판금 굽힘의 스프링백 설명

판금 굽힘에는 소성 변형과 탄성 변형이 모두 포함됩니다. 이러한 변형은 굽힘 힘를 누르면 탄성 변형은 즉시 사라지고 소성 변형만 남습니다.

이로 인해 구부러진 부분과 구부러진 다이의 모양과 크기 사이에 불일치가 발생하며, 이를 스프링백이라고 합니다. 스프링백의 개략도는 그림 1-1에 나와 있습니다.

벤딩 작업에서 스프링백은 흔히 발생하며 벤딩된 부품의 정확도에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.

구부러진 부분과 구부러진 다이 사이의 모양과 크기의 차이를 스프링백 값이라고 합니다. 굽힘의 스프링백 각도는 ∆φ=φ-φ로 표시됩니다._凸로 표시되며, 굽힘 반경의 스프링백 값은 ∆r=r-r로 표시됩니다._凸. 굽힘 반경이 큰 경우 스프링백 각도 ∆φ를 결정하는 것 외에도 굽힘의 스프링백 값 ∆r을 결정합니다. 반경도 계산해야 합니다..

1. 구부러진 부품의 스프링백에 영향을 미치는 요인

구부러진 부품의 스프링백에 영향을 미치는 요인은 다양하고 매우 복잡합니다. 여기서는 가장 중요한 몇 가지 요인에 대해 주로 설명합니다.

1.1 재료 기계적 특성의 영향

스프링백 각도의 크기는 항복 강도 α에 정비례합니다._a 에 비례하고 탄성 계수(E)에 반비례합니다. 즉, 항복 강도가 높고 재료의 탄성 계수가 작을수록 스프링백이 작아지고 반대로 스프링백이 커집니다.

높은 정밀도가 요구되는 구부러진 부품의 경우 스프링백을 최소화하려면 고탄소강이나 스테인리스강과 같은 소재보다 저탄소강을 선택해야 합니다.

1.2 상대적 굽힘 반경의 영향

상대 굽힘 반경(r/t)이 클수록 굽힘 변형 정도가 작아져 블랭크 내 소성 변형 영역이 작아지고 전체 변형 정도가 작아집니다. 따라서 전체 변형에서 소성 변형이 차지하는 비율이 감소하여 스프링백이 커집니다.

반대로 상대적인 굽힘 반경이 작을수록 굽힘 변형 정도가 커져 스프링백이 작아집니다. 이는 중요한 개념입니다. 재료 특성이 허용하는 경우, 판금 절곡 부품의 필렛은 가공 정밀도를 향상시키기 위해 가능한 가장 작은 굽힘 반경을 선택해야 합니다.

특히 굽힘 반경이 큰 부품은 가공 정밀도와 품질을 제어하는 데 어려움이 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다.

1.3 굽힘 중심 각도(α)의 영향

굽힘 반경과 재료 두께가 고정된 경우 굽힘 중심 각도(α=180°-φ)가 클수록 굽힘 변형에 관여하는 영역이 커지고 탄성 변형의 누적량도 증가하여 총 스프링백이 커집니다.

반대로 굽힘 중심 각도가 작을수록 변형 영역이 작아져 누적된 탄성 변형량이 적고 따라서 총 스프링백이 작아집니다.

1.4 굽힘력 F의 영향

특정 굽힘 반경, 중심 각도 및 재료 두께가 주어지면 굽힘력 F가 클수록 스프링백이 줄어들고, 굽힘력이 작을수록 스프링백이 늘어납니다.

1.5 굽힘 방법의 영향

자유 굽힘(그림 1-2 참조)에서는 다이 홈의 영향을 받는 공작물이 직선 모서리 부분과 둥근 모서리의 R 부분 모두에서 같은 방향으로 반동하여 최대 스프링백이 발생하고 마이너스 스프링백이 발생하지 않습니다. 공작물의 보정 굽힘 중 스프링백 방향은 그림 1-3에 나와 있습니다.

