[헬로티]

프레스 금형에는 여러 가지 공법이 있는데, 그 중에 프로그레시브 공법이 있다. 일반적이고 보편적인 프로그레시브 금형은 우리나라 기술이 세계적으로 인정받고 있으며, 수출도 많이 하고 있다. 그러나 형상을 가진 프로그레시브 금형은 구조, 이송, 취출에 있어 일반적인 방법이 아니다. 

일부 회사에서 형상 프로그레시브 금형을 제작하고는 있지만, 아직 공개된 기술은 없다. 이 글에서는 이처럼 공개되지 않은 형상 제품의 프로그레시브 금형을 다루고자 하며, 특히 동사에서 필자가 직접 설계하여 현장에서 성공적으로 생산한 기술에 대해 소개한다.

이번에는 지난회에 이어 프로그레시브 금형의 횡력 발생에 대한 대책을 적용한 프로그레시브 금형 구조 기술에 대해 설명한다. 

지난 회에서 소개했던 성형 파트 횡력 방지 대책으로 하측에 펀치 백업을 충분히 설치했음에도 불구하고 금형 외측에 횡력을 제어하는 구조를 적용하는 이유는 성형하면서 발생하는 측방향 힘이 엄청나기 때문이다.

측방향으로 발생하는 에너지는 타발부에서도 발생하며, 둥근 피어싱의 경우에도 금형이 측방향으로 밀리는 횡력 현상이 발생한다.

▲ 그림 1. 구조 도면

그림 2의 단면 A-A는 가이드 포스트 부분이며, 그림 2의 단면 B-B는 가이드휠 하형 그림이다. 또한 그림 3은 단면 A-A, B-B 상형 그림이다.

▲ 그림 2. 하형 상세 단면 A/B

▲ 그림 3. 상형 상세 단면 A/B

먼저 단면 A-A 상하형 가이드 포스트 적용부터 살펴보기로 한다. 가이드 포스트와 부시는 금형표준품 ?80 규격을사용했으며, 상하 포스트 홀더는 규격품이 아니라 자체 제작품이다. 상하형에 가이드 포스트 홀더를 세우는 이유는 가이드 포스트가 길면 길수록 횡력에 견디지 못하고 측방향으로 휘는 현상이 발생하므로 금형의 절대 수명에 영향을 주게 된다. 

가이드 포스트는 금형 작동에 필요한 최소 높이로 가급적 짧게 설정하고 나머지 부분은 가이드 포스트 홀더에 견고하게 압입 작업하며, 하측 홀더에서 볼트 체결하는 방법을 채택했다. 가이드 포스트 홀더는 가로세로 170mm이며, ?80 가이드 포스트 굵기에 비례하면 포스트 홀더가 적지 않은 크기로 여유자리가 많은듯하지만 가로세로 크기가 큰 데는 몇 가지 이유가 있다.

▲ 그림 4. 단면 A-A

▲ 그림 5. 단면 B-B

첫 번째는 체결 볼트를 최소 M16 이상 사용해야 하므로 볼트 체결 여유자리 면을 확보해야 한다. 두 번째 이유는 가이드 포스트 상하 홀더 사이에 스트로크 앤드 블록 표준품 규격이 ?80 엔드 블록인 경우, 외경이 ?140이므로 가이드 포스트 상하 홀더 사이즈를 가로세로 170mm로 설정하게 된 이유이다. 

가이드 포스트 부시는 황동으로 된 금형표준품 부시를 적용했다. 일반 스틸로 된 표준품 부시를 적용하게 되면, 마찰로 인해 가이드 포스트/가이드 부시에 스크러치가 심하게 발생하므로 황동으로 된 표준품 부시를 적용했다.

가이드휠의 구조와 기능 그리고 설치 방법에 대해 살펴보기로 한다.

그림 7의 ①은 가이드 포스트 홀더,  ②는 가이드 부시 홀더, ③은 스트로크 엔드 블록, ④는 가이드 황동 부시이다.

▲ 그림 7. 단면 A-A의 상세도

단면 B-B의 그림 6을 보면 금형의 홀더 4군데에 설치된 가이드휠과 휠박스의 상세 그림을 볼 수 있다. 프레스금형에서는 좀처럼 보기 드문 구조 적용 방법이다. 먼저 가이드휠의 가로세로 사이즈는 140×95mm이며, 상형 홀더에 깊이 10mm로 포켓작업하고 20볼트 4개로 단단하게 고정했다. 금형의 앞뒤로 4군데에 적용했다.

