자동차 성형 금형을 제작한 경험이 없는 업체에서 처음에 형상가공을 어려워하는 이유는 성형 펀치, 성형 다이, 성형 패드의 모양이 윤곽은 이형으로 생겼으며, 윗면은 제품 모양대로 울퉁불퉁한 형태로 이루어졌기 때문에 NC 가공 작업 시에 고정 클램프를 체결하거나 바이스로 측면 클램핑할 수 없다는 점에 있다.

윤곽가공 때문에 일반 바이스는 물론이고 사이드 바이스로도 클램핑할 수 없다. 고정시킬 부분이라고는 바닥면밖에 존재하지 않는다. 바닥면만 클램핑한다는 것이 처음 형상제품 금형을 제작하는 업체에서는 가공 방법적으로 고민하게 만드는 부분이기도하다. 그러나 처음 제대로 가공하는 방법을 알아두면 그 다음부터는 그다지 문제가 되지 않는다. 그러면 성형 인서트 가공을 실제로 어떻게 하는 것인지 알아보기로 한다.

그림 1의 3D 제품 도면은 당사에서 프로그레시브 금형으로 설계했고, 스웨덴 볼보자동차에 납품한 두께 4.5×가로 140×세로 360의 3D 제품 도면이다. 구조에 관한 이해는 지난 회의 제품과 유사한 형태이므로 참고하기 바란다. 실제로 형상 금형가공에 적용하고 있는 가공 방법 몇 가지를 소개하기로 한다.

▲ 그림 1. 3D 제품도

형상가공에 있어서는 되도록 보조 플레이트를 사용하지 않고 금형 자체 플레이트인 펀치홀더나 다이홀더 금형 하홀더나 상홀더에 전체 묶음 가공하는 방법도 있는데, 이번에는 펀치홀더에 묶음 가공하는 방법을 소개한다.

그림 2는 하측 펀치홀더에 포밍펀치 형상가공 전에 1번(4EA), 2번(4EA) 펀치인서트를 펀치홀더에 체결한 그림이다. 이렇게 펀치홀더와 펀치인서트를 조립하면 형상가공 및 윤곽가공을 위한 준비는 된 것이다.

▲ 그림 2. 펀치인서트와 펀치홀더의 체결

성형펀치/다이는 윤곽가공과 형상가공을 동시에 하기 때문에 클램핑할 수 있는 부분이 포밍펀치/다이 인서트의 바닥면밖에는 없다. 펀치가공 방법적으로 자체 펀치홀더를 활용할 수 없는 경우도 발생한다. 되도록 금형 자체 플레이트를 활용하는 것이 좋은데, 보조 플레이트를 사용하게 되면 부수적인 재료와 금형에 사용되지 않는 가공이 발생되기 때문이다.

어쩔 수 없이 금형 자체 플레이트를 사용할 수 없을 때에는 보조 플레이트를 붙이더라도 바닥면을 클램핑한다는 것을 알아두기 바란다. 먼저 금형 자체 플레이트를 활용하는 가공 방법과 어떤 경우에 보조 플레이트를 붙여서 가공하는지를 알아본다.

금형 자체 플레이트를 활용한 NC 가공 방법

그림 2의 포밍파트 하측 펀치홀더에 다이 인서트를 밀링 기초가공으로 완료한 후, 인서트를 펀치홀더에 체결하고 묶음 가공하는 방법을 소개하기로 한다.

• 펀치홀더 소재 : SS41

• 펀치홀더 규격 : 52×740×615

• 인서트 소재 : SKD11

• 1번 펀치인서트 : 65×214×90 4EA

• 2번 펀치인서트 : 65×92×214 4EA

펀치 소재를 분리하여 1번과 2번으로 나누어 펀치홀더에 조립했다. 제품이 곡면이므로 하나의 소재로는 펀치 모양을 얻을 수 없고, 또한 펀치 소재를 작게 나누게 되면 열처리 후에도 열처리 변형을 최소화할 수 있는 방법이기도 하다.

