균열을 유발하는 금형 및 다이 설계 결함
담금질 중에 균열이 발생하거나 짧은 가동 후에 파손되는 공구는 종종 열처리 문제로 보고되지만, 그 보고는 대개 잘못된 것입니다. 날카로운 모서리, 편의를 위해 배치된 구멍, 스탬프 마크, 얇은 단면 옆의 두꺼운 단면, 그리고 제대로 안착되지 않은 인서트는 모두 하중을 받기 전에 공구에 응력을 가하며, 열처리 업체는 눈앞에 있는 부품에서 그러한 응력을 제거할 수 없습니다. 이 페이지는 가장 자주 재발하는 설계 결함, 각 결함이 공구에 미치는 영향, 이를 제거하는 변경 사항, 그리고 필렛 규칙의 근거가 되는 모서리 반경 데이터를 나열합니다. 이는 도면 승인을 요청받는 설계자, 금형 제작자 및 구매자를 위해 작성되었습니다.
설계를 가장 먼저 살펴봐야 하는 이유
금형은 치수만으로 설계할 수 없습니다. 설계자는 공구가 물, 기름 또는 공기 중에서 담금질될지, 형상이 어디에서 얇은 단면을 두꺼운 단면 옆에 배치하는지, 그리고 경화 전후에 부품이 어떻게 가공될지를 알아야 합니다. 치수 안정성도 같은 논의에 포함되어야 합니다. 왜냐하면 담금질 중에 변형된 공구는 최종 가공으로 치수에 맞출 수 없기 때문입니다. 경화 중에 균열이 발생하는 공구는 용광로 문제인 만큼 설계 실패인 경우가 많으며, 그 책임을 뒤집어쓴 열처리 업체는 성공적으로 경화할 수 없는 형상을 경화하도록 요청받은 것입니다.
작업의 나머지 절반은 계획입니다. 설계는 공구가 응력 제거, 예열, 경화, 담금질 및 템퍼링을 적절히 거칠 수 있도록 공정에 충분한 시간을 남겨야 합니다. 왜냐하면 일정이 바로 이러한 결함 대부분이 폐기품으로 이어지는 지점이기 때문입니다. 열처리 업체와의 협력 관계는 도면의 어떤 단일 항목보다도 가치가 있습니다.
가장 자주 재발하는 설계 결함
여섯 가지 결함이 조기에 균열이 발생하는 공구의 대다수를 차지합니다. 각 결함은 절삭 전에 도면에서 확인할 수 있으며, 각각 공구의 기능을 잃지 않고 제거할 수 있는 변경 사항이 있습니다.
| 설계 결함 | 공구에 미치는 영향 | 이를 제거하는 변경 사항 |
|---|---|---|
| 날카로운 모서리 및 날카로운 모서리의 키웨이 | 내부 및 외부 모서리와 키웨이는 응력 집중 요인으로 작용합니다. 날카로운 모서리는 조기 공구 파손의 가장 빈번한 원인이며, 국부 응력을 평균 계산 응력의 10배까지 높일 수 있습니다. | 모든 모서리에 잘 둥글게 처리된 반경을 남기고, 공구의 기능이 허용하는 모든 곳에 충분한 필렛을 사용하십시오. 모든 도면은 제조용으로 출시되기 전에 공구가 실제로 필요로 하지 않는 날카로운 모서리가 있는지 검사해야 합니다. |
| 두꺼운 단면 옆의 얇은 단면 | 담금질 중에 얇은 단면이 먼저 냉각되고 경화되는 반면, 옆의 두꺼운 단면은 아직 뜨겁습니다. 축적되는 차등 냉각 및 변태 응력은 강재의 극한 강도를 초과하여 변형이나 균열을 일으킬 수 있습니다. | 형상이 불가피한 경우, 전체 부품이 단면이 감당할 수 있는 속도로 변태하도록 공기 경화강을 선택하십시오. |
| 잘못 배치된 구멍 | 맹구멍, 나사 구멍 및 고려 없이 배치된 구멍은 구멍과 다이 가장자리 사이에 얇고 약한 벽을 남깁니다. 이러한 벽은 동일한 차등 냉각 응력을 받으며, 특히 액체 담금질 강에서 균일하게 담금질하기 어렵습니다. | 구멍을 도면 작성 후가 아니라 설계의 일부로 배치하십시오. 구멍 패턴을 개선할 수 없는 경우 공기 경화강을 선택하십시오. |
| 스탬프 마크 | 스탬프 각인은 표면에 새겨진 급격한 단면 변화입니다. 스탬프는 열처리로 인한 잔류 응력과 사용 응력을 모두 집중시키며, 응력 균열은 종종 문자를 통해 곧게 진행됩니다. | 둥근 문자를 가진 저응력 스탬프를 사용하고, 마크를 분산시키며, 문자 수를 줄이십시오. 전기 펜, 페인트, 라벨 또는 에칭을 사용한 각인이 더 나은 선택입니다. |
| 황삭 가공 | 심한 가공 마크는 내장된 노치이며, 경화 중이나 사용 중에 열리는 균열의 핵생성 부위가 됩니다. | 응력을 받을 표면을 마무리하십시오. 이것은 가공자와 금형 제작자에게 도면에서 말하는 마무리 표면의 의미를 알려야 하는 결함입니다. |
| 안착되지 않은 인서트 | 다이 인서트가 가장자리에서만 홀더에 접촉하므로 하중이 면적의 일부에만 전달됩니다. 불균일한 압력과 그에 따른 처짐이 인서트 모서리에 균열을 엽니다. | 안착면에서 완전한 접촉을 위해 가공하십시오. 치수가 허용하지 않는 경우, 언더사이즈로 가공하고, 공구를 정렬한 후, 안착 면적에 필요한 두께의 심을 추가하여 접촉이 완전하게 하십시오. |
조기 공구 파손의 원인이 되는 설계 결함과 각각의 수정 사항, Tool and Die Making Troubleshooter의 금형 설계 장에서 발췌.
