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제목 숄더 볼트를 무시하면 안 되는 중요한 이유 ②
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/02/27 10:13

숄더 볼트를 무시하면 안 되는 중요한 이유 ②

숄더 볼트를 잘못 사용하는 경우가 많은 명칭 두 가지를 정확히 설명하는 것으로 컬럼을 시작해보자. 숄더 볼트의 기능이 플레이트 또는 금형 구성 요소가 이동하는 거리를 제한하는 경우에는 이를 레인지 볼트(range bolt)라고 한다. 레인지 볼트는 이동 거리 제한 뿐 아니라 안전핀의 기능을 한다.

사출성형기 내에서 금형조립, 분해 또는 유지보수 과정에서 플로팅 플레이트(floating plate)가 가이드 핀(guide pins) 또는 리더 핀(leader pins)에서 미끄러지지 않도록 해준다. 레인지 볼트는 쓰리(3) 플레이트 금형에서 러너를 서커 핀(sucker pin)에서 분리해낼 때 “X” 또는 “X-1” 플레이트의 이동 거리 제어를 위해 거의 항상 사용된다. 또한 스트리퍼 플레이트(stripper-plate) 금형에서도 마찬가지 목적으로, 즉 성형품 배출 시 스트리퍼 플레이트의 이동 거리를 제한하는 용도로 쓰인다. 그림 1은 레인지 볼트의 전형적인 설치 방식을 보여준다.

숄더 볼트의 기능이 플레이트 또는 금형 구성 요소를 당겨주는 경우라면, 이는 스트리퍼 볼트(stripper bolt) 또는 풀러 볼트(puller bolt)라 부른다. 모든 규칙에 예외가 있고, 숄더 볼트가 레인지 볼트와 스트리퍼 볼트의 이중 기능을 수행하는 경우도 더러 존재한다. 그 좋은 예가 숄더 볼트가 X-1 플레이트와 B 플레이트 또는 B 리테이너 플레이트 사이에 자리하게 되는 쓰리(3) 플레이트 금형의 경우다.

이 때 숄더 볼트는 먼저 이 두 플레이트 간의 거리를 제한함으로써 콜드 러너가 금형에서 분리돼 걸림 없이 떨어질 수 있도록 충분하지만 동시에 너무 과하지 않은 공간을 확보해주는 역할을 한다. 그리고 금형개방이 더 확대되면 볼트는 하단이 카운터보어에 걸려 X-1 플레이트를 당기면서 서커 핀에서 러너를 분리시켜준다.

생산 현장에서 쓰리 플레이트 금형에 장착된 숄더 볼트는 손상이 자주 발생한다. 이는 표준 확장 노즐 부싱이 안고 있는 설계상의 결함 때문이다. 부싱에서는 0.390~ 0.453인치 길이의 응고된 콜드 스프루가 생긴다. 이 작은 스프루는 금형이 완전히 개방될 때 결합되는 러너 스트리퍼 플레이트 부싱의 내경에 달라붙어 문제를 일으키는 경우가 많다.

이 때문에 작업자들은 일부러 금형을 빠르게 개방함으로써 “X1” 플레이트가 레인지 볼트 헤드에 세게 부딪히도록 한다. “X1” 플레이트가 갑자기 멈추면서 러너는 자체 운동량으로 러너 스트리퍼 플레이트 부싱으로부터 분리되는 것이다.

이와 마찬가지의 플레이트 기술이 유압식 이젝션 장치를 지닌 사출기의 스트리퍼 플레이트에도 흔히 사용된다. 레인지 볼트의 조기 파손을 피하려면 볼트 헤드 아래에 열가소성플라스틱 소재의 와셔(washers)를 끼워 넣어 주는 것이 좋다. 이 와셔가 충격을 일부 흡수하면서도 신속한 금형 개방 또는 스트리퍼 플레이트 이젝션이 가능해 성형품이나 러너를 효과적으로 제거할 수 있도록 해준다. 이 플라스틱 와셔(혹은 범퍼)는 금속이 부딪치는 소리를 줄이고, 볼트 헤드로 인한 플레이트의 호빙 발생을 막는데 탁월한 효과가 있다.

열가소성플라스틱 범퍼 대신 스프링을 사용하는 금형도 있다. 이는 일반적으로 그리 좋은 해결책이라 할 수 없다. 스프링은 지나치게 압축되면 파손되기 때문이다. 하지만, 스트리퍼 플레이트 또는 코어 인서트가 금형 폐쇄 전에 후퇴 위치로 복귀하거나, 여러 차례 이젝션 스트로크가 이루어지도록 하는 것이 유리한 경우와 같은 특정 상황에서는 도움이 될 수도 있다.

열가소성플라스틱 와셔는 다양한 종류의 소재로 만들 수 있지만, 일반적으로 우레탄이 업계 표준처럼 쓰이고 있다. 40~95 Shore(쇼어) A 범위의 다양한 경도로 제공되며, 그 숫자가 높을수록 단단하다. 레인지 볼트와 엘라스토머 스프링에는 일반적으로 90의 쇼어 경도가 사용된다.

