KR102348564B1

KR102348564B1 - 전단 방법

Info

Publication number: KR102348564B1
Application number: KR1020200069478A
Authority: KR
Inventors: 이현영
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2022-01-06
Also published as: KR20210152686A

Abstract

본 발명은 예컨대 자동차용 부품을 성형하는 데에 사용되는 블랭크를 제조함에 있어, 가공 방법의 개선을 통해 엣지 성형성을 향상시킬 수 있는 전단 방법에 관한 것으로, 소재에서 예정된 전단 라인의 적어도 일부를 따라 상기 예정된 전단 라인 주위에 복수의 구멍을 형성하는 단계; 및 상기 예정된 전단 라인을 따라 상기 소재를 원하는 형상으로 전단하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

전단 방법 {Shearing method}

본 발명은 예컨대 자동차용 부품을 성형하는 데에 사용되는 블랭크를 제조함에 있어, 향상된 엣지 성형성을 얻을 수 있는 전단 방법에 관한 것이다.

자동차의 차체를 구성하는 부품은 경량화 요구에 따라 고강도화는 필수적이나, 금속으로 된 소재는 강도의 향상으로 인해 성형성은 저하된다. 이 때문에, 강도가 높고 성형성이 우수한 금속 소재에 대한 연구 및 개발이 지속적으로 이루어지고 있는데, 기본적인 소재의 특성이 향상되면 부품 성형에 대한 설계 자유도도 향상될 수 있다.

여기서, 소재의 전단 후 엣지 성형성은 소재의 특성 내에서 가공 방법에 따라 가용률이 달라지며, 통상 프레스 금형을 이용한 전단 후 엣지 성형성의 손실률은 70 ~ 80% 이상이다. 프레스 금형을 이용한 전단은, 만들고자 하는 형상과 동일하게 상부 금형(펀치)과 하부 금형(다이)을 제작하여 소재를 절단하는 방법으로서, 소재의 두께 대비 상부 금형과 하부 금형의 간극 조절을 통하여 수 % 이내의 엣지 성형성에 대한 제어가 가능하다.

하지만, 이 정도 범위의 엣지 성형성으로는 부품 성형에 대한 설계 자유도를 높이기 어려우며, 양산되는 제품의 품질 확보도 용이하지 못하다.

한편, 소재를 레이저로 절단하거나 전단 후 리머(Reamer)로 가공하여 엣지 성형성을 향상시킬 수는 있으나, 프레스 금형과는 별도의 설비 및 공정을 마련해야 하므로 많은 비용이 수반된다.

(특허문헌 1) JP 3688978 B2

본 발명은 예컨대 자동차용 부품을 성형하는 데에 사용되는 블랭크를 제조함에 있어, 가공 방법의 개선을 통해 엣지 성형성을 향상시킬 수 있는 전단 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전단 방법은, 소재에서 예정된 전단 라인의 적어도 일부를 따라 상기 예정된 전단 라인 주위에 복수의 구멍을 형성하는 단계; 및 상기 예정된 전단 라인을 따라 상기 소재를 원하는 형상으로 전단하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 구멍이 상기 예정된 전단 라인의 전체를 따라 상기 예정된 전단 라인을 둘러싸면서 형성되고, 상기 복수의 구멍과 상기 예정된 전단 라인 사이의 거리는 1 내지 3mm의 범위를 가질 수 있다.

본 발명에 의하면, 예컨대 1GPa급 냉간 스탬핑용 소재의 엣지 변형율이 종래 대비 80% 정도 향상됨을 확인할 수 있으며, 이에 따라 고강도의 소재를 채용하더라도 엣지 성형성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 일반적인 펀칭과 더블 펀칭을 적용했을 때 소재의 엣지 성형성을 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전단 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전단 방법에 이용되는 제1 장치를 도시한 요부 단면도이다.
도 4는 복수의 구멍과 예정된 전단 라인 사이의 거리, 및 구멍들 간 간격을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전단 방법에 이용되는 제2 장치를 도시한 요부 단면도이다.
도 6은 전단 조건에 따른 엣지의 응력과 변형율 간 관계를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

종래에 블랭크를 제조할 때의 전단 가공은, 다이 상에 소재를 올려놓고서 펀치를 아래로, 즉 소재의 두께 방향으로 압입하여 소재에 폐단면을 형성하거나 개단면을 형성한다. 이러한 펀칭은 최종 블랭크 형상을 프레스에 의한 1회 타발로 성형할 수 있다.

