딥 드로잉 다이 설계: 펀치, 다이, 클리어런스 및 다단계 축소 가이드

판금은 평평한 블랭크로 다이에 들어가고 이음새가 없는 속이 빈 부품으로 나옵니다. 이러한 변형은 전적으로 다이가 얼마나 잘 설계되었는지에 달려 있습니다. 딥 드로잉 금형 설계는 단일 결정이 아니라 일련의 엔지니어링 선택으로, 각 선택은 성공적인 성형이 발생할 수 있는 창을 열거나 닫습니다. 잘못 지정된 펀치 반경, 작은 크기의 블랭크 홀더 또는 잘못 계산된 간격으로 인해 해당 창이 완전히 무너져 대량으로 금이 가거나 주름진 스크랩이 생성될 수 있습니다. 아래 섹션에서는 모든 주요 설계 변수를 살펴보고 각 변수가 무엇을 제어하는지 설명합니다.

딥 드로잉 다이 설계가 실제로 제어하는 것

딥 드로잉 도구 세트에는 펀치, 다이 및 블랭크 홀더의 세 가지 주요 구성 요소가 있습니다. 펀치는 플랫 블랭크를 다이 캐비티 안으로 밀어 넣습니다. 다이는 완성된 부품의 외부 형상을 정의합니다. 블랭크 홀더는 블랭크의 플랜지를 눌러 스트로크 중에 캐비티에 공급되는 재료의 양을 조절합니다.

각 구성원은 다른 구성원과 관련하여 설계되어야 합니다. 펀치 직경은 드로우 컵의 내부 직경을 설정합니다. 다이 직경은 작업 간극만큼 커집니다. 블랭크 홀더는 두 개 사이에 위치하여 스트로크 전체에 걸쳐 플랜지에 접촉 압력을 유지합니다. 이 세 가지 구성요소 사이의 관계가 정확하면 금속은 플랜지에 주름이 생기거나 펀치 노즈에서 파손되지 않고 안쪽과 아래쪽으로 흐릅니다. 관계가 잘못되면 두 가지 실패 모드 중 하나가 즉시 나타납니다.

대량 생산을 위해서는, 자동차 등급 딥 드로잉 다이 세트 더 긴 공구 수명, 엄격한 부품 간 일관성, 자동 이송 시스템과의 호환성 등 요구 사항을 추가합니다. 이러한 요구 사항은 아래 설명된 모든 설계 결정의 중요성을 더욱 강화합니다.

펀치 및 다이 형상: 부품 모양이 나오는 곳

펀치 노즈 반경과 다이 진입 반경은 딥 드로잉 다이 설계에서 가장 중요한 두 가지 기하학적 매개변수입니다. 두 가지 모두 금속이 평평한 블랭크에서 그려진 벽으로 전환될 때 금속이 구부러지는 방식을 제어합니다.

펀치 노즈 반경 일반적으로 표준 강의 재료 두께의 4~8배로 설정됩니다. 반경이 너무 작으면 굽힘 부분에 인장 응력이 집중되어 얇아지고 결과적으로 파손이 촉진됩니다. 반경이 너무 크면 금속이 다이 벽에 고정되기 전에 구부러져 벽에 주름이 생길 수 있습니다.

다이 진입 반경 — 때로는 다이 코너 반경이라고도 함 — 블랭크가 다이 가장자리 위로 그려질 때 직면하게 되는 저항을 제어합니다. 잘 연마되고 적절한 크기의 다이 반경은 마찰을 줄이고 재료가 캐비티 안으로 원활하게 흐르도록 합니다. 표준 관행에서는 연신 비율과 재료 연성에 따라 이 반경을 재료 두께의 4~10배로 설정합니다. 반경이 작으면 찢어질 위험이 높아집니다. 얇은 소재의 큰 반경으로 인해 주름이 발생하는 지지되지 않는 스팬이 생성됩니다.

정사각형 또는 직사각형 단면을 가진 부품의 경우 모서리 반경에 개별적인 주의가 필요합니다. 모서리는 성형 중 압축 응력을 집중시키고, 일반적으로 동등한 원형 부품보다 큰 넉넉한 모서리 반경은 모서리 주름 없이 단일 작업으로 더 깊은 인발을 가능하게 합니다.

