4 2014년도 프레스 세미나-주제1-부가가치를 실현하는 고정밀 전단가공-140409
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4 2014년도 프레스 세미나-주제1-부가가치를 실현하는 고정밀 전단가공-140409 4 2014년도 프레스 세미나-주제1-부가가치를 실현하는 고정밀 전단가공-140409 Presentation Transcript

  • ’14 년 프레스업종 기술세미나 자동차부품산업진흥재단 전문위원 장 치 수 2014 년 04 월 15 ~ 17 일 자동차부품산업진흥재단
  • 주제 1 고정밀 전단 가공 부가가치를 실현하 는 주제 2 금형 교환 시간 단축 (QDC) 생산성 향상을 위한 세미나 발표 주제
  • ▣. 주제 선정 배경 ▣. 전단 금형 기본 개념 ▣. 전단 가공 기술 STUDY ( 전단 가공 속도 , CRACK 대 책 , 윤활 , 금형 수명 ) 고정밀 전단 가공 부가가치를 실현하 는 주제 1 View slide
  • ▣. 주제 선정 배경 ◈. 전단 가공은 프레스 가공의 50% 이상 활용하는 극히 단순한 가공이다 . ◈. 전단면이 기계 가공한 면과 비교하면 거칠은 단점이 있다 . ◈. 이를 개선하기 위해 FINE BLANKING 공법이 1923 년 스위스에 발명 발전되어 왔다 . ◈. 전단 가공 기술은 대량 생산 , 저 COST 화 등의 관점에서 중요 기술로 자리하고 있다 . ◈. 특히 자동차의 경량화의 필요성 및 전자 분야 접목이 진전되어 ◎ 고장력 강판과 단자용 얇은 박판 등 가공이 어려운 소재 대응필요 . ◎ 전단 가공 기술 요소 별 특성을 알아보고 , 전단 가공 문제점의 대처 방법 등을 생각해 보기로 한다 . View slide
  • 드로잉으로 만들어진 형상 부위에서 불필요한 부분을 전단하는 금형을 말하며 TRIM 금형은 크게 보아 판넬의 위치를 잡아주는 부분 , 스크랩으로 버릴 부위 , 전단 작업 중 변형을 방지해 주는 부분 그리고 전단 상 . 하 날부로 구성된다 TRIM DIE 압력 SPRING & GUIDE PIN ( 추가 가압시 GAS TANK 부착 )PAD RETURN PIN 상형날 하형날 LIFTER SCRAP CHUTE VIBRATER SETT'G BLOCK GUIDE POST SCRAP CUT 하형 상형 재료가 눌린 부분 전단면 (1/3t 이상이 적당 ) 파단면 BURR 하형날 TRIM 부 구조 PAD 상형날 짤린부위 단면 ▣. 전단 (TRIM) 금형 기본 구조
  • ▣. 전단 (TRIM) 금형 기본 구조 Trimming Blade
  • -CLEARLANCE 전단하는 상 . 하 날 사이의 간격을 말하며 적정한 간격 유지가 날의 마모 및 BURR 발생 , 전단하중 및 전단면 형상에 큰 영향을 미친다 재료별 적정 CLEARLANCE ( 두께 : t ) 구 분 재 질 CLEARLANCE 연질 ( 연강 , 황동 ) (0.04~0.05) * t 금 속 중경질 ( 동판등 ) (0.05~0.06) * t 경질 ( 경강판 등 ) (0.05~0.07) * t 비금속 베크라이트 (0.01~0.03) * t 종이 0 CLEARLANCE 식입량 (2t+1) ▣. 전단 (TRIM) 금형 기본 개념
  • - TRIM 부의 전단력 P = τ x ℓ x t P : 전단력 (kg) τ : 전단응력 (kg/mm²) ℓ : 전단길이 (mm) t : 재료두께 (mm) - PAD’G 력 ( STRIP’G 력 ) 전단 가공시 제품의 변형 및 제품이 상형 STEEL 에 끼어 올라 가는 것을 막는 힘 F = P x ( 5 ~ 10% ) F : 패딩력 (kg)  PAD’G 력은 식입 완료상태가 아니라 전단 작업 개시 시점에 확보되어야 한다 ▣. 전단 (TRIM) 금형 기본 개념
