판금 가공의 기초 지식―장단점과 비용 절감 방법

판금 가공은 얇은 판 모양의 금속에 힘을 가해 변형시켜 입체적인 형상을 만들어내는 가공 기술입니다. 판금 가공의 가공법은 해머 등의 공구를 사용하여 수작업으로 금속 판에 힘을 가해 성형하는 손 판금과 재료를 툴에 끼워 유압 등의 기계적인 힘을 가해 성형하는 기계 판금으로 크게 구분됩니다. 이번에는 공업 제품에서 일반적으로 이용되는 가공법인 기계 판금을 「판금 가공」, 판금 가공에서 만드는 부품을 「판금 부품」으로 설계자가 알아두어야 하는 판금 가공의 기초를 소개합니다.

판금 가공의 포인트

판금 가공에서는 판 모양의 금속에 다양한 방법으로 힘을 가해 목적의 형상을 만들어내는데 그 원리는 금속 재료의 성질과 관련되어 있습니다. 금속 재료에 하중이 가해지면 재료는 구성하는 원자 간의 거리를 바꿔 일그러지면서 변형되어 갑니다. 그 때 처음에는 금속이 원래대로 돌아가려고 하는 힘(내력)이 작용하므로 하중이 작은 경우는 하중을 제거하면 금속은 원래 상태로 돌아갑니다(탄성 변형). 금속에 하중을 계속 가하고 있는 포인트(항복점)를 넘으면 금속은 원래대로 돌아올 수 없게 됩니다(소성 변형). 그리고 하중을 계속 가하면 견디지 못하고 파단됩니다. 판금 가공에서는 소성 변형으로 목적의 형상을 얻을 수 있도록 조정하면서 가공하는 기술이 중요합니다.

판금 가공의 공정

판금 가공에는 출하까지 크게 나누어 8가지 공정이 있습니다. 각 공정을 구체적으로 살펴보겠습니다.

