사출성형제품에있어서 Under-Cut 구조는매우중요한비중을차지하고있으며그복잡성및다양성은향후에도제품의다기능화및원가절감을위한부품수량감소등의요인으로인하여그정도를점점더해갈것으로보여지며, 금형제작사의중요경쟁력으로자리할것으로보여진다. 이에기본적인 Under-Cut 구조에대해기구적

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서웅 환
6 years ago
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1 사출금형 Under Cut 구조

Under-Cut 구조설계시고려할부분 -Under-Cut 방향및거리 - 사출압력에의한하중을견딜수있는구조 - 전진및후퇴구조 - 작동순서 - 오작동시안전장치 - 가공성, 공차관리, 분해조립편리성 - 원활한작동 - 작동부중량, 크기, 무게중심.

2 사출성형제품에있어서 Under-Cut 구조는매우중요한비중을차지하고있으며그복잡성및다양성은향후에도제품의다기능화및원가절감을위한부품수량감소등의요인으로인하여그정도를점점더해갈것으로보여지며, 금형제작사의중요경쟁력으로자리할것으로보여진다. 이에기본적인 Under-Cut 구조에대해기구적, 역학적검토를통하여작동구조에대한이해를높이고, 추가응용구조들을살펴봄으로써응용력을길러새로운작동구조의고안도가능하도록하고자한다. Under-Cut 구조설계시고려할부분 -Under-Cut 방향및거리 - 사출압력에의한하중을견딜수있는구조 - 전진및후퇴구조 - 작동순서 - 오작동시안전장치 - 가공성, 공차관리, 분해조립편리성 - 원활한작동 - 작동부중량, 크기, 무게중심... - 충격하중 -Under-Cut 방향및거리제품에서 Under-Cut 제거를위해서가장먼저검토할사항은작동코아의작동방향및작동거리이다. 이때작동거리는제품취출시흔들림, 수축에의한변형등을고려하여결정하여야한다. 특히긴제품에서수축에의한변형이 Under-Cut 제거에불리한경우는수축률계산하에작동거리를결정하여야한다. 수축방향 수축에의한변형이 Under-Cut 제거에불리한경우

형상이고르고큰빼기구배를갖도록결정하여야하며, 또한가공시 Index 도구등을사용하기용이하도록결정한다.

3 이와는반대로간혹완만한 Under-Cut 이제품취출시문제가되지않는경우도있는데, 이때는별도기구사용없이 Under-Cut 제거가가능하다. 수축방향 완만한 Under-Cut 별도기구사용없이 Under-Cut 제거가가능한경우 작동방향은가급적작동코아의진행방향에대하여 Under-Cut 형상이고르고큰빼기구배를갖도록결정하여야하며, 또한가공시 Index 도구등을사용하기용이하도록결정한다. 또한변형코아등은작동거리까지고려하여 Under-Cut 형상이있는지필히검토해야한다. 아울러슬라이드코아및변형코아등에서제품이물릴우려가있을경우는밀핀내지는작동코아내에서부분작동코아를설치하여제품이딸려가는것을방지하도록한다. 작동코아에제품물림이심하지않을경우는딸림방지형상의추가로딸려가는현상을제어할수있다.

4 이중 작동 슬라이드를 이용한 밀핀 적용 캠을 이용한 작동 코아내 밀핀 설치 고려 (

5 형합면을이용한부분작동코아 밀핀에딸림방지형상을추가한경우

6 - 사출압력에의한하중을견딜수있는구조일반적으로사출성형시성형부의사출압력범위는 200~800Kgf/cm 2 으로매우높은하중이작용하므로작동코아는사출압력에의한하중을충분히견딜수있어야한다. 가장쉽고간단한방법은사출기의형체력을이용하는방법이고, 만약고정측슬라이드와같이형개이전에작동해야할경우는유압실린더등이예상사출압에의한하중을충분히견딜수있는용량을갖춰야한다. 설계시항상대두되는문제점중하나가안전률문제인데, 실제안전률을결정할때는가급적불확실한요소를없애는것이중요하다. 예를들어앞서언급한유압실린더의경우, 유압실린더제작사에서얼마만큼신뢰성을가지고용량을보장하는지알수없다면효율을 70% 이상을볼수없으며, 여기에다시사출압이얼마나작용하는지알수없다면, 하중계산시 800Kgf/cm 2 의사출압을고려해야하는데, 만약실린더효율이 95% 이상이고사출압도 300Kgf/cm 2 정도라면약 3.5 배정도 Over design 이되며, 이러한문제는여기서그치지않고, 양산시유압펌프용량을더차지함은물론이고, 과도하게큰유압실린더장착을위해실린더부착부위등의크기또한커져야하므로, 최악의경우는금형크기를키워야할수도있다. 이러한연유로설계시정확한기술자료의확보는매우중요하게다뤄져야한다. 실제로작동코아는정적평형상태에서하중을받는것이아니고, 동적하중을받게되는데이때가장중요한인자가작동부중량이고, 작동부중량이커질수록내구성, 정밀도, 안정성이떨어질것은너무도당연한이치이므로, 작동코아의 Over design 은최대한삼가하여야한다. 사출기형체력을이용하여슬라이드 Locking 을할때는슬라이드코아의성형부를고르게받쳐줄수있어야한다. 예를들어슬라이드성형부는 PL 에서 Z(-) 측에있는데 Locking 은 Z(+) 만한다면, 슬라이드코아는 Moment 하중으로인하여젖혀지려는힘을받게되고, 작동코아의원활한작동을위한유격을충분히줄수없으며, 형합면의불균일한마모등으로인하여품질, 내구성등에문제를일으키게된다. 또한슬라이드코아가높을때는상원판측벽의벌어짐을초래할수있으므로 Locking 면을하원판바닥면에심어서 Interlocking 시키도록한다. 변형코아의경우는사출압이밀판에직접전달되지않도록하코아등에받침단을설치하도록하고쐐기형상의측벽들이틈새를유지하여사출압에의해박힐우려가없도록한다.

