KR100212433B1 - 적층형 사출금형 및 그 제작방법과, 적층형 사출금형을 이용한 사출금형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사출금형을 복수개의 판재를 적층 접합하여 제작하므로써 사출금형의 제작시간 및 성형시간을 단축할 수 있는 적충형 사출금형 및 레이저 빔을 이용하여 상기 적층형 사출금형을 제작하는 방법과, 상기 적층형 사출금형을 이용한 사출금형장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 설계된 성형품의 형상에 따라 상부판을 밀링 및 드릴링하는 단계, 사출금형용 재료를 레이저 가공하여 복수개의 판재로 만드는 레이저 가공단계, 상기 레이저 가공된 판재를 적층하고 적층된 판재를 레이저 브레이징에 의하여 접합하는 적층접합단계, 상기 적층되어 구성된 사출금형을 그라인딩 및 연마하는 단계를 포함하여 구성되는 적층형 사출금형의 제작방법과, 상기 방법에 의하여 제작된 적층형 사출금형과, 상기 적층형 사출금형을 이용하며 수지 주입용 스프루를 구비한 사출금형장치가 제공된다.

Description

적층형 사출금형 및 그 제작방법과, 적층형 사출금형을 이용한 사출금형장치

본 발명은 적층형 사출금형 및 그 제작방법과, 상기 적층형 사출금형을 이용한 사출금형장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 사출금형을 복수개의 판재를 적층 접합하여 제작하므로써 사출금형의 제작시간 및 성형시간을 단축할 수 있는 적층형 사출금형 및 레이저 빔을 이용하여 상기 적층형 사출금형을 제작하는 방법과, 상기 적층형 사출금형을 이용한 사출금형장치에 관한 것이다.

전자 및 항공 산업의 발달과 더불어 금형산업도 비약적인 발전을 하고 있다. 최근 금형업계는 다품종 소량생산, 복잡한 형상의 성형품 제조, 높은 치수 정밀도 및 사출성형의 생산성 극대화 등을 추구하고 있다. 이에 따라서 금형설계, 금형제작 및 사출성형시간의 단축과 성형불량의 극소화등이 요구되고 있다.

일반적으로 종래의 금형설계는 많은 시행착오에 의한 경험적인 설계가 주로 사용되어 왔으나, 최근에는 컴퓨터 관련 기술의 발달에 힘입어 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 기법이 개발되고 있다. 이러한 시뮬레이션 기법을 이요하면 금형설계의 정확성을 높이고 설계에 필요한 시간을 단축할 수 있다는 장점이 있어 현재 이에 대한 연구가 집중되고 있다.

금형제작 시간의 단축을 위해서는 새로운 가공기계 및 제작방법이 요구된다. 지금까지 복잡한 형상의 공동부 코어 가공에는 방전가공기를 사용한 방전가공법이 주로 이용되어 왔다. 그러나 이러한 방전가공법은 가공속도가 느리고, 가공시 요구되는 정밀도가 높을 경우에는 이를 맞추기 어렵다는 단점을 가지고 있다.

또한 금형태에 구비해야 할 냉각수로(冷却水路)는 전체 성형 사이클에 영향을 주지만 종래의 금형제작 방법에서는 금형구조 및 가공시의 여러 제약으로 인하여 자유로운 냉각수로의 설계에 상당한 어려움이 있었다.

본 발명은 이러한 종래의 금형제작에 있어서의 한계점을 극복하고자 개발된 것으로서, 레이저 가공에 의하여 복수의 판재를 적층 접합하여 사출금형을 제작하므로써 사출금형의 제작시에 소요되는 시간을 단축하고, 금형의 정밀도를 향상시킬 수 있는 적층형 사출금형 및 그 제작방법과, 상기 적층형 사출금형을 이용한 사출금형장치를 제공하는 것을 기본적인 목적으로 한다.

