인터널기어 성형시 균형충전이 가능한 HR3P형 사출금형 및 성형공정의 최적화

Abstract

본 연구는 기어성형용 금형으로 주로 사용되었던 기존의 콜드러너 3단금형의 충전불균형 현상에 대해 알아보고 이를 개선할 목적으로 새로운 금형구조인 HR3P 금형을 제안하고, 이 금형구조에 대한 사출성형 CAE 해석과 HR3P형 시편금형을 통해 그 유효성을 검증하였으며, 이를 근거로 실제 플라스틱 제품인 인터널 기어 성형용 HR3P 금형을 개발하여 사출성형 CAE 해석과 사출성형 실험을 하였으며, 또한 성형조건 중의 최적조건을 제시하기 위해 실험계획법으로 최적조건을 찾아내는 연구를 수행하였다. 시편금형에 대한 실험은 범용수지인 PP, ABS, PMMA, PA46/GF40을 사용하였으며, 인터널 기어 금형에 대한 실험은 PA46/GF40을 사용하였다. 다음은 연구내용 중 주요한 결과를 정리한 것이다. 첫째, HR3P형 시편금형을 통해 얻은 주요 연구결과는 다음과 같다. 1) 성형온도가 증가 함에 따른 충전불균형도(DFI)의 변화로서, PP는 온도가 증가 할수록 약간 감소하여 약 4~7% 범위이며, ABS의 경우는 약 9~15%, PMMA의 경우는 성형 온도에 따라 증가하여 약 8%~12%의 범위로 나타났으며, 이러한 결과는 기존의 연구결과와 같이 수지의 온도 민감도에 의존적임을 알 수 있었다. 2) 사출속도가 증가함에 따른 충전불균형도는 PP의 경우 약 5%, PMMA와 ABS는 약 6~12%범위로 나타났다. 3) 각 수지에 따른 캐비티별 충전량은 상측 방향에 위치한 캐비티보다 하측 방향에 위치한 캐비티가 약 5% 정도 더 많이 충전되는 현상을 보였으며, 이는 중력효과인 것으로 판단된다. 4) PA46/GF40을 대상재료로 실험한 결과 DFI값의 범위는 3%~8%의 범위내에 있음을 알 수 있었다. 이는 기존의 콜드러너 금형에 비해 균형충전도가 약 50%정도 향상된 값이다. 둘째, 인터널기어 성형용 HR3P형 금형을 통해 얻은 주요 연구 결과는 다음과 같다. 1) 사출성형 해석 프로그램을 이용한 사출성형의 최적조건은 금형온도 40℃, 사출시간 4sec, 수지온도 360℃, 사출압력 195㎫, 보압시간 7sec, 보압 90㎫, 냉각시간 30sec, 핫러너의 온도 340℃의 경우이며, 이때 치형의 진원도의 변형값이 약 0.05431㎜ 이내임을 알 수 있었다. 2) 사출 성형 해석에서 콜드러너의 압력강하는 48.79㎫이고 핫러너의 압력강하는 38.72㎫로 나타났으며, 이러한 결과는 콜드러너에서의 수축변형이 더 많이 발생할 수 있음을 나타내었다. 3) 사출 성형실험을 행한 결과 기존의 기어를 접촉식 3차원 측정기로 측정한 진원도는 0.0974〈진원도〈 0.1115㎜ 였으나, 새로 개발한 금형에서 성형한 기어의 진원도는 0.0766〈 진원도〈0.0836㎜ 로 향상되었음을 알 수 있었으며, 이는 HR3P 금형구조가 균형충전성에서 우수함을 의미한다. 4) 성형품 기어의 치형부에 대한 정확한 수축률을 알고자 치높이 방향인 흐름방향과, 치폭 방향인 흐름의 직각 방향의 값을 비접촉식 3차원 측정기로 측정한 결과, 흐름방향으로 약 0.0378이고, 흐름의 직각 방향으로는 약 0.052임을 알 수 있었다. 6) PA46/GF40% 수지의 유동시 섬유배향은 러너부위는 배향도가 높음을 알 수 있었고, 성형제품의 말단부분인 치형부의 배향도는 낮게 나타났다. 이는 제품의 특성상 흐름말단 부위인 치형부에 수지가 이르기 까지 천이유동이 수차례에 걸쳐 발생한 결과라고 판단된다. 7) PA46에 유리섬유를 15%에서 40%까지 함유량을 변화시키면서 실험한 결과 섬유의 함유량이 많을수록 러너시스템 내에서의 배향도가 증가하였으며, 유리섬유의 함유량의 적을수록 제품의 중심층은 유동방향에 직각방향으로 배향이 이루어지는 것을 알 수 있었다.

Recently, the use of plastic materials is being expanded to not only machine components but the high technology products such as semiconductor and engineering parts owing to development of polymers having heat resistance and high strength. A plastic gear, one of these parts, which has been mainly used for power transmission in motor products, but has some problems due to abnormal wear, noise, etc. by inaccuracy of the tooth. This study proposed a new multi-cavity mold structure for increasing the dimensions accuracy of the internal gear using the start motor of a car. This mold was referred as HR3P. The feasibility of the new mold structure was verified through analysis of injection molding CAE and as a result of experiment through a test mold. For the purpose of optimization of injection molding conditions, this study used for optimal filling balance in each cavity conditions, as design of experimental(DOE) method. This study shows three major parts. First, the filling imbalance of previous papers were analyzed and rearranged. Second, the traditional molds which are applied to normal plastic gears were pointed out defects and weaknesses. Finally, this paper was proposed a new structural system having hot runner at 3 pin-point gate, and shown the improvements using MOLDEX which is a commercial injection molding CAE program. Before manufacturing an internal gear mold having inner tooth, an experimental mold having 3 pin-point at each cavity was produced to make a simple test molding, and carried out an experiment of filling balance to check the effectiveness. On the basis of that, a 4-cavity mold including actually an internal gear product was manufactured, and made an experiments using polyamide46 (contains 40% of glass fiber). The results of this paper show that the balance of the filling degree can reach about 98% and the roundness was also improved by about 98%. Also, Taguchi experimental method was carried out to find the effect of process conditions using this mold. The conditions of the minimized shrinkage were shown on this paper. MOLDEX, injection molding CAE program, was compared the shrinkage behavior of the tooth near the gate with the opposite side of the gate. The result can be proposed to build up the real mold design. A future study will be progressed the detailed shrinkage behaviors on directions such as that of tooth width and the tooth height of an internal gear, it will be considered to be much helpful to design of tooth size when a internal gear mold is designed.