MOULD and DIE

  두 물체가 접촉한 상태에서 미끄러지면서 발생하는 저항을 마찰이라 하고, 이로 인하여 물체의 표면이 닳아 없어지거나 변형이 생기는 것을 마모라 한다. 마찰이 일어나는 부품은 마찰열, 소음, 진동 등의 에너지 형태로 흔적을 남긴다. 심화된 마찰은 표면의 형상 변화를 가져와서 본래의 기능을 약화시키고 부품 수명을 단축시킨다. 마찰 운동을 하는 물체의 표면특성을 실제의 사용 조건에 맞게 바꾸는 것을 표면특성 향상기술이라 한다. 표면특성 향상기술은 마찰, 마모, 부식, 윤활 등을 개량하는 표면개질과 마찰접촉면에 동종(同種) 또는 이종(異種) 소재를 물리적 화학적으로 얇게 붙이거나 증착시키는 코팅으로 분류된다. 대표적인 표면특성 향상기술에는 열처리, 금속침투법, 카본분사, 물리적 증착, 화학적 증착, 플라즈마질화 등이 있다.

CSS 경도는 재료의 기계적 성질을 알아내는 가장 간단한 방법으로 변형에 대한 저항력의 크기이다. 어느 물체에 그보다 더 딱딱한 물체로 눌렀을 때 생긴 흔적으로 크기를 계산한다. 경도는 가공성이나 내마모성에 영향을 미친다. 경도는 딱딱함이고 강도는 단단함이다. 유리의 경우 경도는 높지만 강도가 약해 충격에 깨지기 쉽다. 금속은 경도와 강도가 모두 우수한 재료이다. 각종 역학계산에서 경도값과 강도값을 혼동하지 않도록 주의해야 한다. 절삭가공한 강의 표면은 가공경화가 일어나 변질층이 형성되어 경도가 높지만 모재 안으로 들어갈수록 낮아진다. 반대로 경화 처리된 강을 절삭했을 때 급격한 절삭열의 발생으로 표면에 뜨임(템퍼링) 효과가 발생해서 연화하는 경우도 있다. 가공경화는 얇은 변질층을 생성시키는데 표면경도는 재료의 조직, 가공방법 등에 따라 차이가 있으나 보통 0.1~0.5㎜ 깊이에서부터 모재와 비슷해진다. 경도 종류에는 로크웰 경도, 브리넬 경도, 비커스 경도, 쇼어 경도 등이 있다. 경도 종류와 시험방법 종류 기호 하중형상 설명 로크웰 경도 HRB HRC 구(球) 원추 재료에 하중을 가해서 생긴 압흔의 깊이로 표시한다. 얇은 재료와 열처리한 단단한 재료도 측정 가능하다. B스케일과 C스케일이 있다. 브리넬 경도 HB 구(球) 원형 구(球)를 압입하여 생긴 압흔의 직경을 측정하여 그 표면적을 계산하고 단위면적당 작용한 응력으로 표시한다. 비커스 경도 HV 사각추 사각추를 압입하여 생긴 압흔의 대각선 길이를 측정하여 그 표면적을 계산하고 단위면적당 작용한 응력으로 표시한다. 쇼어 경도 HS 해머 다이아몬드가 부착된 해머를 자유낙하시켜 그 반발력으로 튀어오른 높이를 측정한다. ...

  이온질화(Ion nitriding)는 진공 상태의 질소 가스 분위기 속에서 전압을 가하여 질화층을 형성하는 열처리 방식이다. 전압에 의해 글루 방전이 발생하고 부드러운 빛의 플라즈마가 가공물을 덮기 때문에 플라즈마질화라고도 부른다. 이온화된 질소 가스가 가공물에 충돌하면서 운동에너지가 열에너지로 변환하고 이 과정에서 가공물을 가열해 표면에 강한 질화층을 형성한다. 이 방식은 작업환경이 매우 좋고 질화 속도가 빠르다. 이온질화는 내마모성, 내식성, 피로강도를 끌어올리고 표면경도를 극도로 높게 개선시킨다. 저온 진공 상태에서 처리하므로 변형이 거의 발생하지 않고 후가공을 생략할 수 있는 장점이 있다. 이온질화 방식은 종래의 질화법과 전혀 다른 처리 방법이며 기계부품, 사출성형기 부품, 사출금형 부품의 표면처리에 사용이 늘어나고 있다. 이온 플라즈마 표면처리 이온질화 전후 단면비교

  마레이징은 마텐자이트(Martensite)와 에이징(Aging)의 합성어이다. 마텐자이트 조직을 450~510℃ 사이에서 3시간 시효처리하면 초강력성을 발휘하게 된다. 니켈을 함유하고 있고 고온에서도 매우 단단하고 인성이 좋으며 가공성도 우수하다. 미사일 등의 군사무기 및 항공기, 제트엔진 등 초고온 초고압 환경에서 사용하는 부품에 적용한다. 내구성을 요구하는 다이케스팅 금형강으로도 사용하고 있으며 금속 3D 프린터, 분말야금 재료로 이용되고 있다. 마레이징강은 가혹 조건에서 강도와 경도가 매우 우수한 합금재료로써 일본이 한국을 대상으로 수출금지한 소재에 포함(2019년 기준)되어 있으며 가격이 매우 비싸다.

  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...