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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.18 No.6 pp.76-81
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.6.076

Study on Heterojunction Injection Pulley Fabrication for Development of a High-Strength and Light-Weight Industrial Pulley

Kwan-jong You*, Sung-ryong Bae*#, Jae-yeol Kim**
*College of Future Society Convergence Department of Advanced Industry Convergence, Chosun Univ.
**Dept. of Mechanical Systems and Automotive Engineering, Chosun Univ.
Corresponding Author : sbae@chosun.ac.kr Tel: +82-62-230-7952, Fax: +82-62-234-3015
05/03/2019 09/03/2019 12/03/2019

Abstract


In the mold-manufacturing field, various methods of advanced production technology are being used in the production of industrial-grade gear pulleys. Among the current methods are injection molding, hoop molding, insight molding, two-material molding, compound-mold molding, as well as engineering plastic mold. Currently, casting pulleys are inexpensive because they are produced in small quantities. However, they produce complications during the manufacturing process, are very unreasonable for mass production, and are disadvantageous in cost competitiveness. Pulleys are divided into hundreds of kinds and thousands of kinds, so the production methods vary. As these pulleys are made of a single material by a casting and welding method, they are not manufactured using injection molds consisting of different materials. In this research, pulleys, shafts, and reinforced plastic materials were incorporated using ANSYS software, and a low-cost, lightweight technology was applied for trial production with optimum design and extrusion technology.



고강도 경량화 산업용 풀리 개발을 위한 이종접합 사출풀리 제작에 관한 연구

유 관종*, 배 승용*#, 김 재열**
*조선대학교 미래사회융합대학 신산업융합학부
**조선대학교 기계시스템미래자동차공학부

초록


    Chosun University

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    산업 현장에서 사용되는 기어 풀리의 제품생산에 서 금형제작 기술은 제품 생산에 첨단화된 생산 기 술력을 위하여 다양한 방법을 시도하고 있다. 예를 들어 엔지니어링 플라스틱 금형, 사출성형, Hoop성 형, Insight성형, 2재(材)성형, 복합금형 성형 등의 방법이 사용되고 있다[1~6]. 현재 주물형 풀리는 제조 과정이 복잡하지만 비용 면에서 소량으로 생산하기 때문에 저렴한 편이지만 대량 생산체제에서는 매우 불합리하고 단가 경쟁력에서 불리하다. 현재 풀리 는 수백 가지에서 수천 가지의 종류로 나뉘어 있어 서 생산 방식이 다양하게 형성되어 있다[7~12]. 그러 나 이러한 풀리들은 단일소재로 주물과 용접 법에 의해 제작되고 있으나 이종재의 사출금형으로는 제 작되고 있지 않고 있기 때문에 본 논문에서는 고강 도 플라스틱과 철심 소재를 이용하여 가격이 저렴 하고 경량화 기술을 적용 하였으며 사용수명과 사 용강도가 우수한 초 고강도 사출형 이종재 플라스 틱 풀리를 제작하고자 한다.

    2. 재료선정 및 제작공정 최적화

    Table 1은 기어풀리 제작에서 재료선정을 하기 위 해 Nylon 66, PLA 재질의 물성치를 나타낸 것이다. 밀도, 인장강도 등의 물성치를 비교한 결과 Nylon 66 재질이 적합한 재질로 판단되어 Nylon 66 재질 을 기어풀리 제작의 재료로 선정하게 되었다.

    또한, 일반적으로 산업기계에 사용되는 벨트 풀리 의 구조는 Fig. 1과 같이 림과 보스, 그리고 암으로 구성되어진다. 벨트 풀리는 일체형으로 제작하며 이때 암과 림 부분을 플라스틱으로 하고 보스 부분 을 일반 철 종류로 보스를 만들어 사용 강도를 높 였다[13~17]. 또한 플라스틱과 철 소재 키홈과의 금형 작동에 영향이 미치지 않도록 하였으며 플라스틱과 철 소재 키홈과의 수축 및 변형계수의 차이로 인해 발생되는 치수가 불완전한 외관의 균일한 품질 확 보를 위한 해석을 진행하였다. 또한 최적설계 조건 과 제품의 Weld line 생성 특성 분석 및 최소화와 균일 유동을 위한 게이트의 위치 및 크기 최적화, 수축·열팽창 최소화 및 후 변형 최소화를 위하여 최적의 사출 성형 조건을 설정하였다. Fig. 2는 이 종재 접합 금형 및 풀리의 제작 프로세스를 나타낸 것이다.

    3. 고강도 풀리 설계 및 해석

    3.1 고강도 풀리 설계

    Fig. 3은 이종재 사출부와 풀리부의 2D 금형 설계 도면의 정면도이고, FIg. 4는 이종재 사출부와 풀리 부의 3D 제품 설계도를 나타낸 것이다.

    Fig. 5는 이종사출을 위한 금형의 3D 설계도를 나 타낸 것으로 (a)는 상형을 나타낸 것이고, (b)는 하 형을 나타낸 것이다. 고속회전 풀리의 설계 및 간 섭을 체크하기 위해 모델링한 상태를 나타냈으며 풀리는 고속회전 상태에서 작동 되어야하기 때문에 회전력에 견딜 수 있는 구조로 설계 하였다.

