본 데이터를 기초로 드릴 최대 하사 점을 산출하는 단계;
   (c) 상기 드릴 최대 하사 점을 기초로 드릴 지름을 선정하는 단계; 및
   (d) 상기 드릴 지름 선정 후 홀 릴리프 NC 파일을 자동으로 작성하고, 워크시트(WORKSHEET)를 자동으로 작성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 (a) 단계는 (a-1) 금형 높이 값을 입력받는 단계; (a-2) 홀 센터 위치 값을 입력받는 단계; (a-3) 제품 홀 지름을 입력받는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 (b) 단계는 하기의 수식을 이용하여 드릴 최대 하사 점을 산출하는 것을 특징으로 하는 프레스 금형의 패드 홀 릴리프 가공 설계방법.
   

   

   
   상기에서 S1은 홀 diameter, H1은 금형 높이에서 드릴 하사 점까지의 높이, H는 금형 높이, H2는 홀의 높이를 각각 나타낸다.

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