KR20040084264A - 자기유변유체를 이용한 금형 개폐속도 제한 장치 및 그제어방법 - Google Patents

자기유변유체를 이용한 금형 개폐속도 제한 장치 및 그제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사출성형기의 형체장치에 있어 이동 형판 및 금형의 개폐를 고속으로 행하더라도 금형을 손상할 위험이 없고, 금형 개폐 위치를 정확하게 제어할 수 있도록 하기 위해, 일실시예로 고속 이동 실린더 또는 형체 램 내의 부스터 실린더 내에 고압을 걸어 속도를 고속으로 하며 자기코아에는 전류를 인가시키지 않은 상태에서 이동 형판을 이동시키는 단계(S10)와; 형체 속도를 고속에서 저속으로 줄여야 할 위치에 도달되면, 유압을 저압으로 떨어뜨리고, 속도 제한장치의 제어기로부터 전류를 제어하여 이동 형판의 속도를 떨어뜨리는 단계(S20)와; 저압 형체력이 자기유변유체 입자의 결속력보다 소량만 더 크도록 전류값을 일정하게 유지하면서 이동 형판을 저압 전진시키는 단계(S30)와; 이동 형판이 형체 폐쇄 위치에 오면 제어기를 끄고 형체 실린더에 고압유를 공급하여 승압하는 단계(S40)로 이루어진다.

Description

자기유변유체를 이용한 금형 개폐속도 제한 장치 및 그 제어방법{Mold Opening/Closing Speed Brake Device and control method using Magneto-Rheological Fluid}
본 발명은 사출성형기의 형체장치에 관한 것으로, 특히 이동 형판 및 금형의 개폐를 고속으로 행하더라도 금형을 손상할 위험이 없고, 금형 개폐 위치를 정확하게 제어할 수 있는 금형 개폐속도 제한장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
사출기는 크게 사출장치와 형체장치로 나뉠 수 있는데, 형체장치는 금형을 고정하고 이동시키며, 수지 사출시 금형 밀림을 방지하도록 금형을 수지 사출 방향의 반대방향으로 밀어 승압하고, 금형을 고정하는 형 체결을 하는 장치를 일컫는다. 형체장치는 크게 직압식과 토글식으로 나눌 수 있다.
종래의 직압식 형체장치는 도 1과 같이 형체 실린더(12)를 이용하여 형체력을 발생하고 형체 램(14)을 통해서 형체력을 직접 금형(22)에 전달하는 방식으로 형 체결 및 금형 두께 조절장치 등이 필요없지만, 부스터 실린더(43) 혹은 기타의 고속 이동 실린더를 이용한 형 개폐중 고속 속도로부터 저속 속도로의 상기 전환 방법에 있어서는 다음의 문제가 존재한다.
먼저, 형 개폐중 고속 속도로부터 저속 속도로의 전환위치가 속도 설정값의 변화에 대하여 고정되어 있기 때문에, 고속 속도와 저속 속도의 속도 차가 변화한경우 형체 램(14), 이동 형판(16) 및 금형(22)을 포함하는 가동 금속의 질량에 의한 관성력이 변화하여 이동 형판이 저속 속도로 자리 잡는 위치가 변하는 것이다.
이 때문에 예를 들면 고속 속도 설정값을 보다 고속으로 변경한 경우에는 저속 속도 거리가 짧게 되고, 이동 형판(16)쪽 금형(22)의 절반부가 고정 형판(18)쪽 금형(21)의 절반부에 충돌하여 금형을 파손하는 문제가 일어날 수 있다.
한편 상기 문제를 회피하기 위하여 저속 속도 거리를 길게 하도록 전환 위치를 설정하였을 때는 저속 이동시간이 많이 걸리고, 성형 사이클이 과잉으로 길게 되어 생산성을 저해하는 것이다. 그리고 이동 형판의 금형 절반부는 관성력에 의한 흐름 이동이 종료한 위치에서 잠시 이동을 멈추는 일시 정지 현상도 생긴다.
또한 형폐 정지위치에 있어서는 이동 형판(16)측 금형(22) 절반부가 고정 형판(18)측 금형(21) 절반부에 맞닿을 때에 충분히 저속으로 설정하지 않으면 충격음이 발생하고, 충격음이 발생하지 않도록 저속으로 설정하면 형체 실린더(12)와 형체 램(14) 또는 이동 형판(16)과 타이바(20) 등과의 마찰력으로 인해 작동이 불안정으로 될 뿐만 아니라, 작동시간이 많이 걸려 생산성을 저해한다.
