KR101837873B1 - 강판의 펀칭용 공구 및 펀칭 방법 - Google Patents

Abstract

자동차의 경량화를 향해, 자동차 부품에의 고강도 박강판의 적용을 진행시키는 것을 목적으로 하고, 고강도 박강판의 펀칭 구멍 확장성을 개선한다. 피가공재가 되는 강판을 다이 및 돌기를 구비한 펀치를 사용하여 소정의 외형 형상으로 하는 펀칭 공정에서 사용하는 공구에 있어서, 다이 절삭날부의 곡률 반경(Rd)이 0.03㎜ 이상, 0.2㎜ 이하이고, 펀치 절삭날로부터 돌기 숄더로 그은 접선과 펀치 이동 방향과 직각 방향이 이루는 각도(α)가 12° 이상 72° 이하인 것을 특징으로 하는, 펀칭용 공구, 그것을 사용한 펀칭 방법 및 성형 방법. 또한, 다이 절삭날부[숄더(R)부]를 곡률 반경 R1, R2의 2단 R로 하고, R1, R2의 중심을 통과하는 직선의 기울기를 β로 할 때, 0.03㎜≤R1≤0.2㎜, 1≤R2/R1≤5, 0≤R2(1-sinβ1)≤0.3t, 30°≤β≤90°로 함으로써, 펀칭 구멍 확장성을 더욱 개선할 수 있다.

Description

강판의 펀칭용 공구 및 펀칭 방법{STEEL PLATE PUNCHING TOOL AND PUNCHING METHOD}

본 발명은, 박강판의 펀칭용 공구, 및 그 공구를 사용한 펀칭 가공 방법에 관한 것이다.

오일 쇼크에서 발단이 된 자동차의 경량화의 요구에 대응하여, 자동차용으로서 사용되는 강판의 고강도화가 진행되어 왔다. 최근, 자동차의 충돌 안전성의 향상 요구도 발생하여, 가일층의 자동차용 강판의 고강도화의 요구는 높아지고 있다.

강판은 강도가 상승함에 따라, 일반적으로는 성형성이 희생되어, 프레스 성형시에 크랙이 발생하기 쉬워진다. 그로 인해, 고강도 강판의 적용에 있어서는, 그 프레스 성형 공정에 있어서, 크랙의 방지를 도모할 필요가 있다. 특히, 자동차용 강판의 프레스 성형에 있어서는, 펀칭한 단부면을 주위 방향으로 잡아늘이는 「펀칭 구멍 확장 성형」이 많이 보이고, 그러한 성형에서의 크랙의 방지는 중요하다.

도 1에, 종래의 평저 펀치를 사용한 펀칭 공정에서의 피가공 재료의 변형 상태를 도시한다. 이 펀칭 공정에서는, 도 1의 (b)에 도시되는 경화층에 큰 압축 또는 인장의 변형이 가해지기 때문에, 그 부분이 현저하게 경화된다. 그리고, 그로 인해, 펀칭 후의 단부면의 연성이 열화되어, 펀칭 구멍의 펀칭 구멍 확장성이 현저하게 열화되어 있었다. 이 경화층에 의한 단부면 연성 열화는 특히 고강도강에서 현저하여, 최근의 자동차 경량화 요구에 대응하여 다용되게 된 고강도 강판의 펀칭 구멍 확장성의 개선이 요구되고 있다.

이 펀칭 구멍 확장성을 개선하는 펀칭 기술로서, 돌기를 선단에 구비시킨 펀칭 펀치를 사용하여 펀칭을 행하는 기술이 제안되어 있다(특허문헌 1, 2).

이 기술에 의해 펀칭 구멍 확장성이 개선되는 원리를 이하에 설명한다. 펀칭 구멍 확장성은, 펀칭 공정에서, 소성 변형이 축적된 가공 경화층이 단부면상에 형성됨으로써 열화된다. 펀칭 공정에서는, 처음에 펀치, 다이가 피가공 재료를 전단함으로써 전단면이 형성된다. 다음으로 펀치, 다이의 절삭날 근방의 피가공 재료 내에서 균열이 발생, 진전됨으로써 파단면이 형성된다. 이 균열이 성장하여, 파단에 이른다. 파단면의 가공 경화층상의 소성 변형은, 전단면의 형성 단계에서 주로 발생하기 때문에, 전단면의 형성 단계가 짧을수록 파단면의 가공 경화층상의 소성 변형은 작아진다. 펀칭 펀치에 구비시킨 돌기의 효과에 의해 펀칭되는 피가공 재료의 펀치와 다이의 절삭날 근방에 인장 응력을 부여하여, 균열의 진전을 촉진하여, 결과적으로 전단면의 형성 단계를 짧게 할 수 있다. 이 효과에 의해, 펀칭 단부면의 변형을 억제하고, 펀칭 구멍 확장성이 개선된다.

특허문헌 1에 있어서는, 돌기에 의한 소재의 전단을 또한 방지하기 위해, 돌기의 숄더부의 곡률 반경(Rp)을 0.2㎜ 이상으로 하는 것, 또는 돌기 숄더부 각도를 100° 이상 170°도 이하로 하는 것이 요건으로 되어 있다.

특허문헌 2에 있어서는, 피가공재의 단부면의 연성을 개선하기 위해, 펀치 절삭날로부터 돌기로 그은 접선의 각도가 3°∼70°인 것이 요건으로 되어 있다.

일본 특허 공개 제2005-95980호 공보 일본 특허 공개 제2007-307616호 공보

종래 기술에 의해, 인장 강도가 약 800㎫인 고강도 강판에 있어서, 80％ 이상의 펀칭 구멍 확장률을 얻을 수 있다. 이 기술에 의해 일정한 자동차 경량화 효과는 얻어진다. 그러나, 최근 더욱 높아지고 있는 고강도 강판의 요구에 대응하기 위해서는 반드시 충분하다고는 할 수 없다. 그러한 요구에 충분히 대응하기 위해서는, 인장 강도가 약 800㎫인 고강도 강판에 있어서, 90％ 이상의 펀칭 구멍 확장률을 실현하는 것이 요구되고 있다.

