형내태핑 금형

왜 배우는가: 형내태핑 금형은 프레스 자동화 라인에서 나사 가공을 별도 공정 없이 처리하는 대표적인 구조이다. 구동 방식의 차이와 자동화 효과를 함께 묻는 문항이 많아 기계식과 전동식의 원리를 정확히 구분해야 한다.

출제 이력: 제133회 2교시 4번, 제121회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

형내태핑 금형은 프레스 행정 중 금형 내부의 태핑 유닛이 탭을 구동하여 구멍에 암나사를 가공하는 금형이다.

형내태핑 금형은 펀칭이나 피어싱으로 뚫린 구멍에 나사산을 별도 공정 없이 만드는 금형이다. 프레스가 하강하는 동안 금형 내부의 장치가 탭을 회전시키므로, 제품을 금형 밖으로 꺼내 탭 가공기에서 다시 가공할 필요가 없다. 이 구조는 프레스 자동화 라인에서 공정 수와 부품 이동을 줄이는 수단으로 쓰인다.

시험 답안의 첫머리에는 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 구동 방식과 자동화 효과를 덧붙이는 것이 자연스럽다. 아래 키워드를 정확히 쓸 수 있어야 구동 방식 비교 문항과 자동화 설명 문항에서 감점을 피한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 형내태핑: 프레스 금형 내부에서 탭 가공을 수행하는 방식이다.
• 태핑 유닛: 탭을 장착하고 회전과 복귀 운동을 담당하는 금형 내장 장치이다.
• 탭: 구멍 안쪽에 암나사의 나선홈을 깎아 내는 공구이다.
• 암나사 가공: 미리 뚫린 구멍의 내면에 나사산을 만드는 가공이다.
• 기계식 구동: 프레스 슬라이드의 상하 운동을 링크나 캠으로 탭의 회전 운동으로 바꾸는 방식이다.
• 전동식 구동: 모터로 탭을 직접 회전시키는 방식이며, 회전 속도를 프로그램으로 조정한다.
• 플로트: 탭 중심과 구멍 중심의 미세한 어긋남을 흡수하는 탭 홀더의 여유 기능이다.
• 안전클러치: 설정 토크를 넘으면 회전력 전달을 끊어 탭 파손을 막는 장치이다.

2. 개념 풀이

형내태핑 금형은 프레스 금형의 펀치와 다이 구조에 태핑 유닛을 내장하여, 피어싱과 같은 프레스 행정 안에서 탭에 의한 암나사 가공까지 함께 수행하는 금형이다. 태핑 유닛은 탭 홀더, 구동 기구, 복귀 기구로 구성되며 금형 안에 고정되어 제품의 구멍 위치와 맞물린다. 따라서 탭의 축은 구멍의 축과 일치해야 하고, 이 일치가 가공 품질을 좌우한다.

원리는 프레스의 직선 운동을 탭의 회전 운동으로 바꾸는 데 있다. 탭은 회전하면서 구멍 안으로 진입하여 나선형 홈을 깎아 내므로, 탭의 회전과 진입 깊이는 슬라이드 행정과 연동되어야 한다. 행정의 하사점에서 탭이 구멍 깊이에 도달하고, 상승 행정에서는 탭이 역회전하며 구멍에서 빠져나온다. 이 순서가 어긋나면 탭이 구멍 안에서 걸려 파손된다.

탭의 진입과 복귀는 프레스 슬라이드의 행정과 연동되어야 한다.

기계식 구동은 슬라이드의 운동을 링크, 래크와 피니언, 캠 등의 기구로 전달하여 탭을 돌린다. 동력원이 프레스 자체이므로 별도 모터가 필요 없고 구조가 단순하다. 다만 회전 속도가 프레스 행정 속도에 묶여 있어 재질과 나사 규격에 따라 속도를 따로 조정하기 어렵다.

전동식 구동은 서보모터나 일반 모터로 탭을 회전시키며, 회전 속도와 회전 방향을 독립적으로 제어한다. 탭 회전수를 재질과 나사 규격에 맞출 수 있어 가공 조건을 바꾸기에 유리하다. 대신 모터, 구동 제어장치, 신호 연동 회로가 추가되어 구조가 복잡해지고 설치 비용이 높아진다.

탭 홀더에는 세 가지 보조 기능이 들어간다. 플로트는 탭의 중심과 구멍 중심이 조금 어긋날 때 탭이 반경 방향으로 움직여 그 차이를 흡수하는 여유 기능이다. 이 기능이 없으면 탭이 구멍 벽에 눌려 나사산이 찌그러지고 탭에 과도한 횡하중이 걸린다.

안전클러치는 설정된 토크 한계에 도달하면 회전력 전달을 끊어 탭을 보호한다. 칩 막힘이나 구멍 내부의 과부하로 토크가 급증할 때 탭이 부러지기 전에 동력을 차단하는 역할이다.

길이 보상 기능은 슬라이드나 이송 장치의 미세한 밀림과 당김을 탭 홀더 내부에서 흡수한다. 이로써 탭이 구멍 바닥을 과도하게 밀거나 덜 가공하는 현상을 줄인다.

탭 파손의 주요 원인은 칩 막힘, 탭과 구멍의 정렬 불량, 토크 제한 기능의 부재, 부적절한 회전수와 절삭유 부족이다. 따라서 형내태핑 금형은 이 원인을 차단하는 보조 기능을 구조에 함께 설계해야 한다. 제품의 두께와 재질에 따라 탭 진입 깊이를 정하고, 칩이 빠져나갈 배출 경로를 확보하는 것도 설계의 기본이다.

3. 등장 배경과 필요성

프레스 금형은 금속 판재를 전단하고 성형하여 동일 규격의 제품을 대량으로 만드는 도구이다. 자동차와 전기전자 제품처럼 품질 요구가 높아질수록 부품 하나를 완성하는 공정 수가 늘어나며, 이 공정을 줄이는 금형 구조에 대한 요구도 커졌다. 형내태핑 금형은 이러한 요구에 맞춰 나사 가공을 프레스 공정 안으로 가져온 구조이다.