우레탄은 최대 65~93℃(150~200℉)의 온도에서 사용하도록 규정되어 있다. 이 범위 내에서는 대부분의 경우 별 문제가 없다. 금형에 뜨거운 오일을 사용하는 경우 PC 또는 나일론과 같은 다른 소재를 사용하는 것이 좋다. 소재가 단단할수록 충격 흡수능력이 낮아진다는 점에 유의하라.

범퍼의 두께에 관해서는 엄격한 규칙이 존재하지 않는다. 이는 사용하는 소재의 경도와 그에 가해질 힘의 양에 따라 달라진다. PC나 나일론 등 단단한 소재의 경우 일반적으로 0.20 인치면 충분하지만, 부드러운 우레탄은 두께가 0.30 인치 이상 돼야 한다. 필자는 가능한 얇은 범퍼 두 개 또는 세 개를 쌓아서 사용하는 것을 선호하는 쪽이다. 이렇게 하면 그 중 한 개가 망가져도 볼트는 여전히 어느 정도 보호를 받을 수 있다.

효과를 극대화하기 위해서는 그림 2에서 보는 바와 같이 열가소성플라스틱 소재 와셔(일반적으로 강철 소재의 평와셔로)를 지지해주어야 한다. 이 용도에 어떤 종류가 가장 적합한지 따져 보기 위해 와셔에 대해 조금 더 알아보자. 오늘날 시중에서 판매되는 가장 일반적인 평와셔 종류는 USS(United States Standard, 미국 표준) 제품, SAE(Society of Automotive Engineers, 미국 자동차 공학회) A형(좁은 폭은 N, 넓은 폭은 W가 붙은 제품), ASME(American Society of Mechanical Engineers, 미국 기계학회) B형(좁은 폭은 N, 넓은 폭은 W, 일반 폭은 R이 붙은 제품), Mill-Spec (Military Specification, 군용 사양) 제품, 범용 등이 있다.

이렇게 광범위한 선택 가능한 제품들이 있지만, 위의 용도에 이상적인 사이즈로 제공되는 제품은 없다. 그러나 절망할 필요는 없다. 맞춤형 와셔를 주문하지 않아도 된다. 산업용 부품 공급 업체들 가운데는 우리 용도에 정확히 맞는 작은 내경(ID), 넉넉한 외경(OD) 그리고 충분한 두께를 지닌 블랙옥사이드 코팅(black-oxide-coated) 표면경화 강철 평와셔를 공급하는 곳들이 있다. 물론, 이 와셔의 가격은 개 당 1~2달러는 하지만, 여기서 비용을 아껴서는 안된다.

작업대 위에서는 레인지 볼트를 쉽게 제거할 수 있지만, 금형 내의 특정 부위에 접근하거나 플로팅 플레이트만을 빼내기 위해 사출기 프레스 상에서 볼트를 제거해야 하는 경우가 있다. 불행히도, 볼트헤드 위에 육각 렌치를 돌릴 공간이 충분하지 않은 경우가 많다. 이럴 때는 볼트의 숄더나 헤드에 렌치플랫(wrench flats, 렌치를 끼워 넣을 수 있는 평면 홈) 또는 스패너 렌치 핀 홀(spanner-wrench pin holes)을 만들어주면 이 문제를 해결할 수 있다.

레인지 볼트가 측면에 하중이 가해지도록 설계되지 않았지만 실제로는 측면 하중을 받는 경우가 많다. 숄더 아래의 스레드 네크 부위가 볼트의 나머지 부분보다 지름이 훨씬 작기 때문에 측면 하중이 가해지면, 그리 큰 힘을 받지 않아도 이 부위가 파손될 수 있다. 가장 일반적인 측면 하중은 플로팅 플레이트(floating plate)를 지지하는 부싱 또는 리더 핀이 마모되기 시작할 때 발생한다.

원래의 간극에 더해 발생한 이 같은 마모는 플레이트가 처지거나 기울어지도록 만든다. 관통 구멍 내 간극이 충분하지 않고 레인지 볼트 길이가 다소 길면, 금형이 개방 위치에 있을 때 플로팅 플레이트의 전체 무게가 레인지 볼트에 놓일 수 있다. 측면 하중 문제를 최소화하는 간단한 방법은 그림 3과 같이 볼트를 장착하는 플레이트에 숄더가 들어갈 카운터보어(counterbore)를 숄더 지름의 1/4~1/3 깊이로 만들어주는 것이다.

숄더 볼트에 가해지는 측면 하중의 또 다른 원인은 바로 열 팽창이다. 모든 금형 플레이트의 온도가 동일하다면 이상적이겠지만, 흔히 가공 상의 문제가 발생하고 이의 해결을 위해 일부 플레이트 온도를 의도적으로 변경해야 하는 상황이 발생한다. 이는 작은 금형에서는 별 문제가 되지 않지만, 큰 금형에서는 문제가 될 수 있다. 대형 금형의 경우에는 볼트의 숄더가 들어갈 카운터보어를 만들어 주고 숄더와 관통 구멍 사이의 간극을 늘리는 것이 가장 좋은 해결책이다.

