굽힘

굽힘

굽힘(bending) 또는 휨은 판재, 봉재, 관재 등을 다이스나 롤을 이용하여 필요로 하는 형상으로 굽혀 변형시키는 가공을 말한다. 재료의 내측은 압축력, 외측은 인장력을 받으며 중간에 응력과 변형이 0인 중립면이 발생한다. 가공 후는 탄성적인 스프링 백이 있다.

개요

굽힘은 봉재 또는 판재의 부재(部材)를 구부리는(곡률을 변화시키는) 작용이다. 응용역학에서 굽힘은 요소의 세로축에 수직으로 가해지는 외부 하중을 받는 가느다란 구조 요소의 동작을 특징으로 한다. 구조적 요소는 그 치수 중 적어도 하나가 다른 두 치수의 작은 부분(일반적으로 1/10 이하)인 것으로 가정한다. 길이가 너비 및 두께보다 상당히 긴 경우 요소를 보라고 한다. 보를 양 끝에서 받치고 그 축에 직각 방향으로 힘을 작용시키면 보는 휜다. 이러한 작용을 굽힘이라 한다. 굽힘 변형은 위쪽이 줄고 아래쪽이 늘어나는 등 길이 방향의 신축성에 의해 일어난다. 단면의 위부분에는 단면과 수직으로 압축 응력이 나타나고 아래부분에는 인장 응력이 발생한다.

굽힘시험

3점 굽힘

4점 굽힘

굽힘시험은 재료에 굽힘 모멘트가 작용하였을 때의 변형저항이나 파단 강도를 측정하는 것이다. 공업적으로는 재료의 소성가공성이나 용접부의 변형능을 측정하기 위한 굽힘시험(Bending test)과 주철이나 초경합금과 같이 취성재료의 굽힘 파단 강도를 측정하는 항절 시험(Transverse or flexure test) 등으로 대별할 수 있다.

목적

• 탄성영역에서의 굽힘시험
  • 재료의 탄성계수 측정
  • 복잡한 단면이나 구조물의 이론 계산을 검토
• 소성영역에서의 굽힘시험
  • KS에 규정된 좁은뜻의 굽힘시험과 같이 재료의 변형능, 연성(ductility)의 검토, 용접부의 양부 검토
  • 소성영역에서의 굽힘이론 연구나 응력-변형관계 연구
• 굽힘파괴시험
  • KS에 규정된 항절시험과 같이취성재료의 강도 측정
  • 파괴역학 연구
  • 선재, 박판 등을 파괴까지 반복 굽힘시험

시험 방법

일반적으로 만능시험기에 굽힘 시험용 장치를 장착하여 시험하며 그림과 같이 시험편을 지점 A,B에서 지지하고 그 중앙부 또는 A,B에서 각각 등거리의 2점에서 하중을 가한다. 여기서 전자를 3점 굽힘, 후자를 4점 굽힘이라 부르며 3점 굽힘 방식에서는 하중점에 최대 굽힘 모멘트 (Mbmax=PL/4)가 걸리며 4점 굽힘 방식에서는 하중점 C,D간에 일정한 굽힘 모멘트 (Mbmax=Pm/2)의 상태가 된다. 따라서 3점 굽힘에서는 하중점 직하의 뒷표면으로부터 균열이 발생하며 후자는 C,D간의 인장측 표면중에서 가장 취약한 결함으로부터 파괴가 시작된다. 큰 굽힘이 일어나는 경우, 지지점과 시험편 간에 마찰력이 크면 굽힘에 따라 길이 방향에 인장력이 생기고 이것은 굽힘을 구속하므로 지지점에는 구름 받침을 놓아 마찰을 경감시켜야 한다. 변위는 시험편의 인장측 표면에 변형 게이지를 붙임으로써 측정 가능하나 단순하게는 cross head의 강하량으로 굽힘을 나타내기도 하지만 정확하지는 못하다.

• 탄성상태에서의 최대 인장(압축)응력 σmax , 즉 굽힘응력 σmax =Mbmaxㆍe /Ｉ

여기서 e :중심축으로부터 표면까지의 거리, Ｉ: 관성모멘트, Mbmax:최대굽힘모멘트

• 3점 굽힘에서 Mbmax=PL/4 이므로 직경d인 환봉의 굽힘응력 : σmax = 8PL / πd3

높이 h, 폭 b인 각주 환봉의 굽힘응력 : σmax = 3PL / 2bh2

• 4점 굽힘에서 Mbmax=Pm/2 이므로 직경d인 환봉의 굽힘응력 : σmax = 16Pm / πd2

높이 h, 폭 b인 각주 환봉의 굽힘응력 : σmax = 3Pm / bh2

종탄성계수를 E로할때 굽힘δ와 하중P의 관계는 다음식으로 구해진다.

• 3점 굽힘의 경우

δ = PL3 /48ＩE 따라서 E = PL3 / 48Ｉ δ

• 환봉은 E = 4PL3 /3 πd4 δ

• 각주는 E = PL3 /4WH3 δ

굽힘 금형

굽힘 금형

굽힘 금형은 소재가 굽힘 변형을 받게 되면 중립면을 경계로 펀치측에는 압축응력이 다이측에는 인장응력이 발생하면서 제품이 성형이 되는 금형을 말한다. 판 두께 방향으로 응력의 방향이 반대가 되므로 두께 내부에는 반드시 응력이 제로가 되는 가상의 면이 존재하게 되는데 이를 중립면이라고 한다. 굽힘 금형은 가공 시 굽힘부의 내측은 압축되는데 변형은 재료의 표면에서 가장 크고 두께의 중심에 가까울수록 작아진다. 따라서 인장이나 압축 변형이 전혀 발생하지 않는 가상의 면을 중립면이다. 판 두께 방향으로 응력 변환이 생기면서 응력이 제로인 가상의 면이다. 길이 변화가 없는 중립면으로 굽힘 제품의 블랭크 전개 길이 설계 시 기준면으로 활용할 수 있다. 응력이 제로인 중립면 주위에는 탄성 영역이 미소하게 존재하여 스프링 백의 발생 원인이 된다. 굽힘 가공이 심하더라도 재료의 두께 내에서는 탄성과 소성변형이 공존한다.

중립면의 이동

• 굽힘 강도의 영향

굽혀지는 판 두께에 비해 굽힘 반지름이 클 때 중립면의 이동은 거의 없지만 더욱 가공하게 되면 중립면은 압축 변형을 받는 안쪽으로 점점 이동함.

• 판재 재료의 영향

황동이나 연강과 같이 연신율이 큰 재료는 다이와의 마찰 등에 의한 영향을 쉽게 받을 수가 있어서 경질 재료에 비해 중립면이 안쪽으로 이동하는 경향이 큼.

• 굽힘 각도의 영향

굽힘 각도가 작으면 플랜지부의 영향에 따라 굽힘 모서리의 변형이 완화되기 때문에 중립면의 이동이 적음.

• 가공방법의 영향

U 굽힘일 경우 펀치의 끝에서 좌우대칭으로 판재의 늘어남이 증가하는 경우 중립면은 압축 변형을 받는 안쪽으로 이동함.

참고자료

• 〈휨〉, 《위키백과》
• 〈굽힘〉, 《네이버 지식백과》
• 〈굽힘〉, 《위키피디아》
• 〈굽힘시험〉, 《한경대학교》
• 〈굽힘 금형〉, 《케이스 제작》, 2020-06-24

같이 보기

• 재료
• 가공

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