모형 (pattern)이란 주조될 제품의 원형으로서 주형의 캐비티를 준비하는 데 사용된다.모형은 목재나 금속으로 만들어진다. 주형(mold)은 2개 또는 여러 조각의 금속블록을 조합해서 만들어지거나 내화성 입자(모래)를 결합시켜 만든다. 주형 내부에 있는 주캐비티는 원하는 제품의 반대 형상으로 되어 있으며 용융재료가 채워지게 된다. 주형은 또한 보조캐비티를 포함하고 있는데, 이는 용융금속이 주캐비티까지 흘러가는 통로 역할을 하며 또한필요에 의해서 저장고 역할도 하게 된다. 사면들의 모래주형은 주물용 모래거푸집(flask)이라고도 불린다. 만일 주형이 1개 이상의 부분으로 이루어졌다면, 위편을 코프(cope), 바닥편을 드래그 (drag)라고 한다. 제품 내의 빈 공간을 형성하기 위하여 모래로 만든 별도의 주형을 삽입하게 되는데 이를 코어(core)라 한다. 속이 빈 주물 제작시 코어를 주형 내부에서 지지하는 부분으로 모형에 덧붙인 돌기부분을 코어프린트(coreprint)라고 한다.재료, 작업, 필요 주물수에 따라 여러 종류의 모형과 주형이 존재한다.
1. 모형 여유
모형은 최종 완성제품보다 다소 크게 제작되어진다. 이러한 치수의 여유를 모형여유(pattern allowance)라 하며 수축여유와 기계가공여유로 나뉜다. 수축여유(shrinkage allowance)는 주물의 수축을 고려하여 실제 제품보다 모형을 조금 크게 만들기 위하여 주는 여유이다. 주물의 수축은 다음의 세 가지 단계로 이루어진다.
① 주입온도에서 응고온도까지의 액상에서의 수축
② 액상에서 고상으로의 상변화에 의한 수축
③ 응고온도에서 실온까지의 고상 주물의 수축
그러나 수축여유로는 세 번째 단계의 고상에서의 수축만을 고려한다. 명백히 수축여유의 정도는 재료의 열팽창계수 αl 과 연관이 깊다. 이 계수가 클수록 수축여유의 크기도 크게 된다. 예를 들어, 주물의 한 치수 l 에 대해 수축여유는 αll(θf -θ0)로 주어지는데 여기서 θf 는 응고점, θ0 는 실온이다. 수축여유는 단위길이당의 여유분으로 주어지며 다음 표에 여러 재료에 대한 수축여유를 표시하였다.
일반적으로 주물의 표면은 너무 거칠어서 최종 제품의 표면으로는 적당하지 않다. 따라서, 최종 표면을 얻기 위한 후처리 기계가공이 필요하다. 이 작업에서 제거되는 치수만큼의 여유를 가리켜 기계가공여유라 하며 모형의 제작시에 이 여유를 고려하여 제작하게 된다. 기계가공여유는 재료와 후작업시의 제거치수에 의존하며 수축여유에서처럼 선형적이지 못하다. 상기 표에 기계가공여유를 함께 표시하였다. 내부 표면의 기계가공여유는 음의값을 가지게 되고 평균적으로 표에 주어진 것보다 1mm 정도 크게 한다.
모형에 의도적으로 주게 되는 또다른 편차가 있는데 이를 빼기구배라 한다. 이는 주형의 캐비티로부터 모형을 뽑아내는 방향으로 경사를 주는 것으로 모형을 뽑을 때 주형이 파손되는 것을 막고 모형의 제거를 쉽게 하기 위함이다. 빼기구배의 평균값은 0.5º 에서 2º 사이 또는 1/100~7/110이다.
2. 모형의 종류
모형은 그 사용재료에 따라 목재형, 금속형, 석고형, 현물형, 합성수지형, 시멘트형, 풀몰드형으로 나뉘고, 일반적으로 구조에 의하여 다음과 같이 분류된다.
① 현물형(solid pattern) : 1개의 조각으로 만들며 대게 목재로 제작한다.
