KR100842005B1 - 분필 제조용 압출성형기 및 그 압출헤드부 제작방법 - Google Patents

분필 제조용 압출성형기 및 그 압출헤드부 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분필 제조용 압출성형기 및 그 압출헤드부 제작방법에 관한 것으로서, 후단 노즐(22)을 갖는 실린더(20)의 내부에 후단 스크루헤드(26)를 갖는 스크루(24)를 회전 가능하게 장착하여 이송부(10a)와 압출헤드부(10b)가 형성되게 구성한 분필 제조용 압출성형기(10)에서 노즐(22)과 스크루헤드(26) 및 그 사이의 압출통로(28)로 된 압출헤드부(10b)에 있어서, 노즐입구(22a)에서의 압출통로(28) 단면적 ω1에 대한 노즐출구(22b)의 단면적 ω2의 비율이 150~250%가 되도록 노즐입구(22a)의 내경 φ1, 노즐출구(22b)의 내경 φ2, 스크루(24)의 직경 φ3의 값을 산정하는 단계와, 노즐입구(22a)의 내경 φ1과 스크루(24)의 직경 φ3의 평균직경의 1~3배가 되게 노즐(22)의 길이 ℓ을 산정하는 단계와, 산정된 φ1, φ2, ℓ을 이용해서 압출헤드부(10b)의 노즐(22)의 내곡선과 스크루헤드(26)의 외곡선을 얻는 과정으로 제작 구성하여, 분필 재료가 적절한 압축률과 압력으로 매끄럽게 압출되도록 한 것이다.
압출성형기, 압출헤드부. 스크루헤드, 노즐

Description

분필 제조용 압출성형기 및 그 압출헤드부 제작방법{EXTRUSION MOLDING FOR MANUFACTURING CHALK AND MANUFACTURING METHODS OF EXTRUSION HEADS}
도 1은 종래의 압출성형기의 단면 구성도 및 그 내부 압력 변화를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 압출성형기의 단면 구성도 및 그 내부 압력 변화를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 압출성형기의 구성도.
도 4는 본 발명의 압출성형기의 압출헤드부를 확대 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 노즐 제작과정을 단계적으로 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 스크루헤드 제작과정을 단계적으로 도시한 도면.
도 7은 도 6의 스크루헤드 단부 수정 과정을 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(10) ― 분필 제조용 압출성형기 (10a) ― 이송부
(10b) ― 압출헤드부 (20) ― 실린더
(22) ― 노즐 (22a) ― 노즐입구
(22b) ― 노즐출구 (24) ― 스크루
(26) ― 스크루헤드 (28) ― 압출통로
본 발명의 압출성형기에 관한 것으로서, 특히 분필과 같이 연질의 무기물질 재료를 일정한 압축률과 완만하게 상승하는 압력으로 매끈하게 압출할 수 있도록 하는 분필 제조용 압출성형기 및 그 압출헤드부 제작방법에 관한 것이다.
통상적으로 압출성형기는 호퍼를 통하여 공급한 재료가 가열 실린더 속에서 가열되고 스크루(Screw)의 회전에 의해 혼련과 압축을 받으면서 후단으로 이송되고, 소정의 경사각을 갖는 압출헤드부를 통하여 일정한 형태로 압출되는 것이다.
연질의 무기물질 분필 재료가 투입되고 이를 분필 형태로 압출 생산하는 압출성형기(100)의 압출헤드부(100b)는, 대개 도 1에 도시한 바와 같이 스크루헤드(260)와 노즐(220)이 급경사지게 형성되고 노즐(220)의 입구에서 출구의 압축도는 무려 8~10에 이르렀다.
따라서, 도 1에서처럼 분필 재료가 스크루(240)에 의해 이송되다가 압출헤드부(100b)에 다다르면 접점 지점에서 압력이 요동치듯 크게 변하고, 압력이 급등하는 노즐(220)의 입구와 출구에서 각각 두번 압출되는 분필 재료의 걸림현상, 즉 병목현상(Bottleneck, 甁一現象)이 발생하는 것이었다.