한편 형개 정지위치에 있어서는 저속 속도 설정이 높으면 정지 위치 설정값으로부터 관성력의 영향에 의한 흐름 이동량이 사이클마다 변화하고, 실제로 형개 정지하는 위치가 수 밀리밀리(mm)씩 어긋날 때가 있다. 이와 같은 현상은 성형품을 자동 취출기로 금형으로부터 꺼낼 때의 그립(척) 미스를 초래하기도 한다.
반면, 상기 고속 속도로부터 저속 속도로의 전환위치를 고정하지 않고 금형의 속도와 위치를 정확하고 빠르게 제어하고자 할 경우 유압 회로의 구성이 고비용을 요구하고, 밸브나 기름의 유지 보수비용이 많이 드는 단점이 있다.
도 2a,2b는 토글식 형체 장치의 움직임을 모형적으로 나타낸 것이다. 토글 링크는 L1, L2, L3의 3개의 굵은 선으로 표시된다. L1의 선단은 도시안된 유압실린더로 연결되어져 있다. 우선 형폐 행정에 있어서는 도 2a에서처럼 유압실린더에 의해 링크 L1이 상승하여 링크 L2, L3가 일직선이 되면서 금형(22)을 전진시킨다. 형폐가 끝나면 형체력을 발생하는 시점에서는 링크(L1,L2,L3)의 관절점 a, c, b는 일직선상으로 되고 이에 의해 타이바(20)에는 큰 인장력이 걸려 무부하 시의 길이보다 신장되면서 탄성 복원력이 발생하여 금형(21,22)을 굳게 닫는다. 이와 같은 토글식 형체장치는 링크 기구의 특성상 형폐 위치에서 이동 형판의 속도가 느리고, 이송 위치에서는 속도가 빠른 속도 특성을 자연히 갖고 있다.
그러나 링크구조의 기계적 제어 구조상 금형을 폐쇄할 때, 금형내에 성형품이나 런너 등이 붙어 있거나 낙하도중에 걸려 있을 경우에 금형을 보호하기 위하여 형체를 정지하는 등의 빠른 공정을 정밀하게 제어하기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 유압 제어 혹은 기계적 제어를 대신하여 빠른 응답성을 가진 자기유변유체를 이용하여 고비용의 유압회로를 구성하지 않더라도 금형의 개폐중 고속에서 저속으로 짧은 시간 내에 속도를 제한하여, 정확하고 재현성 있는 금형 위치 제어로 사이클 타임을 단축시키면서 금형을 보호하고, 동시에 양질의 성형품을 얻는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,
제 2금형 절반부(21)가 부착된 고정 형판(18)과, 제 1금형 절반부(22)가 부착되며 상기 고정 형판과 연결된 복수개의 타이바(20) 또는 기타의 안내장치를 따라 이동하는 이동 형판(16)과, 이동 형판과 연결되어 금형의 개방위치와 폐쇄위치 사이에서 상기 이동 형판을 가동시키는 고속 이동 실린더, 수지 사출시 승압을 위한 형체 램(14) 및 형체 실린더(12)를 포함한 사출성형기에 있어서,
상기 이동 형판과 타이바 또는 형체 램과 형체 실린더 사이에는 자기유변유체(4)를 이용한 금형 개폐속도 제한장치(2)가 설치되어 있고, 제한장치는 이동 형판 또는 형체 실린더(12)에 장착된 하우징(3)과 하우징 내부에 충전되어 복수의 상기 타이바 또는 형체 램(14)의 일정 구간 둘레에 소정의 폭으로 채워진 자기유변유체(4)와 상기 하우징에 내설되어 제어 전류에 따라 자기유변유체에 자기장을 형성 또는 소멸시키는 자기코아(5)와 상기 자기코아에 흐르는 전류를 제어하여 자기장의 세기를 조절하는 제어기를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 금형 개폐속도 제한장치의 제한 속도를 제어하는 방법은 고속 이동 실린더 또는 형체 램 내의 부스터 실린더 내에 고압을 걸어 속도를 고속으로 하며 자기코아에는 전류를 인가시키지 않은 상태에서 이동 형판을 이동시키는 단계와;
형체 속도를 고속에서 저속으로 줄여야 할 위치에 도달되면, 유압을 저압으로 떨어뜨리고, 속도 제한장치의 제어기로부터 전류를 제어하여 이동 형판의 속도를 떨어뜨리는 단계와;
저압 형체력이 자기유변유체 입자의 결속력보다 소량만 더 크도록 전류값을 일정하게 유지하면서 이동 형판을 저압 전진시키는 단계와;
이동 형판이 형체 폐쇄 위치에 오면 제어기를 끄고 형체 실린더에 고압유를 공급하여 승압하는 단계로 이루어진다.
