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제목 이젝션 가이드 핀 시스템
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2021/03/02 13:19

이젝션 가이드 핀 시스템

이젝터 스트로크가 길고, 가동측 형판(B-Plates)이 두꺼울수록 금형 스트로크가 짧고 가동측 형판이 얇은 금형에 비해 더 큰 힘을 얻게 된다. 따라서 이젝션을 위한 가이드 핀 시스템의 필요성 또한 더 커진다. 이 점이 금형의 가이드 핀 시스템 필요 여부를 판단하는 요소가 될 수 있다.

 

이젝터 하우징 내에 설치된 가이드 핀과 가이드 부싱은 이젝션을 위한 가이드 핀 시스템(guided ejection system)이다. 가이드 핀 시스템은 금형의 수명을 크게 늘려 주지만, 비용 또한 올라간다. 그렇다면, 이는 어떤 때에 필요하고, 또 어떤 때에는 필요하지 않을까?

이 질문에 답하기 위해서는 가이드 핀 시스템이 제공하는 이점이 정확히 무엇인지 알아야 한다. 간단하게는 이젝터 판 지지, 가이드 및 정렬해 주는 리턴 핀, 이젝터 핀, 슬리브, 블레이드, 리프터 등 기타 연결 부품들을 지지, 정렬 및 가이드하는 것이라 할 수 있다.

가이드 핀 시스템은 중력을 통해 이젝터 판의 중량이 그것과 연결된 금형 부품으로 전달되는 것을 막아준다. 이는 가이드 핀 시스템의 지지 기능이다. 가이드 핀 시스템은 또한 사출기 이젝터 로드들의 길이가 정확히 일치하지 않거나, (중심을 벗어난 스프루 부싱으로 인한) 이젝션 패턴이 중심을 벗어나 이젝터 판이 기울거나 움직임에 방해 받는 것을 예방하는 데도 도움이 된다. 이것은 가이드 핀 시스템의 가이드 기능이다.

가이드 핀 시스템의 가장 중요한 역할은 이젝터 핀, 슬리브, 블레이드 등이 적정 위치를 유지하고, 금형의 센터라인과 완벽한 평행을 이루며 전후로 움직일 수 있도록 해주는 것이다. 이것이 가이드 핀 시스템의 정렬 기능이다.

 

이젝션 가이드 핀 시스템은 금형 수명을 늘려준다.

 

사물의 기계적 원리를 이해하기 위한 최선의 방법은 극단적 조건 아래 놓고 생각해 보는 것이다. 이를 염두에 두고, 표준 35-1/2인치×23-3/4인치 금형 베이스에서 이젝터 판 그리고 이젝터 핀 고정판을 합친 무게가 350파운드(약 159kg)라고 가정해 보자.

가이드 핀 시스템이 없을 경우 350파운드의 무게는 이젝터 판에 연결된 부품들에 의해 지지돼야 한다. 이럴 경우 캐비티를 관통하는 이젝터 핀 구멍이 늘어나게 되고, 이 때문에 성형품에 플래시가 생길 수 있다. 또한 부품의 골링(galling), 응착(seizing), 좌굴(buckling), 조기 마모 등 변형 가능성이 커진다. 간단히 말해, 이젝션 가이드 핀 시스템은 불량품과 가동중단, 금형수리 비용 발생을 예방할 수 있다.

따라서, 어떤 경우에 금형에 가이드 핀 시스템이 있어야 하는가에 대한 답은 다음의 4가지 주요 요소에 따라 달라진다.

1) 원하는 금형의 수명(사이클 횟수)

2) 이젝터 판의 무게

3) 이젝션 부품의 수 및 복잡성 정도

4) 코어 인서트의 경도

 

가이드 핀 시스템을 설치하지 않은 알루미늄 소재 금형은 얼마 되지 않아 이젝션 및 플래시 문제가 발생하는 것을 많이 볼 수 있었다. 당초 금형의 수명에 대한 기대 자체가 매우 짧았던 것인지 아니면 금형제작비용을 낮추는 것이 주요한 요소인지는 정확히 알 수 없지만 그 이유와 상관없이 약 25,000 사이클 시점부터 플래시와 마모 문제가 발생하기 시작했다.