이처럼, 압출헤드부에 병목현상이 발생하면, 분필 재료와 같이 압축성이 작 고 열가소성이 없으며 전단변형이 힘든 광물성 재료는, 토출되지 못하고 압출성형기에 열을 발생시켜 기계에 부하가 걸리게 하여, 스크루가 부러지거나 모터가 멈춰 소부되는 현상이 발생하는 문제점이 나타났다.
결국, 분필의 생산속도와 생산량은 저하되고, 기계의 유지 보수 비용이 많이 들게 되며, 이러한 압출성형기를 통하여 생산된 분필은 그 조직이 치밀하지 못하여 강도가 떨어지고, 칠판에 사용 시 선명하게 쓰이지 않으며, 가루가 손에 묻어나거나 공중으로 날리는 등 품질이 매우 떨어지는 문제점까지 있는 것이었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 노즐의 각 접점 지점에서 압력이 급변하지 않도록 하고, 후단으로 갈수록 부드럽게 압력이 상승하는 분필 제조용 압출성형기 및 그 압출헤드부 제작방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 적절한 압축률이 일정한 수준으로 유지되도록 하는 분필 제조용 압출성형기 및 그 압출헤드부 제작방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 압출성형기의 내구성이 좋고 생산된 분필의 품질이 월등히 좋도록 하는 분필 제조용 압출성형기 및 그 압출헤드부 제작방법을 제공함에 있다.
이에, 본 발명은, 후단 노즐(22)을 갖는 실린더(20)의 내부에 후단 스크루헤 드(26)를 갖는 스크루(24)를 회전 가능하게 장착하여 이송부(10a)와 압출헤드부(10b)가 형성되게 구성한 분필 제조용 압출성형기(10)에서 노즐(22)과 스크루헤드(28) 및 그 사이의 압출통로(28)로 된 압출헤드부(10b)에 있어서, 노즐입구(22a)에서의 압출통로(28)의　단면적 ω1에 대한 노즐출구(22b)의 단면적 ω2의 비율이 150~250%가 되도록 노즐입구(22a)의 내경 φ1, 노즐출구(22b)의 내경 φ2, 스크루(24)의 직경 φ3의 값을 산정하는 단계와, 노즐입구(22a)의 내경 φ1과 스크루(24)의 직경 φ3의 평균직경의 1~3배가 되게 노즐(22)의 길이 ℓ을 산정하는 단계와, 산정된 φ1, φ2, ℓ을 이용해서 압출헤드부(10b)의 노즐(22)의 내곡선과 스크루헤드(26)의 외곡선을 얻는 과정으로 제작 구성함을 특징으로 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 기능을 갖는 구성요소를 나타낸다.
도 1은 종래의 압출성형기의 단면 구성도 및 그 내부 압력 변화를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 압출성형기의 단면 구성도 및 그 내부 압력 변화를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 압출성형기의 구성도이다.
본 발명의 분필 제조용 압출성형기 및 그 압출헤드부 제작방법(10)(이하, ‘압출성형기’라 함)은 후단 노즐(22)을 갖는 실린더(20)의 내부에 후단 스크루헤드(26)를 갖는 스크루(24)가 회전 가능하게 장착하여, 이송부(10a)와 압출헤드부(10b)가 연속 구성되게 하고, 이송부(10a)에는 도 3에서와 같이 재료 투입 호퍼(30)와 구동 모터(40)가 함께 구성된다.
본 발명의 이송부(10a)는, 외부를 형성하는 실린더(20)와 그 내부를 형성하 는 스크루(24), 및 그 사이에 압출통로(28)로 구성되어, 실린더(20)와 스크루(24) 사이를 무기물질의 분필 재료가 스크루(24)에 의해 이송되도록 하되, 그 압력이 부드럽게 증가하도록 스크루(24)의 직경을 점차 확장시켜 구성한다.
