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디스크 브레이크용
경량 개발Caliper Piston
최종 보고서( )
1997. 4.
주관기관 : 주유 일 화 성( )
위탁기관 : 자동차부품연구원
통 상 산 업 부
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제 출 문
통 상 산 업 부 장 관 귀하
본 보고서를 디스크 브레이크용 경량 개발 개발기간“ Caliper Piston "( : 1995.11.1
과제의 최종보고서로 제출합니다- 1997.2.29) .
1997. 4.
개발사업 주관기관명 : 주 유일화성( )
개발사업과제 책임자 : 오 세 택
연 구 원 : 구자준 주 유일화성 선임연구원(( ) )
한민수 주 유일화성 연구원(( ) )
천보국 주 유일화성 연구원(( ) )
김영명 책임연구원(KATECH )
이순홍 책임연구원(KATECH )
이명호 책임연구원(KATECH )
유용문 연구원(KATECH )
정선경 연구원(KATECH )
노상호 연구원(KATECH )
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요 약 문
최종개발목표1.
페놀계 수지를 이용한 디스크 브레이크용 경량 개발Caliper Piston
기술개발의 목적 및 중요성2.
자동차의 브레이크 구성 부품인 을 페놀계 수지로 제조하여 경량화에Caliper Piston
따른 연비 및 공정단축을 통한 생산성을 향상시키고 새로운 기술인 사출압축공법을
이용하여 기존제품보다 성능이 우수한 경량 시제품을 제조함으로써 다른 고내구성
부품에도 적용시킬 수 있는 새로운 설계 및 성형기술을 획득하는 것이었다.
기술개발의 내용 및 범위3.
고내열성 고강도를 지닌 복합수지재질을 선정하여 이의 특성을 분석 파악하였다, , .
사출압축공법을 적용하기 위한 금형설계 및 제작기술 확보 수지재료의 열변형 및,
경시변화등을 고려한 최적의 성형조건을 확립하여 후가공의 생략에 따른 공정의 단
순화 및 가격경쟁력을 확보하였다 최적설계를 위하여 을 이용한 구조해석 및. FEM
유동해석을 실시하였고 시험 및 특성평가에 의한 해석결과의 확인을 통하여 해석방
법의 타당성을 검증하고 이를 설계에 반영하였다.
시제품의 물리 화학적 및 기계적 특성을 파악하고 계면특성분석을 실시하였으며,
내구시험을 통한 안정성과 실차 적용 가능성을 판단하였다.
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기술개발의 결과4.
쐐기 사출압축 방식을 이용한 압축과정을 통해 필요한 강도 및 내구성을0.5mm
갖는 시제품을 개발하였으며 기존의 제품에 비해 우수한 가격 경쟁력과 경량화 효
과를 나타내었다 유동해석 및 구조해석을 통한 시제품의 유동 및 파괴특성을 예측.
하고 이에 따른 금형보완으로 내구성을 향상시켰으며 이로써 제품의 성능향상이 가
능하였다 생산속도가 기존 금속제품보다 향상되었고 후가공을 생략하여 생산성이.
매우 우수하였으며 조립성 및 외관성등도 기존외산제품과 동등 또는 우수하였다.
본 과제의 연구를 통해 확립된 설계 및 성형기술은 고내구성이 요구되는 타 제품
제조시에도 응용될 수 있으므로 파급효과가 클것이다.
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제 장 서 론1
최근 에너지 절감과 환경공해에 대한 관심이 고조됨에 따라 산업계 전반에서 이에
대한 다양한 대처방법을 모색하고 있으며 선진국의 자동차업계에서는 경량화 구조,
의 단순화 및 공기저항의 감소등을 통한 연비향상을 모색하고 있는 실정이다.
특히 선진 각국에서는 복합재료나 플라스틱 경량금속등의 적용에 의한 자동차부품,
경량화 연구와 시도가 계속되었고 이중에서도 경량화 효과가 높고 가격이 저렴한
각종 복합재료등의 사용이 지속적으로 증가되고 있다 이에따라 국내의 자동차업계.
에서도 부품의 정도를 각종 수지계 복합재료부품으로 대체하여 경량화 내5-10% ,
부식성 내충격성 및 내진동성등을 향상시키고 성형의 유연성을 통한 비용절감을,
달성하였고 기존의 내 외장 부품뿐만 아니라 구조용 및 기능성 부품등으로 그 응ㆍ
용분야를 넓혀가고 있다 이런 수지계 복합재료는 기지재와 보강재로 구성되어 있.
으며 그 중에서도 본 과제의 대상소재인 복합수지재료의 기지재인 페놀수지는 내열
성 전기적특성 접착성 개선의 용이성 다양한 가사시간 및 비교적 짧은, , , (pot Life)
경화시간등 성형상의 장점으로 각종Water Pump Impeller, Distributor Cap, Gear
및 내장재등의 자동차 부품[1]에 적용되어 왔고 그 범위도 일반 내장부품에서 지속
적인 하중을 견디어 내야하는 차 구조물 등으로 크게 확장되어 가고 있다 그러나1 .
차 구조물에 사용하기 위해서는 충분한 내구성과 안전성을 검증받아야 하므로 기1
존의 복합재료 재료이나 성형공법으로는 한계가 있다.
