Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 12 pp. 6060-6065, 2013 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.12.6060 파인블랭킹공정에서 V- 링압력과클리어런스가다이롤높이에미치는영향에관한연구 이춘규 1*, 김종덕 2, 김영춘 1 1 공주대학교기계공학부, 2 생산기술연구원 A Study on the Effect of V-Ring Pressure and Clearance on the Die Roll Height Through the Fine Blanking Chun-Kyu Lee 1*, Jong-Deok Kim 2 and Young-Choon Kim 1 1 Div. of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju National University 2 Molds and Dies Technology R & D Group, Korea Institute of Industrial Technology 요약유효전단면의크기를최대가되도록하기위해서는다이롤높이의최소화가매우중요하다. 본연구에서는 V-링압입량의변화와클리어런스의변화에대한다이롤변화를연구하였다. V-링거리를 2mm로고정하고클리어런스가다른다이인서트를적용할수있는파인블랭킹금형을제작하여전단해석과실험을진행하였다. 각실험으로부터시편을채취하여다이롤높이를분석한결과 V-링의압력이재료의유동을효과적으로억제하고펀치와다이사이의클리어런스가재료두께에대하여 1% 의경우가다이롤높이가낮게됨을알수있었다 Abstract Minimizing the height of the die roll is very important for maximizing the size of effective shear planes. In this study, the die roll change was investigated for the change in the amounts and clearance of the V-ringindentation. Shear analysis and experiments were conducted with the V-ring distance fixed to 2mm. Fine blanking die was applied to the die insert with different clearances. Several specimens were analyzed about the height of the die roll. As a result, the pressure of V-ring effectively inhibited the flow of materials. And the height of the die roll was lowest when the clearance between the die and punch was 1% of the material thickness. Key Words : Clearance; Die Roll; Effective Share Surface; Fine Blanking; V-ring Force; 1. 서론 금속의외형을 1회에의해전단하는공정을블랭킹가공이라하며, 그중에서도파인블랭킹가공은제품의전체두께에대하여고운전단면과높은정밀도를요구되는제품에적합하며, 더이상의 2차기계가공이필요하지않고정밀도도일반블랭킹에비하여매우높은가공법이다. 파인블랭킹제품은주로전단면을기능면으로사용하기때문에전단면의품질이매우중요하며, 전단면품질 을결정하는요소중에서다이롤높이는전단면의크기를결정하는중요한부분이다.[1] [Fig. 1] 과같이다이롤높이는제품의형상, 펀치와다이사이의간격, 재료의특성, 펀치와다이날의예리함정도및 V-링의거리, V-링의압입정도등의많은금형요소에영향을받는다.[2] 그중에서도 V-링압력및클리어런스는유효전단면을얻는데매우중요한요소이다. 본연구에서는다이롤높이에영향을미치는클리어런스와 V-링압력변화를적용하여다이롤높이의변화량을해석과실험을통하여고찰하고자한다. * Corresponding Author : Chun-Kyu Lee(Kongju National Univ.) Tel: +82-10-4725-5214 email: ckt1230@naver.com Received August 30, 2013 Revised (1st October 14, 2013, 2nd November 4, 2013) Accepted December 5, 2013 6060
