KR20200008725A - 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속재질의 내통(insert)과 플라스틱 재질의 외통을 일체로 사출 성형하는데 있어서 외통의 재질을 내마모성, 내충격성 및 경도가 우수한 폴리케톤 재질로 함과 동시에 내통과 외통 사이의 접합면을 톱니 형상으로 형성하여 외통과 내통 사이의 접합력을 향상시키고, 사출 성형시 발생하는 응력에 의한 강도 저하를 개선할 수 있도록 하는 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러에 관한 것이다.
본 발명은 금속 재질의 내통과, 사출에 의해 상기 내통의 외측에 일체로 결합되는 외통을 포함하여 구성되는 인서트 일체형 롤러에 있어서, 상기 외통은 폴리케톤(polyketon) 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러{Insert type intergrated roller for enhancing strength in injection molding process}

본 발명은 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속재질의 내통(insert)과 플라스틱 재질의 외통을 일체로 사출 성형하는데 있어서 외통의 재질을 내마모성, 내충격성 및 경도가 우수한 폴리케톤 재질로 함과 동시에 내통과 외통 사이의 접합면을 톱니 형상으로 형성하여 외통과 내통 사이의 접합력을 향상시키고, 사출 성형시 발생하는 응력에 의한 강도 저하를 개선할 수 있도록 하는 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러에 관한 것이다.

일반적으로, 케이블카 등 로프웨이(ropeway)의 그립(grip), 철도 등 차량의 슬라이드 도어 등 큰 하중을 받는 기계장치의 부품으로 사용되는 롤러는 사용상의 특성으로 인해 고강도, 높은 내마모성 등의 기계적 특성이 요구된다.

이러한 기계적 특성을 만족하기 위해 종래부터 나일론(Nylon) 계열의 고강도 플라스틱 소재로 외통을 형성하고, 상기 외통의 내측에 결합되는 인서트(insert) 즉, 내통은 금속 재질로 이루어지는 인서트형 롤러가 사용되고 있다.

상기 인서트형 롤러를 제조하는 방법으로 플라스틱 소재로 외통을 가공하고, 그 내측으로 금속 재질의 인서트를 열박음하는 방법이 사용되어 왔으나, 이러한 방법에 의해 제조된 인서트형 롤러는 외통과 인서트 사이의 밀착력이 떨어져 내구성이 저하되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 플라스틱 소재의 외통을 사출 성형하는 경우 금속재질의 인서트를 금형 내에 안치시킨 상태에서 일체로 성형하는 인서트 일체형 롤러를 제조하는 방법이 사용되고 있는데, 이러한 방법은 금속 재질의 인서트를 열박음하는 종래의 방법에 비해 롤러의 강도와 밀착성을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.

상기 인서트 일체형 롤러를 사출 성형하는 경우 제품의 최종 강도는 성형 중에 발생되는 주응력과 웰드 라인(weld line)에 의해 큰 영향을 받는다.

이 중 웰드 라인에 의한 영향도는 웰드 라인의 접촉각도와, 접촉시의 온도, 압력 등을 통해 0 ~ 1의 범위 내로 수치화될 수 있는데, 값이 1에 가까울수록 해당 부분에서 웰드 라인에 의한 강도 저하가 발생될 수 있음을 의미한다.

그런데, 사출성형 해석 결과 PA6, PA12와 같은 나일론 계열의 고강도 플라스틱 소재를 이용하여 인서트 일체형 롤러를 사출하는 경우 웰드 라인에 의한 영향도가 0.865로 1에 근접하게 나타날 뿐만 아니라, 사출 성형 공정 중 발생된 응력 또한 최대 53.226MPa로 높게 나타나므로 웰드 라인 또는 응력에 의한 강도 저하가 발생될 위험이 높다는 문제점이 발견되었다.

또한, 종래의 인서트 일체형 롤러는 내통과 외통 사이의 접합면이 평평한 상태로 접촉되므로 밀착성이 떨어지게 되는 문제점도 있다.

1. 미국공개특허공보 US2002/0007757호(2002. 01. 24. 공개) 2. 대한민국 등록특허공보 제10-1739468호(2017. 05. 24. 공고)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 인서트 일체형 롤러의 외통을 내마모성, 내충격성 및 경도가 우수한 폴리케톤(polyketon) 재질로 형성함으로써 내구성을 향상시킬 수 있도록 함과 동시에 사출성형 과정에서 발생되는 강도 저하를 최소화할 수 있도록 하는 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 내통과 외통 사이의 접합면을 톱니 형상으로 형성하고, 톱니 형상의 종횡비를 조절함으로써 내통과 외통 사이의 접합력을 향상시킬 수 있도록 하고, 사출 성형시 웰드 라인에 의한 강도 저하 문제를 개선할 수 있도록 하는 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러를 제공함에 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은,

