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제목 에젝터 핀 파손의 원인 및 방지법 ③
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/06/28 13:22

 

 

과도한 힘은 에젝타 핀의 고장원인이 된다. 지름이 큰 핀은 얇은 성형품이든 두꺼운 성형품이든 모두 이형에 도움을 준다. 이와 관련해 힘, 마찰, 표면마감, 윤활 등을 집중적으로 알아본다.

 

연재 1부와 2부에서 다루었던 에젝터 핀 파손에 대한 원인들은 이외에도 흔히 발생하는 두 가지 이유가 있다. (1) 코어에서 부품을 에젝트시키는 데 필요한 힘의 핀이 핀 강도를 넘어설 때, (2) 골링(galling), 즉 박마(剝摩) 내지 마손(磨損) 발생 등이 있다.

에젝터 핀이 전진하도록 하는 데 필요한 힘은 정지마찰력에 성형품이 코어에 달라붙어 있는 접착력을 합한 힘의 양에 따라 달라진다. 정지마찰력은 대개 운동마찰력보다 높다. 운동마찰력은 핀이 일단 움직이기 시작한 후 핀이 계속 움직이는 데 필요한 힘이다.

에젝션을 위해 최초로 핀과 성형품에 가해지는 힘때문에 발생하는 충격을 최소화하려면 에젝션 속도를 상대적으로 느리게 시작하는 것이 좋다. 1/8인치 정도 움직인 후에는 원래 원하던 에젝션 속도까지 올라갈 수 있다. 과도한 힘 때문에 에젝터 핀 고장으로 이어지는 문제를 최소화하는 가장 좋은 방법은 가능한 가장 큰 지름의 에젝터 핀을 가능한 여러 개 사용하는 것이다. 불행하게도 에젝터 핀을 많이 사용하면 냉각채널의 최적 배치에 방해가 될 수 있다. 따라서 이 두 가지 사이에 적절한 절충이 필요하다.

이와 무관하게 패킹, 즉 과도한 수지충전은 코어에서 부품을 떼어내는 데 필요한 힘의 양을 증가시키는 가장 큰 원인이다. 얇고 깊은 리브(rib) 같은 수직면을 코어에 여러 개를 만들어 넣은 경우에는 더더욱 그렇다. 그림 1처럼 성형품을 이형시키는 데 필요한 힘이 플라스틱 자체의 강도보다 높아 에젝터 핀이 부품을 뚫고 나가는 경우도 있다.

주의사항으로는 지름이 큰 핀은 벽이 매우 얇은 성형품과 매우 두꺼운 성형품 모두 이형에 도움이 된다. 그림 2처럼 지름이 작은 핀은 강도가 낮고 얇은 성형품에는 패인 자국을 남기거나 심지어 뚫고 들어가거나 둥그런 점 모양의 자국을 남길 수 있다.

뿐만 아니라 이형 시점에 아직도 중심부가 아주 뜨겁고 부드러운 상태인 경우가 많은 두꺼운 성형품에도 마찬가지 문제를 일으킬 수 있다. 두 가지 경우 모두 지름이 너무 작은 에젝터 핀 때문에 사이클타임이 길어지는 결과를 초래한다. 사출성형기에서 이 에젝터 플레이트에 작용하는 에젝터 힘의 양을 제한할 수있다. 정상 작동조건에서 부품을 이형하기 위해 필요한 값보다 약간 높게 설정하는 것이 좋다.

에젝터 힘의 양을 제한되도록 설정해두면 핀의 끼임 또는 파손문제 발생시 시간과 비용을 크게 절약할수 있다. 힘의 제한 설정 덕분에 성형사이클이 중단 되면 장비 손상을 막을 수 있다. 전체 사이클타임 또는 스크류 복구시간과 마찬가지로 에젝션 힘 값을 사출기 알람과 연동시킬 수 있다.

에젝션 힘 값을 모니터링할 수 없는 경우, 수지 주입시간을 모니터링하면 거의 마찬가지로 효과적일 것이다. 어쩌면 언젠가는 유동분석 소프트웨어 프로그램을 통해 성형품을 에젝션에 필요한 힘을 계산해 그에 맞는 에젝터 핀 사이즈와 수를 정확하게 결정할 수 있을 때가 올지도 모른다.