  • - PAD STROKE 결정 방법 패드 스트로크 = t + h + α h : 상형의 전단 날이 하형의 전단 날에 식입되는 량 α : 전단 작업이 시작되는 시점에서 PAD’G 력이 나올 수 있도록 패드 스트로크 값을 정하며 , SPR’G 종류에 따라서도 달라짐 - SPRING 선도 Kgf/mm α 식 입 PAD ST 자유장 K DEFLECTION α - SPR’G 선도에 도시할 항목 * SPR’G 사양 및 수량 ( n ) , 상수 (K) * DEFLECTION * 작업 시점시 ST 및 PAD’G 력 ( F ) * 식입량 및 PAD ST * 최종 작업 완료시 힘 ( F’ ) F’ = K x n x PAD ST F = K x n x ST ( α ) ▣. 전단 (TRIM) 금형 기본 개념
  • ▣. 고장력 강판의 전단 가공 ◈. 초 고장력 소재로 높은 정밀도의 GEAR 등 기능부품의 전단 가공 시 , 가공 속도 V 에 따른 전단면의 상태는 아래 그림과 같다 . △. 가공 속도 V 가 크면 PIE 나 , BLANK 모두 전단면 상태는 양호하나 , 스프링빽의 영향으로 가공 치수 정밀도는 떨어지게 되고 , 이의 대책으로 세이빙 가공 한다 . ■. 전단 가공 속도의 영향 타발 속도 50SPM (100mm/se c) 1SPM (2mm/se c) 30SPM (20mm/sec ) 70SPM (140mm/se c) BLANK HOLE 눌림 눌림 그림 : 정밀전단에서 전단 가공 속도의 영향 ( 다이 R 의 영향 ) 980Y t=1.4mm
  • △. 아래 그림은 세이빙 전 , 후의 직경 치수의 변화를 표시한 것이다 . △. 가공 속도 V =140mm/sec (70SPM) 일 때 직경이 세이빙 펀치와 가장 근접하다 ▣. 고장력 강판의 전단 가공 ■. 전단 가공 속도의 영향
  • ◈. 앞의 세이빙 가공의 시험을 토대로 SK85 소재를 열처리 ( 소입 , 소둔 , 강도 590HV) 하여 적절한 가공 조건을 설정 세이빙 가공하여 평활한 전단면을 얻은 것을 사진에 표시 하였다 . △. 왓샤의 경우 소재→열처리→절삭또는 연삭 ⇒ 소재→열처리→전단가공 , 세이빙가공 으로 개선 COST 절감을 할 수 있었다 . ▣. 고장력 강판의 전단 가공 소재가공조건 세잉빙가공조건 펀치경 : Ф19.76 mm (R=0.0 또는 0.3 mm) 펀치경 : Ф19.96 mm (R=0.0 또는 0.3mm) 다이경 : Ф19.80 mm (R=0.0 mm) 다이경 : Ф20.00mm (R=0.0 mm) CLEARANCE=1%t 가공여유 편측 0.13mm 사진 : 高强度材의 HOLE 세이빙 결과 재질 : SK85 열처리재 t = 2mm 590HV 소재 (Rp_=0mm) 세이빙 (Rp_=0mm) 세이빙 (Rp_=0mm) 소재 (Rp_=0.3mm) ■. 고장력 소재 전단면 성상
  • ◈. 아래 사진과 같은 시트 골조 부품 590 소재의 인장 flange 가공 시 발생한 crack 문제의 개선 내용 소개 한다 . △. 성형공정은 9 공정의 PRO 금형으로 되어있고 , CRACK 은 FLANGE 공정에서 발생 △. 아래 현미경확대 사진에서 HAIR CRACK 이 많이 발생 되었고 , 이 것은 소재가 늘어남에 따른 CRACK 이라는 것을 알 수 있다 . ▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책 CRACK 부위 제품과 CRACK 부 사진 미세 HAIR CRACK 확대 사진 : 미세 HAIR CRACK ■. CRACK 발생 현상