또한 본 발명은 사출금형내의 냉각수로를 자유로이 설계 가공할 수 있는 적층형 적층형 사출금형 및 그 제작방법과, 상기 적층형 사출금형을 이용한 사출금형장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 사출성형하고자 하는 성형품의 형상이 형상되어 있는 상부판의 하부에는 레이저 가공에 의하여 소정 두께를 가지도록 제작된 복수개의 판재가 적층되어 레이저 브레이징에 의하여 접합되어 구성되는 것을 특징으로 적층형 사출금형이 제공된다.

또한 본 발명에서는 설계된 성형품의 형상에 따라 상부판을 밀링 및 드릴링하는 단계, 사출금형용 재료를 레이저 가공하여 복수개의 판재로 만드는 레이저 가공단계, 상기 레이저 가공된 판재를 적충하고 적층된 판재를 레이저 브레이징에 의하여 접합하는 적층접합단계, 상기 적층되어 구성된 사출금형을 그라이딩 및 연마하는 단계를 포함하여 구성되는 적층형 사출금형의 제작방법이 제공된다.

상기한 적층형 사출금형 제작방법의 일 실시예로서 상기 레이저 가공단계는 금형제작용 재료를 레이저 절단에 의하여 복수개의 판재를 절단하는 단계, 상기 판재에 레이저 빔을 조사하여 레이저 표면경화처리하는 단계를 포함하여 이루어지며, 판재에 소정형상의 공동부를 가공한 후에 판재를 적층 접합하므로써 사출금형내에 냉각수로를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 사출금형의 제작방법이 제공된다.

한편, 본 발명에서는 안내측 핀이 구비되어 있으며 성형물의 형상이 형성되어 있는 사출금형이 장착되는 공동부 유지판과, 성형품의 축출을 위한 축출핀과 상기축출핀의 손상을 방지하기 위한 리턴 핀을 구비하며 상기 공동부 유지판 하부에 설치되는 지지블럭과, 상기 지지블럭과 공동부 유지판 사이에 설치되어 상기 핀의 길이 만큼의 공간을 확보하기 위한 지지기둥과, 상기 지지블럭의 하부에 설치되어 가동측 부분을 결합하기 위한 고정측 고정판과, 상기 코어의 상부로 덮혀지는 공동부판을 구비한 사출금형장치에 있어서, 상기 코어는 사출성형하고자 하는 성형품의 형상이 사상되어 있는 상부판의 하부에는 레이저 가공에 의하여 소정 두께를 가지도록 제작된 복수개의 판재가 적층되어 레이저 브레이징에 의하여 접합되어 구성된 적층형 구조로 되어 있으며, 상기 고정측 고정판 및 상기 공동부판을 관통하여 설치되어 성형수지가 코어의 중앙으로 주입될 수 있도록 상기 코어에 중심맞추어진 위치 결정고리 및 스프루가 구비되어 잇는 것을 특징으로 하는 적층형 사출금형을 이용한 사출금형장치가 제공된다.

제1도는 레이저를 이용하여 판재를 절단하는 과정을 도시한 개략도이고,

제2도는 판재에 레이저 빔을 조사하여 표면경화처리하는 과정을 도시한 개략도이고,

제3도는 6개의 판재로 구성된 본 발명의 적층형 사출금형의 분리 사시도이고,

제4도는 레이저 가공된 판재를 레이저 브레이징 가공하기 위한 연속로의 구성을 도시한 개략도이고,

제5(a)도 내지 제5(e)도는 레이저 브레이징에 의한 접합된 각 판재의 접합부위의 단면도이고,

제6도는 본 발명에 따른 사출금형장치의 분해조립도이고,

제7도는 본 발명에 따른 사출금형장치의 결합단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 렌즈 2 : 노즐

3 : 레이저 빔 4 : 판재

10 : 상부판 17 : 하중테이블

18 : 가열용기 21 : 냉각수 저장용기

22 : 비하중테이블 23 : 코어

24 : 안내측 핀 25 : 공동부 유지판

26 : 지지판 27 : 축출핀

28 : 리턴핀 34 : 공동부판

35 : 고정측 고정판 38 : 스프루

이하, 본 발명의 적층형 사출금형 및 그 제작방법과, 상기 적층형 사출금형을 이용한 사출금형장치에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 사출금형은 레이저 가공에 의하여 소정 두께를 가지도록 제작된 복수개의 금속 판재가 레이저 브레이징(laser brazing)에 의하여 적층 접합되어 있는 구조를 가진다.