본 발명은, 800㎫급의 고강도 강판의 펀칭 가공에 있어서, 펀칭 구멍 확장률 90％ 이상을 실현하는 펀칭 가공 공구 및 가공 방법을 구현화하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은, 돌기를 구비한 펀치로의 펀칭 가공에 있어서, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토하여, 이하의 지견을 얻었다.

(a) 다이의 절삭날 형상의 최적화

펀칭 가공을 할 때, 피가공재인 고강도 강판의 펀치측과 다이측에서는, 힘의 걸림 상태가 다르기 때문에, 본래, 펀치의 절삭날 형상과 다이의 절삭날 형상의 각각에 최적의 형상이 존재할 것이다. 종래 기술은, 펀치의 절삭날을 주체로 검토되어 있어, 다이의 절삭날 형상은, 최적의 것으로는 되어 있지 않다. 따라서, 본 발명자들은 다이의 절삭날 형상에 착안하여 상세한 검토를 행하였다.

우선, 다이의 숄더(R)(다이의 곡률 반경에서 절삭날의 형상에 상당)가 작으면, 피가공재인 강판의 다이측이 극단적인 압축 응력을 받는다. 그로 인해, 강판 단면 내의 압축 응력 영역이 넓어진다. 압축 응력을 받고 있는 부분은 균열 전파가 억제되기 때문에, 전단 파괴된다. 그것에 의해, 전단면이 증가되어, 가공 경화층이 많아진다.

한편, 다이의 숄더(R)가 지나치게 크면, 강판의 다이측도 인장 응력이 작용하기 때문에, 균열 전파가 진행되어 전단 파괴는 한정적이 된다. 이로 인해, 가공 경화층도 감소되기 때문에, 연성을 확보할 수 있다. 그러나, 숄더(R)가 크기 때문에, 절단 후의 강판의 변형(펀치 하강 방향으로의 늘어짐)이 발생할 가능성이 있다.

이들 내용을 고려하여, 800㎫ 이상의 고강도 강판에 있어서는, 다이의 숄더(R)를 0.03㎜∼0.2㎜로 하는 것이 적합한 것을 찾아내었다.

(b) 다이 숄더의 2단 R화

또한, 본 발명자들은 다이 숄더(절삭날 부분)를 2개의 곡률 반경을 갖는 형상(이하, 2단 R이라 한다.)으로 함으로써, 보다 압축 응력을 억제하면서, 절단할 수 있는 것을 찾아내었다.

다이 숄더가 하나의 곡률 반경을 갖는 형상(이하, 1단 R이라 하는 경우가 있다.)이면, 다이 숄더에서의 강판의 굽힘에 의해, 강판의 다이측에, 압축 응력이 작용하는 영역이 발생한다. 이 굽힘에 의한 압축 응력은, 일부러 돌기를 구비한 펀치에 의해 강판 내에 발생한 인장 응력이 완화된다. 그만큼, 균열 전파성이 나빠진다.

따라서, 다이 숄더(R)를 2단으로 함으로써, 다이 숄더에서의 강판의 굽힘을 일부 완화시켜, 이 굽힘에 의한 압축 응력이 작용하는 영역을 감소시켜, 균열 전반성을 개선할 수 있다.

또한, 펀칭 공구의 경우, 펀치와 다이의 클리어런스도 중요하다. 다이 숄더를 2단 숄더(R)로 한 경우, 펀치측의 원호 부분의 곡률 반경 R1을 크게 하면, 결과적으로 클리어런스가 넓어져, 절단도가 둔해진다. 이로 인해, 다이 숄더를 2단 숄더(R)로 한 경우, 펀치측의 곡률 반경 R1을, 펀치와 반대측(판 누름측)의 곡률 반경 R2보다도 작게 하면 되는 것을 찾아내었다.

또한, 강판이 절단될 때, 펀치측의 곡률 반경 R1이 효과를 내기 때문에, 이 곡률 반경 R1을 전술한 최적 범위로 하면 되는 것을 찾아내었다.

이에 의해, 강판에 작용하는 압축 응력을 감소할 수 있고, 보다 높은 인장 응력에 의한 균열 전파성이 얻어진다. 그리고, 전단 파괴에 의한 전단면을 감소시킬 수 있어, 가공 경화층을 감소시킬 수 있고, 구멍 확장성을 개선할 수 있다.

단, 강판의 탄성 영역 내에서의 변형에 그치는 것이 필요하기 때문에, 다이 숄더부의 강판 처짐량을 제한할 필요가 있다.

(c) 돌기를 구비한 펀치 형상의 최적화

한편, 절단시에 피가공재가 되는 강판에 효율적으로 인장 응력을 발생시킬 수 있는 돌기를 구비한 펀치의 형상에 대해서도 상세하게 검토하였다. 그 결과, 펀치 절삭날이 되는 숄더(펀치 절삭날 단부)로부터 돌기 숄더로 그은 접선과 펀치 이동 방향과 직각이 이루는 각도(α)에 최적 범위가 존재하는 것을 찾아내었다. 즉, α가 12°∼72°일 때에, 인장 응력이 크게 발생하여, 균열의 전파성을 높이는 것을 알았다.

본 발명은, 이들 지견을 기초로 이루어진 것이며, 그 요지로 하는 바는 이하와 같다.

(1)

적어도 다이, 판 누름부 및 돌기를 구비한 펀치로 구성되는 강판의 펀칭용 공구이며, 당해 펀칭 공구의 펀치의 이동 방향에 평행하고, 또한 펀치 또는 다이의 절삭날이 이루는 능선에 수직한 단면에 있어서, 다이의 절삭날이 되는 숄더부의 곡률 반경(Rd)이 0.03㎜ 이상 0.2㎜ 이하이고, 펀치의 절삭날이 되는 숄더(펀치 절삭날 단부)로부터 돌기의 숄더에 접하도록 그은 직선과 펀치의 이동 방향과 직각 방향이 이루는 각도(α)가 12° 이상 72° 이하인 것을 특징으로 하는, 강판의 펀칭용 공구.