▲ 그림 6. 단면 B-B의 상세도

가이드휠 박스의 가로세로 사이즈는 280×155mm이며, 결코 작지 않은 사이즈이다. 그리고 금형의 앞뒤로 4군데에 적용하고, 상형과 동일하게 하형 홀더에 깊이 10mm로 포켓작업했다. 또한 내측 슬라이드 부분에는 금형표준품인 황동으로 된 오일리스를 부착해, 마찰로 인한 스크러치 발생을 제거한 구조 방법을 채택했다.

가이드휠의 기본 설정 구조는 가이드 포스트보다 최소 30mm 이상 먼저 삽입돼야 한다. 그림 7에서 보면 가이드 포스트 삽입량이 170mm임을 알 수 있다. 그림 6에서 가이드휠 삽입량이 210mm이며, 가이드휠이 가이드 포스트보다 40mm 먼저 삽입된다. 이와 같이 단차를 주는이유는 금형의 횡력을 감소시키는 기능도 있지만 또 다른 기능이 있다.

금형의 상하형 분리 시에 상형 무게의 언밸런스로 인해 잘빠지지 않는 현상이 있다. 볼베어링 포스트를 적용하면 문제가 없겠지만, 대형 금형의 경우에는 충격파로 인해 포스트 볼베어링이 빠져서 사용 불가능하게 된다.

금형 상하형 분리 시에 가이드 포스트가 먼저 분리되고 가이드휠이 나중에 빠지게 되므로 별 무리 없이 상하형이 분리되면 금형 유지 보수 시에 상당히 편리하다.

가이드휠과 가이드 포스트의 상관관계를 순차적으로 정리해 보면,

① 가이드휠이 먼저 40mm 삽입된다

② 가이드 포스트가 가이드핀보다 40mm 먼저 삽입된다

③ 금형 내측에 가이드핀이 삽입된다

④ ‌성형 전에 포밍 펀치가 하측 백업에 성형 펀치가 삽입된다

이들 모두가 금형 횡력에 대한 구조임을 알 수 있다.

이와 같이 여러 단계로 횡력에 대처를 해도 금형에서 발생하는 횡력을 감소시킬 수는 있으나, 완전히 제거할 수는 없다. 금형 수명은 횡력을 어떻게 감소시키느냐에 따라 생산성이 향상되며, 금형 내구성이 증가하게 된다. 횡력을 감소시키면 피어싱 펀치 및 타발 펀치의 파손율이 현저히 줄어들며, 또한 금형 마모율도 줄어든다. 금형의 횡력은 반드시 존재하고 있다는 것을 알아야 하며, 토털 금형 소요 파워 계산 시에도 필수적으로 추가해야 한다.

① ‌타발력+스트리핑력 (스트리핑력 계산 후 스프링 종압이 계산돼야 함)

② ‌성형력+패딩력 (패딩력 계산 후 스프링 종압이 계산돼야 함)

③ ‌리프팅력 (스프링 파워를 실제로 계산해 보면 종압 상태의 힘이 생각 외로 크기 때문에 종압 상태의 파워를 산정해야 함)

④ 금형 횡력 (토털 금형 파워의 20% 추가함)

금형 설계 시에 스프링 다이 그램 및 가스스프링 다이 그램을 기록하는 것이 필수 항목이며, 생산에 소요되는 파워를 정확하게 산정하지 못하면 프레스 파워 부족으로 올바른 제품을 안정적으로 생산하기 어렵다. 프레스 파워의 60%를 초과하면 프레스의 수명에 치명타를 입히게 된다. 

실제로 프레스 파워가 모자라는 것은 육안으로, 혹은 직감으로 확인하기 어려우므로 파워 계산은 정확하게 해야 한다. 특히 자동차 성형 프로그레시브 금형에서는 성형품이기에 충분한 에너지로 가압해야 반듯한 제품을 얻을 수 있다. 성형력의 부족이 곧 제품의 품질 저하로 이어질 수 있기 때문이다. 금형 횡력은 필수적으로 금형 파워 선정 시에 추가해야 하며, 금형 구조적으로도 횡력을 감소시키는 구조로 설계해야 한다. 

신종혁 _ 예진금형설계시스템 대표