드로잉 결함

왜 배우는가: 드로잉 결함은 실무에서 시작품 단계의 금형 수정과 불량 원인 분석으로 이어지는 대표적인 문제이다. 시험에서는 결함 종류별 발생 원인과 대책을 묻는 문항으로 반복하여 나온다.

출제 이력: 제124회 3교시 1번, 제121회 2교시 5번, 제112회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

드로잉 결함은 판재 드로잉에서 주름, 파단, 이어링, 측벽 흠 등 형상과 표면 품질을 떨어뜨리는 불량의 총칭이다.

• 드로잉 가공: 판재 블랭크를 펀치로 다이 구멍에 밀어 넣어 컵 형상의 중공 제품을 만드는 성형 공정이다.
• 블랭크 홀더: 플랜지부를 눌러 다이 안으로 유입되는 소재의 양을 제어하는 장치이다.
• 드로잉비: 블랭크 지름을 펀치 지름으로 나눈 값으로, 한 번의 공정에서 얻을 수 있는 변형량을 나타낸다.
• 후프 응력: 플랜지부에서 접선 방향으로 작용하는 압축응력이며 주름의 직접적인 원인이다.
• 펀치 코너 반경: 펀치 모서리의 곡률 반경으로, 측벽 하단의 두께 감소와 파단에 영향을 준다.
• 주름: 플랜지부 압축응력이 제어되지 않아 판면이 물결 모양으로 좌굴되는 결함이다.
• 파단: 펀치 코너나 측벽에서 인장응력이 재료 한계를 넘어 소재가 찢어지는 결함이다.
• 이어링: 재료의 이방성 때문에 컵 윗단이 귀 모양으로 불균일하게 높아지는 결함이다.

위 용어 가운데 주름, 파단, 이어링은 결함 자체를 가리키고, 블랭크 홀더와 드로잉비는 결함을 막거나 제어하는 조건을 가리킨다. 두 부류를 구분해야 원인과 대책을 나누어 답안에 쓸 수 있다.

2. 개념 풀이

드로잉 가공은 평판 블랭크를 펀치로 눌러 다이 구멍 안으로 밀어 넣어 바닥이 있는 용기 형태를 만드는 판재 성형 공정이다. 블랭크의 바깥 둘레인 플랜지부는 다이 면 위에서 안쪽으로 끌려 들어가며 원주 방향으로 압축되고, 펀치를 감싸는 측벽부와 바닥부는 두께가 얇아진 채 인장을 받는다. 드로잉 결함은 이 두 영역에서 응력 상태와 금속 흐름의 균형이 깨질 때 나타나는 형상과 표면의 불량이므로, 결함을 설명할 때는 응력과 금속 흐름을 함께 보아야 한다.

플랜지부는 다이 어깨를 지나면서 반경 방향으로 인장을 받는 동시에, 접선 방향으로 압축응력인 후프 응력이 작용한다. 이 압축응력을 판면이 지지하지 못하면 판이 좌굴하여 1차 주름이 생긴다. 반대로 펀치 코너 부근은 금속이 다이 쪽으로 흐르는 양이 급격히 줄어 두께 감소가 가장 크게 일어난다. 모서리 반경이 지나치게 작으면 이 부위에 응력이 몰려 펀치 바닥 근처에서 균열이 생긴다. 펀치 코너 반경은 판재 두께의 4~10배 수준으로 두어야 파단을 줄일 수 있다.

블랭크 홀더는 플랜지를 누르는 힘으로 다이 안으로 들어가는 금속의 양을 조절하는 장치이다. 블랭크 홀더력이 낮으면 플랜지 영역에 주름이 생기고, 지나치게 높으면 플랜지와 금형 사이의 마찰이 커져 드로잉력이 증가한다. 따라서 홀더력은 금속 흐름을 제한하는 데 필요한 만큼만 주는 것이 원칙이다.

윤활 조건도 같은 원리로 금속 흐름을 바꾼다. 윤활이 부족하면 플랜지부의 마찰이 커져 드로잉력이 늘어나고, 금속 흐름이 고르지 않아져 결함이 생기기 쉽다.

드로잉비는 블랭크 지름을 펀치 지름으로 나눈 값으로, 변형의 크기를 나타내는 지표이다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$DR = D_b / D_p$

여기서 D_b는 블랭크 지름(mm), D_p는 펀치 지름(mm)이다. 비원형 제품에서는 최대 지름을 쓰거나 표면적으로 환산하기도 한다. 단일 공정의 드로잉비 한계는 보통 2 이하이다. 이 한계를 넘는 깊이가 필요하면 다단 드로잉이나 재드로잉으로 나누어 성형한다.

• 플랜지부: 블랭크 바깥 둘레에서 블랭크 홀더에 눌린 채 다이 안으로 유입되는 부분이다.
• 측벽부: 펀치 둘레를 감싸며 성형된 용기의 옆면으로, 인장과 두께 감소가 함께 나타나는 부분이다.
• 이방성: 압연 방향에 따라 재료의 기계적 성질이 달라지는 성질이며, 이어링의 원인이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

자동차, 가전, 전자 부품에서는 얇은 판재로 깊은 용기형 부품을 대량으로 만들어야 하는 요구가 커졌다. 드로잉 가공은 한 번의 프레스 행정으로 형상을 만드는 방식이어서 생산성이 높고 재료 손실이 적다. 그러나 드로잉비가 커질수록 소재가 받는 변형량이 한계에 가까워져 결함이 한꺼번에 나타나므로, 금형과 공정을 설계하는 단계에서 결함을 예측하고 막는 기준이 필요해졌다.

결함은 발생 위치에 따라 원인이 다르게 나타난다. 플랜지부에서는 압축응력에 의한 주름이 주로 생기고, 펀치 코너와 측벽부 하단에서는 두께 감소에 의한 파단이 주로 생긴다. 컵 윗단이 귀 모양으로 높아지는 이어링은 판재의 방향별 물성 차이에서 비롯되며, 측벽에 나타나는 흠인 쇼크 마크는 금형 모서리와 소재 표면이 국부적으로 접촉하면서 생기는 것으로 설명한다.