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일반적인 벤딩 품질 문제 및 해결 방법

생산 및 제조 과정에서 판금 부품을 벤딩할 때 다양한 벤딩 품질 문제가 발생할 수 있으며, 이는 생산 효율 향상과 제품 품질 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다. 본 논문에서는 생산 현장에서 흔히 발생하는 벤딩 및 절단 품질 문제를 상세히 살펴보고, 문제의 원인을 분석하며, 해결책을 제시하여 향후 생산 현장에서 유사한 문제가 발생할 경우 참고 자료로 활용될 수 있도록 합니다.

소개

판금 벤딩은 범용 금형(또는 특수 금형)을 사용하여 금속을 구부리는 공정입니다. CNC 프레스 브레이크 기계 금속판을 구부려 다양한 기하학적 단면 형상의 가공품을 만드는 데 사용됩니다. 벤딩 공정의 합리성은 제품의 최종 성형 크기와 외관에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 벤딩 금형을 적절하게 선택하는 것은 제품의 최종 성형에 매우 중요합니다.

실제 생산 공정에서는 제품 크기의 불확실성과 제품 유형의 다양성으로 인해 냉간 가공된 공작물의 벤딩 과정에서 크기 간섭이나 금형 각도 불일치와 같은 문제가 빈번하게 발생하여 생산에 큰 어려움을 초래합니다. 벤딩 공정 중 제품 크기, 형상, 재질, 금형, 장비 및 보조 설비와 같은 요소들의 영향으로 다양한 품질 문제가 발생할 수 있으며, 이는 생산 효율과 제품 품질 안정성에 악영향을 미칩니다. 따라서 이러한 벤딩 품질 문제의 발생을 예방하고 해결하는 것이 매우 중요합니다. 본 논문에서는 생산 현장에서 흔히 발생하는 판금 벤딩 품질 문제들을 요약 및 기술하고, 생산 경험을 바탕으로 그 원인을 분석하며, 해결책을 제시합니다.

일반적인 굽힘 품질 문제

굽힘 및 균열

굽힘 균열이란 절단, 전단 또는 스탬핑 후 재료의 모서리에 버(burr)나 작은 균열이 자주 발생하고, 굽힘 과정에서 응력 집중이 쉽게 발생하여 균열이 생기는 현상을 말합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 기관차 부품의 U자형 보강 홈은 굽힘 후 모서리 부분에서 균열이 발생했습니다.

그림 1 굽힘 및 균열

휘어짐과 균열의 주요 원인은 다음과 같습니다.

부품 가장자리에 깨끗하지 않은 버(burr)가 있습니다.
굽힘 방향은 판금의 압연 방향과 평행합니다.
판금의 굽힘 반경이 너무 작습니다.

생산 및 제조 과정에서 특정 상황에 따라 굽힘 및 균열 현상을 처리해야 합니다. 그림 1의 굽힘 및 균열 문제에 대해서는 그림 2와 같이 가공 구멍이나 가공 홈을 추가하는 방법을 사용하여 해결할 수 있습니다.

그림 2: 공정 구멍 추가

굽힘 간섭

굽힘 간섭은 주로 2차 이상의 굽힘이 발생하는 제품에서 굽힘 모서리가 금형이나 장비와 충돌하여 제대로 성형되지 못하는 문제를 해결하기 위한 것입니다. 굽힘 간섭은 부품의 형상, 크기, 금형에 따라 영향을 받으며, 주로 굽힘 부품 자체의 설계 구조, 선택된 굽힘 순서, 선택된 굽힘 금형에 의해 발생합니다. 따라서 주요 해결책은 다음과 같습니다.

새로운 금형을 제작하거나 교체하는 것(예: 벤딩 나이프 금형).
벤딩 금형의 변형(예: 부분 부품의 기계 가공).
굽힘 순서를 조정하십시오(예: 역변형 방식).
부품의 굽힘 크기를 변경합니다. 예를 들어, 상하이 지하철 18호선 섀시 액세서리 트렁킹 설치 브래킷은 U자형 채널 강으로 제작되었으며, 중간 폭은 100mm, 변 높이는 80mm, 굽힘 반경은 15mm입니다. 작업장에 있는 기존 금형을 기반으로 굽힘을 시뮬레이션하여 굽힘 간섭을 생성합니다.

이러한 간섭 현상에 대응하여 벤딩 상부 금형에 국부적인 기계 가공 방법을 적용하였다(그림 3 참조). 기존의 R15mm 직선형 나이프 상부 금형(길이=800mm)의 중앙선을 따라 140mm × 48mm 크기의 노치를 절삭하였다(그림 4 참조). 노치의 위치는 모의 벤딩 간섭 위치와 결합하여 결정하였으며, 금형의 원래 기능에는 영향을 미치지 않았다. 벤딩 금형을 수정한 후 벤딩 간섭 문제를 성공적으로 해결하였다.