어떤 금형 제작업체들은 리턴 핀으로도 이젝터 판을 충분히 지지할 수 있다고 생각한다. 이 같은 생각은 거의 항상 틀린다. 시소에 올라타 본 적이 있다면, 기계를 이용한 힘의 확대 원리(mechanical advantage)를 알수 있을 것이다. 중심점(pivot point)이 시소의 중앙에 있을 때 힘은 시소의 양쪽 끝에 고르게 작용한다. 하지만 중심점이 한쪽 끝에 치우칠수록, 그 반대의 중심점에서 더 멀어지는 쪽의 힘이 더 커지게 된다.

 

가이드 이젝션 시스템은 이젝터 판을 지지,

정렬, 가이드 한다.

 

금형의 리턴 핀을 살펴보면 중심점이 파팅라인에서 그리 멀지 않은 베어링 면의 끝지점에 있다. 따라서 이젝터 판이 전체 무게는 핀의 다른 쪽 끝에 실리게 된다. 이젝터 판과 이 중심점 또는 베어링점 사이의 거리가 클수록 그쪽에 더 많은 기계적 힘이 실리게 되며, 이는 350파운드보다 훨씬 더 큰 힘으로 마모와 손상을 쉽게 일으킬 수 있다.

이젝터 스트로크가 길고, 가동측 형판(B-Plates)이 두꺼울수록 금형 스트로크가 짧고 가동측 형판이 얇은 금형에 비해 더 큰 힘을 얻게 된다. 따라서 이젝션을 위한 가이드 핀 시스템의 필요성 또한 더 커진다. 이 점이 금형의 가이드 핀 시스템 필요 여부를 판단하는 다섯 번째 요소가 될 수 있을 것이다.

이젝션 가이드 핀은 대부분의 금형 공급업체가 기본이 아니라 옵션으로 제공하는 기능이다. 이는 이해할 만할 뿐 아니라 오히려 도움이 되는 점이라고 할 수 있다. 업체가 제공하는 가이드 핀과 부싱에 대한 권장 사이즈 및 위치가 있을 수 있지만, 자기 금형 설계에 가장 적합한 수량, 사이즈, 위치, 설치 방법 등을 선택해 지정할 수 있기 때문이다.

필자는 가장 큰 규모의 금형 공급업체 중 한 곳에서 내놓은 이젝션 가이드 핀 시스템 권장 사항 및 사양을 검토하다 몇 가지 흥미로운 사실들을 발견했다. 이 공급업체는 길이 7-7/8인치×너비 7-7/8인치의 작은 사이즈부터 시작해 최대 35-1/2인치×23-3/4인치까지 43가지의 표준형 금형을 제공한다. 이 43가지 사이즈 가운데서 가장 작은 사이즈의 금형 3종에만 2개의 가이드 이젝터 부싱을 설치해 줄 것을 권장했다.

이 업체는 그 밖의 모든 사이즈의 금형에 대해서는 4개의 부싱을 사용할 것을 권했다. 필자는 4개 이상의 가이드 핀과 부싱을 장착한 금형을 본 적은 없지만, 매우 큰 금형에는 6개 또는 8개까지도 사용하면 도움이 될 것이라고 생각한다.

금형 크기가 클수록 부싱의 지름도 그에 따라 더 커진다 해도, 더 무거워진 플레이트의 효과적 지지를 위해서는 사출기의 녹아웃 패턴과 관련해 부싱 위치를 조절해야 한다. 녹아웃과 이젝션 가이드 부싱 사이의 거리가 상대적으로 긴 경우, 이젝터 판이 휠 위험이 있다. 만일 이젝터 플레이트의 두께가 얇거나 부드러운 소재로 만들어진 경우라면 그렇게 될 가능성이 크다.

