알루미늄 합금 프로파일이 생활과 생산에 널리 사용되는 이유는 낮은 밀도, 내식성, 우수한 전기 전도성, 비강자성 특성, 성형성 및 재활용 가능성과 같은 장점을 모든 사람이 충분히 인식하고 있기 때문입니다.
중국의 알루미늄 프로파일 산업은 소규모에서 대규모로 성장하여 현재는 세계 1위의 생산량을 자랑하는 주요 알루미늄 프로파일 생산국으로 자리 잡았습니다. 그러나 알루미늄 프로파일 제품에 대한 시장의 수요가 지속적으로 증가함에 따라 알루미늄 프로파일 생산은 복잡하고 정밀하며 대량 생산되는 방향으로 발전하여 여러 가지 생산 문제를 야기했습니다.
알루미늄 프로파일은 대부분 압출 방식으로 생산됩니다. 생산 시에는 압출기 성능, 금형 설계, 알루미늄 봉의 구성, 열처리 및 기타 공정 요소 외에도 프로파일의 단면 설계도 고려해야 합니다. 최적의 프로파일 단면 설계는 공정의 어려움을 원천적으로 줄일 뿐만 아니라 제품의 품질과 사용 효과를 향상시키고, 비용을 절감하며, 납기를 단축할 수 있습니다.
이 글에서는 실제 생산 사례를 통해 알루미늄 프로파일 단면 설계에 일반적으로 사용되는 여러 가지 기술을 요약합니다.
1. 알루미늄 프로파일 단면 설계 원칙
알루미늄 프로파일 압출은 가열된 알루미늄 막대를 압출 배럴에 넣고 압출기를 통해 압력을 가하여 주어진 모양과 크기의 다이 구멍에서 압출하여 소성 변형을 일으켜 원하는 제품을 얻는 가공 방법입니다. 알루미늄 막대는 변형 과정에서 온도, 압출 속도, 변형량, 금형 등 다양한 요인의 영향을 받기 때문에 금속 흐름의 균일성을 제어하기 어려워 금형 설계에 어려움을 겪습니다. 금형의 강도를 확보하고 균열, 붕괴, 깨짐 등을 방지하려면 프로파일 단면 설계에서 큰 캔틸레버, 작은 개구부, 작은 구멍, 다공성, 비대칭, 얇은 벽, 불균일한 벽 두께 등을 피해야 합니다. 설계 시 먼저 사용, 장식 등의 측면에서 성능을 만족시켜야 합니다. 결과적으로 나온 단면은 사용 가능하지만 최상의 솔루션은 아닙니다. 설계자가 압출 공정에 대한 지식이 부족하고 관련 공정 장비를 이해하지 못하며, 생산 공정 요건이 지나치게 높고 엄격하면 품질 보증률이 낮아지고 비용이 증가하며 이상적인 프로파일을 생산할 수 없게 됩니다. 따라서 알루미늄 프로파일 단면 설계의 원칙은 기능적 설계를 충족하는 동시에 가능한 한 간단한 공정을 사용하는 것입니다.
2. 알루미늄 프로파일 인터페이스 설계에 대한 몇 가지 팁
2.1 오류 보상
마감은 프로필 제작 과정에서 흔히 발생하는 결함 중 하나입니다. 주요 원인은 다음과 같습니다.
(1) 깊은 단면 개구부가 있는 프로파일은 압출 시 종종 닫힙니다.
(2) 프로파일의 늘어남과 곧게 펴짐은 닫힘을 강화합니다.
(3) 특정 구조를 갖는 접착제 주입 프로파일의 경우 접착제 주입 후 콜로이드 수축으로 인해 폐쇄 현상이 발생하기도 합니다.
위에서 언급한 폐쇄 현상이 심각하지 않다면 금형 설계를 통해 유량을 제어하여 피할 수 있습니다. 하지만 여러 요소가 중첩되어 금형 설계 및 관련 공정으로 폐쇄 현상을 해결할 수 없는 경우 단면 설계에서 사전 보상, 즉 사전 개방을 실시할 수 있습니다.