상기 이송부(10a)에 일체로 연속 형성되는 압출헤드부(10b)는, 후단으로 갈수록 직경이 점점 축소되는 형상을 가지며, 노즐(22)의 내곡선과 스크루헤드(26)의 외곡선은 부드러운 유선형으로 형성되며, 그 사이에 압출통로(28)가 형성된다. 이송부(10a)를 통과한 분필 재료는 노즐(22)과 스크루헤드(26) 사이를 계속하여 지나면서 점점 더 높은 압력을 받고 노즐(22)의 형태대로 배출되는 것이다.
본 발명에서는 압출헤드부(10b)의 노즐(22)과 스크루헤드(26)의 형상 구조가 요지적 특징인 바, 노즐(22)의 내곡선과 스크루헤드(26)의 외곡선 간에 등압축률이 유지되고 압력이 완만하게 상승하도록 구성하되, 노즐(22)은 실린더(20)의 내경과 노즐입구(22a), 및 노즐출구(22b)와 공동 접선을 갖도록 형성하고, 스크루헤드(26)는 스크루(24)의 외경을 접선으로 갖도록 하여 유선형으로 형성 구성하는 것이다.
도 4는 본 발명의 압출성형기의 압출헤드부를 확대 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 노즐 제작과정을 단계적으로 도시한 도면이다. 그리고, 도 6은 본 발명의 스크루헤드 제작과정을 단계적으로 도시한 도면이고, 도 7은 도 6의 스크루헤드 단부 수정 과정을 도시한 도면이다.
지금부터, 본 발명의 압출헤드부(10)의 구조 및 그 제작과정을 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 압출성형기의 압출헤드부를 확대 도시한 도면으로서, 노즐 입구(22a)의 내경을 φ1, 노즐출구(22b)의 내경을 φ2, 노즐(22)의 길이를 ℓ이라 하고, 스크루(24)의 직경을 φ3이라 하였다.
그리고, 상기 각각의 직경 φ1, φ2, φ3은, 분필 재료의 압출에 가장 적합하도록 노즐입구(22a)에서의 압출통로(28)의 단면적 ω1에 대한 노즐출구(22b)의 단면적 ω2의 비율, 즉 압축률이 150~250%, 바람직하게는 200% 정도가 되도록 산정한다.
본 발명의 일 실시예로서, 보통의 분필 직경이 10㎜이므로 노즐출구(22b)의 내경 φ2를 10㎜로 하고 노즐입구(22a)의 내경 φ1을 32㎜, 스크루(24)의 직경 φ3를 28.7㎜로 하면 다음과 같이 압축률은 200%가 된다.
즉, 노즐입구(22a)에서의 압출통로(28)의 단면적 ω1은
Figure 112007022484067-pat00001
이고, 노즐출구(22b)의 단면적 ω2는
Figure 112007022484067-pat00002
이므로, 압축률은
Figure 112007022484067-pat00003
가 나온다.
또한, 압출헤드부(10b)의 노즐(22)의 길이 ℓ은, 노즐입구(22a)의 내경 φ1과 스크루(24)의 직경 φ3의 평균직경의 1~3배, 바람직하게는 상기 평균직경의 1.5배로 되게 하는 것이 적당하다.
상기 예에서, 노즐(22)의 길이 ℓ은, 노즐입구(22a)의 내경 φ1과 스크루(24)의 직경 φ3의 평균직경이 30㎜이므로 이의 1.5배인 45㎜가 된다.
이는, 노즐(22)의 길이 ℓ이 압출헤드부(10b)의 압축력과는 무관하나 그 길이가 너무 짧으면 형상 자체가 급격하게 변화하여 압축률이 급증하므로 연질의 무 기물질 분필 압출 재료의 병목 현상이 생길 수 있고, 그 길이가 너무 길면 압출 재료의 이송거리가 길어 불필요한 동력 손실을 발생시킬 수 있기 때문이다.
노즐입구(22a)의 내경을 φ1, 노즐출구(22b)의 내경을 φ2, 노즐(22)의 길이 ℓ을 산정하는 단계가 끝나면, 상기 값들을 이용하여 압출헤드부(10b)의 노즐(22)의 내곡선 및 스크루헤드(26)의 외곡선을 얻는 단계로 들어가게 된다.