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본 연구에서는 대상부품으로 디스크 브레이크용 캘리퍼피스톤을 선정하여 페놀계
수지를 이용한 재료개발[2-5]과 성능 향상을 위한 사출압축성형 기술개발을 수행하
였다 대상 부품은 자동차의 제동력을 브레이크 패드에 전달하는 부품으로서 복합.
수지를 적용하면 높은 유압에 대한 내유성 내구성과 낮은 열전도계수를 갖는 수지,
재질의 특성상 패드의 열을 브레이크 액으로 전달하지 않아서 브레이크 액의 끓음
현상등을 줄일 수 있어 선진 각국에서 개발을 서두르고 있는 부품이다[6-7] 또한 각.
부품의 경량화 추세[8]에 맞춰 디스크 rotor[9]등의 소재가 경량합금이나 복합소재등
으로 대체되면 이에 요구되는 낮은 공격성과 감소효과등을 함께 기대rotor Noise
할 수 있다 외국 업체에서는 사와 사등이 페놀계 수지를 이. Allied Signal Bakalite
용한 압축성형공정으로 제품을 개발하였으며 사에서 개발한 제품이 의Bendix GM
폰티악 차종에 적용한 예가 널리 알려져 있으며 국내에서는 기아자동차의 스포티지
차종이나 수입차인 등에 장착되어 있으나 압축공법의 특성상 후가공을 통한Sable
비용상승과 내구성 확보를 위한 제품의 두께 확대로 인하여 경량화 효과를 기대할
수 없어 개선의 여지가 있다 최근에 유럽에서 시도되고 있는 최신의 사출압축공법.[10-11]은 후가공이 생략되어도 정밀한 성형이 가능하며 피스톤에 필요한 150-
의 강도와 에서의 내열성 및 열전도 특성등을 모두 만족시킬350kg/ 100-300°C㎠
수 있다 또한 제품의 수치화를 위하여 반드시 수행되어야 하는 유동해석을 통한.
금형설계 보완과 구조해석을 통한 파괴특성등의 예측기술등은 타 산업에도 응용할
수 있는 고부가가치 기술이라 하겠다.
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제 장 브레이크 시스템2
제 절 브레이크 시스템의 구성1
차량의 제동력을 제공하는 브레이크 시스템은 차량의 안전성과 직결되는 중요한 부
분이며 각 부품들의 밀접한 상호작용을 전제로 하고 있다 전체적인 브레이크 시스.
템에서 캘리퍼 피스톤이 차지하는 역할과 작동에 대해서 살펴보기 위하여 브레이크
시스템의 구성도를 그림 에 나타내었다1 .
그림 브레이크 시스템 구성도1.
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앞의 그림에서 보듯이 브레이크 시스템[12]은 제동력을 발생시키는 페달, Master
와 제동력을 분배하는 등으로 구성되Vac., Master Cylinder Proportion Valve, Brake
어 있다.
그림 에서 보듯이 페달을 통하여 제동력을 발생시키게 되면 에2 Brake Master Vac.
서 제동력을 증폭시켜 로 전달하고 여기서 나온 액압을 바퀴에 장Master Cylinder
착된 등에 전달하여 차량의 바퀴속도를 감소시켜 제동을 일으키Drum, Disc Brake
게 된다 고속 주행중인 차량을 정지시키기 위하여는 큰 제동력을 필요로 하고 이.
를 얻기 위하여는 를 사용하여 힘을 증폭시켜야 한다 이때 페달에Brake Booster .
작용한 힘에 비례하여 각 바퀴에 전달된 제동력을 실제동력이라고 한다.
그림 브레이크의 실제동력 작동경로2.
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이러한 실제동력을 바퀴에 전달하기 위하여는 그림 에 나타낸 바와 같이 유압으로3
제동력을 전달받은 피스톤이 브레이크 패드를 디스크에 밀착시켜서 마찰 제동력을
얻는 구조로 되어 있다 이때 높은 유압과 마찰에 의한 온도증가로 각 부분의 부품.
들이 노화될 가능성이 있으며 특히 유압에 직접 노출되는 의 경우는Caliper Piston
이런 이유에서 복합수지의 적용이 어렵다고 알려져 왔었다.
그림 브레이크 어셈블리내의 캘리퍼 피스톤3.
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제 장 재료 및 설계3
제 절 재료선정1
본 연구의 특성상 제품을 개발하기 위하여는 고온의 유압에서도 우수한 내구성과
치수안전성을 갖는 복합수지를 선정하여 적용하는 것이 매우 중요하다 이를 위해.
서 기존에 생산되는 소재중 내열성과 성형성이 우수한 페놀계 수지를 선정하였으며
다양한 수지의 특성을 비교하고 그중에서 수축율과 열팽창계수가 작아 적용에 용이
한 재료 가지를 선정하였다3 .
선정된 재료는 벨기에의 사 제품Vyncolit [13]인 계열의 수지RX680, W5013, RX655
이며 이들중 일부는 브레이크의 내구성 부품으로 실제 적용중에 있다 각 재료의.
특성 비교하여 표 에 나타내었다1 .
표 시제품 성형에 사용된 재료의 특성1.
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위 표의 변형온도에서 알수 있듯이 계열의 재료이 각 압력하에서의 변형온RX 655
도가 높고 수축율이 적어 비교적 우수한 치수안정성이 기대되나 성형시 유동성은
상대적으로 떨어질 것으로 예상되었다 각 재료를 이용한 시편의 단면을 아래의 그.