펀치와 다이 사이의 작업 공간

클리어런스는 펀치와 다이 벽 사이의 반경 방향 간격입니다. 인발하는 동안 금속은 이 틈을 통과해야 하며 일반적으로 안쪽으로 흐르면서 약간 두꺼워집니다. 간격은 금속을 너무 꽉 쥐어 마찰이 파괴적인 수준으로 증가하지 않고, 금속이 옆으로 휘어져 벽에 주름이 생길 정도로 많은 공간을 남기지 않고 이러한 두꺼워짐을 수용해야 합니다.

대부분의 저탄소강의 경우 측면당 재료 두께의 1.07~1.15배의 작업 간격이 허용되는 시작 범위입니다. 더 단단하거나 두꺼운 재료는 이 범위의 상단에 여유 공간이 필요할 수 있습니다. 더 얇은 재료와 더 엄격한 벽 두께 공차로 인해 디자인이 하단쪽으로 밀려납니다. 프로그레시브 다이 시스템 멀티 스테이션 자동차 프로그레시브 딥 드로잉 다이 컵 직경이 감소하고 벽 균일성이 더욱 중요해짐에 따라 일반적으로 간격이 좁아지는 각 연속 스테이션에 동일한 논리를 적용합니다.

재료 선택과 다이 설계에 미치는 영향

다이 설계자는 부품 재료를 선택할 수 없지만 재료 특성은 실현 가능한 설계 매개변수를 결정합니다. 두 가지 판금 특성, 즉 변형 경화 지수(n-값)와 소성 변형률(r-값, Lankford 계수라고도 함)이 특히 관련됩니다.

n 값이 높다는 것은 재료가 늘어날 때 재료가 빠르게 경화되어 블랭크 전체에 변형이 보다 고르게 분산된다는 것을 의미합니다. 이는 파손 전 보다 공격적인 연신 비율을 가능하게 합니다. 높은 r 값은 재료가 두께 방향으로 얇아지는 것을 방지하고 시트 평면에서 우선적으로 유동한다는 것을 의미합니다. 이는 바로 딥 드로잉에 필요한 것입니다. r-값이 높은 재료는 펀치 노즈 파손 한계에 도달하기 전에 더 큰 깊이 대 직경 비율로 그려질 수 있습니다.

실용적인 측면에서, r 값이 1.8을 초과하는 무간극(IF) 강철은 r 값이 1.0에 가까운 기존 저탄소 강철보다 더 깊은 단일 인발 깊이와 더 큰 블랭크 대 펀치 직경 비율을 갖는 다이 설계를 허용합니다. 알루미늄 합금은 일반적으로 r-값이 1.0 미만입니다. 이는 알루미늄용 다이 설계가 동일한 컵 깊이를 달성하기 위해 다단계 드로우 감소와 보다 신중한 블랭크 홀더 제어에 더 의존해야 함을 의미합니다. 디자인할 때도 동일한 원칙이 적용됩니다. 정밀 자동차 스탬핑 부품 엄격한 치수 공차로 인해 재료 가변성이 문제가 되는 경우.

다단계 드로우 감소: 한 번의 작업으로 충분하지 않은 경우

완성된 부품에 필요한 깊이 대 직경 비율이 단일 드로잉으로 안전하게 달성할 수 있는 수준을 초과하는 경우(일반적으로 대부분의 강철에서 드로잉 비율이 2.0~2.2 이상) 설계에 여러 드로잉 단계가 통합되어야 합니다. 각 스테이지는 컵 직경을 줄이고 높이를 높이며, 각 스테이지에는 자체 펀치, 다이 및 블랭크 홀더가 있습니다.

첫 번째 드로잉에서는 플랫 블랭크를 재료가 허용하는 최대 드로잉 비율로 가져옵니다. 후속 다시 그리기는 이미 형성된 컵에서 작동하며 플랜지의 금속이 이미 부분적으로 가공 경화되어 심각한 주름 위험이 적기 때문에 단계당 1.2~1.4의 연신 비율을 달성할 수 있습니다. 빠르게 가공 경화되는 재료의 경우 다음 환원 전에 연성을 회복하기 위해 단계 간 어닐링이 필요할 수 있습니다.