7 슬라이드 Locking 과성형부를균형되게한경우 상원판에설치된 Locking Block 상원판에 Locking Block 을설치하원판바닥면에 Interlocking 시킨경우

받침단 변형코아받침단및틈새유지가필요한쐐기형상 - 전진및후퇴구조가장기본적인구조는사출기형개폐운동및취출운동을캠을사용하여원하는작동방향으로바꾸는방법으로, 이때사용하는캠의종류는경사핀, dog-leg cam, 시간차캠, 한가지이상의경사를가지는형상캠등이있다.

8 받침단 변형코아받침단및틈새유지가필요한쐐기형상 - 전진및후퇴구조가장기본적인구조는사출기형개폐운동및취출운동을캠을사용하여원하는작동방향으로바꾸는방법으로, 이때사용하는캠의종류는경사핀, dog-leg cam, 시간차캠, 한가지이상의경사를가지는형상캠등이있다. 모든종류의캠은공통으로쐐기원리를사용하며, 가장기본구조는경사핀이고 dog-leg cam 의경우짧은행정거리를가질때 Locking 겸용으로사용하고, 시간차캠및여러경사를가지는캠의경우는주로작동순서에대한제어목적으로사용된다. 그밖에사출기운동을이용하기곤란한경우유압실린더, 모터등직접운동을하는 Actuator 등이사용되는경우도있는데, 이경우는사출압에의한하중을충분히견딜수있는구조가되어야한다. 이외에도주로나사금형등에서사용되는 Gear, Chain, Rack & Pinion, Linkage 등다양한기구들을사용할수있겠으나, Locking 방법과유지보수의용이성을고려하여가급적단순한방법으로 Under-Cut 을제거할수있도록하는것이중요하다.

9 - 작동순서 Under-Cut 의제거는그형상이고정측성형부에위치하는지, 가동측성형부에위치하는지에따라 PL 면이벌어지기전에제거되어야하는지, PL 면이벌어질때작동되어도가능한지가결정되며, 가동측 Under-Cut 의경우는제품취출시밀판운동을이용하여 Under-Cut 형상을제거할수도있다. 일반적으로고정측성형부에위치하여 PL 면이벌어지기전에제거되어야하는 Under-Cut 은 3 단작동구조를사용하여형개운동을 Latch 등의기구를사용하여금형열림순서제어를하게되는데, 최근 Hot runner system 사용이보편화되고, 3 단구조특성상상원판자체가작동되어매우큰중량이작동할수밖에없어금형내구성, 품질, 원가등에부정적인요인이많아, 부득이한경우가아니면, 가급적사용을피하는것이좋고, 대안으로부분적인 3 단작동, 고정측에부분적으로소형밀판구조장착, Locking 이가능한유압실린더사용이바람직하나, 설계난이도가높아고급설계인원이필요하다. 가동측의제품외곽에위치한 Under-Cut 은일반적인슬라이드코아구조로쉽게제거되나, 내부에위치하는 Under-Cut 이경사코아사용이불가능하여내측슬라이드사용으로 Locking 문제가발생하는경우, 또는 Under-Cut 방향등의문제로부득이가동측역시 3 단작동과같이작동시키는경우가생기는데, 최근에는앞서언급한문제점들로인하여, 가급적사용하지않는추세이며, 새로운구조들로많이대체하는추세이다. 또한슬라이드코아등이 PL 면과동시작동시간섭이발생하거나이중작동이요구될때슬라이드동작을지연시켜야하는경우가생기는데이러한경우에는시간차작동구조내지는유압실린더등을사용하기도한다. 그밖에제품취출시이중으로밀판구조를사용할경우등다양한작동순서제어가필요할때이러한순서제어를위해다양한 Latch 기구가응용된다. - 오작동시안전장치기구적으로작동되는작동구조에서는부품이파손되기전에는오작동이일어나지않겠지만, 스프링, 유압실린더, 가스스프링등 Actuator 에의해작동하는기구에서는오작동발생가능성이커지는데, 이경우오작동시금형의파손이심각할경우는 Limit switch 등의전기적안전장치나기구적안전장치를설치하는것이바람직하다. - 가공성, 공차관리, 분해조립편리성 - 원활한작동금형부품들은대부분기계가공에의해제작되므로설계시가공성의고려는매우중요하다. 이를위해기본적으로고려할사항은가공시어느곳을기준으로하고그기준면이 Clamping 시견고하게잘유지되어가공부하로부터흔들림이없어야한다는것이다. 실제대량생산부품들은이를위한전용치공구사용이일반적인데금형의경우대부분 1 회가공부품이므로범용치공구등

