정밀 블랭킹

정밀 블랭킹(fine blanking)은 3가지 힘을 이용하여 원소재의 유동성을 억제하고, 전단면의 매끄러운 단면과 정밀한 치수가 가능한 프레스 공법이다. 파인 블랭킹이라고도 한다.

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개요

정밀 블랭킹은 정수압 상태에서 고압의 원리를 이용하여 더욱 정밀하게 블랭킹하는 프레스 가공 기술이다. 이 원리는 금속에 압력을 가하면 소성 변형의 힘이 강해진다는 정수압 효과를 바탕으로 한다. 일반적인 프레스 가공에서는 다이(형) 위에 가공물을 놓고 펀치로 가압하여 가공하는데, 이때 다이와 펀치 사이에 적절한 틈새가 필요하다. 이와 달리 정밀 블랭킹은 여유 공간을 최대한 없애고 상하 양쪽에서 가압하여 가공한다. 대표적으로 세 가지 장점이 있다. 제품의 절단면이 깨끗하고, 복합 성형이 가능해 경제성이 있고, 일반 블랭킹에 비해 결과물의 정밀도와 평탄도, 직각도도 높아 품질 면에서 뛰어나다.

원리

정밀 블랭킹이 생산성과 품질에 있어 일반 블랭킹보다 우수한 이유는 공정 원리의 차이에 있다. 일반 블랭킹 프레스 작업은 위에서 아래로 내려오는 펀치 힘만으로 블랭크를 만드는 것과 달리, 정밀 블랭킹은 판재를 잡아 주는 클램핑 힘과 위에서 내려오는 펀치 힘, 아래서 위로 밀어주는 이젝터 힘, 이 세 가지 압력으로 블랭크를 만든다. 판재를 단단히 고정하는 역할을 하는 클램핑 힘은 전단이 시작하기 전에 재료에 V자 모양의 홈을 만들어 가공 중 재료가 움직이는 것을 막는다. 브이 링(V-ring)이라고 불리는 이 힘은 블랭킹의 정밀도를 높이는 공정 핵심 포인트다. 브이 링은 압출력을 효과적으로 높이기 위해 브이 링 돌기가 피가공재 내에 충분히 파고들어 가도록 한다. 따라서 전단 작용이 일어날 때는 재료가 옆으로 이동할 가능성이 전혀 없다고 볼 수 있다. 이러한 점 때문에 정밀 블랭킹의 절단면 직각도는 일반 블랭킹에 비해 훨씬 양호하다. 이젝터는 전단되는 제품 밑면을 아래에서 밀어붙여 절단면을 깨끗하게 하는 데 도움을 주며, 재료의 변형을 방지하는 역할을 한다. 힘이 아래 위에서 균형 있게 작용함에 따라 한 방향으로만 압력이 작용했을 때 생길 수 있는 재료의 휨 현상을 방지해 평탄도를 높이는 것이다.

장점

첫째, 제품의 절단면이 깨끗하다. 일반적인 블랭킹과 정밀 블랭킹의 전단면의 차이는 눈으로 언뜻 보아도 확연히 다른 수준이다. 정밀 블랭킹의 전단 표면 거칠기는 Ra 0.4~16㎛로 일반 블랭킹 작업으로 얻어진 전단 표면 거칠기나 절삭 가공의 표면 거칠기보다 더 곱다. 거칠기의 이러한 차이는 재료를 어떻게 얼마나 자르는지에 달려있다. 일반적인 블랭킹은 재료 두께의 1/3만이 직접적으로 절단되는 전단면 이고 나머지 2/3은 취성에 의한 파단면이다. 파단면이라 불리는 부분은 잘린다기 보다 재료에 가하는 압력에 의해 끊긴다고 표현되는 것이 더 맞다. 반면 정밀 블랭킹은 절단면의 전 구간이 전단면이다. 전단면과 파단면의 차이는 수박을 반으로 자르는 것을 상상해보면 이해가 쉽다. 한 통의 수박을 반으로 나누기 위해 1/3 정도를 칼로 가르고 나머지는 손으로 쪼개면 나머지 2/3은 깔끔하게 잘리지 않게 마련이다. 하지만 처음부터 끝까지 칼을 넣어 썰면 잘린 면이 울퉁불퉁하지 않고 매끄럽다. 이렇게 매끄럽게 잘린 결과물은 더 이상의 기계 가공을 필요로 하지 않는다. 따라서 일반 블랭킹을 사용했을 때 후속 공정이 많아 경제성이 떨어지는 제품에 적용되기에 좋다. 두께 0.5~15mm 정도의 비교적 두꺼운 강판을 사용하면서도 제품 표면 품질이 높아야 하는 경우가 이에 해당한다.

둘째, 복합성형이 가능해 제작 비용을 줄일 수 있다. 정밀 블랭킹은 평판 제품의 블랭킹 뿐만 아니라 재료를 굽히는 벤딩, 표면에 무늬나 형상을 압인하는 코이닝, 재료를 눌러 반대쪽으로 돌출시키는 압출 성형 가공 등이 단 한 번의 공정으로 가능하다. 이러한 작업공정의 축소는 상당한 비용 절감 효과를 가져다준다. 정밀 블랭킹은 일반 블랭킹에 비해 결과물의 정밀도와 평탄도, 직각 도도 높아 품질 면에서도 뛰어나다. 정밀 블랭킹이 이렇게 생산성과 품질에 있어 일반적인 블랭킹보다 월등한 이유는 공정 원리의 차이에 있다. 정밀 블랭킹의 전단 속도는 보통 5~15mm/sec으로 일반적인 블랭킹의 속도 50~100mm/sec 보다 낮다. 1분에 약 30~35개 분량을 만들 수 있는 속도다. 두께가 크고 인장 강도가 높은 재질일수록 그 속도는 더 낮아진다. 재료 사용에도 제한이 있다. 일반 블랭킹은 재료 제한이 거의 없지만 정밀 블랭킹에서는 충분한 연성이나 가단성이 있는 소재가 요구된다. 재료를 선택할 때 단기적인 소요 비용을 생각하기보다 기계의 수명도 고려해 적정 재료를 찾는 것이 좋다. 하지만 고탄소강, 합금강, 고장력판재 등도 성형이 가능하다. 좋은 전단면을 얻기 위해 철판 생산 업체에서 일반 철판 소재를 냉간 압연한 후에 금속 조직을 균일하게 하기 위해 구상화 처리 공정을 거친 재료가 필요하다. 후처리 공정이 필요한 철판 소재인 만큼 일반적인 강판보다는 재료 금액이 5~10% 정도 높다.