전단 가공면은 일반적으로 기계 가공으로 형성하는 가공면에 비해 성상(性狀)이 저하된다. 예를 들어, 1GPa급 강판에서는, 신장 플랜지 균열(전단 가공 후의 프레스 가공에서 전단 가공면에 발생하는 균열)이 발생하기 쉽고, 더구나 이후 공정에 영향을 끼치는 전단면 확장성이 낮다는 등의 과제를 안고 있다.

이와 같이 전단 가공면이 갖는 문제점을 해결하기 위한 기술이 다양하게 제안되고 있다. 예를 들면, 더블 펀칭 또는 2단계 펀칭을 적용하는 것이다.

더블 펀칭은, 예컨대 폐단면인 구멍을 형성할 때 소정 직경을 가진 구멍을 바로 1회 타발하여 성형하는 방식이 아닌, 1차로 예비 타발하여 초기 직경의 구멍을 형성한 후 2차로 메인 타발을 실시하여 원하는 소정 직경의 구멍으로 확장하는 방법이다.

이러한 더블 펀칭 또는 2단계 펀칭에서는, 2차의 메인 타발시에 전단된 엣지(Edge)의 경화 저감으로 인하여 엣지 성형성이 향상될 수 있다.

엣지 성형성을 평가하는 방법으로는, 대표적인 예로 ISO16630 HET(Hole Expansion Test)가 있으며, 구멍 확장성(HER: Hole Expansion Ratio)이 엣지 성형성의 평가 지표이다.

본 출원인은, 폐단면의 형성시 더블 펀칭 또는 2단계 펀칭을 적용하여 구멍 확장성의 향상에 효과가 있음을 확인하였다.

도 1은 일반적인 펀칭과 더블 펀칭을 적용했을 때 소재의 엣지 성형성을 비교한 그래프이다.

동일한 강판으로부터 얻은 시편들에 직경 20mm의 구멍을 형성할 때, 일반적인 1회 타발에 의한 펀칭이 적용된 제1 시편에서는 구멍 확장성(HER)이 50% 미만으로 나타나지만, 더블 펀칭을 적용한 제2 시편과 제3 시편은 구멍 확장성(HER)이 100%에 근접하거나 초과함을 볼 수 있다.

도 1의 제2 시편은 1차의 예비 타발에서 직경 16mm의 구멍을 형성한 후 2차의 메인 타발에서 원하는 직경 20mm의 구멍으로 확장한 것이고, 제3 시편은 1차의 예비 타발에서 직경 18mm의 구멍을 형성한 후 2차의 메인 타발에서 원하는 직경 20mm의 구멍으로 확장한 것이다.

본 출원인은, 전술한 폐단면의 전단 가공에서 더블 펀칭 또는 2단계 펀칭이 엣지 성형성을 향상시키는 효과를 개단면 또는 선형(線形)의 전단 가공면을 갖는 블랭크의 제조에 적용하고자 한다. 물론, 본 발명은 폐단면의 전단 가공면을 갖는 블랭크의 제조에도 적용될 수 있음은 당연하다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전단 방법은, 최종 블랭크 형상으로 타발하기 전에 예비적으로 타발을 실시하는 더블 펀칭 또는 2단계 펀칭을 이용한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전단 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전단 방법은, 소재(1)에서 예정된 전단 라인(2)의 적어도 일부를 따라 그 주위로 복수의 구멍(3)을 형성하는 단계, 예정된 전단 라인을 따라 소재를 원하는 형상으로 전단하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 예정된 전단 라인(2)은 최종 블랭크 형상과 일치되는 선으로서, 반드시 소재에 표시될 필요가 없는 가상의 선으로 될 수 있다.

복수의 구멍(3)은, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 예정된 전단 라인(2)의 일부를 따라 예정된 전단 라인 주위에 부분적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전단 가공면 중 차후에 신장이 요구되는 선형 부분, 바람직하기로는 직선 부분에 해당하는 예정된 전단 라인에만 인접하여 1차로 복수의 구멍이 형성될 수 있다.

혹은, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 복수의 구멍(3)은 예정된 전단 라인(2)의 전체를 따라 예정된 전단 라인을 둘러싸듯이 형성될 수 있다.

복수의 구멍(3)을 형성하는 단계는 예비 펀칭에 의해 이행될 수 있으며, 이를 위한 제1 장치(10)가 도 3에 도시되어 있다.

