전단면 형상과 클리어런스 영향

왜 배우는가: 전단면의 형상은 프레스 금형의 절단 품질과 공구 수명을 함께 보여 주는 결과물이다. 간극과 판 두께, 재료 조건에 따라 전단면이 어떻게 달라지는지 알아야 불량 원인을 설명할 수 있다. 전단면의 각부 명칭과 간극 영향은 시험에서 용어 설명과 논술을 함께 묻는 기본 개념이다.

출제 이력: 제138회 2교시 1번, 제100회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전단면은 펀치와 다이 사이에서 판재가 전단될 때 생기는 절단면으로, 롤오버·전단 영역·파단 영역·버로 구성된다.

이 정의는 답안 첫 줄에 그대로 옮겨 쓸 수 있는 형태이며, 아래 여섯 용어를 함께 익혀 두면 각부 명칭 설명의 뼈대가 된다.

• 전단면: 전단 가공으로 판재가 분리되면서 생긴 절단 단면 전체를 가리킨다.
• 롤오버(처짐): 펀치 날이 재료를 누를 때 모서리가 아래로 휘어 말려 들어간 부분이다.
• 전단 영역: 재료가 소성변형을 거쳐 매끈하게 잘린 부분이며, 판 두께에 대한 비율로 표시한다.
• 파단 영역: 전단 영역 이후 균열이 진행되어 거칠고 기울어진 면으로 찢겨 나간 부분이다.
• 버: 파단이 끝나는 쪽 날 끝에서 튀어나온 날카로운 돌기이다.
• 간극: 펀치와 다이 날 사이의 간격으로, 전단면 형상을 좌우하는 가장 중요한 공정 변수이다.

2. 개념 풀이

전단 가공은 펀치가 판재를 다이 구멍 방향으로 밀어 내리면서 두 날 사이에서 재료를 절단하는 가공이다. 전단면은 이 절단 과정이 단계별로 일어나 생긴 면이며, 위에서부터 롤오버, 전단 영역, 파단 영역, 버의 순서로 나타난다.

원리는 재료의 변형 단계에서 설명된다. 펀치 날이 재료에 닿으면 표면 모서리가 먼저 눌리면서 아래로 휘는데, 이 부분이 롤오버이다. 이 구간에서는 재료가 끊어지지 않고 압축과 소성변형을 받는다. 응력이 재료의 한계에 이르면 펀치 날 끝과 다이 날 끝에서 각각 균열이 시작되고, 재료는 전단 영역을 거치며 매끈하게 잘린다. 전단 영역의 높이는 판 두께의 약 10% 정도이다.

적정 간극에서는 전단 영역의 비율이 가장 커진다.

남은 두께는 균열이 취성적으로 진행되어 찢기는 구간이며, 이것이 파단 영역이다. 파단 영역은 거칠고 기울어진 면이고, 두 균열이 재료 중간에서 만나지 못하면 단차가 생겨 파단 영역이 넓어진다. 분리가 끝나는 지점에서는 날 끝의 재료가 밀려 나가며 버가 생긴다. 전단면은 두께 방향을 따라 균일하지 않아서 펀치 쪽과 다이 쪽의 면 모양이 서로 다르게 나타난다.

간극의 크기는 두 균열이 만나는 위치를 바꾼다. 간극이 적정하면 펀치 날과 다이 날 끝에서 나온 균열이 자연스럽게 이어져 전단 영역이 넓고 파단 영역이 작아진다. 간극이 과도하면 재료가 두 날 사이로 끌려 들어가 인장력이 섞이고, 전단 영역이 줄고 롤오버와 파단 영역이 커진다. 반대로 간극이 너무 작으면 공구 마모가 빨라지고 가공력이 커진다.

전단면의 질은 전단 영역이 판 두께에서 차지하는 비율로 표시한다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

전단면율(%) = 전단 영역 높이 ÷ 판 두께 × 100

이 비율은 간극과 판 두께, 재료 강도에 따라 달라지므로 같은 금형이라도 재료가 바뀌면 전단 영역의 높이가 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

프레스 제품은 조립 정밀도와 기능 요구가 높아지면서 절단면의 품질이 제품 성능의 일부로 평가되기 시작했다. 절단면에 큰 롤오버나 거친 파단 영역이 남으면 이후 끼움이나 접촉면에서 문제가 생기므로, 설계 단계에서 전단면 형상을 예측하고 제어할 필요가 커졌다. 이 요구는 전단 영역을 넓게 확보하는 정밀 블랭킹과 같은 가공법이 등장한 배경이다.

버는 대부분 텀블링 같은 2차 공정으로 제거하므로 공정과 비용이 추가된다. 버를 줄이려면 1차 전단 단계에서 전단면 형상을 안정시켜야 하며, 이것이 후공정 부담을 낮추는 방법이다. 한편 버 높이는 공구 마모 상태를 보여 주는 지표로도 쓰이므로, 전단면을 관찰하는 일은 품질 관리와 금형 보수 시기 판단에 직접 연결된다.

간극은 금형 수명과도 직결된다. 간극이 너무 작으면 공구 마모와 가공력이 커지고, 너무 크면 재료가 끌려 들어가 절단면 품질이 떨어진다. 따라서 전단면 형상은 간극 설정이 적정한지 판단하는 진단 지표로 쓰인다.