사출 금형 6

제6장 사출 금형의 강도 및 유동기구 설계

1.  사출 금형의 강도

사출 금형을 설계할 때는 금형에 가해지는 성형압력 및 사출성형기의 형체력에 견딜 수 있도록 고려해야 함.

사출 금형의 강도 계산을 하기 위해서는 사출된 성형 재료가 성형부의 미치는 압력을 추정하는 것이 필요함.

성형부 내의 압력은 성형품 살두께, 성형 재료의 종류, 성형 조건에 의해 다르지만 강도 계산의 경우에는 500 ~ 700(kg/㎠)로 하는 것이 일반적임.

캐비티는 가는 핀, 구멍, 홈, 노치 등 응력집중이 발생하기 쉬운 형상으로 이루어지므로 조건이 매우 가혹하다고 볼 수 있음.

사출 금형의 강도를 이론적으로 계산하는 것보다는 여러 요인이 복합적으로 작용하는 것을 반영하여 계산하여야 함.

(1)  금형의 강도 계산 조건

1) 하중과 응력의 상태

사출 금형에 작용하는 응력은 정적인 것이 아니고 항상 여러 가지 요인에 의해 변동하며 다양한 응력을 받음.

사출 금형 강도를 저해하는 영향을 다음과 같음.

① 불규칙한 형상 또는 재질에 따른 응력집중.

② 온도의 영향.

③ 표면 담금질의 영향.

④ 볼트 또는 압입에 의한 형 맞춤의 영향.

2) 성형압력에 의한 굽힘량

굽힘에 의해 플래시가 발생할 우려가 없을 때 : 0.1 ~ 0.2mm.

굽힘에 의해 플래시가 발생할 우려가 있을 때 : 0.05 ~ 0.08mm(PA 이외의 경우) / 0.025mm(PA의 경우)

고급 정밀금형의 굽힘량은 다음의 경험식을 사용함.

굽힘량 ＝ 성형품 평균 살두께 × 성형 수축률

(2) 직사각형 캐비티의 측벽 계산

1) 개요

사출 금형의 강도 계산을 정확히 한다는 것은 매우 어려운 일이며 개략적인 계산에 의존할 수밖에 없음.

사출 금형 캐비티의 각각의 측벽을 양단 고정 보로 가정하거나 각각의 측벽을 양단 단순 지지 보로, 또는 사각판으로 가정하여 계산하는 방법이 있음.

실제로는 사각판으로 가정하고 계산하는 것이 실제와 제일 가깝지만 계산이 복잡하고 실용성이 떨어짐.

그렇다고 단순 지지 보로 가정하고 계산하면 측벽이 너무 두껍게 되므로 양단 단순 지지 보로 계산하여 안전계수를 넣어 주는 것이 타당함.

2) 캐비티의 바닥이 일체가 아닌 경우

일체형이 아닐 경우 위 공식 이외에 모노그래프에 의해 측벽의 두께를 계산할 수 있음.

3) 캐비티 바닥이 일체인 경우

(3) 원형 캐비티의 측벽 계산

(4) 코어 받침판의 두께

1) 개요

코어와 가동측 형판은 받침판에 의해서 받쳐지고 받침판은 양단에서 다리에 의해 지지됨.

코어와 가동측 형판은 성형압력을 받아 굽힘이 발생되고 굽힘이 커지면 성형품의 살두께가 변하며 파팅 라인에 플래시가 발생할 수 있음.

굽힘량이 0.1mm 이상이 되지 않도록 해야 하고 굽힘량이 많을 경우에는 지지봉(대)을 설치하여 지지해야 함.

2) 지지봉(대)을 설치하지 않은 경우

받침판을 양단 지지 보로 가정하면,

3) 다리 사이에 n개의 지지봉(대)를 같은 간격으로 설치할 경우

(5) 핀류와 볼트의 강도 계산

1) 핀류의 강도 계산

사출 금형의 고장 중에 핀류의 파손이 빈번한데 그 원인은 핀의 외경에 비해 핀의 길이가  길어서 직각방향으로 작용하는 압축응력에 의해 굽힘이 발생하기 때문임.

가는 핀의 길이가 외경에 2.5배 이하이면 굽힘이 발생하지 않음.

(가) 외팔보의 선단에 하중 W가 작용할 경우에 굽힘을 최소화하기 위한 원의 지름(상기 그림)의 ⓐ에서,

(나) 전단응력에 대한 필요한 핀의 지름(상기 그림)의 ⓑ에서,

2) 볼트의 강도 계산

사출 금형의 조립에는 각종 볼트가 사용되고 있는데 일반적으로 볼트는 인장응력이 작용하기 때문에 볼트의 지름을 다음식에서 결정할 수 있음.

2. 유동기구의 설계

(1)  개요

사출 시 사출성형기의 노즐에서 스프루 → 러너 → 게이트 → 캐비티의 순서로 용융된 재료가 흘러들어 감.

유동 기구는 용융 상태의 재료가 흘러가는 홈이나 통로이고 재료의 흐름을 유도하거나 제한하는 요소들을 말함.

유동 기구는 시스템의 양부에 따라 외관, 물성, 치수 정밀도, 성형 사이클 등에 영향을 미침.

(2) 게이트의 설계

1) 게이트의 역할

유량 조절.

압력 조절.