도 1은 종래의 금형 개폐속도 제어방법의 일예시도.
도 2a,2b는 종래의 금형 개폐속도 제어방법의 다른 예시도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 형체 장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 금형 개폐속도 제한장치의 상세도
도 5a,5b는 자기유변유체의 자기장 인가 여부에 따른 입자 배열도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 금형 개폐속도 제한의 순서도.
도 7a 내지 도7c는 금형 개폐 속도 제한시의 위치에 따른 각기 유압, 전류, 속도에 대한 그래프도.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 형체장치의 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2 : 금형 개폐속도 제한장치
3 : 하우징
4 : 자기유변유체
5 : 자기코아
14 : 형체 램
16 : 이동 형판
20 : 타이바
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 자기유변유체를 이용한 금형 개폐속도 제한장치(2)를 갖는 형체장치의 개략도이다. 도 4는 자기유변유체를 이용한 금형 개폐속도 제한장치의 상세도이다.
도 3내지 도 4에서, 형체장치는 고정 형판(18), 이동 형판(16), 형체 실린더(12), 형체 램(14), 고속 이동 실린더로써의 부스터 실린더(13) 및 타이바(20) 등으로 구성된다. 자기유변유체를 이용한 금형 개폐속도 제한장치(2)는 도 4에서 보듯이 상기 이동 형판(16)에 장착된 하우징(3)과, 상기 하우징(3)의 내부에 충전되어 복수의 상기 타이바(20)의 일정 구간 둘레에 소정의 폭으로 채워진 자기유변유체(4)와, 상기 하우징(3)에 내설되어 제어 전류에 따라 자기유변유체(4)에 자기장을 형성 또는 소멸시키는 자기코아(5)와, 상기 자기코아(5)에 흐르는 전류를 제어하여 금형의 속도 및 위치를 제어하도록 자기코아(5)에 전기적으로 연결된 제어기(controller)(도시안됨)로 구성되어 있다.
여기에서 자기유변유체(4)란 10`^{ -4 } ~ 10`^{ -3 } `^{ } `^{ }cm 크기의 강자성 입자를 포함하는 비콜로이드 용액으로 자기장을 인가하지 않을 경우 상온에서 0.2 ~ 0.3Pa-sec의 점성을 가지며, 150 ~ 250kA/m(2 ~ 4kOe)의 자기장이 가해지면 50 ~ 100kPa의 높은 항복응력을 갖는 물질이다. 즉 유체 내에 형성된 강자성 입자의 체인 형성에 의해 항복응력이 달라지며, 형성된 체인의 강도는 자기장의 세기에 따라 달라지므로 가해주는 자기장을 변화시키면 항복응력을 쉽게 조절할 수 있다.
도 5a는 자기장을 인가하지 않았을 때 자기유변유체의 입자 배열이며, 도 5b는 자기장 인가시에 자기유변유체의 입자가 체인을 형성하여 배열한 모습을 보여 준다.
자기유변유체를 이용한 본 금형 개폐속도 제한장치에서는 자기코아(5)로부터 발생한 자기장의 유무에 따라 타이바(20)와 속도 제한장치(2) 사이에 강자성 입자가 결속력을 갖고 정렬한다.
이동 형판(16)이 이동하기 위해서는 이렇게 정렬된 강자성 입자의 결속력을 끊고 이동해야 하므로, 자기코아(5)에 입력되는 전류값의 크기를 제어하면 쉽게 이동 형판(16)의 속도를 제한할 수 있다. 또한 일정 수준의 속도 이하로 제어된 후에는 관성력을 포함하여 금형을 이동시키는 부스터 실린더(13)의 유압력보다 강자성 입자의 결속력이 크도록 자기코아(5)에 전류를 흘려 금형(22)의 속도를 0으로 함으로써 일정한 위치에 금형이 정지하도록 위치를 제어할 수 있다.
도 6은 형폐 시의 위치에 따른 금형 개폐속도 제한 순서도이고, 도 7은 각각 그 때에 형체 램에 가해지는 유압의 크기, 자기코아(5)에 입력되는 제어 전류 값,그리고 제어하고자 하는 금형(22)의 속도를 위치에 따라서 보여 준다.
또한 도 7a,7b,7c의 그래프에서 x1, x2, x3는 금형의 속도를 고속에서 저속으로 줄이기 시작하는 위치, 속도를 저속으로 줄이고 저압 형체를 시작하는 위치, 저압 저속 형체로 금형이 닫힌 위치를 각각 나타낸다.
제어순서도를 따라서 금형의 개폐속도 제한방법 및 위치제어 방법에 대해 설명한다.
