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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.14 No.6 pp.7-13
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2015.14.6.007

Study of Injection Molding Process of Shift Lever Using Injection Molding Analysis

Chul-Woo Park*, Boo-Youn Lee**#, Sang-Min Lee***
*Daegu Mechatronics & Materials Institute, Machinery & Robot Research Division
**Dept. of Mechanical and Automotive Engineering, Keimyung University
***Woojin High-Tech Co.,Ltd.
Corresponding author : bylee@kmu.ac.kr Tel: +82-53-580-5922, Fax: +82-53-580-5165
February 2, 2015 August 27, 2015 September 11, 2015

Abstract

The production processes were reviewed through the injection analysis of the shift lever as a core component of an auto lever installed in the automatic transmission of cars. The injection analysis was carried out for the shift lever and rod among the components in a shift lever module. The shift lever and rod are designed for injection molding with the insertion of a tube, a pin cable plate, and a steel rod for securing the strength of the product. The charging time, failure of injection molding, weld line, air trap, and deformation were reviewed according to this insert. Analyses on various gate positions were carried out for reviewing the cultivation and deformation of fiber around major components, such as the generation section of manipulation feeling and assembly section, so that optimal gate conditions might be reviewed and reflected in the mold design. Finally, we plan to compare the analysis results with the production of trial products.


사출성형해석을 통한 자동차 레버쉬프트의 사출공정에 관한 연구

박 철우*, 이 부윤**#, 이 상민***
*(재)대구기계부품연구원
**계명대학교 기계자동차공학과
***(주)우진하이텍

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    B0008866

    1.서 론

    자동차에 널리 쓰이고 있는 변속제어 방식은 운전자가 기계식 오토레버(auto lever)를 P-R-N-D-2-1 위치로 조작 하면 변속레버에 연결되어 있는 케이블(cable)의 밀고 당김(push/pull) 작용을 통해 변속기의 변속을 진행하게 된다. 이러한 오토레버에서 중요한 부품인 레버쉬프트 (lever shift)는 단 변속 및 조작시 절도감 생성 등의 기능을 수행하도록 설계되어 있다. 이러한 기능을 수행하기 위 해 레버쉬프트는 케이블 조작을 위한 강성 확보와 대량생 산이 가능한 인서트 사출공법으로 제작된다.

    사출성형공정은 저렴한 비용으로 복잡한 형상의 플라 스틱 제품을 대량으로 신속, 정밀하게 생산할 수 있는 제조공정이다. 종래에는 금형 제작 및 사출조건을 설계 자의 경험에 주로 의존해야 했으므로, 미성형(short shot), 변형, 에어트랩, 크랙 등의 많은 성형 불량이 발생하였다. 그리하여 금형의 경우 최초 제작비가 고액이며, 제품을 잘못 사출하게 되면 지속적인 비용이 추가로 들어가게 된다.1]

    최근에 요구되고 있는 사출 성형품의 품질과 치수 정밀 도를 향상시키기 위해서는 수축과 변형을 야기하는 성형 제품 내의 압력과 온도 분포 등을 정확하게 예측하고 해석할 수 있는 수학적 모델링 및 해석 기법이 필요하게 되었다.2] 컴퓨터를 이용하여 수치적 방법으로 사출공정 을 해석할 경우 제품의 개발에 있어서 설계 효율을 극대 화시킬 수 있으며, 또한 원가 절감과 개발기간의 단축 및 성형품의 품질 향상 등의 효과를 얻을 수 있다. 최근 자동변속기의 편의성 및 연비향상으로 인하여 소비자들 의 수요가 늘고 있어 고객의 요구에 효과적으로 대응하여 고품질의 제품을 생산하기 위해서는 고품질의 금형제작 기술 확립이 요구되고 있다.3,4]

    본 논문에서는 자동차용 자동변속기에 장착되는 오토 레버의 핵심 부품인 레버쉬프트의 생산에 필요한 사출금 형 제작을 위해 상용 해석소프트웨어를 이용하여 사출성 형 해석을 수행하고, 해석결과로부터 미성형여부 및 주 요부에 대한 웰드라인, 에어트랩, 변형 등을 검토하였다.

    2.사출성형해석 모델 생성

    2.1.레버쉬프트 모듈의 구성

    자동차용 자동변속기에 장착되는 오토레버의 핵심 부 품인 레버쉬프트 조립품은 Fig. 1과 같이 구성된다. 레버 쉬프트 모듈(module)은 인서트사출을 통해 생산된 레버 쉬프트와 버튼로드(button rod)에 튜브(tube), 핀케이블판 (pin cable plate), 스프링, 폴(pawl)을 조립하여 완성된다.