② 게이트 모형(gated pattern) : 1개 또는 복수 개의 현물형 모형에 게이트와 탕도를붙인 형태로 대게 분할판(follow board)과 함께 사용한다. 이 모형으로 주물의 캐비티 뿐만 아니라 주형캐비티까지 용융금속이 흘러들어가는 통로를 함께 만들 수 있으며, 함께사용하는 분할판은 주형분할면을 정해주는 역할을 하며 주형제작시에 모형이 쉽게 분리될수 있도록 도와준다.
③ 매치 플레이트 모형 (match plate pattern) : 목재 또는 금속의 매치 플레이트(matchplate)의 양면에 분할면 윤곽에 일치하도록 모형을 절반씩 붙인 것이다. 매치 플레이트는 코프와 드래그들 사이에 위치결정에 의하여 정확히 놓여지게 된다. 작은 주물인 경우하나의 매치플레이트 위에 여러 개의 모형을 붙여서 사용한다.
④ 코프(cope)형, 드래그(drag)형 : 분할모형 (split pattern)의 코프측과 드래그측 모형을각각 2개의 매치플레이트에 붙여서 코프틀과 드래그틀을 따로 제작하고 이를 합쳐서 주형을 만들기도 한다(다음 그림).
⑤ 회전모형(sweep patterm) : 일반적으로 목재로 되어 있고 대형주물의 회전체를 생성하는 데 이용된다. 이 경우 주형의 재료는 반죽형태의 것을 사용하게 된다.
⑥ 골격모형(skeleton pattern): 주물제품의 외형 골격만을 만들어서 사용한다. 이는주형제조자가 수작업을 통해 주형을 만들거나 단순한 형상의 거대주물을 만드는 데 유용하다.
모형을 설계하는 데 있어서 유의할 사항은 모형의 최소부위만이 코프부에 위치하도록절단면을 결정해야 한다. 주물용 모래는 인장강도보다 압축강도가 높기 때문에 모형의 무게를 드래그쪽에서 받게 해야 하고 코프쪽의 모래가 떨어져나가지 않도록 주의해야 하며주물의 중요한 표면은 드래그쪽에 위치하도록 해야 한다. 상기 그림은 주물과 이를 위한 모형을 보여준다. 모형에는 앞서 설명한 여유들이 표시되어 있다.
3. 주형의 종류
주형은 만드는 재료에 따라 사형주형(green san mold), 플라스틱주형, 금속주형으로 분류하거나, 만드는 방법에 따라 셀 몰드, 인베스트먼트 몰드 등으로 분류한다. 금속주형은하나의 주형으로 여러 번 사용하여 많은 수의 주물을 만들 수 있어서 영구주형이라고 부른다. 이와는 반대로 내화성 모래와 같은 재료의 주형은 한 번만 사용할 수 있다.
4. 사형 주형
사형주형의 재료는 모래, 진흙, 목분, 초정(dextin), 석탄과 같은 유기첨가제의 혼합물이다. 무게의 관점에서 이들의 성분비를 보면 대략 70~85%의 모래, 10~20%의 진흙, 3~6%의 수분, 그리고 1~6%의 첨가제이다. 이들 조성비는 주물의 재료가 철금속인지 비철금속인지에 따라 약간씩 바뀐다. 모래는 값이 싼 내화물이다. 자연상태의 모래는 주형재료로서의 적당한 품질을 가지지 못한다. 예를 들어, 자연산 모래의 대부분은 원하는 것보다도 높게 진흙을 함유하고 있다. 주형으로 사용하는 모래는 특수한 진흙, 수분, 첨가제를함유하고 있어야 한다. 게다가 입자크기분포도 중요하다. 모래의 입자크기와 형태는 대단히 다양하다. 입자의 형태로는 둥근 것과 각이진 것이 있다. 입자들이 고르고 둥근 형태로되어 있으면 모래혼합체의 부피밀도(bulk density)는 대단히 작아진다. 이럴 경우 내부에기공이 많고 통기성이 커지게 된다. 통기성이 크면 주물 속에 갇혀 있는 가스들이 주조공정중에 쉽게 배출될 수 있다. 입자의 크기가 다양하고 각이진 형태이면 상황은 바뀌게 된다. 입자크기분포를 분석하기 위하여 체질시험(screening testing)을 한다. 모래시편의 무게를 고정하고 표준체(sieve)에서 체질을 한다. 체눈크기가 다양한 체들을 통해 얻어지는모래의 양을 도표화하여 이를 통해 입자크기분포와 평균입자크기를 산출해낸다.
