[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 자동차 성형제품 대형 프로그레시브 금형의 가공 방법에 대하여 소개하기로 한다.
먼저 좋은 금형을 만들려면 기계적 가공 변형 특징을 이해해야 하며, 온도 변화로 인한 수축 팽창률은 얼마인지 알아야 하고, 열처리 변형 및 모든 가공 변형을 어디까지 받아들이고 인정할 것인지를 판단해야 한다. 과연 금형은 어느 정도로 가공하는 것이 낭비 없고 부족함 없는 올바른 가공법인지를 알아야 한다. 또한 가공한계점은 어디까지인지 알아본다. 금형을 초정밀도로 가공한다면 금형 단가에 접근조차도 안 될 것이다.
앞으로 자동차 성형제품 대형 프로그레시브 금형의 가공 방법을 다루기 전에 기계가공별 변형이 일어나는 특성을 먼저 이해하면, 대형 금형의 가공법을 이해하는데 도움이 될 것이라 생각되므로 기계적 변형 및 열처리 변형 금속의 온도 변형을 소개하고자 한다.
자동차 성형 공정의 플레이트 및 인서트 가공 방법을 거론하는 이유는 포밍 구간 및 포밍 후 피어싱 파트에서는 형상가공과 와이어컷팅 가공이 복합적으로 적용되는 경우가 많기 때문이다. NC 형상가공은 열처리 전에 가공하며 와이어컷팅 윤곽가공은 열처리 후에 가공하기 때문에 상호간에 가공연결성이 매우 까다롭다. 또한 프레스 대형 금형의 경우에는 열처리를 하지 않는 일반적인 플레이트나 홀더 같은 경우에도 변형 관리 및 가공 관리가 필요하기 때문이다.
일반적으로 열처리 후에는 열처리 변형이 일어나며, 이후에 와이어컷팅 가공을 한다는 것이 열처리 변형 후의 와이어컷팅과 열처리 전의 NC 형상가공에서 가공연결성을 유지해야 하기 때문이다. 또한 와이어컷팅 후에 열처리하는 것이 불합리하며, 열처리 후 와이어컷팅하는 것을 기본으로 한다.
현재 최신의 열처리 기술로도 열처리 변형을 최소화할 수는 있지만, 변형이 전혀 없는 열처리는 없다. 열처리 후 고속가공기로 정삭하는 방법도 있지만 가공비 상승으로 이어지기 때문에 차선책으로 검토하면 된다. 우선 가공별로 어떤 유형의 변형이 일어나는지 살펴보기로 한다.
(1) NC 가공
황삭가공 시에 가공 물체의 온도가 상승함으로써 뒤틀림 현상 및 가공면 쪽으로 올라붙는 현상이 발생한다.
(2) 와이어컷팅 가공
열처리 후에 가공하기 때문에 비교적 가공 변형이 적다고 볼 수는 있겠지만 전기적 에너지 발생으로 인해 가공 물체에 변형을 일으키며, 국부적이기는 하지만 전기적 스파크로 직접 가공 부위는 고온으로 상승한다. 수중 가공이나 유중 가공으로 식히기는 하지만 순간적인 온도 상승은 피할 수 없다. 국부적 온도 상승 및 전기적 에너지가 가공 물체를 통과함으로써 뒤틀림 현상은 막을 수 없다. 정밀한 부품의 경우에는 1차, 2차, 3차 가공을 해도 윤곽 정밀도는 상당한 수준까지 얻을 수 있지만, 전체 플레이트의 뒤틀림 현상은 아직도 해결하지 못한 숙제이기도 하다.
(3) 열처리
열처리에는 풀림, 담금질, 뜨임 등이 있다. 금형 분야에서는 담금질 후 뜨임 처리가 대부분이다. 담금질 후 뜨임 처리로 인성을 증대시킨다. 열처리 전보다 경도와 인성은 높아지나 뒤틀림 및 형상 수축 변형이 모두 일어나는 금형 분야에서 가장 변형이 심한 공법이기는 하지만, 담금질 및 뜨임 처리를 하지 않으면 금형으로서 사용할 수 없기 때문에 필수적인 요소이다.
(4) 온도 변형
온도 차이로 인해 금속이 수축 팽창하는 것은 현대 과학으로도 어찌할 수 없는 물리적 현상이다. 과연 온도 차이로 일어나는 수축팽창계수는 얼마나 될까.
특수강을 제외한 SS41 일반금속 기준으로 1M당 섭씨 18도 기준으로 온도 1도 변화에 따라 0.017mm 수축 팽창한다(포스코 자료 기준). 4M 크기의 금형 기준으로 본다면 온도 1도 차이로 인한 크기 차이는 0.068mm이다. 계절에 상관없이 아침저녁으로 15도 이상의 온도 차이가 매일 일어난다고 보면 하루에도 1mm 이상 줄었다 늘었다 한다.
기계가공 상의 변형과 온도 변형, 열처리 변형을 모두 알고 보면, 진정한 미크론 단위의 정밀 가공은 불가능하며 이를 최소화시킬 수는 있어도 완전히 제어할 수는 없다. 모든 변형을 너무 신경 쓰면 현재의 금형비로는 만들 수 있는 금형이 하나도 없다.
