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절곡 작업의 정석
 
절곡 시 나타나는 세가지 현장의 극복
 
Manufacturing기자 | 2012.08.07 | 2012년 8월호
 
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‘금속을 접는다’라는 의미로서 절곡작업의 역사는 분명 오랜 옛날로 거슬러 올라갈 것이다. 망치로 구부리던 선사시대적 절곡이 현대에 와서는 최첨단 컨트롤 기술을 바탕으로 많이 정교해 진 것은 분명하다. 그러나, 피해갈 수 없는 문제점이 있다. 결과물의 정밀도에 문제를 야기하는 것 들인데 작업장의 온도 변화, 긴 작업물을 접을 때 배가 나오는 문제, 그리고 작업물의 형태에 의한 차이 등이 있을 수 있다. 그 현상과 해결책을 알아본다.
1. 아침과 저녁, 여름과 겨울철 절곡각이 달라진다.
무슨 이야기일까? 온도차이에 의해 문제가 생긴다는 이야기 같은데, CNC가 장착된 비싼 기계에서 이런 현상이 생긴다니 납득이 안 간다.
 설명을 위해 절곡의 원리에 대해서 먼저 알아볼 필요가 있겠다. 우선 사용자가 소재의 종류 및 두께, 펀치와 다이의 타입 등을 입력한다.
 그러면, CNC가 소재의 두께, 펀치와 다이의 높이를 감안하여 상판의 이동 위치를 결정한다. 절곡기에는 일종의 자라고 할 수 있는 엔코더가 장착되어 있는데 CNC가 인지하는 상판의 위치를 엔코더 상의 시작 지점에서 특정 지점까지 이동하면 소재가 원하는 각도만큼 구부러 지게 되고 절곡이 완료되는 것이다. 의외로 간단하다.

