전단 (제조)

전단

전단(shear, 剪斷)은 물체의 단면에 반대 방향인 한 쌍의 힘을 평행하게 작용시켜 물체를 절단하는 일이다. 이 작용이 미치는 힘인 전단력에 의해 물체 내부에서는 전단응력이 생긴다. 이 작용은 막대나 판이 수평으로 힘을 받을 때나 축이 비틀릴 때 일어난다.

개요

전단은 재료 내부의 어떤 단면에 평행으로 서로 반대 방향인 한 쌍의 힘을 작용시키면 물체가 그 면을 따라 미끄러져서 절단되는 것을 전단 또는 층밀리기라고 한다. 이때 받는 작용을 전단 작용이라 하고 이와 같은 작용이 미치는 힘을 전단력이라고 한다. 전단력에 의해서 물체 내부의 단면에 생기는 내력(內力)을 전단응력(剪斷應力)이라고 하며 단위면적당의 힘으로 표시된다. 이 전단되는 면을 따라서 미소한 직사각형을 생각하면 전단력에 의해 이 직사각형은 평행사변형으로 변형되며 이것을 전단변형이라고 한다. 이때 직사각형으로부터의 기울기 전단을 전단 변형률이라 하고 전단 변형력과 전단변형과의 비(比)를 전단탄성계수(剪斷彈性係數)라고 한다. 또 물체가 전단응력에 의해 미끄러져서 절단되어 파괴되는 것을 전단파괴라고 한다. 전단 작용은 봉(棒), 판(板) 등이 수평하중을 받을 때 또는 축이 비틀릴 때 나타난다. 판에 구멍을 뚫거나 절단하는 전단가공은 이 전단 작용을 응용한 것이다.

전단 과정

탄성변형 단계

펀치가 하강함에 따라 소재는 펀치와 접촉하여 소재 내부에 저항이 발생한다. 펀치가 더욱 하강하면 소재의 표면에서는 인장응력, 다이 및 펀치의 접촉면에서는 압축응력이 발생한다.

소성변형 단계

다이 및 펀치의 접촉면에서 발생하는 압축응력은 가공이 진행됨에 따라 소재의 탄성한도를 넘어 소성변형을 일으킨다. 이때 소재는 펀치의 날끝에 의하여 굽혀지면서 눌리게 되는데 이를 눌린면(ROLL OVER)이라 한다.

전단 단계

소성변형이 진행된 소재에 가공을 좀 더 진행하면 전단 날끝의 압축응력이 전단강도를 넘어 감소된 면적의 재료가 전단된다. 소성변형을 거쳐 전단 단계로 가공이 진행될 때 펀치가 소재 속으로 들어가면 수직, 수평하중을 받게 되고 이때의 수평하중이 소재의 측벽을 매끄럽게 하는데 이를 버니싱(BURNISHING)이라 한다.

파단 단계

전단 단계에서 가공이 더 진행되면 소재의 전단강도 이상의 전단응력이 발생하여 소재는 상, 하 균열이 커지면서 파단된다. 소재는 완전 분리되어 펀치는 소재의 절단부를 통과해서 다이 속으로 유입되고 절단된 소재는 낙하된다.

전단가공

전단가공(SHEARING, 剪斷加工)은 목적에 알맞은 형상의 공구로 금속 소재에 전단 변형을 주어 최종적으로 파단을 일으켜 필요한 부분을 분리시키는 가공법으로 소재는 펀치와 다이 사이에서 소성변형과 전단 단계를 거쳐 파단된다. 전단가공은 금속 재료를 원하는 모양과 크기로 자르는 가공이다. 큰 판금(板金)을 자를 때는 전단기를 쓰며 판금을 꿰뚫거나 구멍을 뚫을 때는 프레스에 부착된 펀치, 다이(die) 따위의 공구를 쓴다. 소재의 표면과 직각인 전단면을 가진 것을 일반적으로 전단가공이라 하고 직각이 아닌 것을 비낌 전단가공(bevel shearing)이라 한다. 전단가공은 전단기나 금형 다이를 사용하여 재료에 파단 강도 이상의 압력을 가하여 잘라내는 가공이다.

