동·알루미늄 부스바의 펀치-다이 클리어런스

클리어런스는 펀치의 절인과 다이의 절인 사이의 간극입니다. 숫자 하나이고, 틀리기 쉬우며, 부스바에서는 다른 어떤 금형 변수보다 자주 틀립니다. 공표된 지침의 대부분은 1-3 mm 판재 프레스를 대상으로 쓰였습니다. 부스바는 6-20 mm의 무르고 연성이 크며 가공 경화하는 구리입니다. 백분율은 그대로 옮겨 옵니다. 결과는 옮겨 오지 않습니다.

표기 관행이 두 가지 있고 둘은 두 배 차이가 납니다. 전체 클리어런스는 다이 개구와 펀치 치수의 차이입니다. 편측 클리어런스는 그 절반으로, 둘레 어느 한 지점에서의 반경 방향 간극입니다. “구리, 20%”라고 적힌 공급사 도표와 10%로 운전하는 공장이 똑같은 금형을 말하고 있을 수 있습니다. 어떤 수치를 무엇과 비교하기 전에 그 수치가 어느 관행을 쓰는지부터 확인하십시오. 이 글은 전체에 걸쳐 편측을 쓰며, 인용한 자료는 필요한 경우 환산했습니다.

절단면이 알려 주는 것

부스바에 뚫린 홀에는 네 개의 구간이 있습니다. 홀 내벽에서 보이고 슬러그에는 거울상으로 나타납니다. 이것을 읽는 것이 가진 진단 수단 중 가장 빠르고, 비용도 들지 않습니다.

**처짐(롤오버)**은 펀치가 들어가는 면에 있습니다. 소재가 절단되기 전에 항복해 홀 안으로 끌려 들어가면서 둥근 입술을 남깁니다. 처짐 깊이는 클리어런스, 금형의 무뎌짐, 소재의 무름과 함께 커지므로 그 자체로 결함은 아닙니다. 소둔 구리에서는 항상 눈에 보입니다.

**전단광택대(버니시)**는 처짐 아래의 밝은 띠로, 홀 벽이 펀치 측면에 문질러진 부분입니다. 매끄럽고 곧으며, 치수상으로는 그것이 곧 홀입니다. Dayton Lamina의 금형 지침은 최적 클리어런스를 소재 두께의 약 3분의 1에 해당하는 전단광택대와 그것과 일직선으로 이어지는 고른 파단면을 가진 슬러그가 나오는 상태로 기술하며, 이는 부스바에서도 합격 기준으로 쓸 수 있습니다.

파단면은 흐리고 거친 나머지 부분입니다. 균열이 펀치 절인에서 다이 절인으로 진행하기 때문에 비스듬히 나며, 그 각도를 클리어런스가 정합니다. 파단면이 곧고 균일하며 전단광택대와 끊김 없이 이어진다면 두 균열이 만난 것입니다. 목표는 그것이 전부입니다.

버는 펀치가 빠져나가는 면에 있습니다. 마지막으로 남은 소재가 전단되지 않고 늘어나 찢어지는 것입니다. 버 높이는 클리어런스, 절인 마모, 소재의 무름과 함께 커집니다.

나머지보다 중요한 파손 징후가 두 가지 있습니다. 2차 전단대, 즉 벽 중간쯤에 두 번째 광택 띠가 나타나고 둘 사이에 단이 지는 것은, 펀치 쪽 균열과 다이 쪽 균열이 같은 평면에서 만나지 못해 그 사이의 소재를 두 번 전단해야 했다는 뜻입니다. 클리어런스가 너무 작은 것입니다. 큰 처짐에 얇고 너덜너덜한 버, 그리고 아주 짧은 전단광택대는 클리어런스가 너무 큰 것입니다.

새 금형 세트마다 슬러그를 하나씩 보관하시고 재질, 두께, 클리어런스를 적어 두십시오. 의심스러운 슬러그를 양품 슬러그와 비교하는 데 15초가 걸리고, 금형을 재연삭해야 하는지 클리어런스가 잘못된 것인지에 대한 논쟁 대부분이 그것으로 정리됩니다.