표준 두께의 강철 플레이트의 경우에도 이 같은 휨이 드물지 않게 일어나기 때문이다. 바로 이 이유 때문에 이젝터 판을 이젝터 핀 고정판과 연결해주는 나사를 더 늘려주는 것이 좋은 경우가 많다.

이젝션 가이드 핀 시스템이 이젝터 판을 정밀하게 가이드하고 정렬하는 능력은 부싱의 길이 그리고 가이드 핀과 부싱 사이의 간격이라는 두 가지 주요 요소에 따라 좌우된다. 이젝션 가이드 부싱은 대개 1-1/2 인치와 1-3/4 인치의 두 가지 길이로 제공된다. 가이드 핀과 부싱 사이의 간격은 0.0010인치에서 0.0020인치 범위에서 달라질 수 있다.

계산을 해보면, 최소한 유지해야 하는 허용 각도의 최대치는 1-1/2인치 부싱의 경우 0.076° 그리고 1-3/4인치 부싱의 경우 0.065° 밖에 되지 않는다. 이는 핀과 부싱을 위해 금형에 만들어줘야 하는 관통 구멍과 카운터 보어가 얼마나 정밀해야 하는지 잘 보여준다.

모든 플레이트를 라인 보링(line boring) 처리하면 올바른 위치에 관통 구멍과 보어를 만들수 있고 정렬하기 쉽다. 이렇게 정밀도가 높아도, 가이드가 훨씬 더 많이 필요한 경우도 있다. 한 가지 흔한 예로 2캐비티 패밀리 금형에서 캐비티 하나만 사용하는 경우나, 금형 센터라인에서 단 하나의 캐비티만 오프셋 되어 나와 있는 경우를 들 수 있다. 이런 경우 사출기의 이젝터 패턴과 상관없이, 반발력 때문에 이젝터 판이 비스듬히 움직이게 된다. 이런 경우에는 긴 가이드 부싱의 길이를 늘려주면 조기 마모나 골링을 예방할 수 있다.

가이드 부싱의 길이를 늘리면 이젝터 판 밖으로 부싱이 튀어나올 수 있기 때문에 이젝터 스트로크가 완전히 이루어질 수 있도록 플레이트 두께를 늘려줘야 할 수도 있고 플레이트에 카운터 보어를 만들어야 할 수도 있다. 유의할 점은 사출기에 2개의 오프셋 된 녹아웃 바를 사용해 이 문제를 해결할 수 있다고 생각하면 오산이라는 사실이다. 이 경우 금형의 이젝션 가이드 핀 시스템이 아니라 사출성형기의 이젝터 시스템 자체에 마모를 유발하게 된다.

원통형의 가이드 핀이 부싱 안의 그보다 살짝 큰 원통형 보어를 타고 들어가기 때문에, 접촉이 둘레 전체가 아닌 선형으로 발생한다. 선형 접촉은 환형, 즉 둘레 접촉보다 마모가 훨씬 빨리 진행된다. 핀과 부싱 표면이 단단할수록 마모가 적게 발생하는 것은 분명하다.

표준 가이드 핀의 표면 경도는 로크웰 C 58~62 범위로 질화처리 한다. 가이드 부싱은 솔리드 청동 및 청동판 소재에 자기윤활 방식으로 공급 한다. 이 부분에서 유의가 필요하다. 일부 공급업체들이 자신들이 팔고 있는 부싱 경도를 명시하지 않고 있기 때문이다. 이는 필자로서는 도저히 이해하기 어려운 점이다.

