판금 가공 등에서의 굽힘 R을 순식간에 정확하게 측정하는 방법

굽힘 R이란?

굽힘 R이란 금속 등의 판재나 관재(파이프)·봉재 등을 프레스나 롤 등을 이용한 소성 가공으로 굽힘 가공했을 때 굽힌 위치로부터 굽힘의 중심부까지의 R(반경) 입니다.
재료의 판 두께나 지름에 따라 소재를 나누지 않고 굽힘 가공을 할 수 있는 한계(최소 곡률 R)가 있어 부위나 용도에 따라 적절한 굽힘 R을 설정할 필요가 있습니다. 또한 가공 후 재료가 저항하는 응력에 따라 완성 된 굽힘 R값에 영향을 줄 수 있습니다.

판금 가공에서의 굽힘 가공

굽힘 R이 중요한 대표적인 공정 중 하나로 판금 가공을 들 수 있습니다. 판재의 굽힘 공정에서는 상부 금형의 펀치(상형)와 하부 금형의 다이(하형) 사이에 끼워 누르는 「프레스 브레이크」가 대표적인 공법입니다. 아래 그림의 V 굽힘 외에도 완만한 곡선을 가지는 「R 굽힘」이나 1회의 프레스로 판재의 두 지점을 동시에 굽힘 U자형으로 가공하는 「U 굽힘」 등 가공하는 형상이나 재료에 따라 다양한 금형이 사용됩니다.

판 두께가 두꺼운 경우 「R펀치 금형」이라고 불리는 상형, 통상의 V굽힘에서도 홈이 깊은 다이(하형)를 사용하는 경우가 있습니다. 또한 굽힘 R의 값이 큰 경우는 판재를 조금씩 이동시키면서 R을 붙이거나 혹은 「레디우스 룰러」라고 불리는 설정된 R로 굽히기 위한 펀치가 이용되기도 합니다.

판금 가공에서의 굽힘 가공의 응력과 주의점

굽힘 가공된 판재는 아래와 같은 응력이 생깁니다. 재료의 판 두께와 경도에 따라 굽힘 R값에 큰 영향을 줄 수 있습니다.

· 압축 응력

판 두께의 중립 축※에 대해 안쪽은 압축되어 재료 내부에 압축에 저항하는 힘이 생깁니다.

· 인장 응력

바깥 쪽은 늘어나기 때문에 인장 방향으로 힘을 받았을 때 재료 내부에서 발생하는 인장에 저항하는 힘이 생깁니다.

※판 두께 내부에서 이러한 힘이 가해지지 않는 면을 「중립 축」이라고 합니다.

프레스 가공 후에 금형에서 재료를 제거했을 때 재료 내부에 남은 압축 응력과 인장 응력으로 재료가 반발하여 가공부의 굽힘 각도가 열릴 수 있습니다. 이것을 「스프링 백」이라고 하고 재질이 단단하면 압축 응력이나 인장 응력이 커지는 경향이 있으므로 발생하기 쉽습니다. 원하는 각도보다 과도하게 각도를 구부리는 수법(오버 벤트)으로 대응이 필요합니다.
또한 판 두께가 두꺼워지면 중립 축이 안쪽으로 어긋나 버리는 등, 재질이나 판 두께에 따라 스프링 백량을 파악해 가공 조건을 설정하는 것이 중요합니다.

굽힘 R을 이용한 굽힘 전개 치수의 계산 방법

안정된 굽힘 가공의 시뮬레이션에 필요한 굽힘 전개 치수는 굽힘 R에서 중립 축까지의 거리를 구함으로써 추정할 수 있습니다. 직선 부분 A·B는 굽힘에 의한 변화가 없기 때문에 그대로의 수치를 사용합니다.

굽힘 부의 중립 축 이동율(λ: 람다)은 재료의 판 두께나 경도, 굽힘 각도, 내부 굽힘 R에 따라 다르지만 판 두께의 약 20~45% 정도의 위치가 된다고 합니다. 가공 현장에서는 실제 경험치를 채용합니다. 굽힘 전개 치수의 계산식은 다음과 같습니다.

L=A+B+(R+T×λ)×2п×θ/360

L=전개 치수
A·B=굽힘 응력이 없는 부분의 길이
R=굽힘 안쪽 R(반경)
T=판 두께
θ=굽힘 각도
λ=중립 축 이동율(%) ※경험치를 채용

균열 대책과 최소 곡률 R

굽힘 가공의 문제점으로 굽힘 부분의 크랙(균열)이나 갈라짐·찢어짐과 같은 결함이 발생하는 것을 들 수 있습니다. 이것은 재료의 압연 방향과 깊이 관련되어 있으며 가공하는 재료의 방향에 주의가 필요합니다. 일반적으로 재료의 압연 방향과 평행하게 굽힘 가공하면 크랙 등의 결함이 발생하기 쉬워집니다. 특히 SUS 재질이나 알루미늄 재질에서 발생하기 쉬운 현상입니다.

