MOULD and DIE

  금속의 소성가공은 성형온도의 높낮이에 따라 열간가공과 냉간가공으로 구분된다. 열간가공은 재결정온도 이상에서, 냉간가공은 재결정온도 이하( 常溫 )에서 수행한다. 금속을 가열하여 일정 온도 범위에 도달하면 내부응력이 사라지고 새롭게 연화된 결정이 등장하여 성장하게 되는데 이를 재결정이라 한다. 열간가공과 냉간가공의 특징은 다음과 같다. ​ 열간가공 ◁ 내부응력이 제거되어 가공이 용이하다.(변형능 증가) ◁ 산화막이 발생하여 표면 상태가 고르지 못하다. ◁ 두께치수 정밀도가 좋지 못하다. ​ 냉간가공 ◁ 탄성한계, 항복점, 경도가 커서 큰 가공력을 요구한다. ◁ 열간가공에 비해 연신율과 단면수축율이 작다 ◁ 표면 및 두께 정밀도가 양호하다 ​ 프레스 가공의 대부분은 냉간가공 범위에 속한다. 열간가공과 냉간가공 사이의 온도에서 가공하는 것을 온간가공이라 한다. 경량화를 추구하는 전기자동차는 내연기관 자동차보다 두께가 얇은 강판을 사용하는 부품이 증가하고 있다. 배터리를 보호하는 부품에서 강도 보강 목적으로 고장력 고강도 강판 소재를 사용하는데 이러한 부품을 성형하는 핫스탬핑 방식은 열간가공에 해당된다.

CSS 측정값은 물체의 길이나 양을 직접 측정하여 얻은 값이다. 물체의 실제값을 참값이라 하며 측정값에서 참값을 뺀 것을 측정오차라고 한다. 측정오차 크기가 작을수록 측정값은 참값에 가깝다. 측정은 사람이 하는 일이기 때문에 측정결과에는 산포가 있다. 측정오차가 없는 이상적인 측정시스템은 존재하지 않는다. 측정은 1회 실시로 끝나지 않고 여러 번 측정을 한 후 측정결과를 통계적으로 적용하는 것이 효과적이다. 측정오차가 발생하는 이유는 다음과 같다. 측정 불확실성에 영향을 주는 요인 발생요인 설명 개인오차 측정하는 사람의 습관에서 생기는 오차. 인간의 감각으로 작은 눈금을 정확히 읽지 못하기 때문에 측정오차가 발생한다. 기기오차 측정기 자신이 가지고 있는 오차. 측정기기를 정밀하게 만들었어도 한계가 있다. 눈금의 간격, 굵기 등에서 조금씩 차이가 생기므로 측정오차가 발생한다. 환경오차 온도, 습도, 진동, 채광 등 측정환경에서 생기는 오차. 환경 변화에 따라 참값과 측정값이 변할 수 있기 때문에 측정오차가 발생한다. 우연오차 여러가지 예측할 수 없는 복합적인 원인이 작용하여 측정오차가 발생한다. 불확실성에 영향을 주는 다른 인자는 반복성과 재현성이다. 반복성은 동일한 부품의 동일한 특성을 동일한 계측기로 한 명의 측정자가 여러 번 반복하여 측정했을 때 얻어지는 측정값의 변동이다. 재현성은 동일한 부품의 동일한 특성을 동일한 계측기로 여러 명의 측정자가 반복하여 측정했을 때 얻어지는 측정값의 변동이다. 측정에서 정밀도는 측정값 사이의 차이를 말하며, 정확도는 측정값과 참값 사이의 차이를 나타낸다. 정밀도와 정확도의 편차를 작게 해야 측정 신뢰도가 높아진다.

