[스크랩] 제품설계 총론 요약3

제 3 편 다이캐스팅 제품의 설계

제 1 장 Die Casting 제품 설계 및 금형

1-1 개요

Die casting법은 금속제 금형에 보다 낮은 용융점을 갖는 금속을 용융상태에서 고온, 고압으로 주입하여 동일 형상의 금속물을 단시간에 대량 생산할 수 있는 방법이다.

die casting 금형 구조는 plastic mold 금형의 구조와 유사하므로 제품 설계의 일반적 주의사항은 plastic mold 설계와 비슷하다.

1-2 Die Casting 제품의 공정

보통 다이캐스팅 공정은 설계에서 완성품까지 다음의 공정을 거친다.

① 제품 설계 → mock-up 제작, 시험, 수정

② → 금형설계 → 금형제작 → 시사출 → 금형 수정 보완 → 금형 열처리

③ → 주조 → gate 제거, burr 제거 → 제품 열처리

④ → 교정 → 후가공 → 표면처리

1-3 Die Casting 제품의 특징

sand cast나 permanent mold cast 등의 일반 cast 제품과 비교하여 다음과 같은 장점이 있다.

① 복잡한 형상의 제품이 제작 가능하다.

② 치수 정도가 높아 기계가공비가 절감된다.

③ 표면상태가 양호하다.

④ 살두께가 얇게 되므로 중량 경감으로 원가가 절감된다.

⑤ 용융금속의 고속주입, 급냉으로 조직이 작고 치밀하며 강도가 높다.

⑥ 단위시간당 생산량이 많으며 생산 space를 작게 차지한다.

⑦ 제품의 기밀성이 높다.

⑧ 제품의 균일성이 높다.

⑨ insert의 이용이 가능하다.

반면, 다음과 같은 단점을 가지고 있다.

① 크기의 제한이 있다 제품중량이 최소 25kg을 넘지 못하며 통상 5kg 미만이다.

② 제품의 형태와 gate 위치, 형태에 따라 제품내에 기포가 발생할 우려가 있다.

③ 생산설비 및 금형이 고가이므로 대량생산시 경제적이다.

④ 알루미늄, 아연 등과 같이 동합금보다 용융점이 높지 않은 금속에 적용 가능하다.

1-4 Die Casting 제품의 설계기준

다이캐스팅 제품 설계시 경험에 의존해야 할 것이 많다. casting 상태를 가능한 형상 및 치수공차, 적절한 발구배 등은 경험 없는 엔지니어가 결정하기는 곤란하며 현실성 있는 제품 설계가 불가능하다.

1-7 금형 구조

die casting 금형은 상판(cover die half)과 하판(ejector die half)로 구성된다. 상판은 사출기의 고정판에 부착되며 재료가 주입되는 부분이다. 하판은 ejector mechanism과 대부분의 경우 runner를 포함하며 사출기의 가동축에 부착된다.

(1) Cavity

제품의 형태를 결정하는 부분. 금형이 열렸을 때 제품이 하판에 부착된 상태가 되도록 cavity 방향을 결정해야 한다.

(2) Gate

용탕에 걸린 압력 energy를 속도 에너지로 바꾸는 작용을 한다. cavity 내부를 일정속도로 연속적으로 흐르게 하는 것이 중요하다. 일반적으로 사다리꼴, 두께는 얇고 폭은 좁게 한다.

(3) runner

주입 cylinder 또는 nozzle에서 gate에 재료를 유도하는 통로이다.

(4) Overflow

초기재료는 냉각상태의 불균일, 불순물 함유, 낮은 온도, cavity 내부공기에 의한 산화등으로 상태가 좋지 않으므로 내보내기 위해 overflow를 설치한다.

흐름이 어려운 곳, 끝나는 곳, 만나는 곳, 금형온도가 낮은 곳 등에 통상 설치한다.

(5) Gas Vent

금형 cavity 내의 공기가 빠져나가는 통로로 미성형을 방지한다.