성형품 구조, 원료 특성, 기울기 각도, 표면 마감, 패킹(2단계 수지주입) 압력, 금형 온도, 게이트 위치, 언더컷 등등 끝없는 변수들을 생각하면 소프트웨어가 머지않아 이 작업을 해낼 수 있을지 의문이다.

그러나 플라스틱 유동분석분야 전문가들은 “일부 CAE 소프트웨어 프로그램들은 금형설계자에게 성형품 차등수축율 및 그와 관련된 성형품 내부 힘에 관한 계산을 바탕으로 에젝터 핀 배치위치에 따라 지침 제공이 가능하다. 각기 다른 에젝터 핀에 대해 서로 다른 또는 불균등한 힘의 양이 필요하도록 만드는 성형품의 차등수축률이 에젝터 핀의 파손원인이 될 수 있다”고 말한다.

전문가 말에 따르면, 하나의 성형품을 이형시키는 데 모든 에젝터 핀에는 다른 양의 힘이 요구된다고 할 수 있다. 예를 들어, 게이트 근처, 안쪽 모서리 근처 또는 깊은 리브 아래쪽 근처 핀은 러너 또는 충전 말단부쪽 핀보다 더 많은 힘을 가해줘야 한다. 에젝터 핀 위치, 사이즈, 개수 등을 결정할 때 이 점을 고려해야 한다.

이 주제에 관해서는 포르투갈 Braga의 University of Minho의 Ferreira, Nerves, Muschalle, Pouzada 등이 함께 쓴 2001년 SPE ANTEC 논문 「사출성형에서 열가소성플라스틱의 마찰 특성(Friction Properties of Thermoplastics in Injection Molding)」이 있다. 이 논문은 금형설계자와 가공업체 모두에게 대단히 흥미로운 내용을 담고 있다.

그 다음으로 살펴볼 골링(galling-골칫덩어리)은두 금속 표면이 맞물려 미끄러질 때 접착 및 마찰로 인한 마모의 한 형태로 박마 또는 마손이라고 부르기도 한다. 에젝터 핀이 코어를 관통하고 있는 구멍에 완벽하게 정렬되지 않았을 때처럼 두 표면을 압박하는 측면 하중으로 상태가 악화된다.

구멍의 한쪽 측면에 다른 쪽 측면보다 더 많은 압력이 가해지기 때문이다. 에젝터 핀이 특정 방향으로 고정되어 있지 않는 한, 에젝터 플레이트가 완전히 앞으로 젖힌 상태에서는 핀을 자유롭게 회전시킬 수 있어야 한다. 이는 핀의 중심선이 평행을 이루고 있고, 코어에 난 구멍에 제대로 정렬돼 있어 핀의 샤프트(shaft) 및 헤드(head) 주위에 유격이 충분하다는 증거다.

골링작용의 접착 특성은 금속소재의 결정구조를 파괴하고 부숴 인접한 다른 금속표면에 미세한 입자를 결합시키는 것은 아니라도 입자를 퇴적하도록 만든다. 다른 형태의 마모와는 달리 골링은 빠르게 진행된다. 그러므로 에젝터 핀의 마찰음이 들리면 바로 장비작동을 중단해야 한다. 에젝터를 계속 돌린다고 해서 상황이 나아지지 않는다.

골링의 마찰 특성은 맞물리는 소재의 종류 및 경도와 관련이 있다. 이것이 서로 맞닿아 슬라이딩되거나 각지게 만나 차단작용(shutoff)을 수행하는 두 표면에 각기 다른 종류의 강철을 사용해 적어도 로크웰 (Rockwell) 경도가 10도 이상 차이가 나도록 해야 한다.

  

  

가장 중요한 것은 경도에 차등을 두는 것

강철소재가 더 단단하거나 최소한 강철 표면만이 라도 더 단단하면 골링이 덜 발생한다. 손줄을 사용해 에젝터 핀 측면에 줄을 그을 수 있을 정도의 경로라면 오래 기다리지 않아도 언제든 문제가 생겨 장비가 멈춰설 수 있다. 이는 필자의 경험상 일부 아시아 국가에서 제작한 금형에서 흔히 발생된다.

알루미늄, 티타늄 그리고 어느 정도는 스테인리스 스틸 같이 마찰계수가 높은 금속들은 원자구조 때문에 골링이 쉽게 발생한다. 반대로, 황동이나 청동과 같은 합금은 훨씬 부드럽지만, 골링에 매우 강하다.