편측 클리어런스, 두께에 대한 백분율로

실무에서 쓰는 식은 다음과 같습니다.

c = k × t          (편측 클리어런스, mm)
다이 개구 = 펀치 치수 + 2c

여기서 t는 소재 두께이고 k는 클리어런스 비율입니다. 동 부스바에서 k는 편측 5-12% 대에 놓입니다. 5% 아래로 내려가면 2차 전단과 열 손상 영역입니다. 두꺼운 부스바에서 대략 12%를 넘으면 처짐과 슬러그 관리가 지배하기 시작합니다. 편측 10% 안팎이 흔히 쓰는 실무값이며, 반경질 부스바에 대해 대부분의 금형 공급사가 도달하는 값입니다.

배전반 작업에서 나타나는 두께에 대해 이 범위를 계산하면 다음과 같습니다.

그래서 6 mm 구리는 편측 대략 0.3-0.7 mm를, 10 mm 구리는 범위의 위쪽 절반에서 편측 대략 0.8-1.2 mm를 필요로 합니다. 얇은 판재 작업에서 감각이 온 분에게는 이 다이 개구가 펀치 옆에 놓였을 때 놀랄 만큼 커 보입니다. 맞는 값입니다. 10 mm 구리에 쓰는 13 mm 펀치의 편측 10% 다이는 15 mm이고, 그렇게 뚫은 홀은 13 mm에 가깝게 측정됩니다. 내경을 정하는 것은 다이가 아니라 전단광택대이기 때문입니다.

공표된 표들이 서로 다른 데는 이유가 있습니다. Conic의 금형 지침은 서보 프레스와 유압 프레스에서 구리의 클리어런스 비율을 전체 기준 0.20-0.25로 제시하며, 이는 편측 10-12.5%입니다. 여기에 두께 3.2 mm를 넘으면 1.4를 곱하라는 비고가 붙습니다. 문자 그대로 적용하면 두꺼운 구리는 편측 14-17%까지 올라갑니다. UniPunch는 구리를 반경질에서 두께의 20%, 경질 질별에서 25%로 싣고 있으며 이 역시 전체 기준입니다. 얇은 판재 프레스를 다루는 Dayton의 설계 클리어런스 자료는 그보다 더 높습니다. 이 폭은 부주의가 아니라 실재하는 것입니다. 최적값은 금형 수명을 사는지, 최소 버를 사는지, 치수 반복성을 사는지에 따라 달라지고, 이 셋은 같은 클리어런스에서 최고점을 이루지 않습니다.

클리어런스가 너무 작을 때

펀치 쪽 균열과 다이 쪽 균열은 각자의 절인에서 시작해 서로를 향해 진행합니다. 클리어런스가 맞으면 둘이 같은 평면에 놓여 이어집니다. 클리어런스가 모자라면 서로를 지나쳐 달리고, 그 사이에 남은 소재는 두 번째 사건으로 찢어 내야 합니다. 그 결과가 2차 전단대, 거칠고 일정하지 않은 내벽, 그리고 펀치보다 작게 나오는 홀입니다.

부품 쪽 결과보다 금형 쪽 결과가 더 나쁩니다. 구리는 파단 순간이 지나면 펀치 측면 쪽으로 되돌아오므로, 클리어런스가 빡빡하면 홀이 펀치를 조이고 매 스트로크가 억지 끼워맞춤으로 끝나 후퇴 시에 힘으로 빼내야 합니다. 스트리핑 힘이 올라가고, 측면이 마모되며, 선단에 마찰열이 쌓입니다. Dayton의 현장 사례에는 바로 이 기구로 생긴 선단 뒤쪽의 변색이 나타나며, 펀치의 열처리가 손상되어 절인 자체가 마모되기 훨씬 전에 수명이 끝납니다. 심하면 선단이 피로 파괴되어 떨어져 나갑니다.

마모의 상당 부분은 절단 스트로크가 아니라 후퇴에서 일어납니다. Dayton은 그것을 펀치 전체 마모의 최대 3분의 2로 봅니다. 그리고 그것은 전적으로 홀이 측면을 얼마나 세게 죄는지의 함수입니다. 구리에서 클리어런스를 범위의 아래쪽으로 운전하는 데 반대하는 가장 강한 근거가 그것입니다. 구리는 무르기 때문에 프레스는 결코 불평하지 않습니다. 불평하는 것은 금형 비용 계정입니다.

클리어런스가 빡빡하면 최대 소요 능력도 올라갑니다. 두께 중 파단되는 몫보다 전단되는 몫이 커지기 때문입니다. 여유가 적은 기계에서는 작업 중 가장 두꺼운 부스바에서 램이 멈추는 경로가 될 수 있습니다.