먼저, 금형(22)이 형 개폐를 위해서 이송중일 때는 고속 이동 실린더 또는 형체 램내의 부스터 실린더(13)내에 고압을 걸어 속도를 고속으로 하며 자기코아(5)에는 전류를 흘리지 않는다.
형체 속도를 고속에서 저속으로 줄여야 할 위치에 이동 형판(16)이 도달되면, 즉 x1 위치에 오면 더 이상 형체를 이송시킬 필요가 없으므로 유압은 저압으로 떨어뜨리며, 속도 제한장치의 제어기를 켜고 전류값을 제어하여 형판의 속도를 떨어뜨린다. 전류값은 일 실시예로서 다음과 같이 설정할 수 있다.
여기에서 x1, x2는 사용자가 제어기를 통해서 설정하며, 이동형판(16)의 위치를 감지할 수 있는 위치 센서(미도시)를 이용하여 쉽게 측정하여 전류 값 제어에 이용할 수 있다.
m은 성형품마다 바뀌게 되는 금형(21, 22)의 질량으로, 상기 전류값의 마지막 항 P2m은 금형 질량에 따라서 자기코아(5)에 흐르는 전류의 값을 바꿔 주어, 즉금형의 관성력을 보상해주어, 그 질량에 따른 관성의 변화량에 따라 금형 흐름량이 변하게 되는 상기 문제점을 해결해 준다.
P_{ 1 }, P_{ 2 }는 각각 제어 상수 값으로 금형이 x_{ 2 } 위치에 왔을 때(저압 형체 위치에 왔을 때) 금형 파손의 위험이 없도록 그 속도를 낮게 제한해 주기 위하여 사용자가 설정하는 값이며, V_{ 0 }는 파손이 일어나지 않도록 제어하기 위한 속도의 기준값이다. P_{ 1 }, P_{ 2 }는 x_{ 1 }, x_{ 2 } 값에 따라 설정된다.
자기유변유체의 반응속도가 빠르고, 쉽게 제어 가능하기 때문에 도 7에서 금형의 속도는 전류값의 제어에 따라 짧은 시간에 고속에서 저속으로 제어될 수 있으며, 형판이 고속에서 저속으로 속도를 낮추기 시작하는 x_{ 1 }의 위치에서부터 저압을 형폐위치(x_{ 3 })까지 지속적으로 가하므로 금형의 일시 정지 현상이 없다. P_{ 1 }, P_{ 2 }값의 설정에 따라 이동 형판(16) 및 금형(22)이 x_{ 2 } 위치에 왔을 때, 사용자가 원하는 저속 속도(V_{ 0 })를 얻을 수 있다. 이제 금형(22)이 저압 형체를 하는 x_{ 2 } 위치에 오면 유압은 저압 상태로 형체 램(14)을 밀게 된다. 이때 저압 형체력이 강자성 입자의 결속력보다 소량만 더 크도록 전류값을 P3로 일정하게 유지하면 상기 설명한 저속 상태에서의 형체 실린더(12)와 형체 램(14) 사이, 혹은 이동 형판(16)과 타이바(20) 사이의 마찰력으로 인해 생기는 불안정한 작동의 문제없이 안정된 낮은 속도로 x_{ 3 }의 위치까지 저압 전진할 수 있다. P_{ 3 } 값을 조정함으로써 쉽게 전진 속도를 제어할 수 있다. 형판이 x_{ 3 } 위치에 오면 도 7에서처럼 제어기를 끄고 형체 실린더(12)에 고압유를 공급하여승압한다.
수지 사출 및 냉각이 끝난 후 금형을 열고 제품 취출을 위하여 이동 형판(16)을 고속으로 후퇴시키는 형개 과정은 기 설명된 전진 형폐 과정과 정반대의 단계를 밟는다.
한편 본 발명은 상기 속도제한장치(2)를 도 8과 같이 상기 형체 램(14)과 형체실린더(12) 사이에 설치하여 구성될 수도 있다.