파인블랭킹공정에서 V- 링압력과클리어런스가다이롤높이에미치는영향에관한연구 [Fig. 1] Die-roll of fine blanking [Table 2] Product shape nine minutes Product Shape Corner R 0.3 c¹ Product Shape Corner R 0.3 a¹ a² 30⁰ 0.5 c² 60⁰ 0.5 a³ 1.0 c³ 1.0 b¹ 0.3 d¹ 0.3 b² 45⁰ 0.5 d² 90⁰ 0.5 b³ 1.0 d³ 1.0 2. 파인블랭킹금형제작 2.1 재료분석및파인블랭킹제품설계 본실험에서사용한피가공판재는비교적전단가공의용이함과금형의강성및프레스의공칭압력을고려하여두께 3mm의냉간압연강판 () 과산세강판 (PO: Pickled-oiled steel sheets) 을사용하였다. 실험에사용된재료성분은 Table 1과같다. 2.2 성형용파인블랭킹금형제작 Fig. 3과같이제품의전단선에서부터 V-링의중심까지의거리를 2.0mm로설정하고, V-링에서재료의외곽까지의거리를전단의안정성을고려하여재료의두께와동일하게 3mm를설정하였으며, 전단특성과재료의이용률및 V-링라인을고려하여제품의간격을 4mm로설정하였다. [Table 1] Component analysis of the test material (SPCC) (SPHC) Elt. Line Intensity Error Conc (c/s) 2-sig (%) Units C Ka 3.48 0.748 0.126 wt.% P Ka 5.42 1.402 0.043 wt.% S Ka 0.22 0.148 0.045 wt.% Cr Ka 1.36.0329 0.242 wt.% Mn Ka 0.87 0.264 0.496 wt.% F Ka 32.28 1.607 3.743 wt.% (Containing impurities) Fe Ka 196.30 3.963 95.305 wt.% 100 wt.% Total Intensity Error Elt. Line (c/s) 2-sig Conc Units (%) C Ka 3.62 0.695 0.168 wt.% P Ka 6.71 0.946 0.078 wt.% S Ka 0.29 0.195 0.063 wt.% Mn Ka 0.68 0.302 0.513 wt.% F Ka 16.85 1.499 3.460 wt.% (Containing impurities) Fe Ka 440.42 7.663 95.718 wt.% 100 wt.% Total 블랭킹제품은성형의난이도 [3] 를고려하여형상을 30⁰, 45⁰, 60⁰, 90⁰의 4가지로하고각각에대하여모서리라운드를 R0.3, R0.5, R1.0으로설정하여 Fig. 2와 Table 2 같이설계하였다. [Fig. 2] Fine blanking part [Fig. 3] Strip layout of fine blacking die 범용프레스에서실험을진행하기위해다이플레이트는금형의상형에설치하고, 내부에제품의변형과이젝팅을위해카운터펀치를설치하였으며, 블랭킹펀치는 V-링과함께금형의하형에설치하였으며, V-링의압력은프레스기계의다이쿠션을이용하여조정할수있도록설치하였다. 파인블랭킹금형의 V-링은 [Fig. 4] 와같이설계지침에따라 3mm인경우가이드플레이트의한쪽에설치하였으며, 모서리부분에는마모를고려하여 3개소에 0.2mm의라운드를적용하였다. 다이의인선부에도 R0.2mm를적용하고내측을래핑가공하여제품의단면이깨끗하게되도록하였다. 재료를삽입하지않고금형을닫았을경우 V-링의돌출부는상대편부분에닿게되어 V-링자신과상대부품에손상을주어금형이파손될위험이있다. 이를방지하기위하여블랭크홀더의상면에 V-링보다 0.2mm 높게이를보호하기위한스톱블록을 4개소에설치하여 V-링을보호할수있도록하였다 [4]. 6061