사전 개봉 보상액은 금형의 특정 구조와 이전 마감 경험에 따라 선택해야 합니다. 이때 금형 개봉 도면(사전 개봉)과 완성 도면의 설계는 서로 다릅니다(그림 1).
2.2 큰 크기의 섹션을 여러 개의 작은 섹션으로 분할
대형 알루미늄 프로파일의 개발로 인해 많은 프로파일의 단면 설계가 점점 더 대형화되고 있으며, 이는 대형 압출기, 대형 금형, 대형 알루미늄 막대 등과 같은 일련의 장비가 이를 지지해야 함을 의미하며, 생산 비용이 급격히 증가합니다. 접합으로 얻을 수 있는 일부 대형 단면의 경우, 설계 과정에서 여러 개의 작은 단면으로 분할해야 합니다. 이를 통해 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 평탄도, 곡률, 그리고 정밀도를 확보하기도 더 쉬워집니다(그림 2).
2.3 평탄도를 향상시키기 위해 보강용 늑골을 설치합니다.
프로파일 단면 설계 시 평탄도 요건이 자주 발생합니다. 소경간 프로파일은 구조 강도가 높아 평탄도를 확보하기 쉽습니다. 장경간 프로파일은 압출 직후 자체 중력으로 인해 처지며, 중앙부의 굽힘 응력이 가장 큰 부분이 가장 오목하게 됩니다. 또한, 벽 패널이 길기 때문에 파동이 발생하기 쉬워 평면의 단속성이 악화됩니다. 따라서 단면 설계 시 대형 평판 구조는 피해야 합니다. 필요한 경우, 평탄도를 향상시키기 위해 중앙에 보강 리브를 설치할 수 있습니다. (그림 3)
2.4 2차 가공
프로파일 제작 과정에서 일부 구간은 압출 가공으로 완성하기 어렵습니다. 설령 가능하다 하더라도 가공 및 생산 비용이 너무 많이 들 수 있습니다. 이 경우 다른 가공 방법을 고려해 볼 수 있습니다.
사례 1: 프로파일 단면에 직경 4mm 미만의 구멍이 있으면 금형 강도가 부족하고, 쉽게 손상되며, 가공이 어려워집니다. 작은 구멍을 제거하고 드릴링을 사용하는 것이 좋습니다.
사례 2: 일반적인 U자형 홈의 제작은 어렵지 않지만, 홈 깊이와 홈 폭이 100mm를 초과하거나 홈 폭과 홈 깊이의 비율이 불합리한 경우, 제작 과정에서 금형 강도 부족 및 개구부 확보 어려움 등의 문제가 발생합니다. 프로파일 단면을 설계할 때 개구부를 닫은 것으로 간주하여 강도가 부족한 원래 솔리드 금형을 안정적인 분할 금형으로 전환할 수 있으며, 압출 중 개구부 변형 문제가 없어 형상 유지가 용이해집니다. 또한, 설계 과정에서 개구부 양단 연결 부위에 몇 가지 세부 사항을 적용할 수 있습니다. 예를 들어, V자형 마크, 작은 홈 등을 설정하여 최종 가공 시 쉽게 제거할 수 있도록 할 수 있습니다(그림 4).
2.5 겉은 복잡하지만 속은 단순하다
알루미늄 프로파일 압출 금형은 단면에 캐비티가 있는지 여부에 따라 솔리드 금형과 션트 금형으로 구분할 수 있습니다. 솔리드 금형의 가공은 비교적 간단한 반면, 션트 금형의 가공은 캐비티, 코어 헤드 등 비교적 복잡한 공정을 필요로 합니다. 따라서 프로파일 단면 설계에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 즉, 단면의 외부 윤곽은 더욱 복잡하게 설계하고, 홈, 나사 구멍 등은 최대한 주변에 배치하는 반면, 내부는 최대한 단순하게 설계하고, 정밀도는 지나치게 높지 않도록 해야 합니다. 이렇게 하면 금형 가공 및 유지 보수가 훨씬 간편해지고 수율도 향상됩니다.