림 에서 그림 까지 나타내었다 각 재료들의 기지재와 보강재의 분산이 잘 되어4 7 .
있고 보강재의 방향성이 일정하여 강도면에서 우수할 것으로 예측되었다.
그림 재료의 파단면 사진4. W5013 (X500)
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그림 재료의 경사단면 사진5. W5013 (X200)
그림 재료의 경사단면 사진6. RX655 (X2000)
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그림 재료의 경사단면 사진7. RX 680 (X1000)
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제 절 시제품의 설계2
가 시제품설계의 기본방향.
복합수지의 성형에 있어서 재료의 수축율등의 열적특성등에 의하여 제품의 두께가
증가할수록 성형시 의 발생 증가와 외경정밀도가 떨어지므로 제품의 강도Pin Hole
를 만족하면서 정밀도를 향상시키고 경량화효과를 극대화시키는데는 제품의 두께를
줄이는 것이 필요한 것으로 판단되었다 아래의 그림 과 그림 에서는 기존의 금. 8 9
속제 피스톤과 외국에서 적용중인 복합수지피스톤의 형상을 나타내었다.
그림 주 기아자동차의 에 적용된 금속제 피스톤8. ( ) TRADE
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그림 외국에서 적용중인 복합수지제 피스톤9.
외벽두께 바닥두께( :10.3-12.4 , :9.5-12.4 )㎜ ㎜
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나 시제품의 형상의 설계.
본 연구에서 적용하고자 한 시제품은 기존 자동차업체에서 사용하고 있는 외경 54
의 제품을 대상으로 하였으며 시제품의 설계도 기존의 금속제 제품의 것을 기초㎜
로 하였다 이를 바탕으로한 시제품의 형상을 아래의 그림 에 나타내었다. 10 .
그림 시제품의 형상10.
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시제품의 외벽과 바닥면의 이론적인 두께를 계산하여 보았다 외압을 받는 원통의.
외벽두께 결정은 아래의 식을 적용하였다.
물체가 받고 있는 응력:
압력P : [Kg/mm2]
벽면 두께 외경: ( ) [cm]
벽면 두께 내경: ( ) [cm]
바닥면의 두께t : [ ]㎜
바닥면의 두께를 결정하기 위하여 둘레부분을 기준으로 다음의 식을 적용하였다.
물체가 받고 있는 응력:
압력P : [Kg/ ]㎠
벽면 두께 외경: ( ) [cm]
바닥면의 두께t : [cm]
위의 계산식에 따르면 벽면보다 바닥면에 받는 응력이 크며 바닥면 중에서도 둘레
부분에 작용하는 응력이 가장 큰 것으로 나타났다.
이런 결과를 고려하여 두께를 최소화하면서도 바닥면이 적당한 강도를 유지하기 위
하여는 바닥면의 둘레부분에 리브를 형성시켜 보강하였다.
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제 절 유동해석3
가 유동해석.
금형 내에서의 수지유동 해석은 금형설계 즉 제품 제조시 공기의 혼입을 방지하기,
위한 주입구 및 배기구의 위치선정에 매우 중요하다 반복적 시행착오법에 의한 실.
험을 통하여 금형설계를 할 수 있으나 복잡한 형상의 경우 가시화가 어렵고 실험, ,
금형의 높은 제작비와 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다 따라서 금형설계시 수치.
해석을 통한 수지유동해석은 시간 및 경비절감을 위하여 필수불가결한 요소이다.
본 연구에서는 사출압축공정에서 제품 제조용 금형에서의 수지유동 해석시에 공기
흡입을 최소화하기 위하여 수치 해석적인 방법을 이용한 전산프로그램을 이용하였
으며 이는 최적의 사출압축 금형 설계 및 공정개발에 유용하게 사용될 수 있다, .
나 지배 방정식 및 경계 조건.
금형 내에서의 수지 유동은 에 따른다Darcy’s Law .
여기서 는 Permeability, 는 수지의 점도이다 등방성 재료의 경우에는. 가
량이나 이방성 재료에서는Scalar 가 행렬로 주어지게 된다 또 유동은 다음과 같.
은 질량 보존식을 만족하여야 한다.
두께 방향으로의 압력 변화가 매우 작으므로 식 에서 이를 무시하고 다음과 같이(1)
두 개의 성분으로 나누어 쓸 수 있다.
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또한 식 의 질량 보존식은 다음과 같이 표현된다, (2) .
여기서 는 의 두께이며 는 두께의 시간에 따른 변화율 즉 금형을 닫는h cavity , h ,
속도이다 식 을 질량 보존식인 식 에 대입하면 수지의 압력 분포에 관한 방정. (3) (4)
식을 얻을 수 있다.
위의 지배방정식에 대한 경계 조건들은 다음과 같다.
수지 주입구에서의 시간에 따른 압력 혹은 유량의 변화를 식 에 대한 경계조건(5)
으로 주어야 한다.
금형 벽면과 수직인 방향으로의 속도 성분이 존재하지 않으므로,
공기 배출구에는 대기압 조건을 적용할 수 있다.
위에서 서술한 지배방정식들을 이상의 경계조건에 대하여 풀면 수지의 유동 선단의
위치를 시간에 따라 구할 수 있다.
다 수치 해석.
의 금형 충전 해석에는 수치 해석적인 방법이 사용되어야 한다Injection Molding .
