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제목 에젝터 핀 파손원인 및 방지법 (Ⅰ)
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/03/01 14:12

 

 

 

4회에 걸쳐 연재할 이 칼럼의 1부에서는 에젝터 핀 파손의 원인이 되는 사출성형기와 에젝션 시스템의 문제점에 대해 집중적으로 알아본다. 에젝터 핀의 파손이유는 수십 가지가 있을 수 있다. 그가운데 극소수만이 핀 자체의 문제와 관련이 있다.

  

 

이번 달에는 사출기와 에젝션시스템이 어떻게 그 원인이 되는지를 다뤄보고자 한다. 사출성형기의 에젝터 크로스(ejector cross, 에젝터 플라텐 또는 에젝터 플레이트라고도 하고, 미국 현장에서는 ‘개뼈다귀(dogbone)’라고 은어로 부르기도 했다)가 휘었거나 에젝터 크로스의 가느다란 가이드 부싱에 마모가 발생하면 약간 기운 상태로 움직이게 되고, 금형의 에젝터 플레이트에 하중이 고르게 주어지지 않게 된다.

이 같은 상태는 보통 쉽게 확인할 수 있다. 사출기의 녹아웃 바(knock-out bars)가 정렬 불량으로 가동측 형판에 뚫린 구멍 가운데 일부와 맞지 않거나 마찰을 일으킬 것이기 때문이다. 휨이 발생한 에젝터 크로스의 소재가 강철일 경우에는 유압식 프레스에 넣어 평평하게 만들 수 있지만, 주철로 된 크로스의 경우 금이 갈 수 있다.

에젝터 플레이트에 고르지 않은 하중이 주어지는, 보다 흔한 원인으로 사출기의 녹아웃 바들의 길이가 약간씩 다른 경우를 들 수 있다. 바 길이가 너무 길거나 제각기 다르면 에젝터 크로스가 휘는 원인이 된다.

금형의 에젝터 플레이트에 녹아웃 인스텐션이 부착돼 있고, 이 익스텐션의 길이가 같지 않거나 이들을 고정시켜주는 볼트 하나가 느슨해지면 이 또한 에젝터 플레이트에 가해지는 하중이 고르지 않게 되는 원인이 된다.

몇몇 금형부품 공급업체가 공급하는 표준에 맞춰 녹아웃 익스텐션이 시중에 나와 있다. 자체 설계된 익스텐션을 사용하는 경우라면 익스텐션이 에젝터의 리테이너 플레이트의 뒷면을 건드리지 않도록 해야 한다. 그 같은 설계는 십중팔구 리테이너 플레이트를 휘거나 파손시키게 된다.

금형에 코일스프링을 이용한 에젝터 리턴 시스템이 장착돼 있으나, 스프링 가운데 하나 또 그 이상이 파손된 경우에도 에젝터 플레이트가 뒤틀리거나 구부러질 수 있다. 이 같은 현상은 스프링의 길이가 각기 다르거나 카운터보어의 깊이가 각기 달라서 예비하중(preload)이 달라지는 경우에도 발생한다.

필자는 개인적으로 에젝터 리턴 스프링 사용을 피하는 쪽이다. 한때는 전진 위치에서 스프링 장전이 에젝션 시스템을 사용해 잡아줬던 적이 있다. 그런데 작업자가 실수로 에젝터 플레이트를 황동막대로 강하게 건드리게 됐다. 그러자 스프링 시스템이 풀리면서 되돌아와 서포트 버튼에 세차게 부딪혔다. 다행히도 작업자의 손가락은 무사했다.

필자에게 “스프링을 사용하면 사출기 에젝터 바를 장착할 필요가 없기 때문에 금형 설치시간을 절약할 수 있다”며, 스프링 예찬론을 늘어놓는 사람이 있었다. 아마 그는 자동차를 타서 안전벨트를 착용할 시간도 아까워하는 것 아닐까 싶다.

에젝터 플레이트에 가해지는 하중을 고르지 않게 하는 또 다른 원인은 에젝터 핀 위치 및 성형품을 이형시키는 데 필요한 힘을 가해야 하는 위치이다. 싱글 오프셋 캐비티(single offset cavity)에는 늘 문제가 생긴다. 에젝터 플레이트에 가해지는 하중이 고르지 못하면 플레이트가 휘거나, 손상을 입거나, 뒤틀리게 된다.

이는 연쇄반응을 초래한다. 에젝터 플레이트에 가이드 시스템이 있는 경우, 가이드 부싱 마모가 빨라진다. 이 에젝터 핀의 휨이나 파손을 일으킬 수 있다. 다시 금형코어 인서트에 뚫린 구멍을 타원형 또는 계란모양의 구멍으로 마모시킬 수 있다.

