전단 가공 후의 눌림면 형상을 정확하게 측정하는 방법

눌림면이란?

눌림면은 전단 가공된 제품의 표면에 발생하는 현상으로, 펀치와 다이에 의해 가공재가 절단될 때 절단면에 발생하는 인장력으로 가공재가 당겨져 표면이 매끄러워지는 현상입니다. 그 크기와 모양은 펀치와 다이의 여유 공간 (틈)에 따라 달라집니다. 또한 펀치와 다이의 여유 공간은 제품의 품질과 프레스 가공기의 수명에 크게 영향을 미칩니다.

전단 가공의 절단면

전단 가공의 절단면은 눌림면·전단면·파단면·버로 이루어진 4층 구조이며 절단면이 평판이라 할지라도 그 면이 매끄럽지는 않습니다.
우선 「눌림면」은 앞의 설명과 같이 가공재의 표면이 당겨져 생기는 매끄러운 면입니다.다음으로 「전단면」은 가공재의 내부에 박힌 펀치에 의해 생기는 광택이 있는 면입니다. 전단면에는 펀치의 흠집이나 용착 금속 에 의해 가공재가 마찰되어 생긴 미세한 세로 줄이 있습니다. 「파단면」은 전단면에 비해 거친 표면으로 가공재를 잡아 뜯은 것 같은 모양을 띠고 있습니다. 마지막으로 「버」(이바리)는 단단하고 예리한 형태로, 들쭉날쭉한 모양을 하고 있습니다.
이러한 절단면의 상태는 피가공재, 펀치 하강 속도, 펀치와 다이의 틈새 크기 등에 따라 변화합니다.

여유 공간이란?

「여유 공간」이란 펀치와 다이의 틈새를 말하는 것으로, 절단면의 상태는 이러한 여유 공간의 양에 따라 달라집니다. 또한 적절하게 설정된 여유 공간을 「적정 여유 공간」이라고 합니다.
여유 공간의 양은 전단의 품질(치수 정도, 눌림면·버 방지 등)이나 금형 수명을 좌우하기 때문에 매우 중요합니다. 여유 공간이 적절하면 펀치 측과 다이 측에서 발생한 균열이 중간에 일치하게 됩니다. 이렇게 균열이 일치되는 것을 「회합」이라고 합니다. 이상적인 전단 가공은 눌림면이나 버가 발생하지 않는 「전면 전단」지만, 여유 공간을 적절하게 설정하더라도 전면전단을 이루어 내기는 어렵습니다.
다음에서는 여유 공간 설정과 절단면 사이의 관계에 대하여 소개합니다.

적정 여유 공간

여유 공간이 적절한 경우에는 전단면이 판 두께의 1/2~1/3의 비율로 전체에 균일하게 나타납니다. 여유 공간이 일정하지 않은 경우에는 전단면의 비율이 부분적으로 다르게 나타납니다.

여유 공간 과대

여유 공간이 너무 크면 눌림면과 버가 커지고 제품의 정도가 불안정해집니다. 동시에 펀칭 압력에 의한 휨(펀칭 휨)도 커집니다.

여유 공간 과소

여유 공간이 너무 작으면 펀치와 다이의 날끝에서 발생하는 균열이 일치(회합)하지 않고 「2차 전단면」에 의해 수염 형상의 버가 발생합니다. 또한 펀치나 다이에 가해지는 부하도 커져 「카지리」라고 불리는 금형 파손의 원인이 됩니다.

덧붙여 적정 여유 공간 값은 가공 소재나 판 두께에 따라 다르고, 일반적인 값은 다음공식을 사용하여 구할 수 있습니다.

편측 여유 공간=%X 가공재 판 두께

※「%」는 판 두께에 대한 여유 공간의 비율. 재질이나 펀치의 정도에 따라 다르기 때문에 실제 시험값에서 구합니다.

전단 프로세스

전단 가공에 의한 절단 공정은 다음과 같습니다.

① 펀치를 가공재의 윗면에 대고 누른다

• 판을 구부린 듯한 상태가 되어 가공재에 「눌림면」이 발생합니다.

② 굽힘에 견딜 수 없게 되면 펀치가 재료의 내부에 박힌다

• 펀치와 다이에 의해 전단력이 발생하여 균열이 생깁니다.
• 가공재가 인장력을 버틸 수 없게 되면 가공재에 균열이 생깁니다.

③ 펀치와 다이의 모서리에 의해 가공재에 인장력이 작용한다

• 펀치와 다이의 절삭날로부터의 균열이 퍼져나가 관통(회합)함으로써 버가 생깁니다.

이와 같이 전단이란 가공재에 전단력이 작용하고 있는 상태에서 전단면이 만들어지는 과정을 말합니다.

기존의 눌림면 측정 과제

지금까지 프레스의 눌림면은 투영기나 윤곽 형상 측정기를 이용하여 측정하는 경우가 많았습니다. 그러나 판재의 넓은 범위 안에서 눌림면의 정확한 지점을 측정하는 데에는 다음과 같은 과제가 있었습니다.

투영기를 이용한 눌림면 측정 과제

투영기는 광학 측정기의 일종으로 측정 원리는 광학 현미경과 유사합니다. 물체를 받침대에 올려 놓고 아래에서 빛을 비추면 물체의 윤곽이 화면에 투영됩니다. 대형 투영기의 경우 스크린의 직경이 1 m가 넘는 것도 있습니다. 펀칭 가공한 넓은 평면의 눌림면을 측정하는 경우에는 레벨링 작업을 진행합니다.

이 측정 방법에는 다음과 같은 과제가 있습니다.