1. 전개·프로그램 설계 도면은 3D CAD로 그려진 경우도 많지만 판금 가공에서는 반드시 1장의 판에서 가공하므로 CAD나 전용 소프트웨어를 사용하여 가공 전 1장 판의 상태로 「전개」하는 공정이 필요합니다. 도면이 전개되면 표준재에서 효율적으로 낭비 없이 부품을 취할 수 있도록 레이아웃하는 「네스팅」을 하고 병행하여 가공 프로그램도 만들어 갑니다.
   전개 전후의 그림
   네스팅
2. 절삭·절단 블랭크로도 불리는 금속판의 바깥 둘레나 안쪽 홀 등을 잘라내는 공정으로 주로 레이저 절단기와 터릿 펀치 프레스(터릿펀)라는 2종류의 가공기로 가공합니다. 크게 나누어 레이저 가공기는 바깥 둘레나 큰 홀의 고속 절단이 특기이고 터릿 펀치 프레스는 다수의 홀 가공과 성형 가공에도 대응할 수 있는 등의 특징이 있습니다. 양쪽의 장점을 동시에 실현한 「레이저·펀치 프레스 복합기」도 있어 판금 공장에 따라 보유하는 설비가 다르므로 발주 시 위탁처의 설비에 맞춰 가공을 할당하면 좋을 것입니다.
3. 버 제거 전공정에서 어떤 가공법을 취해도 레이저의 절단 버(드로스)나 펀치 프레스의 전단 버, 돌출부 등은 어느 정도 발생합니다. 이들을 제거하는 것이 버 제거 공정입니다. 핸드 그라인더나 줄을 사용하여 수작업하는 경우와 큰 사포를 회전시키는 버 제거기로 가공하는 경우가 있습니다. 판금 가공의 버 제거에서는 절삭 가공과 같이 C0.2나 R0.2 등의 미세한 치수 관리가 어렵습니다. 그 점에서 「버 없을 것」이라는 도면 지시는 애매하지만 「손을 베지 않을 정도로 버를 제거하기 바란다」라는 경우는 유효하다고 생각됩니다. 발주 시 버의 허용 범위에 대하여 위탁처와 인식을 맞춰두는 것이 바람직합니다.
4. 벤딩 프레스 브레이크라는 기계에 금형을 장착하고 절단한 판재에 압력을 가하여 일정 각도에서 직선적으로 구부리는 기법이 기계 판금의 일반적인 벤딩 가공입니다. 프레스 브레이크에서는 장치 상부에 숫놈형(펀치), 하부에 암놈형(받침대)을 장착하고 장치 상부를 위아래로 움직여 금속판을 구부리지만 재료의 로트나 압연 방향에 따라 벤딩으로 얻을 수 있는 각도가 다르므로 매번 세심하게 조정해야 하는 어려운 가공입니다. 그러나 벤딩 공정의 정밀도에 따라 후공정의 용접에서 가공의 편리함이나 미관이 크게 바뀌므로 판금 가공에서 가장 중요한 공정의 하나라고 할 수 있습니다. 또한 「프레스 브레이크」는 「벤딩 머신」「벤더」 등으로 불리기도 하며 모두 같은 기계를 가리킵니다.
5. 용접 금속에 열을 가해 용융시키고 냉각해서 금속을 접합하는 것이 용접 가공으로 판금 가공에서는 TIG 용접과 레이저 용접이 주로 이용되고 있습니다. 텅스텐 전극을 사용하는 TIG 용접은 실드 가스에 아르곤을 이용하므로 「아르곤 용접」이라고도 합니다. TIG 용접은 용융부에 용접 막대를 가하는 덧붙임 용접이 가능한 반면 재료로 입열이 많아 변형이 발생하기 쉬운 공법입니다. 가공 결과는 장인의 숙련된 기술에 의지하는 바가 커집니다. 레이저 용접은 열 변형을 줄이는 가공법으로 가공 기술을 쉽게 표준화할 수 있는 장점이 있지만 모재 용접이 기본이므로 살올림 지시가 있는 부품에는 사용하기 힘들고 공법 변경 등의 절차가 필요합니다.
6. 마감 판금 가공의 마감 공정으로는 용접에서 발생하는 열 변형 제거, 살올림 용접으로 올린 볼록부를 그라인더로 깎아 제거하는 작업 그리고 용접에서 발생하는 그을음을 전해 연마로 제거하는 공정, 표면 연마 처리(연마·버프) 등이 있습니다.
7. 조립 여러 부품을 조합하여 주로 볼트·너트나 리벳 등의 체결 부품을 이용하여 조립하는 공정입니다. 용접만큼 강도가 필요하지 않거나 나중에 분해 작업이 필요한 곳 등에 채택되는 경우가 많은 공법입니다. 조립 작업은 일명 「어셈블리」라고도 하고 부품 단위의 작은 조립부터 중간 규모의 유닛 단위, 최종적인 기계·장치 전체의 조립까지 폭넓은 작업·공정이 대상이 됩니다. 또한 판금 가공업계에서는 상술한 용접을 통한 조립 공정을 「조립」(용접 조립)이라고 하는 회사도 있습니다.
8. 검사 판금 가공품의 출하 전 검사에서는 치수 검사와 외관 검사를 육안으로 실시하는 것이 일반적입니다. 치수 검사에서는 주로 버니어 캘리퍼스나 스케일, 각도계 등을 이용하여 치수나 홀 위치, 정밀도에 오류가 없는지 여부, 도면과 완성품을 비교해 확인합니다. 외관 검사에서는 제품에 흠집이나 버가 없는지 여부를 육안 확인합니다. 공장에 따라서는 검사에 이미지 측정기나 3차원 측정기를 이용하는 곳도 있습니다.

판금 가공에서 이용하는 가공기의 종류

판금 가공에서는 위에서 설명한 바와 같이 각 공정에서 여러 기계를 사용합니다. 여기에서는 판금 가공에 이용하는 주요 가공기를 소개합니다.