    레버쉬프트는 변속기의 손잡이(knob)가 조립되는 튜 브와 케이블이 조립되는 핀케이블판이 삽입되어 사출로 생산하며, 원활한 작동성과 내구력이 요구되는 부품임을 고려하여 PA66+GF50% 소재로 제조된다. 본 연구를 통하 여 유리섬유(glass fiber)가 다량 첨가된 원소재에 대한 사출성형해석을 통해 금형설계의 타당성을 확보하고자 하였다. 버튼로드는 오토레버의 버튼 작동시 변위를 생 성하여 폴을 이동시켜 단변속이 이루어질 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 또한 버튼 조작 없이 단변속을 시도할 경우에는 폴을 통해 단변속이 발생하지 않도록 지지하는 역할도 동시에 수행한다.

    2.2.유한요소 모델 및 해석 조건

    레버쉬프트와 레버댐퍼(lever damper), 버튼로드에 대 해 상용소프트웨어인 Autodesk Moldflow Insight (AMI)를 사용하여 사출 유동해석을 수행하였다. 유한요 소 모델 생성은 3차원 설계결과를 이용하여 사면체 유한 요소(Tet4)로 자동 요소분할을 하였으며, 사출시 수지의 흐름방향 분석을 위해 두께 방향으로 6층이 기본적으로 생성되도록 하였다.5]

    유한요소 생성 결과는 Fig. 2와 같다. 레버쉬프트의 총 요소 수는 인서트면을 포함하여 1,450,248개를 생성하 였으며, 레버댐퍼는 오버몰딩(over molding)으로 레버쉬 프트의 요소를 포함하여 131,376개의 요소로, 버튼로드 는 인서트면을 포함하여 372,927개의 요소를 생성하였 다.

    사출성형해석 수행은 충진(filling), 보압(packing), 변형 (warping) 해석까지 진행하였으며, 소재는 레버쉬프트 및 버튼로드는 Rhodia engineering plastics의 PA66+GF50% 의 수지이며, 레버댐퍼는 EPDM이다.

    사출성형해석을 위한 공정조건은 Table 1의 조건으로 부여하였다. 사출 시간은 제품의 공정에 따른 시간 조건 을 부여하였으며, 레버시프트와 레버댐퍼, 버튼로드 모 두 98%의 충진이 이루어질 때 보압 전환이 되도록 조건을 부여하였다. 보압 조건은 레버시프트 및 레버댐퍼는 최 대 사출압의 80%로 초기값을 설정하였으며 8~10초를 유지하도록 부여하였다.

    사출성형해석 수행을 위해 게이트(gate) 및 러너 (runner), 스프루(sprue)의 모델을 생성하여 해석을 수행 하여야 되나, 사출성형해석을 통해 미성형 및 웰드라인 발생위치, 사출시 유리섬유의 배향 등을 우선적으로 검 토하기 위해 게이트, 러너, 스프루의 모델 없이 제품에 게이트를 지정하여 성형 해석을 수행하였다. 게이트 위 치는 Fig. 2에서 지정한 지점에 조건을 부여하였다.

    3.사출성형해석 결과

    3.1.레버쉬프트의 사출성형해석 결과

    레버쉬프트는 강성 보강을 위하여 내부에 핀케이블판 이 삽입되어 있으며, 단변속시 충격 감소를 위해 EPDM 의 고무재질로 오버몰딩 공정을 거쳐 최종 제품을 생산한 다. 각 단계별 사출성형해석을 수행하여 공정상의 문제 점을 분석하였다.

    레버쉬프트의 충진해석 결과는 Fig. 3에서 보는 것과 같이 미성형되는 영역이 없이 충진이 이루어지며, 최종 충진 되는 영력이 힌지 부와 튜브의 인서트부, 레버의 스위치 작동부에 최종 충진되는 시점의 차이가 0.03초 이내로 제품에서 충진의 편차가 없이 충진됨으로 충진 밸런스에도 문제가 없는 것으로 나타났다.

    제품 생산은 인서트 안정도가 높은 220톤 다대사출기로 생산할 계획으로 충진해석 결과 발생한 최대 사출압 27MPa, 형체력은 16.2ton이 발생하며, 금형을 2캐비티로 제작하여도 사출시에는 문제가 없을 것으로 판단된다. Fig. 4는 레버쉬프트 사출공정 중에 게이트 위치에서의 압력 변화와 그에 따른 사출공정을 명기하여 나타내고 있다. Fig. 5는 웰드라인 발생위치를 나타낸 것으로, 오토 레버의 단변속시 절도감을 생성하는 그루브(groove) 부 위에서 에어트랩 및 웰드라인이 나타나지 않는다. Fig. 6의 섬유의 배향방향은 최종 제품의 수축 및 표면의 조도 에 큰 영향을 미치는 요소이며, 그루브 부위의 섬유의 배향이 레버작동시 롤러의 구름 방향과 동일한 방향으로 배열되어 표면조도가 우수할 것으로 판단된다.