10 을사용시어려움이없도록하는것이바람직하다. 특히슬라이딩면이나형합면등은가공후치수확인이가능하도록하는것이품질, 원가, 납기경쟁력확보에매우중요하다. 만약이러한확인작업이이루어지지않아최종공정인조립사상공정에서잘못이발견된다면, 수정및재작업으로인하여공장전체의계획이흔들리게되고과도한돈과시간낭비를초래할수밖에없다. 이러한이유로일부규모가큰금형공장의경우측정실을별도로운영하기도하는데, 사실측정기몇개로해결될문제가아니고, 생산기술개념의도입과그에맞는공장의업무 Flow 정착이더욱어렵고힘든문제라하겠다. 사실대량생산제품도아니고, 대부분한벌의금형을제작하는데대량생산제품과같은체계를갖추는것은엄청난낭비가될수밖에없으므로향후금형공장들은어떻게하면유한한리소스내에서가장효율적인업무체계를구축하느냐에따라생존과성장의열쇠가있다고해도과언이아니다. 아무튼금형에서제품기능부위를제외하고공차관리가필요한부분은작동부와형합면이라할수있는데, 이들부위에대한합리적공차관리기준을확보하는것이최우선인것은당연한이치이다. 형합면 (Parting surface) 치수관리기준 - 형합면의면적은사출기형체력적용시 600 Kgf/cm^2 의압력하중이작용하도록한다. - 형합면의압력하중의범위는 300 ~ 900 Kgf/cm^2 가이상적이나급경사형합면의경우형합면의경사각도에따라위치공차에따른압력하중변화가클수밖에없고, Guide Pin & Bush 또는 Straight Guide block 등안내역할을하는부품등의공차에의한유격 [H7&g6(Sliding fit) 공차에서 LMC(Least Material Condition) 적용하여계산 ] 등으로작동시이상마모 (Adhesive Wear) 발생의가능성이크므로 GAS VENT 깊이를기준으로죔쇄가아닌틈새로관리한다.(Gas vent: 결정형수지등유동성이좋은수지 0.02mm, 비결정형수지의경우, 0.05mm), 단사출성형시과압이예상되거나, Gate 주변, 성형시수지의흐름속도가빨라용융수지점도가비정상적으로낮아질것으로예상되는부위등의경사가급한형합면은반드시별도입자처리하여개별치수관리가가능토록한다. - 분할코아 : 가스빼기또는가공성등을위한코아의분할은피할수없는바, 공차누적은필연적일수밖에없으므로, 최대한적은숫자의 Sub Ass y 단위로분할코아를묶어서관리하여누적공차를최소화하며, 이때조립기준면의정밀도는 IT Grade 4 이하의정밀가공이가능토록공정을설계한다.

11 - 입자코아포켓의위치공차는 CNC Milling, Wire EDM, Die EDM 공작기계의위치정밀도 (+/- 0.01mm 이내 ) 와 Setting 공차 (+/ mm 이내 ) 의합 (+/ mm) 이하로관리한다. 작동면 (Sliding Surface) 치수관리기준 - 작동면은접촉길이, 하중, 작동속도, 윤활상태, 온도, 습도, 재질, 위치결정정밀도등많은요인을고려하여결정하여야한다. 아울러사용조건이가혹한경우는표준공차의조정이요구된다. - 작동면의 Fitting 상태는 ISO 표준공차에따라다음기준으로결정한다. Fitting Hole basis Shaft basis 용 도 Loose running Free running Close running H11/c11 C11/h11 일반적인용도 (ex. Bolt hole, 도피치수등 ) H9/d9 D9/h9 정밀도가중요치않고, 온도편차가크거나, 작동속도가빠르거나, 작동하중이클때 H8/f7 F8/h7 일반적인작동속도및작동하중이작용하며, 정밀도가요구되는 경우 Sliding H7/g6 G7/h6 원활한작동은이루어지지않으나, 위치결정이중요할경우 -Hole 및 Shaft 의 Fitting Tolerance 기준은원통면이아닌경우에도동일하게적용한다. -Slide 및 Rail 의경우폭이 250mm 이상인경우 Center Rail 채택으로위치결정정밀도유지 -Sliding Fit: 사출기작동속도가저속 ( 중대형 :2m/min. 소형 :5m/min.) 상태일때적용. - 사출기작동속도가고속 ( 약 40m/min.) 인경우는일반작동속도로본다.

