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제목 에젝터 핀 파손의 원인 및 방지법 (Ⅱ)
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/05/01 13:23

 

 

핀의 길이에서 지지가 되지 않은 부분을 줄여야 할 시점과 그 방법에 대해 알아보자. 스위스의 수학자이자 물리학자인 Leonard Euler는 1700년대 중반 두 가지 공식을 만들어냈다. 금형제작자는 지금도 이 공식들을 활용해 에젝터 핀에 휨이나 파손이 발생할지 여부를 예측할 수 있다.

  

  

가장 기본적인 것에서 출발해보자. 에젝터 핀은 핀의 몸통은 핀이 통과하는 구멍 그리고 헤드부분은 카운터보어(counter bore)를 통해 에젝터 리테이너 플레이트에 장착된다. 표준 에젝터 핀의 일반적 헤드 지름 공차는 공칭치수에서 +0.000?~?-0.010인치 정도가 된다.

리테이너 플레이트에 있는 핀 헤드 고정용 카운터보어 지름은 일반적으로 공칭치수보다 1/32인치 크다. 표준 에젝터 핀의 일반적인 헤드 두께 공차는 공칭치수에서 +0.000?~?-0.002인치다. 리테이너 플레이트의 핀 헤드 지지 카운터보어 깊이는 일반적으로 공칭치수보다 +0.001?~?+0.003인치 더 깊다.

대부분의 핀은 핀 샤프트가 헤드와 만나는 지점에 1/32 반지름 곡면을 지니고 있기 때문에 유격을 줘야 한다. 대부분의 성형관련 부품공급업체가 제공하는 에젝터 핀 카운터보어 세트는 핀의 곡면을 고려해 모따기(chamfer)가 기본으로 돼 있다.

에젝터 핀 지름 공차는 핀의 크기, 유형, 제조업체 등에 따라 다르다. 공칭치수보다 -0.0010인치나 차이가 날 수도 있고, -0.0000인치 수준으로 차이가 거의 없을 수도 있다. 차이가 1/000인치나 날 수 있다는 것을 절대 잊으면 안 된다. 대부분의 금형설계자는 에젝터 리테이너 플레이트에 공칭치수보다 1/64인치 크게 핀 구멍을 만든다.

이렇게 하면 표준사이즈의 드릴을 사용할 수 있으며, 플레이트의 관통 구멍이 코어의 관통 구멍과 정확하게 정렬되지 않은 경우에는 측면당 여유공간이 약 0.008인치밖에 안 된다. 에젝터 리테이너 플레이트에는 에젝터 핀, 에젝터 슬리브, 코어 핀, 가이드 부싱, 리턴 핀, 서포트 필러(support pillar), 리프터(lifter), 스크류 및 다양한 기타 구성품을 위한 구멍들이 뚫려있다.

 

 

에젝터 리테이너 플레이트는 모양이 마치 자르지 않은 납작한 스위스 치즈같이 보인다. 지난 3월호에서 에젝터 시스템의 하중이 균일하지 않을 때 생길 수 있는 문제에 대해 다뤘다. 그로 인해 깨지기 쉬운 에젝터 리테이너 플레이트가 반으로 갈라질 수도 있다. 핀의 길이에서 지지가 되지 않은 부분은 매우 중요한 변수로, 구부러짐, 휨, 파손 등 흔한 원인이 된다.

올림픽의 장대높이뛰기 경기를 보면 선수가 장대 고정 박스에 꽂아 넣고 도약해 바를 넘어갈 때 얼마나 많이 장대가 구부러지는지 놀라게 된다. 이때 사용되는 장대의 길이는 5m쯤 된다. 선수가 장대 끝을 잡지 않고, 중간 부분을 손으로 쥐고 경기를 하면 장대가 얼마나 구부러질 수 있을까? 끝을 잡았을 때만큼은 아닐 것이라는 점은 분명하다.

장대의 소재, 경도, 지름, 길이 등은 하나도 변함이 없고, 오로지 지지가 되지 않은 길이만 차이가 나는데, 이 같은 변화가 생기는 것이다. 지지가 되지 않은 길이란 물체의 두 고정점 또는 중심점들 사이의 거리다. 같은 내용이 에젝터 핀에도 적용된다. 공식은 꽤 간단하다.

우리가 세장비(細長比, slenderness ratio)라고 부르는 것이 그것이다. 이 비율은 에젝터 핀과 같이 가느다란 기둥의 지지되지 않은 길이를 회전 반지름(radius of gyration)으로 나눈 것과 같다. 에젝터 핀의 회전 반지름은 지름을 4로 나눈 값이다. 따라서 수식은 다음과 같다.