그 결과, 에젝터 핀이 성형품을 고르지 않는 힘으로 밀어내어 성형품의 모양이 망가지거나 성형품이 금형에 더욱 단단히 들러붙는 상태가 초래될 수 있다. 그리고 에젝터 핀이 파팅라인과 높이가 달라지는 원인이 될 수 있다.

금형에 에젝터 플레이트와 클램프 플레이트 사이에 둥근 스톱 핀 또는 레스트 버튼(rest buttons, 높이조정 핀)들이 있는 까닭을 생각해봐야 한다. 이것을 두는 이유는 이 두 플레이트 사이에 오물이나 파편이 끼일 경우 에젝터 핀 일부 또는 전부가 파편 두께와 동일한 정도로 파팅라인보다 돌출될 수 있기 때문이다.

돌출돼 나온 핀은 부품을 이형시키려 할 때 들러붙는 문제를 일으킬 수 있다. 이 에젝터 핀이 하나라도 캠 아래에 있으면 금형이 닫힐 때 핀이나 캠이 손상될 수 있다. 이 레스트 버튼의 목적은 두 플레이트 사이의 접촉면적을 최소화하고, 파편이 얼마간 쌓여도 에젝터 시스템의 적정위치가 유지될 수 있도록 하는 것이다.

경우에 따라 코어 핀 또는 그 밖의 다른 부품을 위한 공간 마련을 위해 레스트 버튼의 위치를 옮기거나 아예 제거하는 경우도 있다. 이럴 때 지지문제가 있을 수 있다. 금형강을 받쳐주는 리프터(lifter) 또는 에젝터 핀과 같이 에젝터 플레이트에 압력을 가할 수 있는 부품 근처 또는 아래쪽에 레스트 버튼을 두는 것이 좋다.

 

 

사출기의 에젝터 바 나사구멍 근처에 레스트 버튼을 두는 것도 도움이 된다. 사출기에 후퇴위치 설정이 올바르게 돼 있지 않으면 에젝터 바가 충분한 지지력을 받지 못하는 에젝터 플레이트를 잡아당겨 변형시킬 수 있다. 에젝터 하우징은 보통 금형의 마주 보는 양쪽으로 나뉘어 열리게 돼 있으며, 이렇게 개방된 하우징 한 쪽이 사출기에 장착될 때 위쪽으로 가는 경우가 많다.

코어에 언더컷이 있는 작은 크기의 성형품이 이형 동시에 캐비티에 맞고 튀어나와 에젝터 하우징 안으로 들어가는 일이 드물지 않게 발생한다. 이로 인해 다음 금형 사이클에서 에젝터 플레이트가 구부러질 수 있다. 이 같은 문제는 에젝터 하우징 커버 또는 쉴드(shield)를 설치하면 간단하게 막을 수 있다. 하우징 커버를 설치하면 다른 장점도 있다.

스프링이 장전된 에젝터 플레이트로 인한 만일의 사고에 대한 훌륭한 예방조치 역할을 할 수 있다. 이는 산업안전보건청(OSHA)이 권장하는 오렌지 색깔로 플레이트 가장자리를 칠하는 방법보다 훨씬 더 효과적이다. 또한 하우징 커버는 캠 아래에 에젝터 핀이 있는 경우 작업자가 쇠지레를 사용해 에젝터 플레이트를 앞으로 움직이려고 시도하면서 생길 수 있는 금형 손상을 방지하는 데에도 도움이 된다.

쉴드 대신 대개 클램프 플레이트와 에젝터 플레이트 사이에 장착되는 레스트 버튼을 리테이너 플레이트와 지지판 사이에 추가해줄 수도 있다. 이를 통해 3/16인치(약 4.76mm) 정도의 틈새가 생기기 때문에 오물이나 파편 또는 이따금 실수로 끼이게 되는 크기가 작은 성형품 등으로 인해 에젝터 플레이트가 손상되거나 휘지 않도록 할 수 있다.

필자가 이 같은 방법을 제안하는 까닭은 많은 이들이 에젝터의 힘이 충분한 데도 에젝터 전진위치에 약간의 간극을 두지 않고 지지판 뒷면과 맞닿도록 설정하는 경우가 많기 때문이다.

