[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.

지난 회에 이어서 이번 회부터는 자동차 성형 제품 대형 프로그레시브 금형의 부분 기술에 대하여 소개하기로 한다. 먼저 노칭 작업 시에 앞 공정에서 타발부와 다음 공정에서 만나는 부분인 오버랩 적용에 대해서 살펴보기로 한다.

프로그레시브 금형에서 노칭 펀치/트림 펀치/커팅 펀치의 선행 노칭 후, 후행 노칭에서 만나는 부분에서 쇠가시 발생을 제거하기 위해 오버랩을 적용하여 타발하고 있다.

이 부분이 의외로 금형설계자를 고민스럽게 하는 부분인데 선행 노칭 펀치에서 제품을 많이 파내려니 제품 상 치수나 디자인적인 문제가 걱정되고, 노칭 펀치 모서리 R을 내구성을 고려하여 3R 이상 주는 것 또한 금형설계자 입장에서 실제로 설계에 적용하여 보면 공간이 좁은 관계로 만만치 않으며 모양을 만들어내기 까다로운 부분이다.

오버랩 적용은 비교적 널리 사용되고 있으나, 보편적으로 노칭 펀치 모서리를 1R 내외로 적용하는 것을 볼 수 있다. 타발 펀치 모서리 R을 1R 내외로 적용하면 타발 시에 노칭 펀치 모서리에 타발 응력이 집중되어 모서리 부분만 집중적으로 마모되고 금형 내구성을 현저히 떨어뜨린다. 

소재 두께가 박판이라도 펀치 모서리 부위는 직선 부위보다 타발 응력이 집중되어 펀치 마모 현상이 펀치 모서리 부분에서부터 나타나는 것을 볼 수 있다. 소재 두께가 두꺼운 후판인 경우에 노칭 펀치 모서리 R을 최소 3R 이상 확보하지 않으면 금형 내구성이 현저히 떨어지게 하는 요인이 되기도 한다. 

NC 가공 시에는 트림 라인이나 노칭 파트의 만나는 부분의 오버랩 적용 시에는 엔드밀로 가공할 수 있도록 펀치 모서리 R을 4R 이상 설정하지 않으면 엔드밀 지름이 너무 작은 경우 작업이 어려우며 가공 시간이 많이 걸리게 된다. NC 가공으로 마무리되지 않은 노칭 펀치 모서리 R 부분은 후가공에서 WC으로 모서리 R을 만들 수밖에 없다. 

방법적으로 NC 가공으로 트림/노칭/커팅 펀치의 모양을 완성하는 것이 가장 이상적이다. 그러면 노칭/트림 펀치/커팅 펀치 부분의 모서리 R을 최소 4R 이상 적용하여 NC 가공에서 오버랩 적용을 완성할 수 있는지 알아보기로 한다.

이번 회에서 살펴보고자 하는 또 한 가지의 부분은 두꺼운 후판에 아주 작은 노칭 및 타발 펀치일 때 펀치 고정 방법을 살펴보기로 한다.

① 제품 소재는 두껍고 펀치 모양은 이형적일 때

② ‌금형 표준품 이형 펀치 규격에도 없는 타발 펀치 모양일 때

③ 크기가 작아서 볼트로도 고정이 어려울 때 

④ ‌WC 이중 커팅으로 타발 펀치 헤드 모양이 만들어지지 않을 때

⑤ ‌노칭 펀치를 스트레이트로 WC 가공하더라도 핀걸이 펀치 고정 방법 외에는 특별한 방법이 없을 때

⑥ 스트레이트 WC 가공 후 타발 펀치 전체가 약한 경우

1. 타발 펀치 오버랩 적용 방법

펀치 고정 방법 또한 금형설계자를 고민하게 한다. 노칭 펀치를 스트레이트로 WC 가공하게 되면 강성이 약해지기 때문에 이러지도 저러지도 못할 때, 두꺼운 후판에 작고 모양도 이형이면 금형설계자는 노칭 펀치 고정 방법으로 고민하게 된다. 이 고민스러운 부분을 어떻게 적용할 것인지를 살펴보기로 한다.

그림 1은 지난 6회에서 구조 기술 대하여 소개했던 레이아웃 그림이다. 노칭부 오버랩 적용을 설명하기 위해 불필요한 부분은 지웠으니 자세한 금형 구조나 내용은 6회를 참고하기 바라며, 이번 회에서는 노칭 파트 오버랩 적용 방법에 대해 소개한다.