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와Coulter Guceri[14]등은 경계부착좌표계 를 이용한(Boundary Fitted Coordinates)
유한 차분법 으로 계산을 수행하였고 과(Finite Difference Method) , Chan Hwang[15]
은 유한 요소법 을 이용하여 계산하였다 엄문광(Finite Element Method) . [16]은 경계
요소법 을 이용하여 차원 등온 금형에 대하여 계산한(Boundary Element Method) 2
바 있다 금형 충전 과정은 자유 표면이 존재하는 이동경계문제. (Moving Boundary
이므로 기존의 이나 에서는 계산 영역의 변화에 따라서 격자를Problem) , FDM FEM
계속 재생성하여야 하는 단점이 있다 이 문제를 해결하기 위해 최근. Control
이하 가 많이 사용되고 있다 과 더Volume Finite Element Method( CVFEM) . CVFEM
불어 고정 격자를 사용하게 되면 계산 영역의 변화에 따른 격자 재생성이 불필요하
므로 계산 시간이 빨라지고 복잡한 형상에 대해서도 계산이 수월한 장점이 있다, .
와Bruschke Advani[17]는 을 이용하며 차원 구조의 등온 금형 충전과CVFEM 3 shell
정에 대해 연구하였고 및 역시 을 이용하며 온도 분포계산을, Lin, Lee Liou CVFEM
포함한 금형 충전 및 수지 경화에 관한 연구를 하였다.
본 연구에서는 을 이용하여 차원 형태의 금형 내의 수지 유동을 해CVFEM 3 shell
석할 수 있는 을 개발하였다 수치해석의 흐름도를 그림 에simulation program . 11
나타내었다.
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그림 11. Flow Chart of the Numerical Simulation of Injection Mold Filling
Process
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본 연구에서 개발된 수치 해석 프로그램은 계산 도중에 진행 상황을 화면상에서 확
인할 수 있고 필요에 따라 공정 조건을 수시로 변경할 수 있는 사용자 편의 위주의
를 갖추었다 따라서 수지 주입 설계를 보다 신속하고 편Graphical User Interface .
리하게 수행할 수 있으며 시행착오를 줄일 수 있으므로 주입구 및 공기 배출구 설,
계에 소요되는 시간을 대폭 단축할 수 있다 아래의 그림 에. 12 Graphical User
를 이용한 유동해석의 결과를 나타내었다Interface .
또한 전용의 를 이용함으로써 능률적으로 계산 결과를 검토할 수, post-processor
있으며 단일 환경하에서 계산 수행 및 결과 처리 작업을 동시에 할 수 있으므로,
작업 능률을 더욱 높일 수 있다 이를 이용한 해석수행결과를 그림 에 나타내었. 13
다.
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그림 방식의 실행12. Graphical User Interface Mold Filling Simulation Program
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그림 방식의 계산 결과 처리 작업을 위한 전용13. Graphical User Interface Post
의 실행Processor
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라 유동해석의 결과.
공정의 수치해석을 통한 수지 주입에 따른 수지유동 전진면 해석Injection Molding
을 행한 결과인 그림 에서 보듯이 하단 중앙부의 주입구 부분14 Caliper Piston (A )
및 상단부분의 배출구 를 선정할 경우 공기의 혼입이 없었음을 알 수 있었다 이(B) .
결과는 실제 각 재질의 성형공정시 관찰된 유동특성과 일치하였으며 성형제품의 외
관이 우수하고 표면에 이상이 없는 것으로 보아 설계의 적합성을 확인할수 있었다.
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그림 시간에 따른 수지전진면의 수치해석 결과14.
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제 절 구조해석 및 금형설계4
본 시뮬레이션은 외부에서 일정한 유압을 받고 있는 캘리퍼 피스톤에 가해지는 응
력을 계산하고 이를 실제실험을 통한 결과와 비교하여 궁극적으로 캘리퍼 피스톤,
의 파괴가 발생하지 않도록 설계변경을 통해 취약부위를 보강하는 것을 목적으로
하고 있다 해석을 위하여 상용 해석 로서 널리 사용되고 있는. FEM Package
를 에 이용하였고 요구I-DEAS Version 4 Pre-processor, Solver, Post-processor
해석특성을 살펴보아 정적해석만을 행하였다 캘리퍼 피스톤은 그 형태상.
에서 중심축을 중심으로하여 씩 개 부분을 이어붙임Cylinderical Coordinate 40 9℃
으로서 전체형상이 구성될 수 있으므로 모델링의 단순화 계산의 신속성 및 정밀도,
를 구현하기 위하여 모델로 모델링하였다 그림 에 측면도를 나타내었고 표1/9 . 15
현의 정확성을 위하여 좌측부분을 하부면 우측부분을 상부면이라고 표현하겠다 좌, .
표축의 축과 축 방향은 각각 에서의 축과 축방향을 나x y Cylinderical Coordinate z R
타내고 축과 축 사이에Z R 축을 가지는 좌표를 사용하였으며 시뮬레이션에 사용된
는 그림 에서 나타낸 바와 같이 의Element 16 3D Solid Type 8 node block
와 를 이용하였고 전체적으로 개의 와element 6 node triangular element 2362 Node
개의 로 구성하였다 그림 에는 평면을 대칭면으로 한2069 Element . 17 xy Boundary
을 나타내었고 하부면에서는 압축시험시 고정되는 부분임을 표현하기 위Condition
하여 축방향으로 변위를 구속하였으며 축방향과 축방향을 중심으로 한 회전방향x y z
의 운동을 구속하였다 또한 대칭면을 표현하기 위하여 축 방향의 변위와 축방향. z x
과 축방향의 회전방향의 운동을 구속하였다 외부에서 주어지는 유압은 캘리퍼 피y .