도대체 금형 제작업체가 어떻게 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있겠는가? 필자는 또한 이 공급 업체들이 제품 사양서에 밝힌 내용 중 일부에 대해서도 의문을 갖고 있다. 예를 들어, 한 공급업체는 자신들의 비도금 솔리드 청동 소재 부싱이 로크웰 C 65~74의 표면 경도를 지니고 있다고 말한다. 제품 카탈로그에 그렇게 나와 있다고 그것이 반드시 사실인 것은 아니다. 대부분의 이젝션 가이드 부싱은 90~180 브리넬(Brinell) 경도를 가지고 있으며, 이는 가이드 핀의 경도 수준과는 엄청난 거리가 있다.

사실, 이 수준의 경도는 로크웰 C 스케일로는 측정할 수 없을 정도로 낮은 것이다. 조금 더 찾아보면, 청동 도금된 내경에 그리스 그루브(grease grooves)가 안쪽에 있는 경화처리 강철 소재 이젝션 가이드 부싱(로크웰

C 48~50 경도)을 제공하는 공급 업체를 찾을 수 있다. 이 제품이 필자가 사용하는 부싱이다.

한 금형부품 공급업체는 최근 내경에 여러 줄의 볼 베어링이 들어간 이젝션 가이드 부싱을 내놓았다. 내경 크기에 따라 부싱 하나에 6~8줄의 볼 베어링이 들어간다. 볼 베어링 줄이 부싱의 중심선과 나란하지 않기 때문에 이 제품은 특수한 종류의 ‘선형’ 롤러 베어링이다. 볼 베어링 줄은 약간의 경사를 이루고 있다. 따라서, 가이드 핀과 단일점의 선형으로 접촉하지 않고 가이드 핀 둘레로 수십 개의 접점을 갖게 된다.

볼 베어링은 로크웰 C 60~62 범위로 강화처리 된다. 그런데 볼 베어링은 일반적으로 동일한 표면 경도를 가진 질화처리된 가이드 핀 주위를 돌아가기 때문에 이는 문제가 될 수 있다. 따라서 이 장치에는 가이드 핀 대신 앵글 핀(angle pin)을 사용하는 것이 좋다. 전부 다는 아니지만 시판 중인 대부분의 앵글 핀은 로크웰

C 경도 65~74의 질화처리된 표면을 갖고 있다.

필자는 선형 볼 베어링 부싱을 스트리퍼 판 금형, 삼단 금형, 플로팅 판 금형 등에서 사용해 보았을 때, 모든 경우에 매우 정확한 작동을 보였다. 유일한 문제라면 너무 작동이 잘되어 아주 적은 힘으로도 움직일 수 있다. 금형 개방 스트로크가 조금 빠르거나, 스트로크의 끝지점에서 플레이트에 쿠션을 주지 않은 경우에도 반응을 보일 수 있다. 이는 안전상의 위험이 될 수 있다. 아마 그 때문에 대부분의 금형부품 공급업체들이 더 이상 이 제품을 공급하지 않는지도 모르겠다.

하지만 볼 베어링 부싱은 이젝터 가이드 핀 시스템에 활용할 수 있는 훌륭한 장치다. 유일한 염려라면 그리스가 아닌 오일을 사용한 적절한 윤활이 필요하다는 점을 들 수 있다. 그리스는 오일보다 이물질과 먼지에 더 쉽게 오염되어 부싱 수명에 영향을 줄 수 있다.

많은 이들이 알고 있거나 경험했겠지만, 자기윤활 방식의 카본이 막힌 부싱에 그리스를 사용하면 조기 마모가 일어날 수 있다. 동일한 문제가 볼 베어링에도 적용된다. 클린룸 환경에서 가동되는 의료부품 금형에 볼 베어링 부싱을 사용할 때는 아무런 문제가 없다. 이젝션 가이드 부싱의 윤활에 관한 보다 상세한 정보는 본지 2019년 7월호에 실린 <에젝터 핀 파손의 원인 및 방지법 ③>을 참조하길 바란다.

 

이젝터 가이드 핀 설치에는 두 가지 방법이 주로 사용된다.