CSS 로케이트링(Locate ring) 은 사출금형 고정측 설치판에 부착하며 설치판 바닥에서 약간 돌출되어 있다. 금형을 설치할 때 사출성형기 고정측 부착판 정중앙에 관통되어 있는 구멍에 로케이트링을 끼워 위치를 맞춘다. 사출성형기 노즐과의 중심맞춤 작업이 수월하도록 모서리를 15°~30°의 각도면으로 만드는 것이 좋다. 사출성형기 노즐과 금형의 스프루부시 중심이 일치하도록 위치 제어 역할을 담당한다. 로케이트링은 사출성형기마다 규격이 다르므로 금형사양서를 확인하고 맞는 크기로 제작해야 한다. 일반적으로 Ø100, Ø120, Ø150을 많이 사용하는데 틈새를 적용해서 외경을 Ø99.8, Ø119.8, Ø149.8로 제작하는 것이 좋다. 스프루부시(Sprue bush) 는 사출성형기 노즐에서 흘러나온 수지를 금형 캐비티로 운반하는 첫 관문이다. 스프루는 최초의 유로이며 성형면까지 직접 연결되거나 러너로 이어진다. 다이렉트 게이트 형식의 2단금형은 스프루가 제품면에 직접 연결되고, 3단금형은 수평러너와 수직러너 조합의 긴 유로와 게이트를 거쳐 용융수지가 캐비티로 진입한다. 고화된 스프루가 잘 빠져나오도록 스프루부시 내부의 원뿔 벽면을 빼기 방향으로 래핑해야 한다. 원뿔형태 유로의 체적이 크므로 고화가 잘 되도록 주변에 냉각을 설치한다. 스프루부시 머리 바닥에 가공되어 있는 구(球) 형상은 사출성형기 노즐 외경과 밀착시켜 수지가 새는 것을 방지해야 한다. 이를 위해 스프루부시의 구(球) 형상은 사출성형기 노즐 외경보다 1㎜ 크게 하고, 스프루 부시의 유로 시작 직경 또한 사출성형기 노즐 중앙에 뚫려 있는 구멍보다 1㎜ 크게 한다. 사출성형기 노즐과 맞닿은 스프루부시의 구(球) 부위는 마모 방지를 위해 화염열처리를 해서 경도를 끌어올린다. 로케이트링(왼쪽)과 스프루부싱(오른쪽) 로케이트링과 스프루부싱 조립

CSS 구멍과 축의 끼워맞춤 관계에서 구멍이 축보다 큰 것을 틈새라 하고, 축이 구멍보다 큰 것을 죔새라 한다. 끼워맞춤 방식은 3가지로 구분한다. 헐거운 끼워맞춤 은 구멍의 최소 치수보다 축의 최대 치수가 작은 경우로 틈새가 있다. 억지 끼워맞춤 은 구멍의 최대 치수보다 축의 최소 치수가 크거나 같은 경우로 죔새가 있다. 중간 끼워맞춤 은 헐거운 끼워맞춤과 억지 끼워맞춤 사이 값이다. 구멍과 축의 관계는 ISO가 분류한 IT(International Tolerance) 규정을 따르며, KS 규격에는 B 0401 '치수 공차의 한계 및 끼워맞춤'으로 명시되어 있다. 아래는 구멍 기준의 끼워맞춤을 표기한 예이다. 구멍 기준에서는 앞에 알파벳 대문자, 뒤에 소문자로 표기한다. 숫자가 작을수록 정밀한 가공이다. 헐거운 끼워맞춤 - H7e7, H7f6, H7f7, H7g6, H7h6, H7h7 (e~h) 중간 끼워맞춤 - H7js6, H7js7, H7k6, H7m6, H6n6 (js~n) 억지 끼워맞춤 - H7p6, H7r6, H7s6, H7t6, H7u6, H7x6 (p~x) 구멍의 IT 등급은 축보다 한 등급 큰 것을 적용한다(예를 들면 Ø50H7g6과 같이 기입한다). 구멍이 축보다 가공이 어렵기 때문이다. 구멍과 축의 치수는 기준치수, 최대허용치수, 최소허용치수, 치수공차, 위치수 허용차, 아래치수 허용차로 구성된다. 사출금형에는 밀핀, 코아핀, 슬리브핀, 가이드핀 부시, 스프루 부시 등 많은 원통형 부품들이 끼워맞춤 구조로 구성되어 있다. 프레스금형의 원형 펀치와 파일럿핀은 구멍기준 중간 끼워맞춤인 H7m5를 적용한다. H7f6와 H7g6는 구멍기준 헐거운 끼워맞춤으로 손으로 쉽게 조립이 가능한 수준이다. H7을 기준으로 하는 축의 끼워맞춤이 가장 많이 사용되고 있다. 상용하는 대표적인 구멍기준 끼워맞춤 상태 기호 설명  헐...

