3.3.1 금속판재의 절단 작업(Cutting Operations)

금속판재는 함석가위(tin snips), 전단가위(square shears), 니블러(nibblers), 톱(saws), 드릴(drills), 펀치(punches) 등의 수작업공구와 분단용 장비(slitters), 절단기(power shears), 다이프레스(die in presses) 등 파워장비를 이용하여 절단된다. 절단하려는 목적이나 절단되는 형상에 따라 다양한 공정으로 나눌 수 있다.


■ 원자재의 일부를 제거하는 가공(producing blanks) :

전단(Shearing), 절단(Cutoff), 분리(Parting), 블랭킹(Blanking), 니블링(Nibbling)

■ 구멍뚫기(cutting holes) :

펀칭(Punching), 슬롯팅(Slotting), 연속천공(Perforating)

■ 형상 가공을 위한 작업(progressive working) :

랜싱(Lancing), 노칭 (Notching ), 부분노칭(Seminotching), 분리(Parting), 절단(Cutoff)

■ 원하는 치수를 얻기 위한 가공(size control) :

트리밍(Trimming), 분단(Slitting), 쉐이빙(Shaving)

■ 복잡한 형상이나 소량의 제품의 커팅(production method) :

레이져 커팅(Laser Cutting)

■ 두꺼운 판재의 절단(material control) :

프라즈마 커팅(Plasma Cutting), 워터 제트(Water Jet Cutting)

■ 관재, 봉재, 압출물의 절단(Mechanical Cutting on Tube, Pipe, Extrusion) :

Chop Saw Cutting, Cold Saw Cutting, 수평띠톱 절단(Horizontal Bandsaw Cutting)

그림 56  판재에서의 여러 가지 전단작업의 예
자료출처 ; Serope Kalpakjian저, 김낙수, 임용택, 진종태 공역,  '공업재료가공학'  p376


1) 전단 가공 (Shearing)

전단(shearing)은 비교적 정확도가 높은 금속의 재단방법으로 펀치와 다이의 모양은 원형에서 직선에 이르기까지 다양하며, 프레스 기계를 이용한다. 전단가공에 의한 절단은 다른 절단 공정에 비해 가공능률이 높아 대량생산에 적합하다.

그림 57  원형 전단 기계 (Ring Shear)           Circle Cutter라고도 한다.		그림 58 대형 전단 장비

그림 59  유압 전단 장비의 가공작업 단면

그림 60  전단 가공된 철판의 형상

2) 절단(Cutoff)

취하고자 하는 형태의 선에 따라 연속적으로 자르는 공정으로, 직선, 사선, 곡선, 지그재그 등 어떠한 형태로든 잘라내어 원하는 형상을 얻는다. 아래 그림의 경우처럼 연속된 제품을 가공하는 것으로 처음 시작이나 마지막 작업에서만 스크랩이 발생하여 경제적이다. 그러나 절단된 양면 모두 제품화되기 때문에 정확도를 기해야 한다.

그림 61 cutoff의 여러 가지 방법

3) 분리( parting )

판재를 두 개 또는 그 이상으로 재단하는 공정으로 절단이나 전단 작업에 비해 스크랩이 많이 생기므로 그다지 경제적이지 못한 방법이다. 제품의 디자인은 제조공정과 재료의 사용량, 생산라인과 가공 인력의 사용 등을 중요하게 인식하여야 경제적인 제품을 생산할 수 있다.

그림 62 분리공정

4) 블랭킹(Blanking)

블랭킹은 특정 형태의 테두리 전체를 오려내어 얻어진 조각을 부품으로 사용하고, 나머지는 스크랩으로 버린다. 펀칭에서는 전단된 조각을 제거하는 데 반해, 블랭킹에서는 반대로 전단된 조각이 제품이 되고 나머지는 스크랩이 되기 때문에 금속의 재단방법 중 가장 경제적이지 못한 가공공정이다.

