전단각과 릴리프각

왜 배우는가: 전단각과 릴리프각은 프레스 타발금형의 절단 하중, 제품 품질, 금형 수명을 함께 좌우하므로 금형 설계의 기본 형상 변수이다. 두 각의 기능을 구분해 설명하는 문제와 설계 고려사항을 묻는 문제에서 모두 다뤄지는 개념이다.

출제 이력: 제133회 3교시 2번, 제109회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전단각은 펀치나 다이의 절단면을 경사지게 하여 절단 하중을 낮추는 각이고, 릴리프각은 절단 날 뒤쪽에 두는 여유각이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 이어서 다음 키워드를 함께 다룬다.

• 전단각: 절단면의 경사각으로, 펀치면이나 다이면에 준다.
• 릴리프각: 절단 날 뒤쪽 면의 여유각으로, 제품과 스크랩의 배출을 돕는다.
• 점압력: 절단 날 끝에 집중되는 하중이다.
• 간극: 펀치와 다이 사이의 틈새로, 절단면 품질과 하중을 정한다.
• 전단면: 소재가 날에 밀려 매끈하게 잘린 면이다.
• 파단면: 전단이 끝난 뒤 소재가 찢어지며 생기는 거친 면이다.
• 버: 파단 과정에서 가장자리에 남는 돌기이다.

2. 개념 풀이

전단각과 릴리프각은 프레스 타발금형에서 절단 날의 형상을 정하는 두 가지 각이다. 두 각은 작용하는 면이 다르므로 설계 목적을 구분해서 설명해야 한다. 전단각은 절단 중에 작용하는 날 면의 각이고, 릴리프각은 절단이 끝난 뒤 제품이 빠져나가는 쪽의 각이다.

전단각은 펀치면 또는 다이면을 평면이 아니라 경사면으로 가공하여, 절단 날이 소재에 동시에 닿지 않고 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 차례로 파고들게 하는 각이다. 평평한 날로 절단하면 날 전체가 같은 순간에 소재를 전단하므로 최대 절단 하중이 커지고 충격도 커진다. 경사진 날은 절단이 점진적으로 진행되도록 하여 최대 하중을 낮추고 프레스의 부하를 줄인다. 다만 전단각을 지나치게 크게 주면 제품 평탄도가 떨어지고 편심 하중이 생기므로, 크기는 제품 형상과 함께 정한다.

릴리프각은 절단 날 뒤쪽의 금형면을 일정한 각으로 열어 여유를 주는 각이다. 절단이 끝난 뒤 제품이나 스크랩이 다이 벽과 마찰하면 배출이 되지 않고 금형 안에 걸리므로, 릴리프각은 배출 방향으로 틈을 만들어 준다. 릴리프 부분이 없으면 소재가 금형 내부에 끼어 금형 파손과 불량을 일으킨다.

절단 날 끝에 집중되는 점압력은 전단각과 간극에 따라 달라진다. 점압력이 과도하면 공구 마모가 빨라지므로, 설계자는 전단각으로 하중을 분산하고 간극을 적절히 두어 점압력을 낮춘다.

절단 과정은 전단면과 파단면으로 나뉜다. 소재는 날에 눌려 먼저 압축되고, 판 두께의 10% 정도가 전단된 뒤 파단되어 분리된다. 간극이 적절하면 전단면의 비율이 커져 매끈한 절단면을 얻는다. 간극이 작으면 2차 전단이 생겨 버가 남고, 간극이 크면 파단면이 늘어 버가 커진다.

간극은 펀치와 다이 사이의 틈이며, 전단각과 함께 절단면 형상을 결정하는 변수이다. 간극이 설계 기준에서 벗어나면 전단각을 아무리 맞춰도 절단면 품질이 확보되지 않으므로, 두 각과 간극은 한 세트로 검토한다.

3. 등장 배경과 필요성

프레스 타발 제품의 품질은 절단면의 매끈함, 치수 정밀도, 버의 크기로 평가되며 금형 수명과 직결된다. 평날 금형은 절단 하중이 한꺼번에 걸리기 때문에 프레스 용량을 키워야 하고, 날 끝의 점압력이 커서 금형이 빨리 마모된다. 전단각과 릴리프각은 이 두 문제를 금형 형상 차원에서 줄이기 위해 도입된 설계 변수이다.

블랭킹은 소재를 한 번의 공정으로 잘라 외형을 만드는 가공이다. 한 번에 잘리므로 가장자리 외관이 균일하고 평탄도가 유지되며, 치수 정밀도가 높아진다는 장점이 있다. 이 장점은 간극과 전단각이 적절하게 설계되어야 얻어진다. 따라서 두 각은 블랭킹 제품의 품질을 확보하는 기본 조건이 된다.

정밀 전단 제품에 대한 요구가 높아지면서 설계 기준의 중요성도 커졌다. 재료 강도가 높아질수록 전단 하중이 커지므로, 금형 형상에 따른 하중 분산과 배출 조건이 설计의 핵심이 된다. 전단 공정의 조건은 판 두께와 피가공재의 강도에 따라 선택하며, 두 각도 이 조건에 맞춰 정한다.

배출이 원활하지 않으면 스크랩이 금형 안에 쌓여 연속 생산이 멈추게 된다. 그래서 릴리프각은 생산성과 금형 안정성을 확보하는 설계 요소로 다뤄진다. 이 때문에 두 각은 금형 설계 문제에서 함께 고려해야 하는 항목이다.

4. 구성요소·원리·절차

전단각과 릴리프각은 금형 날의 형상을 이루는 두 요소이다. 전단각은 날면을 기울여 판재가 한쪽 끝부터 점진적으로 잘리게 하는 각이고, 릴리프각은 날 뒤쪽을 깎아 제품과 스크랩이 금형에 걸리지 않고 빠지게 하는 여유각이다. 두 요소가 정해지면 절단면 품질, 최대 전단하중, 제품 배출 조건이 함께 정해진다. 구성요소의 역할은 다음 표와 같다.