간극

왜 배우는가: 간극은 전단 가공 금형의 품질과 수명을 좌우하는 설계 변수이므로 프레스금형 설계 문제에서 자주 다뤄지는 개념이다. 실무에서는 재료와 판 두께가 바뀔 때마다 간극을 다시 정해야 하므로 설계 판단의 기준이 된다. 답안에서는 정의, 품질 영향, 재료별 기준을 함께 써야 점수를 얻는다.

출제 이력: 제139회 1교시 2번, 제132회 1교시 8번, 제117회 1교시 2번, 제108회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

간극은 펀치와 다이의 절삭날 사이에 두는 측면 간격으로, 재료 두께와 강도에 맞춰 정하는 전단 가공의 핵심 인자이다.

• 간극: 펀치 절삭날과 다이 절삭날 사이의 간격이며 영문으로는 clearance라고 쓴다.
• 편측 간극: 한쪽 면에서 잰 간격으로, 원형 구멍에서는 다이 구멍 지름과 펀치 지름의 차를 2로 나눈 값이다.
• 양측 간극: 양쪽을 합한 총 간격으로, 편측 간극의 두 배에 해당한다.
• 전단면: 재료가 날에 밀려 매끈하게 잘려 나간 면이다.
• 파단면: 전단 응력이 재료 강도를 넘어 찢겨 나간 거친 면이다.
• 점압력: 절삭날 한 점에 집중되는 하중으로, 공구 마모 속도를 좌우한다.
• 버: 간극이 맞지 않을 때 제품 가장자리에 남는 얇은 돌출부이다.
• 롤오버: 제품 가장자리가 둥글게 말리는 현상이다.

2. 개념 풀이

간극은 전단 가공에서 펀치의 절삭날과 다이의 절삭날 사이에 두는 간격을 말한다. 절삭 방향에 수직으로 잰 값이며, 한쪽 면에서 잰 편측 간극과 양쪽을 합한 양측 간극으로 나뉜다. 원형 구멍을 뚫는 경우 편측 간극은 c = (다이 구멍 지름 − 펀치 지름) ÷ 2로 구하며, c는 편측 간극(mm)이다.

간극은 판 두께에 대한 비율로 함께 표현한다. 같은 간극이라도 판 두께와 재료 강도가 달라지면 날 사이 재료가 전단되는 조건이 바뀌므로, 절대 치수만으로는 적정 여부를 판단할 수 없다. 따라서 간극은 판 두께와 재료 강도를 함께 고려하는 상대 개념으로 이해해야 한다.

전단 과정은 펀치가 재료를 다이 쪽으로 밀면서 시작한다. 두 날 사이의 재료에는 국부적인 전단 응력이 집중되고, 응력이 재료의 전단 강도를 넘으면 펀치 날 쪽과 다이 날 쪽에서 각각 균열이 생긴다. 두 균열이 만나면서 재료가 분리되므로 간극은 두 균열이 같은 면에서 원활하게 만나도록 하는 기하학적 조건이 된다. 간극이 적정하면 두 균열이 같은 면에서 만나 전단면이 넓게 형성된다.

간극이 작으면 날 사이의 재료가 강하게 눌려 점압력이 커지고, 공구 마모와 전단 하중, 발열이 함께 늘어난다. 반대로 간극이 크면 재료가 두 날 사이로 끌려 들어가 절단면이 기울어지고 소성 변형이 커지며, 버와 롤오버가 생겨 치수 정밀도가 떨어진다. 블랭킹에서는 다이 구멍 치수가 제품 치수가 되고, 피어싱에서는 펀치 치수가 구멍 치수가 되므로 간극을 어느 쪽 치수에 배분할지도 함께 정한다.

금형은 사용하면서 날이 마모되어 간극이 점점 커진다. 재연마를 하면 날 높이가 낮아지면서 간극도 함께 변하므로, 재연마 후에는 간극을 다시 측정해 보정해야 한다. 간극 관리가 되지 않으면 같은 금형이라도 시기에 따라 제품 품질이 달라진다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 전단면: 재료가 날에 밀려 매끈하게 잘려 나간 면으로, 간극이 적정할 때 넓게 나타난다.
• 파단면: 전단 응력이 재료 강도를 넘어 찢겨 나간 거친 면이다.
• 점압력(point pressure): 절삭날 한 점에 집중되는 하중으로, 간극이 작을수록 커져 공구 마모를 빠르게 한다.

3. 등장 배경과 필요성

프레스 가공은 한 번의 타발로 같은 형상의 제품을 대량으로 만드는 공정이다. 제품의 치수와 가장자리 품질이 조립과 기능에 직접 연결되므로, 금형을 제작하기 전에 간극을 재료별로 정해 두어야 한다. 간극이 맞지 않으면 버를 제거하는 후속 공정이 필요해지고, 이는 공정 시간과 비용을 함께 늘린다.

재료의 종류가 다양해지면서 간극의 중요성은 더 커졌다. 고강도 강판과 스테인리스 강판처럼 강도와 두께가 다른 재료는 같은 금형을 써도 전단 거동이 달라진다. 그래서 설계 기준은 판 두께와 재료 강도에 따라 나뉘며, 최소 구멍 지름, 브리지 폭, 스트립 배치와 함께 간극을 정한다.

경험적으로 쓰는 기준은 연강을 기준으로 한다. 판 두께 10mm 이하에서는 판 두께에 비례한 관련 기준값으로, 10mm를 넘으면 1mm당 0.04mm 정도의 간극을 둔다. 이 값은 경험식이므로 실제 금형에서는 시험 타발로 버 높이와 치수를 보고 보정한다.

드로잉 금형에서는 간극을 판 두께보다 크게 두어 금속이 다이 안으로 원활히 흐르도록 한다. 간극이 지나치게 커지면 벽에 주름이 생기므로, 드로잉 간극은 전단 간극과 목적이 다르다. 이 구분이 있어야 간극을 가공 방식별로 나누어 설계할 수 있다.