다단계 설계는 툴링 비용과 프레스 시간을 추가하지만 필요한 부품 형상을 얻기 위한 유일한 경로인 경우가 많습니다. 단일 단계 접근 방식과 다단계 접근 방식 간의 경제적 비교는 생산량과 밀접하게 연관되어 있습니다. 이 요소는 다음 기사에서 자세히 살펴보겠습니다. 금속 스탬핑과 딥 드로잉 부품 제품의 비용 차이 .

비드 그리기 및 바인더 압력: 재료 흐름 미세 조정

드로 비드는 바인더(블랭크 홀더) 표면에 가공된 융기 부분입니다. 드로우 스트로크 중에 블랭크가 블랭크 위로 미끄러지면서 재료 흐름에 추가적인 저항을 생성하는 굽힘 및 굽힘 펴기 변형이 발생합니다. 블랭크 주변 주위의 드로우 비드의 높이, 너비 및 위치를 변경함으로써 다이 설계자는 각 지점에서 다이 캐비티에 들어가는 재료의 양을 제어할 수 있습니다. 즉, 찢어지기 쉬운 영역에서 주름이 생길 수 있는 영역으로 흐름의 방향을 바꿀 수 있습니다.

드로우 비드 위치 지정은 블랭크 주변의 다양한 섹션에 매우 다른 유동 저항이 필요한 자동차 차체 패널과 같은 비축대칭 부품에 특히 중요합니다. 딥 드로우로 둘러싸인 넓고 평평한 영역이 있는 부품 평평한 부분이 바인더 아래에서 표면 왜곡이 발생하는 것을 방지하기 위해 드로우 비드가 필요한 경우가 많습니다.

바인더 압력은 드로우 비드 디자인을 보완합니다. 바인더는 플랜지가 휘어져 주름이 생기는 것을 방지할 수 있을 만큼 충분한 힘을 가해야 하지만, 재료가 캐비티로 흐르는 것을 차단할 정도로 힘을 가하면 안 됩니다. 그러면 컵 벽의 인장 응력이 파손 지점까지 증가하게 됩니다. 따라서 올바른 바인더 압력은 아래의 주름 한계와 위의 파괴 한계에 의해 경계가 정의되는 공정 창 내에 있습니다. 이 시리즈의 다음 기사에서는 인출 비율과 블랭크 홀더 힘이 상호 작용하여 해당 창을 정의하고 제어하는 ​​방법을 설명합니다.

윤활 및 다이 표면 마감

다이 입구 반경과 블랭크 홀더 인터페이스의 마찰은 컵 벽에 전달되는 인장 응력에 직접적인 영향을 미칩니다. 마찰이 높을수록 벽 응력이 높아져 공정이 파괴 한계에 더 가까워집니다. 효과적인 윤활은 스트레스를 줄이고 공정 범위를 넓힙니다.

다이 표면 마감은 윤활과 상호 작용합니다. 표면 거칠기가 Ra 0.4 µm 미만인 연마된 다이 반경은 윤활제가 일관된 필름을 형성하여 마찰 변동성을 줄이도록 합니다. 거칠거나 긁힌 표면은 윤활유를 고르지 않게 가두어 예상보다 낮은 벽 응력에서 파손을 일으킬 수 있는 국부적인 응력 집중을 유발합니다.

윤활제 선택은 드로잉되는 재료에 따라 다릅니다. 저탄소강은 가벼운 드로잉 오일부터 무거운 EP(극압) 화합물까지 광범위한 윤활제를 견딜 수 있습니다. 알루미늄 합금에는 금속 표면과 반응하지 않는 윤활제가 필요합니다. 반응성 화합물은 마모 및 표면 흠집을 유발할 수 있기 때문입니다. 빠르게 가공 경화되는 스테인리스강은 인발 중에 생성되는 높은 인터페이스 압력을 관리하기 위해 염소계 윤활제가 필요한 경우가 많습니다.

공구강 선택 및 금형 내구성

딥 드로잉의 다이 수명은 다이 입구 반경의 연마 마모와 바인더 표면의 마손으로 인해 제한됩니다. 바인더 압력이 높거나, 윤활막이 부서지거나, 블랭크 재료에 연마재 함유물이 포함되어 있는 경우 두 메커니즘 모두 가속됩니다.

