전단가공 종류

왜 배우는가: 전단가공은 프레스 작업의 가장 기본이 되는 가공이어서 블랭킹과 피어싱 금형설계 및 품질 문제를 이해하는 출발점이 된다. 실무에서는 제품 윤곽과 구멍, 버, 스크랩 처리가 모두 이 가공에서 결정되므로 금형 설계의 기초가 된다. 시험에서는 종류를 나열하는 문제와 개별 공법을 설명하는 문제로 자주 묻는다.

출제 이력: 제132회 1교시 6번, 제108회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전단가공은 전단기나 금형으로 재료에 파단강도 이상의 힘을 가해 칩 없이 소재를 절단하는 가공이다.

전단가공은 프레스 가공 가운데 재료를 자르는 가공 그룹을 대표하는 공정이다. 굽힘이나 드로잉이 소재를 소성 변형시켜 모양을 만드는 것과 달리, 전단가공은 재료가 끊어지는 파단 현상을 이용해 윤곽을 얻는다. 따라서 가공 품질은 펀치와 다이가 만드는 날의 상태와 두 날 사이의 간격에 좌우된다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 전단가공: 칩 없이 재료를 절단하는 가공 그룹의 총칭이다.
• 전단기: 전단 동작을 일으키는 프레스 기계이다.
• 금형: 펀치와 다이로 구성되어 제품 형상을 정하는 공구이다.
• 파단강도: 재료가 끊어지는 한계 응력이다.
• 전단면: 소성 변형을 거쳐 매끈하게 형성되는 절단면이다.
• 클리어런스: 펀치와 다이 사이의 간극이다.
• 블랭킹: 외형 윤곽을 따내 그 부분을 제품으로 쓰는 가공이다.
• 피어싱: 제품 내부에 구멍을 뚫는 가공이며, 뽑힌 조각은 스크랩이다.

전단가공의 종류는 이 키워드 가운데 블랭킹과 피어싱을 중심으로 하고, 노칭, 트리밍, 셰이빙 등으로 확장된다. 블랭킹과 피어싱은 제품과 스크랩의 역할이 반대라는 점에서 가장 기본이 되는 두 가지 분류 기준이다. 이 절은 종류를 나열하는 1교시 문제와 개별 원리를 묻는 2~4교시 문제에 모두 답할 수 있도록 정리한다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 다음과 같다. 전단가공은 펀치와 다이 사이에 소재를 놓고 펀치를 밀어 내려, 소재 내부의 전단 응력이 파단강도 이상에 도달하면 두 날 사이에서 균열이 진행되어 재료가 분리되는 가공이다. 전단가공의 핵심 조건은 소재 내부 응력이 파단강도에 도달하는 것이다. 이 조건을 넘지 못하면 재료는 끊어지지 않고 소성 변형만 일어난다.

원리는 다음 순서로 진행된다. 펀치가 소재에 닿으면 먼저 탄성 변형과 소성 변형이 일어난다. 날 끝에 응력이 집중되면 위쪽 날과 아래쪽 날에서 각각 균열이 생기고, 두 균열이 만나면 소재가 분리된다. 이 과정에서 필요한 전단력은 소재의 전단강도, 절단 둘레의 길이, 판 두께에 비례하며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$P = τ_s × L × t$

여기서 P는 전단력(N), τ_s는 소재의 전단강도(MPa), L은 절단되는 둘레의 길이(mm), t는 판 두께(mm)이다. 전단력은 프레스 용량을 고르는 기준이 되므로, 용량 선정 문제에서 이 식을 그대로 적용한다. 예를 들어 둘레 길이가 길어지면 같은 소재라도 필요한 힘이 커진다.

절단된 단면은 보통 네 부분으로 나뉜다. 처짐은 펀치가 소재를 누르며 생긴 둥근 부분이고, 전단면은 소성 변형을 거쳐 매끈하게 된 부분이다. 파단면은 균열이 진행되어 거칠게 끊어진 부분이며, 버는 파단 뒤 가장자리에 남는 돌기이다. 네 부분의 비율은 금형 조건에 따라 달라지므로 제품 품질을 판정하는 기준이 된다.

펀치는 소재를 밀어 내리는 공구이고, 다이는 소재를 받치고 전단 구멍을 형성하는 공구이다. 두 공구의 날 사이 간격이 클리어런스이다.

클리어런스가 작으면 두 균열이 일찍 만나 전단면의 비율이 커지고, 크면 파단면과 버가 커진다. 클리어런스가 과도하게 작으면 날 끝 응력이 커져 마모와 파손이 빨라지므로, 단면 품질과 금형 수명을 함께 고려해 간격을 정한다. 전단면의 품질은 펀치 날 끝의 둥글기와 다이 날의 마모 상태에도 영향을 받는다.

전단 과정은 소재 접촉, 균열 발생, 균열 합류, 분리의 네 단계로 나눠 이해하면 답안의 순서를 잡기 쉽다. 각 단계에서 어떤 응력이 작용하는지 연결해 두면 원리를 묻는 문제에 그대로 옮겨 쓸 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 금속 판재는 줄, 끌, 가위 같은 공구로 수작업 절단되었다. 이 방식은 치수가 작업자의 숙련도에 따라 달라지고, 같은 형상을 대량으로 만드는 데 한계가 있었다. 프레스와 금형을 이용한 전단가공이 도입되면서 동일한 윤곽을 짧은 사이클 타임으로 반복 생산할 수 있게 되었다.

전단가공의 가치는 동일 형상을 빠르고 균일하게 반복 생산하는 데 있다. 치수 기준이 금형 한 벌에 고정되므로 제품 간 편차가 줄고, 작업자의 숙련도에 덜 의존하게 된다. 이 특성 덕분에 자동차 차체 부품, 전자 기기의 접점과 리드 부품, 가전 부품처럼 대량으로 쓰이는 부품 생산의 기반이 되었다.