    변형해석의 결과로부터 유동해석에서 계산된 잔류응력 을 이용하여 제품 취출시 예상되는 변형 모양과 크기를 알 수 있다. 잔류응력은 사출공정에 의해 유발되는 수축 률 편차에 의해 발생하는데 수축률 불균일의 원인은

    크게 3가지로 구분할 수 있는데, 첫째는 제품의 두께 방향으로의 불균일 냉각(differential cooling), 둘째는 제 품의 영역에 따른 불균일 수축(differential shrinkage), 셋 째는 재료의 섬유배향 방향과 그에 직각인 방향의 불균일 수축(differential orientation)이다.3] Fig. 7은 3가지를 합한 총 변형량의 분포를 나타낸다.

    레버쉬프트의 변형해석 결과, 변형량은 Table 2과 같이 요약된다. 최대 변형값은 0.66mm이며, 원인은 불균일 수축에 의한 변형 0.93mm와 유리섬유의 배향에 따른 0.399mm의 팽창에 의해 변형이 발생한다.

    오토레버의 조작시 운전자가 느끼는 조작감에 큰 영향 을 주는 그루브 위치의 변형은 거의 없는 것으로 나타났 다.

    3.2.레버댐퍼의 사출성형해석 결과

    레버댐퍼는 레버쉬프트의 사출이 끝난 제품을 이용해 오버몰딩을 통해 생산되며, 레버의 조작시 조작감을 우 수하게 하기 위해 고무 재질로 이루어져 있다. 레버 댐퍼 의 충진해석 결과는 Fig. 8에서 보는 것과 같이 미성형되 는 영역이 없이 충진이 이루어지며 충진 밸런스에도 문제가 없는 것으로 나타났다.

    3.3.버튼로드의 사출성형해석 결과

    버튼로드는 운전자가 단변속을 위해 버튼을 누를 때 조작력을 전달하여 단변속이 이루어질 수 있도록 폴을 이동시켜 주는 역할을 수행하며, 인서트축봉(insert shaft rod)이 보강되어 있어 폴의 이동 없이 단변속 발생을 억제 하는 역할을 수행 한다. 사출 해석의 초기조건은 보압을 최대 사출압의 80%로 10초 동안 유지하는 조건으로 초기 값을 설정하여 해석을 수행하였다. 해석결과 Fig. 9와 같이 미성형이 발생하였다.

    미성형 발생의 원인은 Fig. 10에서 보는 것과 같이 인서 트축봉의 치수에서 R방향의 치수가 1mm로 작게 설계되 어 수지의 흐름이 원활하지 못하여 미성형이 발생하였다. 이러한 문제점은 제품설계에서 두께를 증가시키면 가능 하나 제품의 강성 문제에 의해 디자인 변경이 불가능하여 사출공정조건에서 미성형이 발생하지 않도록 조정하였 다. 사출공정조건에서는 보압조건을 변경하여 다양한 사 출성형해석을 수행하였다. 사출성형해석 결과 미성형이 발생하지 않는 보압조건은 Fig. 12에서 보는 것과 같이 최대압에서 선형적으로 최대압에서 80%까지 8초 동안 부여하고, 8초 동안 압력을 서서히 제거하는 형태로 부여 하였다. 보압조건을 변경하여 충진해석한 결과는 Fig. 11 에서 보는 것과 같이 미성형되는 영역이 없이 충진이 되었다. 제품 생산은 인서트 안정도가 높은 100톤 다대사 출기로 생산할 계획으로 충진해석 결과 발생한 최대 사출 압 59MPa, 형체력은 2.5ton이 발생하며, 금형을 4캐비티로 제작하여도 사출시에는 문제가 없을 것으로 판단된다.

    Fig. 11은 버튼로드 사출공정 중에 게이트 위치에서의 압력 변화와 그에 따른 사출공정을 명기하여 나타내고 있다. Fig. 12는 섬유의 배향방향에 대한 값을 나타내는 데, 최종 제품의 수축 및 표면의 조도에 큰 영향을 미치는 요소이다. Fig. 12의 결과로 볼 때, 버튼 조작시 마찰면인

    로드 끝단부의 유리섬유 배향을 살펴보면 일정한 방향 이 아닌 다양한 방향으로 배향됨으로 제품 표면 조도에 악영향을 미칠 것으로 판단된다. 따라서 조도 향상을 위해 금형 제작시 끝단부를 슬라이드 코어(slider core)로 제작하는 방법으로 금형을 수정하는 것이 타당하다.

