부스바 펀칭의 프레스 능력 선정

펀칭력은 부스바 가공에서 원리부터 시작해 30초 만에 정확히 계산할 수 있는 몇 안 되는 항목입니다. 동시에 이전 기계가 갖고 있던 값을 그대로 옮겨 적어 지정하는 일이 가장 잦은 항목이기도 합니다. 이 두 사실은 나란히 놓기 불편합니다. 계산이 어렵지 않은 데다, 틀렸을 때의 대가가 양쪽 방향으로 발생하기 때문입니다. 능력이 모자란 프레스는 정작 중요한 그 한 작업에서 멈추고, 능력이 과한 프레스는 쓰지 않아도 될 자본입니다.

수식

펀칭은 부스바에서 원기둥 모양의 소재를 전단해 냅니다. 전단되는 면적은 홀의 둘레에 두께를 곱한 값이고, 힘은 그 면적에 소재의 전단강도를 곱한 값입니다.

F = 둘레 × t × τ

원형 홀이면 둘레가 π × d이므로, 사람들이 대개 외우고 있는 형태가 나옵니다.

F = π × d × t × τ

d와 t는 밀리미터, τ는 N/mm² 단위이고 힘은 뉴턴으로 나옵니다. kN으로 바꾸려면 1000으로, 톤으로 바꾸려면 9807로 나누십시오.

이형 홀(슬롯, 사각, 장공, 부스덕트 루버)에서 둘레는 공칭 치수가 아니라 전개된 절단 길이입니다. 모서리 R이 5 mm인 20 × 40 mm 사각 슬롯의 둘레는 대략 2 × (20 + 40) − 8 × 5 + 2π × 5이고, 이는 모서리를 무시했을 때 나오는 120 mm가 아니라 약 111 mm입니다. 홀 하나에서는 이 차이가 잡음입니다. 여덟 개를 한 번에 뚫는 갱에서는 그렇지 않습니다.

쓸 만한 전단강도 값

답을 결정하는 변수가 전단강도이고, 사람들이 짐작으로 넣는 변수도 그것입니다. 아래 수치는 실제로 부스바로 나타나는 합금과 질별에 대해 금형 공급사가 공표한 자료에서 가져왔습니다. 인증된 최솟값이 아니라 선정용 통상값이며, 도표보다는 언제나 재료 시험성적서가 우선합니다.

비공식적으로 도는 숫자에 대해 두 가지를 바로잡아야 합니다. 첫째, 구리가 200-230 N/mm²로 인용되는 경우가 많은데 이는 높습니다. 그 값들은 인장강도인데 전단강도인 것처럼 쓰인 것입니다. EN 13601에서 Cu-ETP 부스바의 인장강도는 R220 연질이 220-260 N/mm², R240 반경질이 240-300, R290 경질이 300-360으로 규정되어 있습니다. 위의 실측 전단값은 대응하는 인장값의 대략 0.65-0.70배이며, 흔한 경험칙이 말하는 0.8이 아닙니다. 인장값 외에 더 나은 자료가 없다면 0.8 × 인장은 보수적인 대안이며, 구리를 15-20% 과대평가하게 됩니다.

둘째, “알루미늄은 80 N/mm² 정도”라는 말은 연질 1xxx 도체 등급에 대해서만 참입니다. 기계적 강도와 크리프 저항이 중요한 곳에서 압출 부스바의 표준 합금인 6101-T6은 그 대략 두 배입니다. 80 N/mm²로 선정한 프레스에 6101-T6 부스바를 흘리면 힘이 모자라고, 그 파손 양상은 깔끔한 정지가 아니라 절반만 뚫린 홀에 펀치가 박혀 있는 상태입니다.

계산 예제

흔한 경우를 보겠습니다. 10 mm 반경질 구리에 직경 13 mm의 M12 통과 홀입니다.