이처럼 본 발명의 금형개폐 속도제한장치 및 그 제어방법은 이동 형판(16) 또는 형체 램(14)을 직접 제동하므로, 기존의 직압식 형체 장치에서 투입/투출되는 유량을 제어하여 형판 또는 형체 램을 제어하는 유압식 제어 방식보다 관성력의 영향을 줄일 수 있으며, 자기유변유체의 제어 특성상 보다 정확하고 빠른 시간내에 금형의 속도를 제한하고, 위치를 제어할 수 있다. 또한 유압식 제어방식의 경우 금형의 속도 및 위치를 정확, 정밀하게 제어하기 위해서는 고비용의 정밀 유압 회로 구성이 필요하고, 밸브나 기름의 유지 보수 비용이 일반 유압 회로보다 더 필요한데, 본 발명은 정확/정밀한 속도 제한 및 위치 제어에 있어 정밀 유압 회로를 대신하므로 경제적이다
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 자기유변유체의 강자성 입자가 자기장의 유무에 따라 짧은 시간내에 정렬 또는 비정렬할 수 있고, 자기장의 크기에 따라 입자간 결속력이 비례하는 특성을 이용하여 금형의 개폐중 고속에서 저속으로 짧은 시간내에 속도 제한이 가능하며, 이를 이용하여 정확하고 재현성 있는 위치제어로사이클 타임을 단축시키면서 금형을 보호하고, 동시에 양질의 성형품을 얻을 수 있다. 또한 고비용의 정밀 유압 회로가 필요없고, 이로 인해 밸브나 기름의 유지 보수 비용도 저렴한 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 제 2 금형 절반부(21)가 부착된 고정 형판(18)과, 제 1 금형 절반부(22)가 부착되며 타이바(20)를 따라 이동하는 이동 형판(16)과, 금형의 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 상기 이동 형판(16)을 가동시키기 위한 고속 이동 실린더(13), 금형의 폐쇄위치에서 사출시 사출압에 견디도록 금형을 닫아 주기 위한 승압 장치로서의 형체 실린더(12)와 형체 램(14)을 포함한 사출성형기에 있어서,
    상기 이동 형판(16)과 타이바(20) 또는 형체 램(14)과 형체실린더(12)와의 사이에 자기장을 이용하여 금형의 개폐속도를 제한하는 금형 개폐속도 제한장치(2)가 설치되고,
    상기 금형개폐속도 제한장치(2)는
    상기 이동 형판(16)에 장착된 하우징(3)과; 상기 하우징(3)의 내부에 충전되어 복수의 상기 타이바(20)의 일정 구간 둘레에 소정의 폭으로 채워진 자기유변유체(4)와; 상기 하우징(3)에 내설되어 제어 전류에 따라 자기유변유체(4)에 자기장을 형성 또는 소멸시키는 자기코아(5)와; 상기 자기코아(5)에 흐르는 전류를 제어하여 금형의 속도 및 위치를 제어하는 제어기를 갖는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 금형 개폐속도 제한장치.
  2. 제 1항의 금형 개폐속도 제한장치의 제한 속도를 제어하는 방법에 있어서,
    고속 이동 실린더 또는 형체 램 내의 부스터 실린더 내에 고압을 걸어 속도를 고속으로 하며 자기코아에는 전류를 인가시키지 않은 상태에서 이동 형판을 이동시키는 단계(S10)와;
    형체 속도를 고속에서 저속으로 줄여야 할 위치에 도달되면, 유압을 저압으로 떨어뜨리고, 속도 제한장치의 제어기로부터 전류를 제어하여 이동 형판의 속도를 떨어뜨리는 단계(S20)와;
    저압 형체력이 자기유변유체 입자의 결속력보다 소량만 더 크도록 전류값을 일정하게 유지하면서 이동 형판을 저압 전진시키는 단계(S30)와;
    이동 형판이 형체 폐쇄 위치에 오면 제어기를 끄고 형체 실린더에 고압유를 공급하여 승압하는 단계(S40)로 이루어지는 금형 개폐속도 제한장치의 제한속도 제어방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 전류차를 제어하는 방법은 다음의 식으로 얻어진 전류를 이용하는 것을 특징으로 하는 금형 개폐속도 제한장치의 제한속도 제어방법.
    I=P_{ 1^{ } } )+P_{ 2 } m
    (여기에서, x_{ 1 }, x_{ 2 }, x_{ 3 }는 금형의 속도를 고속에서 저속으로 줄이기 시작하는 위치, 속도를 저속으로 줄이고 저압 형체를 시작하는 위치, 저압 저속 형체로 금형이 닫힌 위치를 각각 나타내고, m은 성형품마다 바뀌게 되는 금형의 질량을, P_{ 1 }, P_{ 2 }는 각각 제어 상수 값으로 금형이 x_{ 2 } 위치에 왔을 때(저압 형체 위치에 왔을 때) 금형 파손의 위험이 없도록 그 속도를 낮게 제한해 주기 위하여 사용자가 설정하는 값이며, V_{ 0 }는 파손이 일어나지 않도록 제어하기 위한 속도의 기준값이고, P_{ 1 }, P_{ 2 }는 x_{ 1 }, x_{ 2 }값에 따라 설정된다.)
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