(2)

상기 다이의 절삭날이 되는 숄더부의 곡선이 2개의 곡률 반경으로 이루어지고, 펀치에 면하는 쪽의 곡선의 곡률 반경을 R1, 다른 한쪽의 곡선의 곡률 반경을 R2로 하고,

R1과 R2에 의한 양 곡선의 교점 및 R1의 곡률 중심을 통과하는 직선과, 펀치의 이동 방향의 직각 방향이 이루는 각을 β, 강판의 판 두께를 t로 하였을 때,

0.03㎜≤R1≤0.2㎜

1≤R2/R1

30°≤β≤90°

인 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 강판의 펀칭용 공구.

단, R1, R2, t 모두 단위는 ㎜로 한다.

(3)

또한, 상기 2개의 곡률 반경 R1, R2가

1≤R2/R1≤7, 및

R2(1-sinβ)≤3t

를 만족시키는 것을 특징으로 하는 (2)에 기재된 강판의 펀칭용 공구.

(4)

적어도 다이, 판 누름부 및 돌기를 구비한 펀치로 구성되고, 판 누름부와 다이로 강판을 끼움 지지하고, 돌기를 구비한 펀치를 이동시켜 강판을 펀칭 절단하는 강판의 펀칭 방법이며, 당해 펀칭 공구의 펀치의 이동 방향에 평행하고 펀치 또는 다이의 절삭날이 이루는 능선에 수직한 단면에 있어서, 다이의 절삭날이 되는 숄더부의 곡률 반경(Rd)이 0.03㎜ 이상 0.2㎜ 이하이고, 펀치의 절삭날이 되는 숄더로부터 돌기의 숄더에 접하도록 그은 직선과 펀치의 이동 방향과 직각 방향이 이루는 각도(α)가 12° 이상 72° 이하인 것을 특징으로 하는, 강판의 펀칭 방법.

(5)

상기 다이의 절삭날이 되는 숄더부의 곡선이 2개의 곡률 반경으로 이루어지고, 펀치에 면하는 쪽의 곡선의 곡률 반경을 R1, 다른 한쪽의 곡선의 곡률 반경을 R2로 하고,

R1과 R2에 의한 양 곡선의 교점 및 R1의 곡률 중심을 통과하는 직선과, 펀치의 이동 방향과 직각 방향이 이루는 각을 β, 강판의 판 두께를 t로 하였을 때,

0.03㎜≤R1≤0.2㎜

1≤R2/R1

30°≤β≤90°

인 것을 특징으로 하는 (4)에 기재된 강판의 펀칭 방법.

단, R1, R2, t 모두 단위는 ㎜로 한다.

(6)

또한, 상기 2개의 곡률 반경 R1, R2가

1≤R2/R1≤7, 및

R2(1-sinβ)≤3t

를 만족시키는 것을 특징으로 하는 (5)에 기재된 강판의 펀칭 방법.

본 발명에 따르면, 800㎫ 이상의 고강도 강판의 펀칭 구멍 확장성을 개선할 수 있고, 펀칭한 강판에 있어서 구멍 확장률 90％를 달성할 수 있다. 그로 인해, 자동차 부품 용도에 고강도 강판의 적용이 가능해진다. 그것에 의해 자동차 차체의 경량화를 도모하는 것이 용이해지고, 자동차의 연비 경감이나 충돌 안전 성능의 개선에 기여할 수 있다.

도 1은 종래의 평저 펀치를 도시하는 도면이다. 도 1의 (a)는 펀치, 다이, 피가공재의 관계를 도시하는 도면이다. 도 1의 (b)는 피가공 재료의 변형 거동을 도시하는 도면이다.
도 2는 종래의 돌기를 구비한 펀치에 의한 펀칭 중의 피가공 재료의 변형 거동을 도시하는 도면이다.
도 3은 종래의 돌기를 구비한 펀치를 사용한 펀칭 공구의 단면을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 관한 돌기를 구비한 펀치를 사용한 펀칭 공구의 단면을 도시하는 도면이다.
도 5는 다이 숄더의 곡률 반경(Rd)과 펀칭 구멍 확장률의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 구멍 확장성(신장 플랜지성)을 도시하는 참고도이다.
도 7의 (a)는 종래의 평저 펀치를 사용한 펀칭 공구의 단면을 도시하고, 도 7의 (b)는 본 발명에 관한 돌기를 구비한 펀치를 사용한 펀칭 공구의 단면을 도시하는 도면이다.
도 8은 2단 숄더(R)를 갖는 다이 숄더부를 도시하는 도면이다.

본 발명에 대해 도면을 사용하여 설명한다. 또한, 본원에서 말하는 형상은, 특별히 언급이 없는 한, 펀칭 공구의 펀치의 이동 방향에 평행하고 펀치 또는 다이의 절삭날이 이루는 능선에 수직한 단면에 있어서 관찰할 수 있는 형상을 말한다. 또한, 특별히 언급이 없는 한, 곡률 반경, 판 두께 등에 사용하는 단위는 ㎜이다. 도 3에 종래의 돌기를 구비한 펀치를, 도 4에 본 발명에 관한 다이 숄더에 소정의 곡률 반경(Rd)을 형성한 펀칭 공구의 단면도를 도시한다.

처음에, 돌기를 구비한 펀치에 의해 펀칭을 행한 경우에 펀칭 구멍 확장성이 개선되는 효과에 대해 설명한다.