종류

• 전단(Shearing): 전단기(Shearing machine)로 소재의 일부를 전단하는 작업이다. 이 중에서 스크랩이 거의 없게 규칙적인 배열로 전단하는 공정을 특히 컷오프(Cuto off)작업이라 한다.
• 블랭킹(Blanking): 소재로부터 정해진 형상을 절단해 내어 그것을 제품으로 사용하는 작업이다.
• 피어싱(Piercing): 제품으로 사용하고자 하는 소재로부터 구멍을 뚫어내는 작업을 펀칭(Punching)이라도 한다.
• 트리밍(Trimming): 성형된 제품의 불규칙한 가장자리 부위를 절단하는 작업이다.
• 노칭(Notching): 소재의 가장자리부터 원하는 형상을 절단하는 것으로 전단선 윤곽이 폐곡선을 이루지 않는다.
• 슬로팅(Slotting): 판재의 중앙부에서 가늘고 긴 홈을 절단하는 작업으로 피어싱과 유사하다.
• 슬리팅(Slitting): 판재의 일부에 가는 절입선을 가공하는 작업 또는 넓은 판재를 일정한 간격의 좁은 코일 또는 스트립으로 가공하는 작업이다.
• 세퍼레이팅(Separating): 성형된 제품을 2개 이상으로 분리하는 작업이다.
• 퍼포레이팅(perforating): 판재상에 많은 구멍을 규칙적인 배열로 피어싱하는 작업이다.
• 셰이빙(Shaving): 앞 공정에서 전단된 블랭크재의 전단면을 평평하게 가공하기 위해 다시 한번 전단하는 작업이다.
• 정밀 블랭킹(Fine blanking): 블랭킹 홀더에 V형 모양의 링(ring)을 만들고 블랭크(blank) 외주를 강하게 눌러 펀치 방향의 재료 유동을 억제함으로써 제품의 치수가 정밀하고 전단면이 깨끗하며 각이 정확한 전단면을 한 공정에서 얻기 위하여 사용되는 금형이다.

단면 형상

단면 형상

전단가공은 소재의 표면에 압력을 가해 전단응력을 발생시켜 파단 현상을 일으키게 하여 소재와 분리하는 가공인데 전단 과정을 거쳐 전단된 블랭크의 형상은 처짐, 전단면, 파단면, 버로 구성된다.

처짐(SHEAR DROP)

펀치가 소재에 닿아 압력을 가하면 소재는 압축응력을 받아서 변형되어 항복되는데 이와 같이 소재가 소성변형하면서 소재의 표면에 눌린 자국으로 인하여 처짐이 발생한다. 처짐량은 클리어런스를 작게 하여 그 양을 감소시킬 수 있으나 일반적으로 판 두께의 10~20% 정도를 차지한다.

전단면(SHEARING SURFACE)

펀치가 소재에 침입하면 펀치의 가압력과 측방력의 작용으로 소재는 압축응력과 인장응력에 의해 쐐기 작용을 받게 된다. 이로 인해 크랙이 일어나기까지 펀치에 의하여 전단된 면은 광택이 생기게 되고 전단면은 표면에 대해 90º로 형성되며 판 두께의 25~50% 정도를 차지한다.

파단면(FRACTING SURFACE)

펀치가 하강하면 점점 저항력이 증가하여 최고 하중점에 도달하면 날 끝부분의 집중력 때문에 소재 내부의 날 끝부분에서 균열이 발생한다. 균열이 발생한 면은 인장 파단으로 인하여 표면이 거칠어지는데 전단면이 증가하면 파단면이 감소하고 전단면이 감소하면 파단면이 증가된다.

버(BURR)

처짐과 인장 파단의 최후 부분으로 버가 발생한다. 버는 제품의 정도를 향상시키려면 발생되지 말아야 하나 전단 형상에서 버를 없애는 것은 불가능하고 일반적으로 판 두께의 10% 이내로 규제하는 것이 적절하다. 날끝의 무딘 정도와 소재의 연성에 비례하여 버의 높이가 높아지고 이 값에 의해 금형 수정 시기의 판단 척도가 될 수 있다. 프로그레시브 금형의 경우에는 피어싱된 구멍과 블랭킹된 외곽선에 발생하는 버의 방향은 서로 반대이고 콤파운드 금형의 경우에는 피어싱된 구멍과 블랭킹된 외곽선에 발생하는 버의 방향이 같다.