12 입자코아치수관리기준 - 입자코아의치수관리는위치결정정밀도와분해조립용이성에따라다음기준으로결정한다. Fitting Hole basis Shaft basis 용 도 Locational clearance Locational transition Locational transition Locational interference H7/h6 H7/h6 작동하지않고, 위치결정이가능하며, 분해조립이용이 H7/k6 K7/h6 정밀한위치결정이요구되며, 틈새혹은죔쇄발생, 분해조립가 능 H7/n6 N7/h6 보다정밀한위치결정이요구되며, 간섭에의해분해조립어려움 H7/p6 P7/h6 보다정밀한위치결정및견고함이요구되나작용하중이미미할 경우, 분해조립불가 - 일반적인경우분해조립용이성을위해서는 Locational clearance Fit 를사용하고, 그밖의경우 H7/k6 의 Locational transition Fit 를사용한다. - H7/n6, H7/p6 Fit 의경우위치결정용 Dowel Pin 등에사용한다. 이상으로간단하게치수관리기준을표준공차를활용하여정하여보았는데일반적인기준으로삼아도무리가없겠으나, 실제공차관리를하다보면절대로만족시키기쉬운기준이아니라는것을알게될것이다. 여기서생산기술의중요성이부각되는데, 이러한공차기준을만족시키는가장효율적이고저렴한가공공정의설계및진행상기술적문제점해결, 불량발생시기술적조치등생산에관한모든기술지원기능을담당하는생산기술의확보야말로향후금형공장의가장어렵고중요한과제라하겠다. 다음설계시중요하게생각할문제는분해조립편리성인데, 금형에서요구되는정밀도는일반호환성공차로모두만족시키기는현상태에서는어려운것같고부득이현합공차로만족시켜야할수밖에없는경우가발생하는데, 치수조정등을위하여잦은분해조립이요구되는곳이나, 유지보수가필요한곳은금형을최대한분해하지않고, 손쉽게분해조립할수있도록고려해야한다. 금형에서작동코아는대부분쐐기원리를이용하게되는데, 이때작동부의마찰

13 력은최소화되어져야하며, 양산시에도작동부의청결및윤활등은지속적으로예방점검의형태로관리되어야한다. 또한설계시에도 Bending Moment 나 Torque 로인하여마찰력이증가할경우, Rail 위치, 길이, Moment arm 의보완등을통하여마찰력을최소화하여야한다. - 작동부중량, 크기, 무게중심... - 충격하중 작동코아의중량을줄이는일은매우중요한일인데, 그이유는정적평형상태에서중력, 마찰력, 스프링하중등이모두작동코아의중량으로부터기인하는하중이며, 아울러동적하중고려시운동에너지가작동부중량과작동속도의제곱에비례하기때문이다. 동하중의경우캠사용시에는캠과작동코아사이의충격하중이발생하게되는데, 이때충격하중은정하중에작동코아의운동에너지를캠의탄성에너지로환산하여탄성변형량으로부터역산한하중을더해최대충격하중으로보기때문에작동코아의중량은금형품질, 내구성, 정밀도등에지대한영향을끼칠수밖에없다. 물론충격하중고려시에충돌로인한에너지발산 ( 소리및열에너지로발산 ) 및재료의내부마찰, Damping 효과들로인하여최대충격하중까지받지는않겠지만, Flexible body 를고려한동역학해석프로그램등의도움없이는신뢰할만한근거를얻기힘들므로최대충격하중을설계기준으로삼는것이타당하다고하겠다. 또한작동부의크기도설계시고려해야할매우중요한인자인데, 금형의기능중냉각기능에의해각부품간온도편차를피할수없고, 이러한온도편차는길이편차 ( 열팽창계수 * 길이 * 온도편차 ) 로나타나게되므로, 작동부의길이가긴경우냉각회로구성등으로열변형량을줄여주지않으면이상마모등으로금형이파손되기때문에작동부의크기는꼭필요한경우가아니면가급적작게하는것이유리하다. 그밖에작동코아의무게중심과슬라이딩축과의위치가중요한데, 가능한한무게중심이슬라이딩축상에존재하여모멘트하중을받지않도록해야작동시마찰력을작게할수있기때문이고, 만약부득이슬라이딩축과작동코아무게중심이많이편심되는경우에는가이드길이를늘이거나 Moment arm 을크게하여모멘트하중에의한마찰력을최소화하여야한다.