CSS 내구성 있는 금형을 제작하기 위해서는 금속재료의 여러가지 기계적 성질을 고려해야 한다. 대상 금속이 지닌 장단점을 이해하고 나서 금형설계에 착수해야 내구성 있는 금형을 만들고 결함을 제거할 수 있다. 금형은 장기간에 걸쳐 고온 고압하에서 사용하는 도구이므로 목적에 맞는 재료 선정이 매우 중요하다. 금속재료의 기계적 성질을 알기 위해 여러 형태의 재료시험을 진행한다. 기계적 성질을 확인하기 위한 재료시험 구분 시험종류 설명 정적 시험  인장시험 재료에 인장력을 가해 기계적 성질을 조사하는 시험이다. 항복점, 내력, 인장강도, 신장, 수축, 비례한도, 탄성한도 등을 확인할 수 있다. 응력-변형도 곡선으로 나타낸다. 가장 대표적인 공업적 시험이다.  압축시험 압축하중에 의한 강도, 변형을 조사하는 시험이다. 취성재료에 주로 적용한다.  굽힘시험 규정된 내측 반경으로 재료를 굽힐 때 구부러진 부분 표면에 생기는 결함을 조사하는 시험이다. 가압굽힘법과 감기굽힘법이 있다.  비틀림시험 재료의 비틀림 강도를 조사하는 시험이다.  전단시험 재료의 전단강도를 측정하는 시험이다.  경도시험 재료의 딱딱한 정도를 측정하는 시험이다. 로크웰경도, 비커스경도, 브리넬경도, 쇼어경도, 모스경도가 있다. 정적 시험  크리프시험 일정한 온도에서 일정한 하중을 가했을 때 시간 경과에 따라 발생하는 변형을 측정하는 시험이다. 내크리프성, 크리프 한도를 확인할 수 있다.  피로시험 재료에 반복하중(인장, 압축, 굽힘, 비틀림, 충격)을 가하고 파괴될 때까지의 반복 횟수를 구하는 시험이다. 반복 횟수와 응력과의 관계를 S-N 곡...

수송기기 산업에서 경량화는 오래 전부터 거론되는 핵심 주제이다. 가벼운 무게만을 목적으로 삼아서 플라스틱으로 차량의 모든 부품을 대체할 수는 없기 때문에 금속과 수지를 결합한 이종(異種) 소재 부품 개발이 두각을 나타내고 있다. 금속과 플라스틱은 기존의 방식에 의해 나사, 접착 본드, 테이프 등으로 접합할 수 있다. 기존의 이 방식들은 늘어나는 공정과 후속 공정간의 부품 이동시간, 반제품 및 재공품 증가, 접합 작업시간을 증가시키므로 일체화 성형을 위한 새로운 기술이 필요하다. 금속과 수지를 하나의 공정에서 결합시키기 위해 금속 표면처리 기술과 사출성형 기술 융합이 가능하다. 이 방법은 금속 표면에 미세 요철 구조를 만들고 이 금속을 금형에 삽입한 후 사출된 용융수지가 요철 구간을 감싸도록 하는 것이다. 금속표면의 미세한 요철은 충진된 수지가 떨어지지 않도록 앵커 역할을 수행한다. 사출성형은 용융수지가 금속 인서트 표면의 나노 또는 미크론 크기의 요철 부위를 차고 들어가도록 충진시킨다. 아래 그림에서 (a)는 화학 에칭으로 금속 표면에 요철 형상을 가공한 확대 단면이고, (b)는 용융수지가 성형되는 과정이다. 나노크기로 표면처리된 금속에 사출성형이 이루어지는 과정 금속표면처리 원천특허는 일본이 보유하고 있으며 오래 전부터 NMT(Nano Molding Technology)라는 명칭으로 기술 상용화를 시도했다. 아래 사진은 NMT의 화학 에칭 기법으로 알루미늄 표면에 미세한 요철을 생성시킨 전자현미경 확대사진이다. 왼쪽은 표면처리 전, 가운데는 표면처리 후, 오른쪽은 수지와 결합되어 있는 인서트 사출성형품의 단면 확대 사진이다.(위 연한 색이 수지, 아래 진한 색이 알루미늄) 요철의 크기는 nm이다. 표면처리한 알루미늄(Al5052)와 사출성형에 의한 결합체 확대단면 현재 실용화 분야는 MP3 및 스마트폰 케이스와 ECU(Electronic Control Unit)가 있다. 대만의 HTC사에서 최초로 NMT 기술...