먼저, 노즐(22)의 내곡선은, 실린더(24)의 내경과 노즐입구(22a), 및 노즐출구(22b)와 반드시 접하도록 하여 부드러운 곡선으로 형성 구성하는 것이다.
더욱 상세히 설명하자면, 도 5에 도시한 바와 같이, 실린더(24) 내경과 노즐입구(22a)와의 접점 P1 , 및 상기 접점 P1과 노즐출구(22b)와의 접점 P3 간의 중점 P2를 공동으로 지나는 원(Circle)을 그려서, 상기 양 접점 P1 , P2 사이의 호를 구한다. 또, 접점 P1과 접점 P3 간의 중점 P2, 및 노즐출구(22b)와의 접점 P3 을 공동으로 지나는 원을 그려 상기 양 접점 P2, P3 사이의 호를 구한다. 그리고, 접점 P1 , P2 사이의 호와 접점 P2, P3 사이의 호로 연결 구성되는 곡선을 압출성형기(10)의 수평 중심선 CL을 기준축으로 360° 회전시켜 노즐(22)의 내곡선을 제작 구성한다.
그리고, 이렇게 형성되어 구성된 노즐(22)을 기준으로 하여 스크루헤드(26)의 외곡선 형상을 구축하면 다음과 같다.
스크루헤드(26)의 외곡선은, 동일 수직선상에서 노즐(22)의 단면적 ωn에 대한 스크루헤드(26)의 단면적 ωs의 비율, 즉 압축률이 150~250%, 바람직하게는 200%가 되도록, 스크루헤드(26)의 외곡선을 형성하는 점을 등간격으로 다수 개를 산정한다. 그리고, 스크루(24)의 외경과 스크루헤드(26)와의 접점 P4, 및 상기 각 등분점의 인접 두 개 점을 지나는 각 원을 그려서, 양 인접 점 사이의 각 호를 구하고, 이를 연결시킨 곡선을 압출성형기(10)의 수평 중심선 CL을 기준축으로 회전시켜 스크루헤드(26)의 1차 외곡선을 제작을 완료한다.
실시 예로서, 도 6에 도시한 바와 같이, 스크루헤드(26)의 외곡선을 형성하는 3개의 등분점 P5, P6, P7을 산정하는 바, 노즐출구(22b) 단면적 ω2를 기준값 1로 할 때, 압출헤드부(10b)의 내측으로 등분점 P7의 스크루헤드(26) 단면적 ωs는 노즐(22)의 단면적 ωn에서 노즐출구(22b) 단면적 ω2의 1.25배를 제하여 구한다. 이와 동일하게, 등분점 P6의 스크루헤드(26) 단면적 ωs는 노즐(22)의 단면적 ωn에서 노즐출구(22b) 단면적ω2의 1.5배를 제하고, 등분점 P5의 스크루헤드(26) 단면적 ωs는 상기 ωn에서 상기 ω2의 1.75배를 제하여서 구한다. 그리고, 각 등분점 P5, P6, P7에서의 스크루헤드(26) 단면적 ωs 이용하여 각 스크루헤드(26)의 직경 φs를 다음과 같이 산정하는 것다.
즉, 스크루헤드(26)의 직경 φs의 산정과정은, 등분점 P7에서는, 노즐(22) 내경 φn이 12.64㎜이므로 단면적 ωn은
Figure 112008016008557-pat00004
이 된다. 그리고, 노즐(22)의 단면적 ωn에서 노즐출구(22b) 단면적 ω2의 1.25배를 빼면 이 지점에서의 스크루헤드(26) 단면적 ωs를 알 수 있는 바, ωs는
Figure 112008016008557-pat00005
가 되며, 등분점 P7에서의 스크루헤드(26)의 직경 φs는
Figure 112008016008557-pat00006
가 되는 것이다.