공작물 직선 모서리의 스프링백 측면에서 다이의 V자형 표면의 영향으로 블랭크는 그림 1-3a와 같이 세 지점에서 펀치와 접촉합니다. 펀치가 계속 하강함에 따라 직선 모서리의 변형 방향은 자유 굽힘의 변형 방향과 반대입니다(그림 1-2 참조).

절곡이 완료되면 절곡력의 영향으로 절곡 과정에서 블랭크에 생성된 변형된 표면이 다시 평평해지고 그림1-3b와 같이 펀치와 다이에 완전히 밀착됩니다.

굽힘력을 제거한 후 공작물의 직선 모서리의 스프링백은 V자형 안쪽(음의 스프링백)으로, 둥근 모서리의 R 부분은 V자형 바깥쪽(양의 스프링백)으로 반동하며 두 스프링백 방향은 서로 반대입니다.

공작물의 둥근 모서리 R 부분의 스프링백의 경우 펀치와 다이의 압축 작용이 둥근 모서리 R 부분의 외부 섬유의 인장 응력을 감소시켜 둥근 모서리 R 부분의 중성층 근처에 압축 응력을 생성합니다.

보정력이 증가함에 따라 압축 응력 영역이 점차 외층으로 확장되어 블랭크의 단면 전체 또는 대부분이 압축 응력을 받고 있음을 나타냅니다. 따라서 둥근 모서리 R 부분의 내부 및 외부 영역의 스프링백 방향이 일정하므로 보정 굽힘에서 R 부분의 스프링백은 자유 굽힘보다 훨씬 적습니다.

위의 분석을 통해 굽힘 R 부분과 직선 부분의 스프링백이 서로 상쇄되는 것을 알 수 있습니다. 전체 스프링백은 상대적인 굽힘 반경(r/t), 하부 다이 슬롯의 너비 Bv, 굽힘의 중심 각도 a, 굽힘 힘 F의 크기에 따라 양수, 0 또는 음수가 될 수 있습니다.

상대 굽힘 반경(r/t)이 작고, 하부 다이 슬롯의 폭이 크고, 중심 각도 a가 작고, 굽힘력 F가 크면 음의 스프링백이 발생하고, 그렇지 않으면 양의 스프링백이 발생하게 됩니다. 실제 생산에서는 스프링백에 영향을 미치는 요인이 많기 때문에 스프링백을 0으로 제어하기가 어렵습니다.

따라서 스프링백을 제어하고 구부러진 부품의 정밀도와 품질을 보장하기 위해 상대 곡률 반경(r/t), 하단 다이 슬롯의 폭 Bv, 굽힘력 F와 같은 파라미터를 적절히 선택해야 합니다.

1.6 구부러진 부분의 모양과 크기의 영향

구부러진 부분의 모양, 크기, 다이 구조도 스프링백에 영향을 줍니다. 구부러진 부분의 직선 가장자리가 짧으면 스프링백이 더 커집니다. V자형 구부러진 파트의 스프링백은 U자형 구부러진 파트의 스프링백보다 큽니다. 구부러진 부분이 복잡할수록, 한 번의 구부림으로 형성된 R 부분의 둥근 모서리가 많을수록 구부리는 동안 상호 구속이 커지고 도면 형성 요소가 커지며 스프링백 값은 작아집니다.

U자형 부품을 구부릴 때 볼록 다이와 오목 다이 사이의 간격은 U자형 부품의 스프링백에 상당한 영향을 미칩니다. 간격이 클수록 스프링백이 커지고, 반대로 간격이 작을수록 플레이트의 다이가 얇아지는 효과(압출)로 인해 스프링백이 작아집니다. 오목한 다이의 깊이가 너무 작으면 스프링백도 커집니다.

또한 상단 도구를 사용하지 않고 수정하지 않고 U자형 부품을 구부릴 때 하단 활 모양이 곧게 펴지고 아크의 스프링백이 바깥쪽(양수) 스프링백이 발생합니다.