이러한 사출금형을 제작하기 위해서는 우선 설계된 성형물의 형상을 소정 두께의 상부판에 밀링(milling) 및 드릴링(drilling)하여 음각으로 조각한다. 다음으로는 상기 상부판과 적층 접합될 복수개의 판재를 레이져 가공에 의하여 제작한다.

사출금형에 사용되는 재료는 일반적으로 내마모성, 내충격성 및 담금질성이 우수하고 높은 강도를 갖을 것이 요구된다. 이러한 재료로서 크롬의 양을 12% 이상 첨가하여 제조한 합금공구강 STD 11(JIS; SKD 11, AISI; D2)이 사용되는데, 이 재료는 열처리 후 강도가 높아져 일반 가공법으로는 가공이 곤란하다. 따라서 본 발명에서는 상기한 고강도의 재료로 사출금형을 제작하기 위하여 레이저를 이용하여 재료를 가공한다.

본 발명의 적층형 사출금형을 제작하기 위해서는 우선 금속 재료를 절단하여 소정 두께를 가지는 복수개의 판재를 제작한다. 상기 판재는 레이저에 의하여 절단된다. 제1도는 레이저를 이용하여 판재를 절단하는 과정을 도시한 것으로서 렌즈(1)를 구비한 노즐(2)을 통하여 레이저 발생기(도시되지 않음)에서 발생한 레이저 빔(3)이 판재(4)에 조사되므로써 레이저 빔(3)이 가지는 에너지에 의하여 판재(4)가 절단된다.

일반적으로 레이저 절단 품질을 결정하는 조건은 절단 속도, 절단폭의 크기, 열향부의 크기, 가공 후 공작물의 변형정도, 표면조도 등을 들 수 있는데, 양호한 판재 절단 품질을 얻기 위해서는 이러한 조건을 적절히 조절해야 하며, 레이저 출력, 레이저 빔 직경, 초점거리, 초점직경, 보조가스의 압력 및 종류, 가공재료의 열전도도 및 용융온도, 증발온도 등을 레이저 절단가공 변수로 선택하여 이를 최적화시키므로써 양호한 품질의 레이저 절단을 이루게 된다.

레이저를 이용하여 판재를 절단하는 공정을 상세한 살펴보면, 제1도에 도시된 바와 같이 레이저 빔(3)이 판재(4)의 표면에 도달하면, 판재 표면재료의 일부는 용융되는 일부는 비등되어 판재를 이루는 재료가 레이저 빔(3)과 일직선상에서 방출되는 높은 압력의 가스에 의하여 협소한 절단폭의 앞 또는 뒤로 방출되면서 판재가 절단된다. 앞서 설명한 바와 같이 레이저 절단의 주요 가공변수들을 변화시키면서 절단폭을 포함하여 절단형상, 열영향부, 버어(burrs)의 형상 및 크기 등에 관하여 최적의 조건을 찾아 판재를 절단하게 된다.

다음으로 절단된 판재에 레이저 표면경화처리를 하게 된다. 일반적으로 사출성형 작업 도중에 사출금형이 마모되는 것을 줄이기 위하여 이젝터 핀 구멍, 코어 및 캐비티 부분에 열처리를 행하게 된다. 종래기술에서의 금형의 열처리는 금형의 조립전에 행하고 그후 연삭가공 및 사상하여 금형을 조립하게 되지만 본 발명에서와 같이 레이저 표면경화처리를 이용하여 금형을 열처리 하는 경우에는 조립된 상태에서 표면경화 처리를 행할 수 있게 된다. 따라서 금형제작에 소요되는 시간을 줄일 수 있게 된다.