중간 규모 생산을 위한 표준 금형 재료에는 D2 공구강(경화 후 약 60-62 HRC)과 유사한 경도에서 더 나은 인성을 제공하는 DC53이 포함됩니다. 대량 자동차 생산에서는 마모율이 가장 높은 다이 입구 반경에 텅스텐 카바이드 인서트가 필요한 경우가 많습니다. 표면 코팅(TiN), 티타늄 탄질화물(TiCN) 또는 다이아몬드 유사 탄소(DLC)는 공구 블랭크 인터페이스의 마찰 계수를 줄여 서비스 수명을 더욱 연장합니다.

에 대한 고정밀 스탬핑 다이 세트 자동차 또는 EV 부품 공차를 목표로 하는 공구강 선택 및 열처리 사양은 위에서 설명한 기하학적 설계 매개변수만큼 중요합니다. 부적절하게 열처리된 강철로 가공된 치수가 완벽한 금형은 설계 수명이 끝나기 오래 전에 파손될 수 있습니다.

강철 이전 시뮬레이션: 다이 설계의 유한 요소 분석

최신 딥 드로잉 금형 설계는 유한 요소 분석(FEA)에 크게 의존하여 금속이 절단되기 전에 성형 결과를 예측합니다. FEA 시뮬레이션은 블랭크를 변형 가능한 요소의 메시로 모델링하고, 펀치 스트로크를 점진적으로 적용하고, 스트로크 전체에 걸쳐 블랭크의 모든 지점에서 응력, 변형률 및 두께 분포를 계산합니다.

잘 보정된 시뮬레이션의 출력에는 성형 한계 다이어그램(FLD) 오버레이가 포함되어 있어 블랭크의 영역이 파손 또는 주름 경계에 접근하고 있는지 여부를 보여줍니다. 시뮬레이션을 통해 실패가 예측되면 설계자는 펀치 반경, 다이 반경, 바인더 압력, 드로우 비드 형상 또는 블랭크 모양을 조정할 수 있으며 강철이 아닌 소프트웨어에서 반복할 수 있습니다. 이 프로세스는 트라이아웃 시간을 크게 단축하고 다이가 허용 가능한 부품을 생산하기 전에 필요한 물리적 도구 수정 횟수를 줄입니다.

시뮬레이션의 품질은 정확한 재료 카드 데이터, 특히 생산에 사용되는 특정 재료 코일에 대한 항복 표면 설명, r-값, n-값 및 유동 응력 곡선에 따라 달라집니다. 일반 재료 데이터는 그럴듯하지만 신뢰할 수 없는 예측을 생성합니다. 인장 테스트 및 FLD 테스트의 재료별 데이터는 프레스 동작으로 직접 변환되는 예측을 생성합니다.

요약: 가장 중요한 설계 변수

딥 드로잉 다이 설계는 소수의 변수로 해결되며 각 변수는 다른 변수에 따라 달라지는 범위 내에서 설정되어야 합니다. 펀치 및 다이 반경은 전환 시 굽힘 강도를 결정합니다. 작업 여유 공간은 파괴적인 마찰을 발생시키지 않고 금속 두꺼워짐을 수용합니다. Draw ratio는 단일 단계의 변형 상한선을 설정합니다. 바인더 압력과 드로우 비드는 블랭크 주변 주위의 재료 흐름을 제어합니다. 윤활 및 표면 마감에 따라 허용되는 바인더 압력이 실제로 블랭크에 도달하는 정도가 결정됩니다. 공구강과 코팅 선택은 다이가 신중하게 설정된 조건을 얼마나 오랫동안 유지하는지를 결정합니다.

단일 변수는 단독으로 최적화할 수 없습니다. 다이 입구 반경을 변경하면 최적의 바인더 압력이 변경됩니다. 재료 등급이 변경되면 실현 가능한 연신 비율이 변경됩니다. 이러한 상호의존성은 딥 드로잉 금형 설계에 체계적인 접근 방식이 필요한 이유이며, 시뮬레이션에서 시험에 이르기까지 올바른 설계를 통해 다음과 같은 부품을 생산하는 이유입니다. 휠 및 섀시 응용 분야에 대한 까다로운 구조 및 치수 요구 사항을 충족합니다. 수백만 번의 생산 주기에 걸쳐 일관되게 유지됩니다.