 

 이젝션 가이드 시스템을 위해 가이드 핀을 설치할 경우 주로 사용되는 두 가지 방법이 있다. 두 방법은 각자의 장단점이 있다. 첫 번째 방법은 그림 1에서 보는 바와 같이 이젝터 설치판[clamp plate](또는 설치판과 레일을 한데 용접한 경우에는 이젝터 하우징)의 뒷면에 가이드 핀을 설치하는 것이다. 이 방법은 밀링 가공이 조금 더 빠르고 용이하며, 캐비티 및 코어를 고정측 형판에 곧바로 머시닝하는 B 시리즈 금형에서 가장 널리 사용되는 방법이다.

이 방법은 또한 냉각수 라인, 볼트, 인터로크, 코어 인서트 등이 방해가 되는 흔히 겪는 문제를 사실상 제거해준다. 이 방법의 단점은 가이드 핀을 고정시켜주는 설치판을 제거했을 경우 이젝터 판을 지지해줄 방법이 없다는 것이다. 이제 모든 무게가 핀으로 가게 된다. 이것은 이젝터 판을 완전히 전방 위치로 이동시키면 보통 문제가 되지 않는다.

두 번째 방법은 적층형 A-시리즈 금형을 사용할 경우 그림 2에서 보는 바와 같이 B-고정 판(retainer plate)전면에서 가이드 핀을 설치하는 것이다. 이 방법의 장점은 툴 제작자가 이젝터 핀 고정판 시스템을 청소하거나 핀을 교체하고 재조립하는 작업이 더 쉽고 빠르며 안전하다는 것이다.

이 방법에는 그리 중대하지는 않은 한 가지 단점이 있다. 설치판, 이젝터 판, 이젝터 핀을 제거해도 가이드 핀이 여전히 B-고정 판 뒷면에서 튀어나와 있게 된다. 이 때문에 금형을 뒤로 안전하게 뒤집어 놓기가 약간 곤란하다.

거의 모든 가이드 핀(그리고 리더 핀)은 공칭치수에서 통상 0.0005인치에서 0.0010인치의 오버사이즈 숄더 또는 압입식(press-fit) 숄더를 지니고 있다. 이 숄더의 길이는 핀 지름과 제조업체에 따라 다르다. 압입 숄더 길이에 따라 이것이 부싱의 작동을 간섭할 가능성이 있다는 점에 유의해야 한다. 만일 간섭이 있는 경우, 숄더의 일부를 필요한 만큼 갈아 없애면 된다.

최상의 제품을 만들고자 하는 금형 제작가라면 압입 숄더를 그라인더로 모두 갈아 없애 버리고, 핀이 들어가는 구멍 보어 사이즈를 0.0005인치 줄여줄 것을 권한다. 설치를 위해 핀은 냉각시키고 고정 판은 가열해야할 수도 있지만, 이제 고정 판의 두께 전체가 베어링 표면 역할을 해준다.

이 두 가지 설치 방법에 영향을 미치는 또 다른 문제가 있다. 금형은 실온(20°C)에서 제작되지만, 이 온도에서 사용하는 경우는 거의 없다. 예를 들어, 금형 크기가 35-1/2인치×23-3/4인치이고, 뜨거운 오일을 사용해 149°C 온도에서 엔지니어링 수지를 가공한다고 가정해 보자. 이젝터 판은 보통 SAE 1030 강철로 만들어졌고, 이 소재의 열 팽창 계수는 6.5×10-6이다. 따라서, 캐비티와 코어가 있는 고정측 형판은 0.036, 길이는 0.054 팽창하게 된다. 하지만 이젝터 판은 거의 팽창하지 않기 때문에, 일이 꼬이기 시작할 가능성이 높다. 최소한으로 코어의 이젝터 핀 구멍이 늘어나겠지만, 이는 성형품에 플래시가 생기기 시작해서야 알게 된다.

