현대 제조업은 정밀 금속 프레스 다이에 크게 의존하고 있으며, 이들은 일상 곳곳에서 찾아볼 수 있는 전자제품, 가전제품, 자동차, 의료기기 등에 사용되는 복잡한 부품들을 대량 생산하는 무명의 영웅이라 할 수 있습니다. 그러나 수 마이크론의 반복 정확도를 구현할 수 있는 다이를 설계하는 것은 다단계의 엔지니어링 과정을 필요로 합니다. 따라서 본 개요에서는 이러한 다이 설계 전 과정을 명확하게 설명하겠습니다.
1. 제품 분석 및 타당성 검토: 핵심적인 출발점
여정은 다이에서부터가 아니라 부품에서 시작됩니다. 엔지니어들은 해당 부품 도면을 꼼꼼히 분석합니다.
형상: 복잡성, 중요 치수, 허용오차 및 성형 문제(딥 드로잉, 날카로운 굽힘 등) 가능성 평가
재료: 재료의 특성(강도, 연신율, 두께, 입자 방향)은 금형에 가해지는 힘과 마모 정도를 결정하는 중요한 정보입니다.
생산량: 예상 생산량은 다이 구조 재료(표준 vs. 경화 공구강) 선택에 영향을 미칩니다.
가능성 검토: 부품이 성형 가공이 가능한지, 치수 공차가 적절한지 여부를 판단합니다. 이 단계에서 잠재적인 문제 요소를 조기에 식별합니다.
2. 스트립 레이아웃 및 공정 계획: 진행 경로 설정
부품이 금형 내에서 어떻게 이동할 것인지 결정합니다. 이 단계는 작업 순서를 정의합니다:
스트립 레이아웃: 금속 코일 위에 부품들을 최소한의 폐기물(스크랩)과 원활한 피딩이 가능하도록 이상적으로 배열하는 설계입니다. 피롯 홀(pilot holes), 캐리어 웹(carrier webs), 정밀 네스팅(fine nesting) 등을 통해 표현됩니다.
공정 순서 결정: 천공(홀 개구), 블랭킹(외곽 형상 절단), 벤딩, 성형, 드로잉, 코인링(coining) 등의 공정이 어떤 순서로 수행될지를 결정합니다. 각 공정마다 금형 내에 해당 기계 스테이션이 배치됩니다.
스테이션 수: 복잡성, 부품 수, 금형 비용/크기 간의 균형을 고려합니다. 프로그레시브 다이(progressive dies)는 스트립이 통과하면서 여러 공정을 연속적으로 처리합니다.
3. 금형 구조 설계: 기본 골격 구성
프로세스가 매핑되고, 그 작업이 완료되면 엔지니어들은 다이의 물리적 구조를 설계합니다:
다이 세트: 가이드 핀/부싱의 정확한 맞춤을 위해 표준 또는 맞춤형 상부(펀치) 및 하부(다이) 세트 선택
판과 쉐이 설계: 부품이 장착될 판을 어떻게 설계할 것인지, 그리고 높은 톤수에도 굽힘 없이 견딜 수 있도록 하는 방법
부품 배치: 펀치, 다이, 스프링, 리프터, 센서 및 가이드가 구조 내 적절한 위치에 배치되어 효율적으로 작동하고 접근하기 쉽게 해야 합니다.
4. 상세 부품 설계: 정밀 엔지니어링
여기에서는 미세 정밀도 기준의 수준에서:
펀치 및 다이 설계: 절단 에지, 성형 공정을 위한 구체적이고 충분한 형상을 개발하며, 필요한 여유량(재료 두께의 약 5~15%, 양쪽 절단 에지 기준), 곡률 반경 및 표면 마감을 포함합니다. 파손은 강도 계산을 통해 방지됩니다.
공구 인큐베이션: 스프링백(굽힘 후 재료가 약간 말리는 경향)을 고려해야 하는 굽힘 및 보다 복잡한 형상을 제작할 때 사용할 펀치, 다이, 패드 및 인서트를 준비하는 과정입니다.
스프링 및 리프터 선택: 스트리퍼 압력, 부품 탈형, 캠 복귀를 위해 적절한 스프링(압축 스프링, 질소 스프링)을 선택하여 부품이 확실하게 분리될 수 있도록 합니다.
도웰과 나사: 부품들이 안전하게 서로 정확한 위치에 조립될 수 있도록 크기와 배치를 지정합니다.
5. 시뮬레이션 및 검증: 철재 가공 전 테스트
현대적인 설계는 컴퓨터 소프트웨어의 강력한 기능을 활용하여 문제를 사전에 예측하고 방지할 수 있습니다.
성형 시뮬레이션(FEA): 성형/드로잉 공정 중 금속의 흐름을 재현하여 찢어짐, 주름, 두께 감소 등의 가능성을 확인합니다. 공구 제작 시작 전에 형상 최적화를 가능하게 합니다.
응력 분석: 다이의 각 부품이 예상되는 스탬핑 하중을 견디며 파손되거나 과도하게 휘는 일이 없는지 확인하는 과정입니다.
경로 검증: 프레스 스트로크 길이 전체에 걸쳐 펀치와 다이 간 충돌이 없는지 확인합니다.
6. 제조 및 조립: 설계를 현실로 구현
설계된 내용은 정밀 가공(CNC 밀링, 연삭 및 와이어 EDM)을 통해 경화 강철 부품으로 제작됩니다. 숙련된 다이 제작 전문가들이 정밀하게 부품을 맞추고 조립한 후 완벽하게 조정합니다.
7. 시운전 및 마무리 조정: 스탬핑으로 증명하는 순간
완성된 다이는 프레스 스탬핑 장비에서 철저한 테스트를 거칩니다.
초도 샘플: 처음 생산된 제품들은 도면에 따라 정밀하게 측정됩니다.
문제 해결: 치수 편차, 버, 부품 배출 문제 또는 공구 자국과 같은 문제에 대응합니다.
마무리 조정: 품질을 보장하기 위해 펀치, 다이, 스프링 또는 피드를 세밀하게 조정합니다.