특허문헌 1, 2에서 개시되는 바와 같이, 펀치 형상을 도 3에 도시하는 절삭날(B) 및 돌기(A)로 이루어지는 구조로 하고, 절삭날(B)로 절단되는 부분[피가공 재료 절단부(M)]에 돌기(A)에 의해 인장 응력을 부여한 경우에는, 절삭날(B) 근방에서의 균열의 발생과 진전이 인장 응력에 의해 촉진되어, 피가공 재료가 큰 소성 변형을 받는 일 없이 절삭날(B)에 의해 절단되기 때문에, 펀칭 단부면의 변형은 저감되고, 펀칭 구멍 확장성은 개선된다.

이때, 돌기 형상을 소정의 형상으로 하지 않으면 충분한 펀칭 구멍 확장성 개선의 효과가 얻어지지 않는다. 즉, 절삭날(B)로 절단되는 부분(M)에 굽힘에 의한 충분한 인장 응력을 부여하기 위해서는, 돌기(A)에 의해 피가공 재료가 절단되는 현상을 방지할 필요가 있다. 그러나, 그러기 위해서는, 돌기(A)의 숄더부에 소정의 곡률 반경(Rp)을 부여하거나, 혹은 소정의 각도(θp)를 부여할 필요가 있다. 그리고, 본 발명에 있어서는, 돌기에 의한 전단을 방지하기 위해, 돌기의 숄더부의 곡률 반경(Rp)을 0.2㎜ 이상으로 하거나, 또는 돌기 숄더부 각도(θp)를 100° 이상 170° 이하로 할 필요가 있다.

또한, 본 발명에 있어서는, 펀치 절삭날이 되는 숄더(펀치 절삭날 단부)로부터 돌기의 숄더부로 그은 접선과 펀치 이동 방향에 직각 방향이 이루는 각도(α)는, 12° 이상, 72° 이하로 하면 된다. 이 각도(α)가 12°보다 작으면 소재의 펀치 숄더나 다이 숄더 근방의 피가공 재료에 인장 응력을 부여하는 효과가 충분히 얻어지지 않아, 돌기에 의한 변형 저감의 효과가 얻어지지 않는다. 바람직하게는 20° 이상으로 하면 좋고, 더욱 바람직하게는 30° 이상으로 하면 좋다. 또한, 각도(α)가 72°보다 크면, 돌기에 의한 과대한 변형이 단부면에 부여되어, 펀칭 구멍 확장성은 열화된다. 바람직하게는 60° 이하로 하면 좋고, 더욱 바람직하게는 50° 이하로 하면 좋다.

본 발명은, 이상의 기술을 기초로 하여, 도 4에 도시하는 바와 같이 다이 숄더(절삭날)에 소정의 곡률 반경(Rd)을 부여함으로써, 가일층의 펀칭 구멍 확장성의 개선을 도모하는 것이다. 다이 숄더(절삭날)에 곡률 반경(Rd)이 부여됨으로써, 전단 중에 다이 숄더(절삭날)에서 발생하는 소성 변형이 분산되어, 펀칭 단부면의 소성 변형이 저감되는 것에 기인하는 것이라 추정된다. 이에 의해 펀칭 구멍 확장성이 개선된다. 이 효과는, 돌기를 구비한 펀치를 사용한 경우에 얻어지는 것이며, 통상의 평저 펀치의 경우에는 마찬가지의 효과는 얻어지지 않는다.

도 5에는, 도 4의 돌기를 구비한 펀치를 사용한 경우에, 다이 숄더의 곡률 반경(Rd)을 바꾼 경우의 펀칭 구멍 확장률의 변화를 도시하고 있다. 비교 대상으로서, 통상의 평저 펀치를 사용한 경우도 도시한다. 이때의 펀치 직경은 10㎜, 다이 내경은 10.65㎜이다. 또한, 시험에 사용한 피가공 재료는, 820㎫의 인장 강도, 591㎫의 항복 강도, 32％의 전연신율을 갖고, 판 두께가 2.6㎜인 고강도 열연 강판이다. 펀칭 클리어런스=12.5％로 하였다. 돌기를 구비한 펀치의 형상에 대해서는, 절삭날 단부(P)와 돌기 돌출 위치(D)의 거리(Dp)를 1.0㎜, 펀치 돌기 숄더부 각도(θp)를 135°, 펀치 돌기 숄더부 곡률 반경(Rp)은 0.5㎜, 펀치 돌기 높이(Hp)를 3.0㎜로 하였다.

다이 숄더의 곡률 반경(Rd)은, 통상의 펀칭 공정에 있어서의 조업에서는, 약 0∼0.025㎜(25㎛)의 사이에서 변화된다. 즉, 신품의 다이에서는 그 숄더부 곡률 반경(Rd)은 약 0㎜이며, 펀칭수가 증가됨에 따라 다이 숄더부의 곡률 반경(Rd)은 마모에 의해 증가된다. 그리고, 마모가 진행되면 다이는 교체할 수 있다. 통상의 교체의 주기에서는, 숄더부 곡률 반경(Rd)은 약 0.025㎜ 정도까지 커진다.

또한, 펀칭 구멍 확장률은, 꼭지각 60°의 원추 펀치를 초기 구멍에 넣고 눌러 확장시켜 구멍 단부면의 판 두께 방향으로 균열이 관통한 시점에서 펀치를 멈추고, 그때의 구멍 직경의 초기 구멍 직경(예를 들어 10㎜)에 대한 증가율로서 구하였다. 또한, 펀칭 클리어런스의 정의는, 펀치와 다이의 간격(C)/판 두께(t)×100(％)이다.

도 5에서는, 돌기를 구비한 펀치를 사용함으로써, 평저 펀치의 경우와 비교하여 펀칭 구멍 확장성은 현저하게 개선되어 있다. 그리고, 돌기를 구비한 펀치를 사용한 경우, 다이 숄더(절삭날)의 곡률 반경(Rd)이 지나치게 작으면 펀칭 구멍 확장률은 낮다. 이 이유는, 이하와 같이 생각된다. 다이 숄더의 곡률 반경(Rd)이 지나치게 작은 경우, 다이 숄더 근방의 피가공 재료에 변형이 집중되고, 그것이 펀칭 단부면상에 잔류하기 때문이다. 한편, 다이 숄더 곡률 반경(Rd)이 지나치게 커도 펀칭 구멍 확장성은 열화된다. 다이 숄더 곡률 반경(Rd)이 큰 경우, 다이 숄더(절삭날)로부터의 균열의 발생이 지연되고, 그것에 의해 균열 발생까지 단부면에 가해지는 변형이 증가되기 때문이다.