금속 재질의 내통과, 사출에 의해 상기 내통의 외측에 일체로 결합되는 외통을 포함하여 구성되는 인서트 일체형 롤러에 있어서, 상기 외통은 폴리케톤(polyketon) 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 외통과 내통 사이의 접합면은 요철 구조가 반복되는 톱니 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 내통의 외주면과 접합되는 외통의 내측면에는 다수 개의 돌출부가 돌출 형성되고, 상기 내통의 외주면에는 돌출부와 동일한 형상을 갖는 요입홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 돌출부는 사다리꼴 형상으로 이루어지고, 상기 돌출부의 종횡비는 0.4 ~ 1.6 인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 인서트 일체형 롤러의 외통을 내마모성, 내충격성 및 경도가 우수한 폴리케톤(polyketon) 재질로 형성하여 내구성을 향상시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라 사출성형 과정에서 발생되는 응력을 줄이고 웰드 라인에 의한 강도 저하 발생 가능성을 낮출 수 있는 뛰어난 효과를 갖는다.

또한, 본 발명에 따르면 내통과 외통 사이의 접합면을 톱니 형상으로 형성하여 내통과 외통 사이의 접합력을 향상시킬 수 있도록 함과 동시에 톱니 형상의 종횡비를 조절함으로써 사출 성형시 웰드 라인에 의한 강도 저하 문제를 개선할 수 있도록 하는 효과를 추가로 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러를 나타낸 사시도.
도 2의 (a) ~ (c)는 도 1에 나타낸 본 발명의 내통과 외통 사이의 접합면을 확대하여 나타낸 부분 확대 단면도.
도 3의 (a) ~ (c)는 도 2에 나타낸 본 발명의 사출성형해석을 통한 웰드 라인의 길이 및 웰드 라인의 강도에 대한 영향력을 나타낸 도면.
도 4의 (a),(b)는 나일론 계열 PA12를 재질로 한 외통의 사출성형 직후 주응열 분포도 및 웰드 라인 영향도를 나타낸 도면.
도 5는 폴리케톤 재질로 형성된 외통의 웰드 라인 영향도를 나타낸 도면.
도 6은 폴리케톤 재질로 형성된 외통의 사출성형 직후 주응력 분포도를 나타낸 도면.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러를 나타낸 사시도이고, 도 2의 (a) ~ (c)는 도 1에 나타낸 본 발명의 내통과 외통 사이의 접합면을 확대하여 나타낸 부분 확대 단면도이며, 도 3의 (a) ~ (c)는 도 2에 나타낸 본 발명의 사출성형해석을 통한 웰드 라인의 길이 및 웰드 라인의 강도에 대한 영향력을 나타낸 도면이고, 도 4의 (a),(b)는 나일론 계열 PA12를 재질로 한 외통의 사출성형 직후 주응열 분포도 및 웰드 라인 영향도를 나타낸 도면이며, 도 5는 폴리케톤 재질로 형성된 외통의 웰드 라인 영향도를 나타낸 도면이고, 도 6은 폴리케톤 재질로 형성된 외통의 사출성형 직후 주응력 분포도를 나타낸 도면이다.

본 발명은 금속재질의 내통(insert)과 플라스틱 재질의 외통을 일체로 사출 성형하는데 있어서 외통의 재질을 내마모성, 내충격성 및 경도가 우수한 폴리케톤 재질로 함과 동시에 내통과 외통 사이의 접합면을 톱니 형상으로 형성하여 외통과 내통 사이의 접합력을 향상시키고, 사출 성형시 발생하는 응력에 의한 강도 저하를 개선할 수 있도록 하는 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러(100)(이하, '롤러(100)'라 한다)에 관한 것으로, 그 구성은 도 1에 나타낸 바와 같이, 크게 금속 재질의 내통(110)과, 상기 내통(110)의 외측에 사출에 의해 일체로 형성되는 외통(120)을 포함하여 이루어진다.

보다 상세히 설명하면, 금속 재질을 이용하여 내통(110)을 제조한 후, 상기 내통(110)을 사출금형에 안치시킨 상태에서 성형하여 금속 재질의 내통(110)의 외측에 외통(120)이 일체로 형성된 인서트 일체형 롤러(100)가 제조되는 것이다.

이때, 상기 외통(120)의 재질로는 폴리케톤(polyketon)이 사용되는데, 상기 폴리케톤은 일산화탄소와 올레핀의 교대 공중합 고분자, 즉 엔지니어링 플라스틱으로 기존의 폴리아미드계 수지(Nylon)나 , PBT 수지(Polybutylen Terephthalate)에 비해 2 ~ 3 배 이상 우수한 충격강도를 가질 뿐만 아니라 내마모성, 경도 및 내화학성이 우수한 장점을 갖는다.