세장비 = 지지가 되지 않은 길이 ÷ 지름 ÷ 4

이 비율의 값이 100보다 크면 핀에 휨이 발생해 고장을 예상할 수 있다. 필자는 이를 꺼꾸로 계산해서 세장비가 100을 얻기 위해 여러 가지 지름의 에젝터 핀에 허용 가능한 최대 지지가 되지 않은 길이를 알아봤다. 표 1에는 1/32인치에서 1/4인치까지의 다양한 지름의 에젝터 핀에 허용할 수 있는 지지가 되지 않은 길이를 보여준다.

 

 

Leonard Euler는 훨씬 더 복잡한 또 하나의 수식을 만들었다. 이에 대해서 너무 자세히 들어가기 보다는, 이 수식을 사용하면 에젝터 핀과 같은 가느다란 기둥이 휘어지기 전에 견딜 수 있는 힘의 양을 계산할 수 있다고 알려주는 정도로 해두자. 이 공식은 핀의 지지가 되지 않은 길이가 핀이 휘지 않을 때까지 성형품 이형을 위해 가할 수 있는 힘의 양과 직접적으로 어떻게 관련이 있는지 이해하는 데 매우 유용하다.

예를 들어, 표 2는 지지가 되지 않은 길이가 3인치인 5/64인치 지름의 에젝터 핀이 플라스틱 성형품 이형을 위해 휨 발생 없이 가할 수 있는 힘이 99파운드로 보여준다. 같은 지름에 지지가 되지 않은 길이가 1.5인치인 핀은 성형품을 밀어내는 데 394파운드까지 힘을 가해도 된다.

4배의 힘을 가할 수 있지만, 여기서 주의가 필요하다. 사용가능 힘의 4배 상승은 지원되지 않는 길이를 반으로 줄여야 가능하다. 같은 핀에서 지지가 되지 않은 길이를 3인치에서 2.5인치로 0.5인치만 줄이면 힘은 43파운드만 증가하고, 이는 1.4배에 불과하다. 어쨌든 지지가 되지 않은 길이가 얼마나 중요한 요소인지 이제 알 수 있다.

 

 

그렇다면 만일 금형에서 지지가 되지 않은 길이가 너무 길어서 문제가 있을 수 있다고 생각되면 어떻게 이를 줄일 수 있을까? 가장 먼저 할 일은 코어에서 부품을 안전하게 이형시키는 데 필요한 에젝터 스트로크의 양을 구하는 것이다. 새로운 금형의 경우 금형설계, 부품형상, 원료 및 기타 여러 가지 요인에 따라 이 양은 달라질 수 있다.

일반적으로 성형품의 전체 높이에 0.5인치 정도를 추가하지만, 이 모든 것은 이형 속도, 언더컷, 금형설계, 로봇 사용 여부 및 기타 여러 요소에 따라 달라진다. 금형 베이스를 주문(또는 설계)하게 될 때 에젝터 하우징 레일의 원하는 높이를 지정해야 한다. 이 치수는 원하는 에젝터 스트로크와 에젝터 플레이트 및 레스트 버튼(rest buttons, 높이 조정핀) 두께를 더한 것과 같다. 이 값보다 더 길거나 짧게 해서는 안 된다.

만일 금형에 납작한 대형 성형품의 경우에 흔히 그런 것처럼 사용할 사출기에 필요한 최소한의 스택 높이(stack height)가 설계돼 있지 않다면, 에젝션 클램프 플레이트의 후면에 스페이서(spacer)를 추가하는 것이 매우 쉽고 상대적으로 저렴한 해결책이다. 금형에 스페이서를 만들어주는 대신 사출기 플라텐에 스페이서 플레이트를 추가하는 것은 별로 좋은 방법은 아니다.

금형이 생산에 투입된 후 에젝터 핀 휨 문제가 발생하기 시작했다고 가정해 보자. 이때 에젝터 스트로크를 짧게 조정할 수 있으면, 스트로크를 제어하기 위한 스페이서 블록을 만들어 넣어줄 필요가 없다. 그래 봤자 에젝터 핀의 지지되지 않은 길이를 줄이는 데는 도움이 되지 않는다.

레일 높이 그리고 모든 에젝터 핀과 리턴 핀의 길이를 동일한 양만큼 줄여줘야 한다. 에젝터 스트로크 제어장치(stroke limter)는 휨 문제가 없는 경우에만 도움이 되지만, 생산담당자가 에젝터 플레이트의 오버스트로킹을 방지해 금형의 수명을 늘리는 것도 필요하다. 에젝터 스트로크 제어장치을 추가하는 경우 사출기의 에젝터 바와 일렬이 되도록 장착해야 한다.

아무리 강조해도 지나치지 않다. 이것이 아마도 에젝터 플레이트에 굽힘이 발생하도록 만드는 가장 흔한 원인일 것이기 때문이다. 필자는 스트로크 제어장치를 나일론이나 경성 우레탄 소재로 만들어 가속도나 부적절한 기계설정으로 인한 충격을 흡수하는 것이 좋다고 생각한다.