제1 장치(10)는, 복수의 예비 펀치부(11)가 형성된 상부 금형(12); 복수의 예비 펀치부에 대응되게 복수의 오목홈(13)이 형성된 하부 금형(14); 및 하부 금형 위에 배치되어 소재(1)를 누르는 제1 홀더(15)를 포함할 수 있다.

예비 펀치부(11)와 오목홈(13)은 서로 대응되는 형상의 단면을 가질 수 있다. 예를 들면, 단면 형상은 원형, 타원형, 또는 삼각형, 사각형 등과 같은 다각형, 임의의 형상을 갖는다.

복수의 예비 펀치부(11)는 상부 금형(12)의 하면에서 예정된 블랭크 형상의 적어도 일부를 따라 배열될 수 있다. 마찬가지로, 복수의 오목홈(13)은 하부 금형(14)의 상면에서 예정된 블랭크 형상의 적어도 일부를 따라 배열될 수 있다.

도 2의 (b)처럼, 복수의 구멍(3)이 예정된 전단 라인(2)의 전체를 따라 예정된 전단 라인을 둘러싸듯이 형성되는 경우에, 상부 금형(12)에서 복수의 예비 펀치부에 의해 둘러싸인 공간은 최종 블랭크(5)의 면적, 즉 예정된 전단 라인(2)으로 구획된 면적보다 큰 면적을 갖는다. 하부 금형(14)에서, 복수의 오목홈(13)에 의해 둘러싸인 공간은 최종 블랭크(5)의 면적과 동일하거나 보다 큰 면적을 가질 수 있다.

제1 홀더(15)는 복수의 예비 펀치부(11)가 통과하는 관통공(16)을 가지며, 하부 금형(14)에 대해 소재(1)를 누르고 있어, 상부 금형(12)의 하강시 예비 펀치부(11)와 오목홈(13)의 끼워맞춤에 의한 소재의 변형을 방지하는 한편, 상부 금형의 상승시 소재가 예비 펀치부에 끼여 함께 상승되는 것을 방지할 수 있다.

1차의 예비 펀칭으로 소재(1)에 복수의 구멍(3)을 형성하기 위해, 복수의 예비 펀치부(11)가 형성된 상부 금형(12)이 프레스(미도시)의 슬라이드에 장착되고, 복수의 오목홈(13)이 형성된 하부 금형(14)은 프레스의 베드에 각각 고정되어, 양쪽 금형이 서로 상하로 상대운동할 수 있다.

제1 홀더(15)는 상부 금형(12)을 지지하는 프레스의 금형 홀더에 매달리도록 설치되어 소재(1)를 가압하도록 힘이 가해진다.

하부 금형(14)의 위에 소재(1)가 놓이고 상부 금형(12)이 하강한다. 상부 금형이 하강되면, 제1 홀더(15)가 상부 금형보다 먼저 하강하여 소재에 맞닿아 소재를 하부 금형 쪽으로 가압한다. 상부 금형이 제1 홀더보다 조금 늦게 소재에 접촉하고 더욱 하강함으로써 복수의 예비 펀치부(11)가 소재에 복수의 구멍(3)을 뚫는다.

이로써, 소재(1)에는 예정된 전단 라인(2) 주위로 복수의 구멍(3)이 형성될 수 있게 된다.

엣지 성형성의 향상을 원하는 블랭크(5)의 선형 구간에서 더블 펀칭 또는 2단계 펀칭을 실시할 경우에, 1차의 예비 펀칭의 영향으로 2차의 메인 펀칭시 오히려 전단 가공면의 품질이 악화될 수 있다.

예를 들면, 복수의 구멍(3)과 예정된 전단 라인(2; 또는 전단면) 사이의 거리에 따라 찢김이 발생한다. 이 때문에, 복수의 구멍과 예정된 전단 라인 사이에 적절한 거리를 설정하는 것이 요구된다.

도 4는 복수의 구멍과 예정된 전단 라인 사이의 거리, 및 구멍들 간 간격을 설명하기 위한 도면이다.

2차의 메인 펀칭시 전단 가공면의 품질을 확보하기 위해서는 예정된 전단 라인(2)의 선형 구간에 소재(1)를 지지해 줄 수 있는 구조가 필요하다.

이와 같은 구조를 위해, 1차의 예비 펀칭에 의한 복수의 구멍(3)은 예정된 전단 라인(2)과 일정 거리를 두고 형성될 수 있다. 예를 들면, 복수의 구멍과 예정된 전단 라인 사이의 거리(L)는 1 내지 3mm 정도의 범위를 가질 수 있다.