14 슬라이드코아의역학적검토 Under-Cut 제거기구중가장일반적인기구가슬라이드구조라할수있는데사용빈도가높은만큼역학적검토를통하여이해도를높이는것이필요하다. 아래그림과같은슬라이드가地방향에설치되어중력에의한하중을받는다고가정해보자. 그림에서슬라이드의무게중심은바닥에서 30mm, 성형부기준면에서 36mm 에위치하고있으며, 무게는 5.7Kgf 이다. 경사핀은 Φ16mm 이고경사핀블록으로부터약 120mm 돌출되어있으며 15 도경사로가정한다. 또 XZ 평면을기준으로대칭이다. 슬라이드가이드레일은총 100mm 이며 100mm 전체가전진및후퇴시항상안내역할을하고있다고가정한다. 단순화된슬라이드모델

15 앞서가정한내용을기준으로 Free Body Diagram 을작성하면아래그림과같다. 슬라이드코아에대한 Free Body Diagram Free Body Diagram 에서 Force Equilibrium 을검토하면 ΣF x = R ang cos 15 F ang sin 15 F gra F sl = 0 ΣF y = R ang sin 15 + F ang cos 15 R sl = 0 F ang = μ R ang F sl = μ R sl μ = 마찰계수, 마찰각 에대하여 μ = tan 로정의하면, ΣF x =0 에서 R ang cos 15 R ang tan sin 15 = F gra + F sl ΣF y =0 에서 R ang sin 15 + R ang tan cos 15 = R sl

여기서상기수식들의양변을 cos 15로나누면, R ang (1 tan tan 15) = F gra +F sl R ang (tan 15 + tan ) = R sl cos 15 cos 15 ----(1) ----(2) 식 (2) 를식 (1) 로나누면 tan합의공식으로부터 tan( + 15) = R sl ----(3) F gra +F sl 1 R sl { tan

16 여기서상기수식들의양변을 cos 15로나누면, R ang (1 tan tan 15) = F gra +F sl R ang (tan 15 + tan ) = R sl cos 15 cos (1) ----(2) 식 (2) 를식 (1) 로나누면 tan합의공식으로부터 tan( + 15) = R sl ----(3) F gra +F sl 1 R sl { tan } = F tan ( + 15) gra ----(4) 에서마찰계수에윤활상태의 Steel & Steel 의경우 μ = 0.23, = tan 1 μ 에서 = tan 1 μ = 와수식 (4) 에서 R sl = F gra 1 tan ( + 15) tan = { } = 33.76(NNNNNNNNNNNN) F sl = μ R sl = = 7.77(NNNNNNNNNNNN) 로결정할수있다. 아래그림은앞서계산한반력과마찰력을동역학해석소프트웨어를이용하여검증한그림이다. 동작해석소프트웨어를이용한시뮬레이션 이상에서 Free Body Diagram 에서 Force Equilibrium 을적용하여슬라이드코아에작용하는하중들을계산하여보았는데, 여기서마찰력계산시 Moment 하중의영향을추가로고려하여보면

17 원점에서의 Moment M = F ang F gra 30 R ang 9.31 이고 Force Equilibrium 에서 ΣF y = R ang sin 15 + F ang cos 15 R sl = 0 F ang = μ R ang = 0.23 R ang 로부터 R ang sin R ang cos 15 = R sl R ang = R sl sin cos 15 F ang = μ R ang = 0.23 R sl sin cos 15 이므로 M = F ang F gra 30 R ang R = sl R sl 9.31 sin cos 15 sin cos 15 = R sl , (5) 이고앞서슬라이드가이드레일은 100mm로가정하였으므로 Moment M에의한추가반력 =M/100이므로 F sl = μ (R sl + M 100 ) ----(6) tan( + 15) = 에서 R sl F gra +F sl ----(3) tan( + 15) {F gra + μ R sl + R sl ,675.8 } = R 100 sl tan( + 15) F gra + μ 1, = R sl {1 tan( + 15) μ } R sl = tan ( + 15) , {1 tan ( + 15) F sl = μ R sl + M = (NNNNNNNNNNNN) 100 } = (NNNNNNNNNNNN)

상기결과치를모멘트하중을고려하지않을때와비교하면반력과마찰력이각각 3.34N, 6.28N 씩증가함을알수있다. 아래그림은경사핀을 Flexible body 로모델링하여슬라이드코아와 Impact 한다는조건과 Bending Moment 의영향을마찰력에반영하는조건으로동역학해석소프트웨어를이용하여 Simulation 한결과치이다. 분홍색곡선은경사핀의변형량을나탄낸다.

18 상기결과치를모멘트하중을고려하지않을때와비교하면반력과마찰력이각각 3.34N, 6.28N 씩증가함을알수있다. 아래그림은경사핀을 Flexible body 로모델링하여슬라이드코아와 Impact 한다는조건과 Bending Moment 의영향을마찰력에반영하는조건으로동역학해석소프트웨어를이용하여 Simulation 한결과치이다. 분홍색곡선은경사핀의변형량을나탄낸다. Flexible body 의 Impact 해석 이상에서 Force Equilibrium 과 Bending Moment 의영향을마찰력에반영하여기본적인슬라이드의정역학적인검토를하여보았는데, 슬라이드가높아서무게중심의가이드레일과최소거리 (Moment Arm) 가커질때는세심한주의가필요하고, 가이드길이역시 Moment 에의한추가반력을계산할때중요한변수임을알수있다. 그외에도경사핀과슬라이드의접촉위치및각도역시설계상중요변수이며, 식 (3),(4) 등에서경사핀각도와마찰각의관계도충분히이해하여안정된작동구조를설계할능력을갖추어야하겠다. 다음으로는모든작동구조설계에서와같이동역학적검토가필요한부분에대해검토해보고자한다. 슬라이드구조는앞서언급했듯이경사핀과슬라이드코아사이에충돌이발생하는데이과정을역학적으로정확하게규명하기는어려운것같고, 위그림에서와같이 Computer Simulation 을통해접근해볼수있겠지만, 이경우에도재료에대한정확한실험데이타등이뒷받침되어야하는문제가있어, 간단히해결될문제는아니다. 그러므로어쩔수없이충분한설계를할수밖에없는데, 그방법을검토해보도록하겠다. 이문제를풀기위해금형이사출기에장착되어닫히는순간경사핀과슬라이드코아사이의충돌, Damping, 변형, Energy 발산등의문제를일일이다루는것은거의불가능한것같고, 단지충돌전후슬라이드코아가정지상태에서