▲ 그림 1. 소재 두께 4.5T의 노칭부 레이아웃도

그림 2는 소재 두께 4.5T의 타발 펀치 오버랩 적용 방법이다. 상세도 ‘A’에서 보면 노칭 타발부 오버랩 적용 부분이 11mm이며, 상세도 ‘C’에서 보면 측면으로 제품을 파고든 부분이 0.5mm이다. 상세도 ‘B’에서 보면 노칭 펀치가 8mm 오버커팅하면서 마무리된다.

▲ 그림 2. 소재 두께 4.5T의 타발 펀치 오버랩 적용 방법

노칭 펀치 모서리 R을 보면 4R로 구성되어 있음을 알 수 있다. 엔드밀 ?8로 작업하기 위해서이며, 4R 이상 설정하여도 무방하다. 상세도 ‘A’의 11mm 구간을 2mm 늘려서 13mm로 설정하면 5R로도 노칭 펀치 모서리 R을 만들 수 있다. 

이 방법으로 펀치 R은 3R이든 2R이든 조정할 수 있으므로 참고하기 바란다. 13mm로 설정하더라도 생각보다 크게 느껴지지 않으며, 자동차 성형품의 경우에는 제품적으로 아무런 문제가 없어 디자인적으로 예쁜 모양이 나오기 때문에 한번 시도해 보기를 권장한다.

노칭 펀치 모서리 R을 4R 이상 적용하면 WC 가공·NC 가공에서 모두 자유롭다. NC 가공인 경우에는 엔드밀 ?8로 가공할 수 있으며, 노칭 펀치 모서리 R을 5R로 적용하면 엔드밀 ?10으로 가공할 수 있으므로 정상적인 NC 가공 속도를 유지할 수 있다. 

자동차 성형 제품가공에 있어서는 NC 가공을 상황에 따라 피해갈 수는 없으며, 타발부 오버랩 적용에 있어서 제품의 파내는 양과 노칭 펀치/트림 펀치/커팅 펀치 등의 내구성을 고려하지 않을 수 없다. 

사소한 부분 같으면서도 설계자를 딜레마에 빠뜨리기 쉬운 부분으로, 이 방법을 알아두면 노칭 펀치 오버랩 적용 부분의 딜레마에서 해방될 수 있다고 생각되며 동사에서 여러 회사에 설계 도면을 적용하여 납품하였고 한번도 이 부분으로 인해 문제된 적은 없었다.

우리나라 자동차 성형 제품은 특별한 제품, 특별한 기능 부위를 제외한 제품 플렌지부 윤곽 공차는 ±0.5이며, 이 범주에서 벗어나는 제품 기능 부위는 제품 도면에 별도의 공차 표기가 되어 있다. 

해외의 자동차 성형 제품의 일반 윤곽 공차는 ±0.75이며, 특별한 기능 부위는 공차 표기가 되어 있으므로 그림 2에서 제시한 오버랩을 적용하더라도 제품 윤곽 공차면에서도 문제될 것이 없다.

이 방법을 적용하게 되면 해외 금형이나 국내 금형이나 보편적으로는 인정이 되지만, 국내의 어떤 회사의 경우에는 제품 외관 불량 판정을 받을 수도 있다는 것이다. 이럴 때 업무담당자에게 금형 내구성에 대한 자세한 설명을 하고 동의를 구하는 것이 금형기술자로서의 도리이며, 완성한 후에 금형 수정이라는 번거로운 일을 미연에 방지하는 것이 현명한 방법이다.

자동차 성형 제품은 제품 크기가 큰 편에 속하므로 실제로 그림 2 처럼 오버랩 적용을 해보면 현품에서의 외관 검사는 문제되지 않을 정도이며 모양적으로도 아주 예쁘게 보인다. 

특히 자동차 성형 제품의 경우에 제품 플렌지 윤곽 라인 자체가 제품 기능으로 사용되는 사례는 극히 드문 현상이며, 제품에 오버랩 적용으로 인한 파고든 양이 업무담당자의 선입견이나 금형설계자의 선입견이다. 제품 기능적으로는 아무런 문제가 되지 않는다.

이 방법을 적용해 보지 않은 생산업체나 금형 제작업체에서는 이 방법을 적용해 보면, 노칭 펀치 모서리부의 마모로 인한 타발 펀치 수명이 증가하고 내구성이 올라가는 것을 확인할 수 있으며 양산성이 증대된다. 

금형설계자의 사소한 관심과 노력으로 금형에 아주 좋은 결과를 가져오게 된다. 두꺼운 후판의 타발 펀치 오버랩 모양을 설정하는데 금형설계 시에 보이지 않는 골칫거리였던 부분이다. 양산업체나 금형 제작업체에서는 시도해 보기를 권장한다.

옛날 어느 훌륭한 목수가 했던 말인데 한사람이 앉을 의자는 그에 맞게 만들어야 잘 만든 것이며, 한사람이 앉을 의자로서의 기능이나 재질이 과도하게 넘치면 잘 만든 것이 아니다고 책에서 읽은 기억이 있다. 