스톤의 상부면에 수직되는 방향으로 단위면적당 의 정적하중이 주어지는 것3.5 N
으로 계산하였다 사용된 재료의 물성치는 표 와 같이 정적응력해석을 위해서 탄. 2
성계수와 포아송비만을 사용하였다.
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표 2. Property of the material
Property Modulus of elasticity Poissons Ratio
Value 24 Gpa 0.32
그림 과 그림 에서는 주응력으로 표현한 해석결과를 나타내고 있는데 예상한18 19
바와 같이 상부면의 안쪽부위는 인장이 발생하고 바깥쪽부위는 압축이 발생함을 알
수 있고 톱니형태의 상부면에서 압축이 발생하는 것을 알 수 있다 압축과 인장을, .
동시에 고려한 에 의한 해석결과는 최대치가 톱니형태의 상부면에서 보Von-Mises
여지며 이는 하중을 받을 경우 그 부분이 가장 먼저 파괴가 일어날 가능성이 크다
는 것을 알 수 있다.
이와 같은 해석결과를 이용하여 새로이 바닥면을 톱니형태주변을 메운 형태의1cm
모델로서 해석을 재실시하였다 그림 의 측면도와 그림 의 형태에서 알. 20 21 FEM
수 있듯이 전반적으로 취약한 부분을 줄인 설계이다 해석결과는 그림 와 그림. 22
에 나타난 바와 같이 주응력으로 표현하면 상부면의 안쪽부위의 인장과 바깥쪽부23
위의 압축 및 톱니형태의 상부면의 압축을 볼 수 있지만 그림 에서 그 크기가, 24
에서 로 약 줄어들었음을 알 수 있고 그로 말미암아 상부면의 안쪽부28.2 17.1 40%
위와 바깥쪽부위에 고른 응력이 주어짐을 알 수 있으며 이로서 새로이 설계된 모델
을 이용할 경우 더욱 견고한 부품이 되리라 사료된다 실제 이러한 방법을 거쳐서.
완성된 시제품의 금형수정후의 도면과 시제품의 형상을 그림 과 에 나타내었25 26
다.
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그림 피스톤의 측면도15.
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그림 시뮬레이션에 사용된 피스톤 모델의16. Element
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그림 평면을 대칭면으로 한17. xy Boundary Condition
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그림 주응력으로 표현한 해석결과 바깥면18. ( )
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그림 주응력으로 표현한 해석결과 안쪽면19. ( )
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그림 보강된 피스톤의 측면도20.
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그림 시뮬레이션에 사용된 보강된 피스톤 모델의21. Element
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그림 보강된 피스톤의 해석결과 바깥면22. ( )
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그림 보강된 피스톤의 해석결과 안쪽면23. ( )
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그림 측면에서 나타난 하중의 최대치24.
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그림 금형수정후의 도면25.
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그림 금형수정후의 시제품 형상26.
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제 장 성 형4
제 절 성형설비1
앞에서도 언급한 바와 같이 을 제작하기 위하여 적용한 사출압축 공Caliper Piston
법은 기존의 공법에 비해 정밀도가 높은 반면 성형방식이 까다롭고 아직 국내에서
는 적용한 예가 드물어 성형장비의 설계 및 제작에 주안점을 두어 충분한 토의 및
사진검토를 하였다 본 연구에서 사용한 사출압축성형기는 진화기계에서 제작한.
모델을 적용하였다 이 모델은 최근에 국산화된 장비로 직경의 스200VDCII . 50mm
크류와 약 톤의 최대사출압력 및 의 회전수를 가지고 있다 본 장비를2 265 RPM .
그림 에 나타내었다27 .
그림 사출압축성형기의 형상27.
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제 절 사출압축성형2
기존에 쓰이고 있는 사출성형법은 용융수지를 게이트에서 고압으로 주입하여 성형
하며 냉각에 따르는 수축분을 보입장치로 보충하여 성형하고 있다 그러나 실제 성.
형시에는 수지를 주입하는 게이트 부분에서 상대적으로 압력이 높아지게 되고 수지
주입구에서 멀어질수록 금형내 수지압력이 낮아지므로 이러한 압력분포를 지닌 사
출품을 경화시키게 되면 응력발생 및 사출 후 변형의 원인이 된다.
그러나 본 연구에서 적용한 사출압축성형공법은 금형에 미리 일정한 넓이의 틈새를
벌여놓은후 수지를 금형내에 충진하게 된다 이 상태에서는 틈새로 인해 충분한 공.
간을 확보할 수 있어 저압의 충전이 가능하고 수지주입구와 멀리 떨어진 부분과의
압력차이도 상대적으로 줄일수 있어 응력발생을 줄일 수 있는 등의 장점이 있다.
그 후 저압충전된 수지를 균등압축하여 틈새 넓이 만큼의 압축효과를 발생시켜 금
형내 수지의 압력분포의 불균형을 줄여서 성형품의 휨이나 치수 정밀도를 크게 향
상시킬 수 있으며 을 방지하고 고밀도의 제품을 성형할 수 있다 그러나 금Pinhole .