그리고, 등분점 P6에서는, 노즐(22) 내경 φn이 21.00㎜이므로 단면적 ωn은
Figure 112008016008557-pat00014
이다. 노즐(22)의 단면적 ωn에서 노즐출구(22b) 단면적 ω2의 1.5배를 빼면 이 지점에서의 스크루헤드(26) 단면적 ωs는
Figure 112008016008557-pat00015
가 되고, 등분점 P6에서의 스크루헤드(26)의 직경 φs는
Figure 112008016008557-pat00016
가 된다. 또, 등분점 P5에서는, 노즐(22) 내경 φn이 29.36㎜이므로 단면적 ωn은
Figure 112008016008557-pat00017
이고 스크루헤드(26) 단면적 ωs는
Figure 112008016008557-pat00018
이 되므로, 등분점 P5에서의 스크루헤드(26)의 직경 φs는
Figure 112008016008557-pat00019
가 되는 것이다.
이에 의해, 본 발명의 실시 예에 따른 각 등분점에서 스크루헤드(26)의 직경 φs는 P7에서 5.9㎜, P6에서 17.06㎜, P5에서 26.21㎜가 된다.
스크루헤드(26)의 3개의 직경 φs를 산정한 다음에는, 도 6에서처럼 먼저 스크루(24)의 외경과 스크루헤드(26)와의 접점 P4 및 P5를 공동으로 지나는 원을 그리고, P4와 P5 사이의 호를 구한다. 계속하여, 같은 과정으로 P5와 P6, P6와 P7 사이를 지나는 호를 구하여, 상기 4개의 호들을 연결한 곡선을 압출성형기(10)의 수평 중심선 CL을 기준축으로 하여 360° 회전시켜 스크루헤드(26)의 1차 외곡선을 제작하는 것이다.
계속하여, 도 7에 도시한 바와 같이, 노즐(22)이 구성되고 스크루헤드(26)의 1차 구성이 완성되면(도 7의 (a)), 최종적으로 스크루헤드(26)의 끝점 E1을 노즐(22)의 길이 ℓ의 2~22% 정도 내측으로 수평 이동시킨 점 E2까지 그 길이를 축소 형성하여 스크루헤드(26)의 외곡선 제작을 완료한다(도 7의 (b)). 이는 스크루헤드(26)의 끝점 E1이 노즐출구(22b)와 맞닿아 있으면 압출 생산된 분필의 중앙에 분필의 강도를 떨어뜨리는 미세구멍이 생길 수도 있어 이를 방지하기 위한 것이다.
결론적으로, 본 발명의 압출성형기(10)의 압출헤드부(10b)는, 노즐입구(22a)에 재료가 투입되는　단면적 ω1에 대한 노즐출구(22b)의 단면적 ω2의 비율이 150~250%, 동일 수직선상에서 노즐(22)의 단면적 ωn에 대한 스크루헤드(26)의 단면적 ωs의 비율이 150~250%로서, 전체 300~500%의 압축률을 갖는 구조로 구성되는 것이다.
또한, 본 발명의 압출성형기(10)는, 도 2에 도시한 바처럼 분필 재료의 압출 생산 시 이송부(10a)와 압출헤드부(10b)의 내부에서 압력이 대체로 일정하고 완만하게 증가하는 구조로 구성되는 것이다.
다만, 압출헤드부(10b)의 스크루헤드(26)의 수정 끝점(도 7의 E2)의 전후에서 잠시 압력이 감소했다가 증가하는 미세한 변동이 일어나긴 하나, 이는 압출 생산되는 분필의 품질에 영향을 끼치는 수준은 아니다.
미설명 부호 ‘α’, ‘β’는 각도이다.