2.6 예약 마진
알루미늄 프로파일은 압출 후 고객 요구에 따라 다양한 표면 처리 방법을 사용합니다. 그중 양극 산화 처리와 전기 영동 방식은 박막층으로 인해 크기에 미치는 영향이 거의 없습니다. 분체 도장 표면 처리 방법을 사용할 경우, 모서리와 홈에 분체가 쉽게 쌓이며, 단일 층의 두께는 최대 100μm에 달할 수 있습니다. 슬라이더와 같은 조립 위치의 경우, 4겹의 분무 코팅이 적용됩니다. 최대 400μm의 두께는 조립을 불가능하게 하고 사용에 영향을 미칩니다.
또한, 압출 개수가 증가하고 금형 마모가 심해짐에 따라 프로파일 슬롯 크기는 점점 작아지고 슬라이더 크기는 점점 커져 조립이 더욱 어려워집니다. 이러한 이유로 조립을 보장하기 위해 설계 시 특정 조건에 따라 적절한 여유 공간을 확보해야 합니다.
2.7 허용오차 표시
단면 설계의 경우, 먼저 조립 도면을 제작한 후 프로파일 제품 도면을 제작합니다. 조립 도면이 정확하다고 해서 프로파일 제품 도면이 완벽하다는 것은 아닙니다. 일부 설계자는 치수 및 공차 표시의 중요성을 간과합니다. 표시된 위치는 일반적으로 조립 위치, 개구부, 홈 깊이, 홈 너비 등과 같이 보장해야 하는 치수이며 측정 및 검사가 쉽습니다. 일반적인 치수 공차의 경우, 국가 표준에 따라 해당 정확도 수준을 선택할 수 있습니다. 일부 중요한 조립 치수는 도면에 특정 공차 값으로 표시해야 합니다. 공차가 너무 크면 조립이 더 어려워지고, 공차가 너무 작으면 생산 비용이 증가합니다. 합리적인 공차 범위를 설정하려면 설계자의 일상적인 경험 축적이 필요합니다.
2.8 세부 조정
세부적인 사항들이 성공과 실패를 결정하며, 프로파일 단면 설계에도 마찬가지입니다. 작은 변화만으로도 금형을 보호하고 유량을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 표면 품질을 개선하고 수율을 높일 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 기술 중 하나는 모서리 라운딩입니다. 압출 프로파일은 와이어 절단에 사용되는 얇은 구리선에도 직경이 있기 때문에 모서리가 완벽하게 날카로울 수 없습니다. 그러나 모서리 부분의 유동 속도가 느리고 마찰력이 크며 응력이 집중되어 압출 자국이 뚜렷하고 크기 조절이 어려우며 금형이 깨지기 쉬운 경우가 많습니다. 따라서 라운딩 반경은 사용에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 최대한 늘려야 합니다.
소형 압출기로 생산하더라도 프로파일의 벽 두께는 0.8mm 이상이어야 하며, 단면 각 부분의 벽 두께 차이는 4배를 초과해서는 안 됩니다. 설계 과정에서 벽 두께가 급격히 변하는 부분에 대각선이나 호를 적용하여 균일한 배출 형상과 용이한 금형 수리를 보장할 수 있습니다. 또한, 얇은 두께의 프로파일은 탄성이 더 뛰어나 일부 거셋, 배튼 등의 벽 두께는 약 1mm 정도입니다. 각도 조정, 방향 변경, 캔틸레버 단축, 간격 증가, 대칭성 개선, 공차 조정 등 설계 세부 사항 조정에는 다양한 용도가 있습니다. 간단히 말해, 프로파일 단면 설계는 지속적인 요약과 혁신을 필요로 하며, 금형 설계, 제조 및 생산 공정과의 관계를 충분히 고려해야 합니다.
3. 결론
설계자는 프로파일 생산에서 최상의 경제적 이익을 얻기 위해 사용자 요구, 설계, 제조, 품질, 비용 등 제품 수명 주기 전반의 모든 요소를 설계 단계에서 고려해야 하며, 제품 개발의 첫걸음을 내딛는 성공을 위해 노력해야 합니다. 이를 위해서는 제품 생산 과정을 매일 추적하고, 설계 결과를 예측하고 사전에 수정하기 위한 직접적인 정보를 수집 및 축적해야 합니다.
게시 시간: 2024년 9월 10일