금형 재료는 성형 특성과 성형품의 요구 품질, 금형수명 등 여러 조건을 고려하여 선정한다. 프리하든강은 기계가공 후에 열처리를 하지 않고 그대로 사용한다. 절삭가공 한계 근처 경도(HRC33~40)를 갖도록 조질 처리한 강재가 이에 속한다. 플라스틱 금형에 사용하는 프리하든강에는 HP1A, HP4A, HP4MA가 대표적이며 NAK80, PX5, P20 등도 해당된다. 금형수명을 연장시키기 위한 목적으로 가공 후 열처리를 하여 경도를 높이는 표면개질을 하는데 이러한 방식을 열처리 금형이라 한다. STAVAX 재질의 열처리 금형은 주로 대규모 양산이 필요한 소형 정밀부품에 사용하고 있다. 열처리 단계에서 변형이 발생하므로 밀링·드릴 가공→NC 황삭→열처리→평면 연마→NC 정삭 순으로 작업이 이루어진다. 플라스틱 금형강 종류 종류 경도(HRC) 구분 장점 용도  SM45C 6~22  기계구조용  탄소강  몰드베이스판재  일반금형부품  HP1A  HP4A  HP4MA 13~17 24~31 29~33  프리하든강  기계가공성  자동차범퍼  그릴  OA기기  CENA-1 40  프리하든강  경면가공성  내식성  TV BEZEL  TV REAR COVER  고품위 가전제품 외관  NAK80 38~42  프리하든강  석출경화형  경면가공성  내마모성  생활가전  화장품용기  STAVAX 45~54  스테인리스강  열처리금형  경면가공성  내식성  내마모성  광학부품  렌즈  도...

금형 제작에 사용하는 금속재료는 종류가 다양하기 때문에 용도에 맞는 재질을 선정해야 한다. 금형이 요구하는 강재는 사출원료(Resin)과 금형수명, 제품 특성에 따라 달라진다. 경도, 강도, 내식성, 내마모성, 내충격성, 절삭성, 경면사상성, 열처리 효과 등은 재료 선정의 중요한 기준이다. 성형품 양산 수량, 성형품 형상, 성형사이클 및 금형소재의 기계적 성질과 가공성을 종합적으로 고려하여 선정하도록 한다. 아래는 금형강이 갖추어야 할 조건이다. 금형강이 기본적으로 갖추어야 할 조건 구비조건 설명   내마모성   경도와 강도  동작하는 부품 사이에서 발생하는 마찰과 마모를 극복하고 성형시  작용하는 사출압력을 견뎌내야 한다. 성형부 표면 손상은 제품에  그대로 반영되므로 경도가 높아야 한다.   내충격성  성형시 반복적으로 금형에 작용하는 내부 및 외부충격과 성형압력을  충분히 극복해야 한다.   내식성  금형 표면에 부식이 발생하지 못하도록 내식성이 우수한 합금원소를  포함하고 있어야 한다. 용융수지는 금속을 부식시키는 가스를 내포  하고 있다. 스테인리스강은 내식성이 우수하다.   절삭성   기계가공성  원하는 형상을 효율적으로 절삭가공하고 공구마모를 최소화할 수  있어야 한다. 치수정밀도를 높이기 위한 연마 가공성이 좋아야 한다.  기계가공 시간은 금형원가에서 가장 큰 비중을 차지한다. 경도가 우수  해도 절삭성이 나쁘면 금형재료 선정에 주의해야 한다.   경면사상성  고품위 제품의 미려한 표...