진흙은 물과 혼합하여 결합제 역할을 하며 모래에 인장, 전단강도를 지니게 한다. 유기첨가제는 고온에서 타서 없어짐으로써 주형 내 모래가 열팽창할 수 있는 여유를 주어 주형이 부스러지는 것을 방지한다. 주조공정의 성공여부는 모래혼합물의 성질에 크게 좌우된다. 모래혼합물의 성질로는 ① 강도, ② 통기성, ③ 변형도, ④ 유동성, ⑤ 내화성이 있다. 이러한 물성을 측정하기 위하여 표준시편과 측정법이 제시되어 있다. 강도는 압축강도를 의미하고, 변형도는 표준시편이 파단될 때까지의 길이변화량을 뜻한다. 통기성은 시편양측에 일정 압력차를 주었을 경우 시편을 통과한 가스의 유량을 의미하고, 유동성은 주형을 다지는 동안 모래가 모형의 사이로 유동하는 정도로 모형의 형태대로 캐비티를 만들 수 있는 여부를 판가름할 수 있는 척도이다. 내화성은 고온에서 모래가 고상을 유지하는정도로 온도의 함수로 주어진다. 모래와 진흙의 조성비를 일정하게 할 때 수분함량의 변화에 따른 물성치의 변화를 다음 그림에 나타내었다.
강도와 통기성을 보면 수분함량의 최적값이 존재함을 알 수 있다. 수분함량이 낮을 경우 모래입자보다 작고 건조한 진흙입자가 모래입자 사이의 틈을 채우게 되어 통기성이 낮아진다. 수분함량이 높아질수록 습한진흙이 모래입자를 덮어 입자 사이의 간격을 멀어지게 하고, 이로써 통기성은 증가하게된다. 최적수분함량치 이상에서는 부분 자체가 모래틈새를 채우게 되어 통기성이 낮아지게 된다.
5. 주형의 제작
제작할 주형의 수가 적을 경우 주형은 수공에 의하여 만들어진다. 단순한 형태로 많은주형을 만들 경우는 주형기가 사용된다. 여기에서는 간략하게 주형제작의 주요 특징을설명하고 주형기에 대하여 언급하고자 한다.
모형의 분리를 쉽게 하기 위하여 물기가 묻지 않는 곱돌 같은 이형제를 모형 표면에 묻힌다. 주형표면을 좋게 하기 위하여 고운 입자의 표면사가 사용되기도 한다. 일반적으로 코프판이 용탕의 내부 정수압에 의하여 뜨지 않도록 코프판 위에 중추(dead weight)를 올려놓는다. 부피가 큰 주형에서는 모형을 제거하기 위하여 코프판을 들어올릴 때 모래가 떨어져 나가지 않도록 주의해야 한다. 이를 위하여 개거(gagger)라 불리는 특수한 지지대가 코프판 내에 사용되기도 한다. 바퀴제품에서 가장자리에 홈이 파여져 있을 경우, 다음 그림에서 보는 바와 같이 주형은 3개의 부품으로 만들게 된다.
이 경우 코프판과 드래그판 사이의 부품을 치크(cheek)라 한다. 가스가 빠져나가기 쉽게 하기 위하여 코프판에 가스배출구를 만들기도 한다.
주형기는 다음 그림에 표현되어 있는 세 가지 방법 중의 하나, 또는 조합된 방식으로 작동된다.
졸트법(jolt ramming)에서 주형은 5cm 정도의 높이로 1분에 200번 움직이는 속도로 50~100번 정도 상하로 요동하게 된다. 이 방법은 다소 고르지 않게 다져지는 것이지만 상당히 평탄한 면을 얻을 수 있다. 얇은 판의 조형에는 스퀴즈법(squeezing)이 적당하다. 샌드 슬링법(sand slinging)은 대단히 빠르고 균일한 다짐을 할 수 있으나 초기비용이 많이 든다.
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