레이저 표면경화처리의 목적은 판재의 표면층 조직을 마르텐사이트로 만드는 것이다. 제2도는 판재에 레이저 빔을 조사하여 표면경화처리하는 것을 개략적으로 도시한 것인데, 판재(4)에 레이저 빔(3)이 조사되면 판재(4)에 흡수된 레이저 빔(3)에 의하여 판재(4)의 표면이 가열된다. 표면 보다 더 깊은 층 역시 열전달에 의하여 온도가 증가하게 된다. 가열된 판재(4)에는 오스테나이트가 형성되고 급속한 냉각에 의하여 자기 퀸칭으로 오스테나이트 조직에서 마르텐사이트 조직으로 변하게 된다. 따라서 본 발명에 있어서는 사출금형을 이루는 판재에 레이저를 조사하여 표면경화처리하므로써 열처리를 하게 되는 것이다. 제2도에서 도면부호 5는 표면경화구역을, 도면부호 6은 분석구역을 각각 나타낸 것이며, 화살표는 표면경화방향을 나타내는 것이다.

절단되어 레이저 표면경화처리된 판재는 레이저 브레이징 방법에 의하여 복충으로 적층 접합된다. 즉, 제3도에 도시된 바와 같이 성형품의 형상이 형상되어 있는 상부판(10)의 하부에 상기 레이저 가공에 의하여 준비된 복수개의 판재(11~16)가 차례로 적층되어 레이저 브레이징 방법에 의하여 접합되는 것이다.

여기서 사출금형을 이루는 판재의 수는 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 성형품의 종류 및 기타 조건에 따라 자유로이 선택할 수 있는 것이다.

레이저 브레이징이 다른 접합방법과 가장 다른 차이점은 모재를 용융시키기 않는다는 것이다. 브레이징 온도는 용가제의 온도로 나타내는데 용가제의 선정과 산화 방지를 위하여 본 발명에서는 특별히 암모니아, 불활성 기체 등을 사용하는 로를 사용하게 된다. 제4도는 상기 판재(11 내지 16)를 레이저 브레이징 가공하기 위하여 사용되는 11m의 수소분위기를 가지는 연속로의 구성을 도시한 것이다. 제4도에 있어서 도면부호 17은 하중테이블(17)이며, 도면부호 18은 절연체(19)로 상부가 가리워진 가열용기(18)이다. 도면부호 20는 암모니아 가스 주입구(20)이며, 상기 주입구(20)를 통하여 암모니아 가스가 주입된다. 한편, 도면부호 21은 냉각수 저장용기(21)이며, 도면부호 22은 출구방향에 형성된 비하중 테이블(22)이다.

제5(a)도 내지 제5(e)도는 레이저 브레이징에 의한 접합된 각 판재의 접합부위의 단면도이다. 제5(a)도는 제3도에 도시된 사출금형의 상부판(10)과, 제1판재(11)와의 접합부, 제5(b)는 제2판재(12)와 제3판재(13)와의 접합부를, 제5(c)도는 제3판재(13)와 제4판재(14)와의 접합부를, 제5(d)도는 제4판재(14)와 제5판재(15)와의 접합부를, 제5(e)도는 제5판재(15)와 제6판재(16)와의 접합부를 각각 나타낸다.

각각의 접합부에 따라 접합부의 두께가 서로 상이함을 알 수 있는데, 구체적으로 제5(d)도에 도시된 제5판재(15)와 제6판재(16)와의 접합부와 같이 하측의 접합부로 갈수록 접합부의 두께가 상당히 얇아짐을 알 수 있다. 그 이유는 판재의 중량에 의하여 압력을 받아 얇아지는 것으로 생각된다.