• 레이저 가공기 레이저 가공기는 금속 재료에 고출력 레이저를 조사하여 국소적으로 용융시켜 녹인 금속을 기체로 날려 절단하는 가공기로 절단하는 둘레가 긴 바깥 둘레나 타원 홀 등의 고속 가공이 특기입니다. 한편 판에 홀 수가 많은 경우는 관통 타공(피어싱) 횟수가 늘어나서 가공에 시간이 걸린다고 하지만 최근에는 레이저의 고출력화로 타공 가공도 포함한 고속 가공이 가능해졌습니다. 그러나 탭 홀이나 버링 등의 성형 가공은 할 수 없습니다.
• 터릿 펀치 프레스 터릿 펀치 프레스(약칭: 터릿펀)는 터릿이라는 금형 홀더에 작은 금형을 많이 장착하여 금속을 고속으로 프레스하여 뽑아내는 가공기입니다. 1회 프레스로 1개 홀이 가공되므로 홀 수가 많은 부품의 고속 가공에 적합하고 그 밖에 탭이나 버링, 카운터보어 홀, 루버 가공 등의 성형 가공이 가능합니다. 한편 바깥 둘레나 타원 홀을 뽑으려면 많은 펀치 횟수가 필요하므로 가공에 시간이 걸립니다.
• 레이저·펀치 프레스 복합기 상술한 2종류의 가공기를 동시에 탑재한 복합기입니다. 시간이 걸리는 바깥 둘레나 큰 홀을 레이저로 가공하고 홀 가공이나 성형 가공을 펀치 프레스로 실시하는 등 절삭·성형의 가공을 1공정으로 실시합니다. 가공에 따라 장치를 바꿀 필요가 없어 워크 교체로 인한 가공 위치의 이탈이 잘 발생하지 않는 장점이 있습니다.
• 버 제거기 기존에 판금 공장에서는 핸드 그라인더나 줄을 이용하는 수작업으로 버를 제거하는 것이 일반적이었지만 최근에는 버 제거기를 도입하는 공장도 늘어났습니다. 버 제거기에서는 컨베이어 위에 워크를 흡착시키고 사포를 장착한 브러시를 회전시켜 균일하게 버를 제거합니다.
• 프레스 브레이크 프레스 브레이크에서는 장치 상부에 숫놈형(펀치), 하부에 암놈형(받침대)을 장착하고 장치 상부를 이동시켜 아래 방향으로 압력을 가해 금속판을 구부리는 가공을 합니다. 압력을 가하는 방법에 따라 기계식, 유압식, 서보 모터＋볼 나사식 등이 있지만 현재는 NC에서 가압량을 조정할 수 있는 모델이 일반적입니다. 최근에는 백 게이지(접촉)가 프로그램에 따라 자동으로 이동하는 기종이 보급되어 있어 벤딩 정밀도의 향상에 한몫하고 있습니다. 최대 가압력(톤 수)과 가공할 수 있는 길이에 따라 가공할 수 있는 재료의 소재, 판 두께, 길이 등이 정해집니다.
• 레이저 용접기 레이저 용접은 용입이 가늘고 깊고 그리고 열 영향층이 작아서 열 변형이 잘 발생하지 않는 용접 방법입니다. 레이저 용접 중 앞서 보급된 것은 「YAG 레이저」로 변형을 억제하여 미관을 유지하는 용접 공법으로 알려져 왔습니다. 그리고 2015년경부터 등장한 「화이버 레이저 용접기」는 YAG 레이저에서 우려되었던 강도 부족을 해결하고 저변형과 강도도 확보한 용접이 가능한 공법으로 급속히 보급되고 있습니다. 레이저 용접의 최대 장점은 박판이라도 변형이 잘 발생하지 않는다는 점이고 TIG 용접에서는 숙련된 장인만이 가능했던 가공과 초슬림 판의 가공이 비숙련자도 실현할 수 있는 공법입니다. 이후 설비가 경량화되면서 박판 채택이 진향되면 레이저 용접은 보다 일반적인 가공으로 보급될 전망입니다.
• TIG 용접기 TIG 용접(티그 용접)은 전기를 이용한 아크 용접의 일종으로 현재 기계 판금 현장에서 가장 일반적으로 사용되는 용접 공법입니다. 불활성 가스로 아르곤을 많이 이용해서 「아르곤 용접」이라고도 합니다. TIG 용접은 전극에 고압의 전기를 걸어 금속을 용융시켜 접합하므로 기밀성과 수밀성이 우수하고 용접 강도가 높다는 특징이 있습니다. 한편 금속으로의 입열이 크므로 용융 풀 주위에 열이 전달되는 열 영향부의 범위가 넓어 제품에 큰 변형이 생깁니다. 이 변형을 최대한 억제하여 용접하는 기술, 발생한 변형을 제거하는 기술이 대단히 어려워 TIG 용접은 「장인 기술」이라고 불리고 있습니다.

판금 가공에서 이용하는 재료와 표면 처리

판금 가공에 사용되는 재료는 스테인리스, 철강재(SPCC, SECC), 알루미늄 등의 종류가 있습니다. 판 두께도 소재에 따라 t0.1~22mm까지 다양합니다. 제품의 용도나 가공 특성을 고려하여 선정해야 합니다.