형압축에 따른 압축량의 결정 제어방식 및 금형의 설계등에 관한 연구가 선행되어,
야 한다 다음의 그림 에는 사출압축시 공정의 각단계를 표시하였다. 28 .
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그림 사출압축성형의 단계28.
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제 절 성형방식과 성형조건3
가 일반사출.
기계적으로 금형이 열려있는 상태에서 금형을 닫고 고정시킨후 내부에 충Cylinder
진되어 있는 수지를 금형내부에 주입시킨후 수지를 경화시킨다.
수지가 경화되는 동안 다음 성형을 위해 내의 후퇴하여 수지가 주입Cylinder screw
된 후 처음 과정을 되풀이 하여 성형을 하는 방식이며 가장 일반적인 사출성형 방
식이다 본 연구에서 적용한 일반성형시 사출시간은 였으며 사출압력은. 15-17sec
70-73kg/cm2 이었다 주입시 수지의 온도는 였으며 이때 금형의 온도는. 90°C
정도 였다 경화시간은 약 정도로 재질이 경화에 걸165-170 . 50-70sec W5013℃
리는 시간이 길었다.
아래의 그림 에는 이런 방식의 사출을 이용한 시제품의 사출방식을 나타내었다29 .
그림 일반적인 사출방식29.
- 45 -
나 방식사출. Spring
금형을 닫아 밀폐시키면서 기계적인 조작으로 정도의 거리를 두게되며 이때0.5mm
의 금형간의 간격을 의 힘으로 받혀준다 그후에 수지를 주입하고 금형을 완Spring .
전히 밀폐시켜 거리를 둔 만큼의 압축효과를 내는 방식으로 비교적 간단한 사출압
축방식이나 의 조임특성상 일정한 간격을 유지하거나 강한 압축비를 달성하Spring
기는 어려운 방식이다 실제 적용시에도 충분한 압축력을 달성하기 어려웠다 본 연. .
구에서 적용한 압축성형시 사출시간은 였으며 사출압력은Spring 14-15sec
70-75kg/cm2 이었다 주입시 수지의 온도는 였으며 이때 금형의 온도는. 90℃
정도 였다 경화시간은 약 정도였다 아래의 그림 에는 시165-170 . 50-70sec . 30℃
제품의 사출방식을 나타내었으며 이때 사용한 금형의 형상을 그림 에 나타내었31
다.
그림 스프링을 이용한 사출방식30.
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그림 스프링 방식 사출시 사용한 금형31.
- 47 -
다 쐐기방식 사출.
금형이 열려져있는 상태에서 금형외측에 쐐기를 부착하여 금형이 닫힐 때 쐐기두께
만큼 간격이 벌어지게 되는 방식이다 이 방식은 쐐기의 두께에 따라 일정한 간격.
을 안정되게 확보할 수 있는 장점이 있으며 쐐기를 제거하기 전에 사출하는 방식과
제거한 후 사출하여 압축하는 두 가지의 방식으로 구별할 수 있다 본 연구에서는,
이 두 가지 방식을 모두 시도하였으며 최종적으로 사출후 쐐기를 제거하는 방식이
압축에 유리하여 이 방식을 채택하였다 본 연구에서 적용한 쐐기 압축성형시 사출.
시간은 였으며 사출압력은18sec 80-82kg/cm2 이었다 주입시 수지의 온도는. 9
였으며 이때 금형의 온도는 정도 였다 경화시간은 약 정도5 165-170 . 50sec℃ ℃
였다 아래의 그림 에는 이런 방식의 사출을 이용한 시제품의 사출조건을 나타내. 32
었으며 그림 에는 이때 사용한 금형의 형상을 나타내었다33 .
그림 쐐기 방식을 이용한 사출조건32.
- 48 -
그림 쐐기 방식 사출시 사용한 금형33.
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제 절 열처리4
플라스틱 사출품은 사출후 치수의 변형이 일어나게 되며 이것은 냉각되는 동안 각
부위에서 발생하는 응력의 차이로 인한 것으로 금형의 온도조절을 정밀하게 하여도
내부응력 발생을 피할 수 없어 파손에 원인을 제공하게 된다 이러한 현상을 막기.
위하여 다단계의 열처리 를 거쳐 응력을 제거함으로써 각 부위의 치수(Post Curing)
안정성을 향상시킬 수 있다 다음에 나타낸 단계를 따라 열처리를 하였으며 이때.
사용한 의 형상을 그림 에 나타내었다Oven 34 .
실온에서 까지 분간 온도상승후 분간 지속155 60 120① ℃
에서 까지 분간 온도상승 후 분간 지속155 175 60 120② ℃ ℃
에서 까지 분간 온도상승 후 분간 지속175 200 60 180③ ℃ ℃
에서 상온에서 서냉200④ ℃
그림 열처리에 사용한34. Oven
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제 장 시험결과5
본 연구에서 시험 제작된 사출압축공법에 의한 캘리퍼피스톤은 성형기술은 아직 국
내에서 개발 적용예가 없으며 선진외국 업체에서도 일부 회사만이 압축성형공정을
이용하여 생산하고 있다 또한 브레이크에 사용하는 내구성 부품은 안전에 직결되.
는 부분으로서 각 회사마다 엄격한 안전규격을 두어 제품시험에 이용하고 있다.