즉, 상기 폴리케톤을 재질로 하여 외통(120)을 형성할 경우 마모 또는 파손 등의 문제가 발생될 우려가 적으므로 롤러(100)의 수명을 반영구적으로 증가시킬 수 있게 되는 장점이 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 인서트 일체형 롤러(100)를 사출 성형하는 경우 제품의 최종 강도는 성형 중에 발생되는 주응력과 웰드 라인(weld line)에 의해 큰 영향을 받게 되는데, 상기 외통(120)을 폴리케톤 재질로 형성할 경우 사출 성형시 발생하는 주응력을 감소시키고 웰드 라인의 강도에 대한 영향도 또한 감소시킬 수 있어 사출 성형시 발생하는 강도 저하의 가능성을 낮출 수 있게 된다.

보다 상세히 설명하면, 도 4의 (a),(b)는 기존 롤러의 외통(120) 재질로 사용되고 있는 Nylon 계열 PA12를 이용하여 외통(120)을 사출 성형한 직후의 주응력 분포도와 웰드 라인에 의한 강도의 영향도를 각각 나타낸 것으로, PA12 재질의 경우 사출 성형 공정 중 발생된 응력이 최대 53.226MPa에 달하는 것으로 나타났고, 사출 성형 공정시 웰드 라인에 의한 강도의 영향도는 최대 0.865에 이르는 것으로 나타나 사출 성형 과정에서 강도저하가 발생될 위험이 높은 것으로 확인되었다.

이에 반해, 도 5 및 도 6은 각각 폴리케톤 재질을 이용하여 외통(120)을 사출 성형하는 과정에서 발생되는 웰드 라인에 의한 강도의 영향도와 주응력 분포도를 각각 나타낸 것으로, 폴리케톤 재질을 사용할 경우 사출 성형 공정시 웰드 라인에 의한 강도의 영향도는 최대 0.669에 이르는 것으로 나타났고, 사출 성형 공정 중 발생된 최대 응력은 41.956MPa로 나타나 사출 성형시 발생되는 웰드 라인에 의한 강도의 영향도와 최대 응력 모두 Nylon 계열의 PA12에 비해 저하된 것을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에서와 같이 롤러(100)의 외통(120) 재질로 폴리케톤을 사용하여 사출 성형을 진행할 경우 종래의 Nylon 계열을 사용한 사출성형에 비해 사출에 의한 강도 저하 문제를 개선할 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명에 따른 롤러(100)의 외통(120)과 내통(110) 사이의 접합면은 요부와 철부가 반복되는 톱니 형상으로 이루어지는데, 상기와 같이 요철 구조가 반복되는 톱니 형상으로 접합면을 형성할 경우 접합 면적의 증가로 인해 외통(120)과 내통(110) 사이의 접합력을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.

보다 상세히 설명하면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 내통(110)의 외주면에 접합되는 외통(120)의 내주면에는 다수 개의 돌출부(122)가 돌출 형성되고, 상기 돌출부(122)와 대응되는 위치의 내통(110) 외주면에는 돌출부(122)와 동일한 형상을 갖는 요입홈(112)이 형성되어, 사출 성형이 완료되면 외통(120)과 내통(110) 사이의 접합면이 톱니 형상을 이루도록 구성된 것이다.

이때, 상기 돌출부(122)는 그 단면이 사다리꼴 형상을 이루도록 형성되는데, 사다리꼴 형상의 톱니는 가공이 용이하고, 운동 전달력이 뛰어나다는 장점을 갖는다.

즉, 상기 외통(120)과 내통(110) 사이의 접합면을 톱니 형상으로 형성하기 위해서는 외통(120)을 사출하기 이전에 금속재질로 이루어지는 내통(110)의 외주면을 톱니 형상으로 먼저 가공하여야 하는데, 직각 형상은 가공이 어려우므로 가공이 용이하면서도 접합력이 우수한 사다리꼴 형상으로 가공하는 것이다.

또한, 상기 돌출부(122)가 사다리꼴 형상으로 이루어질 경우 롤러(100)의 구동 과정에서 외통(120)으로부터 내통(110)으로 전달되는 하중이 분산될 수 있는 장점도 갖게 된다.

한편, 상기 외통(120)에 형성되는 돌출부(122)는 사출 성형 과정에서의 강도 저하를 개선하는 역할도 하게 되는데, 이를 위해 상기 돌출부(122)의 종횡비는 0.4 ~ 1.6이 되도록 하는 것이 바람직하다.