클리어런스가 너무 클 때

소재가 절단되기 전에 다이 안으로 굽어 들어갑니다. 처짐이 커지고, 전단광택대가 짧아지며, 파단 구간이 벽의 대부분을 차지하고 버 높이가 올라갑니다. 홀은 크게 나오고 모서리는 더 이상 직각이 아닙니다. 그 홀이 볼트 접속면에 놓이는 경우에는 이것이 문제가 됩니다.

운전상의 문제는 슬러그 딸림입니다. 클리어런스가 커질수록 슬러그가 다이 안에서 헐겁게 물리고, 떨어지는 대신 후퇴할 때 펀치를 따라 올라옵니다. 부스바 위에 얹혔다가 다음 홀에 박히거나 스트리퍼에 끼입니다. 구리에서 그 기구는 유막 부착과, 휘어진 슬러그와 펀치면 사이에 생기는 진공입니다. 강재 작업에서 흔히 세 번째 원인으로 꼽히는 자기 부착은 여기에 해당하지 않습니다.

대책은 기계적인 것들입니다. 측면 통기 구멍을 둔 펀치면의 스프링식 이젝터 핀, 슬러그를 휘게 해 자체 스프링백으로 떨어지게 만드는 전단각, 또는 짧은 절단부 뒤에 더 좁은 릴리프를 두어 슬러그를 잡아 올라오지 못하게 하는 다이입니다. 스트로크 하사점에서 펀치가 다이 안으로 들어가는 깊이를 0.5-0.8 mm 정도로 제한하는 것도 도움이 됩니다. 깊이 들어갈수록 빠져나올 때 진공이 더 크게 생기기 때문입니다. 전체 목록과 각각의 효과는 금형 수명과 홀당 원가에 정리했습니다.

두꺼운 부스바의 작은 홀

부스바에는 얇은 판재 프레스에 없는 기하 문제가 있습니다. M12 통과 홀은 13 또는 13.5 mm입니다. 10 mm 부스바에서 홀 직경 대 두께 비는 약 1.3이고, 12 mm 부스바에서는 약 1.1입니다. 뭉툭하고 깊은 홀이며, 3 mm 판재의 25 mm 홀처럼 거동하지 않습니다.

직경 대 두께 비가 대략 1.5 아래로 내려가면 슬러그가 휘어 떨어져 나가기 어려워집니다. 펀치 하중이 올라가고, 전단광택대가 길어지며, 버가 커지고, 홀은 작게 나옵니다. Dayton의 지침은 홀이 두께의 1.5배까지 내려가면 공칭 클리어런스에 편측 1%를 더하고, 홀 직경이 두께와 같아지면 편측 약 4%를 추가하라는 것입니다. 12 mm 구리의 13 mm 홀에 적용할 때 이 보정은 선택 사항이 아니며, 같은 공칭 백분율로 6 mm에서는 훌륭하게 작동하던 금형 세트가 12 mm에서는 말썽을 부리는 이유를 설명해 줍니다.

PASS Stanztechnik의 금형 수명 자료는 반대 방향에서 같은 이야기를 합니다. 이 회사의 저감 계수는 절단 형상이 판 두께의 1.5배보다 작으면 0.6-0.8, 1.0배보다 작으면 0.3-0.5입니다. 두꺼운 부스바의 작은 홀은 원래 얻었을 금형 수명의 절반에서 3분의 2 사이를 대가로 가져갑니다.

펀칭력, 그리고 펀치 선단 형상이 그것에 미치는 영향

필요한 힘은 전단되는 면적에 소재의 전단강도를 곱한 값, 즉 F = 둘레 × t × τ이고, 원형 홀이면 F = π × d × t × τ입니다. 계산 예제와 전단강도 참고값은 함께 읽을 글인 부스바 펀칭의 프레스 능력 선정에 있고, 계산은 부스바 펀칭력 계산기에서 바로 돌아갑니다.

