기술강좌
 
홈으로로그인회원가입사이트맵이메일
 
HOME 기술강좌 주변기기 및 기타
전시회 일정
국내전시일정
해외전시일정(상반기)
해외전시일정(하반기)
관련링크
관련협회
연구소
관련도서
관련 채용정보

Since 1991

제목 다이 스프링스의 기본 ①
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/12/30 09:34

다이 스프링스의 기본 ①

 

많은 사출성형 공장이 이젝터 플레이트의 복귀를 위해 금형에 스프링을 장착하고 있다. 그리고 이를 위해 선택할 수 있는 스프링 제품이 시중에 많이 나와 있다. 이번 연재에서는 사출용 금형에 장착하는 압축 다이 스프링을 집중적으로 살펴본다.

 

유명 사출성형용 부품 공급업체 카탈로그에는 30여 종 이상의 스프링이 각기 여러 가지 규격으로 나와 있다. 이번 달 컬럼에서는 사출성형용 압축 다이 스프링 한 가지만 살펴보기로 한다. 이 유형의 스프링은 부하를 가하면 압축되면서 길이가 짧아진다. 그 다음에 스프링은 부하를 다시 밀쳐내면서 압축되지 않은 원래 상태의 길이로 돌아가려고 한다. 매우 간단한 메커니즘이지만, 종종 심각한 금형 파손 및 다운타임을 초래하기도 한다. 이는 대개 스프링의 잘못된 선택 또는 사용때문이다.

사출 금형에서 스프링의 가장 일반적인 용도는 이젝터 플레이트를 제자리로 복귀시키는 것이다. 이 특정 용도에 대해 상세히 다루어야 할 필요가 있다. 이와 관련해 두 가지 서로 모순되는 믿음이 존재하기 때문이다. 이론적으로 볼 때, 금형 폐쇄 시퀀스를 바르게 조정했다면, 스프링을 사용할 필요는 없다. 리턴 핀이 이젝터 플레이트를 제 위치, 즉 스톱 버튼과 같은 높이로 다시 움직여 놓기 때문이다.

소음이나 리턴 핀의 손상이 우려되는 경우, 리턴 핀 헤드 아래 벨빌(Bellville) 와셔를 설치해 충격을 흡수할 수도 있다. 더 바람직한 대안으로, 이젝터 플레이트를 사출기의 녹아웃(knockout) 시스템에 연결해주면, 판의 플레이트 전후 위치를 제어해주기 때문에 스프링이 필요치 않다.

최근에 출시하는 대부분의 사출성형기는 이젝터 플레이트를 전진시키고 후퇴시킬 때 사용할 힘의 양을 지정할 수 있다. 이는 매우 큰 장점이다. 이젝터 시스템에 방해물이 생겨 작동이 원활하지 않거나, 골링(마찰에 의한 마모)이 발생하거나, 무언가에 걸려 멈추게 되면, 이것이 사출기에 프로그래밍 된 힘의 양을 초과할 수 있다. 이때 경보가 울리도록 설정해 성형 사이클을 중단하고 금형에 더 큰 파손이 발생하는 것을 막을 수 있다.

어떤 성형 공장에서는 새로운 금형이 도착하면 우선 스프링을 제거하기도 한다. 금형에 장착된 스프링 가운데 하나라도 망가지면 그 때문에 이젝터 시스템에 불균등한 압력이 가해지게 되고, 이는 핀이 걸리게 하거나 핀이 통과하는 스루홀의 때이른 마모를 초래할 수 있다. 뿐만 아니라, 스프링은 이젝션을 위해 훨씬 더 많이 필요하도록 만든다. 그리고 그 때문에 이젝터 시스템이 이물질에 걸려 멈추기 시작했을 때 금형 손상을 방지하기 어렵게 된다.

스프링을 사용하지 않는 편이 좋은 이 모든 이유에도 불구하고, 이젝터 플레이트의 복귀를 위해 금형에 스프링을 장착하는 사출성형 공장이 적지 않다. 이들은 이것이 사출기 설치 담당자가 이젝터 플레이트를 사출기에 연결하는 것을 잊었을 때에 대비한 안전 조치라고 느낀다. 또한 이젝터 플레이트를 굳이 사출기에 연결할 필요가 없기 때문에 금형설치 시간을 줄일 수 있다는 점 때문에 이들이 스프링 사용을 고집하는 이유이기도 하다.

필자가 이젝터 리턴 스프링 사용을 권하는 몇 안 되는 경우 중 하나는 캠 바로 아래 이젝터 핀이 자리잡고 있는 경우처럼 이젝터 플레이트가 제 위치에서 조금이라도 벗어나면 금형 손상이 발생할 수 있을 때다. 이런 경우에는 이젝터 플레이트에 전기 스위치까지 만들어 주는 것이 좋다.