여기서 따져봐야할 현상이 있다. 일반적으로 머신의 온도 변화가 절곡 결과물의 정밀도에 영향을 끼친다. 소위말하는 열변형. 온도가 높아지면 부피가 팽창하는 현상에 의한 문제다. 어느 눈 오는 겨울 날 임가공 공장의 박기사님. 언 손을 녹이며 절곡기 스위치를 켰다 치자. 유압펌프의 덜덜거리는 진동이 시작되지만 기계의 온도는 아직 섭씨 0도. 본격적으로 작업이 진행되고 절곡기 상부의 오일탱크 온도가 올라가면서 주변 프레임의 온도도 상승하게 된다. 일반적으로 프레임의 온도가 1°C 상승하면 미터당 6마이크로미터만큼 프레임의 키가 커진 다고 한다. 절곡기 높이가 3m라고 가정하고 가공물의 두께가 3mm일 경우를 가정하면, 프레임의 온도가 처음보다 6°C 상승할 경우 1°의 각도 오차가 발생하게 되는 것이다. 해결책은 짐작하시듯이 보정 밖에 없다. 온도센서를 장착하여 프레임의 온도 차를 센싱하고 CNC의 계산에 의해서 상판의 이동 구간을 미세하게 조정하여 이를 극복하는 것이다. 이 방법이 아니라면 결과물을 일일이 측정하면서 수동으로 조절 해 주던지, 망치로 때리는 수밖에 없다. 실제로 일부 작업장에서는 아직도 온도 차에 의한 각도오차를 어쩔 수 없는 현상으로 치부하고 사후 작업으로 대응하고 있다고 한다. 바이스트로닉의 제품군인 Xpert 시리즈의 경우 온도센서를 주요 부위에 장착하고 자동으로 보정하여 온도차에 의한 각도 오차를 극복하고 있다.
2. 긴 제품을 접을 때면 배가 나온다. (카누현상과 바나나 현상 극복)
위 그림과 같이 자를 양 손으로 구부릴 경우 양끝에만 힘을 주게 된다. 그 결과로 양끝 단 만 처지게 되는데 이는 자연적인 현상이다. 동일한 현상이 절곡기에서도 나타난다. 일반적으로 실린더가 양끝 단에 위치하게 되며 많은 힘이 가해지게 된다. 이 경우 상판의 양 끝이 그림과 같이 휨은 물론 하판 역시 대칭 모양으로 변형되게 된다. (그림6) 이 때 미터당 약 0.1mm의 프레임 변형이 발생하는 것으로 알려져 있다. 이렇게 절곡 시 발생하는 절곡기 상부/하부 변형을 보정하는 작업을 크라우닝(Crowning) 이라고 하는데, 이때 변형의 양이 공학적인 공식으로도 이미 해석이 되어 있기 때문에 가능하다. 크라우닝을 적용하지 않은 상태에서 긴 제품을 접을 때 양끝 단에는 많은 힘이, 중앙부에는 상대적으로 적은 힘이 가해지게 되어 중앙부의 접힌 각도가 양끝 단 보다 큰 상태, 마치 카누와 유사하다고 해서 ‘카누현상’이라고 일컫는다. (그림7) 카누현상을 극복하기 위한 가장 쉬운 방법으로 제시되는 것이 신문지 삽입이다. 숙련된 절곡 전문가는 몇 장의 신문지를 다이 사이에 넣는지에 대한 감을 가지고 있다고도 하는데, 대량의 절곡 작업에는 적절하지 않겠다. 그 다음으로 제시되는 전통적인 방식이 쐐기 테이블(Wedge Table) 방식이다. 중앙부에 더 높은 피치를 가지는 쐬기를 사용하여 중앙을 볼록 하게 만들어주어 인위적으로 그 부분에 힘이 더가해지게 만드는 방식이다. (그림8) 수동으로 조절하는 방식과 모터를 사용해서 CNC가 자동으로 제어하는 방식으로 널리 사용되어 왔는데 이방식 역시 결정적인 문제를 안고 있다. 쐐기테이블 방식은 제품 절곡 전에 테이블이 먼저 변형되어 있게 되는데(pre-crowning) 이로 인하여 먼저 닿는 중앙부의 스트레스가 심해지게 된다. 이로 인해 중앙부에 열 변형이 발생하여 작업물이 바나나처럼 휘어버리는 소위 바나나현상(banana effect)이 새롭게 발생하게 되는 것이다. 카누 현상과 바나나현상을 모두 극복하기 위해서 제시 되는 방식이 바로 다이나믹 크라우닝(Dynamic Crowning)이다. (그림11) 절곡 전에 미리 테이블을 변형하지 않고 힘이 가해 지는 순간에 하단의 실린더가 절곡 소재의 위치 및 크기에 따라서 압력을 자동으로 배분하는 방식이다. 최적의 압력을 배분할 경우 성공적인 결과물을 얻을 수 있겠 으나, 다양한 가공 상황에 맞는 압력 데이터가 제공 되어야 한다는 점이 전제가 되어야 한다. 자칫 과도한 압력을 가하여 역효과를 낼 수도 있기 때문이다. 바이스트로닉은 1970년대에 이미 유압 방식의 크라우닝 특허를 가지고 있었고, 1991년 에는 상판의 변형을 자동으로 보정하는 엑티브 크라우닝 시스템 특허로 발전시켰다. 2003년에는 절곡의 길이와 그에 부과되는 절곡힘에 따라 상판 변형이 보정되는 시스템에 대한 특허까지 취득하여 이 현상을 극복하고 있다.
3. 절곡 라인의 모양에 따라 결과물의 각도가 달라진다?
그림을 보면서 이야기 하자. 위 그림에서 A의 절곡 라인은 B 절곡 라인과 동일한 소재, 동일한 두께를 가지고 있어서 동일한 가공을할 경우 결과가 같아야 하겠다. 하지만, 실질 적으로 A의 절곡 라인이 구멍 모양을 포함하고 있기 때문에 B 절곡 라인 대비 상대적으로 많은 힘을 받는 결과가 초래된다. 같은 힘으로 접을 경우 A가 B 보다 더 큰 각도로 접힌다는 것이다. 이를 해결하기 위해서 하부에 압력 센서를 배치, 이동 해야 하는 엔코더의 위치는 동일하나 상이한 모양의 작업물이 동일한 압력을 받도록 절곡 파워를 조절 하는 방식이 가능한 것이다. 이 경우 다이나믹크라우닝 역시 절곡 파워의 변화에 따라 조정이 되어 주여야 하겠다. 바이스트로닉 절곡기도 역시 하단에 압력센서를 장착하고 CNC 계산을 통해 자동으로 절곡힘을 조정하는 기능을 갖추어 이 문제를 해결하고 있다.


 
TAG :  절곡기
 
 
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