전단의 기초: 종합적인 분석

다양한 기본 전단 방법

시어링 특수 전단 장비를 사용하여 직선 또는 곡선을 따라 시트 또는 코일 재료를 분리하는 스탬핑 공정입니다.

스탬핑 생산의 준비 단계로서 전단은 다음과 같은 공정에 사용되는 대부분의 원자재에 필수적입니다. 펀칭, 굽힘, 그리기및 성형은 대형 시트 또는 코일로 공급됩니다. 이러한 재료는 필요한 치수로 절단하여 후속 작업에 적합한 스트립 또는 블록을 만들어야 합니다.

따라서 필요한 자원을 보유한 대기업은 일반적으로 전용 재고 준비 작업장이나 섹션을 설치하여 전단 작업을 중앙 집중화하여 생산 관리와 원자재의 효율적인 사용을 용이하게 합니다.

생산량과 블랭크의 형상 및 크기에 따라 다양한 방법을 사용하여 전단을 수행할 수 있습니다:

수동 전단

수동 전단에는 손 가위 또는 수동으로 작동하는 벤치 가위를 사용합니다. 이 방법은 주로 소규모 생산 또는 소량의 품목만 필요한 경우에 적합합니다. 0.8mm보다 얇은 판금만 절단할 수 있으며, 다양한 크기와 곡선을 수용할 수 있어 간편하다는 장점이 있습니다. 하지만 노동 집약적이며 생산 효율이 매우 낮다는 단점이 있습니다.

기계 전단

특수 장비를 사용한 시트 및 코일 소재의 기계 전단은 널리 채택된 방법입니다. 주요 전단 기계는 플레이트 전단(직선형 전단)과 디스크 롤링 커터 전단(일반적으로 슬리팅 기계로 알려져 있음)입니다. 이러한 특수 기계는 노동력을 크게 절감하고 생산 효율성을 높이며 품질을 보장합니다.

핸드헬드 진동 전단

휴대용 진동 가위는 유연하게 작동할 수 있는 소형 전동 공구의 일종입니다. 주로 코일 플레이트를 자르고 분할하는 데 사용되며, 그 결과 전단선은 직선 또는 곡선이 될 수 있습니다. 이 방법은 재료를 중첩하는 데 적합합니다. 딥 드로잉을 위해 원통형 조각을 네스팅하면 재료 사용률을 약 5%까지 높일 수 있으며, 이는 귀중한 재료에 경제적으로 중요합니다.

전단 가장자리의 형태

전단 모서리 형태는 직선 모서리 전단, 각진 모서리 전단, 롤러 전단으로 분류할 수 있습니다.

직선 모서리 전단

직선날 전단은 두 개의 평행한 칼날을 사용하여 시트 또는 코일 재료를 분리하는 공정을 말합니다(그림 2-9 참조). 이 전단 방법은 직선을 따라서만 수행할 수 있습니다. 폭이 좁지만 비교적 두꺼운 시트 및 코일 소재를 절단하는 데 적합합니다.

1-상부 블레이드 2-하부 블레이드 3-판금

직선 모서리 전단의 전단 과정은 세 단계로 나눌 수 있습니다:

탄성 변형 단계

전단이 시작되면 상부 블레이드가 먼저 시트 재료에 접촉하여 압력을 가합니다. 이 압력은 0에서 탄성 한계까지 증가하여 그림 2-10a와 같이 소재가 탄성 변형을 일으킵니다. 이 시점에서 압력이 제거되면 시트 소재는 원래 상태로 돌아갑니다.

a) 탄성 변형 단계
b) 소성 변형 단계
c) 골절 단계

소성 변형 단계

상단 블레이드가 계속 하강함에 따라 전단 날에 의해 소재에 가해지는 압력이 증가합니다. 시트 소재에 가해지는 압력이 탄성 한계를 초과하면 시트 소재는 국부적인 소성 굽힘 변형을 겪게 됩니다. 동시에 그림 2-10b와 같이 상단 블레이드의 가장자리가 시트 재료를 누르기 시작합니다.

재료 파손 단계

상부 블레이드가 재료를 특정 높이 h까지 누르면 응력 집중이 발생하고 전단 모서리 끝에서 균열이 형성되기 시작합니다. 압력이 계속 증가함에 따라 균열이 빠르게 확장되어 결국 재료가 두 부분으로 파단되어 그림 2-10c와 같이 전단 공정이 완료됩니다.

