유압 시스템이 툴 설계에 미치는 영향

사용하는 성형 재료, 용융수지의 유동거리, 성형품 벽체 재료 등은 플라스틱 압력에 큰 영향을 미치는데 대부분의 툴 가공팀에서는 이런 사실을 충분히 이해하지 못하고 있는 수가 많다. 성형 기술자와 툴 기술자들은 각각 가지고 있는 정보와 지식을 충분히 공유하지 않고 있다. 툴의 적절한 사용법과 사이즈, 설계와 설치가 제품 생산에 미치는 영향을 살펴본다.

유압 실린더는 사출성형기의 툴링에서 슬라이드, 코어 풀, 취출, 역 취출, 가스-보조 오버플로, 가스 보조 밸브 핀, 밸브 게이트, 로킹, 금형 나사 풀기, 등 다양한 용도로 사용된다.

유압 실린더를 사용해본 경험이 있는 사람은 누구나 골치 아픈 유압작동유의 누설을 겪어보았을 것이다. 따라서 가능하면 유압 실린더를 사용하지 않는 편이다. 그럼에도 불구하고 기계장치보다 더 우수한 성능을 발휘할 수 있는 조건이라면 유압 실린더를 사용해야 할 것이다.

유압실린더가 사용되는 경우에는 고정/당김(Set/Pull) 압력과 속도 설정에 대해서 충분히 이해할 필요가 있다. 유압 실린더의 고정/당김 압력 및 속도는 유압유의 누설 및 그로 인한 설비 정지시간에 직접적인 영향을 주기 때문이다. 압력과 속도는 서로 비슷하면서도 한편으로는 반대의 영향을 준다.

속도가 빠르면 설비의 생산성이 높아진다는 측면에서 보면 속도를 높이는 것이 좋다. 그러나 고속 동작이 기계 컴포넌트에 주는 부정적인 영향을 생각하면 속도를 낮춰야 한다. 빠른 속도는 T-슬롯 커플러나 로드 끝 나사에 응력과 마모를 초래하며, 심지어 파손시킬 수도 있다.

높은 속도에서 컴포넌트의 손상을 방지할 수 있는 몇 가지 방법이 있다. 그 중 하나는 실린더에 쿠션을 추가하는 것이다. 당기는 방향에서 해당 컴포넌트 대신 실린더 바닥이 밖으로 나오게 하는 것이 좋다.

실린더의 셋 위치에서는 해당 컴포넌트가 원위치에 있어야 하므로 보통 실린더 바닥이 나오지 않도록 할 필요가 있지만, 여기에 대한 대책은 나중에 설명하겠다. 그러므로 속도가 실린더 및 고장에 어느 정도의 영향을 미칠 것인지 결정할 필요가 있다.

유압유의 압력, 즉 유압도 실린더 등 기계 컴포넌트에 부정적인 영향을 미친다. 고정 위치에서 컴포넌트가 플라스틱/캐비티 압력에 대항하기 위해 유압을 사용하고 있다면 유압을 높게 설정해야 할 것이다.

컴포넌트가 금형의 고정되어 있는 절반 부분에 대해 일정한 록킹 각도로 록 되는 경우, 유압을 너무 높게 설정하지 않고 컴포넌트를 움직일 수 있을 정도로만 설정하면 된다. 그리고 당김 위치에서는 그 컴포넌트를 당겨줄 수 있는 정도의 유압을 설정하면 된다.

필자는 지금까지 지나치게 높은 유압 때문에 고장이 발생하는 경우를 수백 번 이상 경험한 바 있다. 대부분의 경우, 유압에 의한 고장은 당김 위치에서 발생하며, 실린더 로드와 컴포넌트의 연결부가 인장응력을 받아서 일어난다. (고정 위치에서는 연결부가 압축된다.)

T-슬롯 커플러를 사용할 때 주의할 점 하나는 T나 슬롯(홈)에 응력에 의한 손상 가능성을 높이는 뾰족한 모서리가 없어야 한다는 것이다. 작동 또는 캐비티/플라스틱 압력을 이기기 위해 어느 정도의 압력이 필요한지 이해할 필요가 있으며, 캐비티/플라스틱 압력을 이기기 위해서는 압력이 필요하다.

경험에 의하면 많은 사람들이 이 점을 잘 이해하지 못하고 있으며 압력을 너무 높게 설정하는 경향이 있다. 그 반대 경우도 있을 수 있다. 유압을 너무 낮게 설정해도 문제가 생길 수 있기 때문이다. 이런 문제는 유압 설정 기사의 잘못 때문만이 아니라 툴에 대한 이해 부족으로 발생할 수도 있다.

때로는 툴의 제작/정비를 담당하는 툴 가공반원들도 이와 같은 문제를 충분히 이해하지 못하는 경우도 있다. 필자도 성형 작업 파트로 이전하여 이런 문제에 자주 부딪치게 되기 전까지는 단지 튼튼한 툴을 제작하고 있다고 자신하고 있었을 뿐 이런 문제에 대한 이해가 부족했다.

툴 가공 팀과 성형작업팀 사이에는 가지고 있는 지식이 서로 완전히 일치하는 것은 아니며 어느 정도의 간격이 존재한다. 사용하는 성형 재료, 용융수지의 유동거리, 성형품 벽체 재료 등은 플라스틱 압력에 큰 영향을 미치는데 대부분의 툴 가공팀에서는 이런 사실을 충분히 이해하지 못하고 있는 수가 많다.

