[첨단 헬로티]
야마시타 미노루 (山下 實), 니카와 마코토 (新川 眞人), 나츠메 타카히사 (夏目 嵩久) 岐阜대학
1. 서론
일반적으로 금속 블랭킹 구멍뚫기 가공에서는 펀치와 다이가 사용된다. 이 가공법에서는 펀치를 사용하지 않고, 다이 상에 배치된 평판에 유압을 부가해 구멍뚫기를 한다. 실린더 내를 액체로 채우고, 낙추식 충격시험기를 이용해 피스톤을 타격, 순간적으로 압력을 높이는 방법으로 가공 실험을 실시했다.
지금까지 알루미늄합금이나 스테인리스 등의 평판 재료에 대해 각종 구멍 형상의 충격 블랭킹 시험을 해왔다. 그러나 모서리를 갖는 형상에서는 블랭킹 구멍의 모서리가 둥그스름하게 되어 형상 정도가 좋지 않다.
이에 동 연구에서는 블랭킹 구멍 형상을 개선하기 위해 구멍의 가장자리에 돌기를 붙인 다이를 이용해, 돌기를 재료에 넣음으로써 전단의 기점을 만들고 블랭킹 구멍의 정도 향상을 목표로 한 실험, 그리고 응용으로서 파이프재에 대해 여러 개의 둥근 구멍 가공을 시도했다.
2. 금속판의 충격 액압 구멍뚫기
(1) 실험장치 및 실험 방법
그림 1에 충격 액압 구멍뚫기 시험장치를 나타냈다. 압력 매체는 수돗물로, 다이의 재료는 SKD11(60HRC)이다. 구멍은 한 변 15mm의 정사각형과 한 변 15mm에서 예각 45°의 마름모꼴로 하고, 다이의 구멍 가장자리는 그림 2에 나타냈듯이 높이 0.1 또는 0.3mm의 돌기를 설정했다.
다음으로 충격 시험장치의 동작을 설명한다. 낙추식 충격시험기의 드롭 해머가 피스톤을 타격하면, 매체의 상면에서 액압이 급격하게 상승해 평면 압력파로서 시험편 전체가 가압되고 높은 압력 상태가 일정 시간 지속함으로써 구멍이 블랭킹된다.
드롭 해머의 질량은 15kg, 타격 속도를 10m/s로 설정했다. 실험에 이용한 판재료는 공칭 판두께 1mm의 순알루미늄 A1050-H24 동합금 A5052-H34, 순티타늄 TP340C, 스테인리스강판 SUS304L이다.
(2) 실험 결과
대표적인 예로서 그림 3에 TP340C 대해서, 돌기를 붙이지 않은 다이와 돌기를 붙인 다이를 이용해 마름모꼴을 블랭킹한 결과를 나타냈다. 다이에 돌기를 붙이면, 직변부에서는 절단 윤곽이 날카롭게 되어 현저히 개선되어 있다는 것을 알 수 있다. 다른 재료에서도 동일한 결과로 되어 있으며, 돌기에 의해 소성변형의 집중화가 촉진된 것을 확인할 수 있었다. 한편, 둥그스름한 모서리는 개선되지 않았다.
다음으로, 구멍의 직변부와 모서리부의 단면 형상 예를 A5052-H34에 대해 각각 그림 4에 나타냈다. 직변부의 단면 형상에서는 다이에 설치한 돌기 형상이 재료에 전사되어 있다. 직변부에서는 절삭칩(엄밀하게는 전단가공의 절삭칩은 아니지만, 여기에서는 편의적으로 절삭칩이라고 한다)은 완전히 방지할 수 있었다. 또한 이 충격 액압 블랭킹에서는 원래 절삭칩은 없거나, 나와도 작다.
각 재료의 절단면에 대해 그림 5에 평탄 다이, 그림 6에 0.1mm 돌기 다이를 이용했을 때의 결과를 나타냈다. 돌기가 없는 다이를 이용해 블랭킹을 하면 재료의 외측에 실과 같은 버가 조금 나와 있었는데, 돌기 다이를 사용하면 나오지 않게 되기 때문에 버의 박리에 의한 오염 불량의 위험성도 줄일 수 있는 효과가 있다.
3. 파이프의 충격 액압 구멍뚫기
그림 7에 파이프의 여러 가지 구멍뚫기 시험장치를 나타냈다. 드롭 해머의 질량을 25kg, 속도를 10m/s로 설정했다. 외형 40mm, 벽두께 1mm의 A6063-T1 알루미늄 파이프를 공시재로 하고, 구멍 위치는 파이프 상단에서 70 및 95mm, 각 위치에서 2개, 총 4개이다. 블랭킹 후 파이프를 장치에서 꺼내기 때문에 인서트 구조의 다이는 2분할식이다. 피스톤은 파이프 시험편에 있으며, O링으로 실시되어 있다. 장치를 조립할 때는 인서트 바닥면부에 고무계의 접착제를 소량 도포해 실했다.
구멍뚫기 가공한 파이프를 그림 8에 나타냈다. 구멍 절단 단면에 대해서 파이프 길이방향 또는 원주방향으로 수직인 것을 그림 9에 나타냈다. 시어 드루프는 원주방향으로 수직된 절단면에서 크다. 이것은 외관 상 판두께가 크기 때문이라고 생각한다. 구멍이 뚫린 순서는 위쪽이 먼저이고, 나중에 뚫린 아래의 구멍에서 시어 드루프의 발생은 한층 더 현저했다.
야마시타 미노루 & 니카와 마코토 & 나츠메 타카히사 : 공학부 기계공학과 교수 & 동 준교수 & 공학부 기계시스템공학 전공
〒501-1193 岐阜縣岐阜市柳戶 1-1