그림 3에서와 같이 포밍 하측 펀치를 포밍 펀치홀더에 포밍펀치 가공 소재를 조립했다. 펀치홀더에 있는 맞춤핀 4개소를 NC 가공 기준 홀로 사용하고, 포밍 펀치홀더를 NC 밀링에 세팅한 후 묶음 가공하면 된다. 그런데 인서트와 인서트 사이가 좁은 관계로 윤곽가공이 어렵다는 문제점이 있다. 사이 띄우기로 가공하면 되는데, 방법은 그림 3에서 보면 포밍 1, 2, 3, 4차로 나누어져 있다.

▲ 그림 3. NC 가공 전 인서트 조립

▲ 그림 4. 사이 띄우기 윤곽가공

그림 4에서 보면 포밍 1, 3차 하측 포밍펀치만 조립하고, 1, 3차 포밍펀치를 먼저 가공한다. 그 다음 1, 3차 포밍펀치를 펀치홀더에서 분리하고 2, 4차 포밍펀치를 펀치홀더에 조립한 후에 가공하면, 윤곽가공 시에 좁은 틈새로 인한 어려움을 격지 않아도 된다. 한마디로 요약하면 사이 띄우기 가공 방법이다.

처음 형상 금형을 접하는 업체들이 조립하고 가공하여 분리하고, 다시 조립하고 가공하여 분리하고 하는 이러한 가공 방법들을 번거로워하고 어려워하기 때문에 필자에게 가장 많이 문의하는 부분이기도 하다.

이러한 가공 방법의 과정들을 잘 이해하고 준수한다면, 자동차 성형 금형 제작에 도움이 될 것이라고 생각한다. 포밍 상형 다이, 포밍패드, 트림다이, 트림펀치도 같은 방법으로 다이홀더에 체결하고 가공하면 된다.

NC 형상가공이 완료되면 열처리 작업 전에 NC 가공 흔적을 남기고, 사상작업(NC 가공 흔적이 남아있어야 함)한 후에 열처리를 하면 된다. 열처리 후 문제는 이제부터이다. 포밍인서트에 열처리 변형으로 인해 하측 포켓작업 부분과의 형합성 문제를 염려하게 된다. 열처리 변형으로 크게 문제되지는 않으며, 인서트마다 각 2개소씩 있는 하측 맞춤핀자리는 열처리 변형 수축 현상으로 인해 잘 들어가지 않는다. 열처리 변형으로 인해 수축된 맞춤핀 홀 부분은 사상작업으로 조금 다듬을 수밖에 없다.

열처리 변형으로 인해 수축된 맞춤핀 홀을 사상했다. 그러면 일단 수치적으로 위치정밀도가 틀어졌다고 생각하게 된다. 필자는 이것을 말하기 위해 지난 회에서 가공 변형에 대해 먼저 심도 있게 다루었다. 펀치플레이트 단품으로 보면 절대공차 개념으로 가공 부위(드릴, 탭, 리머, 포켓) 치수를 측정할 수 있다.

전체적으로 볼 때 펀치홀더에 윤곽 기준으로 펀치인서트를 조립하고 가공하였으므로 포켓 윤곽 위치결정 방법이다. 또한 금형 조립 시에 펀치인서트에 있는 맞춤핀 위치결정을 사용하는것이 아니며, 금형 트라이 후에 부분 수정작업이 필요한 경우에 펀치인서트 단품가공 시에 맞춤핀 홀은 가공 보조 플레이트에 기준 홀로 사용하기위한 목적이다.

맞춤핀자리가 열처리 후 수축되어 잘 맞지 않는 부분은 단품 부분 수정 시에 수치적으로 미세한 양이며, 포켓 윤곽 위치결정이 되어 있으므로 걱정하지 않아도 된다. 단품 수정 후에도 다이스폿팅 작업은 반드시 필요하다.

NC·WC 복합가공 방법

그림 5는 이전에 구조 부분에서 다루었던 제품이므로 전체 구조 그림 및 설명은 지난 기사를 참고하기 바란다.

▲ 그림 5. 3D 제품도

1) 포밍 펀치다이 가공 방법

• 소재 : SKD11

• 규격 : 102×455×510 

그림 6을 보면 1, 2, 3차 하측 포밍다이 형상부는 열처리 전에 가공하고, 윤곽은 열처리 후에 WC 를 가공하기 위해 102×455×510 크기의 SKD11 소재를 준비했다. 그리고 포밍펀치 묶음  가공을 하기 위한 그림 7을 보면 보조 플레이트를 준비했다.