한편, 본 발명에 따른 사출금형의 제작방법에 있어서 주목해야할 특징은 판재를 레이저 브레이징하여 적층 접할 할 때 각 판재에 냉각수로를 형성할 수 있다는 점이다. 즉, 본 발명의 사출금형은 복수개의 판재를 적층 접합하여 구성하게 되므로 판재를 적층하기 전에 미리 특정 판재에 냉각수로의 형상을 만들어 놓고 그 위에 다른 판재를 적충하게 되면 손쉽게 냉각수로를 형성할 수 있게 된다.

제3도에 도시된 6개의 판재로 구성되는 적층형 사출금형의 분리개략도로부터 알 수 있듯이, 각 판재에 잘 흐를 수 있도록 임의의 형상으로 냉각수로를 형성하고 그 위에 각각의 판재를 레이저 브레이징에 의하여 접합 적층하므로써 전체 사출금형 내부에 각종 성형품에 적합한 임의의 형상의 냉각수로를 자유로이 형성할 수 있게 되는 것이다.

또한 사출금형을 제작함에 있어서 상당한 시간을 소요하는 것이 금형 내에 냉각수로와 같은 공동부를 형성하는 작업인데, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 사출금형에 있어서는 판재에 미리 공동부를 형성하고 이를 접합적층하여 전체 사출금형을 구성하므로써 용이하고 신속하게 공동부를 형성할 수 있으므로 사출금형의 제작시간을 상당히(약, 7시간 이상) 단축할 수 있게 된다.

레이저 브레이징에 의하여 복수개의 판재가 적층접합되어 이루어진 사출금형은 후속하여 종래의 금형제작 단계와 마찬가지로 그라인딩 공정(grinding), 연마공정(polishing)을 거쳐 사출금형장치에 조립된다.

다음으로는 제6도 및 제7도를 참조하여 본 발명에 의한 사출금형장치의 구성을 설명한다. 제6도와 제7도는 각각 본 발명의 사출금형장치의 분해조립도와 결합단면도이다.

성형물의 형상이 형성되어 있는 코어(23)는 안내측 핀(24)이 구비된 공동부 유지판(25) 상에 장착된다. 상기 공동부 유지판(25)의 하부에는 유지판(25)의 휨을 방지하기 위하여 지지판(26)이 구비된다. 상기 지지판(26)의 하부로는 성형품을 축출하기 위한 축출핀(27)이 구비되며, 가동측 부분이 닫힐 때 상기 축출핀(27)이 손상되는 것을 막기 위하여 상기 축출핀(27)보다 더 길게 구성된 리턴핀(28)이 지지블럭(29)에 고정되어 설치되며, 상기 지지블럭(29)과 상기 지지판(26) 사이에는 핀들의 손상을 방지하고 핀의 길이 만큼의 공간을 확보하기 위한 지지 기둥(30)이 설치된다. 상기 지지블럭(29)의 하부로는 가동측 부분을 결합하기 위한 가동측 고정판(31)가 나사수단(32)에 의하여 장착된다.

상기 공동부 유지판(25)의 상부로는 안내측 핀(24)이 삽입되는 안내측 부시(33)를 구비하며 상기 코어(23)의 상부로 덮혀지는 공동부판(34)이 위치한다. 상기 공동부판(34)의 상부면에는 고정측 고정판(35)이 나사수단(32)에 의하여 고정 설치된다.

여기서 주목할 점은 상기 코어(23)에 잘 중심 맞추어진 위치 결정고리(37)가 스프루(sprue:38)와 함께 상기 고정측 고정판(35) 및 공동부판(34)을 관통하여 설치된다는 것이다. 본 발명의 사출금형장치에 있어서는 노즐(도시되지 않음)을 통해 공급되는 성형수지는 상기 코어(23)에 잘 중심낮추어진 위치 결정고리(37)로부터 스프루(38)를 통해 코어(23)로 흐르게 되는 구조를 갖고 있어 성형품의 품질이 향상되는 것이다.