온도 조절.

역류 방지.(게이트 실)

① 게이트 실이란 게이트가 캐비티보다 두께가 얇기 때문에 캐비티에 주입된 용융 재료의 가운데 부분이 고화되기 전에 게이트가 먼저 고화되는 것을 말함.

② 게이트가 캐비티보다 먼저 고화되면 사출성형기에서 가압되는 성형압력을 차단하여 캐비티까지 영향을 미치지 못하도록 하는데 미처 고화되지 않은 부분은 성형압력에서 벗어나 자연스럽게 수축하고 잔류응력이 발생하지 않아서 균열, 휨, 스트레인 등의 결점을 방지할 수 있음.

2) 게이트의 위치

제품에 가장 두꺼운 부분에 설치할 것.

외관상 눈에 띄지 않는 곳 또는 게이트의 가공이 용이한 곳에 설치할 것.

웰드 라인, 제팅이 발생하지 않는 곳에 설치할 것.

굽힘 및 충격하중이 작용하지 않는 곳에 설치할 것.

가는 코어, 리브, 핀에서 먼 곳에 설치할 것.

가스 발생이 적은 곳에 설치할 것.

성형품의 중심부분에 설치할 것.(핀포인트 게이트의 경우)

3) 게이트의 크기와 수

(가) 게이트의 크기

충전 시간은 게이트의 크기가 클수록 유리하고 게이트 실 시간은 게이트가 작을수록 유리하고,

잔류응력, 변형, 휨 등을 방지할 때에는 게이트의 크기가 작을수록 유리하고,

수축 보정, 높은 치수 정밀도, 싱크 마크, 핀홀 등의 대책에는 게이트 크기가 클수록 유리하고,

게이트의 절단 및 마무리 작업을 고려하면 게이트가 작은 것이 유리하고,

성형 재료의 변색, 열분해 등의 발생을 방지하기 위해서는 게이트가 클수록 유리함.

(나) 게이트 수

게이트의 수는 유동성(유동 길이 / 게이트 두께)과 충전성(평균 살 두께 / 유동 표면적)을 고려하여 결정해야 함.

변형, 휨 등의 발생을 방지하려면 한점 게이트 보다는 다점 게이트를 설치하는 것이 유리하나 웰드 라인이 발생할 수도 있음.

(3) 게이트의 선정방법

1) 게이트 선정 시 고려사항

성형 재료의 유동성과 성형품의 품질.

성형품의 크기 및 형상.

성형 재료의 배향성에 의한 변형.

게이트의 부착방법.

2) 게이트의 선정방법

(가) 성형품의 외관

게이트의 절단 흔적을 작게 할 때 : 핀포인트 게이트, 서브마린 게이트

게이트의 절단 흔적을 허용하지 않을 때 : 오버랩 게이트, 이젝터 핀을 이용한 2차 러너서브마린 게이트

(나) 게이트 절단의 용이성

자동 절단이 필요할 때 : 핀포인트 게이트, 서브마린 게이트

절단의 용이성을 고려할 때 : 표준 게이트, 이젝터 핀을 이용한 2차 러너 서브마린 게이트

(다) 캐비티 수

1개 빼기의 경우 : 다이렉트 게이트, 핀포인트 게이트, 디스트 게이트

다수 빼기의 경우 : 다이렉트 게이트와 디스크 게이트를 제외한 모든 게이트

(4) 캐비티 수의 결정과 배열방법

1) 캐비티 수의 결정

사출성형기의 사양, 성형 원가, 금형 제작 원가 등을 고려하여 가장 경제적으로 캐비티 수를  결정해야 함.

(가) 사출성형기의 사출 용량

사출성형기의 사출용량은 사출성형기의 전체 사출용량의 2/3를 적용할 것.

(나) 사출성형기의 형체력

(다) 사출성형기의 가소화 능력

(라) 최종 캐비티 수의 결정

N1, N2, N3는 모두 사출성형기에 있어 최대의 캐비티 수를 나타낼 수 있음.

따라서 금형 가격, 성형 원가를 산출하는 경우 캐비티 수에 의해 사출성형기를 결정할 때는 3가지 중 최소 캐비티 수 이내로 결정해야 함.

또한 생산수량에 따라 적절한 캐비티 수를 결정해야 함.

생산수량이 많을수록 캐비티 수의 증가에 따른 금형 가격의 상승 폭보다 작업시간 단축으로 인한 성형 원가의 절감 폭이 크기 때문에 캐비티 수를 증가시키는 것이 유리함.

2) 캐비티의 배열방법

(가) 형체 밸런스의 유지

형판에 대해 캐비티가 편심이 발생하지 않도록 해야 하는데 만약 편심이 발생하면 캐비티 내의 사출압력 또한 편심이 발생하게 되어 형체력 밸런스가 유지되지 않아 플래시를 발생시킴.

(나) 게이트 밸런스의 유지

스프루에서 게이트까지의 거리가 가능한 한 같은 거리가 되도록 해야 하는데 부득이하게 거리를 다르게 할 경우에는 게이트의 크기를 수정하여 게이트 밸런스가 유지되도록 해야 함.

이상으로 사출 금형의 강도와 유동기구 설계에 대한 연재를 마치고 다음에는 유동기구 중 게이트의 종류에 대한 연재를 시작할 예정입니다.