  • ◈. CRACK 발생 원인과 대책 방안의 상관 관계를 조사해 본 결과 △. 아래와 같은 CRACK 방지 대책 상관도로 정리 하였다 . -. 가공 경화 방지 , -. 전단면의 정밀도 . -. CLEARANCE -. 정기 MAINTENANCE -. 품질 관리 ▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책 ■. CRACK 발생 대책 방안 가공 경화 방 지 전단면 개선 클리어런스 정기 유지 보수 품질 관리 CRACK 방지 상관도
  • ◈. 전단 가공 시 발생되는 열에 의해 전단면이 경화된다는 것은 당연한 현상이고 , 전단열 감소 → 경화 감소 , △. CRACK 발생 부위를 블랭킹 작업 전에 SLITTING 작업 후 블랭킹 하므로 경화 감소 . ▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책 ■. 가공 경화 방지 전 공정에서 SLITTING 편측 3 개 소 CRACK 방지 과 정 SLITTING 않는 경 우 SLITTING 하는 경 우 펀치 펀치 다이 다이 전 공정 SLIT 1 발 전 단 경화됨 경화 약함 BLANK 제 품 BLANK 제 품 가 공 방 향 가 공 방 향
  • ◈. SLITTING & BLANKING 한 것과 BLANKING 일발 작업 했을 때 전단 표면에서 부터의 경 도 변화 그래프는 아래와 같다 . △. 전단면에서 0.3 mm 깊이 부근에서는 거의 동일한 경도 . 이나 , 단면에서는 HV 30 정도 감소되어 CRACK 발생이 감소됨 . ▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책 ■. 가공 경화 방지 (SLITTING 효과 ) SLITTING 효과 ( 전단면으로 부터 내부로의 경도 변 화 ) 단면에서의 깊이 / mm 깊이 0.3mm 근처에서 경도 동일 1 발 전단은 전단 표면 경도 높게 나타남 .
  • ◈. BLANK 금형의 STEEL 은 사상을 하고 있지만 , BLANK 재의 전단면인 DIE 면을 특별히 사 상한 DIE 면 정도가 BLANK 재에 전사되어 CRACK 발생을 “ ZERO” 화 시킬 수 있었다 . △. DIE 의 전단면을 와이어 컷팅 했을 때 면조도가 Rz 1.2 정도인 것을 저석 (#4000) 및 다이아몬드줄 등을 이용하여 Rz 0.5 이하로 사상하고 표면처리 실시 . ▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책 ■. 전단면 정밀도 향상 사상 작업과 부품
  • ◈. 금형 다이 면 정밀 사상 및 표면처리 전 , 후의 BLANK 전단면의 조도를 비교해 보면 아래 와 같다 . △. 그리고 , CRACK 부위 전단면이 균일하게 되도록 CLEARANCE 조정하는 것도 CRACK 방지에 중요 하다 . ▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책 ■. 금형 다이 사상 후 BLANK 단면 상 태 BLANK 금형 STEEL 정밀 사상 작 업 개선 개선 전 개선 후 개선전 단면 조 도 개선후 단면 조 도
  • ◈. 금형 STEEL 의 연마도 아래 그림과 같이 CRACK 면연 방향으로 하는 것이 필요 하다 . △. BLANK 전단면을 안정화 시켜 , CRACK 발생 “ ZERO” 화에 도움이 된다 . ▣. 고장력 강판 flange 부 crack 대책 ■. 금형 STEEL 의 연마 가공 방향 CRAC K 부 위 연마 방향 CRACK 부위를 고려한 연마 방 향
  • ◈. 높은 정도 ( 조도 1.6Ra 이하 ) 요구되는 기능부품 ( 소재 t=12) 금형의 정밀도 향상 및 금 형 수명 연장을 위한 개선 사례 △. 아래 그림과 같은 잠금 장치 부품을 FB ( FINE BLANKING ) 으로 생산 . 파단면 방지를 목적으로 소재 압축응력 증가를 위해 V-RING 설치 및 CLEARANCE 최소 화 . ▣. 정밀 부품 금형 정밀도 & 수명 잠금 기능 부품 Fine Blanking 가공법 PUNCH 력 소재 PAD’G 력 V RING ■. 후판 고정도 부품 개선 사례