요건을 도 4에 기초하여 이하에 설명한다. 본 발명에 사용하는 펀칭 펀치 또는 다이는, 돌기(A) 및 절삭날부(B)의 2단 구조로 할 필요가 있다. 이것은, 절삭날(B)로 피가공재를 전단하기 전에 돌기(A)로 피가공재의 절단부(M)에 인장 응력을 부여하여, 절단 후의 피가공재의 절단 단부면의 변형을 저감시키기 위해서이다.

펀치 돌기 숄더부의 곡률 반경(Rp)은, 0.2㎜ 이상으로 하면 된다. 이것은, 돌기 숄더부의 곡률 반경(Rp)이 0.2㎜ 이하이면 피가공재가 돌기(A)에 의해 전단되어, 절삭날(B)에 의해 전단되는 부분(M)에 충분한 인장 응력을 부여할 수 없기 때문이다. 본 발명에 있어서, 돌기 숄더부 곡률 반경(Rp)에 특별히 상한은 없지만, 펀치의 사이즈에 따라서는 곡률 반경(Rp)이 지나치게 크면 돌기 높이(Hp)를 크게 하는 것이 곤란해지므로, 5㎜ 이하가 바람직하다.

또한, 돌기 숄더부의 각도(θp)를 100° 이상, 170° 이하로 하면 된다. 이것은, 돌기 숄더부의 각도(θp)가 100° 이하이면, 돌기(A)에 의해 피가공 재료가 전단되기 때문에 절삭날(B)에 의해 전단되는 부분(M)에 충분한 인장 응력을 부여할 수 없고, 또한, 돌기 숄더부의 각도(θp)가 170° 이상이면, 절삭날(B)에 의해 전단되는 부분에 충분한 인장 응력을 부여할 수 없기 때문이다.

단, 돌기 숄더부의 곡률 반경(Rp)과 돌기 숄더부의 각도(θp)에 관한 규정은, 돌기에 의해 소재가 전단되는 것을 방지하기 위한 규정이며, 그러기 위해서는 어느 한쪽이 만족되어 있으면 된다.

본 발명에 의한 펀칭에서는 단부면 연성에 대한 펀칭 클리어런스[도 4 중의 간격(C)/판 두께(t)×100(％)]의 영향은 종래 기술과 동일하며, 종래의 펀칭 방법과 비교하여 특별한 주의를 기울일 필요는 없다.

다이 숄더(절삭날)(Rd)[다이 절삭날부의 곡률 반경(Rd)]가 0.03㎜ 이상, 0.2㎜ 이하로 하면 된다. 다이 숄더(Rd)가 지나치게 작으면, 다이 숄더(절삭날)에 접촉되는 강판 부분(이하, 강판의 다이 숄더 근방이라 한다.)에의 큰 변형의 집중이 발생하므로, 펀칭 구멍 확장성이 열화된다. 한편, 다이 숄더(Rd)가 지나치게 크면 강판의 다이 숄더(절삭날) 근방으로부터의 균열의 발생이 지연되어, 단부면에의 변형이 집중된다. 이로 인해, 단부면의 변형을 최소화하고, 펀칭 구멍 확장성을 개선하는 관점에서, 상술한 다이 숄더(절삭날)(Rd)의 상하한이 형성된다. 펀칭 구멍 확장성을 특히 양호하게 하기 위해서는, 다이 숄더 곡률 반경(Rd)은 0.05㎜ 이상, 0.15㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.

통상의 펀칭에서는, 통상 적절히 다이에 피가공 재료를 고정하기 위해 판 누름부(주름 누름부)를 사용해도 된다. 본 발명의 펀칭 방법에 있어서도, 판 누름부는 사용하는 것이 바람직하다. 판 누름부 하중(판 누름부로부터 피가공 재료에 걸리는 하중)은, 특별히 펀칭 구멍 확장성에는 영향을 미치지 않으므로 한정하지 않는다.

펀치 속도도, 통상의 강판의 펀칭 가공의 범위 내이면, 펀칭 구멍 확장성에는 큰 영향은 미치지 않으므로 한정하지 않는다. 많은 경우, 펀칭 공정에서는 금형의 마모를 억제하기 위해, 금형 또는 피가공 재료에 윤활유가 도포된다. 본 발명에 있어서도, 적절히 윤활유를 사용해도 된다.

또한, 돌기(A)에 의해 충분한 인장 응력을 부여하기 위해서는, 돌기 높이(Hp)는, 피가공재의 판 두께의 10％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 절삭날 단부(P)와 돌기의 돌출 위치(Q)의 간격(Dp)은 0.1㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 이 간격이 0.1㎜ 이하인 경우, 절삭날(B)에 의한 피가공재의 전단시, 통상 절삭날의 선단 근방으로부터 발생하는 균열이 발생하기 어려워져 절삭날에 의한 절단 위치에 변형이 가해지기 때문이다.

또한, 본 발명에 관한 펀치에 있어서, 절삭날 단부(P)와 돌기의 돌출 위치(Q) 사이의 부분, 돌기 저면부(Bp), 및 돌기(A)의 종벽 부분은, 펀치의 제작상 평탄 형상이 바람직하지만, 약간의 요철이 있어도 상술한 요건을 만족시키고 있으면 효과는 동일하다.

본 발명은, 종래의 절삭날(B)만이었던 평저 펀치에, 돌기(A)를 구비시킴으로써 펀칭 구멍 확장성을 양호하게 하는 것이다. 돌기(A)를 구비시키고, 돌기 높이(Hp)를 높게 함으로써, 절삭날(B)과 피가공재가 접촉되는 면압이 내려가기 때문에, 절삭날 단부(P)의 마모량도 저감된다.

