금형부품 위치결정

왜 배우는가: 금형부품 위치결정은 프레스 금형 설계와 가공 정밀도를 묻는 기본 개념이므로 공정 설계 문항의 바탕이 된다. 위치결정 기구의 역할을 정확히 구분해 알아야 기구 선정의 근거를 답안에 쓸 수 있다.

출제 이력: 제127회 2교시 5번, 제109회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

금형부품 위치결정은 소재와 금형부품을 정해진 기준 위치에 맞춰 매 행정마다 같은 자리에서 가공이 이루어지도록 하는 설계 요소이다.

위치결정은 프레스 가공에서 소재의 진행 위치와 펀치·다이 사이의 상대 위치를 함께 확보하는 작업이다. 위치가 어긋나면 제품 치수가 틀어지고 버가 고르지 않게 발생하며, 펀치 측면에 편하중이 걸려 파손으로 이어지므로 설계 단계에서 먼저 정해 둔다.

핵심 키워드

• 위치결정
• 파일럿 핀
• 스토퍼
• 사이드 가이드
• 가이드 포스트
• 캐리어

2. 개념 풀이

정식 정의는 다음과 같다. 금형부품 위치결정은 프레스 금형에서 소재나 스트립, 상형과 하형 부품을 기준면과 기준 구멍에 맞춰 진행 방향, 폭 방향, 높이 방향의 위치를 고정하는 설계 및 가공 기술이다. 위치 기준으로 쓰는 면, 구멍, 모서리를 기준 요소라 하며, 이 기준을 금형 부품에 정확히 옮기는 것이 가공 정밀도 확보의 출발점이다.

원리는 펀치와 다이가 한 행정 동안 정확히 맞물려 전단이나 성형을 수행하는 데 있다. 펀치와 다이 사이의 간극은 소재 두께에 맞춰 좁게 잡히므로, 맞물림 위치가 간극보다 크게 어긋나면 한쪽 간극만 과도하게 줄어 공구가 먼저 손상된다. 이 때문에 위치결정은 소재의 위치를 잡는 기능과 상형·하형의 상대 위치를 잡는 기능으로 나누어 설계한다.

위치결정 방식은 기준을 어디에 두느냐에 따라 나뉜다. 소재의 기준 구멍을 쓰는 방식은 정밀도가 높아 자동이송 금형에 널리 쓰이고, 소재의 외형 모서리를 쓰는 방식은 구멍이 없는 소재나 단일 공정 금형에 쓰인다. 두 방식 모두 기준을 한 번 정하면 전 공정에서 같은 기준을 유지해야 누적 오차를 막을 수 있다.

세 방향의 위치는 기구별로 나누어 맡는다. 진행 방향의 위치는 파일럿 핀과 스토퍼가 정하고, 폭 방향의 위치는 사이드 가이드가 잡는다. 높이 방향의 위치는 가이드 포스트와 상하 부품의 평행도가 맡는다. 각 방향을 어떤 기구가 맡는지 명확히 해야 설계 근거를 말할 수 있다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 위치결정 핀(파일럿 핀)은 소재나 스트립에 선행 가공으로 뚫린 구멍에 기준 구멍에 끼워 맞춰 진행 위치 고정하는 원형 핀이다. 기준 구멍과 결합하므로 후속 공정에서 위치 오차가 쌓이는 것을 막는다.
• 스토퍼는 스트립이 한 행정마다 정해진 피치만큼만 전진하도록 물리적으로 막는 부품이다. 이송 거리를 기계적으로 제한하므로 이송 오차의 상한을 정해 준다.
• 사이드 가이드는 스트립의 폭 방향 흔들림을 잡아 소재가 다이 면에서 벗어나지 않도록 하는 부품이다.
• 가이드 포스트는 상형과 하형을 정확히 맞추는 기둥형 부품이다. 파일럿 핀이 소재의 위치를 맞추는 것과 달리, 가이드 포스트는 금형 전체의 상하 정렬을 맡으므로 두 부품을 같은 기능으로 보면 설계 근거가 흐려진다.
• 캐리어는 제품이 스트립에서 분리되기 전까지 제품을 지지하고 이송하는 띠 모양 부분이다. 캐리어의 기준 구멍이 위치결정 기준이 되므로 캐리어 폭과 구멍 배치는 위치결정 설계와 함께 정한다.

위치결정을 고정과 같은 기능으로 보는 것은 흔한 오류이다. 위치결정은 부품의 자리를 정하는 기능이고, 고정은 정해진 자리에서 움직이지 않도록 잡는 기능이다. 고정력만 높이고 위치 오차를 방치하면 클램프는 단단하지만 제품은 매번 다른 자리에서 가공되는 금형이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 프레스 가공은 작업자가 소재를 한 장씩 손으로 놓고 다이 위에서 눈으로 정렬하는 방식이었다. 이 방식에서는 작업자의 숙련도에 따라 위치 오차가 크게 달라져 치수 편차가 컸고, 생산 속도도 작업자의 손놀림에 묶여 있었다.

생산 방식이 바뀌면서 위치결정은 금형 안의 기능으로 옮겨졌다. 소재를 자동으로 공급하는 이송장치가 도입되고, 한 금형 안에서 여러 공정을 연속으로 수행하는 순차이송형 금형이 확산되면서, 사람이 매번 위치를 보정하는 방식은 더 이상 가능하지 않게 되었다. 그래서 파일럿 핀, 스토퍼, 가이드 같은 기구를 금형에 내장해 매 행정마다 같은 위치를 재현하는 설계가 필요해졌다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 고속 프레스에서는 행정 횟수가 늘수록 위치 재현성이 제품 품질을 직접 좌우한다. 둘째, 다공정 금형에서는 앞 공정의 위치 오차가 뒤 공정으로 누적 오차가 되어 마지막 공정의 치수 불량으로 나타난다. 셋째, 자동차 부품 등 정밀 부품은 치수 공차 요구가 엄격하므로 위치결정 정밀도가 합격과 불합격을 가른다.