  • ◈. 금형 부품의 정도 향상을 위해 부품 가공 공정에 랲핑 공정 추가하고 랲핑 시간 단축을 위해 와이어 가공 , 방전가공 정밀도 향상 병행 △. 아래 그림과 같은 잠금 장치 부품을 FB ( FINE BLANKING ) 으로 생산 . ▣. 정밀 부품 금형 정밀도 & 수명 ■. 금형 부품 정도 향상 및 수명 기계가공 열처리가공 연삭가공 와이어가공 방전가공표면처리 종전의 가공 공정 기계가공 열처리가공 연삭가공 와이어가공 기계가공표면처리 개선 가공 공정 랲핑가공
  • ◈. 부품 가공 방법 개선 전 , 후의 금형 STEEL 가공 정밀도 비교 . 와이어 가공 ( 종전방법 ) → 랲핑 가공 ( 개선 방법 ) 면 조도 향상 2.5 Rz → 0.4 Rz ▣. 정밀 부품 금형 정밀도 & 수명 ■. 금형 부품 정도 향상 및 수명 종전가공 공정 제작 와이어가 공 면조도 : 2.5Rz 개선 가공 공정 제작 랲핑가공 면조도 : 0.4Rz
  • ◈. 개선 전 , 후 금형 수명 , RUNNIG COST 는 2 배 향상 효과를 얻음 . #. 실제 이와 같은 개선의 전제 조건으로 부품 가공 기술력 ( 랲핑기능 포함 ) 측정 능력의 확보와 금형 , 설비 , 재료의 기본 관리를 필요 하다 . ▣. 정밀 부품 금형 정밀도 & 수명 ■. 금형 부품 정도 향상 및 수명 수명 비교 개선전 개선후 비용 비교 개선 전 개선 후
  • ◈. 전단면의 확대 등 고정도의 전단 가공 시 , CLEARANCE 를 좁게하면 유용하게 되지만 , 금형 수명이 저하된다 . ◈. 금형 수명이 저하되는 원인은 , CLEARANCE 가 적게되 면 전단력이 크게 되어 날부에 부하가 크게 걸리고 , 전단 시 전단면이 넓어져 펀치가 늘어붙기 쉽게 되고 , 펀치가 식입 후 올라 갈 때 펀치 측면에 마찰력이 증대되어 날부에 인장력이 작용되어 펀치 날부 손상이 쉽다 . ◈. 따라서 내소착성 향상을 위해 윤활유가 필요한 것이다 . ◈. 재료 두께가 두꺼운 강판 , 고장력 강판 , 스테인레스 강 판 등의 경우 윤활유를 도포해도 펀치가 식입 시에는 윤활 기능을 해도 , 펀치가 올라 갈 때는 윤활 기능이 저하되어 ▣. 전단 가공에서의 윤활 ■. 전단 가공에서 윤활의 중요성 
  • ▣. 전단 가공에서의 윤활 ■. 전단 가공 문제점의 윤활 기술 시각에서 대책 문 제 점 대 책 방 안 파단 두꺼운 소재는 재료의 구상화 정 도 , 금형 정도가 주요 요소 이다 -. 다이 펀치의 응착 방지 , 재료 결 방향 고려 -. 내긁힘성 높고 , 고점도 윤활유 사용 좋음 눌림 PAD 나 STRIPPER 의 압력 밸 런스에 따라 차이 남 . 클리어런스 작게 , 금형 수명 단 축 -. 다이 , 펀치 측면 소착 → 부분적 윤활유 추가 급유 -. 내긁힘성 높고 , 고점도 윤활유 사용 좋음 . BURR 적정 클리어런스 확보 미흡 마모로 클리어런스 증대 원인 -. 금형 수명 원인의 경우 , 금형 표면처리 시 내소착 성만이 아니라 내마모성도 고려 . -. 내긁힘성 만이 아니라 내마모성이 좋은 윤활유 . 두꺼운 소재 성형 하중이 높고 , 클리어런스에 의해 다르지만 , 파단면 흠 , BURR 가 많이 발생 -.BURR 대책은 위의 내용 참고 . -. 마찰 거리가 길어 고점도이고 내긁힘성 윤활유 PIE 스크랲 상승 제품 불량 , 금형 파손 -. 점도 낮은 윤활유가 좋음 . 타흔 ( 찍 힘 ) BURR 나 마모가루에 의해 불균 일 에 의한 찍힘 불량 발생 -. 점도 낮은 윤활유가 좋으나 , 날부 마모가 문제 이므로 내마모성이 높은 것이 좋음 .