이 관점에서, 돌기 높이(Hp)는 높을수록 바람직하다. 그러나, 지나치게 높은 경우, 대상의 피가공 재료에 따라서는, 절삭날(B)과 피가공재가 접촉되기 전에 돌기(A)와 절삭날(B) 사이에서 피가공 재료가 파단되어, 효과가 얻어지지 않는 경우도 있다. 이로 인해, 그러한 경우에는 돌기 높이(Hp)를 대략 10㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.

펀치 절삭날이 되는 숄더(펀치 절삭날 단부)로부터 돌기 숄더로 그은 접선과 펀치 이동 방향에 직각 방향이 이루는 각도(α)는, 12° 이상, 72° 이하로 하면 된다. 이 각도(α)가 12°보다 지나치게 작으면 소재의 펀치 절삭날 근방의 피가공 재료에 인장 응력을 부여하는 효과가 충분히 얻어지지 않아, 돌기에 의한 변형 저감의 효과가 얻어지지 않는다. 바람직하게는 20° 이상으로 하면 좋고, 더욱 바람직하게는 30° 이상으로 하면 좋다. 또한, 각도(α)가 72° 지나치게 크면, 돌기에 의한 과대한 변형이 단부면에 부여되어, 펀칭 구멍 확장성은 열화된다. 바람직하게는 60° 이하로 하면 좋고, 더욱 바람직하게는 50° 이하로 하면 좋다.

본 발명에 있어서는, 펀칭 후의 구멍 확장 성형시의 펀치의 이동 속도를 크게 하고, 단부면의 주위 방향 변형 속도를 크게 한 편이 보다 큰 펀칭 구멍 확장성을 얻는데 있어서는 바람직하다. 이것은, 단부면의 주위 방향 변형 속도가 클수록, 동일한 펀치 스트로크의 시점에서는, 균열 진전량은 작고, 구멍 확장 성형시의 펀칭 단단부면상의 균열의 진전은 느려져 있기 때문이다. 이 관점에서, 단부면의 변형 속도는 0.1/초 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 이 관점에서는 펀치의 이동 속도를 크게 하는 것이 바람직하지만, 과도하게 펀치의 이동 속도가 큰 경우, 그를 위한 기계 시스템의 제어가 곤란해지므로, 변형 속도의 상한은 5.0/초로 한다.

여기서, 단부면의 주위 방향의 변형 속도라 함은, 펀칭에 의해 발생한 단부면을, 그 후의 프레스 성형 공정에서 도 6에 도시하는 바와 같이 주위 방향으로 잡아늘일 때의 단부면의 주위 방향 변형(εθ)의 증가의 속도(dεθ/dt)를 가리킨다.

다음으로 2단 숄더(R)에 대해 설명한다.

도 8에 2단 숄더(R)를 갖는 다이의 숄더부의 단면도를 도시한다. 전술한 바와 같이, 이 단면은, 펀칭 공구의 펀치의 이동 방향에 평행하고 펀치 또는 다이의 절삭날이 이루는 능선에 수직한 단면이다. 2단 숄더(R)에서 2개 있는 곡률 반경 중, 전술한 바와 같이, 펀치측의 곡률 반경 R1은, 펀치와 반대측(판 누름측)의 곡률 반경 R2보다 작게 하면 된다. 이에 의해, 펀치와 다이스 사이의 클리어런스를 유지하면서, 피가공재가 되는 강판의 다이측에 발생하는 압축 응력을 완화시킬 수 있다.

2개의 곡률 반경에 의한 호는 매끄럽게 연결되어야 하므로, 2개의 곡률 반경의 원은 접하게 된다. 즉, 다이 숄더(R)의 변곡점이, 2개의 곡률 반경의 원호의 교점(접점)(T)이 된다. 이때 R1, R2의 곡률 중심 O1, O2(원호의 중심)와, 2개의 원호의 접점은, 동일 직선상에 있다. 이 R1, R2의 곡률 중심을 통과하는 직선과, 펀치의 이동 방향에 직각 방향이 이루는 각을 β로 한다. 2개의 곡률 반경 R1, R2와 각도 β가 결정되면, 다이의 절삭날 형상은 결정할 수 있다. R1, R2와 각도 β의 관계에 대해 이하에 설명한다.

펀칭 공구의 경우, 펀치와 다이의 클리어런스가 중요하다. 다이 숄더를 2단 숄더(R)로 한 경우, 펀치측의 원호 부분의 곡률 반경 R1을 크게 하면, 결과적으로 클리어런스가 넓어져, 절단도가 둔해진다. 이로 인해, 다이 숄더를 2단 숄더(R)로 한 경우, 펀치측의 곡률 반경 R1을, 펀치와 반대측(판 누름측)의 곡률 반경 R2보다도 작게 하면 되는 것을 찾아내었다. 또한, 강판이 절단될 때, 펀치측의 곡률 반경 R1이 효과를 내기 때문에, 이 곡률 반경 R1을 전술한 1단 숄더(R)의 경우의 곡률 반경(Rd)의 최적 범위로 하면 된다.

또한, 절단성(절단도)을 확보하는 관점에서, 숄더부 전체 중 곡률 반경 R1의 원호가 3분의 1(1/3) 이상 차지하면 된다. 즉, β는 30° 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이것보다 작으면, 곡률 반경이 큰 R2의 원호가 지배적이 되어, 절단성이 열화되기 때문이다. 바람직하게는, R1의 원호가 절반 이상이 되는 β가 45° 이상이면 좋다. β의 상한은 특별히 한정하지 않는다. 기하학적으로 90°가 상한이 된다.

이상의 내용으로부터, 곡률 반경 R1, R2와 β를,

0.03㎜≤R1≤0.2㎜

1≤R2/R1

30°≤β≤90°

로 하면 된다.