표면처리는 산화, 마모 등을 방지하기 위해 부품 표면에 다른 금속이나 세라믹 등의 얇은 막을 씌워 표면의 질을 향상시키는 기술이다. 주된 목적은 부품의 원소재가 가지고 있는 물리적, 화학적, 감성적 한계를 극복하기 위함이다. 대표적인 표면처리 공정은 증착법이며 여기에는 TD 코팅, PVD 코팅, DLC 코팅이 있다. 코팅 효과를 극대화하기 위해 대상물 표면은 절삭버(Burr)가 없고 매끄러워야 하며 오염물이 묻지 않도록 주의해야 한다. TD(Toyota Diffusion) 코팅 은 일본 토요타 자동차에서 개발한 침탄 처리 방식이다. 합금강 자체에 포함되어 있는 탄소에 바나듐을 결합시켜 VC(Vanadium Carbide)층을 만든다. 초경합금보다 높은 경도와 내마모성을 보이고, 스테인리스강보다 내식성이 우수하다. 초고온 염욕에 담가야 하기 때문에 변형이 생길 수 있다. 경도는 HV3500 이상이다. 크로마이징(Chromizing) 코팅 은 크롬 분말을 가스 활동으로 모재 표면에 증착 확산시키는 방식이다. TD 코팅과 유사한 경도를 보이고 내마모성과 내식성이 우수하다. PVD(Physical Vapor Deposition) 코팅 은 물리증착법으로 강한 전압과 플라즈마를 이용해서 모재 표면에 CrN(질화 크롬), TiN(질화 티타늄) 등을 증착시키는 방식이다. 내식성과 내마모성이 좋다. 고급 시계 케이스에 많이 적용하고 있다. 경도는 HV1500~2500이다. DLC(Diamond Like Carbon) 코팅 은 다이아몬드의 높은 경도와 흑연의 윤활성을 결합시킨 방식이다. 대상물 표면에 다이아몬드와 유사한 구조의 탄소막을 형성시킨다. DLC 코팅은 윤활성이 좋아 사출금형 캐비티에 적용하면 유동이 좋아져 미세패턴 전사에 유리하다. 내식성이 좋아 가스 발생에 의한 표면 오염을 방지한다. 내마모성, 이형성, 절연성에도 우수한 성질을 나타낸다. 금속, 플라스틱, 세라믹 등 여러 재료에 적용 가능하며...

PVT 곡선은 압력, 부피, 온도에 따른 수지의 거동을 표현한 그래프이다. P는 압력(Pressure), V는 부피(Volume), T는 온도(Temperature)를 의미한다. 아래 그림에서 X축은 온도이고 Y축은 부피이다. 왼쪽은 결정성 수지이고 부피가 급격하게 변하는 지점이 용융온도(Tm)이다. 오른쪽은 비결정성 수지이고 기울기가 변하는 지점이 유리전이온도(Tg)이다. 그림 안의 화살표는 밑으로 갈수록 압력이 더 큰 상태임을 나타내는데, 동일 온도에서 압력이 높을수록 부피변화가 더 작은 것을 알 수 있다. 사출성형과 연관지어 분석해 보면 큰 사출압 조건에서 부피 변화량이 적고 이는 수축이 작게 일어난다는 것을 의미한다. PVT 곡선은 온도 하강에 따른 부피 변화에 있어서 결정성 수지가 비결정성 수지보다 훨씬 큰 것을 보여주고 있다. 비결정성 수지는 완만한 부피 상승을 일으키지만 결정성 수지는 특정 온도에 도달하게 되면 부피 팽창이 가파르다. 이것은 고화되어 온도가 내려갈 때 결정성 수지의 수축이 비결정성 수지보다 커서 치수정밀도가 떨어진다는 것을 의미하며 냉각 배치에 주의를 기울여야 한다. 결정성 수지와 비결정성 수지의 PVT곡선 결정성 수지는 상온에서 규칙적인 결정을 보이고 있다가 용융온도(Tm)에 도달하면 불규칙해지면서 급격한 부피 팽창을 하고 다시 상온으로 돌아오면 커다란 수축이 일어난다. 결정 구조를 바꾸는 부피 변화는 큰 열량을 필요로 하는데 이는 사출성형기의 가소화 능력이 충분해야 함을 나타낸다. 반대로 온도가 낮아지면 많은 양의 열을 방출하기 때문에 금형 냉각을 강화해야 한다. 부피가 증가하면 분자간의 거리가 늘어나고 움직임이 활발해진다. 이는 결정성 수지가 유동성이 좋은 것을 뜻하며 금형 파팅면으로 플래시 발생 가능성을 높인다. 반대로 비결정성 수지는 결정성 수지에 비해 상대적으로 흐름이 나빠 같은 사출 조건에서 미성형이 생길 수 있다. 하지만 치수 면에서는 수축이 덜 일어나 결정성 수지보다 안...