특히 전자 제품의 경우에는 과도한 제품 품질 관리로 인해 금형 제작업체의 금형 제조 원가 상승을 유발시켜 불필요한 돈이 투입되는 것은 안타까운 현실이다. 제품적으로 기능적으로 문제가 되지 않는 부분이라면 제품 발주처에서도 노칭 펀치 오버랩 적용으로 인한 외관 불량 판정은 과도한 낭비 요소임을 알아야 한다.

2. 크기가 작은 이형 타발 펀치 고정 방법

펀치 모양을 어떻게 만들어내는 것이 강성을 보강하고 파손율을 줄이는 방법인지 살펴보자.

그림 3은 소재 두께가 2.0T이고 탭핑 2개소까지 완료하는 자동차 뒷 트렁크 도어쪽 제품이며, 3m 크기의 탭핑 프로그레시브 다이이다. 600톤 프레스에서 작업하기 때문에 폭 3mm 노칭 펀치로, 소재 두께 2.0T의 타발 공정에서 노칭 펀 치 파손율을 최소화하고 안정성 있게 생산성을 확보하는 것이 어려웠다.

▲ 그림 3. 이형 1단으로 가공한 노칭 펀치 도면

일반적으로는 노칭 펀치 직선 구간을 활용하여 헤드 부분을 8~10mm 정도로 만들고 펀치 고정판에 턱걸이 형식으로 고정하는 방법이지만, 노칭 펀치 헤드 부분을 펀치 고정판 두께만큼 동일하게 했다. 

그 이유는 노칭 펀치가 파손되면 턱걸이 형식으로 고정된 펀치는 노칭 펀치 파손 시에 금형을 프레스에서 해체하고 교환해야 하는 문제를 발생시켜 생산성을 떨어뜨렸고 생산 원가 상승의 요인이 됐다.

그림 3에서 보면 동그라미 1은 노칭 펀치이며, 동그라미 2는 펀치 고정 클램프이다. 동그라미 1의 펀치 고정 방법을 보면 노칭 펀치 턱걸이 부분을 펀치 고정판 두께와 동일한 높이로 설정하고 펀치 고정 클램프로 고정했다. 그리고 동그라미 3을 보면 스트리퍼 쪽에 윈도를 장치했는데, 노칭 펀치 파손 시에 금형을 프레스에서 해체하지 않고 미리 준비된 스페어 펀치를 교체할 때 스트리퍼 윈도를 열고 펀치 고정 클램프의 볼트를 풀면 펀치를 교체할 수 있다.

이 방법은 스트레이트 구간이 있는 부분을 활용하여 노칭 펀치 헤드를 만들 수가 있었다. 그러면 스트레이트 구간이 없는 소형 노칭 이형 펀치는 헤드를 어떻게 만들 것인지 알아보자.

그림 3에서처럼 스트레이트 구간이 없거나 노칭 펀치 폭이 3mm 이하인 이형 펀치의 경우에는 그림 4처럼 이형 3단가공으로 노칭 펀치를 가공한다. 펀치 윤곽가공은 사각형으로 하면서 펀치 랜드부는 3단으로 NC 가공하는 방법이다.

▲ 그림 4. 이형 3단으로 가공한 노칭 펀치 도면

가공 순서는 다음과 같다.

① 직각 밀링 후 NC 황삭 윤곽가공

② 열처리 담금질/뜨임 후 노칭 펀치 직각 연삭가공

③ 14mm 노칭 펀치 칼날부는 고속 NC 가공으로 마무리

펀치 파손 시에 펀치 교환 방법은 스트리퍼 윈도를 열고 펀치에 체결된 볼트를 해체하면, 스트리퍼 열린 창으로 미리 준비된 스페어 노칭 펀치를 프레스에서 금형을 내리지 않고 교체할 수 있다.

이번에 소개한 노칭부 오버랩 적용이나 소형 펀치 체결 방법에 대한 사례들은 자동차 성형 제품에 적용한 사례이지만, 중형 이상 대형 전자제품의 경우에도 기능 부위를 피하고 제품 외관 부위를 피해서 금형 수명을 고려하여 오버랩 적용을 허용해도 괜찮지 않을까 하는 금형인으로서 개인적인 생각이다.

우리나라 전자 제품의 경우에는 이 정도의 오버랩 적용은 제품 외관 불량이라는 판정을 받는다. 과도한 제품 스펙 관리에서 벗어나 현실적인 제품 관리에 대해 한번 고민해 보면 어떨까 하는 생각이 든다. 

신종혁 _ 예진금형설계시스템 대표