여러 해 동안 몇몇 금형부품 공급업체가 H-13, M-2, 420 스테인리스 및 구리합금 같은 다양한 소재로 만든 에젝터 핀을 공급해왔다. 질화처리한 H-13 핀 또는 강화 표면코팅된 핀은 표면경도가 65~74 로크웰 C 수준이기 때문에 골링 발생 가능성을 줄이는 데 최적이다.

스테인리스스틸 핀이나 크롬 코팅이 된 핀은 의료 기기, 식품접촉제품 또는 그리스나 산화 흔적으로 인한 성형품 오염이 발생할 수 있는 기타 용도에 매우 적합하다. 박막 크롬도금 핀은 극고온 또는 경성 PVC와 같은 부식성 성형원료에는 적합하지 않다.

필자는 스테인리스스틸 에젝터 핀을 몇 차례 사용해 봤으나, 골링이 쉽게 발생했던 까닭에 별로 좋지 않았다. 많은 성형업체가 구리합금으로 만든 코어 핀을 사용하는데, 이 소재는 에젝터 핀으로 사용해도 많은 이점이 있다. 일단 열전달 특성이 뛰어나며, 골링 내성이 매우 강하다. 아쉬운 점은 가격까지 좋지는 않다는 점이다.

어떤 종류의 에젝터 핀을 사용할 것인가를 선택할 때는 에젝터 핀과 코어 중에 어느 쪽이 더 먼저 마모 또는 마멸되거나 부식될지를 판단해야 한다. 마모나 침식된 에젝터 핀 교체는 마모 때문에 코어에 생긴 구멍을 수리하는 것보다 훨씬 비용이 적게 든다.

에젝터 핀의 예방정비는 적어도 캐비티와 코어를 유지관리하는 것만큼 중요하다. 무엇보다 에젝터 핀은 가스를 배출할 환기구의 역할 또한 일정 정도 맡고 있다. 에젝터 핀은 늘 청결을 유지하고, 윤활 시켜줘야 할 뿐 아니라 성형원료에 따라서 중화처리도 해줘야 한다.

원료에서 발생한 부식성 가스는 오래지 않아 에젝터 핀에 손상을 입히고, 핀의 마모를 빠르게 하며, 골링 발생이나 부러질 가능성을 높게 만든다(그림 3). 성형업체들에게 골링으로 박혀버린 핀은 큰 골칫거리다. 운이 좋아 핀의 지름이 상당히 크면 에젝터 플레이트의 완전 전진 혹은 후진이 이뤄지지 않아 사출기가 멈추거나 경고음이 울릴 수 있다.

이는 에젝터 플레이트를 사출기 제어장치에 연결했을 때 가능하다. 하지만 운이 나빠 핀의 지름이 아주 작은 경우라면 핀이 에젝터 하우징 내에서 휘거나 부러질 수 있다. 이렇게 되면 에젝터 플레이트는 겉보기엔 아무 문제없이 전진하고 후퇴하기 때문에 부러진 핀 일부가 파팅라인 너머로 돌출된다.

금형의 저압밀폐 안전장치가 제대로 설정돼 있다면 다음 자동 사이클에서 다시 닫힐 때 캐비티에 너무 큰 손상이 가지 않을 수도 있다. 사출기의 경고음이 울려도 제대로 훈련을 받지 못했거나 경험 또는 정확한 상황을 예민하게 파악할 만한 능력이 부족한 작업자라면 핀 조각이 튀어나온 것을 간과하고, 저압밀폐 설정 수준을 높여 캐비티를 손상시키거나 더 안 좋은 경우로 사출기를 수동모드로 전환시켜 금형에 더욱 높은 압력을 줘 밀폐하는 엄청난 잘못을 저지를 수 있다.

 

핀의 고속 에젝션 및 후퇴속도는 마찰열을 증가시켜 골링 발생위험을 높인다

다중 에젝션 펄스(pulse) 동작이나 에젝터 스트로크를 지나치게 길게 해주는 것도 아무런 도움이 되지 않는다. 어떤 가공업체들은 확실한 이형을 위해 성형품 이형에 필요한 것보다 항상 1회의 에젝터 펄스를 더 쓰기도 한다. 하지만 필자는 이 방법에 찬성할 수 없다. 그야말로 아랫돌 빼서 윗돌 괴는 격이 다. 성형품이 이형이 잘 안 되면 그 원인을 해결해야 한다.

