시어각

왜 배우는가: 시어각은 전단금형의 하중과 제품 품질을 함께 좌우하는 설계 요소이다. 블랭킹과 피어싱 금형에서 시어각을 적용하는 이유와 방법을 묻는 문제는 시험에서 반복해 다뤄지는 주제이므로, 원리부터 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제135회 1교시 4번, 제118회 1교시 3번, 제115회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다. 시어각은 전단금형에서 펀치 또는 다이의 전단 면을 판재 면에 대해 기울여, 판재가 한 번에 끊기지 않고 순차적으로 전단되게 하는 각도이다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 시어각은 전단 면을 기울이는 각도로, 전단 하중이 걸리는 순서를 정하는 기준이다.
• 전단가공은 펀치와 다이의 상대 운동으로 판재를 절단하는 소성가공이다.
• 블랭킹은 외형을 떼어 내고 그 조각을 제품으로 쓰는 전단가공이다.
• 피어싱은 내부 구멍이나 형상을 뚫고 떼어 낸 조각을 스크랩으로 처리하는 전단가공이다.
• 전단력은 판재를 끊는 데 필요한 힘으로, 시어각을 두면 행정 초기의 최대값이 낮아진다.
• 간극은 펀치와 다이 사이의 틈으로, 전단 면의 품질을 좌우한다.
• 전단면은 소성 변형 영역과 파단 영역으로 이루어진 절단면이다.

2. 개념 풀이

시어각(Shear Angle)은 전단금형의 펀치 면 또는 다이 면을 판재 면에 대해 일정한 각도로 기울인 것을 말한다. 이때 각도가 있는 날은 판재와 접촉하는 점이 한 줄로 동시에 생기지 않고, 한쪽 끝에서 시작해 다른 쪽 끝으로 옮겨 간다. 시어각은 이 접촉의 이동 방향과 속도를 정하는 설계 변수이며, 전단면의 형성 순서와 하중의 시간적 분포를 함께 결정한다. 따라서 시어각은 단순한 경사가 아니라 전단 과정을 시간 축으로 나누는 장치로 이해해야 한다. 전단 과정은 세 단계로 진행한다. 먼저 날 끝이 닿는 쪽의 판재가 변형되고, 이어서 날이 판재 두께 안으로 파고들며 소성 영역이 커진다. 마지막으로 위와 아래에서 시작된 파단선이 만나 판재가 떨어진다. 그러나 판재의 재질은 균일하지 않고 펀치와 다이 사이의 간극도 완전히 일정하지 않으므로, 파단은 가장 약한 지점에서 시작해 다음으로 약한 지점으로 옮겨 가며 진행한다. 이 과정이 전단면의 거친 모서리와 버를 만든다. 시어각은 이 파단 진행을 의도적으로 제어하여, 날 전체가 한꺼번에 파고들지 않도록 하는 방법이다. 핵심 용어는 다음과 같다.

• 파단선은 전단이 진행되면서 위와 아래에서 각각 생긴 균열이 이어지는 선이다.
• 소성 변형 영역은 날 끝 근처에서 재료가 영구 변형된 부분으로, 전단면의 앞부분을 이룬다.
• 측면력은 기울어진 날이 판재에 가하는 옆 방향 힘으로, 제품의 뒤틀림이나 편심 하중을 일으킨다.

3. 등장 배경과 필요성

시어각이 등장한 배경은 평평한 날로 판재를 전단할 때 생기는 하중 문제이다. 날 전체가 제품 둘레와 동시에 판재에 닿으면 전단에 필요한 힘이 한꺼번에 최대가 되고, 프레스 하중과 기계의 부하, 충격이 함께 커진다. 전단력은 판재 두께, 전단되는 둘레 길이, 재료의 인장강도에 비례하는 관계로 추정하므로, 두껍거나 둘레가 긴 제품일수록 이 문제가 커진다. 따라서 최대 전단력을 낮추고 프레스의 용량 부담을 줄이는 수단으로 시어각이 쓰인다. 둘째로 시어각은 전단면의 품질 문제와 연결된다. 전단이 한 번에 균일하게 일어나지 않으면 파단 지점이 불규칙해지고, 단면의 거칠기와 버가 커진다. 시어각은 파단이 시작되는 지점과 진행 방향을 정해 전단 과정을 안정시키므로, 제품 치수와 단면 품질을 함께 관리하는 목적으로도 쓰인다. 다만 기울어진 날은 측면력을 만들어 제품을 밀어내거나 뒤틀게 하므로, 적용 범위는 소재와 제품 형상에 맞춰 제한해야 한다. 셋째로 블랭킹과 피어싱은 제품과 스크랩의 역할이 달라 시어각을 두는 목적도 달라진다. 블랭킹은 외형을 떼는 가공이라 판재의 외곽 둘레 전체가 하중을 받는다. 피어싱은 작은 구멍을 뚫는 가공이라 날의 면적이 작아 전단력은 작지만, 날의 강도와 파손 문제가 함께 고려되어야 한다. 이 차이가 시어각의 적용 위치와 방식을 정하는 기준이 되며, 구체적인 적용 방법은 같은 학습서의 뒤쪽 절에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

시어각이 적용되는 블랭킹과 피어싱 금형은 펀치, 다이, 스트리퍼, 가이드 부품으로 구성된다. 시어각은 펀치 또는 다이의 전단 면에 경사를 주는 설계 요소이며, 이 경사 때문에 재료가 둘레 전체에서 동시에 끊기지 않고 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 차례로 끊긴다. 각 구성요소의 역할과 시어각 적용 위치는 다음 표와 같다.