상단 도구를 사용하지 않고 나중에 보정을 수행하면 하단 활 모양이 마지막으로 평평해지기 때문에 볼록 다이가 올라갈 때 하단 활 모양과 같은 방향의 스프링백이 발생하여 안쪽(음의) 스프링백이 발생합니다.

상단 툴을 사용하면 볼록 다이 하단의 소재가 처음부터 구부러지지 않고 공작물이 바깥쪽으로만 스프링백을 생성할 수 있습니다. 따라서 상단 툴의 압력을 조정하면 하단 및 아크 부분의 스프링백이 서로 상쇄되어 스프링백이 최소화된 공작물을 얻을 수 있습니다.

2. 구부러진 부분의 스프링백 값 결정

생산 실무에서 특정 모양과 치수 정확도를 가진 부품을 제조하려면 스프링백 값의 크기를 결정하는 문제가 종종 발생합니다. 스프링백에 영향을 미치는 요인은 매우 다양하며, 이론적 계산 방법은 매우 복잡하고 부정확하여 실용적인 가치가 부족합니다. 일반적으로 스프링백 값은 처음에 경험적 데이터와 간단한 계산을 기반으로 결정한 다음 여러 번의 굽힘 테스트를 거쳐 보정합니다.

2.1 상대 굽힘 반경(r/t)<5에 대한 스프링백 값

상대 굽힘 반경(r/t)이 5 미만인 경우 곡률 반경의 변화는 크지 않으므로 각도의 스프링백만 고려하여 무시할 수 있습니다. 단일 90° 자유 각도에 대한 스프링백은 표 1-1에 나와 있습니다.

표 1-1 단일 90° 자유 굽힘을 위한 스프링백 각도

2.2 상대 굽힘 반경(r/t)이 10을 초과할 때 자유 굽힘의 반동 값입니다.

위의 분석을 통해 상대 굽힘 반경(r/t)이 클수록 굽힘 변형 정도가 작아지고 결과적으로 리바운드가 커진다는 것을 유추할 수 있습니다. 부품이 각도 반동을 나타낼 뿐만 아니라 굽힘 반경에서도 상당한 반동이 발생합니다. 이러한 경우 순수 플라스틱 굽힘 공식을 사용하여 계산을 수행한 다음 실제 생산에서 보정할 수 있습니다.

그림 1-1에서 볼 수 있듯이 순수 계산에 따른 볼록 다이의 작업 부분 반경과 둥근 부분의 중심 각도에 대한 계산 공식은 다음과 같습니다:

공식에서,

• r_凸 - 구부러진 부분의 필렛 반경(mm)입니다;
• r - 펀치의 필렛 반경(mm)입니다;
• α - 구부러진 부분의 필렛 반경 r에 해당하는 호 길이의 중심 각도(α = 180° - φ)입니다;
• α_凸 - 필렛 반경 R에 해당하는 호 길이의 중심 각도입니다._凸 (α = 180° - φ_凸);
• t - 두께의 구부러진 부분에 사용된 재료 (mm);
• E - 재료의 탄성 계수(MPa)입니다;
• δa - 재료의 항복 강도(MPa)입니다.

3. 구부러진 부품의 스프링백을 줄이기 위한 조치

판금 부품의 굽힘 공정에서는 소성 변형과 탄성 변형이 동시에 발생하기 때문에 스프링백이 항상 존재하며, 이를 제거할 수 없습니다.

따라서 실제 생산에서는 제품 품질을 보장하기 위해 구부러진 부품의 스프링백으로 인한 오류를 보정하는 조치를 취해야 합니다.

스프링백을 줄이기 위한 일반적인 방법에는 일반적으로 보정 기술, 보정 방법, 응력 조건 변경, 구부러진 부품 구조의 설계 개선 등이 있습니다.

구부러진 부품의 스프링백에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있으며, 영향을 미치는 요인에 따라 다른 조치를 취하거나 여러 가지 방법을 조합하여 스프링백을 줄일 수 있습니다.