모서리 반경과 그것이 제공하는 충격 강도
필렛에 관한 규칙은 효과의 크기가 표에 있을 때 지키기更容易습니다. 아래 데이터는 노치 바닥에서 서로 다른 반경을 가진 동일한 공구의 모서리 단면을 비교합니다. 반경이 넓을수록 단면이 더 강하고 균열에 더 저항하며, 이득의 가장 큰 부분은 초기에 발생합니다. 날카로운 모서리에서 0.020 in. 반경으로 이동하면 예상 충격 강도가 4배가 되지만, 0.080 in.과 0.125 in.의 차이는 거의 가치가 없습니다.
| 노치 바닥의 반경 | 예상 충격 강도 | 변경이 제공하는 것 |
|---|---|---|
| 0.002 in. (0.05 mm) | 4 ft-lbf (5.4 J) | 날카로운 모서리. 공구는 노치 루트에서 가장 취성 상태입니다. |
| 0.010 in. (0.25 mm) | 7 ft-lbf (9.5 J) | 줄이 남긴 것으로 볼 수 있는 반경. 날카로운 모서리에 비한 이득은 이미 더 큰 반경이 줄 수 있는 것의 대부분입니다. |
| 0.020 in. (0.51 mm) | 16 ft-lbf (21.7 J) | 기계 가공업체가 작다고 부르는 반경. 충격 강도는 날카로운 코너의 네 배입니다. |
| 0.040 in. (1.02 mm) | 19 ft-lbf (25.8 J) | 가공업체가 다이 코너에서 보통이라고 부르는 반경. |
| 0.080 in. (2.03 mm) | 22 ft-lbf (29.8 J) | 설계자가 하중 경로를 고려하여 그린 넉넉한 필렛. |
| 0.125 in. (3.18 mm) | 24+ ft-lbf (32.5+ J) | 표에서 가장 넓은 반경. 이 이상은 반경이 요구하는 단면 대비 효과가 작습니다. |
Tool and Die Making Troubleshooter에서 발췌한, 서로 다른 크기 반경의 코너 단면에 대한 대략적인 강도 비교. 출처는 노치 반경의 영향을 보여주기 위해 이 비교를 게재하며 강도 예측에 사용해서는 안 된다고 명시합니다. 실제 충격 강도는 강종, 열처리 및 표면 마감에도 좌우됩니다.
이 비교는 특정 다이에 대한 보증이 아니며, 출처도 그렇게 밝히고 있습니다. 다만 영향을 미치는 방향과 크기를 보여주며, 이는 이유 없이 날카로운 내부 코너를 가진 도면에 이의를 제기하기에 충분합니다. 부품이 충격 하중을 받는 경우 강종 자체는 별개의 결정이며, 충격 인성 차트 및 샤르피 충격 시험 페이지 강종 및 경도별 값을 제공합니다.
인발 방향에 대한 결정립 방향
강은 도면에 중요한 한 가지 점에서 목재와 같습니다. 결정립에 수직 방향이 결정립 방향보다 파괴에 더 잘 견디므로, 인발 방향을 따라 하중을 받는 다이는 봉재의 결정립 흐름이 그 방향과 평행할 때 균열에 더 잘 견딥니다. 스탬프 영역을 통해 균열이 발생한 다이를 조사한 결과 결정립 흐름이 인발 방향에 수직인 것으로 나타났으며, 이는 블록을 봉재에서 마킹할 때 내린 배치 결정입니다. 결정립 방향을 돌리고 깊은 스탬프를 제거한 다이로 교체한 결과 동일한 응용 분야에서 큰 개선이 있었습니다. 봉재가 어떻게 생산되고 이것이 결정립 흐름에 어떤 영향을 미치는지는 다음에 설명되어 있습니다: 단조 바 결함 페이지.