평날 전단에서 절단면의 품질은 재료 자체의 특성 및 상부 날과 하부 날 사이의 간격 크기와 관련이 있습니다. 일반적으로 전단되는 소재가 단단할수록 절단면의 광택 영역이 좁아져 전단 과정이 더 짧아집니다. 반대로 소재가 부드러우면 절단 표면의 광택 영역이 넓어지고 전단 공정이 더 오래 걸립니다.

또한 상부 칼날과 하부 칼날 사이의 간격은 절단면의 품질에 큰 영향을 미칩니다. 칼날 간격이 적절하면 절단면의 광택이 더 밝아지고 버링과 구부러짐이 적으며 절단된 재료의 표면이 매끄러워집니다.

간격이 너무 작으면 절단면의 파단된 부분이 손상되고 전단력이 증가합니다. 간격이 너무 크면 절단된 재료가 파단 부위에서 심하게 구부러지고 늘어나서 전단 모서리에 버가 생기고 치수가 요구 사항을 충족하지 못할 수 있습니다.

블레이드 간격의 크기는 일반적으로 시트 재료의 종류와 두께에 따라 0.02t~0.05t로 설정됩니다.

각진 칼날 전단

앵글 블레이드 전단은 평면 블레이드 전단과 구별됩니다. 전단 기계에서 상부 및 하부 블레이드가 고정된 각도로 교차하여 시트 또는 코일 소재를 전단하는 공정을 말합니다.

블레이드 전체가 시트에 접촉하여 동시에 절단하는 평면 블레이드 전단과 달리 앵글 블레이드 전단은 블레이드의 작은 부분만 접촉하여 서서히 절단합니다. 따라서 평평한 칼날 전단에 비해 전단력이 크게 줄어듭니다. 시어, 핸드 스냅 및 벤치탑 수동 시어는 모두 앵글 블레이드 전단 기술을 사용합니다.

(1) 전단 과정

그림 2-11에서 볼 수 있듯이 전단 공정은 상단 블레이드의 일부만 시트에 접촉하는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 시트의 가장자리를 따라 균열이 형성되고 전단이 계속되면서 상부 블레이드의 아래쪽으로 이동하면서 균열이 열리고 시트가 점차 두 부분으로 분리됩니다. 각 단계의 재료 변형 원리는 플랫 블레이드 전단에서와 본질적으로 동일합니다.

1 - 상부 블레이드, 2 - 하부 블레이드, 3 - 판금

(2) 전단 각도 φ

각진 날 전단에서는 상부 날의 작동 스트로크가 평면 날 전단보다 훨씬 큽니다. 스트로크 값은 전단 길이와 전단 각도 φ에 의해 결정됩니다. 이 과정에서 전단 각도의 존재로 인해 시트는 평날 전단에서와 동일한 변형을 겪을 뿐만 아니라 상부 블레이드의 압력으로 인해 아래쪽으로 구부러집니다.

이로 인해 시트의 변형, 뒤틀림 및 늘어남이 발생하며, 이는 앵글 블레이드 전단의 가장 큰 단점입니다. 그러나 전단력을 감소시키기 때문에 스탬핑 생산에서 가장 일반적으로 사용되는 전단 방법입니다. 넓고 얇은 시트 및 코일 소재를 전단하는 데 자주 사용됩니다.

전단 각도 φ는 전단력을 줄여 전단 작업을 부드럽고 점진적으로 만들 수 있습니다. 그러나 시트가 칼날에서 미끄러져 과도하게 구부러지는 것을 방지하려면 최대 각도가 12°를 초과하지 않아야 합니다. 각도 φ의 크기는 시트의 두께와 관련이 있습니다. 일반적으로 3~10mm 두께의 시트의 경우 각도는 1°~3°이고, 10~35mm 두께의 시트의 경우 각도 φ는 3°~5°입니다.

(3) 블레이드 각도 β

그림 2-12에서 볼 수 있듯이 날 각도 β의 크기는 절삭 날의 강도, 전단 품질 및 전단력에 직접적인 영향을 미칩니다. 블레이드 각도 β의 크기는 일반적으로 재료의 경도에 따라 결정됩니다. 단단한 판재를 절단할 때는 β가 75°-85° 사이여야 하고, 매우 부드러운 판재(예: 순수 구리, 알루미늄 등)를 절단할 때는 β가 65°-75° 사이여야 합니다.

그러나 칼날 각도 β가 90° 미만이면 압력을 받아 시트가 구부러지고 절단부에서 시트가 밀려나는데, 이는 전단 후 곧게 펴야 하는 두껍고 좁은 스트립에서 특히 두드러지는 현상입니다.