복수의 구멍(3)과 예정된 전단 라인(2) 사이의 거리(L)가 1mm 미만이면, 2차의 메인 펀칭시 찢김이나 금형들 사이에 끼임이 발생하여 제품의 품질 및 작업성이 현저히 떨어지는 문제가 생기게 된다.

반면에, 복수의 구멍(3)과 예정된 전단 라인(2) 사이의 거리(L)가 3mm를 초과하면, 복수의 구멍이 예정된 전단 라인으로부터 멀어지게 됨으로써 더블 펀칭 또는 2단계 펀칭으로 얻고자 하는 효과, 즉 엣지 성형성을 향상시키는 효과가 발휘될 수 없다.

또한, 1차의 예비 펀칭에 의한 복수의 구멍(3)은 서로 간 일정 간격으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 구멍들 간 간격(S)은 1 내지 8mm 정도의 범위를 가질 수 있다.

구멍(3)들 간 간격(S)이 1mm 미만이면, 하부 금형(14)의 복수의 오목홈(13)을 형성할 수 없거나, 복수의 구멍을 형성하기 위한 상부 금형(12)의 가압시 하부 금형이 소재(1)를 통해 전달되는 상부 금형의 하중을 지지할 수 없다.

반면에, 구멍(3)들 간 간격(S)이 8mm를 초과하면, 복수의 구멍이 서로 멀어지게 되면서 더블 펀칭 또는 2단계 펀칭의 효과, 즉 엣지 성형성을 향상시키는 효과가 발휘될 수 없다.

예를 들어, 각 구멍(3)은 5mm 내지 35mm 정도의 직경(D) 또는 폭을 가질 수 있다.

구멍(3)의 직경(D) 또는 폭이 5mm 미만이면, 구멍의 개수가 과도하게 증가하면서 복수의 구멍을 형성하기 위한 상부 금형의 가압시 복수의 예비 펀치부가 소재(1)의 반력을 극복할 수 없고, 이로써 작업성이 떨어진다.

반면에, 구멍(3)의 직경(D) 또는 폭이 35mm를 초과하면, 복수의 구멍이 커지면서 소재(1)로부터 얻게 되는 블랭크(5)의 실수율이 낮아지고, 결국 제품의 단가가 상승하게 된다.

복수의 구멍(3)이 형성된 소재(1)를 원하는 형상으로 전단하는 단계는 메인 펀칭에 의해 이행될 수 있으며, 이를 위한 제2 장치(20)가 도 5에 도시되어 있다.

제2 장치(20)는, 메인 펀치부(21); 메인 펀치부에 대응되게 오목부(23)가 형성된 다이(24); 및 다이 위에 배치되어 소재(1)를 누르는 제2 홀더(25)를 포함할 수 있다.

메인 펀치부(21)와 오목부(23)는 서로 대응되는 형상의 단면을 가질 수 있으며, 이 단면 형상은 최종 블랭크 형상과 일치한다.

제2 홀더(25)는 메인 펀치부(21)가 통과하는 관통공(26)을 가지며, 다이(24)에 대해 소재(1)를 누를 수 있다.

2차의 메인 펀칭으로 소재(1)를 원하는 형상으로 전단하기 위해, 메인 펀치부(21)가 프레스(미도시)의 슬라이드에 장착되고, 오목부(23)가 형성된 다이(24)는 프레스의 베드에 각각 고정되어, 메인 펀치부와 다이가 서로 상하로 상대운동할 수 있다.

제2 홀더(25)는 메인 펀치부(21)를 지지하는 프레스의 펀치 홀더에 매달리도록 설치되어 소재(1)를 가압하도록 힘이 가해진다.

다이(24)의 위에, 복수의 구멍(3)이 형성된 소재(1)가 이동되어 놓이고 메인 펀치부(21)가 하강한다. 이때, 복수의 구멍이 형성된 소재나 메인 펀치부는 필요에 따라 도시되지 않은 복수의 핀부재 또는 파일럿 구멍 등에 의해 정밀하게 위치 결정될 수 있다.

메인 펀치부(21)가 하강되면, 제2 홀더(25)가 메인 펀치부보다 먼저 하강하여 소재(1)에 맞닿아 소재를 다이(24) 쪽으로 가압한다. 메인 펀치부가 제2 홀더보다 조금 늦게 소재에 접촉하고 더욱 하강함으로써 메인 펀치부가 소재를 원하는 형상으로 전단한다.