이상으로 설명한 바와 같이, 본 발명은 압출성형기의 압축률이 일정하고 압력이 완만하게 상승하여 갑작스런 압축률 및 압력 변화가 발생치 않아, 연질의 무기물질 분필 재료의 압출 생산이 원활히 되고, 압출 생산된 분필이 조밀하여 기공이나 가운데 미세구멍이 생기지 않으며 강도도 높아 분필의 품질이 현저히 뛰어나게 되는 등의 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

  1. 후단 노즐(22)을 갖는 실린더(20)의 내부에 후단 스크루헤드(26)를 갖는 스크루(24)를 회전 가능하게 장착하여 이송부(10a)와 압출헤드부(10b)가 형성되게 구성한 분필 제조용 압출성형기(10)에 있어서,
    상기 압출헤드부(10b)는 노즐(22)과 스크루헤드(28) 및 그 사이의 압출통로(28)를 유선형으로 형성 구성하되, 노즐입구(22a)에서의 압출통로(28)의　단면적 ω1에 대한 노즐출구(22b)의 단면적 ω2의 비율이 150~250%가 되도록 노즐입구(22a)의 내경 φ1, 노즐출구(22b)의 내경 φ2, 스크루(24)의 직경 φ3의 값을 설정하며, 노즐(22)의 길이 ℓ은 노즐입구(22a)의 내경 φ1과 스크루(24)의 직경 φ3의 평균직경의 1~3배가 되게 구성함을 특징으로 하는 분필 제조용 압출성형기.
  2. 후단 노즐(22)을 갖는 실린더(20)의 내부에 후단 스크루헤드(26)를 갖는 스크루(24)를 회전 장착하여 이송부(10a)와 압출헤드부(10b)가 형성되게 구성한 분필 제조용 압출성형기(10)에서 노즐(22)과 스크루헤드(28) 및 그 사이의 압출통로(28)로 된 압출헤드부(10b) 제작방법에 있어서,
    노즐입구(22a)에서의 압출통로(28)의　단면적 ω1에 대한 노즐출구(22b)의 단면적 ω2의 비율이 150~250%가 되도록 노즐입구(22a)의 내경 φ1, 노즐출구(22b)의 내경 φ2, 스크루(24)의 직경 φ3의 값을 산정하는 단계와, 노즐입구(22a)의 내 경 φ1과 스크루(24)의 직경 φ3의 평균직경의 1~3배가 되게 노즐(22)의 길이 ℓ을 산정하는 단계와, 산정된 φ1, φ2, ℓ을 이용해서 압출헤드부(10b)의 노즐(22)의 내곡선과 스크루헤드(26)의 외곡선을 얻는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 압출헤드부 제작방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    압출헤드부(10b)의 노즐(22)의 내곡선은, 실린더(24) 내경과 노즐입구(22a)와의 접점 P1 , 및 상기 접점 P1과 노즐출구(22b)와의 접점 P3 간의 중점 P2를 지나는 원을 그려 양 접점 P1 , P2 사이의 호를 구하고, 접점 P1와 접점 P3 간의 중점 P2, 및 노즐출구(22b)와의 접점 P3 을 지나는 원을 그려 양 접점 P2, P3 사이의 호를 구하여, 상기 양 호를 연결 구성한 곡선을 압출성형기(10)의 수평 중심선 CL을 기준축으로 360°회전 형성하여 제조함을 특징으로 하는 압출헤드부 제작방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    압출헤드부(10b)의 스크루헤드(26)의 외곡선은, 동일 수직선상에서 노즐(22)의 단면적 ωn에 대한 스크루헤드(26)의 단면적 ωs의 비율이 150~250%가 되도록 스크루헤드(26)의 외곡선을 형성하는 점을 등간격으로 다수 개를 산정하고, 스크 루(24)의 외경과 스크루헤드(26)와의 접점 P4, 및 등분점들 간에 인접 두 개 점을 지나는 원을 그려 양 인접 점 사이의 각 호를 구하고, 이들 호들을 연결 구성한 곡선을 압출성형기(10)의 수평 중심선 CL을 기준축으로 360° 회전 형성한 후, 스크루헤드(26)의 끝점 E1을 노즐(22)의 길이 ℓ의 2~22% 정도 내측으로 수평 이동시켜 그 길이를 축소 형성하여 제조함을 특징으로 하는 압출헤드부 제작방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH08281766A (ja) * 1995-04-18 1996-10-29 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 押出機
JP2000071252A (ja) 1998-08-28 2000-03-07 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd スクリュ押出機
JP2001162670A (ja) 1999-12-13 2001-06-19 Sumitomo Chem Co Ltd 押出成形機及び押出成形方法

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