그림 63 트리플액션 유압프레스		그림 64 블랭킹 다이의 형상

그림 65 판재의 블랭킹 공정


그림 66  블랭킹 가공 부품

(자료출처: 그림 61~66. Donald F. Eary, Edward A. Reed, 'Techniques of pressworking sheet Metal')

5) 펀칭(Punching)

금속가구의 디자인에서 펀칭은 완제품의 심미적인 요소로도 고려하지만, 형상을 만들거나, 접합, 하드웨어 등 부품의 장착, 무게를 줄이기 위한 기능적인 요소로 매우 중요한 가공이다. 한쌍의 다이세트가 금속판재를 전단하고, 그 조각은 스크랩으로 버려진다. 펀칭의 속도와 프래스의 하중, 재료의 성질 등을 고려하여야 전단면의 균열 등 결함을 피할 수 있다.

그림 67 펀치와 다이에 의한 전단 작업

그림 69 각종 펀칭 다이 세트

그림 70  Rodney Kinsman 의 Omstak 의자는 여러개의 의자를 Stack했을 때 무게를 줄이기 위해 펀칭을 하였다.		그림 71 펀칭이 단순히 심미적인 요소로서만이 아니라 기능적으로 활용된 예이다.

그림 72 스틸파티션의 구조물로 사용될 부품을 Power press (350톤)를 이용하여 Punching 가공하고 있다. (주식회사 보루네오 공장)

그림 73 여러 가지 펀칭판재와 루바 커팅 (Louver Cutting)

6) 연속천공(Perforating)

판재에 연속적으로 다수의 구명을 뚫는 가공이다. 최종 가공될 형태로 금속판재를 재단한 뒤 천공을 하는 경우도 있으나, 다양한 기성제품을 사용하여 제품을 만들 수도 있다.

최근 사무용가구의 Modesty Panel이나 파티션 용재, 공공장소의 Modular Seating의 소재로도 많이 쓰인다.

그림 74 Rodney Kinsman의  'Transit' seating. 공항등 공공장소에 module를 달리하여 다양하게 배치 가능하다.  판재는 우선 재단과 펀칭 가공하여 굽힘 가공하고, 도장 공정을 거친다. 마지막에 볼트조립으로 스틸 파이프 베이스를 완성하고 등좌판과 테이블 쉘을 마운트 시킨다.

그림 75	그림 76	그림 77	그림 78
퍼포레이팅 금속 판재의 예 (독일 Schock사의 기성제품)

7) 노칭(Notching)과 세미노칭(Semi-notching)

판재의 가장자리 면을 여러 가지 모양으로 잘라내는 것을 노칭(Notching)이라 하고, 판재의 중앙에 펀치와 같이 여러 가지 모양으로 잘라내는 것을 세미노칭(Semi-notching)이라 한다.

                                        그림 79 노칭, 세미노칭, 랜싱 가공 부품




       그림 80 세미노칭 가공제품의 예

8) 랜싱(Lanching)

판재를 일부 자르고 남겨두는 가공으로, 스크랩이 전혀 발생하지 않는 공정이다. 랜싱이 프래스 가공과 병행하여 절단된 면을 밴딩하거나 신장성형할 수 있다.

그림 81  랜싱공정을 거친 자동차 뒷바퀴쪽의 패널

9) 트리밍(Trimming)

판재의 드로잉 가공에서는 여분의 소재가 프랜지의 형태로 남아있게 되는데, 이것을 제거하는 공정이 트리밍(Trimming)이다.

그림 82 드로잉 가공제품의 트리밍

(자료출처: 그림 79~82. Donald F. Eary, Edward A. Reed, 'Techniques of pressworking sheet Metal') 

10) 분단(Slitting)

넓은 면적의 코일을 여러개의 좁은 면적으로 자르는 가공을 분단(Slitting)이라 한다. 한쌍의 원형날에 의해 전단되는 작업으로, 분단면에 버(bur)가 생기는 것이 보통이고, 이는 압연하여 제거한다. 날을 구동시키는 구동형 분단(driven type)과 공회전하는 날 사이로 판재를 통과시켜 분단하는 견인통과형(pull-through type)이 있다. 분단작업이 적절히 이루어지지 않으면, 전단된 제품에 여러 가지 뒤틀림이 발생한다.