이로써, 소재(1)로부터 원하는 형상의 블랭크(5)가 제조될 수 있다.

도 6은 전단 조건에 따른 엣지의 응력과 변형율 간 관계를 나타낸 그래프이다.

본 출원인은 1GPa급 냉간 스탬핑용 소재의 엣지 변형율과 관련하여, 종래의 일반적인 펀칭과 본 발명에 따른 전단 방법을 비교해 보았다.

종래의 일반적인 펀칭에 의한 소재의 엣지 변형율이 0.148을 기록했으나, 본 발명의 전단 방법에 의한 소재의 엣지 변형율은 0.265를 나타내었다. 이러한 결과는, 본 발명의 전단 방법에 의해 소재의 엣지 변형율이 종래 대비 80% 정도 향상됨을 의미한다. 또, 본 발명의 전단 방법에 의한 소재의 엣지 변형율은 워터젯을 이용하여 전단된 소재의 엣지 변형율에 매우 근접함을 볼 수 있다.

도 6의 결과를 엣지 성형성의 평가 지표인 구멍 확장성(HER)의 기준으로 바꾸면, 종래의 일반적인 1회 타발에 의한 펀칭이 적용된 블랭크에서는 구멍 확장성이 16%로 나타남을 의미하고, 본 발명에 의해 복수의 구멍과 함께 더블 펀칭을 적용한 블랭크에서는 구멍 확장성이 30%임을 의미하므로, 엣지 성형성이 대략 2배 정도로 향상됨을 확인할 수 있었다.

이러한 대비를 통해, 본 발명의 전단 방법에 의하면 블랭크의 엣지 성형성이 대폭 향상되는 것으로 평가되었다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서 및 도면에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 소재 2: 예정된 전단 라인
3: 복수의 구멍 5: 블랭크
10: 제1 장치 11: 예비 펀치부
12: 상부 금형 13: 오목홈
14: 하부 금형 15: 제1 홀더
20: 제2 장치 21: 메인 펀치부
23: 오목부 24: 다이
25: 제2 홀더

Claims

소재에서 예정된 전단 라인의 적어도 일부를 따라 상기 예정된 전단 라인 주위에 복수의 구멍을 형성하는 단계; 및
상기 예정된 전단 라인을 따라 상기 소재를 원하는 형상으로 전단하는 단계
를 포함하고,
상기 복수의 구멍이 상기 예정된 전단 라인의 전체를 따라 상기 예정된 전단 라인을 둘러싸면서 형성되고,
상기 복수의 구멍과 상기 예정된 전단 라인 사이의 거리는 1 내지 3mm의 범위를 갖는 전단 방법.
제1항에 있어서,
상기 복수의 구멍은, 상기 예정된 전단 라인 중 적어도 직선 부분을 따라 배열된 전단 방법.
제1항에 있어서,
상기 복수의 구멍을 형성하는 단계는 예비 펀칭에 의해 이행되는 전단 방법.
제3항에 있어서,
상기 예비 펀칭은 제1 장치에 의해 실시되고,
상기 제1 장치는,
복수의 예비 펀치부가 형성된 상부 금형;
상기 복수의 예비 펀치부에 대응되게 복수의 오목홈이 형성된 하부 금형; 및
상기 하부 금형 위에 배치되어 상기 소재를 누르는 제1 홀더
를 포함하는 전단 방법.
제4항에 있어서,
상기 상부 금형의 하면에서 상기 복수의 예비 펀치부에 의해 둘러싸인 공간은, 상기 예정된 전단 라인으로 구획된 면적보다 큰 면적을 갖는 전단 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 복수의 구멍의 서로 간 간격은 1 내지 8mm의 범위를 갖는 전단 방법.
제1항에 있어서,
상기 복수의 구멍 각각은 5 내지 35mm 범위의 직경 또는 폭을 갖는 전단 방법.
제1항에 있어서,
상기 소재를 원하는 형상으로 전단하는 단계는 메인 펀칭에 의해 이행되는 전단 방법.
제9항에 있어서,
상기 메인 펀칭은 제2 장치에 의해 실시되고,
상기 제2 장치는,
메인 펀치부;
상기 메인 펀치부에 대응되게 오목부가 형성된 다이; 및
상기 다이 위에 배치되어 상기 소재를 누르는 제2 홀더
를 포함하는 전단 방법.