▲ 그림 6. 포밍펀치 소재

▲ 그림 7. 보조 플레이트를 활용한 가공

어떻게 보면 형상가공 깊이가 40mm 정도 되므로 측변 사이드 바이스 체결을 생각할 수도 있으나 NC 형상가공 초기에는 황삭가공으로 진행하기 때문에 사이드 바이스 체결로는 황삭가공으로 발생하는 진동이나 밀리는 힘을 감당하기 어렵고, 황삭가공되는 힘에 의해 가공물이 밀리거나 심각한 공구 파손으로 이어질 수 있다. 이렇게 안전 상의 문제가 발생할 수 있으므로 황삭가공 시에는 사이드 바이스를 사용하지 않는 것을 원칙으로 한다.

지금부터 열처리 전에 NC 형상가공을 하고, 열처리 후에 WC 가공을 하는 복합가공 방법을 살펴보기로 한다. 이 부분에서 중요한 포인트는 열처리 전의 NC 형상가공과 열처리 후의 WC 가공의 연결성을 어떻게 유지하는지이다.

2) 하측 포밍펀치 가공 순서

① ‌포밍펀치 소재 배면에 드릴 및 탭 리머 작업을 선행하고 보조 플레이트에 조립한다.

② ‌포밍펀치 소재 좌측 하단 기준면 0,0을 기준으로 형상가공을 한다.

③ 형상가공 후 담금질/뜨임 처리를 한다.

④ ‌좌측 하단 0,0 기준으로 와이어컷팅으로 윤곽 분리가공을 한다.

앞에서 말한 NC 가공 위치정밀도를 어떻게 찾아내어, WC 가공의 기준점 포인트로 활용하여 가공할 것인지가 중요하다.

열처리 후 소재가 수축 변형됐다 하더라도 포밍펀치 재료의 기준면에 대한 직각도가 가공할 수 없을 만큼 틀어지지 않았으므로 NC 형상가공 시에는 좌측 하단 0,0 기준으로 와이어컷팅으로 윤곽 분리가공을 하면 된다.

또 다른 방법으로는 포밍펀치 소재 빈자리에 NC 형상가공 시에 와이어컷팅 가공용 기준 홀을 ?20으로 보링해 두고, 열처리 후에 와이어컷팅 기준 홀로 사용하는 방법도 있다. 이 방법의 장점으로서는 하측 포밍펀치의 간격을 좁힐 수 있으므로 소재 절감의 효과와 초기 가공 부품 개수의 축소로 인해 초기 가공 시간을 단축할 수는 있다. 그러나 단점으로는 와이어컷팅 가공 시간이 오래 걸리므로 가공 비용의 상승 요인이 된다.

포밍펀치 윤곽 거리가 1개당 약 1100mm로, 포밍펀치가 3개 있으므로 소재 두께 102mm에 와이어컷팅 가공 거리 3300mm는 상당한 시간과 소재 절감 비용 대비 가공 비용 상승 요인으로 발생한다. 이 방법은 자체 와이어컷팅기를 보유하고 있는 고객사가 와이어컷팅기 가동 효율을 높이기 위한  하나의 방법으로 채택한 사례이다.

앞에 말한 금형 자체 플레이트를 활용한 방법이나 보조 플레이트를 활용한 두 가지 방법을 살펴보면, 모두 다 열처리 변형을 피할 수는 없겠지만 가공의 기준면이나 기준점 기준 홀을 관리함으로써 형상가공과 와이어컷팅 가공의 연결성을 유지할 수 있고 전체적인 절대공차 범위에서도 벗어나지 않는다.

열처리 변형으로 발생하는 공차를 인정하고 가공 방법적으로 관리 제어함으로써 고비용의 가공, 장시간의 가공을 하지 않아도 되며, 고비용·장시간으로 가공했다고 해도 물리적 변형 및 가공 변형을 제어하기에는 과도한 경비와 시간이 들게 된다. 금형의 부분적인 기능과 목적을 유지시키면서 전체적인 절대공차에서도 벗어나지 않으며, 적절한 상대공차를 활용하면 과도한 가공 시간과 비용의 낭비를 막을 수 있을 것이다. 

신종혁 _ 예진금형설계시스템 대표