(6) Ejector pin

casting 제품을 금형에서 분리해내는 작용을 한다. 분리시 제품이 뒤틀림 또는 굽힘, 변형이 생기지 않도록 충분한 수의 ejector pin이 필요하다.

(7) Core

제품에 구멍이나 기타 형상을 만들기 위해 cavity를 메워주는 부분.

(8) Slide

die 면을 구성하는 금형가동부분이다. 제품의 undercut(성형품을 빼낼 수 없는 경우)이 있는 경우에 slide를 사용한다.

(9) Parting Line

가동측과 고정측이 분리되는 면으로 가급적 단일 평면이 되도록 한다. spure, gate, overflow 및 gas vent는 parting line 이외에는 설치가 불가능하다.

(10) 냉각수관

cycle time을 단축하기 위해서 금형, 특히 spure 부근과 살두께가 두꺼운 부분의 냉각이 필요하다.

제 2 장 사출기의 종류와 구성

2-1 사출기의 종류 (용융금속의 공급방식에 따른 분류)

다이캐스팅 사출기는 용융금속의 공급방식에 따라 ① cold chamber 방식과 ② hot chamber 방식으로 분류된다.

*p421 그림2.1~2.3 참조.

cold chamber 방식은 plunger의 작동방향에 따라 수평 cold chamber 방식과 수직 cold chamber 방식으로 나누어진다.

2-1-1 Hot chamber 방식

goose neck (압력 cylinder 와 plunger를 포함)이 용융금속 속에 담겨 있으므로 용융금속의 온도와 동일하다. 이러한 구성에는 금속이 최소의 시간과 최소의 온도감소로 금형으로 사출된다.

주로 주석, 아연, 납 등의 저용융점을 갖는 금속의 사출에 사용되며 주조 압력은 70~300기압, 300~100 shots/hr의 사출속도를 갖는다.

제 3 장 알루미늄 다이캐스팅 재료

3-1 알루미늄 재료의 특징

알루미늄은 지구상에 존재하는 금속재료 중 가장 풍부하다. 현재 철에 이어 두 번째로 많이 쓰이는 재료가 되었다.

첫 번째 특징은 가벼운 무게다 비중이 2.7로 강의 7.9에 비하면 1/3에 불과하다.

① 성형성

알려진 금속성형공정을 거의 모두 사용할 수 있다. 용융점 660℃ 정도의 낮은 용융점을 가지므로 주조가 쉽다.

② 기계적 특성

합금으로 만들면 연철의 2배 정도의 강도를 얻는다.

③ 저온특성

대부분의 금속은 저온에서 취성이 생겨나 알루미늄은 인성이 유리하므로 저온환경에서 사용되는 경우가 많다.

④ 내부식성

대기, 식품, 화학물질에 뛰어난 저항성을 갖는다.

⑤ 높은 전기, 열 전도도

단위체적당 전기전도도는 구리의 60% 정도이나 단위무게당 전도도는 구리보다 높다.

⑥ 반사성

표면처리에 의해 우수한 반사체가 되며 산화로 인한 열화가 없다.

⑦ 후처리성

다른 금속보다 후처리 공정이 다양하다.

3-2 알루미늄 재료의 분류

상용목적으로 만든 알루미늄 합금은 수백 종에 이르기 때문에 aluminum association(AA)에서는 체계적으로 분류방식을 만들었다.

첫째, 알루미늄 합금은 사용형태에 따라 주조용과 가공용의 2가지로 나눈다. 가공용 알루미늄은 rolling, drawing, 단조 및 다른 특별한 공정으로 성형되므로 광범위하다.

가공용과 주조용은 성분이 아주 다르며 가공용은 제조과정 동안 인성을 유지해야 하는 반면 주조용은 주조성을 위해 유동성이 있어야 한다.

알루미늄 합금은 부여된 번호로 구분되며 가공용은 4자리의 숫자로 구성되고 주조용은 3자리 숫자와 소수점 아래 1자리 숫자로 구성된다.