특징

정밀 블랭킹의 기계 자체는 비싼 편으로, 기술 구현을 위한 주변 설비들을 포함해 10억 정도가 든다. 주변 설비는 스틸 코일을 풀어 주는 언코일러(Uncoiler)와 재료의 벤딩 상태를 평탄하게 교정해주는 레벨러(Leveler), 소재를 일정하게 공급해 주는 롤러 피더(Roller Feeder)가 있다. 또한 파인 블랭킹 프레스의 유지 보수비용은 일반 블랭킹 프레스기보다 약 10% 높다. 부품 가공 정도 유지를 위해 정밀 금형을 조립, 분해하는 관리가 필요하기 때문이다.

정밀 블랭킹 금형의 수명은 50~100만타로 블랭크 깊이 조정의 정밀도, 블랭킹 속도, 프레스의 강성, 브이 링에 가해지는 힘과 반력, 재료의 이송, 금형의 안전 장치 등의 상태에 따라 좌우된다. 따라서 금형 설계, 절삭 요소의 재료 선정, 열처리의 품질과 경도, 절삭요소의 위치 정밀도 등 금형 셋업 상태를 적절히 조정해가며 작업해야 사용 기간을 늘릴 수 있다. 또한 파인블랭킹은 단순한 전단작업이 아니고 일종의 드로잉 작업이 포함되므로 점도가 높은 윤활유가 필요하다. 윤활유를 사용하지 않으면 냉간 용착이 발생하고 양호한 전단면을 얻을 수 없을 뿐만 아니라 정밀도도 떨어지게 된다. 펀치와 다이가 심한 마모로 제품 품질이 떨어지고 금형 수명이 줄 수 있다. 따라서 가공 재료의 종류와 두께에 따라 적절한 윤활유를 선택해 사용해야 한다.

정밀 블랭킹 전단 속도는 보통 5~15mm/sec으로 일반적인 블랭킹의 속도 50~100mm/sec보다 낮다. 1분에 약 30~35개 분량을 만들 수있는 빠르기다. 두께가 크고 인장 강도가 높은 재질일수록 그 속도는 더 낮아진다. 재료 사용에도 제한이 있다. 일반 블랭킹은 재료 제한이 거의 없지만 파인 블랭킹에서는 충분한 연성이나 가단성이 있는 소재가 요구된다. 재료를 선택할 때 단기적인 소요 비용을 생각하기보다 기계의 수명도 고려해 적정 재료를 찾는 것이 좋다. 하지만 고탄소강, 합금강, 고장력판재 등도 성형 가능하다. 좋은 전단면을 얻기 위해 철판 생산 업체에서 일반 철판 소재를 냉간 압연한 후에 금속 조직을 균일하게 하기 위해 구상화 처리 공정을 거친 재료가 필요하다. 후처리 공정이 필요한 철판 소재인만큼 일반적인 강판보다는 재료 금액이 5~10% 정도 높다.

활용 사례

자동차 부품 제작 전문 업체 ㈜오스템은 1990년대 후반부터 지금까지 정밀 블랭킹 기술을 이용하고 있다. 시트 사업의 경쟁력을 확보하기 위해 핵심 부품 리클라이너를 국산화하면서 정밀 블랭킹을 사용하게 된 것이다. 현재는 정밀 블랭킹 기술 서비스를 제공하는 자동차 부품 제작 전문 업체 ㈜아스픽을 통해 매년 약 50만 개의 완성 부품을 만들고 있다. 리클라이너는 의자를 앞뒤로 조정하는 시트 트랙과 등받이를 연결하는 부품으로 시트의 등받이 각도를 조절하는 기능을 하는데 자동차 충돌 시 승객의 안전을 보장하기 위한 제품이므로 강도와 정밀도와 함께 매끄러운 표면이 요구되는 부품이다. 오스템은 정밀 블랭킹 기술의 가장 큰 이점으로 생산비 절감을 꼽는다. 한 번의 공정으로 부품 제작을 마칠 수 있으며 공정 후 부수 작업을 하지 않아도 깨끗한 전단을 가진 부품을 얻을 수 있는 데서 오는 효과다. 또한 일반 블랭킹이 할 수 없는 작업이 가능하다는 장점도 제시해 주었는데 일반 블랭킹의 경우 재료 두께와 동일한 직경의 구멍까지만 작업이 가능한 반면 정밀 블랭킹의 경우 재료 두께보다 작은 구멍의 작업이 가능하다는 것이다. 정밀 블랭킹 기술을 이용함으로써 비교적 낮은 비용으로 이 부품을 제작해 더 큰 이윤을 창출하고 있다고 한다.

참고자료

• 〈파인 블랭킹〉, 《키엔스코리아》
• 박슬기, 〈꼼꼼한 파인 블랭킹〉, MFG Inc, 2012-03-06

같이 보기

• 블랭킹
• 프레스

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