유압실린더(hydraulic cylinder)는 강력히 밀폐된 용기 내부에서 기름의 흐름을 이용해 대단위 힘을 일으키는 동력발생 장치이다. 큰 힘을 필요로 하는 건설장비, 토목장비, 운송장비, 기계장비 등에 매우 광범위하게 사용되고 있다. 사출성형기는 많은 유압구동부로 이루어져 있다. 사출금형에서의 대표적인 용도는 언더컷을 해소하기 위한 슬라이드코아의 구동에 쓰이는 경우가 많으며, 큰 하중이 걸리는 밀판 작동을 목적으로 설치하기도 한다.
유압실린더 선정방법
유압실린더 출력(F) 은 피스톤 면적과 관련이 있는데 다음과 같이 계산한다.
F = 압력이 작용하는 면적 x 사용압력 x 효율
F1 = (¼·π·D2) x P x β
F2 = (¼·π· (D2-d2)) x P x β
F1 : 유압실린더 전진출력(kgf)
F2 : 유압실린더 후진출력(kgf)
D : 피스톤 직경(cm)
d : 피스톤로드 직경(cm)
P : 사용압력(kgf/cm2)
β : 효율(=0.8)
유압실린더 출력은 이동 대상물의 무게보다 커야 한다. 출력이 작으면 힘이 약해서 대상물을 이동할 수 없다. 위 식으로부터 해당 출력을 발휘하는 피스톤 직경(피스톤 로드 직경)을 구한 다음 표준규격에 근접한 유압실린더를 선택하면 된다. 실린더 중심에 피스톤로드가 자리잡고 있기 때문에 전진과 후진시 사용압력이 작용하는 면적에 차이가 있다. 즉 후진출력(F2)은 전진출력(F1)에 비해 작다(F1>F2). 사출금형에서 왕복운동시켜야 할 대상은 유압실린더의 전진과 후진에 의해 동작하므로 후진출력이 대상물 무게보다 충분히 커야 할 필요가 있다.
사용압력(P)은 70kgf/cm2, 140kgf/cm2, 210kgf/cm2등이 있으며 일반적으로 140kgf/cm2가 많이 사용된다. 표준규격의 유압실린더가 제시하는 사용압력은 사출성형기에서 제어하는 유압의 크기와 일치해야 한다. 금형에 설치한 유압실린더 압력 규격과 사출성형기의 사용압력 크기가 서로 다르면 출력을 떨어뜨리거나 유압실린더를 파손시킬 수 있다. 오류를 방지하기 위해 설계 단계에서 금형제작사양서의 사출기 부분을 반드시 확인하도록 한다.
β는 성능 실효율을 나타낸다. 실린더 내부의 마찰, 저항, 배관 상태에 따라 압력 손실이 일어나므로 이론 출력의 80%를 적용하는 것이 바람직하다.
대상물 무게가 5000kgf(5톤)이고 사용압력이 140kgf/cm2이라면 전진운동(F1)을 시키기 위한 유압실린더 내경을 다음과 같이 구할 수 있다.
5000 = 1/4 x 3.14 x D2 x 140 x 0.8 = 87.92D2
D = 7.55cm = 75.5mm
유압실린더 내경은 최소 Ø75.5mm 이상이어야 하며 후진출력이 전진출력보다 더 작게 나온다는 것과 안전율을 고려해서 한 단계 큰 표준규격을 선정하도록 한다.
유압실린더와 사출금형
사출금형에서의 슬라이드코어 동작은 가이드레일 및 가이드베이스와의 접촉과 코아 및 캐비티의 습동면을 타고 다니면서 이루어진다. 주의할 점은 순수한 대상물의 무게(5톤)뿐만 아니라 움직이는 동안 맞닿는 면에서 발생하는 모든 마찰력을 고려해야 한다는 것이다. 이에 따라 대상 물체의 무게를 몇 배 이상 크게 잡아서 유압실린더 규격을 선정하는 경우도 있으므로 구조를 잘 파악하고 있는 설계자의 신중한 판단이 요구된다. 한편 전진해 있던 초기 상태의 피스톤 로드 위치가 사출공정에서 사출압의 영향을 받아 뒤로 밀려나서 파팅 부위에 버(Burr)가 발생할 수 있다. 외력에 의해 유압실린더가 후퇴하지 않도록 슬라이드코어 위치를 로킹하는 구조를 설치하고 금형 내부에 빈 공간이 생기지 않도록 설계해야 한다. 사출성형을 진행하는 동안 유압실린더와 연결되어 있는 슬라이드 코아는 지정된 위치에서 이탈이나 움직임이 일어나서는 안 된다.
밀판 작동을 위한 유압실린더는 금형의 다리 및 가동측 형판에 구멍을 뚫어 회로를 구성한다. 건드릴 가공에서 발생하는 칩이 구멍 내부에 쌓이게 되는데 말끔히 제거하지 않으면 칩 찌꺼기가 기름의 흐름을 타고 유압실린더 내부고 유입된다. 이는 오링 파손 및 실린더 내부 구동부 긁힘 등의 마모를 일으키는데 양산과정에 있는 사출성형을 정지시키는 주요 인자로 작용하기도 한다.
참고자료
kgf는 무게이고 kg은 질량의 단위이다. 무게는 중력이 작용하는 상태를 나타낸다. 우리가 말하는 체중은 kgf이지만 일상생활에서는 줄여서 kg으로 표현하고 있다. 질량은 절대값으로 지구에서의 질량과 중력이 존재하지 않는 달에서의 질량은 동일하다.