따라서 일반적인 동력 구동식 전단 기계에서는 블레이드 연삭의 편의를 위해 β를 90°로 설정하는 경우가 많습니다. 동시에 블레이드 상부와 시트 사이의 마찰을 줄이려면 블레이드의 뒷면 각도 α를 연마해야 하며, 일반적으로 α는 1.5°-3°입니다.

(4) 전단력

플랫 블레이드 전단에 사용되는 전단력은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다:

F_flat = KBtτ

여기,

• F_flat - 전단력(N)입니다;
• B - 시트 너비(mm), t는 시트 두께(mm)입니다;
• τ - 재료의 전단 강도(MPa)입니다.
• K - 칼날의 무뎌짐, 칼날 간격의 변화, 재료 두께의 변동, 전단력을 증가시키는 성능 등의 요인을 고려한 계수입니다. K는 일반적으로 1.3으로 사용됩니다.

각진 칼날 전단의 전단력을 계산하는 공식은 다음과 같습니다:

F_각진 = K - 0.6τ × t²/탄φ

여기서 K는 블레이드 둔화 계수(1.3)이고, φ는 블레이드 기울기 각도(°)입니다.

일반적으로 전단력을 계산할 필요는 없습니다. 전단에 표시된 주요 사양 t × B에 따라 선택하기만 하면 됩니다. 여기서 t는 전단할 수 있는 시트의 최대 두께를 나타내고 B는 전단할 수 있는 최대 폭을 나타냅니다. 그러나 전단을 설계할 때 시트의 최대 전단 두께는 일반적으로 25강 또는 30강의 전단 강도를 기준으로 합니다.

따라서 전단할 재료가 설계 강도를 초과하는 경우 전단에 표시된 최대 시트 두께에 따라 사용할 수 없습니다. 이때 다른 재료의 최대 전단 두께는 전단력 공식에 따라 다시 계산해야 합니다.

롤러 전단

(1) 롤러 전단의 원리

디스크 전단이라고도 하는 롤러 전단은 반대 방향으로 회전하는 두 개의 디스크 커터 사이에 재료를 통과시켜 절단하는 방법입니다. 이 기술은 매우 긴 시트나 코일을 세로로 절단하는 데 자주 사용되며, 재료 준비에 중요한 수단입니다. 이 전단 방법의 원리는 그림 2-13에 설명되어 있습니다.

롤러 전단의 두 축은 일반적으로 서로 평행하고 절단되는 재료의 평면과 평행합니다. 그러나 일부에서는 곡면 절단 작업을 위해 디스크 날을 의도적으로 기울어지도록 설계하기도 합니다.

롤러 전단 중에는 회전하는 디스크 커터와 재료 사이의 마찰에 의해 재료가 공급됩니다. 절단 공정의 정상적인 작동을 보장하려면 블레이드와 재료 사이의 접촉각이 15° 미만이어야 합니다. 따라서 디스크 커터를 설계할 때는 먼저 다음 공식을 만족해야 합니다:

(φ₁＋φ₂) / 2 ≥ 35t

일반적으로 디스크 롤링 커터의 직경은 100t을 초과해야 합니다.

그 외에도 롤링 커터의 비틀거리는 양은 (0.2~0.3)t, 롤링 커터의 폭은 25~30mm, 롤링 커터 사이의 간격은 (0.025~0.05)t, 롤링 커터의 기울기 각도 α는 30°~45°로 설계 치수를 설정할 수 있습니다.

특히 롤링 커터의 스태거 양이 0이거나 두 개의 롤링 커터가 분리된 경우, 판금이 블레이드 내에서 회전하여 임의의 곡선 모서리를 가진 공작물로 절단될 수 있습니다.

단일 롤러 휠 전단 기계에는 한 쌍의 롤링 커터만 있습니다. 구성 각도가 다르기 때문에 다양한 곡면 또는 내부 구멍 윤곽 모서리를 가진 공작물을 절단할 수 있습니다. 그림 2-14는 하부 롤링 커터가 기울어진 디스크 롤링 전단 기계를 보여줍니다. 그림 2-15는 상부 및 하부 롤링 커터가 모두 기울어진 디스크 롤링 전단 기계를 보여줍니다. 두 유형의 롤링 전단 기계 모두 직선 및 곡선형 공작물을 절단할 수 있습니다.

1. 하단 커터, 2. 시트 재료, 3. 상단 커터.