여기에 클리어런스가 관여하고, 펀치 선단 형상도 관여합니다. 평면 펀치는 둘레 전체를 한 번에 절단하므로 힘 전체가 첨두로 도달하고 파단 순간의 하중 해제가 격렬합니다. 펀치면에 전단각을 연삭해 넣으면 절단이 시차를 두고 일어나 최대 소요 능력이 내려가지만, 두꺼운 부스바에서는 홍보물이 시사하는 것보다 덜 내려갑니다. H. Weiss의 전단 계수 도표는 1/4 in(6.35 mm) 소재에서 전단 깊이 1/16 in(1.6 mm)에 계수 0.90, 3/32 in(2.4 mm)에 0.85, 3/16 in(4.8 mm)에 0.65를 제시합니다. 두꺼운 구리에 얕은 전단각을 주면 10퍼센트를 얻습니다. 35퍼센트를 얻으려면 전단 깊이가 부스바 두께의 4분의 3에 가까워야 하고, 그것은 길고 약한 선단이 됩니다.

평면은 최대 힘이 가장 크고, 홀이 가장 반듯하며, 슬러그가 가장 평평합니다. 단일 전단각, 즉 펀치를 가로질러 한쪽으로 기울여 연삭한 면은 힘 감소가 가장 크지만 펀치를 옆으로 밉니다. 뭉툭한 부스바 펀치에서는 그 측면 하중이 가이드와 스트리퍼로 갑니다. 지붕형은 중심선에 대해 대칭이어서 측면 하중이 상쇄되며, 아주 작은 홀이 아닌 한 통상의 선택입니다. 피어싱에서는 전단각을 다이가 아니라 펀치에 주십시오. 각도를 가진 쪽이 자기 쪽 절단면을 일그러뜨리는데, 피어싱한 홀에서는 슬러그가 폐기물이고 부스바가 제품이기 때문입니다.

알루미늄은 구리가 아니고, 6101은 1350이 아닙니다

알루미늄은 두 가지를 바꿉니다. 전단강도가 크게 내려가고, 부스바에 쓰이는 재질들에 걸쳐 균일하게 내려가지 않습니다.

연질 1xxx 도체 등급은 전단강도가 60-80 N/mm² 부근에 놓입니다. UniPunch는 1100-O를 62 N/mm², 1100-H14를 76 N/mm²로 싣고 있으며, 이는 1350-H111 부스바에 대해 맞는 자릿수입니다. 합금화하고 열처리한 부스바는 다른 소재입니다. 6101-T6의 공표 전단강도는 약 22 ksi, 대략 150 N/mm²이고, 6061-T6은 207 N/mm²로 실려 있습니다. “알루미늄, 80 N/mm²”로 프레스나 금형 세트를 선정한 뒤 6101-T6 부스바를 받으면 실제로 필요한 힘이 거의 두 배가 됩니다. 능력 계산 전에 합금과 질별부터 확정하십시오.

알루미늄 부스바의 클리어런스는 같은 두께의 구리보다 약간 낮게, 보통 편측 8-10% 안팎으로 잡습니다. 전단강도가 낮아 파단이 쉽게 진전되기 때문입니다. 알루미늄의 문제는 응착입니다. 금형강에 응착해 펀치 측면에 쌓이고, 그다음 수백 개의 홀에 긁힌 자국을 냅니다. 코팅이 도움이 되며, PASS Stanztechnik은 적절한 코팅에 대해 금형 수명 계수 2.0-4.0을 제시합니다. 범용 TiN이 아니라 알루미늄 전용 코팅을 뜻합니다. 윤활이 더 큰 도움이 됩니다. 소재 윤활 없이 운전할 때 PASS의 저감 계수는 0.4-0.6이므로, 알루미늄 부스바를 건식으로 펀칭하는 것은 헛된 절약입니다.

구리의 질별도 같은 방식으로 작용합니다. EN 13601에서 Cu-ETP 부스바는 인장강도 220-260 N/mm²의 R220 연질 소둔재, 240-300의 R240 반경질, 290-360의 R290 경질로 공급됩니다. 한 질별에 맞춰 다듬은 금형 세트가 다른 질별에서 최적이 되지 못할 만큼 충분히 벌어져 있습니다.

도면에 버를 지정하기

대부분의 부스바 도면은 버에 대해 아무 말도 하지 않고, 그러고 나서 검사에서 적혀 있지도 않은 기준으로 부품을 불합격시킵니다. 이것을 제대로 적는 수단이 ISO 13715, 기술 제품 문서 — 형상이 규정되지 않은 모서리 — 표시와 치수 기입, 2017년 제3판입니다.

이 규격은 모서리에 붙이는 도형 기호를 제시하며, 그 안에 부호와 값을 적습니다. 의미를 담는 것은 부호입니다.