그러므로 캘리퍼피스톤 시제품 또한 엄격하고 객관적인 내구시험을 거쳐야 할 것으
로 생각된다 본 연구에서는 여러 시험중에서 성형 및 제품설계에 중요한 요소인.
성형후 차원 치수측정과 액압파괴시험을 통하여 시제품의 실차적용 가능성을 확3
인하였다.
제 절 시제품의 차원 치수측정1 3
수지제품은 그 열적 특성상 성형후 냉각을 거치면서 수축을 하게 되므로 정밀 성형
을 위해서는 이런 현상을 고려한 금형설계가 필수적이며 많은 시행착오를 거쳐야
정확한 치수의 성형품을 얻을 수 있다 본 연구에서는 유일화성과 자동차부품연구.
원에서 각각 치수를 측정하고 시편을 재질별로 개 이상씩 무작위로 선별하여 오10
차를 최소화하고자 하였으며 자동차부품연구원에서 치수측정을 위하여 사용한 장비
는 독일 사의 모델이었으며 장비의 형상과 시편의 장착상태를 아래Zeiss CMM850
의 그림 과 그림 에 나타내었다35 36 .
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그림 차원 측정기35. 3
그림 시편의 장착상태36.
- 52 -
가 각 재질에 대한 치수의 측정.
시제품 성형에 사용한 각 재질의 치수정밀성과 안정성을 측정하기 위하여 각 공정
후에 시편을 무순위로 개 이상을 선정하여 열처리 전후의 치수를 측정하였으며10
이를 위하여 아래의 그림 과 같이 상 중 하 각부분에 방위의 측정점을 정37 , , X Yㆍ
하여 치수를 정밀측정 하였다 이때의 금형의 치수는 일 경우. RX680 54.2mm,
과 재질일 경우는 이었으며 이때의 결과를 표 에서 표W5013 RX655 54.29mm 3
까지 나타내었다5 .
그림 상 중 하에서의 측정위치37. , ,
- 53 -
표 스프링 사출압축방식에서의 각 재료의 측정결과3.
- 54 -
표 열처리전의 각 재료의 측정결과4.
- 55 -
표 열처리후의 각 재료의 측정결과5.
- 56 -
나 치수측정에 대한 분석.
진원도와 외경의 치수정밀도는 서로 연관관계가 있는 것으로 생각되며 전체적으-
로 볼 때 부의 외경이 크고 윗부분의 치수가 조금 큰 것으로 나타났다 이Part Line .
런 현상은 금형의 부분의 온도가 노출에 의한 냉각으로 다른 부분보다Part Line
낮아져서 금형온도 분포 및 온도변화가 불균일하게 된 결과로 생각된다.
외경치수에서 미미하지만 경시변화가 나타났다 이는 시간을 두고 같은 시편을- .
측정한 아래의 표 의 측정결과 차이에서 알수 있었다 그러나 이런 경시 변화에6 .
의한 변형을 평가하기 위하여 앞으로도 지속적인 측정을 하여야 하겠다.
표 각 재료의 경시변화6.
성형하였을 때 각 부위에서 발생하는 응력의 차이로 인하여 치수의 변화를 가져-
왔으나 성형후 열처리를 통하여 응력을 제거하고 진원도 및 치수안정성을 향상시킬
수 있었다.
일반사출일 경우에는 재료의 수축률이 적은 재료일수록 치수정밀도가 우수하였-
다.
- 57 -
쐐기를 사용하여 최초로 압축을 하였을 때는 가 과대하게 나타났으며- 2mm Burr
압축량을 로 하여 이의 발생을 최소로 할 수 있었으며 전체적인 결과는 일0.5mm
반사출보다는 식 압축사출법이 우수하였고 이보다도 쐐기사출압축방식의 성Spring
형이 치수안정성에 가장 유리한 것으로 나타났다.
다 치수안정성에 대한 평가.
플라스틱 사출품의 특성상 사출후와 열처리 전후의 치수변화는 예상되었으며 본 연
구에서는 이런 치수변화를 허용공차 이내로 하기 위하여 재질선정 및 열처리 조건
선정에 신종을 기하였다 현재 사용하고 있는 금속제품에 적용되고 있는 허용공차.
는 이었으며 본 영구에서는 경시변화의 가능성과 부분별 치수의 변화가능0.05mm
성등을 감안하여 허용오차를 로 하고자 목표를 정하고 연구에 임하였다 이0.03mm .
결과 주요 관심 재질인 의 경우에는 다음의 표 과 같은 결과를 얻을 수 있RX 655 7
었다.
표 재질의 치수안정성7. RX 655
위에서 보듯이 재질을 쐐기사출압축방식으로 압축하여 시제품을 만RX655 0.5mm
들었을때 시제품 전체에서의 최대 치수차는 로서 비교적 컸으나 상 중 하0.067 , ,
부분에서 측정한 치수차는 허용오차를 만족하였으며 이는 진원도 측정에서도 확인
할 수 있다 또한 열처리에 의하여 각 치수안정성을 크게 향상시켰으며 이때 치수.
달성율은 로써 허용오차를 완전히 만족하고 있다103% .
동일한 방식으로 재질을 측정한 결과를 표 에 나타내었다W5013 8 .