보다 상세히 설명하면, 도 2의 (a) ~ (c)에 나타낸 바와 같이, 상기 돌출부(122)의 종횡비는 외통(120)의 내주면으로부터 돌출되는 돌출부(122)의 높이와 사다리꼴 형상의 상면에 해당하는 돌출부(122)의 폭 사이의 비로 표시될 수 있는데, 상기 돌출부(122)의 종횡비는 외통(120)과 내통(110) 사이의 접합력과 사출 성형 과정에서 발생되는 강도 저하를 고려하여 설정된 것이다.

즉, 상기 돌출부(122)의 종횡비가 0.4 미만일 경우 돌출부(122)의 높이가 너무 낮아지게 되거나 돌출부(122)의 폭이 너무 넓어지게 되어 돌출부(122)의 개수가 줄어들게 되므로 외통(120)과 내통(110) 사이의 접합력이 증가되는 효과가 미비하게 될 우려가 있다.

또한, 상기 돌출부(122)의 종횡비가 1.6을 초과하게 되면, 돌출부(122)의 높이가 너무 높아지게 되거나 돌출부(122)의 폭이 너무 좁아지게 되어 외통(120)과 내통(110) 사이의 접합력 및 접합강도가 저하될 우려가 있을 뿐만 아니라 사출 성형시 발생되는 웰드 라인에 의한 강도의 영향도가 1에 근접하게 되어 강도 저하의 개선 효과가 잘 나타나지 않게 되는 단점이 있다.

도 3의 (a) ~ (c)는 사출성형 과정에서 발생되는 웰드 라인의 길이 및 웰드 라인의 강도에 대한 영향력을 돌출부(122)의 종횡비에 따라 비교하여 나타낸 것으로, 상기 돌출부(122)의 종횡비가 각각 0.4, 0.8, 1.6인 경우 웰드 라인의 강도에 대한 영향력이 각각 최대 0.675, 0.669, 0.671로 비교적 양호하게 나타나 돌출부(122)의 종횡비가 0.4 ~ 1.6이 되는 범위에서 사출 과정에서 발생되는 강도 저하의 개선 효과를 보일 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 상기 돌출부(122)의 종횡비가 각각 0.4, 0.8, 1.6인 경우 웰드 라인의 길이는 각각 15.00mm, 11.25mm, 7.50mm로 나타나 종횡비가 증가할수록 웰드 라인의 길이가 감소하는 경향을 보였다.

따라서, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러(100)에 의하면, 인서트 일체형 롤러(100)의 외통(120)을 내마모성, 내충격성 및 경도가 우수한 폴리케톤(polyketon) 재질로 형성하여 내구성을 향상시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라 사출성형 과정에서 발생되는 응력을 줄이고 웰드 라인에 의한 강도 저하 발생 가능성을 낮출 수 있으며, 내통(110)과 외통(120) 사이의 접합면을 톱니 형상으로 형성하여 내통(110)과 외통(120) 사이의 접합력을 향상시킬 수 있도록 함과 동시에 톱니 형상의 종횡비를 조절함으로써 사출 성형시 웰드 라인에 의한 강도 저하 문제를 개선할 수 있는 등의 다양한 장점을 갖는 것이다.

전술한 실시예들은 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명에 따른 롤러(100)를 로프웨이용 그립의 가이드 롤러나 철도차량용 도어의 롤러에 적용할 수 있는 등 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.

본 발명은 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속재질의 내통(insert)과 플라스틱 재질의 외통을 일체로 사출 성형하는데 있어서 외통의 재질을 내마모성, 내충격성 및 경도가 우수한 폴리케톤 재질로 함과 동시에 내통과 외통 사이의 접합면을 톱니 형상으로 형성하여 외통과 내통 사이의 접합력을 향상시키고, 사출 성형시 발생하는 응력에 의한 강도 저하를 개선할 수 있도록 하는 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러에 관한 것이다.

100 : 롤러 110 : 내통
112 : 요입홈 120 : 외통
122 : 돌출부

Claims (4)

1. 금속 재질의 내통과, 사출에 의해 상기 내통의 외측에 일체로 결합되는 외통을 포함하여 구성되는 인서트 일체형 롤러에 있어서,
   상기 외통은 폴리케톤(polyketon) 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 외통과 내통 사이의 접합면은 요철 구조가 반복되는 톱니 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 내통의 외주면과 접합되는 외통의 내측면에는 다수 개의 돌출부가 돌출 형성되고, 상기 내통의 외주면에는 돌출부와 동일한 형상을 갖는 요입홈이 형성된 것을 특징으로 하는 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 돌출부는 사다리꼴 형상으로 이루어지고, 상기 돌출부의 종횡비는 0.4 ~ 1.6 인 것을 특징으로 하는 사출강도 개선을 위한 인서트 일체형 롤러.

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