그림 3: 상부 금형 가공 후 굽힘

그림 4: 굽힘 간섭으로 인한 가공 영역 결정

굽힘 압입

굽힘 자국은 판금을 오목한 금형의 V자형 홈 내면과 점진적으로 접촉시키는 과정에서 마찰이 발생하여 판금 표면에 뚜렷한 자국이 남는 현상입니다. 표면 품질이 매우 중요한 일부 부속품의 경우, 기존의 굽힘 방식으로는 제품 품질 요구 사항을 충족할 수 없으며, 굽힘 자국(그림 5 참조)은 후속 공정의 요구 사항을 충족하지 못합니다.

그림 5: 굽힘 압흔

굽힘 압흔은 주로 판금의 경도와 하부 금형의 구조에 영향을 받습니다. 판금의 경도가 높을수록 소성 변형에 대한 저항력이 커져 소성 변형이 일어나기 어렵고, 따라서 압흔이 발생하기 쉽습니다. 일반적으로 사용되는 판금 재료에서 굽힘 압흔 발생 확률은 알루미늄 > 탄소강 > 스테인리스강 순입니다. 굽힘 금형의 개구부 폭이 클수록 굽힘 압흔의 폭이 커지고 압흔 깊이는 얕아집니다. 하부 금형 개구부 숄더의 R 크기가 클수록 압흔 깊이는 얕아집니다.

재료 경도 및 하부 금형 구조 개선 외에도, 압입 방지 고무 패드와 볼 타입 벤딩 하부 금형을 사용하여 벤딩 압입 문제를 해결할 수 있습니다. 압입 방지 고무 패드는 그림 6에서와 같이 물리적 격리를 통해 압입 발생을 줄여줍니다. 볼 타입 벤딩 금형은 기존 벤딩 금형에 필요한 압출 마찰을 구름 마찰로 변환하여 마찰을 줄이고 제품 손상을 최소화합니다(그림 7 참조).

그림 6: 눌림 방지 고무 패드

그림 7: 볼 벤딩 하부 금형

굽힘 스프링백

벤딩 공정 중 재료는 소성 변형과 탄성 변형을 동시에 겪습니다. 가공물이 벤딩 금형에서 나올 때 탄성 회복이 발생하여 벤딩된 부품의 형상과 크기가 하중과 일치하지 않게 되는데, 이를 벤딩 리바운드라고 합니다. 굽힘 스프링백 굽힘 각도가 부족한 주요 원인 중 하나는 스프링백 현상입니다. 스프링백에 영향을 미치는 주요 요인은 판금의 기계적 특성과 굽힘 변형 조건입니다. 스프링백 값의 크기는 판금의 항복 강도에 비례하고 탄성 계수에 반비례합니다. 굽힘 부분의 상대 굽힘 반경(굽힘 반경과 판금 두께의 비율인 R/t)이 작을수록 굽힘 스프링백 값이 작아집니다. 굽힘 부분의 형상 또한 굽힘 스프링백 값의 크기에 영향을 미칩니다. 일반적으로 U자형 부품은 V자형 부품보다 스프링백 값이 작습니다.

굽힘 스프링백을 극복하는 주된 방법은 각도 보상법이며, 일반적으로 굽힘 금형에 스프링백 각도와 동일한 경사를 적용하는 방법을 사용합니다. 이 방법은 굽힘 스프링백의 영향을 효과적으로 상쇄할 수 있습니다. 그림 8에서 볼 수 있듯이, 80°의 경사를 가진 굽힘 금형을 사용하면 90°의 굽힘 각도를 가진 공작물을 매끄럽게 구부릴 수 있습니다.

그림 8: 굽힘 스프링백 보상

굽힘 반발력에 영향을 미치는 요인이 많기 때문에 반발력 값을 정확하게 계산하는 것은 매우 어렵습니다. 금형 수정 및 경험 축적을 통해 반발력 법칙을 숙지하고, 적절한 보정을 적용하며, 금형 구조 등에서 반발력을 극복하기 위한 조치를 취하는 것이 제품 품질을 확보하는 효과적인 방법입니다.

벤딩 슬라이드 재질

벤딩 슬라이드란 벤딩 대상 공작물이 하부 다이 홈에 완전하고 효과적인 지지점을 갖지 못하여 공작물이 미끄러지기 쉽고 벤딩이 제대로 위치되지 않는 현상을 말합니다.

슬라이딩 재료가 휘어지는 주요 원인은 다음과 같습니다.

하부 금형의 폭이 너무 크고 굽힘 크기가 하부 금형 폭의 절반보다 작으면 슬라이딩 현상이 발생합니다.
가공물의 형상과 크기가 영향을 미치는 경우, 템플릿의 위치 결정 크기가 너무 짧거나 효과적인 템플릿 위치 결정 모서리가 없으면 굽힘 및 미끄러짐 현상이 발생할 수 있습니다.

재료의 굽힘 및 미끄러짐 문제를 해결하는 데에는 크게 두 가지 방법이 있습니다.