3.1 구부러진 부품의 구조 설계 개선

구부러진 부품의 기능적 사용에 영향을 주지 않으면서 구부러진 부품의 일부 구조 설계를 개선하면 스프링백 각도를 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 굽힘 영역의 보강 리브를 억제하거나(그림 7-4a) 성형 모서리를 사용하면(그림 7-4b) 굽힘 부품의 강성과 소성 변형이 증가하여 스프링백을 줄일 수 있습니다.

사용 요구 사항을 충족하는 조건에서 높은 탄성 계수, 낮은 항복 강도, 낮은 경도 및 우수한 가소성을 가진 소재를 사용하면 스프링백을 줄이고 스프링백 제어를 용이하게 할 수 있습니다.

3.2 굽힘 스프링백을 줄이기 위한 프로세스 조치 채택

1) 자유 굽힘을 교정 굽힘으로 교체합니다.

2) 냉간 가공 경화 판금의 경우 굽힘 전에 어닐링을 수행하여 항복 강도(a)를 낮추어 리바운드를 최소화할 수 있습니다. 굽힘 후 경화를 수행할 수 있지만 주의해야 합니다. 어닐링이 소재의 사용성에 영향을 미치는 경우 이 공정을 채택해서는 안 됩니다.

3) 펀치 반경은 최소 굽힘 반경에 최대한 가까워야 하며, 다이 깊이는 일반적으로 10t 이상이어야 합니다.

4) 상대 굽힘 반경이 큰(긴) 굽힘의 경우(r/t>100), 대부분의 블랭크가 탄성 변형되어 상당한 반동을 초래합니다. 일부는 기존의 벤딩 방법으로는 성형이 불가능할 수도 있습니다. 이러한 경우 드로우 벤딩을 사용할 수 있습니다.

그리기 굽힘은 스탬핑 프로세스 그림 1-5a와 같이 판금 블랭크가 특정 곡률, 모양 및 크기로 구부러진 경우입니다. 상대적인 굽힘 반경이 큰 공작물에 적합하며 고압 용기, 선박 선체의 철판 및 골격, 각종 선박, 캐비닛의 테두리 제조에 널리 사용됩니다.

드로우 벤딩은 벤딩하기 전에 블랭크에 일정한 인장 응력을 가하는 것을 포함합니다. 이 인장 응력과 블랭크 굽힘 내부 층의 압축 응력의 결합력은 재료의 항복 강도(a)보다 약간 더 커야 하며, 이 인장 상태에서 굽힘 변형이 완료됩니다. 드로 굽힘 중 블랭크의 내부 응력 분포는 그림 1-5b에 나와 있습니다.

인장 응력을 가한 후 구부리는 방법, 구부리면서 인장 응력을 가하는 방법, 구부린 후 스트레칭하는 방법 등 세 가지 방법으로 드로우 벤딩을 할 수 있습니다. 이 세 가지 방법 중 구부린 후 스트레칭하는 방법이 가장 작은 리바운드 값을 생성합니다.

드로우 벤딩은 구부러진 부분의 변형을 증가시킬 뿐만 아니라 구부러진 부분의 전체 단면에 걸쳐 거의 균일한 소성 변형을 일으킵니다. 따라서 구부러진 부분의 리바운드를 크게 줄일 수 있습니다.

5) 정밀도가 필요한 구부러진 부품의 경우 구부린 후 재형성 프로세스를 추가할 수 있습니다.

3.3 벤딩 금형 구조에서 취하는 조치

예상 또는 실험 반동 값을 기반으로 금형 작업 부품의 모양과 크기 내에서 보정(또는 차감)하여 구부러진 부품이 제품 도면에 필요한 모양과 크기를 얻을 수 있도록 합니다.

1) 0215, 0235, 08, 10, 20, H2 소프트 황동 등과 같은 부드러운 소재는 굽힘 반동 각도 φ <5°입니다. 재료 두께 편차가 작은 경우 펀치 또는 다이에 경사 (반발 보정 각도)를 설계 할 수 있습니다. 펀치와 다이 사이의 간극은 최소 재료 두께와 같거나 그림 1-6과 같이 마이너스 간극을 사용하여 반동을 극복할 수 있습니다.