다이 숄더(R)의 펀치와는 반대측(판 누름측)의 곡률 반경 R2의 상한은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 절단시의 강판의 처짐량(휨량)이 지나치게 크면, 강판이 소성 변형되어 버려, 절단 후에도 그 변형이 잔존하는 것이 우려된다. 이 관점에서, 곡률 반경 R2의 상한을 규정할 수 있다. 여기서 강판 처짐량은, 도 8에 도시하는 바와 같이, 다이 표면으로부터 2개의 곡률원과의 접점(T)까지의 펀치 이동 방향의 거리인 R2(1-sinβ)로 표시된다. 이 강판 처짐량을 판 두께(t)의 3배 이하로 하면, 특별히 변형되는 일 없이 절단할 수 있는 것을 확인하였다. 즉,

R2(1-sinβ)≤3t(단, 30°≤β≤90°)

로 하면 된다.

또한, R2의 상한은, 강판의 처짐량의 규정뿐만 아니라, 현실적인 제조 가능성의 관점에서도 규정할 수 있다. 제조 가능성의 관점에서, R2는 R1의 7배 이하로 하면 된다. R2는 적어도 R1 이상이어야 하기 때문에, R2와 R1의 관계는 이하의 식을 만족시키면 된다. 즉,

1≤R2/R1≤7

로 하면 된다.

R1과 R2와 β는, 이들 관계식을 만족시킬 수 있는 범위이면 임의로 설정할 수 있고, 본 발명의 효과를 충분히 만족시키는 펀칭 공구가 얻어진다. 여기서, 전술한 1단 숄더(R)의 다이는, R1=R2인 때이며, 이때의 β는 45°로서 생각하면 된다.

이상, 본 발명에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 실시 형태는, 여기에 기재된 형태에 한정되는 일은 없다.

실시예

[실시예 1]

이하에, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 도 7에 도시하는 평저 펀치[도 7의 (a)], 및 돌기를 구비한 펀치[도 7의 (b)]를 사용하여 펀칭을 행한 후, 구멍 확장 시험을 행하였다. 공시강의 기계적 특성은, TS=820㎫, YP=591㎫, T.El=32％이다. 공시강의 판 두께는, 연삭에 의해 1.2∼5.0㎜로 하였다. 사용한 시험편의 사이즈는, 폭 150㎜, 길이 150㎜로 하였다.

구멍 확장 시험은, 꼭지각 60° 원추 펀치를 사용하고, 「버어 외」의 조건, 즉 펀칭시에 다이에 접해 있던 강판의 표면이 구멍 확장 시험시에 펀치의 반대측이 되도록 시험편을 세트하고, 행하였다. 펀치를 펀칭 구멍에 압입하고, 펀칭 단부면상에 크랙이 관통할 때까지 펀치를 이동시켜, 그 시점에서의 구멍 직경(D)을 측정하고, 하기 식으로부터 펀칭 구멍 확장률을 구하였다.

펀칭 구멍 확장률(％)=(D(㎜)-D0(㎜))/D0(㎜)×100(％)

여기서, 초기 구멍 직경(D0)은 10∼50㎜로 하였다(표 1 기재 「펀치 직경(Ap)」의 값). 펀칭 클리어런스는 판 두께의 5∼20％로 하였다.

표 1에, 시험 조건, 및 시험에 제공된 펀치 형상, 다이 형상을 기재한다. 표 3 중의 클리어런스(％)는 펀치와 다이의 간격(C)/판 두께(t)×100(％)으로 정의한 수치이다.

시험에 의해 얻어진 펀칭 구멍 확장률도 표 1에 나타내고 있다. 펀칭·구멍 확장 시험 모두 5매의 시험편으로 시험을 행하였다. 펀칭 구멍 확장률은 그 평균값을 나타내고 있다.

수준 (1)은, 종래의 펀칭에 평저 펀치를 사용한 시험이며, 본 발명에 따른 펀칭에 의한 펀칭 구멍 확장률의 비교의 기준이 된다. 그 경우 40％의 펀칭 구멍 확장률이 얻어지고 있다. 본 발명이 과제로 하고 있는 자동차 부품 경량화 효과를 얻기 위해 필요한 펀칭 구멍 확장률은 90％ 이상이다.

수준 (3), (7)∼(11), (15), (17), (18), (22), (25)∼(31), (36), (38), (43), (47)∼(48)에서는 펀치 및 다이 형상이 모든 조건을 만족시키고 있어, 양호한 펀칭 구멍 확장률이 얻어지고 있다. 수준 (7)∼(11)은, 다이 숄더 곡률 반경(Rd)을 변화시킨 수준이지만, Rd가 0.03㎜ 이상, 0.2㎜ 이하일 때에 양호한 펀칭 구멍 확장률이 얻어지고 있고, 특히 Rd가 0.05㎜ 이상 0.15㎜ 이하일 때에 펀칭 구멍 확장률은 더욱 양호해져 있다.

수준 (47), (48)은 수준 (7)에 대해 구멍 확장 성형시의 펀치 속도를 크게 한 것이지만, 단부면의 주위 방향의 변형 속도의 증가에 의해, 보다 큰 펀칭 구멍 확장성이 얻어지고 있다.

수준 (2), (6), (13), (14), (16), (19), (20), (21), (23)∼(24), (32)∼(35), (37), (39)∼(42), (44)∼(46)은, 다이 숄더의 곡률 반경(Rd)이 작다. 그로 인해, 양호한 펀칭 구멍 확장률이 얻어지고 있지 않다.

수준 (4)는, 각도(α)가 소정보다 크다. 그로 인해, 소정의 펀칭 구멍 확장률이 얻어지고 있지 않다.

수준 (5)는, 각도(α)가 소정보다 작다. 그로 인해, 소정의 펀칭 구멍 확장률이 얻어지고 있지 않다.