    3.2 고강도 풀리 구조 및 열해석

    Fig. 6과 Fig. 7은 Nylon66 소재와 옥수수 전분에서 추출한 원료로 만든 친환경 수지인 PLA(Poly Lactic Acid) 소재의 풀리를 해석한 것이다. Nodes는 413,567개 이며, Elements는 238,860개 이다. 온도 조건은 40℃이며 축과 기어풀리의 접촉에 마찰조건 을 줬다. 또한 기어풀리의 Z축 방향으로 1,200RPM 의 회전조건을 줬으며, 축 양면을 Fix 했다. 추가로 벨트가 풀리를 당기는 힘을 X축 방향으로 100N의 힘을 줬다. Fig. 6의 Nylon66 소재에서 최대변형률 은 0.0023718mm/mm, 최대응력은 16.127MPa로 나타났으며 Fig. 7의 PLA 소재에서는 최대변형률 0.0060026mm/mm, 최대응력 20.543MPa로 나타났 다.

    3.3 고강도 풀리 신뢰성 검증

    신뢰성을 높이기 위해 컴퓨터 시뮬레이션과 신뢰 성 테스트과정을 통하여 생산과정에서 발생할 수 있는 비용과 시행착오에 의해 발생되는 비용, 시간 및 운영상 측면에서 현저하게 줄여 고속회전 풀리 제품의 신뢰성을 확보할 수 있었다.

    또한, 개발 제작된 이종접합 풀리 시제품의 강도 테스트를 통하여 부품의 품질을 검증하였으며, 최 대강도하중을 주어 최대하중 4754.5kgf 측정되었으 며, 이종재 금형핀 ±5μ이내인 3.9993으로 측정되어 정밀도가 매우 높았으며, 경도시험에서도 기준 값 인 58에 준하는 58.4가 측정되어 신뢰성을 검증할 수 있었다.

    4. 이종재 금형 및 풀리 제작

    이종재 금형 제작을 위해서 2D 및 3D 설계 공정 을 진행하였으며 또한 풀리의 2D 및 3D 설계를 진 행하였고 풀리의 구조 및 열 해석을 진행하였다. 이에 따라 이종 사출을 위한 금형을 부품 별로 제 작하였으며, 조립 후 상부 금형 및 하부 금형을 조 립하여 이종 사출 금형을 제작하였다. 또한, 이종 사출 금형의 성능 분석을 위해 시험적으로 이종 사 출 금형에서 기어의 풀리를 제작하였다. Fig. 8은 이종사출 금형을 제작하기 위한 부품을 제작한 것 이고 Fig. 9는 상부 금형 및 하부 금형, 그리고 완 성된 이종사출 금형을 나타낸 것이다. Fig. 10은 제 작된 기어의 풀리를 나타낸 것이다.

    5. 결 론

    다량으로 사용되고 있는 소형 풀리는 기존 생산 방식으로 생산되는 주조품은 제작 시 매우 어렵고 단면 두께가 작으면 기술적 측면에서 매우 어려우 며, 단가생산에서 생산비가 높기 때문에 경쟁력이 떨어진다. 이에 경량화 및 생산공정 단순화로 시간 단축으로 인한 이종재 접합기술을 적용하여 개발을 완료하였으며, 고강도 플라스틱과 철심 소재를 이 용하여 가격 측면에서 저렴하고, 경량화 적용, 사용 수명, 사용강도(Strength) 등이 우수한 고강도 사출 형 이종재 플라스틱 풀리를 개발하였다. 이에 따른 효과는 다음과 같다.

    1. 생산단가 및 비용절감효과, 외관 품위품질 향상 으로 인한 경쟁력을 갖추었으며 이종재 융합품 의 응용연구로 또 다른 상품 연구가 가능하여 생산단가 절감으로 인한 매출액 증가 효과가 기 대된다.

    2. 소형 풀리 제작 시 단면의 두께에 따른 기술적 인 어려움이 있었으나 본 연구를 통하여 재료의 경량화 및 생산 공정 단순화를 통해 소형 풀리 의 대량 생산 및 제작관련 기술적 애로사항을 해결할 수 있었다.

    후 기

    “이 논문은 2018학년도 조선대학교 학술연 구비의 지원을 받아 연구되었음”(This study was supported research fund form chosun university 2018)

    Figure

    KSMPE-18-6-76_F1.gif
    Structure of belt pulley
    KSMPE-18-6-76_F2.gif
    Pulley manufacturing process
    KSMPE-18-6-76_F3.gif
    Front view 2D modeling of injection mold
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    Pulley 3D design drawing
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    3D Design drawing of injection mold
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    Nylon 66 material pulley
    KSMPE-18-6-76_F7.gif
    PLA material pulley
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    Major parts of mold pulley
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    Completed Heterogeneous Injection Mold
    KSMPE-18-6-76_F10.gif
    Heterogeneous gear pulley prototype

    Table

    Comparison of material properties

    Reference

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