(2) 롤러 전단 적용 범위

롤러 전단은 다음 작업에 사용할 수 있습니다:

1) 슬리팅. 롤러 전단의 특징은 절단 라인이 다이 크기에 제약을 받지 않아 길이를 무한대로 늘릴 수 있다는 점입니다. 이 원리에 따라 여러 쌍의 전단 휠이 상부 및 하부 샤프트에 배치됩니다. 설정된 폭에 따라 디스크 전단은 코일 시트 재료를 여러 개의 평행한 스트립으로 나눌 수 있습니다. 그림 2-16에 표시된 것처럼 각 쌍의 전단 휠 모서리 사이의 거리는 스트립의 너비입니다.

이 프로세스는 재료를 보존하고 작업 효율성을 높이는 데 특히 중요하며, 특히 이송 방향과 평행한 긴 모서리를 가진 일부 펀치 아웃의 경우 크게 줄일 수 있습니다. 펀칭력. 세로 분리 과정에서 롤러 전단 모서리가 재료에 약간의 수평 당기는 힘을 가합니다.

시트 중앙의 스트립의 경우 양쪽의 수평력은 균형을 이루지만 가장 바깥쪽 전단선은 이 균형을 잃기 때문에 가장 바깥쪽 전단 휠 쌍의 전단 각도 β는 약 75°가 되어야 합니다.

2) 원통형 및 컵형 조각의 전단. 스테인리스 스틸 제품 제조에서 전단은 일반적으로 그림 2-17과 같이 직경이 ≤400mm인 회전 가공 부품의 모서리를 다듬는 데 사용됩니다.

1 - 백스톱, 2 - 압력 휠, 3 - 공작물, 4 - 상부 전단 휠, 5 - 메인 샤프트, 6 - 벨트 휠

3) 대야형 제품의 링 전단. 링 전단은 대형 인발 부품, 특히 직경이 400mm 이상인 부품의 트리밍 다이를 대체할 수 있습니다. 링 전단에서는 상부 및 하부 전단 휠이 펀치와 다이를 대체하여 상당한 양의 다이 강, 열처리 및 금속 절단 비용을 절감합니다. 전단되는 부품의 직경이 클수록 더 경제적입니다.

이는 펀칭 다이의 직경이 클수록 다이와 그 벽이 두꺼워지고 상부 및 하부 다이 시트의 크기가 커지며 더 많은 재료가 소비되기 때문입니다. 링 전단은 다용도로 활용도가 높고 장비 투자를 절약할 수 있어 대형 프레스를 수작업으로 대체할 수 있습니다(그림 2-42 참조).

예를 들어 두께 1.0mm, 직경 800mm인 부품의 경우 펀칭으로 모서리 트리밍을 수행하는 경우 전체 금형 세트의 재료 소비량은 최소 500kg이며 공작 기계 사양은 1500kN 이상이어야 합니다.

반면, 전단을 위한 레버 메커니즘을 사용하면 디스크 전단 휠과 브래킷은 범용 부품으로 어떤 의미에서는 비용이 들지 않는다고 볼 수 있으며, 부품 관점에서 보면 펀칭 금형의 상판과 동일한 금형 코어 하나만 교체하면 전단을 할 수 있습니다.

출력 관점에서 볼 때 전단 핸들에 가해지는 힘은 약 50N 정도만 있으면 됩니다. 두 가지를 비교하면 링 전단의 장점은 특히 배치 크기가 크지 않을 때 분명합니다.

4) 평평한 블랭크 조각의 링 전단. 평평한 블랭크의 링 전단의 주요 장점은 전단 후 재료가 플랜지 또는 테두리 공정에 직접 들어갈 수 있고 전단 금형이 다음 공정의 구현에 영향을 미치지 않는다는 것입니다. 공작물을 한 번만 클램핑하면 가장자리 트리밍, 플랜지 또는 테두리 작업을 완료할 수 있으며 다시 센터링할 필요가 없습니다.

5) 링 전단은 최소 작업 직경 문제, 즉 압력 전단 휠의 직경이 전단 트랙 직경의 1/5 미만이어야 하며, 그렇지 않으면 전단 모서리가 고르지 않게 됩니다. 전단 휠의 직경과 전단 트랙 직경은 그림 2-18에 나와 있습니다.

(3) 전단 휠 처리

전단 휠은 상부 전단 휠과 하부 전단 휠이라고도 하는 압력 휠과 하중 지지 휠로 나눌 수 있습니다.

열처리 전에 전단 휠의 예약된 블레이드 너비 바깥쪽 영역을 비워 블레이드 연삭 시 발생하는 열량을 줄여야 합니다. 전단 휠의 반경 방향 및 축 방향 흔들림은 0.02mm 미만이어야 합니다.