19 일정한속도로운동한다는사실에서충돌후슬라이드코아의운동에너지를살펴보면사출기의형폐속도 (V m ) 에대하여슬라이드코아의운동속도 (V sl ) 는 V sl = V m tan θ, θ = 경사핀각도 에서슬라이드코아의운동에너지는 U = 1 2 mv sl 2 = 1 2 m(v m tan θ) 2, m = 슬라이드코아질량 로나타낼수있다. 여기서슬라이드코아의운동에너지는경사핀의탄성에너지로부터발생했다고볼수있으므로경사핀의최대휨량을계산할수있다. 물론경사핀이슬라이드코아의운동에너지에해당하는탄성에너지를한꺼번에축적한다고보기에는무리가있지만설계상최악의경우를고려하여충분한안전률을보장하기에는무리가없어보인다. 앞의슬라이드코아의경사핀은 Φ16 에 120mm 로가정하였으므로, 외팔보의변형량수식에서 δ = Wl3 3EI 를 U s = 1 2 kx2 형태로표현하기위해 k 를정의하면, k = 3EI = π 16 4 l = (N/mm) 이다. 다음으로사출기형폐속도를 3(m/min)=3*1000/60 (mm/sec)=50(mm/sec) 로가정하면, U = 1 2 mv sl 2 = 1 2 m(v m tan θ) 2 = (50 tan 15)2 = (N mm) 충돌전후에너지발산및 damping 효과등이없다고가정하면 U kx st 2 = 1 2 k(x dy x st ) 2, x dy = 동적변형, x st = 정적변형 x dy = x st + 2U k + x st (7) x st = R ang k = = 에서 x dy = = 1.002(mm)

20 = = (N) 여기서경사핀에가해지는하중 F impact 으로계산할수있다. 아래그림은 Flexible body의 Impact 해석을통하여상기수식들을검증하여본것이다. 그림의오른쪽붉은색곡선은경사핀에가해지는충격하중을표시한값으로최대약 550N이며, 파란색곡선은경사핀의변형량으로최대약 0.23mm이다. 앞서언급했듯이하중의경우약 2배, 변형의경우약 4.3배의충분한안전률이적용되는것을파악할수있다. 여기서하중과변형의안전률이서로다른것은재료의 Damping효과및충격하중을직접받는면의국부적변형, 작동구조의응답성등의요인에의한것으로볼수있다. Flexible body 의 Impact 해석 다음수식 (7) 에대해서살펴보면, 2U k + x st 2 에서 U=0 이면동적변형은 정적변형의 2 배가됨을알수있는데, 이는충돌시최소하중및변형량은정적평형상태의최소 2 배이상이됨을의미한다. 또한 2U k 에서 U = 1 2 mv sl 2 이므로작동부의질량과작동속도가시스템에 매우큰영향을주는요인인것을알수있다. 외팔보의경우 k = 3EI l 3 에서 I는단면 2차모멘트로원형단면의경우 I = π d4 이므로상수 k는직경에 4제곱 64 에비례하고, 길이의 3제곱에반비례함을알수있다. 이는다시말해서, 설계시과거아주잘설계된작동구조를수정하여작업할경우, k값을균일하게유지하고자한다면 Similitude( 상사법칙 ) 적용시길이와직경의균형을어떠한기준하에결정해야되는지의미한다고할수있다. 다음은일반적인재료들간의충돌, 접촉시물리적상수에관한표이다.

21 Material Contact Properties Table Material 1 Material 2 정지마찰계수 운동마찰계수 Restitution Coefficient Dry steel Dry steel Greasy steel: Dry steel Greasy steel Greasy steel Dry aluminium Dry steel Dry aluminium Greasy steel Dry aluminium Dry aluminium Greasy aluminium Dry steel Greasy aluminium Greasy steel Greasy aluminium Dry aluminium Greasy aluminium Greasy aluminium Acrylic Dry steel Acrylic Greasy steel Acrylic Dry aluminium Acrylic Greasy aluminium Acrylic Acrylic Nylon Dry steel Nylon Greasy steel Nylon Dry aluminium Nylon Greasy aluminium Nylon Acrylic Nylon Nylon Dry rubber Dry Steel Dry rubber Greasy steel Dry rubber Dry aluminium Dry rubber Greasy aluminium Dry rubber Acrylic Dry rubber Nylon Dry rubber Dry rubber Greasy rubber Dry steel Greasy rubber Greasy steel Greasy rubber Dry aluminium Greasy rubber Greasy aluminium Greasy rubber Acrylic Greasy rubber Nylon Greasy rubber Dry rubber Greasy rubber Greasy rubber