그러면, 리턴 핀, 리턴 스프링, 안전 스위치 그리고 사출기의 타이 인(tie-in) 고정 등 이렇게 네 가지의 서로 다른 방법을 통해 금형을 보호할 수 있다. 필자는 금형이 매우 빠르게 개방되면서 그 가속도로 인해 이젝터 플레이트가 아주 살짝 앞으로 밀리는 것을 보면서 이런 조처의 필요성을 깨달았다. 결국은 그로 인해 이젝터 핀이 캠 하단에 손상을 입히게 된다는 것을 알게 됐다. 이런 종류의 손상은 작업대에서 금형을 조립할 때도 발생할 수 있다.

 

이젝터 플레이트가 제 위치에서 조금이라도 벗어나면 금형 손상이 발생할 수 있을 때는 이젝터 리턴 스프링의 사용을 권한다.

압축 스프링은 고탄소 강철, 스테인레스 스틸, 강철 얼로이, 구리, 니켈, 심지어 플라스틱과 같은 다양한 종류 및 등급의 소재로 만들 수 있으며, 무수히 많은 형태와 사이즈의 제품들이 시중에 나와 있다. 스프링이 감긴 방향은 오른쪽인 경우도 있고 왼쪽인 경우도 있다. 스프링의 끝단 처리 방식은 그림 1에서 보는 바와 같이 네 가지가 있다.

압축 스프링은 다른 용도에 따라 다양한 종류의 표면 마감으로 공급된다. 스프링 와이어의 단면은 둥근 모양, 정사각형, 직사각형, 둥근 모서리의 직사각형, 사다리꼴 또는 “D” 모양 등 다양한 형태를 지닌다. 사이즈는 인치와 미터 양쪽 모두 있으며 ISO, ISO-D 및 JIS 표준에도 맞추어 나와 있는 경우가 많다. 너무나 다양하고 복잡해 머리가 어지러울 정도다. 그렇다면 금형 설계자는 어떤 종류의 스프링을 선택해야 할지 어떻게 알 수 있을까?

대부분의 주요 금형부품 공급업체는 The Barnes Group(더 반즈 그룹)이 Raymond(레이먼드)라는 상표명으로 만든 다이 스프링을 취급한다. 그래서 사출성형 업계가, 혹은 최소한 가장 유명한 공급업체들이 이 브랜드를 표준으로 선택한 것처럼 보인다. 이는 몇몇 금형부품 공급업체들이 다른 브랜드의 다이 스프링을 취급하지 않는 다는 말은 아니다. 필자의 경험으로는 제조기술에 있어 비슷한 수준의 다른 브랜드 제품들도 있다.

금속 스탬핑 분야 쪽 사람들은 아마 다른 어떤 산업부문보다 스프링에 대해 더 많이 알고 있을 것이다.그들이 사용하는 다이는 극히 빠른 속도로 단단한 금속에 구멍을 뚫어준다. 여기서 스프링은 없어서는 안될 역할을 한다. 다행히도, 우리가 스프링 전문가가 될 필요는 없다. 하지만 스프링을 올바르게 선택하고 사용하는 방법은 알아야 한다.

시중에 판매되고 있는 대부분의 스프링은 6150 크롬 바나듐 얼로이로 만들어진다. 이 스프링의 와이어모양은 사다리꼴이고, 끝단은 연삭 클로즈 엔드 방식이다. 이는 끝단 코일 루프를 길이와 수직 방향으로 정렬하여 납작하게 연삭했다는 의미다. 그리고 오른쪽으로 감겨 있다. 이는 스프링의 마지막 코일이 시계 반대방향으로 중단된다는 뜻이다. 그리고 피로 수명 향상을 위해 쇼트 피닝(shot peening) 가공을 거친다. 마지막으로는 부식 내성을 위한 코팅이 이루어진다.

스프링에 대해서 먼저 알아야 할 것은 그림 2에서 보는 바와 같이 스프링의 강도를 색상으로 표시한다는 사실이다. 그림에서 보는 것은 미국(인치 규격) 스프링의 색상 코드다. US Heavy Duty, ISO, ISO-D, JIS 등 다른 클래스의 스프링에서는 다른 방식의 컬러 코딩이 사용된다. 이는 혼란스러울 뿐 아니라 위험하기까지 하다. 만약 사출성형업체로서 외국에서 만들어진 금형이나 다른 곳에서 쓰던 금형을 사용하고자 하는 경우에는, 금형에 장착되어 있는 기존 스프링을 올바르게 등급이 매겨져 있는 스프링으로 바꾸어 주는 것이 좋다.

청색 미디엄 듀티 스프링은 사출 금형에 가장 널리 사용되는 강도다. 간혹 적색 미디엄 헤비 듀티 혹은 금색의 헤비 듀티가 쓰이기도 하지만 그리 흔하지 않다. 대형 금형에 이젝터 플레이트가 무거울 경우 필자는 지름이 더 큰 청색 스프링을 사용하거나, 또는 힘의 총량이 동일한 적색 스프링을 사용하는 대신 더 많은 개수의 청색 스프링을 사용하는 것을 개인적으로 선호한다. 하지만 필요한 압축량이 매우 작으면 적색 또는 금색 스프링을 선택하는 것이 더 나을 수도 있다.