  • ▣. 전단 가공에서의 윤활 ■. 고온에서 마찰력 감소 성능 윤활유 필요성 ◈. 고장력 강판의 사용 , 고정밀도의 프레스 제품 요구 됨에 따라 전단 가공 시 금형 온도가 상승 한다 . ◈. 온도 10 도 상승 되면 점도가 40~70% 낮아진다 , 따라서 고온에서 점도가 유지되어 전단 가공 시 마찰력을 감소 시킬 필요성 있다 . △. 일본 회사에서 개량한 윤활유 시험 내용 하기에 소개 . 마찰시험결과 ( 상 온 :23℃) 마찰시험결과 ( 가 온 :200℃) 개량전 윤활 유개량후 윤활 유 개량전 윤활 유개량후 윤활 유 하중 (N) 하중 (N)
  • ◈. 최근에는 환경 보호를 위해 타발유 없는 전단가공 ( 무급유 전단가공 ) 이 대두되고 있다 . DLC (Diamond Like Carbon) 코팅한 펀치로 AL 소재를 무윤활로 PIE 하여 양호한 결과를 얻었다 . < 아래 그림 > △. 더 나아가 SUS 304 t=1mm 소재를 초경판에 1,5mm 의 소결 Diamond ( PCD : Polycry- stalline Diamond) 층을 형성하여 다른 모재와 접합 펀치로 무윤활 조건에서 14 만 타발한 시험 보고된 문헌도 있다 . ▣. 무급유 전단 가공 ( AL 소재 ) 그림 : 5,000 타발 시험 후의 HOLE 측 단면 형상 ( Ф 5mm HOLE, C = 10% t , 소재 : AL 판 , t = 1mm ) (a) NON-COATING 펀치 사용 (b) DLC-COATING 펀치 사용 타발 방향 DLCÄÚÆÃ
  • ▣. 고장력 강판 금형 수명 ■. 고장력 강판 금형의 손상 형태 ◈. 고장력 강판의 금형에 통상적 냉간다이스강 ( SKD11) + 표면처리 하여 사용 하고 있다 . 그러나 , 기존 강재 + 표면처리로는 금형 수명 개선에 충분하지 못한 것이 현실이다 . △. 금형 손상 형태에 대해 알아 보자 . 소재 : 고장력 강판 (980 Mpa t=2.0mm) 금형 : SKD11 + VC (VC: 고주파 확산처 리 ) Flange 금형 손상 형태 제품표 면 금형표 면 손상개 소 긁힘발 생
  • ▣. 고장력 강판 금형 수명 ■. 고장력 강판 금형의 손상 형태 1. 입자 큰 탄화물에 의한 요인 . -. 탄화물이 SKD11 의 내마모성 인자 . -. 입자 큰 탄화물 부위 경도가 높다 . *. 일반부 : 700 HV, *. 탄화물 : 1800~2800 HV -. 표면처리 피막의 경우 왼쪽 그림과 같은 과정으로 금형의 수명 저하 요인이 된다 . #. CHIPPING 현상도 탄화물 요인 多 모재의 입자 큰 탄화물에 의한 피막 손상 피막 손상부에 입자 큰 탄화물 피막 : PVD 피막 탄화물 습동방향 CRACK 발 생 피막이 탈 ●. 긁힘 ( かじり ) 발생 요인을 보면 다음의 3 가지 경우가 있 다 . 1. 금형 모재의 입자가 큰 탄화물에 의한 요인 . 2. 금형에 걸리는 면압 ( 面壓 ) 에 의한 요인 . 3. 가공 발열 ( 發熱 ) 에 의한 요인 .