한국산학기술학회논문지제 14 권제 12 호, 2013 1 V-ring 2 Stop block 3 Clamp 4 Blank holder 5 Die plate [Fig. 4] Design of die plate and v-ring 3. 전단해석및실험 3.1 실험순서및조건 금형의상측에다이플레이트를인서트로하여조립한후, V-링을펀치의인서트에서부터 2mm가되도록조립하고, V-링의압력을 62MPa가되도록하여 1차실험을실시한다. 이후에다이플레이트의인서트를교환하여클리어런스의변화를주고실험을실시하였다. 1차와같은방법으로하여 V-링의압력을 140MPa로하여 2차실험을실시하였다. 금형파트는 Table 3과같이 1-62, 3-62, 1-140, 3-140 으로나타내고숫자의전반부는클리어런스값을재료두께의 % 로나타내며, 후반부는 V-링압력의크기를나타내고있다. [Table 3] Die set for experiment Test order 1 2 3 4 Test material clearance V-ring force Die parts 0.03mm 1-62 62MPa 0.1mm 3-62 0.03mm 1-140 140MPa 0.1mm 3-140 해석에사용된공정변수는 Table 4에제시하고, 사용된모델은압연에따른이방성은고려하지않고등방성으로간주하고, V-링이완전압입한것으로하였으며 [5], 경계조건으로소재가옆으로퍼지는현상을방지하기위해 X축을구속시키고, Y축블랭킹펀치와카운터펀치는전단속도 106mm/sec에스텝증분 0.01mm로하여재료의두께인 3mm를상승시키면서다이롤의변화량을고찰하였다. [Table 4] Parameters used in analysis Parameters Value Unit Punch speed 106.67 mm/s Average elements size 0.01 mm Element 20000 EA Damage 1.0 1.5 tool movement 0.01 mm V-Ring distance 2 mm V-Ring angle 45 V-Ring radius 0.5 mm V-Ring high 0.6 mm Die corner radius 0.2 mm (a) (V-ring force 62MPa) (b) (V-ring force 62MPa) [Fig. 5] Die roll shape in case of clearance 0.03mm 3.2 전단해석및실험사용된제품의형상은여러가지모듈을갖는특수기어모델로해석의어려움이있으므로한부분의특정요소를선택하여 DEFORM으로해석하였다. Fig. 2에나타낸것과같이 b² 를선택하고전단과정을 30%, 50%, 70%, 90% 로구분하여해석과실험을통하여연구하였으며, 이때클리어런스를 0.03mm와 0.1mm를적용하고, V-링압력을 62MPa과 140MPa로변경하여실험하였다. (a) (V-ring force 62MPa) (b) (V-ring force 62MPa) [Fig. 6] Die roll shape in case of clearance 0.1mm 6062
파인블랭킹공정에서 V- 링압력과클리어런스가다이롤높이에미치는영향에관한연구 블랭크홀더압력은 V-링이재료속으로파고들어가는압력으로재료유동을억제하고전단과정에서정수압을유지하는중요한요소이다 [6]. [Fig. 7] 과같이 V-링의압력 62MPa에서는높이 0.6mm에대하여 0.485mm 압입되어 80.83% 의압입률을나타내며, 140MPa에서는 0.582mm로 97% 의압입률을나타냈다. 4. 실험결과및고찰 4.1 실험결과 비접촉식광학현미경 ( 배율30X 210X) 을사용하여파인블랭킹실험에서가공된제품 3개의시료를준비하고다이롤높이를측정하여그평균값과해석에서발생한다이롤높이를비교하였다. Table 5에는각실험에서얻어진측정값의평균을나타냈다. a 62MPa b 140MPa [Fig. 7] Indentation depth for v-ring force 2차실험으로클리어런스는0.03mm로고정하고 V-링의압력을 140MPa로변화시켜 1차실험과동일하게실험을실시하였다. [Table 5] Die roll height of experiment Shear depth Test Die 30% 50% 70% 90% material order parts AnalysExperiAnalysExperiAnalysExperiAnalysExperi is ment is ment is ment is ment 0.227 0.357 0.232 0.368 0.241 0.370 0.235 0.406 1 1-62 0.208 0.404 0.222 0.494 0.224 0.498 0.221 0.512 0.228 0.351 0.252 0.366 0.257 0.365 0.255 0.395 2 3-62 0.197 0.386 0.226 0.461 0.235 0.477 0.219 0.489 0.194 0.224 0.224 