• 투영기는 절단면에 수직인 방향에서 관측해야만 단면 형상을 얻을 수 있으므로 대상 물체를 눌림면 부분이 보이도록 놓고 정확하게 레벨링한 상태로 측정해야 합니다. 이 때 대상 물체를 놓는 방법이 일정하지 않다는 문제가 있었습니다.
• 대상 물체의 형상이 복잡하면 빛에 의해 그림자가 지는 부분이 생겨 수직 방향에서 관찰할 수 없는 경우가 있습니다. 또한 치수 및 도면과의 차이점 수치를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 윤곽 형상의 경우 트레이스지에 전사하여 측정하기 때문에 데이터의 보존이나 비교가 어렵습니다.

이와 같이 현장의 모든 사람이 정확하게 측정할 수 있는 것은 아니고 측정할 수 없는 부분도 있으며 나아가 대상 물체에 따라서는 절단이 필요하게 되는 등 큰 과제가 있습니다.

윤곽 형상 측정기를 이용한 눌림면 측정 과제

윤곽 형상 측정기는 스타일러스라고 하는 프로브를 이용하여 대상 물체의 표면을 덧그림으로써 그 윤곽 형상을 측정, 기록하는 장치입니다. 최근에는 촉침 대신 레이저를 이용하여 비접촉 방식으로 윤곽을 스캔함으로써 복잡한 형상의 측정에 대응할 수 있는 기종도 있습니다. 또한 기종에 따라서는 상하 양면의 측정이 가능한 것도 있습니다.
윤곽 형상 측정기를 이용하여 펀칭 가공한 넓은 평면의 눌림면을 측정하는 경우 레벨링 작업을 합니다.

이 측정 방법에는 다음과 같은 과제가 있습니다.

• 대상 물체를 지그에 고정하거나 레벨링 등의 작업을 진행하는 데에 시간이 걸립니다. 또한 정확한 레벨링을 위해서는 윤곽 형상 측정기에 관한 지식이나 스킬이 필수적으로 요구됩니다.
• 윤곽 형상 측정기의 프로브는 프로브 암의 지점을 중심으로 상하 원호 운동을 하며, 프로브 선단 위치는 X 방향으로도 이동하기 때문에 X축 데이터에도 오차가 발생합니다.
• 원하는 대로 프로브를 통과시키는 작업은 매우 어려우며 미묘한 바늘의 어긋남이 측정값 편차의 원인이 됩니다.

눌림면 측정의 과제 해결 방법

기존에 사용되고 있는 일반적인 측정기는 대상 물체의 고정에 시간이 걸리고 입체적인 대상 물체·측정 항목을 점이나 선으로 접촉하면서 측정한다는 과제가 있습니다. 이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다.
「VR 시리즈」를 사용하면 물체의 3D 형상을 비접촉 방식을 이용하여 면으로 정확하게 포착할 수 있습니다. 또한 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 따라서 측정 결과의 편차 없이 신속하게 정량 측정을 할 수 있습니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.

장점 1: 대상 물체를 고정하지 않아도 측정할 수 있다

대상 물체를 수평으로 고정하지 않고도 측정할 수 있습니다. 예를 들어 펀칭 가공에서 넓은 면의 눌림면을 측정하는 경우에도 대상 물체를 고정할 필요가 없습니다.
「VR시리즈」는 비접촉 방식을 이용하여 면으로 측정함으로써 눌림면의 상태를 정확하게 측정할 수 있습니다. 또한 사전에 측정 항목을 등록할 수 있는 해석 템플릿을 사용하여 대상 물체의 형상 해석을 짧은 시간 안에 할 수 있으므로 지금까지 시간이 걸리거나 불가능했던 정을 단시간에 할 수 있습니다.

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장점 2: 복잡한 설정 불필요 「자동 위치 조정 기능」

대상 물체를 수평으로 고정하는 작업 없이 자동 위치 조정 기능으로 대상 물체의 위치 조정이 가능합니다.
「VR 시리즈」는 3차원에서의 위치도 자동으로 정도 높게 맞출 수 있습니다. 기울기, 기준면, 높이의 어긋남 등 다양한 요소를 고려하여 미세 조정을 쉽게 할 수 있습니다. 또한 영상으로 확인하면서 측정 포인트를 지정할 수 있는 기능도 탑재. 확대 관찰 이미지를 보면서 기하 툴로 계측 항목을 지정할 수 있으므로 작업자의 숙련도에 따른 차이가 생기지 않습니다.

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장점 3: 「면」전체의 형상을 최고 속도 1초만에 측정

측정 알고리즘과 하드웨어를 전면적으로 재검토해 최고 속도 1초라는 측정 스피드를 실현했습니다. 순식간에 면 전체 정보를 스캔할 수 있으며, 원하는 포인트도 자유롭게 측정할 수 있습니다. 또한, 사람에 의한 측정값의 편차도 없습니다.
「VR 시리즈」는 최고 속도 1초라는 압도적인 스피드로 N수를 큰 폭으로 늘리고 업무 시간을 단축할 수 있습니다. 이는 측정 품질의 향상, 검사 인원의 생산 인원으로의 전환, 생산량 증가를 위한 서포트 등으로 이어집니다. 빠른 측정 속도를 이용하여 시제품의 평가나 출하 전 검사 등 다양한 측정 업무를 개선합니다.

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요약: 측정하기 어려웠던 눌림면의 형상 측정을 비약적으로 개선·효율화

「VR 시리즈」라면 고속 3D 스캔을 통해 대상 물체의 정확한 3D 형상을 비접촉으로 순식간에 측정할 수 있습니다. 눌림면·전단면·파단면·버의 경계 등 기존 측정기의 과제를 모두 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 등을 간단하게 분석할 수 있기 때문에 제품 개발이나 제조 경향 분석, 샘플링 검사 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.

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