윤활을 적절히 해주면 골링 발생가능성을 크게 줄일 수 있다. 실제로 윤활된 표면의 마찰계수는 그렇지 않은 표면 마찰계수보다 4배 낮다. 성형부품 공급업체들은 얇은 고밀도 크롬, 이황화 몰리브덴(molybdenum disulfide), 다이아몬드상 카본(DLC, Diamond-Like Carbon), 이황화 텅스텐(WS2), 질화티타늄(TiN), 흑색산화물 및 디크로나이트(Dicronite) 건식 윤활제 등 다양한 종류의 윤활 코팅 처리된 에젝터 핀을 공급하고 있다.

하지만 이황화 텅스텐 코팅 핀은 변색을 유발할 수 있으므로 투명하거나 밝은색의 성형품 가 부식성 가스로 인해 에젝터 핀이 부러질 수 있다 공에는 사용하지 않는 것이 좋다. 필자는 폴리카보네이트(PC) 소재 의료부품에 이런 문제가 발생하는 것을 여러 차례 본 적이 있다. 윤활 특성 외에도 이러한 코팅에 일부는 경도가 매우 뛰어난 또 다른 이점도 있다.

DLC 코팅 에젝터 핀 공급업체들은 핀에 별도의 윤활이 필요치 않으므로 의료기기나 식품접촉용도에 이상적이라고 주장하기도 한다. 위의 여러 가지 코팅 중 일부는 고온 내성이 좋지만, 어떤 것들은 고온을 견디지 못한다. 따라서 각자의 용도에 가장 적합한 코팅재를 가려 선택하는 것이 중요하다.

 

 

금속은 뜨거워지면 팽창하기 때문에 코어를 적절하게 냉각해준다면 핀 또는 코팅에 골링 발생가능성을 낮출 수 있다. 에젝터 플레이트 가이드 부싱 또한 골링이 발생할 수 있다. 어떤 형태의 부싱은 내부 에는 그리스 홈, 바깥쪽에는 고리모양의 함몰부위가 생긴 경우가 있다. 이 두 부위를 연결하는 작은 관통 구멍이 부싱의 측면에 나 있다. 이 구멍의 목적은 금형이 아직 프레스에 있는 동안 그리스를 부싱 안으로 펌핑해 넣을 수 있게 하는 것이다.

그림 4에서 보듯 그리스(grease) 건은 에젝터 플레이트 가장자리에 카운터보어로 고정된 저크 피팅 (Zerk fitting)에 부착시킨다. 그리스는 드릴로 판구멍이나 채널을 통해 가이드 부싱의 외경까지 흘러간다. 그리스가 부싱 내부 그리스 홈까지 제대로 흘러 들어가도록 부싱을 고정시켜주거나 방향을 조절 해줄 필요는 없다.

저크 피팅이라는 명칭을 생소하게 여기는 독자가 있을 수 있다. 오스트리아에서 미국으로 이민 온 Oskar Zerkowitz씨는 이름을 Oscar Ulysses Zerk 로 개명했다. 이 사람은 300개가 넘는 특허를 보유하고 있다. 그 중 하나가 ‘The Zerk(더 저크)’라는 제품명으로 알려진 그리스 피팅이다.

그가 사망한 1968년까지만 해도 약 200억개의 피팅이 제조된 것으로 추산됐다. 이것이 50년 전이었다. 현재까지 얼마나 엄청난 수의 저크 피팅이 생산 됐을지 자못 궁금할 따름이다. 공로가 있는 이들에게 제대로 공로를 돌려야 하기 때문에 Alemite Die Casting사의 Arthur Gulborg씨는 스프링이 장전된 볼을 장착한 최초의 중공(hollow) 그리스 피팅을 1916년 발명했다는 사실을 밝힌다.

1924년 Alemite사는 Allyne-Zerk사를 인수하고, 이 두 가지 종류의 그리스 피팅 모두를 계속 만들어 공급했다. 1933년 Joe Bystricky는 기본적으로 오늘날에도 여전히 사용되는 방식의 수정된 버전을 발명했다. 그 연유가 어떻든 Oscar Zerk라는 이름은 이 독특한 장치와 여전히 연관을 맺고 있다.