*p430 표 참조.

3-3 야금학적 상태의 분류

알루미늄 상태를 기술하는 데는 야금학적 상태가 포함되어야 한다. 야금학적 상태를 기술하는 방법체계는 유일하게 알루미늄 합금에서만 존재하는 AA가 개발했다.

이 방법은 가공용, 주조용 알루미늄 합금 모두에 적용된다. 상태표시는 합금번호 다음에 “_”으로 연결한다.

* 기본 분류는 p431 표 참조

3-4 알루미늄 합금의 Die Cast 성

diecast 성이란 일반 주물의 주조성에 해당하는 것으로 다음의 조건에 충족해야 한다.

① 용융점이 낮을 것. 이 경우 금형온도와 차가 작아 냉각률이 작다.

② cavity 내의 충진능력을 향상시키기 위해 흐름을 좋게 할 것이 요구된다.

③ 수축이 작을 것 : Mg은 수축을 크게 하고, Fe, Ti, Ni, Si는 수축을 작게한다.

④ 급냉시 고온균열을 방지하기 위해 열팽창계수가 작아야 한다.

⑤ 금형에 달라붙지 않을 것 : Fe이 이용된다.

⑥ 금속이 산화성이 크면 탕류를 나쁘게 하고 산화물은 제품의 주조결함을 일으키므로 산화가 잘 일어     나지 않아야 한다.

⑦ 응고시 수축이 작아야 한다.

제 4 장 후처리 I - 후가공

4-1 후처리의 종류

4-1-1 Trimming

사출 후 runner, gate, overflow, parting line 지느러미 등을 제거한다. 소량생산일 경우 수작업으로 행하지만 대량생산인 경우 trimming 금형을 사용한다.

4-1-2 Deburring

burr 표면의 부식물을 제거하기 위해 barreling 또는 sanding을 한다.

4-1-3 열처리

사출물은 잔류 열응력을 많이 갖고 있어 시간이 경과함에 따라 계속 변형하므로 이를 막기 위해서 또는 강도를 향상시키기 위해 열처리를 한다.

4-1-4 후가공

금형사출물 상태에서 얻을 수 없는 정도의 정밀부위나 tab 부위 등은 절삭 가공한다. 후가공이 필요하면 제품 설계시 후가공 공정을 구체적으로 작성하여 제품설계시 반영한다.

4-1-5 표면처리

제품의 부식방지 또는 상품가치를 높이기 우해 내부식 표면처리 또는 도장을 한다.

4-2 후가공 Jig의 정의와 목적

4-2-1 지그(Jig and Fixture)의 정의

대량 생산하는 제품에 있어서 필요한 제조수단.

4-2-2 Jig의 목적

① 제조의 정도를 향상시켜 제품, 부품의 품질을 높인다.

② 제조과정 시간을 단축시켜 제조경비를 절감시킨다.

③ 제품, 부품을 정밀도를 유지하면서 대량생산.

④ 균일한 품질로 호환성 확보.

⑤ 미숙련자도 쉽게 작업 가능.

4-3 Jig의 3요소

기준설정, 위치결정, clamp 이다.

4-3-1 기준 설정

(1) 기준 설정 원리

움직임이 자유로운 강제는 6자유도를 갖는다. 축 X, Y, Z에 따르는 3개의 이동과 각 축 주위의 회전운동이 이것이다.

(2) 각주형상 가공물의 기준결정 방법

체계가 서로 직각인 축계에 있어서 생각되는 모든 강제는 6개의 자유도를 갖고 있다.

주 기준면으로 최대의 넓은 면을 택하는 것이 바람직하고 안내면으로서는 가장 긴 면을 택한다.

(3) 간략화된 위치결정방법

6개의 자유도를 모두 제거하는 완전한 기준결정법을 사용한다. 또 두 방향 혹은 한 방향으로만 치수를 정할 경우에는 간략한 기준결정법을 사용한다.