22 금형설계와 Similitude( 상사법칙 ) 모든기계설계분야가마찬가지이지만, 설계시고려해야할문제들의이론적접근은불가능하거나경제성등의이유로완벽을기할수없는경우가종종발생하는데, 그나마대량생산제품의경우는실험적인방법을통해서라도최대한완벽을기할수있겠으나, 금형의경우대부분 1 회제작에그치고, 시간과경제적인여건상설계의완성도를높이기는보통어려운문제가아니다. 그래서대부분경험을중시하게되고, 이론적접근을신뢰하지않는경우가빈번히일어나는것을볼수있는데, 매우안타까운일이다. 실제로기술의정의를보면 " 과학이론을실제로적용하여자연의사물을인간생활에유용하도록가공하는수단 " 이라되어있고, 기능은 " 육체적, 정신적작업을정확하고손쉽게해주는기술상의재능 " 을말하는데, 이론적접근없이오직경험만을중시하는것은기술, 기능어디에도속하지못한다하겠다. 이러한현상은궁극적으로는경험이많아도, 그경험의가치가없는결과가될수밖에없으며, 올바른기술축적도이루어지지않을수밖에없다. 여기서우리가취해야할자세가있는데, 경험이라는것은어떻게보면, 실험적방법이라할수있으므로, 경험에이론적배경을더하는것이다. 예를들어앞서언급했던슬라이드경사핀의경우단순히감으로조금작다거나크다해서아무근거없이직경, 길이를결정하는것이아니고, 작동부중량이얼마나되는지, 경사핀각도는얼마인지, 무게중심은어딘지, 가이드레일길이는모멘트하중에유리한지, 불리한지등을최대한이론적검토를통하여과거유사한설계예제중에서품질, 가격면에서우수한경우를선정하여, 직경변수는 4 제곱, 길이변수는 3 제곱이라는법칙을적용한다면, 이론적접근이어려워아무근거없이설계하는것보다훨씬더우수한설계를할수있을것이다. 또한시간, 경제성등의이유로이론적접근이불가능할경우, 이론적접근을했던과거우수사례를기준으로, 이론적배경하에설계변수들을결정한다면, 굳이막대한자금과시간을투자하지않아도품질좋고, 값싸고, 빠른설계를할수있다. 아울러이러한활동들이축적되어설계데이터베이스화된다면, 저절로기술축적이이루어져모든기업활동에매우중대한경쟁력을갖추게되어진다. 실제로본인은중견금형회사에서약 1 년간기술고문으로있으면서, 이러한작업들을진행한경험이있었는데, 1 년미만의신입사원을 6 개월간지속적인훈련을시켰을때, 과거에는 5 년이상경력자나가능했던설계를훨씬빠르고품질면에서도우수한설계를할수있게되었으며, 설계결과를 Engineering Database 화하여, 거의 1 년주기로유사한제품의금형을생산하는회사의기술축적을이루었었다.

응용구조사례 - 작동후고정측에매달리는슬라이드일반적으로슬라이드는가동측혹은고정측에가이드레일에위치하여가이드레일내에서직선운동을하게되어있으나, 이중사출금형에서가동측슬라이드가필요한경우 Under-Cut 부위가제품외곽에서안쪽으로많이이동해위치하고있어서, 일반가동측슬라이드적용시아래그림과같이작동거리가길어져금형크기가과도하게커질경우

23 응용구조사례 - 작동후고정측에매달리는슬라이드일반적으로슬라이드는가동측혹은고정측에가이드레일에위치하여가이드레일내에서직선운동을하게되어있으나, 이중사출금형에서가동측슬라이드가필요한경우 Under-Cut 부위가제품외곽에서안쪽으로많이이동해위치하고있어서, 일반가동측슬라이드적용시아래그림과같이작동거리가길어져금형크기가과도하게커질경우 슬라이드높이가높아가이드레일과무게중심의거리가멀어서모멘트하중에의한가이드부마찰력이커질경우 등문제점이있는경우에는슬라이드가이드방향을경사로하여변형코아작동원리를고정측에적용하는경우가있다. 이경우에는안내역할은고정측에있고제품은가동측에고정되므로형개운동시가동측과고정측흔들림이작동상불리하지만앞의이유들로인하여빈번히사용되며, 형체운동시슬라이드바닥면을가동측에서밀고들어갈수있어야한다. 또한적용시스프링하중의정확한계산이요구되고, 스프링힘으로작동하는원리이므로안전장치를설치하는것이좋다. Under-Cut 부위가제품외곽에서안쪽에위치하는경우