그림 3은 스프링을 선택 시 알아야 할 기본 명칭을 보여주고 있다.

• 자유길이(Free Length) : 스프링에 힘이나 부하가 가해지기 전에 측정한 길이다.

• 구멍 지름(Hole Diameter) : 업계 표준형 드릴 사이즈에 일치하는 것으로 외경(OD) 즉 스프링의 외부 지름보다 크다. 압축되었을 때 스프링의 확장 및 제조 시의 공차를 고려한 것이다.

• 로드 지름(Rod Diameter) : 실제 내경(ID) 또는 스프링의 내부 지름보다 약간 작다. 로드 지름 역시 표준형 스트리퍼 볼트 및 금형 핀 지름에 맞는 업계 표준 사이즈다.

• 전부하 혹은 예압(Preload) : 금형 조립 시 스프링의 자유 길이를 의도적으로 줄이거나 압축시키는 거리로, 금형 설계자에게 가장 중요한 값 중 하나다. 전부하는 진동 주파수의 스트레스 서지(surge, 급등)를 일으키고 스프링의 조기 고장으로 이어지는 충격 하중 가능성을 방지하기 위해 필요하다.

하지만 사출 금형에서는 이것이 전부하가 그렇게 중요한 주된 이유는 아니다. 요구되는 스프링의 역할이 이젝터 플레이트를 레스트 버튼 쪽으로 완전히 후퇴시켜 잡아주거나, 3플레이트 금형 X1-플레이트에서 A-플레이트를 분리시켜 원하는 순서대로 플레이트 분리가 이루어지도록 하는, 플레이트나 장치의 움직임에 앞서 전에 부하(즉 전부하)가 존재해야 한다.

금형 설계자는 여기서 필요한 힘의 양을 결정해야 하는데, 이것이 간단한 작업이 아니다. 만약 이젝터 플레이트 후퇴를 위해 사용하는 경우에는, 플레이트의 무게를 계산하고, 이젝터 핀의 마찰력, 리턴 핀 및 유도 이젝션 시스템 등을 고려한 SWAG를 추가해야 한다. (SWAG는 “Scientific Wild-Ass Guess(과학적 어림짐작)”을 뜻하는 미국 기술 업계의 속어로, 경험과 “직감”에 기초한 주관적 예상치를 뜻한다.)

 

어떤 브랜드의 다이 스프링을 구매하든 제조업체가 제공한 권장 가이드라인을 꼼꼼히 확인해야 한다.

보다 일반적인 방법은 이젝터 플레이트의 중량에 1.5 또는 2를 곱하는 것입니다. 스프링을 3플레이트 금형 X1-플레이트에서 A-플레이트를 분리하기 위해 사용하는 경우는, A-플레이트의 무게를 계산한 뒤 여기에 리더 핀, 게이트, 드롭(drop)의 마찰력 SWAG를 더해준다. 물론, 철저하게 과학적인 방법은 아니지만, 보통은 잘 먹힌다. 그리고 이 방법으로 잘 되지 않는 경우에 쓸 수 있는 옵션이 있다.

• 작동 길이(Operating Length) 또는 트래블(Travel) :

스프링이 프리로드 양을 초과해 압축되는 거리다. 이젝터 플레이트의 경우에 이 값은 이젝터 스트로크 길이, 또는 플레이트가 앞으로 이동하는 양이다. 3플레이트 금형의 경우에는 약간 다르다. 여기서는 작동 길이가 플레이트들이 완전히 분리될 때 A-플레이트의 뒷면과 X1-플레이트 앞면 사이의 거리이다. 두 경우 모두, 스프링에 발생하는 변형의 총량은 전부하 거리에 트래블의 양을 더한 값이다.

올바른 스프링 선택에서 가장 중요한 요소는 스프링의 압축 가능 양에 관한 제조업체의 가이드라인을 따르는 것이다. 제조업체가 제공한 가이드라인을 지키지 않으면 스프링의 조기 불량이 발생한다.

 

금형 부품 공급업체는 최대 변형(압축) 비율(퍼센트)에 관한 상세한 정보뿐 아니라 효율적 작동 또는 긴 사용 수명 혹은 평균 사용 수명을 위한 백분율 범위 또한 제공해준다. 주의할 점은 최대 변형률은 참조를 위한 수치로 생각해야 한다는 것이다. 권장 작동 범위를 넘어설 정도로 스프링을 압축하면 조기 불량이 또는 안전 상의 위험이 발생할 수 있다.

설명할 수 없는 이유로, 이 권장값은 공급업체마다 다소 차이를 보인다. 표 1은 제조업체 카탈로그에 나온 그대로를 옮긴 것이다. 어떤 브랜드의 다이 스프링을 구매하든 제조업체가 제공한 권장 가이드라인을 꼼꼼히 확인하는 것이 좋다. 

작성자   비밀번호
19858   올바른 게이트, 러너, 스프루 규격 결정법 ③ 플라스틱코리아