몇몇 금형 관련제품 공급사는 흑연으로 막혀있는 자체 윤활 가이드부싱을 공급하고 있다. 흑연은 탄소의 동종이형물질이다. 에젝터 플레이트가 움직임에 따라 흑연의 흔적이 가이드 핀 표면을 덮는다. 이 부싱은 특히 외부 윤활제 사용이 금지된 의료기기 및 식품접촉 제품분야에서 효과가 좋다. 하지만 성형원료에서 부식성 가스가 발생하면 윤활 부싱은 수명이 저하될 수 있다.

 

 

그리고 (꼭 필요하지도 않는데 순전히 습관적으로) 한 번이라도 부싱을 그리스나 오일로 윤활하게 되면 (자체 윤활 여부와 상관없이) 수명이 빠르게 줄어든 다. 에젝터 플레이트의 무게를 지탱할 수 있도록 가이드 에젝터 부싱 지름과 개수가 적정한지 확인하면 된다. 에젝션 스트로크가 매우 긴 경우라면 가이드 핀이 맞은편 플레이트 안까지 들어가도록 길게 만들어 캔틸레버(cantilever)처럼 한쪽 끝만 고정된 것이 아니라 핀의 양쪽 끝이 모두 지지될 수 있도록 하는 것이 좋다.

서로 마찰하는 두 개의 부품 표면이 매끄러울수록 마찰이 적다는 것은 당연한 이치다. 제조업체 및 에젝터 핀 종류에 따라 핀의 표면조도(거칠기)는 2마이크로인치 또는 0마이크인치 정도로 낮을 수 있다. 0마이크로인치인 경우도 대부분의 성형공정에 충분하다. 1년에 1백만회 이상 사이클을 가동하는 경우 핀의 표면마감을 더욱 곱게 해주는 것이 예방 정기간격을 늘리는 데 도움이 될 수 있다.

에젝터 핀을 위해 금형 코어에 구멍을 만드는 가장 널리 쓰는 방법으로는 드릴로 구멍을 뚫은 다음 리밍(reaming)하는 것이다. 일반적으로 리밍한 구멍의 표면마감 상태는 대부분의 금형에 적정한 수준이다. 예전에는 많은 툴 공장들이 리밍한 후에도 사이즈를 더욱 정밀하게 표면 마감을 섬세하게 하기 위해 호닝(honing)이나 배럴 다듬질(barrel lapping) 작업을 하곤 했다.

 

 

적절한 유활유 사용은 Galling을 크게 줄인다

연마석은 보어 내에서 회전하는 동시에 들어갔다 나왔다 움직이고, 이는 얇은 윤활제 막의 유지에 도움이 되는 그물코 형상의 패턴을 만들어준다. 요즘에는 리밍된 상태보다 크기나 표면처리가 더 섬세해야 하는 경우는 보통 지그 연삭기(jig grinder) 또는 와이어 EDM을 사용한다. 두 방법 모두 탁월한 결과를 얻을 수 있으며, 몇 십분의 1인치 수준의 지름 및 구멍 둥글기 정확도를 제공한다.

이 점은 핀이 측벽 가장자리에 가깝게 혹은 얇은 립을 정확히 중앙에 설치해야 할 때 중요하다. 금형에 다수의 작은 에젝터 핀을 사용해야 할 때는 이 두 가지 방법을 번갈아 사용하기를 권한다. 확률상 두 방법 가운데 적어도 하나가 문제를 일으킬 수도 있기 때문이다.

이때 매우 미세한 마루와 골을 남긴다. 이 마루와 골들은 윤활제를 유지하는 데 도움이 될 뿐 아니라 동시에 에젝터 핀의 표면 접촉면적을 줄여 마찰열을 감소시켜준다. 와이어 EDM 작업비용은 리밍보다 더 많은 비용이 든다. 이 비용을 줄이려면 최종 크기보다 작게 0.002~0.004인치 정도의 구멍을 미리 드릴로 뚫는 것도 방법이다. 그런 다음 와이어 EDM 으로는 한두 차례의 정밀 스킴 절삭(skim cut) 해주면 된다.

위에서 보는 표는 다양한 유형의 머시닝 가공방법에 따른 평균 조도값 범위를 보여준다. 여러 요인에 따라 실제 범위는 표에 표시된 범위보다 더 거칠거나 더 세밀해질 수 있다.

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18830   에젝터 핀 파손의 원인 및 방지법 (Ⅱ) 플라스틱코리아