이러한 문제를 피하기 위해 최소 곡률 R을 지켜야 하지만, 그 값은 재질·판 두께·금형 등에 따라 수치가 변화하기 때문에 계산식에서 적정 값을 구하는 것은 어렵다고 합니다. 이 때문에 실제 가공 현장에서는 경험이나 실험에 근거해 최소 곡률 R을 설정하거나 균열이 발생하기 어렵도록 조치하여 설계·가공을 실시하는 것이 중요합니다. 예를 들어 다음과 같은 대책을 생각할 수 있습니다.

• 굽힘 선을 압연 방향과 직각으로 한다.
• 전연성이 높은 소재를 선택한다.
• 결정 입도가 미세한 재질을 선택(또는 열처리에 의해 미세하게)한다.
• 굽힘 선과 외형선을 일치시키지 않으면 굽힘과 관련된 재료가 잘 늘어나지 않아 균열을 방지한다.
• 금형으로 추출한 소재의 경우 파단면보다 전단면이 늘어나기 쉽고 깨지기 어려우므로 눌림면이 굽힘 외측이 되도록 한다.
• 판 두께의 8배 이상의 폭으로 굽힌다.

이와 같이 설계나 재료 등을 고려해 균열 등의 결함을 방지해도 굽힘 가공이 공차 내의 적절한 형상으로 완성되지 않으면 의미가 없습니다. 다음으로 굽힘 R의 측정 방법과 그 과제나 해결 방법에 대해 설명하겠습니다.

기존의 굽힘 R 측정 과제

굽힘 가공은 정밀도를 요구하면 요구할수록 재료나 설계, 프레스 금형을 고안해도 불량 발생을 완전히 방지하는 것은 어렵습니다. 균열이나 결함(크랙), 스프링 백에 의한 굽힘 R의 열림 등의 형상 불량은 수율의 저하나 제품의 품질 불량·파손과 같은 문제로 이어집니다.

그 때문에 금형의 재시도나 재료·가공 조건의 변경 시는 물론 실제로 가공한 제품을 가능한 한 많이 정확하게 형상 측정·검사하는 것이 매우 중요합니다. 굽힘 R의 측정에는 반경 측정기나 레디우스 게이지와 같은 핸드 툴 외에 3차원 측정기나 투영기 등이 이용됩니다. 그러나 기존의 측정기를 사용한 굽힘 R 측정은 다양한 과제가 있었습니다.

3차원 측정기에서의 굽힘 R 측정 과제

일반적으로 3차원 측정기로 굽힘 부분을 측정하기 위해서는 대상 물체의 측정면의 복수 부위에 프로브 선단의 접촉자를 맞추어야 합니다.
측정 범위가 넓을 경우 측정 포인트를 늘려 더 많은 부분의 측정값을 얻어 측정 정도를 향상시킬 수 있습니다.

그러나 이것에는 다음과 같은 과제가 있었습니다.

• 측정에 시간이 걸립니다. 특히 가능한 가장 높은 정밀도로 측정하기 위해서는 여러 점을 측정해야 하기 때문에 많은 수고와 시간이 걸립니다.
• 소형 워크의 복잡한 부분이나 형상, 굽힘 R의 크기에 따라 접촉자를 맞추기가 어려운 경우가 있었습니다.
• 측정에는 기술과 경험이 요구되며 제한된 사람만 측정할 수 있으므로 효율적으로 측정 작업을 진행할 수 없습니다.
• 측정 데이터의 집계나 값의 산출에도 전문 지식이나 기술 그리고 많은 공수가 필요합니다.

투영기에서의 굽힘 R 측정 과제

투영기는 광학 측정기의 일종이며 측정의 원리는 광학 현미경과 비슷합니다. 대상 물체를 받침대에 올려 놓고 아래에서 빛을 비추면 물체의 윤곽이 화면에 투영됩니다.
대형은 스크린이 직경 1m를 넘는 것도 있어 확대 출력한 도면과 잘 겹쳐 2차원 형상의 차이를 육안으로 확인하는 등 규모가 크고 숙련도가 요구됩니다.

투영기 측정에는 다음과 같은 과제가 있습니다.