F = π × 13 × 10 × 179
  = 40.84 × 10 × 179
  = 73 100 N
  ≈ 73 kN  (7.5 tonnes)

이제 같은 두께의 부스바를 6101-T6 알루미늄으로 바꾼 경우입니다. τ ≈ 150입니다.

F = π × 13 × 10 × 150 = 61 300 N ≈ 61 kN

그리고 중급 기계에 보통 요구되는 가장 큰 홀, 16 mm 경질 구리의 32 mm 홀입니다.

F = π × 32 × 16 × 193 = 310 400 N ≈ 310 kN  (31.7 tonnes)

마지막 값이 어느 기계를 살지 결정하는 숫자이며, 한 줄의 산수에서 나왔습니다. 어떤 홀과 재질 조합이든 같은 계산이 부스바 펀칭력 계산기에서 돌아갑니다.

스트리핑 힘, 그리고 그것을 합계에 넣어야 하는 이유

슬러그가 떨어져 나간 뒤 부스바는 펀치 측면 쪽으로 되돌아와 펀치를 죕니다. 펀치를 빼내는 데 실제로 힘이 들고, 그 힘은 스트리퍼가 냅니다. 그리고 기계가 그 반력을 받습니다.

공표된 경험칙은 스트리핑 힘을 펀칭력의 5-20%로 두고, MetalForming의 금형 설계 지침은 10-30%를 인용하면서 무른 소재와 빡빡한 클리어런스에서 더 크다고 적고 있습니다. 구리는 무르고 그 범위의 위쪽으로 가는 경향이 있습니다. 동 부스바를 선정하는 목적이라면 펀칭력의 15%가 방어할 수 있는 실무값이고, 클리어런스를 범위의 빡빡한 쪽으로 운전한다면 20%입니다.

310 kN 예제에서는 대략 45-60 kN이 더해집니다. 최대 펀칭력과 동시에 발생하지 않으므로 소요 능력에 단순히 더해지지는 않지만, 스트리퍼와 툴 홀더와 프레임에 하중을 걸며, 공칭상으로는 충분한 기계에서 채터가 나거나 홀 위치가 흔들리는 이유가 됩니다. 스트리핑 힘이 크게 나온다면 원인은 대개 프레스가 아니라 클리어런스이고, 그것은 펀치-다이 클리어런스에서 다뤘습니다.

평균이 아니라 최악 조건으로 선정하십시오

배전반 작업의 평균적인 홀은 6-10 mm 구리의 M10 또는 M12 통과 홀이고 40-75 kN이 필요합니다. 그 숫자로 기계를 선정하면 그 작업을 할 수 없다는 것이 보장됩니다.

최악 조건은 다음의 조합입니다.

• 도면 세트에서 가장 큰 홀. 슬롯과 컷아웃을 포함하며, 공칭 치수가 아니라 전개 둘레로 측정합니다
• 가공하게 될 가장 두꺼운 부스바. 가장 큰 홀이 뚫리는 부스바와 다른 경우가 많습니다
• 받아들일 가장 단단한 질별. 경인발 부스바는 전단강도가 반경질보다 약 8%, 소둔재보다 27% 높으며, 공급이 빠듯하면 구매 부서가 질별을 대체합니다
• 한 스트로크에 여러 홀을 뚫는다면 가장 큰 갱

기계가 이 조건들을 견뎌야 한다고 해서 그것들이 실제 부품 하나에 함께 나타나야 하는 것은 아닙니다. 가능하기만 하면 됩니다. “12 mm까지의 구리”라고 적힌 입찰 사양과 32 mm 홀이 있는 도면 세트가 함께 있다면, 그 부품이 아직 존재하든 아니든 12 mm 경질 구리의 32 mm 홀, 즉 233 kN을 전제해야 합니다.

질별 대체는 눈에 보이지 않기 때문에 특별히 주의할 값어치가 있습니다. 부스바는 똑같아 보입니다. 첫 증상은 대개 지난달까지 멀쩡하던 기계에서 버 높이와 홀 위치가 흔들리는 것입니다.