판금 가공의 장점·단점

판금 가공의 최대 장점은 소량 다품종 생산에 적합하다는 점입니다. 소성 가공의 대표적인 가공법인 프레스 가공은 같은 형상의 부품을 많이 제조하는 양산에 적합하지만 제품별로 금형을 제조해야 하므로 대량 생산하지 않으면 제품 가격이 비싸집니다. 그 점에서 판금 가공은 「절삭」「벤딩」「용접」 등 어느 공정에서도 범용적인 설비를 이용하고 벤딩 가공에서도 범용적인 금형을 사용합니다. 따라서 소량 다품종 제조에 대응할 수 있고 설계 변경이 발생한 경우에도 유연하게 대응 가능합니다. 또한 「절삭」「벤딩」「용접」을 조합하여 1장의 판재에서 복잡한 형상의 제품을 만들 수 있다는 점도 큰 장점이라고 할 수 있습니다. 반대로 단점은 부품을 1점씩 가공하므로 같은 부품을 대량으로 만드는 경우 생산에 시간이 걸립니다. 특히 용접 등은 아직 장인 기술에 의존하는 부분이 크고 누구라도 가공할 수 있는 것은 아니므로 양산에는 적합하지 않습니다.

판금 가공의 비용 절감 방법

판금 가공에서 비용 절감을 실현하기 위한 포인트 4가지를 소개합니다.

• 가공제조업체의 특기 분야를 근거로 발주한다 한 마디로 「판금 가공 제조업체」라고 해도 각 사의 설비는 다양합니다. 가공기의 특징을 바탕으로 발주하면 비용 절감이 가능할 수 있습니다. 예를 들어 상술한 바와 같이 레이저 절단기는 전체 둘레나 타원 홀의 고속 가공이, 터릿 펀치 프레스는 대량의 홀 가공이나 성형 가공이 특기입니다. 블랭크 공정을 레이저 절단기 메인으로 가공하고 있는 제조업체에 홀 가공과 성형 중심의 제품을 발주하면 가공 비용은 올라가고 터릿 펀치 프레스를 중심으로 하고 있는데 대형 바깥 둘레 컷을 발주하면 가공 비용이 오르게 됩니다. 가공 제조업체의 특기 분야를 판별하여 발주하면 비용 절감 가능성이 높아집니다.
• 용접을 줄이고 구부릴 수 있는 곳은 구부린다 「TIG 용접」 항에서 설명한 대로 소량 다품종 용접 가공은 장인의 숙련된 기술에 의존할 수 밖에 없는 부분이 커서 가공 단가가 높아지게 됩니다. 예를 들어 2장의 판을 90도로 맞추는 경우 벤딩이 가능하면 벤딩 쪽이 가공 단가가 내려가는 경향이 있습니다. 벤딩 가공의 특징(재료·금형과의 간섭 등)을 토대로 선정하면 좋을 것입니다. 벤딩 가공 이외에는 리벳 접합도 비용 절감으로 이어지지만 도면 내 모두 용접 없이 해야 합니다.
• 버 제거 지시를 재검토한다 도면에서는 「전체 둘레 버 없을 것」이라는 지시가 눈에 띄지만 가공 제조업체에서는 버 제거에도 상당한 설비비·인건비를 들여 대응하고 있습니다. 버 제거 지시를 진정 필요한 부분으로 좁히면 공장쪽에서 버 제거에 드는 작업비를 절감할 수 있습니다. 또한 느닷없이 고정밀도를 요구하는 것이 아닌 가공쪽이 실제 어느 정도까지 정밀도를 실현할 수 있는지 발주쪽이 버 제거 품질에 대하여 어디까지 허용 가능한지 등에 대하여 협의하면 비용 절감의 길이 보일지도 모릅니다.
• 살올림 용접의 필요 여부를 재검토한다 모서리 조인트 용접 등에서는 강도를 확보하기 위해 살올림 용접의 지시를 넣는 것이 일반적이라고 생각하지만 박판에서 저변형 용접을 쉽게 실현할 수 있는 레이저 용접은 살올림 용접이 어렵습니다. 최근에는 화이버 레이저 용접 등 모재 용접으로도 충분한 강도를 활보할 수 있는 공법도 보급되어서 강도 확보를 위한 살올림을 고집하지 않고 공법 전환을 검토하는 것도 비용 절감의 한 수가 될 수 있습니다.

정리

판금 가공은 소량 다품종 가공에 유연하게 대응할 수 있는 가공 기술이지만 아직 장인의 직감적인 감각이 필요한 부분도 많아 어려운 가공 분야라고 할 수 있습니다. 또한 가공기나 가공법 선정에 따라 제조 비용이 바뀌므로 판금 가공의 특징을 이해하여 효율적으로 설계하도록 합시다. 한국미스미 meviy에서는 판금 부품을 즉시 견적 및 가공할 수 있습니다. 지금 바로 3D CAD 데이터를 meviy에 업로드하여 견적을 받아보세요.