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제목 다이 스프링의 기본 ②
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2021/01/29 14:33

다이 스프링의 기본 ②

다이 스프링의 설치에서 스프링의 힘이 너무 약해도, 너무 강해도 수행하지 못한다. 어느정도의 힘이 적당한지 확실히 검토하는 것이 중요하다. 다이 스프링을 사용할 때 발생하는 문제의 대부분은 대개 적절하지 않은 적용 및 사용으로 인해 발생한다. 스프링이 제 역할을 할 수 있도록 하기 위한 몇 가지 팁이다.

 

다이 스프링의 적절한 선택과 설치 방법

필요에 맞는 다이 스프링의 선택은 스프링이 압축해야 하는 양의 작동 길이(Operating Length)를 정하는 것으로 시작한다. 예를 들어, 금형의 이젝터 스트로크가 2인치라고 가정해보자. 이 경우 25%에서 35% 압축의 권장 작동 범위를 가진 청색 미디엄 듀티 스프링을 사용하는 것이 적합하다고 생각할 수 있다.

금형의 연간 가동 횟수가 약 100,000 사이클로 상당히 낮다고 할 때, 긴 사용수명을 위한 35%의 권장 압축 값을 사용하기로 한다. 따라서, 이 경우 스프링의 자유 길이는 약 2÷0.35=5.7인치가 된다. 이제 이 값을 표준 길이 6인치로 반올림한다.

금형의 리턴 핀 지름이 3/4인치이고, 이곳에 스프링을 장착하려는 경우라면, 1½인치 구멍 지름에 맞는 스프링이 필요하다. 제조업체의 차트(표 참조)를 보면 1½인치 지름의 구멍을 가진 6인치 길이 스프링은 1/10인치 변형 시 17파운드의 부하를 갖게 된다.

이제 이젝터 플레이트가 스톱 버튼을 단단히 누른 상태를 유지하기 위해 약 100파운드의 힘이 필요하다고 가정해 보자. 그리고 금형이 평균 크기이고 총 4개의 스프링을 사용할 예정이라고 가정해 보자. 그럴 경우, 각 스프링이 100÷4=25파운드의 전부하(preload) 힘을 지니고 있어야 한다. 따라서 전부하 거리는 25÷17=1.47/10 인치, 또는 0.147인치가 되어야 한다.

스프링의 힘이 너무 약해서도 또 너무 강해서도 안  된다. 스프링 힘이 너무 약하면 의도한 작업을 제대로 수행하지 못할 수 있다. 너무 강한 경우에는 이젝터 핀이나 리프터(lifter), 가이드 이젝터 시스템 등을 구속하는 조건이 될 수 있다. 어느 정도의 힘이 적당한지 확실치 않은 경우에는 높은 쪽보다는 낮은 쪽을 선택하는 것이 좋다.

스프링 뒤에 스페이서를 추가하거나, 다른 등급 (색상)의 스프링으로 교체해 힘을 늘려줄 수 있기 때문이다. 한 가지 유의해야 하는 것은, 매우 드물지만 완전히 불가능하지 않은 경우로, 금형에 사용되는 스프링의 전체 힘이 사출기에서 사용 가능한 이젝션 힘을 초과할 수도 있다는 점이다.

이제 적절한 스프링을 선택했으니, 스프링을 금형 도면에 추가해야 한다. 제일 먼저 해야 할 일은 스프링이 압축될 때 좌굴(buckling)이 발생할 가능성이 있는지를 확인하는 것이다. 일반적으로, 스프링의 자유 길이가 지름의 4배 이상인 경우 좌굴 문제가 있을 수 있다. 위의 예에서는 자유 길이가 6.0인치에 지름이 1½인치였다. 6÷1.5 = 4이므로, 압축 시 스프링에 좌굴이 발생할 가능성이 약간 존재한다.

이를 방지하기 위해서는 권장 지름을 지닌 로드 또는 핀 위에 스프링을 장착하거나, 권장 지름의 포켓으로 지지해주거나, 또는 그림 1에서 보는 바와 같이 이 두 가지 방법을 모두 사용할 수도 있다. 핀의 외경과 포켓의 내경 모두 스프링에 마모를 일으키지 않도록 표면을 매끄럽게 해야 한다는 점에 유의할 것.