전단면 형성의 영향을 미치는 인자

• 소재의 재질 : 소재가 경질이면 처짐과 전단면이 차지하는 비중이 작아지고 파단면은 커진다. 반면에 연질이면 광택이 있는 전단면이 차지하는 비중뿐만 아니라 처짐과 버도 커진다.
• 클리어런스 : 클리어런스가 커지면 파단면의 각도와 처짐은 약간 커지지만 버는 그다지 커지지 않는다. 더욱 클리어런스가 커져 임계점을 넘어가면 버와 처짐이 갑자기 커져서 제품에 휨이 발생한다.
• 소재의 지지방법 : 블랭크 홀더를 설치하여 소재를 고정 지지하면 동일한 클리어런스일 때 자유 지지에 비해 전단면은 커지고 처짐도 약간 커진다. 녹아웃을 설치하면 전단면은 커지고 처짐은 작아져서 전단면의 형상이 상대적으로 양호하다.

클리어런스

클리어런스

프레스 금형에서의 클리어런스는 펀치와 다이의 한쪽 틈새의 양을 의미하며 전단가공(SHEARING)에서 좋은 전단면을 얻기 위해서는 클리어런스의 선택이 무엇보다 중요하다. 클리어런스가 클수록 전단력은 감소하나 굽힘량이 많아져서 2중의 전단면이 발생할 수 있고 또한 클리어런스는 제품의 단면 형상, 전단력, 치수 정밀도와 밀접한 관계가 있다. 전단된 제품의 단면은 처짐, 전단면, 파단면, 버로 구성되어 있는데 경질 소재는 처짐과 전단면이 차지하는 비중이 적어서 단면의 대부분을 파단면이 차지한다. 같은 소재에서는 클리어런스의 양에 따라서 단면 형상이 상이하다. 클리어런스가 너무 작으면 상하의 균열이 잘 맞지 않아 단면 상태가 나빠지고 반대로 너무 크면 굽힘 모멘트가 켜져서 제품의 정밀도가 나빠지며 파단면이 증가한다. 전단가공에서는 클리어런스가 커지면 전단 저항이 작아지는데 이는 펀치와 다이 사이의 클리어런스가 커지는 만큼 측방력도 같이 커지기 때문에 균열이 발생하는 쐐기 효과를 유발하여 전단 저항이 작아진다. 전단 저항은 클러어런스 이외에도 사용하는 공구 형상, 작업조건 등에 따라서 변할 수 있다.

전단가공 시 적정한 클리어런스 설정은 매우 중요하며 소재의 연성에 따라 다르고 두께에 따라 비례하는데 다음은 소재에 따른 클리어런스의 적정치를 소개한 것이다.

소재	클리어런스(%)	소재	클리어런스(%)
연강	6 ~ 9	구리합금	6 ~ 10
경강	8 ~ 12	알루미늄(연질)	5 ~ 8
스테인레스강	6 ~ 10	알루미늄합금	6 ~ 10

• 클리어런스는 소재의 두께에 대한 %임.

참고자료

• 〈전단〉, 《네이버 지식백과》
• 〈전단(剪斷)〉, 《네이버 지식백과》
• 〈전단 가공〉, 《국어 사전》
• 〈전단가공 특징〉, 《케이스 제작》
• 대구캠퍼스, 〈프레스 가공의 분류-전단가공〉, 《네이버 블로그》, 2019-07-09
• COOK’s, 〈프레스 가공방법의 종류 및 특징 (전단 가공 편)〉, 《티스토리》, 2019-07-09

같이 보기

• 힘
• 가공
• 금속
• 프레스
• 재료
• 금형
• 블랭킹
• 피어싱
• 트리밍
• 노칭
• 슬로팅
• 슬리팅
• 세퍼레이팅
• 셰이빙

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