갱 펀칭과 다중 홀 펀칭

한 스트로크에 여러 홀을 뚫으면 힘이 홀 수만큼 정확히 배가됩니다. 10 mm 반경질 구리에 M12 홀 네 개를 한 스트로크로 뚫으면 4 × 73 = 292 kN이고, 스트리핑과 프레임 변형을 계산에 넣으면 300 kN 기계에는 들어가지 않습니다.

갱을 감당할 만하게 만드는 방법은 두 가지입니다. 펀치 길이를 어긋나게 해 동시가 아니라 차례로 물리게 하는 방법이 있습니다. 힘이 스트로크에 걸쳐 분산되는 대신 스트로크가 길어지고 측면 하중이 커집니다. 또는 높은 타수로 순차 펀칭하는 방법이 있고, CNC 부스바 기계가 바로 그것을 위해 만들어졌습니다. 분당 150-200타에서는 홀 네 개를 갱이 아니라 하나씩 뚫을 때의 시간 손실이 2초 미만이고, 소요 능력 문제는 완전히 사라집니다. 대부분의 배전반 작업에서 이 맞바꿈은 받아들일 값어치가 있습니다.

전단각을 연삭한 펀치면

평면 펀치면은 둘레 전체를 한 번에 절단하므로 최대 힘이 계산값과 같고 파단 순간의 하중 해제가 급격합니다. 펀치면에 전단각을 연삭해 넣으면 절단이 시차를 두고 일어나 최댓값이 내려갑니다.

그 이득은 소재 두께에 대한 전단 깊이의 비에 달려 있고, 두꺼운 부스바에서는 홍보물이 시사하는 것보다 작습니다. Roper Whitney의 공표 지침은 전단각이 펀칭력을 최대 50%까지 줄일 수 있다는 것이며, 14 gauge 이하에서 가장 효과적이라는 단서가 붙습니다. 여기서 다루는 두께에는 H. Weiss의 전단 계수 도표가 더 쓸모 있습니다. 1/4 in(6.35 mm) 소재에서 전단 깊이 1/16 in(1.6 mm)이면 계수 0.90, 3/32 in(2.4 mm)이면 0.85, 3/16 in(4.8 mm)이면 0.65입니다.

부스바에 대한 실무적 해석은 이렇습니다. 적당한 전단 깊이는 6 mm 구리에서 10-15%를 얻고, 12 mm에서는 그에 비례해 덜 얻습니다. 같은 비를 유지하려면 전단 깊이가 두께와 함께 커져야 하기 때문입니다. 전단각이 구해 주리라는 전제로 기계를 선정하지 마십시오. 파단 충격에 대한 보험이자 슬러그 관리 수단으로 다루시고, 소요 능력은 평면 펀치 값으로 계산하십시오.

아주 작은 홀이 아닌 한 단일 각도 전단이 아니라 지붕형 전단을 쓰십시오. 단일 각도는 균형이 맞지 않는 측면 힘을 만들어 펀치를 휘게 하고 가이드에 하중을 겁니다.

여유 규칙

최악 조건의 펀칭력을 구한 뒤, 수식이 모형화하지 않는 항목에 대해 여유를 적용하십시오.

• 금형 상태: 마모된 펀치는 날이 선 펀치보다 눈에 띄게 큰 힘을 요구합니다. 절인 반경이 커지면서 절단 중 변형이 차지하는 몫이 늘기 때문입니다. 모형화되지 않은 항목 중 가장 큽니다.
• 질별과 두께 공차: 부스바가 두께 공차의 위쪽 끝과 강도 범위의 위쪽 끝에 걸쳐 도착하는 일이 무시할 수 없을 만큼 자주 있습니다.
• 프레임 변형과 유압 저감: 정격 힘은 램에서, 정격 압력에서, 정상 온도에서의 값입니다.
• 앞으로의 작업: 그 기계는 공장에 15년 동안 있을 것이고 작업 구성은 바뀝니다.