금형가공은 절대공차 개념과 상대공차 개념을 적절히 활용해야 한다. 금형가공은 기본은 절대공차 개념으로 진행해야 하며, 전체 짜임새는 상대공차 개념으로 제작하면 된다. 상형 기준이든 하형 기준이든 기준을 정하고 상대적 맞춤가공을 하게 되면, 가공의 효율성 및 가공 시간 단축 등 금형 제작에 있어 능률적이다.
자동차 제품에서는 제품 소재 두께의 안쪽·바깥쪽으로 구분하지 않으며 마스터·비마스터로 구분한다. 마스터면을 기준으로 정하고 마스터면을 먼저 사상 완료한 후(마스터면 사상은 NC 가공 흔적이 남아있어야 함) 비마스터면만을 스폿팅 작업으로 사상한다. 마스터면과 비마스터면을 구분하는 방법은 다음에 설명하기로 한다.
대형 프레스 금형의 경우에는 절대공차로는 접근이 어려우며, 기본 치수 개념은 지키면서 상하형 형합검사로서 문제없도록 상대적 공차를 유지하게 가공하면 금형비 절감은 물론이고 가공 시간도 많이 단축된다.
대형 금형의 모든 부품의 절대공차 관리는 모든 가공 변형 및 온도 변형을 제거해야 하는데, 이것은 프레스 성형품 공차 기준으로 판단하면 사치이며 과도한 낭비이다. 흔히 문헌이나 기술서적을 참고하면 정밀 가공만을 강조한다. 이는 금형의 특성을 고려하지 않은 방법이기도 하다. 정밀 가공을 해야 할 부분 몇 포인트만 정밀 가공하면 된다.
전자 금형의 수요 감소로 인해 자동차 금형 쪽으로 진출하는 전자 금형업체라면 참고하기 바란다. 특히 대형 전자 금형 제작업체라면 대형물 가공 공법을 참고하면 좋을 것같다. 전자 금형업체의 패턴을 보면 소형 금형이나 대형 금형이나 절대공차 패턴으로 제작하는 경우가 많다. 대형 전자 금형 제작 시에 가공에서 낭비 요소를 발견하는 참고 자료가 되었으면 한다.
자동차 브레이크 라이닝 커버 L/R 복열 PRO-DIE 레이아웃도와 함께 포밍 인서트 가공 방법에 대해 다루고자 한다.
▲그림 1. 레이아웃도
10-2번 포밍 상펀치를 보면 펀치 홀더에 깊이 10mm만큼 포켓작업하고, 10-3번 포밍 하다이 홀더에 포켓작업을 13mm 했다.
▲그림 2. 3D 제품
가공 순서는 열처리 전에 드릴 작업, 탭, 리머 작업을 하고, 포밍 펀치 다이 NC 형상가공을 하여 열처리를 한다.
▲그림 3. 포밍부 구조도 단면 A-A
가공 관리 포인트는 열처리 후부터이다. 열처리 전 형상가공과 맞춤핀자리 리머작업을 모두 가공했기 때문에 열처리 후에 변형되어 뒤틀어졌다. 맞춤핀자리 리머 치수 및 위치공차도 열처리 변형으로 인해 빡빡하거나 잘 맞지 않는 것이 보통이다.
▲그림 4. 10-2 포밍 상펀치 도면
▲그림 5. 10-3 포밍 하다이 도면
열처리 후 포켓 윤곽도 맞춤가공되어 있고 맞춤핀 4개소까지 맞는다는 것은 불가능한 일이다. 맞춤핀 4개소의 목적은 금형 트라이 후에 단품 수정 목적으로 사용되며, 금형 조립 시에 맞춤핀은 체결하지 않아도 포켓 윤곽작업으로 이미 위치공차는 확보됐다. 가로세로 307×235mm의 작지 않은 인서트이지만, 현재 열처리 기술로 변형이 윤곽치수에 심각한 영향은 주지 않으므로 사용하는 데는 무방하다.
또 다른 한 가지 걱정되는 것은 열처리 변형으로 인해 형상이 뒤틀어지는 것이다. 재가공하는 것도 하나의 방법이기는 하지만, 자동차 제품 형상공차·윤곽공차로 볼 때 그냥 사용해도 상관없다. 열처리 후 그대로 사용하는 것은 아니며, 펀치 다이스폿팅 작업 후에 사용해야 한다.
열처리 후 재가공 후라고 해도 그냥 사용하는 것은 아니다. 형상 금형에 있어서는 다이스폿팅 작업이 필수적이다. 고속가공기로 재가공하고 다이스폿팅하지 않을 목적으로 재가공하는 것은 아니다. 열처리 후에 고속가공기로 재가공하고 그대로 적용한 포밍 펀치·다이보다 열처리 후 다이스폿팅 작업한 포밍 펀치·다이가 더 반듯한 제품을 얻을 수 있다. 포밍·펀치 다이스폿팅 작업을 잘하면 고속가공기로 가공한 제품보다 더 좋은 제품을 얻을 수 있다.
자동차 성형금형에 있어 가공 순서 및 가공 관리 방법은 다음 회에 이어서 소개하기로 한다.
신종혁 _ 예진금형설계시스템 대표