미국 플라스틱산업협회(PLASTICS)가 내놓은 특정 금형에 사용할 수 있는 모든 녹아웃 패턴가이드를 비치해 놓고 늘 참조하는 것도 좋다. 이는 미국 플라스틱산업협회로부터 구할 수 있는 ‘AN-109 권장 가이드라인–교체가능 금형장착물 치수지침(AN-109 Recommended Guidelines–Interchangeable Mold Mounting Dimensions)’을 말한다. 어떤 에젝터 패턴을 사용할지에 관한 결정은 설치 담당자에 달려있다.

담당자는 금형에 손상이 가지 않는 패턴을 선택하도록 주의를 기울여야 한다. 소형 사출성형기의 유압식 에젝터 실린더가 약 1~5톤의 에젝터 전진력을 발휘할 수 있다. 대형 사출기에서는 높게는 80톤까지 될 수 있다.

이런 엄청난 힘이 에젝터에 작용한다는 사실을 잊어선 안 된다. 대형 금형의 경우 녹아웃 바 사이에 충분히 간극을 주지 않으면 플레이트의 중간부문이 지지판 쪽으로 휘는 사태가 벌어질 수 있다.

반대로, 녹아웃 바가 가장자리 맨끝 쪽에 자리하고 있지만, 금형 가운데에서 러너와 성형품을 밀어내고 있는 에젝터가 여럿 있는 경우에도, 에젝터 플레이트의 중간 부분이 휠 수 있다.

하지만 이번에는 지지판 반대방향 쪽으로 휘게 된다. 따라서 녹아웃 바들을 균일한 간격을 두고 배치해야 하고, 대형 금형은 힘이 에젝터 플레이트 전체에 균등하게 배분될 수 있도록 노크아웃 바를 추가로 설치해주는 것도 고려해 볼 수 있다.

에젝터 리테이너 플레이트를 에젝터 플레이트에 연결하는 추가 볼트를 설치하면 두 플레이트가 휘거나 뒤틀리는 것을 막을 수 있도록 강도가 더해진다. 하지만 추가 볼트는 에젝터 리테이너 플레이트의 휨을 방지하는 데 훨씬 큰 효과가 있다. 이는 매우 중요하다. 리턴 핀 근처와 리프터 근처 그리고 에젝터 핀이 모인 곳 근처 모두에 볼트를 추가 배치하면 어셈블리가 뒤로 빠질 때 약한 리테이너 플레이트가 에젝터 플레이트로부터 분리되는 것을 막을 수 있다.

 

 

직사각형 플레이트가 특정 조합조건 아래서 갖는 휨의 양 계산을 위한 공식은 플레이트의 휨에 대한 저항력이 플레이트 두께의 세제곱에 비례함을 나타내고 있다. 그와 동일한 공식에서 지지되지 않은 길이 또한 세 제곱에 비례한다. 이것이 바로 사출기 에젝터 바의 배치간격을 고르게 유지하는 것이 중요한 까닭이다.

이 휨 공식은 투영면적이 큰 가공품을 성형하거나 핫러너 금형에서 지지판 또는 캐비티 플레이트를 만들 때 두께를 얼마로 할 것인지를 계산할 때 중요하다. 하지만 에젝터 플레이트의 경우 표준 1인치 또는 11/8인치 두께정도면 거의 예외 없이 충분하다. 플레이트의 휨 문제가 발생했을 때, 문제의 근본원인이 플레이트의 두께가 아닐 수 있다. 실은 하중이 고르지 않게 가해져 발생하는 문제일 가능성이 더 높다.

그렇지만 필자는 대형 금형에 한두 차례 13/8인치 두께의 에젝터 플레이트를 사용했던 적이 있다. 하지만 그랬던 이유는 플레이트가 지지대를 장착하기 위한 여러 개의 구멍과 기타 금형부품들로 꽉 들어찼기 때문이었다. 과거 필자는 S-7 내충격강으로 만든 에젝터 플레이트를 열처리하고, 액정 폴리머로 성형한 전기 커넥터용 리니어 볼베어링으로 플레이트 가이드 장치를 해본 적도 있다.

그랬던 이유는 플레이트 휨을 막기 위해서가 아니다. 우려한 것은 도면상의 에젝터핀 높이의 허용오차가 +0.0000에서 -0.0005인치라는 점이었다. 핀 헤드가 무른 재질로 된 에젝터 플레이트 표면에 조금이라도 움푹 패임을 만들거나 에젝터 플레이트 정렬이 조금이라도 벗어난다면 성형품이 불량처리될 수 있기 때문이다.