실무 규칙은 최악 조건의 계산값이 기계 정격 힘의 대략 60-70%를 넘지 않도록 선정하는 것입니다. 이는 규격이 아니라 축적된 관행이지만, 공표된 기계 한계가 실제로 놓인 자리와 일치합니다. 아래 800 kN 기계에서 공표된 가장 두꺼운 부스바에 공표된 가장 큰 홀을 뚫으면 경질 구리에서 대략 485 kN이 나오고, 이는 정격의 약 61%입니다. 우연이 아닙니다.

실제 기종 계열에 대응시키기

각 프레임 크기의 공표 능력에 최악 조건 계산을 돌리면 간단한 선정표가 나옵니다. 아래 수치는 모두 비관적인 경우인 경질 구리 193 N/mm²를 씁니다.

“공표 최댓값”으로 표시한 행은 제조사가 명시한 최대 두께에서의 최대 홀 직경입니다. “산출값”으로 표시한 두 행은 해당 기종이 최대 홀 직경을 공표하지 않으므로, 정격 힘의 대략 3분의 2에서 산수가 허용하는 가장 큰 홀입니다.

이 표는 가격표가 아니라 선정 지침으로 읽으십시오. 300 kN 급은 160 × 15 mm 부스바에 M12와 M16 홀 배치가 들어가는, 특이할 것 없는 배전반 작업을 감당합니다. 400 kN의 EMAC-BP-40은 12 mm 부스바를 쓰는 대부분의 배전반 작업을 분당 150타로 감당합니다. 600 kN으로 올라가면 힘만이 아니라 16 mm 가공 능력을 사는 것이고, 800 kN으로 올라가면 20 mm와 40 mm 홀을 사는 것입니다.

작업에 큰 컷아웃, 부스덕트 루버, 또는 전개 둘레가 100 mm를 넘는 형상이 포함된다면 원형 홀 산수가 무엇을 말하든 한 급 올리십시오. 가장 빠르게 커지는 항이 둘레입니다.

800 kN 급은 홀과 아무 상관 없는 이유로도 의미가 있습니다. 펀칭과 전단을 함께 하는 기계에서 전단 스테이션은 부스바 단면 전체를 잘라 내야 하고, 300 × 20 mm 구리에서 그것은 6000 mm²의 절단면입니다. 전단에 필요한 힘은 단순한 둘레 공식이 아니라 날 형상과 경사각이 지배하지만, 프레임은 그 힘을 받아야 합니다. 넓고 무거운 부스바에서는 펀치가 아니라 전단이 프레임 크기를 정하는 경우가 잦습니다.

수식이 알려 주지 않는 두 가지

힘과 능력은 같은 것이 아닙니다. 소요 능력은 충분한데 위치 정밀도가 부족한 프레스는 홀을 엉뚱한 자리에 뚫고, DIN 43673-1에 따른 볼트 접속 배치에서 그것은 폐기되는 부스바입니다. 홀 피치 정밀도, 반복 정밀도, 부스바 이송계의 강성은 별개의 사양이며 따로 살펴볼 값어치가 있습니다.

힘은 타수에 대해서도 아무 말을 하지 않는데, 기계가 값을 하는지를 결정하는 것은 타수입니다. 분당 150타의 400 kN 기계와 분당 200타의 800 kN 기계는 생산상 다른 제안이며, M10과 M12 통과 홀이 지배하는 작업, 즉 어느 기계도 힘 한계 근처에 가지 않는 작업에서는 타수가 유일하게 의미 있는 숫자입니다. 타수와 금형 수명, 그리고 홀의 실제 원가 사이의 관계는 금형 수명과 홀당 원가에서 다뤘고, 절단 자체의 역학은 펀칭 공정 개요에서 다룹니다.