이 같은 잠재적 문제를 예방하는 방법은 더 두꺼운 이젝터 판을 쓰고 여기에 냉각 채널을 뚫어주는 것이다. 이렇게 함으로써 열로 인한 팽창 문제를 상쇄할 수 있다. 그에 더해, A-시리즈 금형 기반의 B-고정 판에 가이드 핀을 장착시켜 가이드 핀 사이에서 이 팽창을 수용할 수 있도록 이젝터 설치판에 충분한 여유공간을 제공해 주는 것이 최상의 방법이다.

이렇게 하면 이젝터 설치판이 너무 가열되지 않으면서 열이 사출기의 가동측 형판으로 천천히 전달된다. 설치판 뒷면에 단열판을 추가할 수도 있다. 하지만 단열 플레이트는 열 전달 속도를 느리게 할 뿐 열 전달 자체를 막아주지는 못한다.

 

열 팽창 문제를 고려해야 한다.

 

가이드 핀이 설치판에 설치되어 있어도 그림 3에서 보는 바와 같이 가동측 형판(B-Plates) 뒷면으로 들어가지 않으면 가이드 핀과 가이드 부싱 사이에 열 팽창 문제가 없을 수도 있다. 하지만 리턴 핀, 이젝터 핀, 슬리브, 블레이드 등에서 마찬가지의 팽창 문제가 있을 수 있다. 또한 가이드 핀의 양쪽 끝이 아니라 한쪽 끝만 고정하면 하중 베어링 능력에 상당한 양의 손실이 발생한다.

이젝터 가이드 시스템을 사전 설치한 금형 베이스를 주문하는 경우, 부싱은 전면 이젝터 핀 고정판에는 삽입 장착하고 후면 이젝터 판에는 압입 장착하도록 되어있다. 많은 금형 제작업체들이 이와 반대로 되어 있는 것을 선호한다. 더 두꺼운 이젝터 판에 하중 베어링 표면이 더 많이 있지만, 이러한 조건에서 금형을 조립하고 분해하는 것은 어렵고 위험하다.

부싱을 이젝터 핀 고정판에 압입 장착할 수 있다면, 금형 제작업체는 이젝터 핀 고정판의 무게가 이젝터 핀에 가해지지 않은 상태에서 이젝터 판을 쉽게 제거할 수 있다. 또한 이젝터 핀의 방향을 잡아주기 위해 사용하는 소형 키나 핀이 제자리에서 벗어나는 경우도 줄일 수 있다.

어느 쪽을 선택하든, 이젝터 판을 관통하는 구멍을 두 개 또는 네 개를 뚫어주는 것이 좋다. 그 다음 표준 볼트를 끼워 넣어 맞춤핀으로 연결된 판들을 분리시키거나 들어올려 준다. 이는 플레이트에 프라이 바(pry bar) 슬롯이 있다고 했을 때, 플레이트 각 모서리에 프라이 바를 쓰는 것보다 훨씬 더 섬세한 방법이 될 수 있다.

이젝터 하우징 내의 공간이 문제가 되는 경우라면, 그림4 및 그림 5에서 보는 바와 같이 가이드 핀이 받침 기둥 역할을 할 수도 있다. 필요한 지지의 크기에 적합한 부싱 사이즈를 사용하는 것이 필요하다. 그림 4에서 보는 디자인은 MUD(Master Unit Die) 인서트 같은 작은 금형에 사용할 수 있다.

그림 5의 디자인은 양쪽 끝이 지지되는 형태로, 무거운 플레이트가 필요한 대형 금형에 가장 적합하다. 어떤 방법을 사용하든 받침 기둥/가이드 핀의 긴 수명을 위해 질화처리 여부를 확인하는 것이 좋다. 질화처리된 가이드 핀과 리더 핀의 중심부는 로크웰 경도 25~35 정도로 쉽게 머시닝 가공할 수 있을 만큼 부드럽다. 

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20047   다이 스프링의 기본 ② 플라스틱코리아