압력 휠 칼날의 뒷면 각도는 25°가 되어야 합니다. 칼날 가장자리에 직선 부분 또는 3°의 뒷면 각도를 남겨두면 분리 시 재료가 당겨지는 것을 방지할 수 있습니다(0.5~1)t). 전단 휠은 일반적으로 정확한 전단 트랙과 안정적인 작업을 보장하기 위해 이중 베어링으로 설계해야 합니다. 실제로 조건에 제한이 있어 단일 베어링만 사용할 수 있는 경우에는 E 등급 이상의 정밀 롤링 베어링을 채택해야 합니다.

락킹 시어

로킹 전단의 정식 명칭은 플로팅 로터리 딥 드로잉 파트 트리밍 다이입니다(그림 2-43 참조). 나선형 홈의 질점 운동 규칙에 따라 펀치와 다이 사이에 위치 이동이 발생하여 공작물 분리가 이루어집니다. 나선형 홈에서 다이의 움직임은 대나무 막대가 막대기 실린더에서 흔들리는 것과 같기 때문에이 전단 방법을 생산에서 흔들리는 전단이라고합니다.

블랭킹과 달리 로킹 전단의 펀치는 수직 이동도 수행하지만 전단면은 수평면과 평행합니다. 따라서 전단되는 공작물의 중심 각도가 클수록, 즉 전단점과 수평면 사이의 교차각이 직각에 가까울수록 더 좋습니다.

로킹 전단은 일반적으로 깊은 원뿔형 부품, 그릇 모양 부품 등과 같이 전단점과 수평면 사이의 교차각이 40°보다 큰 드로잉 부품을 절단하는 데 사용됩니다.

로킹 시어에는 자체 가이드 컬럼과 가이드 슬리브가 함께 제공되므로 공작 기계의 정밀도 요구 사항이 높지 않습니다. 공작물 크기와 모양에 따라 다양하게 사용할 수 있습니다. 최대 다이 크기보다 작은 공작물은 다이와 펀치를 변경하여 동일한 서브 베이스에서 전단할 수 있습니다.

펀치가 하강하는 동안 드로잉된 부품의 다른 사분면 분리가 여러 단계에서 완료되므로 로킹 전단은 더 작은 파워 프레스를 사용하여 더 큰 공작물을 전단할 수도 있습니다.

로킹 시어의 장점은 안정적이고 칼날 가장자리를 빠르게 수리할 수 있다는 것입니다. 단점은 특히 공작물 직경이 큰 경우 설계 및 제조가 상대적으로 어렵다는 것입니다. 따라서 이러한 유형의 전단은 직경이 300mm 미만인 드로잉 부품을 트리밍하는 데 자주 사용됩니다.

락킹 시어를 만들기 위한 핵심 포인트는 다음과 같습니다:

1) 반경 e의 차이₁ 펀치와 공작물 사이의 편심은 나선형 슬라이더의 편심보다 클 수 없습니다. 슬라이더 편심의 2/3 ~ 4/5 범위 내에서 제어하는 것이 가장 좋습니다(그림 2-19 참조),

e₁≤4/5×e

1 - 프레셔 블록, 2 - 공작물, 3 - 펀치.

공식에서 'e'는 헬리컬 슬라이더의 편심을 나타냅니다.

2) 프레서 코어는 다이 표면의 일방적인 간극을 초과하는 높이로 조정해야 합니다.

3) 스레드 나선 각도는 3.5° 이상이어야 합니다.

4) 슬라이더 외곽선과 축의 교차 각도는 그림 2-20과 같이 40°를 초과하지 않아야 하며 수평 중심선을 따라 대칭을 이루어야 합니다.

1 - 주사위, 2 - 조정 심, 3 - 슬라이더.

5) 헬리컬 슬리브는 다이의 내마모성과 인성을 향상시킬 수 있는 저탄소 강철 열 슬리브가 있는 다이 스틸로 만들어야 합니다.

6) 펀치의 직경이 너무 작아서는 안 됩니다. 펀치 직경이 18mm 미만인 경우, 아래쪽 수직 추력을 공유하기 위해 스토퍼 포스트를 설치해야 합니다.

7) 슬라이더의 작업 표면과 나선형 홈은 표면 거칠기 값이 상대적으로 낮아야 하며, 작동 중에 윤활이 잘 유지되어야 합니다.

8) 슬라이더가 움직일 때 주사위 홀더와 충돌하거나 간섭해서는 안 됩니다.