숄더 주위 간극은 얼마나 있어야 할까? 이상적으로 말하자면, 베어링 표면(bearing surface) 즉 지지 면적이 극대화되도록 관통 구멍은 가능한 작게 만드는 것이 좋다. 숄더와 표준 숄더 볼트의 스레드 사이의 동심도(concentricity)와 평행도(parallelism)는 인치 당 0.005 인치까지 차이가 날 수 있으므로 적정 간극의 양은 볼트의 길이를 기준으로 해야 한다.

볼트 나사가 들어가는 탭 구멍에 각도가 있는 경우를 고려해 여유 간극을 만들어 주어야 한다. 최대 4 인치의 숄더 길이에는 1/32 인치, 최대 8 인치까지의 숄더 길이에는 1/16 인치면 대개 충분하다.

레인지 볼트는 금형의 중심선을 기준으로 대칭으로 위치해야 할 뿐만 아니라 플로팅 플레이트를 당기거나 밀고 있는 구성 부품에 가까이 있어야 한다. 예를 들어, 이젝터 리턴 핀을 사용해 스트리퍼 플레이트를 전진 및 후진시키는 경우라면, 레인지 볼트를 그 곁에 나란히 두어야 한다. 레인지 볼트가 너무 멀면 플로팅 플레이트가 구부러질 수 있다. 또한 레인지 볼트의 위치를 정함에 있어 수동, 자동 또는 로봇을 이용한 성형품 이형 여부 및 금형 시동 시 파팅라인 접근성 등을 고려해야 한다.

지난 달 컬럼에서는 숄더 볼트의 유효 길이(스레드 부분의 마지막 나사와 숄더 밑면 사이의 거리)가 매우 짧아 볼트가 느슨해지는 경우에 대해 설명한 바 있다. 유효 길이는 볼트가 늘어나는 양을 결정한다. 늘어난 볼트는 장력을 받아 진동 및 충격으로 인한 나사풀림을 막아준다.

성형품 생산 과정에서 레인지 볼트가 풀리면 금형이 심각한 손상을 입을 수 있다. 이를 방지하는 가장 좋은 방법은 그림 4와 같이 표준 합금강 소켓 헤드 캡 스크류와 표준 이젝터 슬리브를 사용해 맞춤형 레인지 볼트를 만드는 것이다. 이런 설계는 표준 길이의 볼트를 사용할 수 없는 아주 긴 레인지 볼트를 만드는 데 유용하다.

많은 사람들이 맞춤형 슬리브를 지닌 레인지 볼트를 만드는 것까지는 필요치 않고 나사 고정용 컴파운드 같은 것을 사용해 문제를 해결할 수 있다고 생각할 수도 있다. 이는 대개 잘못된 생각이다. 슬리브 디자인이 더 유리한 몇 가지 이유가 있다.

나사 고정용 컴파운드는 많은 경우 매우 점성이 높다. 숄더 볼트의 클래스 3 스레드는 탭 구멍 사이에 거의 간극이 없기 때문에 효과를 낼 만큼 충분한 컴파운드를 유입시킬 수 없다. 저점도 컴파운드의 경우라면 더 나은 효과를 볼 수 있지만 이 경우에는 볼트를 풀기 위해 토치를 사용해야 할 수도 있다.

또한 표준 숄더 볼트는 정확히 원하는 길이로 나오는 것이 아니므로 필요 이상으로 긴 볼트를 사용해야 한다. 이 때문에 플레이튼 사이의 최대 거리인 성형기의 최대 형판 간격에 문제를 일으킬 수 있다. 표준 숄더 볼트는 특히 갑자기 멈출 수 없는 유압식 사출기에서 누군가가 금형 개방 속도를 변경하거나 잘못된 금형 개방 위치 설정값을 정하게 되면 파손이 흔히 발생한다. 표준 숄더 볼트는 유효 길이가 매우 작기 때문에 하중을 제대로 처리하지 못한다. 그러한 상황에는 슬리브를 지닌 볼트 디자인이 훨씬 더 효과적으로 대응할 수 있다.

마지막으로 언급하고 싶은 점은 숄더 볼트 또는 이젝터 슬리브가 충분히 크고, 카운터보어가 충분히 깊으면 숄더에 플로팅 플레이트 지지를 위한 부싱을 설치할 수 있다. 따라서 추가 가이드 핀과 부싱이 필요치 않다. 덕분에 금형 베이스를 더 작게 만들거나 다른 구성 요소 설치를 위한 공간을 확보할 수도 있다.

이 유형의 설계를 권장하는 것은 아니지만, 가능한 가장 작은 사출기 또는 구할 수 있는 가장 작은 사출기에 금형을 장착해야 하는 경우가 있다. 사출기의 시간 당 속도는 일반적으로 사출기의 크기 또는 톤수를 기준으로 하기 때문에 공간 절약형 설계로 성형품의 비용을 낮출 수 있다.

 

 

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