• 대상 물체를 설정할 때는 레벨링을 할 필요가 있습니다. 샘플의 모양에 따라 측정하지 못할 수도 있습니다.
• 굽힘 가공한 대상 물체는 입체적인 형상이므로 대상 물체의 측면에서 2차원 형상을 투영해서는 굽힌 부위 전체면의 상태를 판단할 수 없습니다.
• 사람에 따라 측정 방법이 미묘하게 다르기 때문에 측정값에 편차가 생깁니다. 또한, 치수나 도면과의 차이점 수치를 취득할 수 없고 윤곽 형상은 트레이스지에 전사하는 등 데이터의 보존이나 비교가 어렵습니다.

이와 같이 현장의 모든 사람이 정확하게 측정할 수 있는 것은 아니며 측정할 수 없는 부분도 있습니다. 또한 대상 물체의 형상에 따라 샘플 절단이 필요하게 되는 등 많은 과제가 있었습니다.

굽힘 R 측정의 과제 해결 방법

기존에 사용되고 있는 일반적인 측정기에서는 입체적인 대상 물체·측정 부분에 점 접촉이나 2차원 윤곽 형상의 비교를 이용하고 있기 때문에 측정값의 신뢰성이 낮고 수치를 얻기 어렵다는 과제가 있습니다.

이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다.
대상 물체의 3D 형상을 비접촉으로 면에서 정확하게 포착할 수 있습니다.또한 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이 때문에 측정 결과의 편차 없이 순간적으로 정량 측정을 실시하는 것이 가능합니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.

장점 1: 최고 속도 1초. 「면」으로 대상 물체 전체의 3D 형상을 일괄 취득

「VR 시리즈」는 최고 속도 1초 만에 면 데이터(원 샷으로 80만점의 데이터)를 순식간에 취득할 수 있습니다. 굽힘 부분 전체의 최대·최소의 요철을 정확하게 측정, 평가할 수 있습니다.
또한 임의의 부분에 대한 프로파일 측정이 가능합니다. 측정 후에도 대상 물체를 다시 설정하지 않고 3D 스캔한 데이터에서 다른 부분의 프로파일 데이터를 취득할 수도 있습니다.

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장점 2: 간단하게 조작할 수 있으며 측정자에 따른 측정값의 편차 없음

대상 물체를 스테이지 위에 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작으로 3D 형상의 측정을 실현했습니다. 대상 물체의 특징 데이터로부터 자동으로 위치 보정을 할 수 있기 때문에 엄격한 레벨링이나 위치 결정은 불필요합니다. 또 대상 물체의 크기를 판단해 측정 범위를 자동 설정·스테이지 이동하는「Smart Measurement 기능」을 업계 처음으로 탑재해 측정 길이나 Z 범위 등을 설정하는 수고를 일절 배제했습니다.

또한 풍부한 보조 툴을 사용하여 원하는 측정 내용을 쉽게 설정할 수 있습니다.
간단한 설정은 물론 초보자도 조작하기 쉽기 때문에 측정에 익숙하지 않은 사람이라도 최고 속도 1초만에 정확한 측정이 가능합니다. 이로 인해 시제품이나 재시도뿐만이 아니라 제품의 측정·검사에서의 N수도 간단하게 늘릴 수 있습니다.

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요약: 정확한 측정이 어려운 굽힘 부분·굽힘 R의 형상 측정을 비약적으로 개선·효율화

「VR 시리즈」라면 고속 3D 스캔을 통해 비접촉으로 대상 물체의 정확한 3D 형상을 순식간에 측정할 수 있습니다. 굽힘 부분의 반경이나 면의 요철, 어려운 측정도 최고 속도 1초만에 완료. 기존 측정기의 모든 과제를 해결할 수 있습니다.

• 대상 물체를 절단하지 않고 단면을 측정할 수 있습니다.
• 사람에 의한 측정값의 편차를 해소하여 정량적으로 측정할 수 있습니다.
• 위치 결정 등의 작업 없이 스테이지에 대상 물체를 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작을 실현했습니다. 특정 작업자만 측정 업무를 할 수 있는 문제를 해소합니다.
• 간단·고속·고정도로 3D 형상을 측정할 수 있기 때문에 단시간에 많은 대상 물체를 측정할 수 있어 품질 향상에 도움이 됩니다.

그 외에도 과거의 3D 형상 데이터나 CAD 데이터와의 비교, 공차 범위 내에서의 분포 등도 간단하게 분석할 수 있기 때문에 제품 개발이나 제조의 경향 분석, 샘플링 검사 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.

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