이번 칼럼범위를 벗어난 이야기이긴 하지만, 에젝터 핀이 이형하는 성형품 표면의 아래쪽 0.0005~0.0015인치 정도 오도록 하는 것이 좋다는 점을 짚고 넘어가고자 한다. 이렇게 하면 부품이 핀에서 걸리지 않도록 하는 데 도움이 된다. 부품이 핀에 걸리면 에젝터를 추가로 작동시켜줘야 한다. 또한 성형품 자체에 스트레스 마크나 ‘스키드(skid)’ 마크가 생기는 것을 줄이는 데도 도움이 된다.

반대로 에젝터 핀이 부품 쪽으로 조금만 더 들어가 있어도 원료의 난류유동으로 인해 제품 외관에 문제가 발생할 수 있다. 이는 특히 얇은 벽 성형품에서 두드러진다. 금형강 표면에 돋아날 새김을 통해 만들어진 음각을 가진 성형품에서 이런 현상이 발생하는 것을 대부분 경험해봤을 것이다.

열팽창은 특히 고온에서 가동해야 하는 대형 금형에서 에젝터 핀 정렬 불량의 주원인이 된다. 에젝터 플레이트가 벤치 상에서 앞뒤로 자유롭게 움직인다 해서 생산조건의 구속을 당하지 않는다는 뜻은 아니다. 코어 및 지지판이 실온과 같은 온도인 경우는 거의 없다.

에젝터 플레이트는 거의 항상 실온과 같은 온도라고 봐야 한다. 코어 플레이트가 팽창(또는 수축)될 때 에젝터 플레이트가 팽창(또는 수축)되지 않으면 에젝터 핀 가운데 일부의 정렬상태가 불량해진다. (대개 바깥쪽 핀들이 문제가 생기는 경우가 많다.)

이 모든 것들은 결국 온도 델타값이 얼마인지, 바깥쪽 에젝터 핀간의 거리는 얼마나 되는지의 문제로 귀결된다. 이 같은 열팽창문제는 두 가지 조처를 통해 손쉽게 해결할 수 있다. 첫째, 에젝터 플레이트에 냉각라인(물 또는 오일)을 더 만들어넣어야 한다. 둘째, 에젝터 플레이트에 가이드 장치를 하는 경우 에젝터 클램프 플레이트가 아니라 지지판에 가이드 핀을 장착해야 한다. 필자는 개인적으로 어떤 금형에서든 지지판에 가이드 핀을 장착하는 방법을 선호한다.

에젝터 시스템에 가이드 장치를 설치해줄 필요가 있는지 결정하려면, 플레이트의 무게가 무거운지 또는 연간 사이클 수가 10만회 이상인지 자문해봐야 한다. 두 질문 중 하나라도 그렇다는 답이 나왔다면 에젝터 시스템에 반드시 가이드를 설치해줘야 한다. 그렇게 하지 않으면 에젝터 핀의 조기 마모를 피할 수 없으며, 금형을 사용하는 기간 내내 수시로 그와 관련된 다운 플래시를 겪게 된다. 설사 그 대답이 ‘아니오’인 경우에도, 가이드를 설치하면 핀의 마모나 파손을 예방하는 데 도움이 된다.

미국 플라스틱산업협회가 내놓은 『열가소성플라스틱 가공용 사출 금형의 분류(Classification of Injection Molds for Thermoplastic Materials)』라는 간행물이 있다. 이 자료는 타입 101과 타입 401 금형에는 가이드 장치가 있는 에젝션은 시스템을 반드시 설치해야 한다고 명시하고 있으며, 타입 102와 타입 402 금형에 가이드 설치를 권장하고 있다.

아주 큰 금형에는 통상적으로 필요한 4개가 아닌 6개 또는 8개의 에젝터 리턴핀이 있어야 한다. 리턴핀 숫자를 늘려주면 에젝터 플레이트가 뒤로 밀리는 힘을 고르게 받도록 해준다.

그리고 에젝터 플레이트가 사출기의 에젝터 크로스에 고정되어 있지 않은 경우 리턴핀 수를 늘려줌으로써 캐비티 플레이트의 표면에 코이닝 생성이 줄일 수 있다.

이 같은 현상은 프리하든강 또는 연강으로 제작한 소형 금형에서도 일어난다. 빠른 교체용의 일부 금형 인서트는 리턴핀을 2개만 달고 공급된다. 이는 장기 가동되는 금형에 통상 필요한 수준보다 크게 적은 것이다.

요점 정리: 에젝터 핀 손상을 방지하기 위해서는 에젝터 플레이트가 금형 중심선과 평행으로 움직여야 하며, 플레이트에는 고르게 분포된 하중을 받고 또 가할 수 있어야 한다.

  

  

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