2) Q215, Q235, 08, 10, 20 및 H62 연황동과 같은 부드러운 소재의 경우 소재 두께가 0.8mm를 초과하고 굽힘 반경이 큰 경우 펀치의 작업 부분이 국부적으로 돌출되도록 설계 할 수 있습니다. 이렇게 하면 펀치의 작업 압력이 구부러진 모서리에 집중됩니다.

그림 1-7과 같이 굽힘에서 응력을 증가시켜 변형 영역의 소성 변형 성분을 강화하고 응력 분포를 개선하여 탄성 변형을 줄이고 스프링백을 최소화합니다.

3) Q275, 45, 50, H62 경질 황동 등과 같은 경질 재료의 경우 굽힘 반경이 r> t 인 경우 스프링백을 제거하기 위해 사전 추정 또는 실험적으로 얻은 스프링백 값에 따라 금형 또는 펀치에 스프링백 보정 각도를 설계 할 수 있습니다.

또는 그림 1-8과 같이 다이의 상단을 아치형 표면(U자형 굽힘의 경우)으로 설계하여 하단에 국부적인 역곡선을 생성할 수 있습니다. 즉, 부품이 금형에서 제거될 때 역곡선의 반동으로 인해 양쪽에서 음의 스프링백이 발생하여 측면 벽의 양의 스프링백을 상쇄합니다.

4) Z자형 굽힘의 경우 Z자형 굽힘의 두 굽힘 각도가 서로 다른 스프링백 값을 가질 수 있으므로 Z자형 부품의 상단과 하단 표면이 평행하지 않을 수 있습니다. 이 현상을 방지하려면 펀치와 다이를 Δφ 각도만큼 바깥쪽으로 기울여야 합니다. 두께가 1mm 미만인 냉간 압연 판재의 경우 일반적으로 그림 1-9와 같이 틸트 각도는 2°~3°가 필요합니다.

5) 더 부드러운 소재의 경우 그림 1-10과 같이 단단한 금형 대신 고무 금형을 사용할 수 있습니다. 고무는 단단한 용기 내의 액체처럼 모든 방향으로 압력을 전달할 수 있기 때문에 단단한 금형을 사용할 때보다 굽힘 공정에 유리한 변화를 겪습니다.

시트는 고무 위에서 완전히 지지되고 중간 지지대가 측면보다 강하므로 시트의 두 직선 벽이 펀치의 둥근 모서리 주위로 구부러지면 펀치 표면에 완전히 밀착되고 직선 벽 부분이 과도하게 구부러지지 않아 스프링 백이 줄어 듭니다.

고경도 고무 엘라스토머를 사용하면 효과가 더욱 좋습니다. 고무 다이를 사용하면 높은 정밀도 외에도 구부러진 부품 표면에 스크래치가 남지 않으며 고무 및 고무 엘라스토머 다이의 다용도성이 매우 우수합니다.

3.4 벤딩 시 스프링백을 줄이기 위한 다이 간극 조정

감소 다이 클리어런스 는 스프링백 감소에 기여합니다. 벤딩 다이 면 사이의 간격이 재료 두께보다 작으면 스프링백이 크게 감소하거나 심지어 약간의 마이너스 스프링백이 발생할 수도 있습니다. 적합한 단면 벤딩 다이 클리어런스 는 일반적으로 0.03mm로 설정된 재료 두께보다 0.02mm~0.5mm 적은 값입니다.

간격이 지나치게 작으면 소재가 얇아지고, 공작물 표면이 긁히며, 다이 수명이 단축될 수 있습니다. 시트 블랭크 두께가 마이너스로 편차되면 펀치와 다이 사이에 지나치게 큰 간격이 형성되어 스프링백이 발생할 수도 있습니다. 해결책은 그림 1-11과 같이 조정 가능한 간극 벤딩 다이를 설계하는 것입니다.