스프링을 포켓에 장착한 경우, 포켓 밑바닥이 평평해야 한다. 스프링은 압축 시 코일에 응력이 균일하게 전달될 수 있도록 평평한 표면에서 작동해야 한다. 스프링 지름을 측정해 포켓 내부 모서리에 넣어줄 곡면의 크기를 결정한다. 넣어줄 수 있는 곡면이 매우 적은 경우라 해도, 예리한 모서리보다 낫다.

로드 또는 핀 위로 스프링을 장착해주면 장점이 한 가지 있다. 그림 2에서 보는 바와 같이 스프링이 파손되었을 경우, 로드가 부서진 스프링의 작은 경화 강철 조각이 흩어지지 않도록 유지해주어 금형이 손상되지 않도록 해준다.

일반적으로 금형 설계자들은 리턴 핀 위에 스프링을 장착시키는 경우가 많다. 이 위치가 주는 한 가지 이점은 플레이트의 구부러짐 방지를 위해 보통 이젝터 플레이트 아래에 스톱 버튼이 있다는 점이다. 그러나, 스프링 지름에 따라서는 스프링이 금형의 바깥쪽 가장자리 너머로 확장할 수도 있으며, 그림 3에서 보는 바와 같이, 가동 측 플라텐 쪽에 장착된 B-플레이트에 약간의 완충이 필요하다.

리턴 핀 위에 스프링을 장착하는 것이 매우 일반적이지만, 지지가 된 이젝터 핀 위에 장착하거나 사출기의 넉아웃(knockouts)이 이젝터 플레이트 뒷면을 들이받는 지점과 근접한 곳에 자체 핀을 두어 그 위에 장착하는 것이 더 나은 방법이다. 그렇게 하면 이젝터 플레이트의 구부러짐을 방지할 수 있다.

때로는 필요한 길이의 스프링을 공급업체에서 판매하지 않는 경우도 있다. 이 경우에는 그림 4에서 보는 바와 같이 한 개 이상의 스프링을 잇대어 사용할 수 있다. 그러나 그림 4에서 보인 것처럼 길이의 스프링 쌍을 사용해 짧은 쪽 스프링이 과도하게 압축되는 것을 피하는 것이 좋다. 스프링을 잇대어 사용하면 공진동수(resonant frequency) 효과 및 “부하 바운스(load bounce)”를 막거나 최소화하는 데에도 도움이 된다. 하지만 이 두 가지 문제는 본 컬럼의 범위를 벗어가는 것이기도 하고, 사출성형 현장에서 크게 문제가 되는 경우는 드물다.

 

다이 스프링의 다양한 설치 방법

때로 이젝터 하우징 내에 스프링을 설치하기에 충분한 공간이 없는 경우도 있다. 이런 때는 그림 5에서 보는 바와 같이 스프링 케이지(cage)를 사용해 문제를 해결할 수 있다. 그림에서 보듯 케이지의 숄더는 이젝터 플레이트 사이에 잡혀 있다. 케이지 바디는 이젝터 클램프 플레이트의 뒤쪽까지 가도록 길게 만들 수 있다. 케이지를 사용하면 약 2½인치의 공간을 더 확보할 수 있다.

때로는 스프링 케이지를 사용한다 해도 이젝터 하우징 내에 스프링을 설치하기에 충분한 공간이 없을 수도 있다. 이와 같은 경우에는 그림 6에서 보는 바와 같이 금형 외부에 스프링을 설치할 수 있다. 상상력을 발휘하기만 한다면 다양한 방법을 찾을 수 있다. 일부 성형업체는 스프링 상태를 확인하기 쉽다는 이유로 실제로 외부 장착을 선호하기도 한다. 또 어떤 성형업체들은 노출된 스프링이 금형 취급 중에 손상될 수 있기 때문에 이 방법을 좋아하지 않는 경우도 있다.

스프링 관련 작업을 할 때는 극도의 주의가 필요하다. 스프링 코일 사이사이의 공간은 쉽게 끼임이 쉽게 발생할 수 있는 지점이며, 압축 상태의 스프링은 커다란 양의 잠재적 에너지를 보유하고 있기 때문에 여러 가지 위험한 상황을 일으킬 수 있다.