표 1과 2에 나와있는 것처럼, 에젝터 핀 직경이 작을수록 휩이 발생되지 않도록 지지되지 않은 길이가 짧아야 한다. 지름 7/64인치 이하의 경우 핀의 지지가 되지 않은 길이를 줄이기 위해 단차(stepped) 또는 단붙이(shouldered)가 있어야 한다. 단차가 있는 핀의 단붙이는 지름이 1/8인치로, 1/2인치, 2인치, 3인치 및 4인치 길이로 나와 있다.

 

 

에젝터 플레이트가 뒤로 와서 레스트 버튼을 누르면 핀의 단붙이가 받침판(support palte)으로 들어가야 한다. 만일 4인치 길이의 단붙이로도 받침판으로 들어가기에 충분히 길지 않은 경우, 맞춤형 핀을 제작하거나 에젝터 핀 익스텐션(extension)을 사용할 수 있다.

 

여기 한 가지 이상한 부분이 있다. 여러 곳의 금형부품공급업체가 에젝터 슬리브 익스텐션을 공급하고 있지만, 내가 아는 그 어느 회사도 에젝터 핀 익스텐션은 제공하지 않고 있다는 점이다. 어쩌면 언젠가는 이 부품이 성형업체들에게 필요한 것임을 알게 될 날이 올지 모르겠다. 하지만 그때까지 성형업체는 필요에 맞는 익스텐션을 스스로 제작해 사용해야 한다. 그림 1에서 보듯 익스텐션을 만드는 데는 여러 가지 방법이 있다.

그림 2에서는 왼쪽의 에젝터 핀은 에젝터 핀 익스텐션에 장착돼 있는데, 이는 단붙이가 너무 짧아 받침판 뒤쪽으로 들어가지 못하기 때문이다. 다른 핀들은 받침판의 바닥, 받침판의 상부 및 받침판의 상하부 모두에 베어링 인서트를 장착하고 있다. 이 같은 베어링 인서트는 에젝터 핀의 지지가 되지 않은 길이를 줄이는 매우 간단한 방법이 될 수 있다.

베어링 인서트는 청동에서 열처리된 공구강까지 다양한 종류의 금속에서 적합한 소재를 골라 만들 수 있다. 그림 2의 오른쪽 에젝터 핀은 얇은벽으로 드릴 부싱을 사용하고 있다. 필자의 경험으로 이 부싱은 에젝터 핀의 지지되지 않은 길이를 줄이는 용도에 탁월한 효과가 있다.

그럼, 시험문제를 하나 내 보자. 그림 1에서 지지가 되지 않은 길이가 커서 휨이 발생할 가능성이 커보이는 에젝터 핀은 어떤 것인가? (복수 선택 가능) 에젝터 리턴 플레이트에서 에젝터 핀 주위에 측면 여유공간(lateral float)를 만들어주는 관행에 대해 다시 한 번 생각해 보자.

 

 

이렇게 하면 정렬상의 잘못을 보완할 수 있는 실용적 방법으로 보이지만, 한 연구에 따르면 이렇게 유격을 늘려주면 실제로는 코어의 관통 구멍의 마모를 촉진하고, 핀이 휨 없이 견딜 수 있는 힘을 감소시킨다는 결과가 나왔다. 에젝터 리테이너 플레이트의 관통 구멍에 유격이 크면, 관통 구멍의 길이만큼 지지가 되지 않은 핀의 길이가 증가한다.

예를 들어, 에젝터 리테이너 플레이트는 일반적으로 1/2인치에서 5/8인치 사이의 두께를 지닌다. 지름이 작은 에젝터 핀의 헤드 두께는 1/8인치다. 따라서 핀의 지지가 되지 않은 길이는 3/8인치에서 1/2인치로 늘어나게 된다. 에젝터 핀의 지름이 7/64인치 또는 그 이하라면 이는 상당히 큰 양이지만, 핀의 지름이 1/8인치보다 큰 경우에는 별로 염려할 필요가 없다.

세장비를 100으로 두고 계산한 최대 허용가능 지지가 되지 않은 길이를 지켜주는 한 핀의 표면에 가해지는 재료의 가소화 압력으로 인해 에젝터 핀이 파손될 일은 없고, 붕괴될 수도 없다. 이는 표 3을 살펴보면 증명된다.

표 3은 다양한 크기(1/32인치에서 최대 1.0인치까지)의 에젝터 핀에 세장비 100을 기준으로 최대 지지가 되지 않은 길이를 자세히 보여준다. 그리고 지지가 되지 않은 길이에서 핀이 휘도록 만드는 힘의 양도 보여주고 있다. 마지막으로, 40000psi라는 엄청나게 높은 플라스틱 압력값을 사용해 핀 표면에 얼마나 많은 힘이 가해졌는지를 보여주고 있다. 모든 핀이 말도 안 되는 압력의 2~3 배 이상을 견딜 수 있다.

 

  

 

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