그림 83  슬리팅 가공 공정 (The Yoder Company)

11) 니블링(Nibbling)

니블링은 직선펀치가 빠른 속도로 상하운동하는 니블러라는 기계에 의한 가공이다. 금속판재를 펀치와 다이 사이에 넣고 수많은 구멍을 연속적으로 만들어 긴 홈을 만든다. 판재를 수작업으로 조절하면 어떤 모양으로도 잘라낼 수 있다. 특정한 다이가 필요하지 않으므로 소량생산에는 경제적이다.

그림 84 Nibbling
 

12) 쉐이빙(Shaving)

나무를 대패질하여 다듬는 것과 같이, 대부분의 전단 작업을 거친 제품들은 표면정도나 치수정확도를 향상시키기 위해 쉐이빙(Shaving) 공정을 거친다.

그림 85 쉐이빙
 

13) 재료에 따른 여러가지 커팅 공정

레이저 커팅(Laser Cutting)

펀칭 가공에 비해 작업의 유연성이 높고, 복잡한 형상이나 소량의 제품을 비싼 금형비 부담 없이 가공할 수 있는 레이저 가공은 다품종 소량생산의 최근 시장상황에 적합한 가공이며, 시제품 가공에도 많이 적용한다. 광학에너지를 표면에 집중시켜 재료의 일부를 녹이고 증발시켜, 원하는 형태를 취하는 절단 방법으로, 컴퓨터 프로그램에 의해 복잡한 형상도 쉽게 가공할 수 있고, 다른 방법으로는 절단하기 어려운 복합재료도 가공할 수 있다. 절단 직경이 최소 0.005mm 까지도 가능하며, 가공 가능한 두께범위가 넓다.

(자료출처: 그림 86~95. David and Susan Frisch, 'Metal')

그림 86 레잉저 커터(Laser Cutter)		그림 87 고도로 집중된 고밀도 에너지를 조절하여             재료를 녹이고, 증발시킨다.

그림 88 레이저 커터로 가공한 다양한 부품들
 

플라즈마 커팅(Plasma Cutting)

플라즈마(이온화된 가스) 빔으로 비철 및 스테인레스강 후판을 고속절단하는 공정이다. 발생하는 온도는 매우 높으므로, 작업이 빠르고 절단폭이 좁으며, 표면정도가 우수하다. 레이저 커팅에 비해 소재제거율이 훨씬 높고, 우수한 반복성으로 부품을 가공할 수 있다. 오늘날은 프로그램 제어가 가능하게 되어 고도로 자동화되어 있다.

그림 89 플라즈마 커터 레일에 따라 움직이며 소재를 절단

물제트 가공 (Water Jet Machining)

두께 25mm 이상의 소재를 절단하는 공정으로 열손상이 없어, 모든 비금속 재료에 적용하는 방법이다. 금속재료를 절단하기 위해서는 물제트에 실리콘 카바이드나 알루미늄 산화물과 같은 연삭입자를 첨가하여 일반 물제트보다 소재제거율을 증가시킨 입자물제트 가공(Abrasive Water Jet Machining)을 한다.

그림 90 입자물제트 가공 물제트(a), 연삭 분말(b), 혼합기(c)		그림 91 금속판이 라미네이트 된 파티클 보드의 입자 물제트 가공

관재, 봉재, 압출물의 절단 (Machine Cutting on Tube, Pipe, Extrusion) :

그림 92 압출물의 Chop Saw Cutting

		그림 94 접합을 위해 45도로 절단된 튜브 금속각구 에서 상당히 많이 쓰이는 절단이다.
그림 93 봉재의 냉간 절단 (Cold Saw Cutting)

그림 95  튜브를 45도로 잘라서 접합하여 만든 의자, Rodney Kinsman의 Tokyo(우)와 Vienna(좌, 아래)		그림 96 Rodney Kinsman, Vienna Chair

그림 97 수평 띠톱 절단 (Horizontal Bandsaw Cutting) 단면이 6인치 이상의 압출물이나 여러개의 압출물 또는관재를 묶은 상태로 절단할 수 있다.  24인치까지도 절단할 수 있다.