24 작동후고정측에매달리는슬라이드 ( 스프링하중으로작동하므로안전장치설치와마찰력의고려가필요하다.) ( 스프링하중에의한바닥면에작용하는하중은가급적최소화하여야한다 )

25 - 경사코아의가이드핀설치경사코아의작동구조상하원판바닥가이드에서모멘트하중을받으므로작동거리등이길어질경우구조적으로취약해지는경우나변형코아단면이모멘트하중에견디기힘들정도로취약한경우이를보완하기위한가이드를사용한다. 작동거리 (65mm) 가길어가이드가필요한경우 ( 모멘트하중을잘견딜수있는구조의채택이중요하다 )

26 -Under-Cut 방향제어를위해제품이형운동을이용한슬라이드구조아래그림과같은경우 Under-Cut 의제거를위해서는 사출압에견딜수있는 Locking 의적용이힘들고 조립및가공이까다롭고 빈번한이상마모가발생하며 유지보수가어려운 2 개슬라이드를이용한작동방향제어구조를주로사용하여왔으나, 상기문제점의해결을위하여제품이형운동을이용한슬라이드구조를사용한다. 새로운작동구조는제품이형시가동측에대한제품의수직운동을수평작동슬라이드작동구조와동기화시켜작동방향을제어하는구조로서, 상기문제점들을해결하여작고, 견고하며, 단순한금형을가능케하였다. 그러나제품이형시흔들림, 이형시슬라이드작동공간확보등의어려움이있어고급설계인력의충분한검토하에신중한설계를요하는고난이도구조이다. Under-Cut 방향제어가필요한제품

27 2 개슬라이드를이용한작동방향제어구조 제품이형운동을이용한슬라이드구조

28 제품의수직운동을수평작동슬라이드작동구조와동기화시켜작동방향을제어하는구조 ( 과제 : 제품이형시흔들림, 이형시슬라이드작동공간확보 )

- 슬라이드성형부가커서공간확보문제가발생하는경우아래그림의제품경우제품크기에비해슬라이드에서성형되는제품부위가상당히커질수밖에없는데, 이러한경우는금형크기도문제가되겠지만, 양산시과도하게큰사출기에장착해야하므로, 과도한사출용량및형체력등으로품질원가측면에서불리해질수밖에없다.

29 - 슬라이드성형부가커서공간확보문제가발생하는경우아래그림의제품경우제품크기에비해슬라이드에서성형되는제품부위가상당히커질수밖에없는데, 이러한경우는금형크기도문제가되겠지만, 양산시과도하게큰사출기에장착해야하므로, 과도한사출용량및형체력등으로품질원가측면에서불리해질수밖에없다. 또한 3 차원각도방향으로작동하는슬라이드의경우작동거리가길어유압실린더사용시사출기사용에제약이있어경사핀구조를사용해야하는데, 경사핀의길이가하고정판에닿을정도로길어강도상고려를상사법칙등을활용하여신중히해야하며, 격자모양의리브형상으로슬라이드작동시제품의물림현상이생기게되고, 가동측슬라이드작동방향반대쪽형상이취약하여슬라이드작동시제품파손의우려가있어, 슬라이드내부에밀판 EGP 및리턴핀구조를스프링과슬라이드형합면을이용하여장착하였다. 아울러금형의가이드핀리턴핀등이슬라이드와간섭이발생하여슬라이드바디부분을성형부보다작게하여간섭을피한구조이다. 이러한경우각작동구간이어떠한하중을받을것인지모멘트하중등에충분히견딜수있는지면밀한검토가필요하고평면도상좌측슬라이드경우경사핀이슬라이드윗면에설치되므로모멘트하중대책등이잘이루어져야한다. 제품크기에비해슬라이드에서성형되는제품부위가큰경우

30 금형의가이드핀리턴핀등이슬라이드와간섭이발생하여슬라이드바디부분을성형부보다작게하여간섭을피한구조 모멘트하중대책을고려하여야하는경우

31 슬라이드내부밀판 EGP 및리턴핀구조 - 공간확보문제가발생하는경우경사코아대책

32 -" ㄷ " 자 Under-Cut 제거를위한동시작동슬라이드구조 - 회전코아 Locking 을위한시간차캠의활용

33 -Toggle Mechanism 을이용한 Locking 대책 -Toggle Mechanism 강도검토

4-Ç×°ø¿ìÁÖÀÌ¾ß±â¨ç(30-39)

4-Ç×°ø¿ìÁÖÀÌ¾ß±â¨ç(30-39) 항공우주 이야기 항공기에 숨어 있는 과학 및 비밀장치 항공기에는 비행 중에 발생하는 현상을 효율적으로 이용하기 위해 과 학이 스며들어 있다. 특별히 관심을 갖고 관찰하지 않으면 쉽게 발견할 수 없지만, 유심히 살펴보면 객실 창문에 아주 작은 구멍이 있고, 주 날 개를 보면 뒷전(trailing edge) 부분이 꺾어져 있다. 또 비행기 전체 형 상을 보면 수직꼬리날개가