(4) 부착핀을 사용한 평면과 구멍에 의한 기준결정의 방법

기준결정법은 3가지 군으로 분류,

① 단면과 구멍에 의한 기준결정

② 평면과 단면 및 평면에 평행한 축의 구멍에 의한 기준결정

③ 평면과 이것에 직각인 두개의 구멍에 의한 기준결정

단면과 구멍에 의한 기준결정에는 다음 두가지 경우,

① 주기준면이 구멍인 경우

② 주기준면이 단면인 경우

4-3-2 위치 결정 및 지지

(1) 위치결정 원리

1) 평탄한 표면의 위치결정 원리

공작물의 위치결정은 금긋기와 같은 방법으로 그리지 않고 필요한 수의 제한요소로서 공작물의표면ㅇ 위치결정할 수 있다. 부품은 단지 한 방향의 운동을 억제하는 것을 “부품을 한정한다”고 불리우며 그 다음에는 푸품이 억제 요소와 접촉토록 clamping이 작용한다. 단지 부품의 한 평면만을 억제하는 경우에 단일 한정이라 하며, 부품의 두 평면을 억제할 경우 복수 한정이라 하며, 세 평면을 억제할 경우 전표면 한정이라고 한다.

2) 네스팅 (Nesting)

한 부품이 일직선상에서 적어도 두개의 반대방향의 운동을 억제하는 경우, 둘 또는 그 이상의 표면 사이에서 억제되며 위치결정된다. 따라서 부품은 억제 요소에 nesting 되어 있다고 말한다.

3) 3.2.1 원리

3.2.1 원리는 위치결정을 위한 최소의 요구조건.

4) 4.2.1 원리

밑면에 4번째의 위치결정구를 추가함으로써 지지된 면적은 4각형이 되어 요구되는 안전도를 얻게 된다.

이 원리를 4.2.1원리하고 한다.

5) 오차발생 요인

nesting은 각도오차에 대한 적절한 해결 방법이 없는 단점이 있다.

(2) 위치결정 요소의 설계

중요한 사항,

① 내마모성

② 교환할 수 있는 설치

③ 가시성(visibility)

④ 소재의 용이성

⑤ 칩(chip)의 제거

4-3-3 clamp의 설계

(1) Clamp의 정의와 분류

jig 또는 고정구의 설계에 있어 공작물의 위치결정 후에는 공구에 의해 가해지는 절삭력 때문에 생기는 변형을 방지하고 관계위치에서 이탈되는 것을 방지하기 위하여 안전하게 clamping하여야 한다.

(2) Clamp 설계시 고려 사항

1) 공작물에 대한 고려

① 작업자의 기술에 관계없이 공작물이 위치결정장치에 접촉되도록 힘을 가하게 설치할 것.

② 공구력이 작용하더라도 공작물이 위치결정장치에 이탈되지 않도록 가능한한 공구력이 같은 방향으로     힘이 작용하도록 할 것.

③ 공작물의 치수가 달라지더라도 위치결정장치에서 공작물이 이탈되지 않게 할 것.

④ 공작물에 휨이 생기지 않는 적당한 힘의 크기로 하여야 하며 큰 힘이 요구되면 여러개의 clamp를      사용하여 힘을 분산시킨다.

⑤ 공작물을 clamp 하여야 할 면이 가공되는 면일 때는 합력을 사용하여 간접적으로 clamping 할 것.

⑥ 공작물을 장착, 장탈하기에 지장이 없게 설치할 것.

⑦ 공작물 표면에 상처가 생기기 쉬울 경우에는 clamp의 접촉부분을 연한 금속이나 고무, plastic, 나일     론 등을 사용할 것.

⑧ 공작물 표면이 거친 경우에는 접촉되는 부분의 마모를 방지하기 위해 접촉부분을 열처리 하거나 내     마모성 재료를 붙인다.

4-4 Jig 설계시 고려사항

* 책 참조.

출처 : Korea Engineering & Manufacturing Forum(켐프-구, 컴제포)

글쓴이 : 정은식 원글보기

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