상기 코어(23)는 앞서 설명한 바와 같이 성형물의 형상이 형성된 상부판(10)과 그 하부에 레이저 브레이징에 의하여 적층 접합된 복수개의 판재(11~16)로 이루어진다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 사출금형을 레이저 빔에 의하여 가공된 판재를 적층 접합하여 구성하므로써 금형의 제작시간을 단축할 수 있게 된다. 특히, 금형의 제작시간 뿐만 아니라 사출성형부의 사상시간을 단축하는 효과도 달성할 수 있게 된다.

또한 본 발명에서는 판재에 소정 형상의 냉각수로를 사전에 형상한 후에 적층 접합하므로써 정교한 냉각수로를 사출금형내에 자유로이 만들 수 있게 된다.

본 발명에 따른 사출금형장치에서는 성형수지를 주입하기 위한 스프루와 위치결정고리를 구비하므로써 정확하고 용이하게 수지를 금형에 주입할 수 있게 되며, 그에 따라 성형품의 품질이 향상된다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 한정이나 부가 등을 가하여 본 발명을 여러 가지 다양한 형태로 구체화할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게는 자명한 것이다.

Claims (7)

1. 설계된 성형품의 형상에 따라 상부판을 밀링 및 드릴링하는 단계, 사출금형용 재료를 레이저 가공하여 복수개의 판재로 만드는 레이저 가공단계, 상기 레이저 가공된 판재를 적층하고 적층된 판재를 레이저 브레이징에 의하여 접합하는 적층접합단계, 상기 적층되어 구성된 사출금형을 그라인딩 및 연마하는 단계를 포함하여 구성되는 적층형 사출금형의 제작방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 가공단계는 금형제작용 재료를 레이저 절단에 의하여 복수개의 판재를 절단하는 단계, 상기 판재에 레이저 빔을 조사하여 레이저 표면경화처리하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층형 사출금형의 제작방법.
3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한항에 있어서, 판재에 소정형상의 공동부를 가공한 후에 판재를 적층 접합하므로써 사출금형내에 냉각수로를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 사출금형의 제작방법.
4. 사출성형하고자 하는 성형품의 형상이 형성되어 있는 상부판의 하부에는 레이저 가공에 의하여 소정 두께를 가지도록 제작된 복수개의 판재가 적층되어 레이저 브레이징에 의하여 접합되어 구성되는 것을 특징으로 적층형 사출금형.
5. 제4항에 있어서, 상기 복수개의 판재는 레이저 빔에 의하여 판재로 절단되고, 레이저 빔의 조사에 의하여 표면경화처리된 것을 특징으로 하는 적층형 사출금형.
6. 제4항 또는 제5항 중 어느 한항에 있어서, 상기 복수의 판재 중 하나 이상의 판재에는 냉각유로 형성을 위한 공동부가 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 사출금형.
7. 안내측 핀이 구비되어 있으며 성형물의 형상이 형성되어 있는 사출금형이 장착되는 공동부 유지판과, 성형품의 축출을 위한 축출핀과 상기 축출핀의 손상을 방지하기 위한 리턴 핀을 구비하며 상기 공동부 유지판 하부에 설치되는 지지블럭과, 상기 지지블럭과 공동부 유지판 사이에 설치되어 상기 핀의 길이 만큼의 공간을 화보하기 위한 지지기둥과, 상기 지지블럭의 하부에 설치되어 가동측 부분을 결합하기 위한 고정측 고정판과, 상기 코어의 상부로 덮혀지는 공동부판을 구비한 사출금형장치에 있어서, 상기 코어는 사출성형하고자 하는 성형품의 형상이 형성되어 있는 상부판의 하부에는 레이저 가공에 의하여 소정 두께를 가지도록 제작된 복수개의 판재가 적층되어 레이저 브레이징에 의하여 접합되어 구성된 적층형 구조로 되어 있으며, 상기 고정측 고정판 및 상기 공동부판을 관통하여 설치되어 성형수지가 코어의 중앙으로 주입될 수 있도록 상기 코어에 중심맞추어진 위치 결정고리 및 스프루가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 적층형 사출금형을 이용한 사출금형장치.

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