스프링이 장착된 이젝터 플레이트가 있는 금형을 다룰 때는 개인 보호 장구를 반드시 갖추어야 한다. 이젝터 플레이트가 정해진 시점보다 훨씬 지나서 강한 힘으로 갑자기 돌아오는 것을 보게 되면 왜 이런 말을 하는지 이해하게 될 것이다.

이젝터 플레이트를 유지하는 데 사용되는 전부하가 들어간 스프링은 툴 벤치 위에서 이젝터 하우징을 조립할 때 문제가 될 수 있다. 이때 유용한 한 가지 요령은 대각선으로 마주하고 있는 두 개의 리턴 핀 전면에 구멍을 내어 그림 7에서 보는 것처럼 나사를 와셔와 함께 끼워 이젝터 시스템이 제자리를 유지할 수 있도록 해주는 것이다.

 

다이 스프링 사용 팁

다이 스프링을 사용할 때 발생하는 문제의 대부분은 대개 적절하지 않은 적용 및 사용으로 인해 발생한다. 다음은 스프링이 제 역할을 할 수 있도록 하기 위한 몇 가지 팁이다.

• 반드시 스프링의 물리적 한계값 및 권장 등급 범위 내에서 작업을 진행한다.

• 길이 또는 등급이 다른 스프링을 섞어 사용하지 말 것.

• 스프링 끝단을 원하는 임의의 길이로 자르거나 연삭하거나, 스프링의 내경이나 외경을 절삭하거나 연삭해서는 안 된다. 이는 소재의 성질에 변화를 일으켜 스프링 성능에 부정적 영향을 미칠 수 있다.

• 스프링이 원래 제조된 상태를 변경하게 되면 반드시 문제 또는 불량을 일으킨다.

• 스프링 코일의 움직임에 제약을 주는 장애물이 없도록 해야 한다. 이는 스프링의 조기 불량을 초래한다.

• 스프링에 이물질이 들어가지 않도록 해야 한다. 어떤 금형은 작은 성형품을 매우 강력한 힘으로 배출해 성형품이 이젝터 하우징 내부와 스프링의 코일 사이로 들어갈 수도 있다.

• 정기적으로 예방 정비를 수행해야 한다. 가동중단을 예방하기 위해 적절한 간격으로 스프링을 교체해준다. 이때 모든 스프링을 동시에 교체해 모든 스프링에 하중 분배가 균일하게 되도록 해야 한다.

• 정기적으로 스프링의 부식 여부를 검사해주어야 한다. 부식은 스프링의 힘을 빼앗는 불량 원인이 된다.

• 다이 스프링의 통상적인 고온 내성 한계치는 230°C

(445°F)다. 이 온도가 넘어가면 스프링의 이완 때문에 상당한 양의 힘 감소가 시작된다.

공정이 거듭되면서 스프링의 온도는 주변 온도보다 높아지게 된다. 금형 작동 사이클이 빨라질수록, 특히 여러 차례의 이젝터 펄스를 사용하는 경우에는, 더욱 많은 양의 열이 발생한다. 이는 대부분의 금형에서는 큰 문제가 되지 않는다. 그러나 금형에 냉각기나 타워워터(tower water)가 아니라 고온의 오일을 사용하고 있어, 시간이 경과하면서 금형에서 스프링으로 열이 전달되는 경우 문제가 있을 수 있다. 이와 같이 고열이 발생하는 용도로 사용할 때는 스프링 제조업체에 사전에 문의하는 것이 좋다.

끝으로, 스프링을 3플레이트의 파팅라인 공정 또는 기타 유사한 상황에서 사용할 때는 전부하의 양을 매우 세심하게 고려해야 한다. 사출기는 높은 클램핑 압력에 도달하기 위해 전부하의 힘을 넘어서야 하기 때문이다. 이를 위해서는 저압금형체결(low-pressure close) 값을 올려줘야 한다. 이 값은 금형을 손상으로부터 보호해 주는 역할을 한다.

이 컬럼에서 언급한 지침 및 권장 사항의 대부분은 캠, 플로팅 인서트(floating inserts), 맞춤형 에어포펫 밸브(air-poppet valves) 등 사출금형 내의 다른 용도에도 마찬가지로 적용된다.

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19989   다이 스프링스의 기본 ① 플라스틱코리아
20120   이젝션 가이드 핀 시스템 플라스틱코리아