0.242 0.227 0.251 0.207 0.248 3 1-140 0.188 0.202 0.208 0.227 0.212 0.244 0.196 0.238 0.208 0.229 0.229 0.231 0.232 0.259 0.228 0.253 4 3-140 0.175 0.213 0.193 0.234 0.201 0.240 0.184 0.236 (a) (V-ring force 140MPa) (b) (V-ring force 140MPa) [Fig. 8] Die roll shape in case of clearance 0.03mm 3차실험으로클리어런스는 0.1mm로변경하고 V-링의압력은 140MPa로고정시키고 1차실험과동일하게실험을실시하였다. 4.2 실험결과분석 4.2.1 V-링압력62MPa, 클리어런스 1% 일때 Fig. 10과같이 V-링의압력을 62MPa, 클리어런스를 0.03mm로하여실험하였을때, 은해석에서는 70% 전단까지는다이롤의높이가서서히증가하다가 90% 전단에서는약간낮아지는것으로나타났으며, 실험에서는 70% 부분부터 90% 까지가크게증가하였다. 의경우해석결과는비교적작은증가폭을나타내다가 90% 전단에서는미소하게감소하였으나. 실험결과는 30% 전단에서부터 90% 전단까지계속증가하는추세를나타냈다. (a) (V-ring force 140MPa) (b) (V-ring force 140MPa) [Fig. 9] Die roll shape in case of clearance 0.1mm [Fig. 10] Clearance of 1% the die roll height 6063
한국산학기술학회논문지제 14 권제 12 호, 2013 4.2.2 V-링압력62MPa, 클리어런스 3% 일때 Fig. 11과같이 V-링의압력을 62MPa로고정하고, 클리어런스를 0.1mm로하여실험하였을때, 의경우해석에서는 1차실험과같이 70% 까지는서서히증가하다가 90% 부분에서는미소하게감소하였으나. 실험에서는 90% 부분에서도증가하는것으로나타났다. 에서해석의경우에는 70% 부분에서다시감소하는현상을나타났으며, 실험에서는미소하게증가하는것으로나타났다. 이는 1차실험과같이 V-링의압력이충분하지못함에의한원인이다 [7]. 급격히증가하고, 70% 까지는완만하게증가하고, 90% 에서는약간감소하는것으로나타났으나, 실험결과에서는 50% 까지거의변화가나타나지않을정도로증가하였고, 70% 부분에서는급격히증가하는것으로나타나며, 다시 90% 부분에서는감소하는것으로나타났다. 에서는다이롤높이차이는나타났으나, 해석과실험모두 70% 부분까지는증가하다가 90% 부분에서는다시감소하는것으로나타났다. [Fig. 13] Clearance of 3% the die roll height [Fig. 11] Clearance of 3% the die roll height 4.2.3 V-링압력140MPa, 클리어런스 1% 일때 Fig. 12에나타낸것과같이 V-링의압력을 140MPa로설정하고, 클리어런스를 0.03mm로하여실험하였을때, 와 모두해석과동일하게 70% 전단까지는다이롤의높이가증가하다가 90% 전단부분에서는감소하는것으로나타났으며, 62MPa로연구한경우보다다이롤높이가감소하는것으로나타났다. [Fig. 12] Clearance of 1% the die roll height 4.2.4 V-링압력140MPa, 클리어런스 3% 일때 Fig. 13과같이 V-링의압력을 140MPa로고정하고, 클리어런스를 0.1mm로하여실험하였을때, 의경우해석에서는전단깊이가 50% 까지는다이롤높이가 5. 결론 본연구에서는파인블랭킹금형을이용하여 V-링거리는 2.0mm로고정하고, V-링압입력과클리어런스를변경하면서다이롤의높이변화에대하여해석과실험을통해연구하였다. 1) 파인블랭킹공정에서 V-링압력의경우재료의유동을효과적으로억제시켜야하며, 클리어런스는 3%(0.1mm) 의경우보다 1%(0.03mm) 의경우가다이롤높이가낮게됨을알수있었다. 2) V-링압력을 62MPa로하고, 클리어런스를 1% 에서 3% 로변경하여실험한결과 1% 의경우가 과 모두에대하여다이롤높이가낮게발생하였다. 3) V-링압력을 140MPa로하고, 클리어런스를 1% 에서 3% 로변경하여실험한결과 1차실험한 62MPa 보다다이롤높이가감소하였으며, 클리어런스에의한변화는 1% 일경우가낮게발생하였다. 4) 해석의경우가실험한경우보다다이롤높이가낮게발생하였으며, 이는해석의경우 V-링의압입이완전한압입상태로하였으며, 실험에서는최대약 97% 압입된상태에서실험한결과로사료된다. 6064
