금형 설계시 볼트의 역활

금형설계를 해보신분들은 잘 아시겠지만, 정말 볼트가 많이 들어 갑니다.

하지만 막상 볼트에 대해서 깊이 있게 검토하고 꼭 필요한 만큼만 사용하시려는 분들은 잘 없더라구요. 옜날처럼 소재 값도 싸고 금형크기가 문제가 안될때는 구태여 신경 쓸일도 아니지만 요사이 소재비는 금형가의 30%이상을 상회하는 것이 보통일 만큼 금형가격은 떨어지고 소재비는 올라가고 요구되는 품질은 하루가 다르게 까다로와 지는만큼 이제는 신경써서 가능한 필요한 만큼만 사용해야 할것 같습니다. 여담으로 얼마전 어느회사를 방문했을때 설계실장님이 불쌍한 우리 후배의 조립도를 검토하시며, "여기 볼트가 너무 없는거 아냐? 여기는 뭐하러 쓸데없이 볼트를 많이 넣었어?" 하시는 것을 봤습니다.

아마 금형설계를 일년이상 하신분은 한번쯤 겪어 본 일이 아닌가 싶습니다.

그런데 정작 볼트를 얼마짜리 볼트가 몇개 이러한 용도로 왜 필요한지는 일언반구도 없이 그냥 실장님 감으로 "내 마음에 들게 해와" 하는 식의 도면 검도라 일면식도 없었던 우리 후배가 한없이 불쌍해 보였지요? 남얘기 같지 않으실 겁니다.

여담은 그만하고 아뭏튼 요사이는 원판 크기 두께 모든것을 줄여 줄여하다보니 볼트사이 사이로 공간 찾아가며 냉각 걸릴까 밀 핀 걸릴까 고민하는 분들도 꽤 있으리라고 생각이 드는군요?

이리 옮기고 저리 옮기고 할 수 없으면 빼고, 빼도 되는지 안되는지는 모르겠고 그냥 감으로 고생하시는 분들을 위하여 제가 아는한 볼트에 대해서 설명 드릴까합니다.

먼저 볼트는 용도 별로 크게 두가지로 분류하면 좋을 것 같네요.

먼저 두부품을 결합하는 역할을 하면서 추가 외력으로 인한 인장하중이 볼트에 작용하는경우와 부품들을 볼트의 초기 인장력으로 결합하여 전단하중을 부품사이의 마찰력으로 견디게하는경우로 분류하는 것이지요.

전자의 경우는 자동차 엔진의 실린더 카바 처럼 가스켓을 초기 인장하중으로 충분히 압착 시키고 다시 연소실에서 발생하는 연소 압력을 추가 하중으로 받는 경우를 예로 들수 있겠습니다.

이경우는 볼트의 허용 인장강도 또는 항복강도(탄성영역 최대치)까지 볼트를 체결할 수 없는 경우가 되겠습니다. 추가 하중을 고려치 않고 초기인장하중을 높이기 위해 무리하게 토크를 가해 볼트를 조였다가는 추가하중으로 인하여 파손의 위험성이 있겠지요.

두번째 경우는 대부분 금형에서 사용되는 볼트 체결방식으로 두개 이상의 부품을 마치 한부품인양 결합하여 부품사이의 전단 하중을 견디는 경우입니다.

이때 허용 전단하중은 볼트 장력X0.35(-0.46까지) 견딘다고 보면 됩니다.

여기서 0.35,0.46은 마찰계수 범위를 나타낸것 이구요.

그림은 하원판 볼트에 3TON의 인장하중을 가했을 때 하고정판, 다리, 하원판등에 작용하는 반력을 Simulation 해본것입니다.

일반적으로 볼트 설계시 CAE Software를 이용한 Simulation은 필요없지만 여기서는 보시는 분들의 이해를 돕기위해 해석해 본것 입니다.

그럼 그림과 같이 M20볼트를 초기 인장하중 3TON으로 8개 하원판 볼트로 채용했을때 견딜 수 있는 전단하중은 얼마일까요?

전단하중=3TON X 8 X 0.35(마찰계수 최소치)=8.4TON

의 수식으로 계산이 되겠지요?

다시 말해서 그림의 예제의경우 초기 인장하중 3TON의 볼트 8개로 가동측 전체 무게를 무려

8.4TON이나 견딜수 있다는 것이지요?

상당한 Over Design결과가 나왔지요?

거기다 실제로 M20볼트중 가장 낮은 등급인 4.6 경우만 해도 최소 인장강도 9.8TON 최소항복강도 9.8X0.6= 5.88TON 이며 3TON 이면 최하등급의 최소항복강도와 비교할때도 안전률이 거의 200%이지요. 일반적으로 금형에서 사용되는 볼트는 거의다 강도구분 8.8이상의 고장력 볼트인점까지 고려하면 400% 이상 안전률이 있지요. 실제 고장력 볼트로 마찰 접합시에는 설계시 볼트장력을 M20 경우 9TON 이상 주는 것이 표준입니다. 그경우를 적용한다면 M20 볼트 8개가 견딜수 있는 전단하중은 무려 8.4 X 3 = 25.2 TON이나 되겠지요.

아마 중대형 이상 금형 설계를 해보신 분은 그림을 보시고 별로 볼트가 많다거나 크다고 느끼지는 않으리라 보는데요, 실제 우리는 이러한 Over Design을 한 금형내에서 엄청 많이 하고 있을 것 같습니다.

실제 유럽 몰드베이스 표준(Euro Standard)에서는 그림정도 의 금형 크기(800X1000)에서 원판 볼트는 가동측 M20 4개, 고정측 M20 4개입니다.

물론 옛날에는 원판 가공 기술도 떨어지고 정밀도도 떨어져 휨도 많이 발생하고 평면도 평행도도 유지되기 어려웠지만 요사이 가공 정밀도도 원판끼리 호환성 유지가 가능할 정도로 많이 발전한 점을 감안하면 이제 Over Design의 정도를 절반 정도 줄여 보는 것은 어떨지요.

실제 설계업무에 적용하기에 많은 어려움이 있겠지만 어차피 가야할 길이라면 지금부터 한발짝씩 내디뎌 보심이 .........

횡설 수설 말이 많은 것 같아 죄송하구요. 좀더 자세한 내용은 기계설계 도표편람을 참고해보시면 설계에 필요한 데이타를 많이 얻을 수 있을 것 같군요.

 

 

[출처] 금형설계에 있어서 볼트의 역할|작성자 Freeman