- 58 -
표 재질의 치수안정성8. W5013
위의 결과 치수안정성이 예상보다 매우 열악한 것을 알수 있었으며 이에 대한 분석
및 보완이 필요하였다 이를 위하여 각 시편을 정밀 재측정하였으며 그 과정에서.
일부 시편이 최대 까지 팽창된 것을 알수 있었다 이는 일부 시편이 성형54.3mm .
및 냉각시 로 인하여 부분팽창된 것으로 보이며 시제품으로 적용이 불가능하여gas
모두 불량품으로 처리하였다 이를 고려하여 다시 계산된 치수안정성을 아래의 표.
에 나타내었고 이 결과에서 보듯이 재질도 최소 에서 최대 의9 W5013 93% 123%
치수안정성을 달성한 것으로 판단되었다.
- 59 -
표 재질의 치수안정성 차 측정9. W5013 (2 )
위의 결과로 볼 때 열처리후 치수변형을 최소로 하고 잔류응력을 줄이기 위한 성형
조건을 확보하였으나 금형온도의 미세조절 및 균일화와 발생의 최소화 등의gas
보완이 요구되었다.
- 60 -
제 절 액압파괴 시험2
가 액압파괴 시험.
자동차의 안전에 직결되는 브레이크 시제품의 내구특성을 측정하는 것은 제품의 상
용화에 앞서 반드시 선행되어야 하는 중요한 일이다.
본 연구에서는 시제품의 형상과 재질의 선정에따른 시행오차와 노력을 줄이기 위하
여 각 시험중 가장 직접적이면서도 중요한 액압파괴 시험을 우선적으로 행하여 시
제품의 상용화 가능성을 판단하였으며 이 결과를 바탕으로 추후 다양한 시험으로
이를 확인하여야 할 것이다 이 시험은 브레이크 캘리퍼의 파괴시까지 고압을 주어.
350Kg/cm2 이상에서의 정적내구성을 보는 시험으로 제품의 파괴 특성을 알기위해
서 매우 중요하다 본 시험을 위해서 주 기아정기에서 보유하고 있는. ( ) Bench
를 사용하였다 내압시험을 위해서Tester . 350Kg/cm2의 액압을 초 동안 가하여30
유출이나 손상이 없어야 하고 파괴시험을 위하여는 파괴시까지 압력을 증가시Oil
켜 제품의 파괴특성을 관찰하였다.
나 파괴시험 결과.
금형수정전의 시편을 브레이크 어셈블리에 장착하고 차 파괴시험을 행하였다1 .ㆍ
개의 시편을 일반사출한 시편과 사출압축한 시편을 준비하고 각각의 시편의 절반24
을 열처리하여 성형방식과 열처리 여부에 따른 강도의 변화를 관찰하고자 하였으며
시험도중에 조직의 균열음이 발생하면 파괴된 것으로 인정하였다 내압시험에서는.
기준치인 350Kg/cm2 미만에서 조직이 파열되었으며 파괴시험시에는 3
85-410Kg/cm2에서 파괴가 발생하였다 시험결과 파괴된 시편의 형상을 그림 과. 38
그림 에 나타내었다 전체적으로 시제품의 저단부에서 파괴가 발생하는 경향을39 .
보여 구조해석시 예상하였던 결과와 일치하였으며 이를 토대로 제품의 바닥면과 원
통저단부의 보강을 시도하였다.
- 61 -
그림 내압파괴된 시편38.
그림 내압파괴된 시편39.
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금형을 수정하여 바닥면을 보강한 시편을 준비하여 차 파괴시험을 시도하였다 시2 .
험을 위해 등의 재질로 시편을 준비하였으며 그 외의 조건RX680, RX655, W5013
은 차 시험때와 같이 하였다 내압시험결과는 모든 시편들이 조건을 만족하여 바1 .
닥면의 보강이 성공적이었음을 알수 있었으며 파괴시험시에도 금형수정전보다 높은
내압성을 보였다 열처리 후의 시편이 열처리를 하지 않은 시편보다 우수한 내구성.
을 나타내는 것은 차 시험때와 동일하였다 이렇게 파괴된 시편의 내압파괴시의1 .
압력과 압축번위량을 표 과 에 나타내었다10 11 .
표 내압파괴시험 결과10. (RX655)
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표 내압파괴시험 결과11. (W5013)
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제 장 결 론6
기존 금속제 디스크 브레이크용 캘리퍼피스톤 대체 페놀계 복합수지(RX 655,
제품 성형 연구를 통해 다음의 결과를 얻었다W5013) .
국내 외 최초의 사출압축공법에 의한 시제품 성형 성공 재질 선정 유동해석 및, , ,ㆍ
구조해석을 통해 독자 금형 설계 성형기술 확립 및 완성차 업체 요구 내구성을 충,
족시켰다.
금속 단조 제품의 단점인 외경 연마 홈부위 선삭 가공 공정 없이 공차 범위 내,ㆍ
의 제품 생산이 가능하여 생산성 향상 배 및 가공 공정비 절감 효과를 거(3/100) (2 )
두었다.
금속제품 및 외산 복합수지 제품 대비 본제품 은 각각(500g) (240g) (135g)ㆍ
의 경량화를 달성하였다73%, 52% .
실용화시 경량화에 의한 연비향상 가격경쟁력을 통한 금속 제품 대체 및 기존,ㆍ
선진 압축 성형법 대체 사출압축 성형법 를 구축할 것이다know-how .
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