  • ▣. 고장력 강판 금형 수명 ■. 고장력 강판 금형의 손상 형태 큼 금형표면 (SKD11+TIC) ( X 200) 면압 적 음 면압에 의한 피막 손상 2. 금형에 걸리는 면압 ( 面壓 ) 에 의한 요인 . -. 제품 성형 시뮬레이션에서 면압이 많이 걸리는 부분에 CRACK 발생을 보인 다 . -. 일정 면압 이상 걸리면 피막이 견디지 못하고 , 손상이 발생 된다 . SKD11+TIC 처리 했지만 고장력 강판에 의한 강도 보다 피막 강도가 약함 .
  • ▣. 고장력 강판 금형 수명 ■. 고장력 강판 금형의 손상 형태 피막의 산화 현상 손상된 주변 ( X 2000) 건전부 ( X 2000) 3. 발열 ( 發熱 ) 에 의한 요인 . -. FLANGE 등 긁힘 현상 발생된 부위의 금형 (SKD11+VC) 표면을 확대한 사 진 -. 손상된 주변에는 O ( 산소 ) 가 많이 검출 되었다 -. VC 피막이 산화 되었다는 것을 알 수 있다 -. 통상 VC 는 450℃ 아상에서 산화 되는데 , 고장력 강판 사용으로 성형 온 도가 그 이상임을 알 수 있다 -. 피막은 산화에 의해 경도가 떨어진다 . 결국 가공열에 의해 성능 저하 됨
  • ▣. 고장력 강판 금형 수명 ■. 금형 수명 개선 대책 ●. 앞에서 설명한 문제점 개선의 포인트는 △. 소재의 탄화물 감소 . 피막면이 고온에서 내마모성 향상 , 고압에서 피막 손상 개선 필요 . #. 결국 새로운 금형 소재가 필요하게 되고 , 모든 나라에서 신소재 연구가 진행 중이다 . -. 문헌에 올라온 一例를 소개 한다 . △. 개선된 ‘신소재’는 탄화물 제거 , 경도는 SKD11 과 같이 HRC 60 . 개발된 신소재와 SKD11 조직 신소재 SKD11 입자 큰 탄화 믈 적 음 많 음
  • ▣. 고장력 강판 금형 수명 ■. 금형 수명 개선 대책 △. 개선된 ‘신소재’는 탄화물 제거 , 경도는 SKD11 과 같이 HRC 60 . TRIM 금형 CHIPPING 상태 SKD1 1 신소재 TRIM 금형 인선부 상태 SKD1 1 신소재 미세한 CHIPPING
  • ▣. 고장력 강판 금형 수명 ■. 금형 수명 개선 대책 △. 개선된 ‘신소재’에 신표면처리 적용으로 내열온도 450℃ → 1000℃ 로 향상 . BENDING 시험 결과 피막 모재 신소재 신공법 기 존 수 명 향 상 제품에 긁힘 발생을 수명으로 함 △. TRIM 금형 수명 향상 기존 : 5000 SHOT → 183,000 SHOT 로 향상 되었다고 보고 되어 있음 .
  • ▣. 정리 요약 ◈. 금형 구조 강도 강화 . ( 재질 , RIB 두께 , 인부 ( 刃部 ) BACK-UP 등 ) ◈. 성형 제품과 금형 형상 밀착도 확보 . ( 성형 제품의 형상 데이터 ) ◈. 재질과 소재 두께 형상에 따라 적정 CLEARANCE ( t x 5~7% 정 도 ) ◈. 전단 가공 시 제품 유동 방지 . → 충분한 PAD’G 력 확보 ( 전단력의 최소 20~40% 압력 ) ◈. 충격이나 식입 단락없는 SHARE 각 설정 . ◈. CHIPPING 현상 방지를 위해 인부 ( 刃部 ) 0.2R 정도 . ◈. 인부 ( 刃部 ) 조도 사상 . ( 가능하면 랲핑까지 ) ◈. 재질 특성에 맞는 표면처리 ◈. 인부 ( 刃部 ) 소재 UP GRADE (SKD11 → 신소재 ) ( 탄화물 미세화 , 내면압성 ( 內面压性 ), 내열성 ( 耐熱性 ) ) 고장력 강판 사용에 따른 품질 및 금형 내구성 향상 방안 정리
  • 경청해 주셔서 감사합니다 Thank you.