하중이 모든 곳에 전달되도록 인서트 안착시키기
다이 인서트 코너에서 조기 균열이 발생하는 한 가지 원인은 안착이며, 이는 강과 무관합니다. 인서트의 바닥면은 전체 면적에 걸쳐 홀더와 접촉해야 합니다. 가장자리만 접촉하면 하중이 면적의 일부에만 전달되고 인서트가 변형되며, 하중을 먼저 받은 코너에서 균열이 발생합니다. 잘못된 위치에 추가된 심(shim)도 같은 결과를 낳으며, 이것이 심이 잘못 맞춰진 안착부의 수리가 되지 않는 이유입니다.
치수가 완전한 접촉을 허용하지 않을 때 두 가지 방법이 있습니다. 첫째는 안착부를 작게 가공하고, 공구가 올바르게 안착될 때까지 교정한 다음, 일부가 아닌 전체 안착 면적을 덮는 두께의 심을 추가하는 것입니다. 둘째는 공구를 어닐링하고, 용접으로 육성하고, 재열처리하고, 치수에 맞게 재가공하는 것으로, 안착부 자체가 마모되었을 때 취하는 방법입니다. 둘 다 한 교대조 후에 균열이 발생하는 다이보다 저렴합니다. 압입 끼워맞춤에 필요한 간섭을 포함한 끼워맞춤 인서트의 조립 방법은 다음에 있습니다: 압입 끼워맞춤 페이지.
형상을 변경할 수 없을 때는 강을 변경하십시오
일부 공구는 경화를 어렵게 만드는 형상으로 도면화해야 하며, 이 경우 재료가 남은 수단입니다. 공기 경화강은 전체 단면이 따를 수 있는 속도로 변태하므로, 중단면과 그 옆의 경단면 사이의 차이가 제거됩니다. 내충격강은 동일한 경도에서 고크롬 냉간 가공 강종보다 더 많은 인성을 가지며, 이는 D2 펀치 홀더나 다이 섹션이 사용 중 균열이 발생하여 교체품이 계속 작동해야 할 때 취하는 변경입니다. 두 가지 중 어느 것이 적용되는지는 파손이 담금질에서 비롯되었는지 하중에서 비롯되었는지에 달려 있으며, 이는 도면이 아니라 파단에 관한 질문입니다.
강종군과 각각이 견딜 수 있는 경도는 다음에 표로 정리되어 있습니다: 공구강 특성 차트 및 조성 차트. 냉간 가공에서 내충격 강종으로의 구체적인 대체는 다음에 설명되어 있습니다: 균열 저항 페이지 및 치핑 저항 페이지.
이 페이지가 파손 분석 옆에 위치하는 방식
이 페이지는 공구 제작 전 단계를 위해 작성되었으며, 공구 및 금형 고장 분석 페이지 는 파손 후 단계를 위해 작성되었습니다. 그 페이지는 부품의 증거에서 시작하여 균열이 언제 나타났는지, 표면이 손상되었는지, 파단 시 부품이 무엇을 하고 있었는지 질문하여 원인을 역추적합니다. 이 페이지는 도면에서 시작하여 가동 전에 공구에 응력을 가하는 형상을 나열합니다. 중복은 실제이며 의도적이고, 두 페이지는 함께 읽습니다. 파손이 피로 균열인 경우, 시작점과 노치 및 필렛 영향은 다음에 다루어져 있습니다: 피로 파손 페이지, 손상 유형 자체는 다음에서 좁힐 수 있습니다: 손상 모드 식별 차트.
다음으로 볼 곳
잘못 설계된 공구가 노에서 나타내는 결함은 다음에 나열되어 있습니다: 열처리 문제 해결 차트, 담금질을 거치며 공구가 겪는 치수 변화는 다음에 있습니다: 치수 변화 페이지. 균열이 담금질이 아니라 연삭에 의해 열린 경우, 연삭 균열 페이지 는 다른 방향에서 동일한 표면 손상을 다루며, 나머지 다이 수명을 결정하는 마모는 다음에 제시되어 있습니다: 마모 계수 및 설계 규칙 페이지.
도면에서 이 페이지 사용하기
이 페이지는 공개된 실무 관행의 참고 요약이며 Aobo Steel의 사양이 아닙니다. 설계 결함과 코너 반경 비교는 Tool and Die Making Troubleshooter에서 재현한 것이며, 원문은 공구의 강도를 예측하기 위한 것이 아니라 노치 반경의 영향을 입증하기 위해 비교를 게재한 것입니다. 공구의 강종, 경도 및 열처리는 도면과 작업 주문서에서 확인되며, 설계 결정은 공구 담당자에게 있습니다.
출처: Tool and Die Making Troubleshooter, R. M. Leed, Society of Manufacturing Engineers, 2003.