파인블랭킹공정에서 V- 링압력과클리어런스가다이롤높이에미치는영향에관한연구 5) 해석과실험의다이롤높이는 70% 전단까지는증가하다가 90% 전단부분에서는약간감소하는것으로나타났으며, 이는카운터펀치의압력이높아지면서재료의유동을효과적으로억제하여정수압을이루는것으로예측되며, 향후이부분에대한성형해석을통한원인규명이요구된다. References [1] Taylan Altan, Metal Forming Handbook, Springer- Verlag pp. 330-365, 1998. [2] Jong-Deok Kim, An experimental study on the effect of V-ring position and die chamfer shape on the die roll height in fine blanking tool Journal of the Korea Academia-Industrial, cooperation Society, Vol. 13, No. 5, pp. 2009-2014, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.5.2009 [3] W. Blatter, "Introduction into the technology fine blanking tools", KAITECH, pp. 8-82, 1991. [4] Chun-Kyu Lee, A study on the effect of factor in the fine blanking process for sheared surface, Seoul National University Graduate School of, Mechanical Engineering, pp.33-34, 2008. [5] Yun-Joo Kim, Tae-Soo Kwak, Won-Byong Bae, Effect of V-Ring Indenter on the Sheared Surface in the Fine Blanking Process of a Pawl Journal of the Korea Society of Precision Engineering, Vol. 17, No. 9, 2000 [6] Jong-Ku Lee, Study Fine Blanking deformation behavior of the shear zone", Dankook University Graduate School of, Department of Mechanical Engineering, pp01 45. 1990. [7] Yun-Joo Kim, Tae-Soo Kwak, Won-Byong Bae, A Study on the Effect of Vee-ring Indentor on Shear Planes in Fine Blanking Process by Rigid- Plastic Finite Element Method Journal of the Korea Society of Precision Engineering, pp1031 1035. 1999 이춘규 (Chun-Kyu Lee) [ 정회원 ] 2008 년 2 월 : 서울과학기술대학교정밀기계공학과 ( 기계공학석사 ) 2011 년 3 월 ~ 2013 년 8 월 : 공주대학교대학원기계공학부 ( 박사과정수료 ) 2010 년 3 월 ~ 현재 : 유한대학교금형설계과 ( 산학협력교수 ) < 관심분야 > 프레스금형및판재성형기술, 사출금형 김종덕 (Jong-Deok Kim) [ 정회원 ] 1981 년 2 월 : 서울대학교기계공학과 ( 학사 ) 1982 년 3 월 : 한국기계연구원 ( 연구원 ) 1989 년 10 월 ~ 현재 : 한국생산기술연구원 ( 수석연구원 ) < 관심분야 > fine blanking 금형및판재성형기술, micro 금형및성형기술, rapid tooling 기술 김영춘 (Young-Choon Kim) [ 종신회원 ] 1989 년 8 월 : 명지대학교전기공학과 ( 공학석사 ) 1997 년 2 월 : 명지대학교대학원전기공학과 ( 공학박사 ) 2005 년 10 월 ~ 현재 : 공주대학교공과대학기계자동차공학부교수 < 관심분야 > 전기자동차전력변환, 전장제어, 태양광에너지, 공정설계 6065