• **+**는 허용되는 여분 소재를 나타내며, 규격은 이를 패싱이라고 부릅니다. 버는 외부 패싱의 특수한 경우로 명시적으로 정의되어 있습니다. 양의 값 하나만 적으면 반대쪽 한계가 0이라는 뜻이므로 언더컷은 허용되지 않습니다.
• **−**는 소재를 제거해야 함, 즉 언더컷을 나타냅니다. 음의 값 하나만 적으면 패싱이 허용되지 않는다는 뜻이므로 버가 전혀 허용되지 않고 모서리를 따 내야 합니다.
• **±**는 둘 중 어느 쪽이든 허용된다는 뜻이며, 크기 값과 함께일 때만 쓸 수 있습니다.

크기는 허용되는 최대 편차이며 부호 뒤에 적습니다. 상한과 하한을 위아래로 겹쳐 함께 적을 수도 있습니다. ISO 13715은 패싱이나 언더컷이 허용되는 방향을 표시하는 방법도 규정하는데, 부스바에서 가장 중요한 조항이 그것입니다. 볼트 접속부의 접속면에 난 버는 자유면에 난 버와는 다른 문제이기 때문입니다.

ISO 13715이 해 주지 않는 일은 어떤 숫자를 적을지 알려 주는 것입니다. 그것은 그 모서리의 기능에서 나옵니다.

• 볼트 접속면: 버가 맞닿는 두 도체 사이에 끼어 둘을 벌려 놓고, 접촉 면적을 줄이며 접속부 저항을 올립니다. IEC 61439이 외부 도체 접속용 단자에 70 K 상승 한계를 두고 있으므로, 접속부 저항은 외관 문제가 아니라 적합성 문제입니다. 버가 나올 면을 지정하시고, 빡빡하게 지정하십시오.
• 볼트 몸통이 지나가는 홀 내벽: 여기의 버는 조립을 방해하고 볼트에 흠집을 낼 수 있습니다. 적당한 수준의 관리로 충분합니다.
• 절연 격벽이나 공기 간극에 가까운 모서리: IEC 60664-1의 공간거리·연면거리 문제입니다. 날카롭게 솟은 버가 국부적으로 전계 강도를 올리기 때문입니다. 누군가 규격이 모따기를 의무화한다고 주장하는 자리이기도 합니다. 그런 규격은 없습니다. 모서리 처리는 절연 관련 조항을 충족하기 위한 수단이지, 그 자체로 요구사항이 아닙니다.

직사각형 부스바의 홀 위치와 크기, 그리고 나사 접속을 위한 기초 자료를 정하는 DIN 43673-1에 따른 홀 배치라면, 버 사양은 그 배치와 같은 도면에 들어가야 합니다.

한계가 빡빡해서 펀칭만으로는 지킬 수 없는 경우, 답은 클리어런스를 계속 조이는 것이 아니라 후공정입니다. 두께 0.5–50 mm, 폭 100–800 mm의 부스바를 처리하는 BND800-2 같은 기계에서 브러시나 벨트로 디버링하면 논쟁이 사라집니다. 클리어런스를 조여서 0.05 mm 버를 쫓아가면 펀치 수명과 홀 품질을 동시에 잃습니다.

기계에서 설정하고 확인하기

클리어런스는 프레스가 아니라 금형 세트에 속하므로, 펀칭·전단기에서는 펀치와 다이를 발주할 때 정해지고 장착할 때 검증됩니다. 라벨을 믿지 말고 펀치와 다이를 따로 측정해 클리어런스를 계산하십시오. 면이 아니라 측면을 연삭한 펀치는 더 이상 각인된 치수가 아닙니다. 그다음 동심도를 확인하십시오. 편측 값은 둘레를 한 바퀴 도는 내내 지켜져야 하기 때문입니다. 공칭 클리어런스 0.8 mm에서 펀치가 중심에서 0.1 mm 벗어나 있으면 한쪽은 0.7 mm, 반대쪽은 0.9 mm가 되고 버가 눈에 띄게 비대칭으로 나옵니다. 위치결정 ±0.05 mm를 유지하는 다중 스테이션 터렛 가공 센터에서는 스테이션 정렬과 터렛 청결도가 클리어런스 사슬의 일부입니다.

이 국부 소성 유동이 부스바 진직도에 무엇을 하는지는 가공 후의 평면도, 진직도, 비틀림에서 다뤘고, 펀칭 공정 개요는 이 홀이 나머지 공정 경로에서 어디에 놓이는지를 다룹니다.