방법 1. 적절한 벤딩 다이를 선택합니다. 일반적으로 벤딩할 보드의 두께의 4~6배 너비의 다이를 선택합니다.
방법 2. 템플릿 또는 가공 모서리 추가 방법을 사용하면 벤딩으로 인한 위치 불량으로 발생하는 재료 미끄러짐 문제를 해결할 수 있습니다. 일반적으로 벤딩은 공작물의 직선 모서리를 이용하여 위치를 정하는데, 이때 위치 지정을 위해 두 끝면이 벤딩 템플릿과 접촉해야 합니다. 그러나 실제 생산 공정에서는 제품 템플릿 모서리가 너무 짧거나 효과적인 위치 지정 모서리가 없는 경우가 있어 벤딩 위치 지정이 완료되지 않는 경우가 있습니다. 이에 대한 해결책은 다음과 같습니다.

판재 두께 t가 6mm 이하인 경우, 위치 조정을 위해 가공 모서리를 추가하고, 연장된 가공 모서리의 위치는 부속품의 끝단과 수평이 되도록 해야 합니다. 접합부에는 레이저 절단을 사용하여 벤딩 작업 후 연삭 및 제거 작업을 용이하게 해야 합니다.
판재 두께 t가 6mm보다 클 경우, 위치 조정을 위해 템플릿을 제작할 수 있으며, 템플릿 두께는 가공물 두께와 같거나 약간 얇을 수 있습니다. 두 가지 위치 조정 방법 모두 재료의 굽힘 및 미끄러짐 문제를 해결할 수 있습니다.

대형 아크 벤딩

생산 및 제조 과정에서 가공물의 굽힘 반경이 큰데 작업장에 그에 맞는 대형 아크 금형이 없는 경우가 흔히 발생합니다. 이 경우 일체형 성형 금형이나 대형 아크 금형을 사용하면 생산 주기가 길어지고 비용이 많이 드는 반면, 소형 아크 다중 패스 벤딩 성형 기술을 사용하면 비용이 저렴하고 적용 범위가 넓어집니다. 예를 들어, 슈퍼 버스 2.0 프로젝트에는 그림 9와 같이 수직 판 하나와 수직 판 세 개로 구성된 부품이 있는데, 굽힘 반경은 125mm이고 굽힘 각도는 90°입니다. 작업장에 적합한 벤딩 금형이 없기 때문에 여러 번의 벤딩 공정을 사용할 수 있습니다. 먼저 3D 소프트웨어를 사용하여 R125mm 위치에서의 레이아웃과 벤딩을 모델링했습니다. 모델링 후 소프트웨어가 자동으로 2D 평판 도면을 펼쳤습니다. 소프트웨어에 45mm의 굽힘 반경을 입력하고 여러 데이터 입력을 비교하여 8번의 벤딩으로 원형 아크 부분을 확실하게 성형할 수 있음을 확인했습니다. 그런 다음, 그림 10에 나타낸 바와 같이 각 절단에 대한 굽힘 데이터(굽힘 각도, 굽힘선 위치 길이)를 생성했습니다. 마지막으로, 그림 11에 나타낸 바와 같이 해당 굽힘 데이터를 기반으로 현장 시험 굽힘을 수행했습니다.

그림 9: 호 모양의 가공물

그림 10: 전개도 및 굽힘선 위치

그림 11: 현장 시험 금형 벤딩

굽힘 돌출

굽힘 돌출이란 판금의 굽은 모서리 부분에서 재료 압축으로 인해 금속 재료가 양쪽으로 돌출되어 원래 크기보다 넓어지는 현상을 말합니다. 굽힘 돌출의 크기는 일반적으로 부속품의 두께와 굽힘 반경에 비례합니다. 판재가 두꺼울수록 굽힘 반경이 작아지고 돌출이 더욱 두드러집니다.

이러한 굽힘 품질 문제를 방지하기 위해 그림 12와 같이 굽힘 전개도를 그릴 때 굽힘선의 양쪽에 가공 홈을 추가할 수 있습니다. 가공 홈은 일반적으로 원호 형태로, 지름은 가공물 두께의 최소 1.5배 이상으로 하여 굽힘 돌출부를 상쇄하고 굽힘 돌출 문제를 효과적으로 해결합니다. 이미 굽힘 돌출부가 발생한 가공물의 경우, 일반적으로 수동 연마를 통해 처리합니다.

그림 12: 프로세스 격차

결론

위에서 언급한 생산 현장에서 흔히 발생하는 벤딩 및 절단 품질 문제는 인적 요인이나 장비 요인(예: 잘못된 펼침 치수, 잘못된 벤딩 매개변수 선택, 장비 노후화)의 영향을 고려하지 않았다는 점에 유의해야 합니다. 생산 현장에서는 장비 성능, 제품 크기, 재료 특성을 고려하여 적절한 벤딩 공정 매개변수를 선택하고, 작업 사양에 따라 엄격하게 실행해야 합니다. 프로젝트 진행 상황, 비용, 품질 등 다양한 요인의 영향을 종합적으로 고려하여 적절한 해결 방법을 모색하는 것뿐만 아니라, 공정 분석 단계에서 벤딩 문제의 발생 및 영향을 예측하고 이를 예방하기 위한 구체적인 조치를 취할 수 있도록 경험을 축적해야 합니다. 본 글에서는 몇 가지 일반적인 벤딩 품질 문제와 그 해결책을 제시하여 업계 관계자 여러분께 참고와 지침을 제공하고자 합니다.

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