    버튼로드의 변형해석 결과는 Fig.13과 Table 3과 같이 발생하였다. 최대 변형 값은 0.35mm로 발생하였으며, 원인은 불균일 수축에 의한 변형 1.037mm와 유리섬유의 배향에 따른 0.7006mm의 팽창에 의해 변형이 발생한다. Fig.14

    4.결론

    본 논문에서는 오토레버의 주요 부품인 레버쉬프트와 버튼로드에 대해 사출공정의 충진, 보압, 변형 해석을 진행하여 아래와 같은 결론을 얻었다.

    • (1) 레버쉬프트의 사출성형해석 결과 미성형 발생 영역 이 없이 충진이 이루어지며, 최대 압력은 27MPa가 발생 하였으며, 조작감에 큰 영향을 주는 그루브에서 에어트 랩 및 웰드라인 등이 나타나지 않으므로 우수한 것으로 나타났다.

    • (2) 레버댐퍼의 사출성형해석 결과 미성형 발생 영역이 없이 충진이 이루어지며, 최대압력은 22MPa이 발생하였 다.

    • (3) 버튼로드의 사출성형해석 결과 인서트 축봉에 의해 미성형이 발생하였으나, 보압조건을 조정하여 미성형이 생성되지 않는 사출 조건을 도출하였다.

    • (4) 버튼로드의 사출성형해석 결과 버튼 조작시 마찰부 의 유리섬유 배향이 표면조도에 불리하게 발생하였다. 이를 개선하기 위하여 금형제작시 끝단부를 슬라이드 코어로 제작하는 방법으로 금형을 수정하기로 하였다.

    • (5) 변형해석 결과 수축의 편차에 의해 발생하는 변형 이 가장 크며 제품의 치수가 클수록 수축률이 줄어드는 것으로 나타났다. 유리섬유의 배향에 의해서는 제품이 팽창하는 효과가 나타남을 확인할 수 있었다.

    Figure

    KSMPE-14-7_F1.gif
    Parts of lever shift assembly
    KSMPE-14-7_F2.gif
    Finite element model and gate position
    KSMPE-14-7_F3.gif
    The filling analysis of lever shift
    KSMPE-14-7_F4.gif
    Analysis result for pressure at injection location
    KSMPE-14-7_F5.gif
    Analysis result for weld lines
    KSMPE-14-7_F6.gif
    Analysis result for fiber orientation tensor
    KSMPE-14-7_F7.gif
    Analysis result of deflection(all effects)
    KSMPE-14-7_F8.gif
    The filling analysis of lever damper
    KSMPE-14-7_F9.gif
    Injection analysis results of button load(short shot)
    KSMPE-14-7_F10.gif
    Dimensions of insert shaft rod
    KSMPE-14-7_F11.gif
    The filling analysis of the button rod
    KSMPE-14-7_F12.gif
    The filling analysis of button rod
    KSMPE-14-7_F13.gif
    Analysis result for fiber orientation tensor
    KSMPE-14-7_F14.gif
    Analysis result of deflection(all effects)

    Table

    Injection molding conditions
    Analysis result of deflection of lever shift
    Analysis result of deflection of button rod

    Reference

    1. Kim H P , Kim Y J (2002) “A Study on the Effects of Filling and Packing Phases on the Injection Molding” , KSMTE Annual Autumn Conference 2015, Vol.1 (1) ; pp.112-118
    2. Kim O R , Cha B S , Lee S Y , Kim Y G , Woo C K (2009) “A Study on the Runner and Gate Consequence of Manufacture Double Shot Molding using CAE” , Trans. Mater. Process, Vol.18 (2) ; pp.160-166
    3. Choi H J , Park C W , Choi S D (2010) “Analyses on Deformation Patterns Depending on the Injection Process for Rear Lamp Reflectors of automotive” , J. Korean Soc. Manuf. Process Eng, Vol.9 (4) ; pp.32-37
    4. Park C W (2009) “A Study on the Injection MoldingProcess of the Case of Drum Type Washer Using Moldflow” , J. Korean Soc. Mar. Eng, Vol.33 (1) ; pp.90-96
    5. Lee D G , Park M W , Ahn D G (2011) “Design of Cooling System of Over-molding Mold for Socket Component of Automobile Wiper” , Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol.35 (12) ; pp.1635-1640