수준 (12)는 다이 숄더의 곡률 반경(Rd)이 과도하게 크다. 그로 인해, 양호한 펀칭 구멍 확장률이 얻어지고 있지 않다.

수준 (49)는 구멍 확장 성형시의 단부면의 주위 방향 변형이 컸지만, 펀치 속도도 컸기 때문에, 펀칭 단부면상에 크랙이 관통한 시점에서 펀치를 정지할 수 없어, 펀칭 구멍 확장률을 구할 수는 없었다.

[실시예 2]

다음으로, 도 7의 (b)에 도시하는 다이의 숄더(R)(절삭날부의 R)를 2단 숄더(R)로 한 시험을 행하였다. 표 2에 시험 조건, 펀칭 펀치 및 다이의 형상을 나타낸다. 실시예 1의 수준 (8)을 기초로 하고, R1=0.05㎜(50㎛), R2=0.2㎜(200㎛)로 하였다. β=30°, 45°, 75°로 하여 시험을 행하였다. 공시강, 구멍 확장 시험 요령 등은, 실시예 1과 같다. 시험 조건, 및 시험에 제공한 펀치 형상과 다이스 형상, 펀칭 구멍 확장률을 표 2에 나타낸다.

이 결과, 실시예 1의 수준 (8)과 비교하여, 펀칭 구멍 확장성이 개선된 것을 알 수 있다.

[표 1-1]

[표 1-2]

[표 2]

본 발명은, 강판의 펀칭 공구에 이용할 수 있다. 특히 800㎫ 이상의 고강도 강판에 있어서, 그 효과를 발휘하는만큼, 자동차용 부품 등에 이용할 수 있다.

1 : 펀치
2 : 다이
3 : 판 누름부
4 : 피가공재
5 : 균열
A : 펀치 돌기
Ad : 다이 구멍 내경
Ap : 펀치 직경
B : 펀치 절삭날(숄더)
Bp : 돌기 저면부
C : 펀치-다이의 간격
Dp : PQ간의 간격
Hp : 돌기 높이
M : 재료 절단부
O1 : 2단 숄더(R)의 R1의 곡률 중심
O2 : 2단 숄더(R)의 R2의 곡률 중심
P : 펀치 절삭날 단부
Rp : 돌기 숄더부 곡률 반경
Rd : 다이 숄더부 곡률 반경
R1 : 2단 숄더(R)의 펀치측의 곡률 반경
R2 : 2단 숄더(R)의 펀치와 반대측의 곡률 반경
Q : 돌기 돌출부
T : R1, R2의 원호의 교점(접점)
Wp : 돌기 종벽부
t : 피가공재의 판 두께
θp : 돌기 종벽 각도
α : 펀치 절삭날 단부로부터 돌기 숄더로 그은 접선과 펀치 이동 방향과 직각 방향이 이루는 각도
β : R1, R2의 곡률 중심을 통과하는 직선과, 펀치의 이동 방향에 직각 방향이 이루는 각

Claims (6)

1. 적어도 다이, 판 누름부 및 돌기를 구비한 펀치로 구성되는 강판의 펀칭용 공구이며, 당해 펀칭 공구의 펀치의 이동 방향에 평행하고, 또한 펀치 또는 다이의 절삭날이 이루는 능선에 수직한 단면에 있어서,
   다이의 절삭날이 되는 숄더부의 곡선이 2개의 곡률 반경으로 이루어지고, 펀치에 면하는 쪽의 곡선의 곡률 반경을 R1, 다른 한쪽의 곡선의 곡률 반경을 R2로 하고,
   R1과 R2에 의한 양 곡선의 교점과, R1 및 R2의 곡률 중심이 동일 직선 상에 있고, 상기 직선과, 펀치의 이동 방향과 직각 방향이 이루는 각을 β, 강판의 판 두께를 t로 하였을 때,
   0.03㎜≤R1≤0.2㎜
   1＜R2/R1
   30°≤β≤90°이고,
   펀치의 절삭날이 되는 숄더로부터 돌기의 숄더로 그은 직선과 펀치의 이동 방향과 직각 방향이 이루는 각도(α)가 12° 이상 72° 이하인 것을 특징으로 하는, 강판의 펀칭용 공구.
   단, R1, R2, t 모두 단위는 ㎜로 한다.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   또한, 상기 2개의 곡률 반경 R1, R2가
   1＜R2/R1≤7, 및
   R2(1-sinβ)≤3t
   를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 강판의 펀칭용 공구.
4. 적어도 다이, 판 누름부 및 돌기를 구비한 펀치로 구성되는 펀칭용 공구를 사용하는 강판의 펀칭 방법이며, 당해 펀칭 공구의 펀치의 이동 방향에 평행하고, 또한 펀치 또는 다이의 절삭날이 이루는 능선에 수직한 단면에 있어서,
   다이의 절삭날이 되는 숄더부의 곡선이 2개의 곡률 반경으로 이루어지고, 펀치에 면하는 쪽의 곡선의 곡률 반경을 R1, 다른 한쪽의 곡선의 곡률 반경을 R2로 하고,
   R1과 R2에 의한 양 곡선의 교점과, R1 및 R2의 곡률 중심이 동일 직선 상에 있고, 상기 직선과, 펀치의 이동 방향과 직각 방향이 이루는 각을 β, 강판의 판 두께를 t로 하였을 때,
   0.03㎜≤R1≤0.2㎜
   1＜R2/R1
   30°≤β≤90°이고,
   펀치의 절삭날이 되는 숄더로부터 돌기의 숄더로 그은 직선과 펀치의 이동 방향과 직각 방향이 이루는 각도(α)가 12° 이상 72° 이하인 것을 특징으로 하는, 강판의 펀칭 방법.
   단, R1, R2, t 모두 단위는 ㎜로 한다.
5. 삭제
6. 제4항에 있어서, 또한, 상기 2개의 곡률 반경 R1, R2가
   1＜R2/R1≤7, 및
   R2(1-sinβ)≤3t
   를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 강판의 펀칭 방법.

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