이것은 툴 가공기술자를 험담하는 것이 아니라 사출성형에 대한 지식에 다소 부족한 점이 있다는 것을 지적하는 말이다. 성형 기술자와 툴 기술자들은 각각 가지고 있는 정보와 지식을 충분히 공유하지 않고 있다.

그러나 실린더 사이즈 대 캐비티 압력을 더 자세하게 살펴볼 필요가 있다. 이것은 플라스틱 압력에 대항하기 위해 유압 실린더를 사용하고 있는 경우에만 해당된다. (앞서 설명한 바와 같이 유압 실린더로 작동되는 컴포넌트가 그 고정되어 있는 절반의 금형에 일정한 록킹 각도를 가지고 있을 때에는 해당되지 않는다.)

유압으로 플라스틱 압력에 대항하고 있을 경우에는 실린더 사이즈를 결정하기 위한 계산이 매우 간단하며 참고서를 사용할 필요가 없다.어떤 금형에 사용할 유압 실린더의 사이즈를 정확하게 결정하는 방법은 다음과 같다.

먼저, 금형 설계자가 캐비티 표면이 컴포넌트에 대해 가질 수 있는 플라스틱 압력(충전/보압뿐 아니라)의 피크 값을 정확하게 계산할 수 있도록 가능한 최대의 플라스틱 압력이 얼마인지 충분히 알고 있어야 한다. 이 것은 성형할 플라스틱 수지 재료에 의해서만 결정되는 것이 아니며, 앞서 말한 것과 같이 이 플라스틱 압력에 큰 영향을 미치는 조건이 몇 가지 있는 것이다.

이 결정 과정에서 계산이 불확실할 때에는 반드시 끝자리를 올림 처리하여 신뢰성이 높은 툴과 성형 공정이 이루어질 수 있도록 하는 것이 중요하다. 최대 플라스틱 압력을 결정하고 나면 나머지는 쉽다.

컴포넌트의 표면에 접촉하는 캐비티 표면적을 계산하고 계산된 캐비티 표면적에 최고 플라스틱 압력을 곱한다. 이 곱한 값이 실린더 설계에 적용되는 압력이다.

즉 이 압력을 발휘할 수 있는 사이즈로 실린더 내경을 결정할 수 있게 된다. 필자는 보통 캐비티 압력의 1.5배를 견딜 수 있는 사이즈로 실린더 내경을 결정하여 원하는 기능을 확실하게 발휘할 수 있도록 하고 있다.

예를 들어, 캐비티 압력이 10,000psi이고 컴포넌트의 캐비티 표면적이 1in.2이면 이 컴포넌트에는 10,000lb의 힘이 가해진다. (10,000lb perin.²×1in.²). 이 10,000lb의 힘에 안전율 1.5를 곱하면 캐비티 압력에 대항하기 위해 약 15,000lb의 힘을 가하는 결과가 되는것이다.

필요한 유압 실린더의 내경을 결정하기 위해서는 실린더 내경 면적과 사출성형기 또는 유압 시스템에 사용되는 유압을 알아야 한다. 이 유압이 2000psi라고 가정하자. 그러면 실린더 내경 단면적은 3.14xR2로 계산할 수 있다.

가령 내경이 3-in.인 유압 실린더를 사용한다면 그 단면적은 1.5x1.5x3.14=7.065in.2이다. 이 단면적에 원하는 유압 2000psi를 곱하면 14,130(7.065in.2x2000)psi의 고정력(holding force)을 얻을 수 있다. 그러므로 이 경우에는 내경이 3인치인 유압 실린더로 충분한 고정력을 발휘할 수 있게 된다.

캐비티 압력과 마찬가지로 사출성형에 사용할 유압이 얼마인지를 정확하게 아는 것이 필수적이다. 그러나 이 부분을 소홀히 하고 있는 경우가 많다. 기계에 따라서는 코어 압력을 압력조절 밸브의 압력 한계로 설정할 수도 있다. 이런 경우는 제어장치에서 압력을 변경하더라도 실제 작용하는 압력은 릴리프 밸브의 설정압력 이상으로 높아지지는 않는다.

따라서 제어장치에 표시되는 압력이 실제 압력과 다를 수도 있는 것이다. 실제 압력을 정확하게 알기 위해서는 원하는 위치에 압력계를 설치해야 한다. 위의 예에서, 가령 압력이 1000psi로 제한(설정)되어 있다면 캐비티가 코어 표면에 가하고 있는 힘 10000lb에 대항하는 힘이 7065lb에 불과하므로 실린더가 뒤로 밀리게 된다. 필자도 이런 경험이 많으며 이런 경우에는 실린더 내경을 더 큰 것으로 변경해야 한다.

한 경우에서는 내경이 더 큰 실린더를 사용할 수 없어서 컴포넌트를 고정하기 위해 실린더 한 세트를 추가할 수 밖에 없었으며, 그 결과로 툴이 복잡하게 되었다. 한 가지 더 고려할 점은 실린더 자체의 정격 압력이다. 가령 실린더의 정격 내압이 1500psi이고 사용하는 유압이 2000psi라면 누유나 실 파손 등의 문제를 피할 수 없을 것이다.